4.6.2. Оптическое соединение элементов

Подпись: Рис. 4.14. Различные способы стыковки светодиода или полупро-вод¬никового лазера со световолокном:
1— световолокно,    2 — светоизлучающий    или    лазерный  диод,  3– им-мерсионная  жидкость

В волоконно-оптических системах связи оптическое соединение световолокон между собой, с источниками и приемниками излучения имеет первостепенное значение, поскольку может быть связано со значительными переходными потерями (обычно выражаемыми в децибелах). Эффективность ввода излучения источника в световод зависит в первую очередь от степени сопряженности их характеристик: сечения и расходимости светового пучка с геометрическими размерами сердцевины и апертурного угла световолокна, ширины спектральной полосы излучения и количества волноводных мод и т. п.

Принципиально просто осуществляется ввод остронаправленного луча твердотельного лазера в многомодовое световолокно (~100%). Полупроводниковые лазеры и особенно светоизлучающие диоды соединяются со световодами с гораздо большими потерями.

Простой способ соединения светодиода с оптическим кабелем— приклеивание плоского светодиода к торцу световолокна (рис. 4.14, а). В этом случае целесообразно использовать многожильный кабель, чтобы увеличить площадь его торца и приблизить ее к площади светодиода, размеры которого обычно составляют 0,3—0,5 мм. Из-за малой апертуры, даже при плотной упаковке многомодовых волокон и использовании иммерсионного клея, оптические потери при таком способе стыковки могут достигать 10—20 дБ, т. е. в кабель вводится порядка одного процента излучения светодиода. Замена светодиода полупроводниковым лазером приводит при прочих равных условиях к снижению потерь примерно в 3—4 раза.

Если же излучение вводится в одиночный, а тем более одномодовый световод, описанный способ оптического соединения неприменим. В этом случае конец световолокна устанавливают в углублении подложки структуры (рис. 4.14,6) так, чтобы его торец оказался в непосредственной близости (~10— 20 мкм) от излучающей площадки, диаметр которой делается как можно меньшим (~ 50 мкм). Предпочтительно использование торцевого излучения полупроводникового источника (рис. 4.14,в, г). Для увеличения эффективности ввода излучения в световод (в несколько раз и даже 1—2 десятка раз) применяют оптические клеи, микролинзы, созданные на торце волокна оплавлением или нанесением подходящего материала, другие способы фокусировки излучения. Наибольшее влияние на эффективность ввода излучения источника в световолокно оказывает поперечное рассогласование, меньшее—продольное и угловое. Переходные потери при вводе в световод излучения полупроводникового лазера в лучшем случае составляют ~1дБ, светодиода — несколько децибел.

Соединение отрезков оптических волокон между собой осуществляют свариванием, сплавлением или склеиванием в юстировочном устройстве или же при помощи самого юстировочного элемента — керамической, пластмассовой, металлической трубки (капилляра) и т. п. В отличие от таких неразъемных соединений оптические разъемы (соединители) должны допускать многократные соединения — разъединения волокон. В большинстве случаев на оптические разъемы кроме малых потерь (~0,5 дБ) накладывают другие важные требования: малые размеры и вес, простота в обращении и дешевизна. Предложено множество методов юстировки и фиксации соединяемых световодов—от простейших соединительных патронов с коническими внутренними поверхностями до громоздких и разборных соединителей многоволоконных кабелей. Концы одного отрезка кабеля фиксируют строго против концов соответствующих волокон другого отрезка кабеля. При малом зазоре между торцами волокон, которые тщательно полируют с применением специальных устройств, световой сигнал проходит непосредственно из одного волокна в другое. Переходные оптические потери уменьшаются, если в места сочленения кабеля ввести иммерсионную жидкость. В подобных разъемах переходные потери не превышают 0,5—1 дБ при хорошей оптической «развязке» между соседними волокнами (несколько десятков децибел).

Применение интегрально-оптических схем в волоконно-оптических системах связи предполагает оптическое соединение световолокна с плоским волноводом. Если поперечные сечения световолокна и полоскового волновода близки по размерам, можно достичь их удовлетворительной оптической стыковки, расположив конец световолокна против торца плоского волновода. Для уменьшения потерь применяют микролинзы, иммерсионные жидкости и т. п.

Простой способ оптической стыковки световолокна с плоским волноводом заключается в приклеивании конца световолокна к наружной поверхности планарного волновода при помощи капли вещества с большим показателем преломления. При наиболее благоприятной угловой ориентации световолокна можно достичь эффективности связи около 50%.

Более технологична связь световолокна с интегрально-оптической схемой, если использовать сужающийся край пленочного волновода (см. рис. 4.5). В подложке под клиновидным краем волновода создается цилиндрическое отверстие, куда вставляется световолокно. Световая энергия может передаваться как из плоского волновода в световолокно, так и обратно. Достигнутая таким способом эффективность связи может превышать 50%.

Введение в оптоэлектронику


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.