Устройство ввода лазерного излучения в волокно

Устройство ввода лазерного излучения в волокно, содержащее оптические одномодовые или многомодовые волокна, снабженные микролинзами, сформированными из прозрачного материала, отличающееся тем, что микролинзы выполнены из оптического стекла, показатель преломления которого больше показателя преломления световедущей жилы волокна, в форме сферы, охватывающей световедущую жилу на торце волокна, а торцевая поверхность волокна выполнена в форме полированной цилиндрической поверхности, причем ось цилиндрической поверхности пересекается с осью волокна и перпендикулярна оси волокна. Технический результат: повышение коэффициента ввода излучения, уменьшение зависимости коэффициента ввода от разъюстировки. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области технической физики, в частности волоконной оптике, и может быть использовано для создания лазерных модулей излучения с волоконным выходом.

В настоящее время эффективность ввода оптического излучения в волокно является главной характеристикой системы источник излучения - волокно, и от ее значения зависит величина оптический мощности, которую можно ввести в световод. Проблема эффективности ввода оптического излучения в волокно заключается в том, что какова бы ни была конструкция источника излучения (инжекционный полупроводниковый лазер или светоизлучающий диод), его излучательные характеристики, к сожалению, не согласуются с распределением напряженности поля основной моды возбуждаемого оптического волокна. Это несоответствие вынуждает прибегать к использованию различных способов согласования излучательных характеристик излучателя и поля основной (собственной) моды волокна для уменьшения потерь при вводе излучения.

Поскольку значительную эффективность ввода можно получить только превратив расходящийся пучок источника излучения в сходящийся, между его излучающей гранью и приемным торцом волокна помещают ту или иную оптическую систему.

Линзовые устройства фокусируют оптическое излучение в сердцевину волокна, увеличивая эффективность ввода этого излучения. Однако такие устройства вносят заметные потери в систему "источник - линза - волокно", называемые конструктивными. Поэтому даже при введении согласующей линзы не всегда удается повысить эффективность ввода и, более того, его можно даже ухудшить. Следовательно, линзовое устройство должно быть таким, чтобы согласование было максимальным, а конструктивные потери, которые линза вносит, были как можно меньше. Таким требованиям удовлетворяет микролинза, сформированная на торце волокна, она же и является наиболее простым конструктивным решением согласование лазерного пучка и волокна.

Известны устройства ввода лазерного излучения в волокно (1), основанные на следующих принципах:

1. Совмещения оптических осей излучателя и световода, как по положению, так и по углу наклона.

2. Согласования по размеру пучка и числовой апертуре.

3. Устранения отражения за счет просветляющих покрытий.

Известно устройство (1), предназначенное для ввода лазерного излучения в волокно, сущность которого состоит в том, что с целью расширения угла входа торцевая поверхность световода формируется в виде сходящего конуса, на торце которого формируется микролинза из материала волокна. Общим с предлагаемым изобретением является наличие входной микролинзы. Однако известное устройство (1) является однолинзовой симметричной системой, и при использования его с лазерами, имеющими различную расходимость в разных плоскостях, имеет низкий коэффициент ввода порядка 57%, малую надежность, требует более сложные устройства юстировки.

Известно устройство (2), где на торце волокна термически формируется линза из материала волокна, имеющее общие с предлагаемым изобретением признаки - наличие входной микролинзы. Однако известное устройство применяется с оптическим волокном в виде световедущей области, окруженной пустотелыми продольными каналами, которое имеет апертуру порядка 0,4-0,6, что намного больше апертуры стандартных применяемых волокон, которая составляет обычно 0,22. При использовании этого устройства с лазерами, имеющими различную расходимость в параллельных и перпендикулярных плоскостях р-n-перехода эффективность ввода составит порядка 90%, но при последующей стыковке со стандартными волокнами будут потери мощности порядка 50%, в результате общий коэффициент ввода будет 45%, что является существенным недостатком в применении.

Известно устройство (3), где описываются волокна, снабженные линзами, сформированными в виде торцевых пиков из прозрачного полимерного материала на торце волокна, с помощью которых обеспечивается максимально допустимая данным конструктивом связь между оптическим волокном и лазерным диодом, которое является наиболее близкое к предлагаемому изобретению, принятое в качестве прототипа.

Данное устройство имеет общие с предлагаемым изобретением признаки:

1) использование одних и тех же типов волокон,

2) наличие входной микролинзы,

3) различный материал микролинзы и волокна,

4) микролинза насажена на торец волокна.

Известное устройство (3), выбранное в качестве прототипа, основано на принципе согласования пучка излучателя с волокном по размеру и числовой апертуре. Для этого применяется микролинза на торце волокна. Данное устройство имеет достаточно хорошую эффективности ввода благодаря подбору параметров микролинзы под каждый лазерный диод. На основе известного прототипа создают лазерные модули с волоконным выходом. В частности, эффективность ввода излучения полупроводникового лазера с шириной излучающей области 100 мкм и высотой 1 мкм, с расходимостью на уровне 0,1 от максимума энергии параллельного поля 2 Θ_∥=12 градусов и перпендикулярного поля 2Θ_⊥=90 градусов и длиной волны излучения λ=1300 нм в волокно с сердцевиной 100 мкм и оболочкой 125 мкм и апертурой NA=0,22 доходит до 65%. Эффективности ввода или коэффициент ввода это отношение оптической мощности на выходе устройства к входной оптической мощности (КПД устройства).

Следует отметить, что данное устройство (3) является осесимметричноой системой, то есть у него одинаковые фокусные расстояния в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Недостатками известного устройства (3) при использовании с лазерами, имеющими различную расходимость в параллельных и перпендикулярных плоскостях р-n-перехода, а к таким источникам относятся полупроводниковые лазерные диоды и светодиоды, и когда диаметр световедущей жилы одинаков с большей стороной излучающей поверхности лазерного диода, являются:

1. Невозможность получения коэффициента ввода более 65% из-за несогласованности с апертурой лазерного излучения, следовательно, 35% оптической мощности выделится в устройстве в виде тепла, а в случае мощных лазеров нужна дополнительная система отвода тепла.

2. Большая зависимость максимального коэффициента ввода от разъюстировки, то есть от отклонений оси устройства от оси лазерного излучения, а следовательно, нужна сложная по точности система юстировки и крепления.

Предлагаемое изобретение свободно от перечисленных недостатков при аналогичном согласовании изобретения с лазерами, имеющими различную расходимость в параллельных и перпендикулярных плоскостях p-n-перехода и когда диаметр световедущей жилы одинаков с большей стороной излучающей поверхности лазерного диода.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит:

1. В высоком коэффициенте ввода излучения, вплоть до 80%.

2. В малой зависимости максимального коэффициента ввода от разъюстировки.

Это позволяет создавать более мощные и высококачественные по своим физическим параметрам лазерные модули, которые имеют более высокий запас по разъюстировке при различных температурных и механических воздействиях, чем прототипы. В частности, используя один и тот же излучатель и волокно, что приведено выше у прототипа, в предлагаемом устройстве удалось достигнуть коэффициента ввода 81%.

Указанный технический результат достигается за счет применения двухлинзовой системы, одна из которых имеет сферическую, а другая цилиндрическую поверхность, причем цилиндрическая поверхность сформирована на торце волокна, а сферическая покрывает часть цилиндрической поверхности световода; в устройстве ввода лазерного излучения в волокно, содержащем оптические одномодовые или многомодовые волокна, снабженные микролинзами, сформированными в виде торцевых пиков из прозрачного материала, в соответствии с предлагаемым изобретением микролинзы выполнены из оптического стекла, показатель преломления которого больше показателя преломления световедущей жилы волокна, в форме сферы, охватывающей торец волокна, и диаметр которой не меньше диаметра световедущей жилы волокна, а торцевая поверхность волокна выполнена в форме полированной цилиндрической поверхности, диаметр которой не меньше диаметра световедущей жилы волокна, причем ось цилиндрической поверхности пересекается с осью волокна и перпендикулярна оси волокна.

Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве торец волокна представляет собой полированную цилиндрическую поверхность ось, которой пересекается с осью волокна внутри волокна.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что торец волокна представляет собой полированную цилиндрическую поверхность, ось которой пересекается с осью волокна снаружи волокна.

Вместе с тем, указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве на микролинзу нанесено просветляющее покрытие.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве в качестве оптического волокна использовано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами на Фиг.1-4, описанием и примером конкретного использования графическим результатом на Фиг.5

На Фиг.1а представлена проекция на плоскость YOZ и XOZ, а на Фиг.1б трехмерный рисунок предлагаемого устройства, в котором торец волокна представляет собой полированную цилиндрическую поверхность, ось которой пересекается с осью волокна внутри волокна и перпендикулярна оси волокна.

На Фиг.2а представлена проекция на плоскость YOZ и XOZ, а на Фиг.2б трехмерный рисунок предлагаемого устройства, в котором торец волокна представляет собой полированную цилиндрическую поверхность, ось которой пересекается с осью волокна снаружи волокна и перпендикулярна оси волокна.

На Фиг.3 представлен вид в плоскости XOZ и YOZ устройства ввода на Фиг.1, состыкованный с полупроводниковым лазером.

На Фиг.4 представлен два вида в изометрии устройства ввода на Фиг.1, состыкованный с полупроводниковым лазером.

На Фиг.5 представлен график зависимости коэффициента ввода от продольного и поперечного перемещения устройства ввода относительно оси лазерного диода.

Предлагаемое устройство Фиг.1 и 2 содержит оптическое волокно 1 и микролинзу 2, которая покрывает цилиндрическую поверхность 3 торца волокна, причем поверхность микролинзы 4 представляет сферу, а ось цилиндрической поверхности 5 пересекает ось оптического волокна 6 под прямым углом.

Для различных задач оптическое волокно 1 может быть как одномодовым, так и многомодовым, а многомодовое может быть со ступенчатым показателем преломления и с градиентным.

Микролинза 2 изготовлена из оптического стекла, показатель преломления которого больше показателя преломления световедущей жилы волокна.

Сферическая поверхность микролинзы 4 имеет диаметр не меньше диаметра световедущей жилы волокна 1, оптимальный радиус сферы примерно равен диаметру волокна. Можно выбрать различные диаметры цилиндрической поверхности 3 торца так же не меньше диаметра световедущей жилы волокна, оптимальный диаметр примерно равен диаметру волокна.

Цилиндрическая поверхность 3 торца может быть выпуклой, тогда ее ось 5 пересечется с осью волокна 6 внутри волокна.

Цилиндрическая поверхность 3 торца может быть вогнутой, тогда ее ось 5, пересечется с осью волокна 6 снаружи волокна.

С целью уменьшения потерь на отражение на сферическую поверхность микролинзы 4 наносят просветляющее покрытие на расчетную длину волны излучения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом Фиг.3 и 4.

Ось волокна 6 совмещена с осью лазерного диода 7. Далее, устройство повернуто так, что бы плоскость с максимальным фокусным расстоянием устройства ввода была параллельна плоскости выходящего лазерного излучения, в которой инвариант лазерного пучка максимален, в частности на Фиг.3 ось цилиндрической поверхности 5 перпендикулярна большей стороне 7 лазерного диода.

Расстояние от торца лазерного излучения до сферической поверхности микролинзы 4 не больше радиуса сферы микролинзы, его выбирают из максимального коэффициента ввода.

Лазерное излучение от лазерного диода 7 с огибающей 9 или 10 попадает на сферическую поверхность 4 микролинзы и согласно закону преломления преобразуется в новый пучок, который затем попадает на цилиндрическую поверхность 3 волокна. Параметры микролинзы и цилиндрической поверхности 3 выбираются такими, чтобы излучение с огибающей 9 и 10 не превысило апертуру волокна при входе в цилиндрическую поверхность 3 волокна, что позволит ввести всю мощность излучения в волокно.

Устройство ввода лазерного излучения в волокно, где на полированной цилиндрической выпуклой Фиг.1 или вогнутой Фиг.2 поверхности торца волокна находится микролинза со сферической поверхностью из оптического стекла с показателем преломления большим, чем показатель преломления сердцевины волокна, и радиуса большего радиуса сердцевины волокна, которая или покрывает световедущую жилу волокна или в которое волокно входит на определенную длину. Эта микролинза имеет просветляющее покрытие. Таким образом, формируется двухлинзовая оптическая система с различными фокусными расстояниями в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

На Фиг.1-3 пунктиром показана форма торца волокна внутри микролинзы со сферической поверхностью, а штрихпунктирной линией показаны оси цилиндрической поверхности и волокна.

На Фиг.1-3 приняты следующие обозначения:

1 - оптическое волокно,

2 - микролинзы со сферической поверхностью,

3 - цилиндрическая поверхность торца волокна,

4 - сферическая поверхность микролинзы,

5 - ось цилиндрической поверхности,

6 - ось оптического волокна,

7 - лазерный диод вид, параллельный p-n-переходу,

8 - лазерный диод вид, перпендикулярный p-n-переходу,

9 - форма огибающей излучения лазерного диода, параллельная p-n-переходу,

10 - форма огибающей излучения лазерного диода, перпендикулярная p-n-переходу,

11 - заднее фокусное расстояние в проекции YOZ,

12 - заднее фокусное расстояние в проекции XOZ.

Также на Фиг.1-3 показаны дополнительно:

Rc - радиус сферической поверхности микролинзы,

Rц - радиус цилиндрической поверхности торца волокна,

Rв - радиус волокна,

d - максимальное расстояние между цилиндрической и сферической поверхностью,

s - расстояние от торца лазерного диода до сферической поверхности микролинзы,

а - ширина излучающей области лазера,

b - высота излучающей области лазера,

n0 - показатель преломления воздуха,

n1 - показатель преломления микролинзы,

n2 - показатель преломления световедущей жилы волокна,

f'x - заднее фокусное расстояние в плоскости XOZ,

f'y - заднее фокусное расстояние в плоскости YOZ,

Θ_⊥ - расходимость пучка в плоскостях XOZ,

Θ_∥ - расходимость пучка в плоскостях YOZ.

Рядом с каждой проекцией обозначена система координат XOZ или YOZ.

Как видно из представленных Фиг.1, 2, устройства ввода лазерного излучения в волокно представляют собой двухлинзовые устройства, поверхности которых состоят из цилиндрической и сферической поверхности. Фокусные расстояния этих устройств различны в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В частности, для устройства на Фиг.1 задние фокусные расстояния в плоскостях XOZ и YOZ определяются следующими формулами:

f'x=n2*Rc/(n1-n0)

f'y=n1*n2*Rc*Rц/(n1*Rc*(n2-n1)+n1*Rц*(n1-n0)-d*(n1-n0)*(n2-n1))

Анализируя эти формулы, находим, что заднее фокусное расстояние f'x в плоскости XOZ меньше фокусного расстояния f' в плоскости YOZ

f'x<f'y

Аналогично можно рассчитать передние фокусные расстояния Фиг.1 в плоскостях XOZ и YOZ и найти минимальные и максимальные фокусные расстояния.

Аналогично можно рассчитать передние и задние фокусные расстояния в плоскостях XOZ и YOZ для устройства на Фиг.2, и найти минимальные и максимальные фокусные расстояния.

На Фиг.3 и 4 представлена схема стыковки предлагаемого устройства Фиг.1 с полупроводниковым лазерным диодом. Основные принципы работы устройства для согласования лазерного диода, используемые в устройстве ввода следующие:

1. Совпадение оптических осей лазера и волокна.

2. Совмещение плоскости с максимальным фокусным расстоянием устройства ввода параллельно плоскости выходящего лазерного излучения, в которой инвариант лазерного пучка максимален.

3. Расстояние от торца лазерного излучения до сферической поверхности микролинзы не больше радиуса сферы микролинзы.

Устройство на Фиг.2 стыкуется с лазерным диодом так же на основании вышеназванных принципов.

Инвариант лазерного пучка является важным параметром лазерного излучения и может принимать различные значения в разных плоскостях, в частности имеет наибольшую разницу в плоскостях перпендикулярном и параллельном плоскости р-n-перехода. Обозначим перпендикулярную плоскость как XOZ, а параллельную как YOZ

Jx=Rpx*n*sinΘx=J_⊥=Rp_⊥*n*sinΘ_⊥=const,

Jy=Rpy*n*sinΘy=J_∥=Rp_∥*n*sinΘ_∥=const, где

Jx=J_⊥ - инварианты пучков в плоскостях XOZ,

Jy=J_∥ - инварианты пучков в плоскостях YOZ,

Rpx=Rp_⊥ - радиусы перетяжек лазера в плоскостях XOZ,

Rpy=Rp_∥ - радиусы перетяжек лазера в плоскостях YOZ,

Θx=Θ_⊥ - расходимость пучка в плоскостях XOZ,

Θy=Θ_∥ - расходимость пучка в плоскостях YOZ.

В частности у полупроводникового лазерного диода с излучающей площадкой шириной а, высотой b в воздухе и расходимостью Θ_⊥ и Θ_∥, инвариант J_∥ на порядок превышает инвариант J_⊥

Используя вышеназванные принципы, устройство ввода позволит формировать перетяжки лазерного излучения, а также раздельные перетяжки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, с такими радиусами и расходимостью, которые согласуются с апертурой и диаметром световедущей жилы оптического волокна. Это позволяет добиться максимального согласования лазера и волокна.

На Фиг.3 представлен проекционный вид устройства ввода на Фиг.1:

- в плоскости XOZ, состыкованный с полупроводниковым лазером, где оптические оси лазера и волокна соосны, расстояние s не больше RC, плоскость лазера, перпендикулярная р-n переходу параллельна плоскости XOZ устройства ввода. Заднее фокусное расстояние f'x устройства ввода минимально в данной конструкции и соответственно в параллель ему находится плоскость минимального инварианта, а это J_⊥.

- в плоскости YOZ, состыкованный с полупроводниковым лазером, где оптические оси лазера и волокна соосны, расстояние s не больше R_C, плоскость лазера параллельная р-n-переходу параллельна плоскости YOZ устройства ввода. Фокусное расстояние f'y устройства ввода максимально в данной конструкции и соответственно в параллель ему находится плоскость максимального инварианта, а это J_∥.

На Фиг.4 представлен два вида в изометрии устройства ввода Фиг.1, состыкованный с полупроводниковым лазером.

Технический результат, получаемый при применении изобретения, состоит в том, что при соизмеримых размерах диаметра волокна и ширины излучающей поверхности лазерного диода эффективность ввода лазерного излучения в оптическое волокно (КПД устройства) выше, чем у ближайшего аналога (3), и составляет около 80%. Также выше надежность применяемого изобретения, так как оно имеет большую входную апертуру, чем прототип, а значит и запас на разъюстировку.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение эффективности ввода лазерного излучения в оптическое волокно при соизмеримых размерах диаметра волокна и ширины излучающей поверхности лазерного диода. Также лазерные пучки могут быть осесимметричные и неосесимметричные. Для каждого вида лазерного пучка рассчитывается индивидуальные параметры оптического устройства, различающиеся размерами и показателями преломления микролинзы.

Для того чтобы ввести максимум энергии лазерного пучка в световод, надо разместить его входной торец в перетяжке пучка, сформированного согласующим оптическим устройством. Причем в световод войдут только те лучи, угол наклона которых меньше апертуры световода, а диаметр перетяжки меньше диаметра распространяющегося по световоду поля. То есть стоит задача преобразовать лазерный пучок, у которого конфокальные параметры излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях различны, в пучок с другими, но тоже неодинаковыми значениями конфокального параметра, причем перетяжки сформированного пучка должны совпадать. Такое преобразование можно осуществить только анаморфотной линзой, у которой фокусные расстояниями в двух взаимно перпендикулярных плоскостях различны. В нашем случае это комбинация двух поверхностей сферической и цилиндрической.

Краткое описание чертежей.

На Фиг.1а представлена, проекция на плоскость YOZ и XOZ, а на Фиг.1б трехмерный чертеж предлагаемого устройства, в котором торец волокна представляет собой выпуклую цилиндрическую поверхность. На торец волокна насажена микролинза со сферической поверхностью.

На Фиг.2а представлена проекция на плоскость YOZ и XOZ, а на Фиг.2б трехмерный рисунок предлагаемого устройства, в котором торец волокна представляет собой вогнутую цилиндрическую поверхность. На торец волокна насажена микролинза со сферической поверхностью.

На Фиг.3 представлен вид в плоскости XOZ и YOZ устройства ввода Фиг.1, состыкованный с полупроводниковым лазером.

На Фиг.4 представлен два вида в изометрии устройства ввода Фиг.1, состыкованный с полупроводниковым лазером.

На Фиг.5 представлен график зависимости коэффициента ввода от продольного и поперечного перемещения устройства ввода относительно оси лазерного диода.

Осуществление изобретения видно на примере конкретной реализации предлагаемого изобретения.

На основе расчетов было изготовлено устройство представленное на Фиг.1 с параметрами:

Rc - радиус сферической поверхности микролинзы = 90 мкм.

Rц - радиус цилиндрической поверхности торца волокна = 80 мкм.

d - максимальное расстояние между цилиндрической и сферической поверхностью = 90 мкм.

n1 - показатель преломления микролинзы = 1,8.

n2 - показатель преломления световедущей жилы волокна = 1,45.

Были рассчитаны оптимальные параметры ввода для ввода излучения полупроводникового лазера с шириной излучающей области 100 мкм и высотой 1 мкм, с расходимостью на уровне 0,1 от максимума энергии параллельного поля 2Θ_∥=12 градусов и перпендикулярного поля 2Θ_⊥=90 градусов и длиной волны излучения λ=1300 нм мощностью 1 Вт в волокно с сердцевиной 100 мкм и оболочкой 125 мкм и апертурой NA=0,22. Согласование с лазером было проведено согласно Фиг.3

В результате испытаний изготовленного устройства были получены следующие данные, представленные на Фиг.5, а именно представлены зависимости коэффициента ввода от расстояния s и от параметров разъюстировки ΔХ и ΔY

Графики на Фиг.5 обозначаются:

По оси Y - коэффициент ввода лазерного излучения в процентах К(%).

По оси Х - расстояние от торца лазерного диода до сферической поверхности микролинзы, единица измерения - микроны 5(мкм), перемещения по оси Х и Y, ΔХ и ΔY измерения - микроны.

13 - зависимости коэффициента ввода от расстояния s, K(s)

14 - зависимости коэффициента ввода от перемещения по оси X, К(ΔХ)

15 - зависимости коэффициента ввода от перемещения по оси Y, К(ΔY)

В результате максимальная эффективность ввода излучения в волокно составила 81% на расстоянии s=40 мкм.

Так же, при s=40 мкм, мы видим, что в пределах +/-5 мкм поперечного перемещения мы сохраняем эффективность ввода больше 70%, максимальная эффективность ввода больше в 1,25 раза аналога.

Литература

1. Основы оптоэлектроники. М.: Мир, 1988, с.129-130.

2. Заявка на изобретение №2002106585/28.

3. Заявка на изобретение №2004105855/28 - (прототип).

1. Устройство ввода лазерного излучения в волокно, содержащее оптические одномодовые или многомодовые волокна, снабженные микролинзами, сформированными из прозрачного материала, отличающееся тем, что микролинзы выполнены из оптического стекла, показатель преломления которого больше показателя преломления световедущей жилы волокна, в форме сферы, охватывающей световедущую жилу на торце волокна, а торцевая поверхность волокна выполнена в форме полированной цилиндрической поверхности, причем ось цилиндрической поверхности пересекается с осью волокна и перпендикулярна оси волокна.

2. Устройство ввода лазерного излучения в волокно по п.1, в котором торец волокна представляет собой полированную цилиндрическую поверхность, ось которой пересекается с осью волокна внутри волокна;

3. Устройство ввода лазерного излучения в волокно по п.1, в котором торец волокна представляет собой полированную цилиндрическую поверхность, ось которой пересекается с осью волокна снаружи волокна;

4. Устройство ввода лазерного излучения в волокно по п.1, в котором на микролинзу нанесено просветляющее покрытие.

5. Устройство ввода лазерного излучения в волокно по п.1, в котором оптическое волокно представляет собой многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.