Устройство для ввода излучения полупроводникового лазера в одномодовое оптическое волокно

 

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к волоконно-оптической связи и лазерным установкам. Цель изобретения - повышение эффективности ввода. Устройство содержит полусферическую линзу, закрепленную в держателе 9, причем линза включает внутренний слой 5 чистого кварца с коэффициентом преломления Пс. промежуточный слой 4 легированного кварца с коэффициентом г\реломлёния (по+ An) и внешний слой 3 чистого кварца. Промежуточный слой имеет фронтальную поверхность радиусом р и заднюю поверхность радиусом г. Приведено соотношение радиусов слоев линзы. 2 ил.! ^ЁИзобретение относится к волоконной оптике, в частности к волоконно-оптической связи и лазерным и медицинским установи кам, 'Известно устройство ввода лазерного излучения в виде короткофокусных объективов [1].'Недостатком такого устройства являet- ся требование одинаковой пространственной расходимости по углу излучения от источника, кроме того, в фокальном пйтне такого микрообъектива излучение имеет большую числовую апертуру (NA >& 0,35), которая приводит к большим потерям при вво" де в оДномодовое волокно с NA = 0,1 вследствие возбуждения вытекающих мод.Особенностью излучения полупроводниковых лазеров является' малая расходимость (Qi ='2°) вдоль большой излучающей площадки и большая расходимость (02 ~ 30°)вдоль ее Малой оси. Это требует использования фокусирующего устройства в еиде сферической линзы с нарас1ающим к центру показателем преломления в одномодовое волокно.•Наиболее близким к предлагаемому изобретению потехнической сущностии достигаемому результату является устройство ввода излучения полупроводникового лазера в одномодовое оптическое волокно, включающее кварцевую сферическую микролинзу, показатель преломления которой изменяется от поверхности к центру линзы, и металлическую оправку для крепления линзы [2].Недостатком этого устройства является наличие, по крайней мере, четырех поверхностей раздела воздух-стекло с большой разницей показателей преломления Дп 1,45, что приводит к большим потерям на^О100

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s G 02 В 6/38

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фч

° и

В л чи

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4789752/10 (22) 09.02.90 (46) 23.02.92. Бюл. ¹ 7 (71) Научно-исследовательский институт электровакуумного стекла (72) В.Ш. Берикашвили, Н.А. Щербакова и

А.В. Кузюшкина, (53) 536.89(088.8) (56) Opt. and Е!еского-opt. Eng Contact, 1986, т. 24, №1, р. 9-11.

Патент Великобритании № 1587226, кл. G 02 В 7/26, 1982, (54} УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА В

ОДНОМОДОВОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к волоконно-оптической связи и лазерным и медицинским установ-. кам.

Известно устройство ввода лазерного излучения в виде короткофокусных обьектиВоВ (1).

Недостатком такого устройства является требование одинаковой пространственной расходимости по углу излучения от источника, кроме того, в фокальном пятне такого микрообъектива излучение имеет большую числовую апертуру (NA > 0;35), которая приводит к большим потерям при вво. де в одномодовое волокно с КА = 0,1 вследствие возбуждения вытекающих мод.

Особенностью излучения полупроводниковых лазеров является малая расходимость (Q> = 20) вдоль большой излучающей площадки и большая расходимость (Qz = 300) „„Я2„„1714558 А1. (57) Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к волоконно-оптической связи и лазерным установкам. Цель изобретения — повышение эффективности ввода.

Устройство содержит полусферическую линзу, закрепленную в держателе 9, причем линза включает внутренний слой 5 чистого кварца с коэффициентом преломления пс. промежуточный слой 4 легированного кварца с коэффициентом преломления (no+ hn) и внешний слой 3 чистого кварца. Промежуточный слой имеет фронтальную поверх. ность радиусом р и заднюю поверхность радиусом r. Приведено соотношение радиу. сов слоев линзы. 2 ил. вдоль ее малой оси, Это требует использования фокусирующего устройства в виде а сферической линзы с нарастающим к центру показателем преломления в одномодовое д волокно, Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство ввода излучения полупроводникового лазе- . CO ра в одномодовое оптическое волокно, включающее кварцевую сферическую мик- фк ролинзу, показатель преломления которой изменяется от поверхности к центру линзы, и металлическую оправку для крепления линзы (2).

Недостатком этого устройства является наличие, по крайней мере, четырех поверхностей раздела воздух-стекло с большой разницей показателей преломления

hn 1,45, что приводит к большим потерям на

1714558

55 отраженйе. Другим недостатком является необходимость использования сложных юстировочных устррйств для совмещения оптических осей элементов системы с осью сердечника волокна. Кроме того, на выходе устройства излучение имеет большую числовую апертуру NA = 0,3, приводит к увеличению потерь в одномодовом волокне с

NA 0,1.

Целью изобретения является повышение эффективности ввода излучения в волокно.

Указанная цель достигается тем, что микролинэа выполнена полусферической и включает внутренний слой чистого кварца с показателем преломления по, промежуточный слой легированного кварца с показателем.преломления (np + hn) и внешний слой чистого кварца, причем промежуточный слой имеет фронтальную сферическую поверхность радиусом р и заднюю сферическую поверхность радиусом, удовлетворяющие условиям

06 R

0,03 R < г<0,05 R, а Лп =0,02 - 0,01. .На фиг, 1 изображено устройство ввода излучения полупроводникового лазера в одномодовое волокно с ходом лучей с максимальным отклонением от оси полупроводникового лазера до одномодового волокна; на фиг. 2 — профиль показателя преломления в сечении микролинзы, Основные элементы, представленные на фиг. 1, следующие: полупроводниковый лазер 1 с излучающей площадкой 2, кварцевый внешний слой микролинзы 3, промежуточный легированный слой микролинзы 4, кварцевый внутренний слой 5, кварцевая оболочка одномодового волокна 6, сердцевина одномодового волокна 7, направляющий капилляр 8, металлическая втулка 9, герметизирующий узел 10, одномодовое волокно 11.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от площадки 2 полупроводникового лазера с различными углами расхождения в двух взаимно ортогональных плоскостях падает на границу внешнего кварцевого слоя, претерпевает преломление и направляется к оптической оси одномодового волокна, причем., чем больше угловое расхождение луча света, тем больше поворот луча света к оси. При прохождении легированного слоя лучи света искривляются в соответствии с законом преломления Снеллиуса и направляются примерно вдоль радиальных линий микролинзы, включающей слои 3, 4 и 5, При этом происходит фокусировка и сильное увеличение числовой апертуры до 0,3 в слоях 3 и 4.

После прохождения границы внутреннего слоя 5 апертура понижается до 0,1 за счет уменьшения показателя преломления, что способствует улучшению условий ввода излучения в сердцевину одномодового волокна 7. Так как фокус микролинэы находится за задней стенкой, излучение фокусируется внутри волокна. Это приводит к снижению плотности мощности излучения на границе микролинза-волокно, Основным преимуществом предлагаемого устройства является различная степень "сжатия" для лучей с разным углом отклонения от оптической оси линзы, т.е, лучи с малым углом отклонения от оси преломляются меньше, чем с большим. Благодаря этому осуществляется. более эффективный ввод излучения полупроводникового лазера, имеющего разную расходимость по двум выраженным взаимно перпендикулярным направлениям.

Пример 1. Изготовляют микролинэу с радиусом полусферы внешнего кварцевоro слоя R=3 мм, радиусом поверхности легированного Ge0z слоя р = 2 мм и радиусом внутреннего кварцевого слоя г=0,1 мм, Разница показателей преломления легированного слоя и кварцевого составляет 0,02.

Одномодовое волокно диаметром 125 мкм с диаметром сердцевины 4,3 мкм с помощью стеклянного капилляра и металлической втулки помещают соосно с микролинзой, затем производят юстировку и склейку волокна и микролинэы с втулкой. После формирования устройства ввода оно пристыковывается к выходному окну полупроводникового лазера ЛПИ-301 с длиной волны излучения 820 нм и средней мощностью 1 10 Вт. Измерение мощности на . выходе отрезка волокна длиной 1,5 м с устройством ввода показывает, что мощность излучения составляет 51 g, от излучения лазера.

Сопоставление технических характеристик существующих и предлагаемого устройства приведено в табл. 1.

Согласно данным табл. 1, предлагаемое устройство превосходит существующие по выходной мощности излучения на выходе волокна и устойчиво к отклонению от соосности излучателя и устройства ввода, Результаты сопоставления параметров устройства в пределах и за пределами формулы изобретения приведены в табл, 2.

Как видно из данных таблиц, при запре-дельных значениях соотношений параметров происходит резкое снижение мощности

1714558

Таблица 1

Таблица 2 на выходе волокна с устройством ввода излучения.

Экономический эффект рассчитывают, исходя из условия повышения мощности на выходе в два раза, что позволяет заменить два излучателя на один в медицинской установке УЛМ-3.

Формула изобретения

Устройство для ввода излучения полупроводникового лазера в одномодовое оп.тическое волокно, включающее кварцевую микролинзу радиусом R и металлическую оправку для крепления линзы, о т л и ч а юJ щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности ввода, в нем-микролинза выполнена полусферической и включает внутренний слой чистого кварца с показателем преломления пл, промежуточный слой леги5 рованного кварца с показателем преломления (по+ Ь и) и внешний слой чистого кварца, причем промежуточный слой имеет фронтальную сферическую поверхность радиусом р и заднюю сферическую поверх10 ность радиусом r, удовлетворяющие условиям

0,6 R

0,03 R < r<0,05 R а hn = 0,02-0,01.

1714558

Составитель B.берикашвили

Редактор Е.Полионова . Техред М.Моргентал Корректор M.Øàðoøè

Заказ 692 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101