9.4 Конструктивные исполнения устройств ввода и вывода оптического сигнала

Оптические структуры, имеющие различные размеры и форму поперечного сигнала нельзя непосредственно стыковать друг с другом в торец из-за значительных потерь мощности в месте их соединения. Для повышения эффективности связи применяют либо плавные переходы (рисунок 9.1), либо специальные оптические согласующие элементы, с помощью которых обеспечивается согласование распределений полей стыкуемых структур.

Рисунок 9.1 – Плавный конический переход

В качестве внешних оптических согласующих элементов, помещаемых между торцами волноводных структур, могут использоваться различные типы линз и микролинз (сферические и полусферические, градиентные цилиндрические и анаморфотные и т.п.), фоконы и их комбинации.

Хорошо известно, что преобразование одного гауссового пучка в другой можно осуществить с помощью линзы с заданным фокусным расстоянием f, расположенной на соответствующих расстояниях от плоскостей перетяжки входного и выходного пучков. Такой линзовый трансформатор (рисунок 9.2) при согласует два гауссовых пучка с радиусами перетяжек ₁ и ₂, находящимися на расстояниях z₁ и z₂ до согласующей линзы:

; (9.4.1)

. (9.4.2)

Рисунок 9.2 – Линзовый оптический трансформатор гауссового пучка (а) и его реализация с помощью микролинзы на торце ВС (б): 2а – диаметр сердцевины ВС.

Знаки перед вторыми слагаемыми в правой части выражений должны быть или оба положительные, или оба отрицательные, что позволяет удовлетворить условию согласования пучков двумя различными способами.

При возбуждении основной моды одномодового или многомодового ВС модой гауссового пучка их поля обычно согласуют с помощью соответствующей линзы (на практике – объективом микроскопа). Так как распределение поля основной моды градиентного ВС близко к гауссовому, то для эффективного возбуждения такого ВС согласующая линза должна трансформировать пучок с радиусом ₁ в пучок с радиусом ₂, равным радиусу ₀ основной моды ВС. Для возбуждения с максимальной эффективностью основной моды ВС со ступенчатым профилем показателя преломления и радиусом сердцевины а согласующая линза должна трансформировать радиус пятна пучка к радиусу =0,64а (при а/10).

На рисунке 9.2.б показано преобразование оптического пучка на выходе ВС с радиусом пятна ₀ с помощью полусферической микролинзы, установленной на его торце, полагая в выражении (9.3.1) z₁=0, находим, что при ₁/₂>1 расстояние от торца ВС до перетяжки выходного пучка принимает вид

, (9.4.3)

где ₁=₀. При f=f₀ обеспечивается минимальное значение d, а следовательно, и зазора между торцами стыкуемых волноводных структур

. (9.4.4)

Из выражения 9.4.4 видно, что при ₁/₂>>1 d_min асимптотически приближается к f₀ (так, при ₁/₂2 значение d_min превышает f₀ всего лишь примерно на 10%). Таким образом, выбором фокусного расстояния согласующей микролинзы можно обеспечить оптимальное согласование распределений полей мод возбуждающей и возбуждаемой волноводных структур и достичь при этом эффективности связи, близкой 100%, практически для любого зазора между торцами стыкуемых волноводных структур.

Описываемые сферические линзы увеличивают коэффициент связи за счет увеличения апертурного угла. Например, при использовании сферической линзы в световоде с разницей показателей преломления 0,5% и апертурным углом 5,7^о, последний может быть увеличен до 32%. Поскольку коэффициент связи пропорционален квадрату числовой апертуры, применение сферической линзы позволяет значительно увеличить введенную в волокно мощность. Расчет показал, что эффективность ввода может быть увеличена от 4% при точечном источнике до 34% при введении согласующего элемента в виде сферической линзы.

В настоящее время сферическая линза конструктивно входит в светодиод или волокно, то есть является ее элементом. В первом случае линза располагается непосредственно на излучающей поверхности. При такой конструкции эффективность ввода обеспечивается подбором оптимального радиуса кривизны и высотой шарового сегмента, который вырезается из сферы показателями преломления клеящего материала и материала сферы. При равенстве показателей преломления клеящего материала и материала сферы максимальное значение  достигает 5% при радиусе источника 25 мкм и волокне с NA=0,14 при диаметре 600 мкм. При этом радиус сферы порядка 340 мкм, а высота шарового сегмента – 0,4 радиуса сферы.

Излучатель с размещенной на его поверхности сферической линзой позволяет повысить эффективность связи примерно на два порядка по сравнению с эффективностью при непосредственной связи. На рисунке 9.3 представлено сочленение лазера с ОВ с помощью микролинзы.

Линзы прикрепляются на торце либо лазера, либо волокна и позволяют коллимировать лазерное излучение. Для этого требуются линзы, имеющие размер и диаметр несколько микрон. Изготавливаются такие микролинзы из фоторезиста, который наносится и экспонируется непосредственно на торце волокна. Найдено, что цилиндрические линзы более эффективны, чем сферические, поскольку излучающая поверхность лазера имеет вид прямоугольника. Для лазеров и одномодовых волокон такой структуры получается эффективность сочленения 23% со сферической линзой и 34% с цилиндрической.

П ри вводе излучения светодиода в ОВ в большинстве случаев вносимые потери составляют 10-30 дБ. При вводе излучения лазера в ОВ вносимые потери обычно меньше вследствие высокой осевой направленности лазерного излучения и очень малой излучающей площадки. Используя подходящую систему с жидкостью или просветляющим покрытием ОВ и лазера для уменьшения отражения, можно снизить потери на ввод до 2 дБ и меньше.

Рисунок 9.3 – Сочленение лазера с ОВ с помощью микролинзы.

Для соединения световода с фотодетектором предъявляются менее жесткие требования, чем в случаях соединения светодиода с волокном. Высокая эффективность ввода между световодом и детектором достигается даже тогда, когда сечение детектора во много раз больше поперечного сечения волокна. Самые малые фотодетекторы имеют квадратную активную область со стороной 0,25 мм, в то время как диаметр сердечника многомодового световода составляет (0,060,12) мм. Поэтому почти все излучение световода попадает на активную поверхность детектора, а потери возникают только из-за отражения.