ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЕ РАЗЪЕМНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Изобретение относится к интегральной оптике, а именно к оптическим средствам соединения.
Известно оптическое разъемное соединение, предназначенное для двунаправленной передачи оптического сигнала между двумя и более оптическими волокнами через оптическую интегральную схему (US №6741776 МПК G02B 6/38; G02B 6/30). Данное соединение состоит из двух частей, каждая из которых включает в себя оптическую интегральную схему, оптические волокна, состыкованные с входными и выходными портами этой схемы и корпус для их соединения. Для фиксации разъема в соединенном состоянии применяются внешние механические элементы.
Оптическая интегральная схема и оптические волокна, предназначенные для ввода оптического сигнала в интегральную схему, состыкованы вместе с помощью специальной гильзы с прямоугольным поперечным сечением, в которую запрессовываются оптические волокна. Для передачи оптического сигнала из одной интегральной схемы в другую служат оптические волокна, сердцевины которых состыкованы с выходными портами этой схемы, зафиксированные относительно нее с помощью цилиндрических гильз, механически соединенных с корпусом одной части разъема. В ответной части разъема предусмотрены отверстия для этих цилиндрических гильз, расположенные так, что при соединении разъема оптические волокна в гильзах входят в эти отверстия и стыкуются с входными портами оптической интегральной схемы ответной части.
Недостатком данного соединения является сложность конструкции механических частей, предназначенных для стыковки оптических волокон и оптической интегральной схемы.
Известна схема соединения оптических волокон (US №5046808 МПК G02B 6/26; G02B 6/30; G02B 6/245; H01S 3/06; H01S 3/067; G01C 19/72; G02B 6/36; G02B 6/38), состоящая из подложки, изготовленной из оптически активного материала с микроскопическими пазами для укладки оптических волокон, чтобы ввести оптический сигнал вдоль выбранной оси. Оптический интегральный канальный волновод сформирован так, что его торец в конце паза совпадает с торцом оптического волновода. Торец оптического волновода выполнен так, чтобы создать угол с выбранным направлением распространения света в оптическом волноводе, чтобы уменьшить количество света, отраженного в оптический волновод. Угол торца оптического волновода сформирован таким образом, что свет, отраженный в интерфейсе назад в оптическое волокно, падает на границу сердцевины и оболочки под углом, который разрешает преломление света в оболочку. Угол торца оптического волновода предпочтительно находится в диапазоне от 5 до 25 градусов.
Недостатками данной конструкции являются сложность, многоступенчатость процесса формирования пазов в подложке интегральной схемы, необходимость прецизионной механики для соединения устройства с оптическим волокном, неразъемность соединения.
Наиболее близким аналогом является устройство ввода-вывода оптического излучения в канальный волновод, которое используется в устройствах соединения источников или приемников оптического излучения с интегральными оптическими схемами (патент РФ №2207604, МПК (7) G02B 6/122). Устройство содержит канальный волновод, сформированный в стеклянной подложке и имеющий на конце область с повышенным показателем преломления относительно подложки, имеющую закругленную форму, у границы которой с поверхности подложки осуществляется ввод или вывод оптического излучения
Недостатками данной конструкции являются:
во-первых, относительно малая мощность излучения, выводимого на поверхность подложки,
во-вторых, малая площадь области выхода оптического излучения на поверхность подложки оптической интегральной схемы, формирующая ее выходной порт и затрудняющая создание на ее основе разъемных соединений, требующая применения элементов прецизионной механики для юстировки выходного порта схемы и входного порта приемного устройства при их монолитном соединении.
Техническим результатом является создание интегрально-оптического разъемного соединения, служащего для передачи излучения с малыми потерями мощности между входным и выходным портами соединяемых интегральных схем, не требующего применения сложной механики и юстировки при соединении его частей.
Для достижения технического результата предлагается оптическое разъемное соединение, состоящее из двух подложек, в каждой из которых сформирован канальный многомодовый интегрально-оптический волновод, на конце входного волновода расположена область с повышенным относительно подложки и таким же, как у волновода, показателем преломления, имеющая закругленную форму, волноводы расположены один над другим так, что их плоские поверхности перекрываются, а плоскости симметрии совпадают, между подложками расположена иммерсионная жидкость, с показателем преломления равным показателю преломления волноводов
Соотношение радиусов входного и выходного волноводов находится в интервале 1÷4, длина перекрытия волноводов не менее 1 мм.
В частном случае обе подложки, используемые в интегрально-оптическом разъемном соединении, могут быть идентичны по технологии изготовления, что обеспечивает идентичность по материалу и геометрии, а, следовательно, упрощает изготовление разъема.
Интегрально-оптическое разъемное соединение состоит из двух стеклянных подложек, в каждой из которых сформирован канальный многомодовый интегрально-оптический волновод. На конце каждого из них расположена область с повышенным относительно подложки и таким же, как у волновода показателем преломления, имеющая закругленную форму. Волноводы расположены один над другим и их плоские поверхности перекрываются, а плоскости симметрии совпадают, закругленные концы противоположно разнесены.
Существенным отличием от прототипа является наличие двух подложек, в которых сформированы канальные многомодовые интегрально-оптические волноводы, и их взаимное расположение. Между подложками расположена иммерсионная жидкость, показатель преломления которой равен показателю преломления волноводов.
Из существующего уровня техники неизвестны такие интегрально-оптические разъемные соединения. Следовательно, заявленное устройство удовлетворяет критерию новизна.
вых
вх
вх
вых
На фиг.1а) изображен продольный разрез отдельно взятого интегрально-оптического разъемного соединения; на фиг.1б) продольный разрез оптического разъемного соединения, волноводы, которого выполнены по одинаковой технологии; на фиг.1в) поперечный разрез интегрально-оптического разъемного соединения. На фиг.2 схематически изображен ход лучей: а) переданных из входного волновода в выходной волновод; б) преломленных закругленным окончанием входного волновода, построенный методом трассировки в трехмерной модели разъемного соединения. На фиг.3 показан график зависимости эффективности передачи мощности оптического излучения Е, между волноводами от соотношения радиусов R/R, найденной с помощью метода трассировки луча. На фиг.4 показан график зависимости величины потерь мощности оптического излучения К при передаче из волновода с радиусом R в волновод с радиусом R
1
вх
вых
вх
2
2
Интегрально-оптическое разъемное соединение содержит две подложки 1, 2, имеющие равные показатели преломления n. В каждой из подложек сформированы канальные волноводы входной 3 и выходной 4, имеющие радиусы R и R соответственно. Волновод 3 имеет на конце закругление 5 радиусом равным R. Показатели преломления волноводов 3, 4 равны n. Между подложками 1, 2 находится иммерсионная жидкость 6, имеющая показатель преломления, равный показателю преломления n волноводов 3, 4, что обеспечивает устранение отражения оптического излучения между плоскими поверхностями волноводов 3, 4.
Передача оптического излучения из входного волновода 3 в выходной волновод 4 осуществляется:
во-первых, за счет прямой передачи оптического излучения из волновода 3 в волновод 4 через их перекрывающиеся плоские поверхности;
во-вторых, за счет фокусировки части излучения закругленным концом 5 волновода 3 в волноводе 4, что уменьшает потери мощности излучения.
3
Принцип работы интегрально-оптического разъемного соединения сохраняется и в том случае, если волноводы 3, 4 изготовлены в стеклянных подложках 1 и 2 методом электростимулированного ионного обмена с расплавом AgNO (фиг.1б)). На конце каждого из них расположена область с повышенным относительно подложки и таким же, как у волноводов показателем преломления, имеющая закругленную форму, у входного волновода - 5 и выходного волновода - 7. Волноводы 3, 4 расположены один над другим и их плоские поверхности перекрываются, а плоскости симметрии совпадают, закругленные концы 5, 7 противоположно разнесены.
Рассмотрим принцип работы заявляемого разъемного соединения.
вх
вых
В канальный волновод 3 с меньшим радиусом R, расположенный в подложке 1 вводится оптическое излучение, которое распространяется в нем и передается в выходной волновод 4 с радиусом R, расположенный в подложке 2 через слой иммерсионной жидкости 6. Часть излучения преломляется на закругленном конце 5 волновода 3 и фокусируется в выходном волноводе 4.
Процесс передачи оптического излучения между волноводами 3, 4 может быть проиллюстрирован с помощью геометрической оптики. На фиг.2 схематически изображен ход лучей в продольном сечении соединения, построенный методом трассировки. На фиг.2а) изображен ход лучей переданных из входного волновода 3 в выходной волновод 4. На фиг 2б) показаны только те лучи, которые передаются в волновод 4 за счет преломления на закругленном окончании 5 волновода 3, стрелками показано направление распространения излучения.
вх
вых
1
Проведены исследования эффективности передачи мощности оптического излучения между волноводами 3, 4 в зависимости от соотношения их радиусов R и R, разности показателей преломления подложек 1, 2 и волноводов 3,4 и длины перекрытия волноводов L. При этом длина волны излучения учитывалась косвенно через показатели преломления, которые имеют материалы подложек 1, 2, волноводов 3, 4 и иммерсионной жидкости 6 для заданной длины волны излучения.
Эффективность передачи мощности рассчитывается как
, где
вх
вх
вых
вых
Р - мощность оптического сигнала, вводимого в волновод 3 с радиусом R, Р - мощность оптического сигнала, переданная в волновод 4 с радиусом R.
2
1
1
вых
вх
В соответствии с методами приближенных вычислений найдено соотношение зависимости эффективности передачи оптического излучения при заданной разности показателей преломления подложки и волновода dn=n-n=0,1 и длине перекрытия волноводов L=1 мм, от R:R=1÷4, выражающееся формулой:
вх
Приведенная зависимость остается справедливой при выполнении условия R>25 мкм.
вых
вх
вых
вх
вых
вх
Из фиг.3 видно, что предлагаемое интегрально-оптический разъемное соединение обеспечивает эффективную передачу мощности. При соотношении R/R равном единице оно составляет 40%, а при R/R=4, эффективность передачи мощности составляет 94%. При дальнейшем увеличении R/R эффективность передачи мощности не изменяется. Потеря 6% мощности обусловлена отражением на закругленном конце 5 входного волновода 3.
вх
вых
В случае неравенства R и R эффективная передача мощности оптического излучения будет выполняться только из волновода с меньшим радиусом в волновод с большим радиусом (фиг.1в)).
вх
вых
1
Расчетным путем была выявлена зависимость потерь мощности оптического излучения К при передаче из входного волновода 3 с радиусом R в выходной волновод 4 с радиусом R от расстояния перекрытия волноводов L=0÷1 мм (фиг.4)
1
1
Чем больше длина L, тем меньше потери мощности оптического излучения. При увеличении значения L свыше 1 мм потери мощности оптического излучения остаются неизменными.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение технического результата.