eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #7/2023
А. А. Шейнбергер, М. В. Степаненко, Ю. С. Жидик, С. П. Иваничко, А. В. Майкова
Исследование систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно
Исследование систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно
Просмотры: 1000
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.7.526.538
Предложена система вывода оптического излучения лазерного диода на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы. Определена чувствительность к отклонению элементов от оптимального положения для следующих систем вывода оптического излучения лазерного диода: лазерный диод – сколотое оптоволокно, лазерный диод – коническое оптоволокно, лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно, лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза. Даны рекомендации по применению данных систем в корпусировании радиофотонных модулей, включающих фотонные интегральные схемы произведенные по InP-технологии.
Предложена система вывода оптического излучения лазерного диода на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы. Определена чувствительность к отклонению элементов от оптимального положения для следующих систем вывода оптического излучения лазерного диода: лазерный диод – сколотое оптоволокно, лазерный диод – коническое оптоволокно, лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно, лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза. Даны рекомендации по применению данных систем в корпусировании радиофотонных модулей, включающих фотонные интегральные схемы произведенные по InP-технологии.
Теги: microwave photonics optical lens optical radiation output optical systems photonic integrated circuits tapered optical fiber вывод оптического излучения коническое оптоволокно оптическая линза оптические системы радиофотоника фотонные интегральные схемы
Исследование систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно
А. А. Шейнбергер, М. В. Степаненко, Ю. С. Жидик, С. П. Иваничко, А. В. Майкова
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Предложена система вывода оптического излучения лазерного диода на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы. Определена чувствительность к отклонению элементов от оптимального положения для следующих систем вывода оптического излучения лазерного диода: лазерный диод – сколотое оптоволокно, лазерный диод – коническое оптоволокно, лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно, лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза. Даны рекомендации по применению данных систем в корпусировании радиофотонных модулей, включающих фотонные интегральные схемы произведенные по InP-технологии.
Ключевые слова: вывод оптического излучения, оптические системы, оптическая линза, коническое оптоволокно, фотонные интегральные схемы, радиофотоника
Статья получена: 17.10.2023
Статья принята: 10.11.2023
Введение
При сборке любых полупроводниковых фотонных интегральных схем (ФИС) в виде радиофотонных модулей неизбежно возникают отклонения элементов оптического тракта от установленного положения, связанные с технологическими возможностями позиционирующего оборудования, усадкой клеевых фиксирующих составов и т. д. Все это приводит к нежелательным потерям оптической мощности [1, 2]. В связи с этим при выборе системы вывода излучения необходимо знать и учитывать чувствительность системы к отклонению ее элементов от оптимального положения. Предметом исследования стала чувствительность различных систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно к отклонению элементов оптического тракта от оптимального положения.
Известны системы вывода оптического излучения, основанные на оптических волокнах с линзой Френеля на торце. Линза Френеля обеспечивает согласование числовых апертур источника излучения и принимающего оптоволокна [3, 4]. Также для оптического соединения источника излучения с принимающим оптоволокном может использоваться цилиндрическая линза на излучающей поверхности источника [5, 6]. Недостатком подобных систем является сложность процесса формирования линз Френеля и цилиндрических линз, основанного на методе электронно-лучевой литографии или ионно-лучевого травления. К более простым в исполнении системам вывода оптического излучения относятся системы на основе оптических волокон с конусной линзой, формируемой путем химического травления и электродугового оплавления оптоволокна [6]. Известны также оптические системы на основе линз с градиентом показателя преломления (GRIN-линз) [7]. Однако из-за высокой стоимости GRIN-линз предпочтение зачастую отдается дискретным сферическим линзам [8]. Наиболее простым методом вывода оптического излучения источника является стыковое соединение сколотого оптоволокна с источником/приемником излучения [9].
Таким образом, для данного исследования были выбраны наиболее простые в реализации системы вывода оптического излучения лазерного диода: лазерный диод – сколотое оптоволокно, лазерный диод – коническое оптоволокно, лазерный диод – линза – сколотое оптоволокно, а также лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза.
В связи с необходимостью корпусирования и сборки в виде радиофотонных модулей чипов ФИС электрооптического модулятора на InP, изготовленных коллективом авторов [10], возникла необходимость определение оптимального из вариантов конструкции системы вывода оптического излучения лазерного диода. Были исследованы различные конструкции систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно (лазерный диод – сколотое оптоволокно; лазерный диод – коническое оптоволокно; лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно; лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линз) и выработаны требования к процессу сборки оптического тракта полупроводниковых фотонных интегральных схем при их корпусировании в виде радиофотонных модулей.
Для определения чувствительности систем вывода оптического излучения лазерного диода к отклонению их элементов от оптимального положения источник излучения (лазерный диод) и элементы, принимающие излучение (сколотое оптоволокно, коническое оптоволокно, оптоволокно с волоконной сферической линзой), помещались на микропозиционеры. С помощью микропозиционеров варьировалось положение элементов по трем осям и углам поворота. В каждом положении измерялась оптическая мощность излучения, собранного принимающим элементом. Оптимальным считалось положение элементов, обеспечивающее наибольшую оптическую мощность, собираемую принимающим оптоволокном. Далее определялась чувствительность к отклонению элементов от оптимального положения как диапазон отклонения оптического элемента, в пределах которого наблюдалось падение собираемой оптической мощности не более чем на 50% от максимальной.
Была предложена система вывода оптического излучения лазерного диода на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы. Определена чувствительность к отклонению элементов от оптимального положения для следующих систем вывода оптического излучения лазерного диода: лазерный диод – сколотое оптоволокно, лазерный диод – коническое оптоволокно, лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно, лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза.
В качестве критерия, определяющего оптимальное положение излучателя и принимающего устройства, выбран диапазон допустимого отклонения принимающего элемента. Было установлено превосходство системы вывода оптического излучения на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы над иными исследованными устройствами вывода оптического излучения по выбранному критерию. Даны рекомендации по использованию систем вывода оптического излучения лазерного диода для минимизации потерь оптической мощности в фотонных интегральных схемах при их сборке в виде радиофотонных модулей и эксплуатации.
Исследуемые системы вывода оптического излучения лазерного диода
Исследование проводилось для следующих систем вывода оптического излучения: лазерный диод – сколотое оптоволокно (рис. 1а), лазерный диод – коническое оптоволокно (рис. 1b), лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно (рис. 1c) и лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза (рис. 1d).
В качестве источника оптического излучения был выбран полупроводниковый лазерный диод серии OL3502M‑2C1,2,3,4 (NeoPhotonics Corporation), форма пятна и угол расходимости лучей которого соответствуют требованиям эксплуатации большинства ФИС, произведенных по InP-технологии. Используемый лазерный диод обладает следующими характеристиками: выходная мощность оптического излучения не менее 13 мВт, длина волны излучения – 1 310 нм, угол расхождения лучей 20° по одной оси и 40°по другой. Во всех рассматриваемых системах использовалось оптоволокно марки SMF‑28.
Система лазерный диод – сколотое оптоволокно
В системе лазерный диод – сколотое оптоволокно оптическое излучение из лазерного диода выводится непосредственно в сколотое оптоволокно. Данная система является наиболее простой с точки зрения реализации [11]. Под сколотым оптоволокном подразумевается одномодовое, сколотое под прямым углом, оптоволокно с гладким торцом без антиотражающего покрытия. Недостатком данной системы являются большие потери оптической мощности при выводе излучения лазерного диода. Это связано с отсутствием согласования числовых апертур сколотого оптоволокна и полупроводникового лазерного диода [12].
Система лазерный диод – коническое оптоволокно
Коническое оптоволокно представляет собой оптоволокно с коническим проксимальным (входным) концом. Коническая форма проксимального конца обеспечивает согласование значений числовой апертуры источника излучения и принимающего оптоволокна [13]. В данном случае исследовалось коническое оптоволокно Raysung Photonics Inc с углом вершины конуса 90°.
Система лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно
Дискретные линзы используются для повышения эффективности вывода излучения за счет его фокусировки или коллимации [14]. В данном случае использовалась литая линза LightPath с числовой апертурой 0,5. На линзу было нанесено антиотражающее покрытие, снижающее оптические потери в диапазоне длин волн 1100–1600 нм.
Система лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза
В системе лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза использовались волоконные сферические линзы, изготовленные методом дугового оплавления торца оптоволокна. Дискретная сферическая линза была установлена в оптической системе таким образом, что оставшийся после оплавления сегмент оптоволокна, представляющий собой слитную конструкцию с линзой, не участвовал в распространении излучения, а являлся элементом крепления линзы. Диаметр дискретной сферической линзы составлял 250 мкм, диаметр волоконной сферической линзы – 300 мкм.
Методика исследования систем вывода излучения лазерного диода
Определение оптимального положения элементов исследуемых систем производилось на экспериментальной установке (рис. 2), размещенной на оптическом столе Thorlabs с системой активной виброизоляции.
Лазерный диод и элементы, принимающие излучение (сколотое волокно, коническое волокно), помещались на микропозиционеры MAX607/M и MAX609/M (Thorlabs), позволяющие изменять их положения по осям x, y и z, а также регулировать их углы поворота. Стоит отметить, что микропозиционер MAX609/M для точного перемещения каждой из используемых осей имеет встроенные пьезодвигатели. Точность перемещения по любой из осей микропозиционера MAX609/M не хуже 10 нм. Далее определялось оптимальное положения элементов относительно друг друга. Для этого положение элементов по всем осям и углам поворота варьировалось с помощью микропозиционеров, и в каждом положении измерителем оптической мощности PM20CH (Thorlabs) измерялась оптическая мощность излучения, собранного принимающим элементом. Положение, обеспечивающее наибольшую мощность, считалось оптимальным. Для исследования систем лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно и лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза применялась похожая методика. Дискретная линза (литая или сферическая) помещалась на предметный столик MBT616D/M (Thorlabs), а принимающий элемент (сколотое оптоволокно или волоконная сферическая линза) и лазерный диод закреплялись на микропозиционерах. Таким образом удавалось отдельно настроить оптимальное положение лазерного диода относительно дискретной линзы и принимающего элемента относительно дискретной линзы.
После определения оптимального положения элементов исследуемых систем исследовалась чувствительность к отклонению их отдельных элементов. В данном случае под чувствительностью системы к отклонению ее элементов подразумевается зависимость эффективности вывода излучения от изменения положения принимающего или передающего элемента системы.
При исследовании чувствительности осуществлялось перемещение с определенным шагом элемента, принимающего излучение относительно неподвижного лазерного диода либо, наоборот, лазерного диода относительно неподвижного принимающего элемента. При смещении элемента по одной оси его положение по другим осям оставалось неизменным и находилось в оптимальной точке, определенной ранее. При каждом перемещении на один шаг с помощью измерителя оптической мощности регистрировалась мощность оптического излучения, собранная принимающим элементом. Мощность излучения лазерного диода с помощью системы контроля мощности поддерживалась постоянной.
Результаты исследования
Система лазерный диод – сколотое оптоволокно
В системе лазерный диод – сколотое оптоволокно оптимальное положение элементов было достигнуто при расстоянии 10 мкм между лазерный диодом и оптоволокном по оси x. Оптическая мощность, собираемая оптоволокном при оптимальном положении элементов, составила 1,87 мВт. Следовательно, эффективность вывода излучения в оптоволокно () составила 0,144 относительно оптической мощности на выходе лазерного диода. В данной точке проведено исследование влияния отклонения сколотого волокна от оптимального положения на эффективность вывода излучения в оптоволокно. Далее были выбраны два положения сколотого оптоволокна по оси x, при которых оптическая мощность снижается не более чем на 20% по сравнению с мощностью в оптимальном положении. Первая выбранная точка располагалась на 10 мкм дальше найденной точки оптимального положения по оси x, вторая точка – на 20 мкм дальше. В данных точках так же была исследована чувствительность рассматриваемой системы к отклонению принимающего элемента (сколотого оптоволокна).
Графики зависимостей эффективности вывода излучения от смещения оптоволокна относительно оптимального положения по осям y и z для трех различных положений по оси х представлены на рис. 3 и 4.
По приведенным зависимостям для каждой выбранной точки по оси х был определен диапазон возможного отклонения сколотого оптоволокна, соответствующий допустимому уменьшению собираемой оптической мощности в 2 раза относительно максимальной для данной системы (табл. 1).
Анализируя рассматриваемую систему, можно сделать вывод, что влияние отклонения по оси y и по оси z равнозначно, а смещение сколотого оптоволокна от оптимального положения по оси х не приводит к существенному снижению чувствительности системы, однако приводит к падению мощности принимаемого оптического излучения.
Система лазерный диод – коническое оптоволокно
В системе лазерный диод – коническое оптоволокно так же определялось оптимальное положение конического оптоволокна относительно лазерного диода, после чего были исследованы две другие точки по оси x, для которых снижение мощности не превышало 20% относительно максимальной для данного случая. Одна из них расположена на 2 мкм ближе к источнику излучения, а вторая отдалена от источника излучения на 2,5 мкм дальше. Оптимальное положение элементов системы было достигнуто при расстоянии между лазерным диодом и коническим оптоволокном по оси х равным 20 мкм. Собираемая коническим оптоволокном оптическая мощность в оптимальном положении составила 12,95 мВт, следовательно, = 0,996. Близкое значения эффективности вывода излучения коническим волокном ( = 1) представлено в работе [15].
Была определена чувствительность рассматриваемой системы по уровню падения эффективности вывода излучения в 2 раза относительно максимального значения для данного случая (табл. 2).
Исходя из результатов проведенного исследования, система лазерный диод – коническое оптоволокно позволяет собирать достаточно высокую оптическую мощность, близкую к максимально возможной. Однако данная система обладает высокой чувствительностью к смещению положения принимающего элемента относительно оптимального. Смещение конического оптоволокна по оси х относительно оптимальной точки не приводит к изменению чувствительности рассматриваемой системы. Кроме того, система лазерный диод – коническое оптоволокно более чувствительна к смещению по оси z, чем по оси y, что может быть связано с эллиптической формой светового пучка, выходящего с источника излучения.
Система лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно
В третьей исследуемой системе необходимо согласовать меду собой три элемента – лазерный диод, линзу и сколотое оптоволокно, принимающее излучение. Таким образом данную систему можно рассматривать как две подсистемы: лазерный диод – линза и линза – сколотое оптоволокно.
Оптимальное положение элементов системы было достигнуто при следующих параметрах: расстояние между лазерным диодом и дискретной литой линзой по оси х составляло 200 мкм, расстояние между линзой и сколотым оптоволокном – 3 мм. Эффективность вывода излучения при оптимальном размещении элементов системы составляла 12 мВт, то есть = 0,923. В известных работах, описывающих аналогичные исследования, были представлены схожие результаты, а именно = 0,929 [16] и = 0,9 [17].
Технологические возможности совмещения линзы и лазерного диода обеспечивают точность установки не хуже ±15 мкм относительно требуемого положения. В связи с этим был проведен эксперимент, в котором определялась зависимость изменения мощности оптического сигнала при изменении положения линзы относительно лазерного диода. Изменение положения осуществлялось в диапазонах ±15 мкм от оптимального по всем исследуемым осям. Изменение оптической мощности по каждой из осей оценивалось при нахождении в оптимальном положении лазерного диода относительно линзы по двум другим осям. Стоит отметить, что при изменении положения линза-лазерный диод собирающее сколотое оптоволокно каждый раз подстраивалось в точку с максимальной собираемой оптической мощностью для данного положения.
Было установлено, что при использовании имеющихся технологических возможностей совмещения подсистемы лазерный диод-линза, падение эффективности вывода излучения составляет не более 4% от максимально возможной (c 0,791 до 0,75).
Дальнейшие исследования направлены на определение чувствительности системы к смещению оптоволокна относительно предварительно закрепленных в оптимальных положениях дискретной литой линзы и лазерного диода. Аналогично исследованиям вывода излучения, проведенным для системы лазерный диод – коническое оптоволокно, по оси х были выбраны дополнительно две точки, в которых эффективность вывода излучения снижается по сравнению с эффективностью вывода в оптимальном положении не более чем на 20%. Данные точки располагались на расстояниях ±27 мкм от оптимального положения.
Для каждого исследуемого положения оптоволокна была определена чувствительность рассматриваемой системы по уровню падения эффективности вывода излучения на 50% от максимальной (табл. 3).
Исходя из результатов проведенного исследования, система лазерный диод – литая линза – сколотое оптоволокно позволяет собирать значительную часть оптической мощности, испускаемой лазерным диодом, при этом чувствительность системы по любой из исследуемых осей не хуже 7 мкм.
Система лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза
В данной исследуемой системе необходимо согласовать между собой три элемента – лазерный диод, дискретную сферическую линзу и оптоволокно с волоконной сферической линзой, принимающее излучение. Таким образом, данную систему можно рассматривать как две подсистемы: лазерный диод – дискретная сферическая линза и дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза.
Оптимальное положение элементов системы было достигнуто при следующих параметрах: расстояние между лазерным диодом и дискретной линзой по оси х составляло 56,9 мкм. Эффективность вывода излучения при оптимальном размещении элементов системы составляла 3,89 мВт, то есть = 0,3.
Смещение принимающего элемента по оси x в пределах от –50 до 50 мкм не привело к падению эффективности вывода излучения, а большее смещение принимающей волоконной сферической линзы по оси x не предусмотрено условиями эксплуатации данной оптической системы (система должна быть компактной).
Была определена чувствительность рассматриваемой системы к отклонению волоконной сферической линзы по уровню падения собираемой мощности на 1 мВт от максимальной (табл. 4).
Исходя из результатов проведенного исследования, система лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза обладает диапазоном допустимого отклонения волоконной сферической линзы не менее 7,9 мкм. Значительное различие между диапазонами допустимого отклонения по осям y и z говорит о выраженной эллиптической форме пучка. В дальнейшем разработанную и исследованную в данной работе систему вывода оптического излучения лазерного диода планируется применять с источником излучения с интегральным расширителем пучка. Интегральный расширитель пучка преобразует эллиптическую форму пучка в сферическую, что должно повысить эффективность вывода. Также эффективность вывода излучения в оптоволокно и чувствительность системы к отклонению ее элементов по оси у может быть повышена путем замены дискретной сферической линзы и путем увеличения диаметра обеих линз системы.
Сравнительный анализ систем вывода излучения лазерного диода
На рис. 5 и 6 для рассматриваемых систем вывода излучения лазерного диода представлены зависимости эффективности вывода излучения при отклонении принимающих элементов от оптимального положения. Положение оптоволокна по оси х было выбрано оптимальным для каждой рассматриваемой системы.
С точки зрения минимизации оптических потерь при выводе излучения из полупроводниковых волноводов фотонных интегральных схем на основе InP наиболее эффективным является использование системы с коническим оптоволокном. Система с линзой в свою очередь обладает наименьшей чувствительностью к отклонениям из всех рассмотренных.
Эффективность вывода излучения лазерного диода в оптоволокно с помощью системы на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы составила 0,3. Можно предположить, что при использовании интегрального преобразователя пучка, приводящего эллиптическую форму пучка к сферической, оптическая система на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы может обеспечить эффективность вывода излучения более 0,9.
Заключение
Проведенные исследования показали, что коническое оптоволокно обеспечивает высокую эффективность вывода излучения при высокой чувствительности к отклонению и может применяться при тестировании оптоэлектронных устройств. Применение конического оптоволокна нецелесообразно при корпусировании фотонных интегральных схем и реализации технологии гибридной интеграции. Применение системы лазерный диод – дискретная литая линза – оптоволокно рекомендуется в случае, когда при сборке или эксплуатации оптоэлектронных устройств возможное смещение по любой из осей составляет до 2,85 мкм. Предложенная нами система лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза превосходит все исследованные оптические системы по диапазону допустимого отклонения. Система лазерный диод – сколотое оптоволокно в свою очередь не рекомендуется к применению, так как для данной системы характерны значительные потери оптической мощности и высокая чувствительность к отклонению ее элементов.
Полученные результаты исследования будут использованы в дальнейшей работе авторов при проектировании и сборке фотонных интегральных схем в корпусах радиофотонных модулей.
Благодарность
Работа выполнена коллективом научной лаборатории интегральной оптики и радиофотоники при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках соглашения № 075-03-2020-237/1 от 5 марта 2020 г. (внутренний номер проекта FEWM‑2020-0040).
References
Jing Z., Ramana P. V., Hon-Shing J.L., Qingxin Z., Chandrappan J., Wei T. C. et al. Design and characterization of taper coupler for effective laser and single-mode fiber coupling with large tolerance. IEEE Photonics Technology Letters 2008; 20:1375–7. https://doi.org/10.1109/LPT.2008.926819.
Cheung YM, Yiu CH. Simulation of the alignment sensitivity on the coupling efficiency of a ball-lens capped TO-can laser diode source into a single-mode fiber. Proceedings of the 4th International Symposium on Electronic Materials and Packaging. 2002., 2002, p. 197–203. https://doi.org/10.1109/EMAP.2002.1188837.
Prasciolu M., Cojoc D., Cabrini S., Businaro L., Candeloro P., Tormen M. et al. Design
А. А. Шейнбергер, М. В. Степаненко, Ю. С. Жидик, С. П. Иваничко, А. В. Майкова
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Предложена система вывода оптического излучения лазерного диода на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы. Определена чувствительность к отклонению элементов от оптимального положения для следующих систем вывода оптического излучения лазерного диода: лазерный диод – сколотое оптоволокно, лазерный диод – коническое оптоволокно, лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно, лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза. Даны рекомендации по применению данных систем в корпусировании радиофотонных модулей, включающих фотонные интегральные схемы произведенные по InP-технологии.
Ключевые слова: вывод оптического излучения, оптические системы, оптическая линза, коническое оптоволокно, фотонные интегральные схемы, радиофотоника
Статья получена: 17.10.2023
Статья принята: 10.11.2023
Введение
При сборке любых полупроводниковых фотонных интегральных схем (ФИС) в виде радиофотонных модулей неизбежно возникают отклонения элементов оптического тракта от установленного положения, связанные с технологическими возможностями позиционирующего оборудования, усадкой клеевых фиксирующих составов и т. д. Все это приводит к нежелательным потерям оптической мощности [1, 2]. В связи с этим при выборе системы вывода излучения необходимо знать и учитывать чувствительность системы к отклонению ее элементов от оптимального положения. Предметом исследования стала чувствительность различных систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно к отклонению элементов оптического тракта от оптимального положения.
Известны системы вывода оптического излучения, основанные на оптических волокнах с линзой Френеля на торце. Линза Френеля обеспечивает согласование числовых апертур источника излучения и принимающего оптоволокна [3, 4]. Также для оптического соединения источника излучения с принимающим оптоволокном может использоваться цилиндрическая линза на излучающей поверхности источника [5, 6]. Недостатком подобных систем является сложность процесса формирования линз Френеля и цилиндрических линз, основанного на методе электронно-лучевой литографии или ионно-лучевого травления. К более простым в исполнении системам вывода оптического излучения относятся системы на основе оптических волокон с конусной линзой, формируемой путем химического травления и электродугового оплавления оптоволокна [6]. Известны также оптические системы на основе линз с градиентом показателя преломления (GRIN-линз) [7]. Однако из-за высокой стоимости GRIN-линз предпочтение зачастую отдается дискретным сферическим линзам [8]. Наиболее простым методом вывода оптического излучения источника является стыковое соединение сколотого оптоволокна с источником/приемником излучения [9].
Таким образом, для данного исследования были выбраны наиболее простые в реализации системы вывода оптического излучения лазерного диода: лазерный диод – сколотое оптоволокно, лазерный диод – коническое оптоволокно, лазерный диод – линза – сколотое оптоволокно, а также лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза.
В связи с необходимостью корпусирования и сборки в виде радиофотонных модулей чипов ФИС электрооптического модулятора на InP, изготовленных коллективом авторов [10], возникла необходимость определение оптимального из вариантов конструкции системы вывода оптического излучения лазерного диода. Были исследованы различные конструкции систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно (лазерный диод – сколотое оптоволокно; лазерный диод – коническое оптоволокно; лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно; лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линз) и выработаны требования к процессу сборки оптического тракта полупроводниковых фотонных интегральных схем при их корпусировании в виде радиофотонных модулей.
Для определения чувствительности систем вывода оптического излучения лазерного диода к отклонению их элементов от оптимального положения источник излучения (лазерный диод) и элементы, принимающие излучение (сколотое оптоволокно, коническое оптоволокно, оптоволокно с волоконной сферической линзой), помещались на микропозиционеры. С помощью микропозиционеров варьировалось положение элементов по трем осям и углам поворота. В каждом положении измерялась оптическая мощность излучения, собранного принимающим элементом. Оптимальным считалось положение элементов, обеспечивающее наибольшую оптическую мощность, собираемую принимающим оптоволокном. Далее определялась чувствительность к отклонению элементов от оптимального положения как диапазон отклонения оптического элемента, в пределах которого наблюдалось падение собираемой оптической мощности не более чем на 50% от максимальной.
Была предложена система вывода оптического излучения лазерного диода на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы. Определена чувствительность к отклонению элементов от оптимального положения для следующих систем вывода оптического излучения лазерного диода: лазерный диод – сколотое оптоволокно, лазерный диод – коническое оптоволокно, лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно, лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза.
В качестве критерия, определяющего оптимальное положение излучателя и принимающего устройства, выбран диапазон допустимого отклонения принимающего элемента. Было установлено превосходство системы вывода оптического излучения на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы над иными исследованными устройствами вывода оптического излучения по выбранному критерию. Даны рекомендации по использованию систем вывода оптического излучения лазерного диода для минимизации потерь оптической мощности в фотонных интегральных схемах при их сборке в виде радиофотонных модулей и эксплуатации.
Исследуемые системы вывода оптического излучения лазерного диода
Исследование проводилось для следующих систем вывода оптического излучения: лазерный диод – сколотое оптоволокно (рис. 1а), лазерный диод – коническое оптоволокно (рис. 1b), лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно (рис. 1c) и лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза (рис. 1d).
В качестве источника оптического излучения был выбран полупроводниковый лазерный диод серии OL3502M‑2C1,2,3,4 (NeoPhotonics Corporation), форма пятна и угол расходимости лучей которого соответствуют требованиям эксплуатации большинства ФИС, произведенных по InP-технологии. Используемый лазерный диод обладает следующими характеристиками: выходная мощность оптического излучения не менее 13 мВт, длина волны излучения – 1 310 нм, угол расхождения лучей 20° по одной оси и 40°по другой. Во всех рассматриваемых системах использовалось оптоволокно марки SMF‑28.
Система лазерный диод – сколотое оптоволокно
В системе лазерный диод – сколотое оптоволокно оптическое излучение из лазерного диода выводится непосредственно в сколотое оптоволокно. Данная система является наиболее простой с точки зрения реализации [11]. Под сколотым оптоволокном подразумевается одномодовое, сколотое под прямым углом, оптоволокно с гладким торцом без антиотражающего покрытия. Недостатком данной системы являются большие потери оптической мощности при выводе излучения лазерного диода. Это связано с отсутствием согласования числовых апертур сколотого оптоволокна и полупроводникового лазерного диода [12].
Система лазерный диод – коническое оптоволокно
Коническое оптоволокно представляет собой оптоволокно с коническим проксимальным (входным) концом. Коническая форма проксимального конца обеспечивает согласование значений числовой апертуры источника излучения и принимающего оптоволокна [13]. В данном случае исследовалось коническое оптоволокно Raysung Photonics Inc с углом вершины конуса 90°.
Система лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно
Дискретные линзы используются для повышения эффективности вывода излучения за счет его фокусировки или коллимации [14]. В данном случае использовалась литая линза LightPath с числовой апертурой 0,5. На линзу было нанесено антиотражающее покрытие, снижающее оптические потери в диапазоне длин волн 1100–1600 нм.
Система лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза
В системе лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза использовались волоконные сферические линзы, изготовленные методом дугового оплавления торца оптоволокна. Дискретная сферическая линза была установлена в оптической системе таким образом, что оставшийся после оплавления сегмент оптоволокна, представляющий собой слитную конструкцию с линзой, не участвовал в распространении излучения, а являлся элементом крепления линзы. Диаметр дискретной сферической линзы составлял 250 мкм, диаметр волоконной сферической линзы – 300 мкм.
Методика исследования систем вывода излучения лазерного диода
Определение оптимального положения элементов исследуемых систем производилось на экспериментальной установке (рис. 2), размещенной на оптическом столе Thorlabs с системой активной виброизоляции.
Лазерный диод и элементы, принимающие излучение (сколотое волокно, коническое волокно), помещались на микропозиционеры MAX607/M и MAX609/M (Thorlabs), позволяющие изменять их положения по осям x, y и z, а также регулировать их углы поворота. Стоит отметить, что микропозиционер MAX609/M для точного перемещения каждой из используемых осей имеет встроенные пьезодвигатели. Точность перемещения по любой из осей микропозиционера MAX609/M не хуже 10 нм. Далее определялось оптимальное положения элементов относительно друг друга. Для этого положение элементов по всем осям и углам поворота варьировалось с помощью микропозиционеров, и в каждом положении измерителем оптической мощности PM20CH (Thorlabs) измерялась оптическая мощность излучения, собранного принимающим элементом. Положение, обеспечивающее наибольшую мощность, считалось оптимальным. Для исследования систем лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно и лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза применялась похожая методика. Дискретная линза (литая или сферическая) помещалась на предметный столик MBT616D/M (Thorlabs), а принимающий элемент (сколотое оптоволокно или волоконная сферическая линза) и лазерный диод закреплялись на микропозиционерах. Таким образом удавалось отдельно настроить оптимальное положение лазерного диода относительно дискретной линзы и принимающего элемента относительно дискретной линзы.
После определения оптимального положения элементов исследуемых систем исследовалась чувствительность к отклонению их отдельных элементов. В данном случае под чувствительностью системы к отклонению ее элементов подразумевается зависимость эффективности вывода излучения от изменения положения принимающего или передающего элемента системы.
При исследовании чувствительности осуществлялось перемещение с определенным шагом элемента, принимающего излучение относительно неподвижного лазерного диода либо, наоборот, лазерного диода относительно неподвижного принимающего элемента. При смещении элемента по одной оси его положение по другим осям оставалось неизменным и находилось в оптимальной точке, определенной ранее. При каждом перемещении на один шаг с помощью измерителя оптической мощности регистрировалась мощность оптического излучения, собранная принимающим элементом. Мощность излучения лазерного диода с помощью системы контроля мощности поддерживалась постоянной.
Результаты исследования
Система лазерный диод – сколотое оптоволокно
В системе лазерный диод – сколотое оптоволокно оптимальное положение элементов было достигнуто при расстоянии 10 мкм между лазерный диодом и оптоволокном по оси x. Оптическая мощность, собираемая оптоволокном при оптимальном положении элементов, составила 1,87 мВт. Следовательно, эффективность вывода излучения в оптоволокно () составила 0,144 относительно оптической мощности на выходе лазерного диода. В данной точке проведено исследование влияния отклонения сколотого волокна от оптимального положения на эффективность вывода излучения в оптоволокно. Далее были выбраны два положения сколотого оптоволокна по оси x, при которых оптическая мощность снижается не более чем на 20% по сравнению с мощностью в оптимальном положении. Первая выбранная точка располагалась на 10 мкм дальше найденной точки оптимального положения по оси x, вторая точка – на 20 мкм дальше. В данных точках так же была исследована чувствительность рассматриваемой системы к отклонению принимающего элемента (сколотого оптоволокна).
Графики зависимостей эффективности вывода излучения от смещения оптоволокна относительно оптимального положения по осям y и z для трех различных положений по оси х представлены на рис. 3 и 4.
По приведенным зависимостям для каждой выбранной точки по оси х был определен диапазон возможного отклонения сколотого оптоволокна, соответствующий допустимому уменьшению собираемой оптической мощности в 2 раза относительно максимальной для данной системы (табл. 1).
Анализируя рассматриваемую систему, можно сделать вывод, что влияние отклонения по оси y и по оси z равнозначно, а смещение сколотого оптоволокна от оптимального положения по оси х не приводит к существенному снижению чувствительности системы, однако приводит к падению мощности принимаемого оптического излучения.
Система лазерный диод – коническое оптоволокно
В системе лазерный диод – коническое оптоволокно так же определялось оптимальное положение конического оптоволокна относительно лазерного диода, после чего были исследованы две другие точки по оси x, для которых снижение мощности не превышало 20% относительно максимальной для данного случая. Одна из них расположена на 2 мкм ближе к источнику излучения, а вторая отдалена от источника излучения на 2,5 мкм дальше. Оптимальное положение элементов системы было достигнуто при расстоянии между лазерным диодом и коническим оптоволокном по оси х равным 20 мкм. Собираемая коническим оптоволокном оптическая мощность в оптимальном положении составила 12,95 мВт, следовательно, = 0,996. Близкое значения эффективности вывода излучения коническим волокном ( = 1) представлено в работе [15].
Была определена чувствительность рассматриваемой системы по уровню падения эффективности вывода излучения в 2 раза относительно максимального значения для данного случая (табл. 2).
Исходя из результатов проведенного исследования, система лазерный диод – коническое оптоволокно позволяет собирать достаточно высокую оптическую мощность, близкую к максимально возможной. Однако данная система обладает высокой чувствительностью к смещению положения принимающего элемента относительно оптимального. Смещение конического оптоволокна по оси х относительно оптимальной точки не приводит к изменению чувствительности рассматриваемой системы. Кроме того, система лазерный диод – коническое оптоволокно более чувствительна к смещению по оси z, чем по оси y, что может быть связано с эллиптической формой светового пучка, выходящего с источника излучения.
Система лазерный диод – дискретная литая линза – сколотое оптоволокно
В третьей исследуемой системе необходимо согласовать меду собой три элемента – лазерный диод, линзу и сколотое оптоволокно, принимающее излучение. Таким образом данную систему можно рассматривать как две подсистемы: лазерный диод – линза и линза – сколотое оптоволокно.
Оптимальное положение элементов системы было достигнуто при следующих параметрах: расстояние между лазерным диодом и дискретной литой линзой по оси х составляло 200 мкм, расстояние между линзой и сколотым оптоволокном – 3 мм. Эффективность вывода излучения при оптимальном размещении элементов системы составляла 12 мВт, то есть = 0,923. В известных работах, описывающих аналогичные исследования, были представлены схожие результаты, а именно = 0,929 [16] и = 0,9 [17].
Технологические возможности совмещения линзы и лазерного диода обеспечивают точность установки не хуже ±15 мкм относительно требуемого положения. В связи с этим был проведен эксперимент, в котором определялась зависимость изменения мощности оптического сигнала при изменении положения линзы относительно лазерного диода. Изменение положения осуществлялось в диапазонах ±15 мкм от оптимального по всем исследуемым осям. Изменение оптической мощности по каждой из осей оценивалось при нахождении в оптимальном положении лазерного диода относительно линзы по двум другим осям. Стоит отметить, что при изменении положения линза-лазерный диод собирающее сколотое оптоволокно каждый раз подстраивалось в точку с максимальной собираемой оптической мощностью для данного положения.
Было установлено, что при использовании имеющихся технологических возможностей совмещения подсистемы лазерный диод-линза, падение эффективности вывода излучения составляет не более 4% от максимально возможной (c 0,791 до 0,75).
Дальнейшие исследования направлены на определение чувствительности системы к смещению оптоволокна относительно предварительно закрепленных в оптимальных положениях дискретной литой линзы и лазерного диода. Аналогично исследованиям вывода излучения, проведенным для системы лазерный диод – коническое оптоволокно, по оси х были выбраны дополнительно две точки, в которых эффективность вывода излучения снижается по сравнению с эффективностью вывода в оптимальном положении не более чем на 20%. Данные точки располагались на расстояниях ±27 мкм от оптимального положения.
Для каждого исследуемого положения оптоволокна была определена чувствительность рассматриваемой системы по уровню падения эффективности вывода излучения на 50% от максимальной (табл. 3).
Исходя из результатов проведенного исследования, система лазерный диод – литая линза – сколотое оптоволокно позволяет собирать значительную часть оптической мощности, испускаемой лазерным диодом, при этом чувствительность системы по любой из исследуемых осей не хуже 7 мкм.
Система лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза
В данной исследуемой системе необходимо согласовать между собой три элемента – лазерный диод, дискретную сферическую линзу и оптоволокно с волоконной сферической линзой, принимающее излучение. Таким образом, данную систему можно рассматривать как две подсистемы: лазерный диод – дискретная сферическая линза и дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза.
Оптимальное положение элементов системы было достигнуто при следующих параметрах: расстояние между лазерным диодом и дискретной линзой по оси х составляло 56,9 мкм. Эффективность вывода излучения при оптимальном размещении элементов системы составляла 3,89 мВт, то есть = 0,3.
Смещение принимающего элемента по оси x в пределах от –50 до 50 мкм не привело к падению эффективности вывода излучения, а большее смещение принимающей волоконной сферической линзы по оси x не предусмотрено условиями эксплуатации данной оптической системы (система должна быть компактной).
Была определена чувствительность рассматриваемой системы к отклонению волоконной сферической линзы по уровню падения собираемой мощности на 1 мВт от максимальной (табл. 4).
Исходя из результатов проведенного исследования, система лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза обладает диапазоном допустимого отклонения волоконной сферической линзы не менее 7,9 мкм. Значительное различие между диапазонами допустимого отклонения по осям y и z говорит о выраженной эллиптической форме пучка. В дальнейшем разработанную и исследованную в данной работе систему вывода оптического излучения лазерного диода планируется применять с источником излучения с интегральным расширителем пучка. Интегральный расширитель пучка преобразует эллиптическую форму пучка в сферическую, что должно повысить эффективность вывода. Также эффективность вывода излучения в оптоволокно и чувствительность системы к отклонению ее элементов по оси у может быть повышена путем замены дискретной сферической линзы и путем увеличения диаметра обеих линз системы.
Сравнительный анализ систем вывода излучения лазерного диода
На рис. 5 и 6 для рассматриваемых систем вывода излучения лазерного диода представлены зависимости эффективности вывода излучения при отклонении принимающих элементов от оптимального положения. Положение оптоволокна по оси х было выбрано оптимальным для каждой рассматриваемой системы.
С точки зрения минимизации оптических потерь при выводе излучения из полупроводниковых волноводов фотонных интегральных схем на основе InP наиболее эффективным является использование системы с коническим оптоволокном. Система с линзой в свою очередь обладает наименьшей чувствительностью к отклонениям из всех рассмотренных.
Эффективность вывода излучения лазерного диода в оптоволокно с помощью системы на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы составила 0,3. Можно предположить, что при использовании интегрального преобразователя пучка, приводящего эллиптическую форму пучка к сферической, оптическая система на основе дискретной сферической линзы и волоконной сферической линзы может обеспечить эффективность вывода излучения более 0,9.
Заключение
Проведенные исследования показали, что коническое оптоволокно обеспечивает высокую эффективность вывода излучения при высокой чувствительности к отклонению и может применяться при тестировании оптоэлектронных устройств. Применение конического оптоволокна нецелесообразно при корпусировании фотонных интегральных схем и реализации технологии гибридной интеграции. Применение системы лазерный диод – дискретная литая линза – оптоволокно рекомендуется в случае, когда при сборке или эксплуатации оптоэлектронных устройств возможное смещение по любой из осей составляет до 2,85 мкм. Предложенная нами система лазерный диод – дискретная сферическая линза – волоконная сферическая линза превосходит все исследованные оптические системы по диапазону допустимого отклонения. Система лазерный диод – сколотое оптоволокно в свою очередь не рекомендуется к применению, так как для данной системы характерны значительные потери оптической мощности и высокая чувствительность к отклонению ее элементов.
Полученные результаты исследования будут использованы в дальнейшей работе авторов при проектировании и сборке фотонных интегральных схем в корпусах радиофотонных модулей.
Благодарность
Работа выполнена коллективом научной лаборатории интегральной оптики и радиофотоники при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках соглашения № 075-03-2020-237/1 от 5 марта 2020 г. (внутренний номер проекта FEWM‑2020-0040).
References
Jing Z., Ramana P. V., Hon-Shing J.L., Qingxin Z., Chandrappan J., Wei T. C. et al. Design and characterization of taper coupler for effective laser and single-mode fiber coupling with large tolerance. IEEE Photonics Technology Letters 2008; 20:1375–7. https://doi.org/10.1109/LPT.2008.926819.
Cheung YM, Yiu CH. Simulation of the alignment sensitivity on the coupling efficiency of a ball-lens capped TO-can laser diode source into a single-mode fiber. Proceedings of the 4th International Symposium on Electronic Materials and Packaging. 2002., 2002, p. 197–203. https://doi.org/10.1109/EMAP.2002.1188837.
Prasciolu M., Cojoc D., Cabrini S., Businaro L., Candeloro P., Tormen M. et al. Design
Отзывы читателей
