Способ изготовления микроразъема для оптического волокна на поверхности подложки

Изобретение относится к фотонике, оптоэлектронике и микрофлюидике, а именно к узлам оптического или механического согласования и сопряжения оптических волокон или капилляров. Заявлен способ изготовления микроразъема для оптического волокна на поверхности подложки, имеющего осевую симметрию относительно оси, перпендикулярной подложке, включающий размещение подложки на трехмерном моторизированном позиционере, нанесение на выбранную зону подложки капли жидкого УФ-отверждаемого материала, изменение положения подложки в пространстве с помощью моторизированного позиционера, воздействие на материал остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом, отверждение подложки при перемещении позиционера с образованием пилонов микроразъема, основания которых выполняют на поверхности функцию основного кольца, сформированного на поверхности подложки. Для увеличения адгезии место формирования основания микроразъема на подложке обрабатывают остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом с длиной волны зеленого диапазона (520-535) нм с мощностью 10-200 мВт и скоростью перемещения 0.02-50 мм/с. Основное кольцо имеет внутренний диаметр равный или меньший внешнему диаметру оптического волокна, при этом величины внутреннего диаметра и толщины основного кольца определяются из условия согласования апертур волокна с активными участками, с которыми производится сопряжение, кольцеобразное основание формируют в виде отдельных сегментов, а пилоны удерживают на разных расстояниях от поверхности подложки несколько колец с внутренним диаметром равным (102.0±1.5)% от внешнего диаметра волокна, имеющих со стороны дальней от подложки поверхности стыковочные «фаски» для удобного завода торца оптического волокна внутрь микроразъема. Для перемещения лазерного луча относительно подложки может использоваться только сканер или сканер совместно с позиционером. Технический результат - повышение надежности и эффективности сопряжения оптического волокна. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к фотонике, оптоэлектронике и микрофлюидике, а именно к узлам оптического (или механического) согласования и сопряжения оптических волокон (или капилляров) с активными участками излучающих, детекторных микроструктур, микрофлюидных чипов, компонентами планарных оптоэлектронных и оптических волноводных систем, и может быть использовано для создания интегрированных оптоволоконных устройств, например, сверхпроводниковых оптоэлектронных детекторов, требующих точного латерального (не хуже 1 мкм) сопряжения оптического волокна с функциональной микрозоной чувствительного элемента.

Известно интегрально - оптическое разъемное соединение, обе части которого выполнены из стекла и в каждой из этих частей сформирован канальный многомодовый интегрально-оптический волновод с закругленными концами (патент RU 118766, «Интегрально-оптическое разъемное соединение», МПК G02B 6/24, опубл. 27.07.2012).

При соединении разъема волноводы располагаются один над другим так, что их плоские поверхности перекрываются, при этом между подложками расположена иммерсионная жидкость с показателем преломления, равным показателю преломления волноводов.

Недостатками данного способа сопряжения оптических волокон является низкий коэффициент передачи оптического сигнала, необходимость использования иммерсионной жидкости, невозможность точного сопряжения оптического волокна с микроструктурами и невозможность использования для стыковки оптического волокна с торцевым входом/выходом.

Известен способ сопряжения оптических волокон, который позволяет стыковать оптические волокна с торцевым входом/выходом (Kremmel, J., Lamprecht, Т., Crameri, N., & Michler, M. (2017). Passively aligned multichannel fiber-pigtailing of planar integrated optical waveguides. Optical Engineering, 56(2), 026115). Способ заключается в том, что для центровки волокон в подложке формируются V-образные канавки, в которые устанавливаются концы волокон.

Основной недостаток известного способа заключается в том, что таким образом можно сопрягать только волокна, оптические оси которых лежат в плоскости поверхности подложки, что не позволяет осуществлять их стыковку с активными участками излучающих и детекторных микроструктур, расположенных на поверхности подложки.

Известен также способ сопряжения оптического волокна с микроконнектором ((Bogucki, A., Zinkiewicz, Pacuski, W., Wasylczyk, P., & Kossacki, P. (2018) Optical fiber micro-connector with nanometer positioning precision for rapid prototyping of photonic devices. Optics express, 26(9), 11513-11518).

Этот способ осуществляется следующим образом. Подложку, на которой предполагается изготовить оптоволоконный микроразъем для оптического волокна, устанавливают на трехмерном моторизированном позиционере, в нужное место подложки наносится капля жидкой УФ-отверждаемого материала. Затем изменяют положение образца в пространстве с помощью моторизированного позиционера по заданной программе, производят воздействие на материал остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом. Таким образом, перемещая относительно образца точку фокусировки, в которой происходило отверждение материала, на поверхности подложки формируют микроразъем, имеющий осевую симметрию относительно оси, перпендикулярной подложке, и состоящий из трех гибких пилонов, с угловой шириной каждого 25°. Основания пилонов расположены на поверхности кольца, сформированного на поверхности подложки, с внутренним диаметром равному внешнему диаметру оптического волокна, при этом сечение пилонов в плоскости, проходящей через ось симметрии с удалением от основания сначала сужается, затем расширяется в сторону оси симметрии и затем постепенно сужается, удаляясь от оси симметрии и образуя стыковочный конус, при этом толщина узкого места пилонов определяет жесткость разъема, а ближайшие к оси симметрии поверхности пилонов располагаются от нее на расстоянии радиуса оболочки оптического волокна. При установке оптического волокна в микроразъем его торец сначала заводится в стыковочный конус, образуемый тремя пилонами. При приближении торца к поверхности подложки волокно достигает образованного частями пилонов "центрирующего кольца" и далее входит во внутреннюю часть сформированного на поверхности подложки кольца, с диаметрами равными внешнему диаметру оптического волокна, что позволяет надежно зафиксировать и отцентровать волокно при его окончательной установке, когда поверхность торца волокна входит в соприкосновение с поверхностью подложки или сформированной на ней активными участками излучающих или детекторных микроструктур. Для реализации известного способа использовали трехмерную подвижку с высокой точностью позиционирования на основе пьезоэффекта (Р-563, Physik Instrumente GmbH & Co.), являющийся частью коммерчески доступной литографической системы (Photonic Professional, Nanoscribe GmbH), оборудованной фемтосекундной лазерной системой с длиной волны 780 нм. В качестве УФ-отверждаемого материала использовалась смола IP-DIP, Nanoscribe GmbH).

Данный способ выбран в качестве прототипа предлагаемого способа, поскольку имеет следующие совпадающие существенные признаки: размещение подложки на трехмерном моторизированном позиционере, нанесение на выбранную зону подложки капли жидкого УФ-отверждаемого материала, изменение положения подложки в пространстве с помощью моторизированного позиционера по заданной программе, воздействие на материал остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом, отверждение подложки при перемещении позиционера с образованием пилонов микроразъема, основания которых выполняют на поверхности основного кольца, сформированного на поверхности подложки.

Основным недостатком известного способа является низкая прочность соединения сформированного микроразъема с поверхностью подложки, что уменьшает надежность сопряжения оптического волокна. Так на приведенном в указанной для прототипа статье рисунке заметно частичное отслоение основания разъема от подложки. Кроме того, надежность уменьшается из-за наличия механических напряжений в тонких местах гибких пилонов. Подобные механические напряжения не позволят использовать микроразъем в области низких температур. Другим недостатком является низкая эффективность сопряжения, связанная с тем, что при установке волокна в микроразъем поверхность торца волокна входит в соприкосновение с поверхностью подложки или сформированной на ней активными участками излучающих или детекторных микроструктур, что не всегда является оптимальным решением.

Техническая задача изобретения заключается в увеличении надежности соединения микроразъема с подложкой, повышении эффективности передачи сигнала между волокном и активными участками излучающих или детекторных микроструктур, а также в снижении механических напряжений в тонких местах гибких пилонов, что не позволят использовать микроразъем в области низких температур

Техническим результатом является повышение надежности и эффективности сопряжения оптического волокна.

Данная техническая задача и получаемый результат достигаются в результате того, что в способе изготовления микроразъема для оптического волокна на поверхности подложки, имеющего осевую симметрию относительно оси, перпендикулярной подложке, включающем размещение подложки на трехмерном моторизированном позиционере, нанесение на выбранную зону подложки капли жидкого УФ-отверждаемого материала, изменение положения подложки в пространстве с помощью моторизированного позиционера, воздействие на материал остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом, отверждение подложки при перемещении позиционера с образованием пилонов микроразъема, основания которых выполняют на поверхности функцию кольцеобразного основания, сформированного на поверхности подложки. Для увеличения адгезии место формирования основания микроразъема на подложке обрабатывают остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом с длиной волны зеленого диапазона (520-535) нм с мощностью 10-200 мВт и скоростью перемещения 0.02-50 мм/с. Кольцеобразное основание имеет внутренний диаметр равный или меньший внешнему диаметру оптического волокна. При этом величины внутреннего диаметра и толщины основного кольца определяются из условия согласования апертур волокна с активными участками, с которыми производится сопряжение, кольцеобразное основание формируют в виде отдельных сегментов, а пилоны удерживают на разных расстояниях от поверхности подложки несколько колец с внутренним диаметром равным (102.0±1.5)% от внешнего диаметра волокна, имеющих со стороны дальней от подложки поверхности стыковочные «фаски» для удобного завода торца оптического волокна внутрь микроразъема. Для перемещения лазерного луча относительно подложки возможно использование только сканера или сканера совместно с позиционером.

По существу, предлагаемый способ заключается в создании на подложке с активными участками излучающих или детекторных микроструктур в необходимом месте оптоволоконного микроразъема, напечатанного на фемтосекундном лазерном 3D-принтере методом двухфотонной полимеризации из УФ-отверждаемого материала, являющимся одновременно светочувствительным материалом и иммерсионной средой.

При этом способ основан на работе нескольких механизмов. Во-первых - обработка поверхности подложки с помощью фемтосекундного лазерного излучения приводит к очищению поверхности и образованию на ней микроскопических шероховатостей и микроперфораций, что значительно увеличивает адгезию между подложкой и сформированным на ней оптоволоконным микроразъемом. Во-вторых, формирование оптоволоконного микроразъема производится из УФ светоотвержаемого материала методом двухфотонной полимеризации с использованием того же фемтосекундного лазерного излучения, что и обработка поверхности, что способствует высокой точности сборки и установки микроразъема, а также значительно упрощает процесс его изготовления с использованием одной системы лазерного микроструктурирования. В-третьих, формирование кольцеобразного основания всего микроразъема не сплошным, а состоящим из отдельных сегментов, приводит к тому, что в месте крепления микроразъема с поверхностью подложки уменьшаются напряжения, которые возникают в процессе полимеризации УФ-отверждаемого материала. В-четвертых, подбор толщины основного кольца из условия оптимальности согласования апертур волокна и активными участками планарной оптоэлектронной детекторной системы, с которыми производится сопряжение, приводит к повышению эффективности оптического сопряжения.

Существо изобретения поясняется на фигурах.

Фиг. 1 - Сверху (а, б, в) - изображение дизайна трехмерных моделей структур для фиксации оптического волокна. Диаметр отверстия - 128 μm. Снизу (г, д, е) - оптические фотографии областей сверхпроводникового детектора с нанесенными поверх него микро шероховатостями, сформированными с помощью фемтосекундного лазерного излучения для повышения адгезии. Масштаб 500 мкм.

Фиг. 2 - массив микроструктур с установленными оптическими волокнами. Диаметр оптического волокна - 125 мкм. Масштаб 1 мм.

Способ осуществляется следующим образом.

Первоначально подложку, на которой предполагается изготовить оптоволоконный микроразъем для оптического волокна, устанавливают на поверхности трехмерного прецизионного позиционера и поверхность нужного места подложки обрабатывается остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом с длиной волны (520-535) нм с мощностью 10-200 мВт со скоростью перемещения 0.02-5 мм/с. Это приводит к очищению поверхности и образованию на ней микрошероховатостей и микроперфораций, что значительно увеличивает адгезию между подложкой и сформированным на ней оптоволоконным микроразъемом. Важно отметить, что при формировании оптического согласования оптических волокон (одномодовых и многомодовых) с микрооптическими компонентами методом в стык (механического контакта кора и элемента) необходимо формировать надежный механический контакт. Надежность механического контакта определяется механической прочностью держателя и хорошей его адгезии с поверхностью. Так как большая часть оптических устройств в планарном исполнении изготавливается на основе оксидов (или нитридов), требуется надежный способ закрепления УФ-отверждаемого материала на данные диэлектрики. Известно, что смачиваемость оксидов (нитридов) кремния низкая. Поэтому внедрение в процесс формирования процесса перфорации поверхности методом воздействия лазерного излучения является неотъемлемой частью формирования высокоэффективного коннектора. Соотношение площади контакта к топологии волокна (диаметра оболочки - cladding diameter) определяется эмпирически, при определенном соотношении нагрузка от волокна компенсируется размером адгезионной обработки.

На следующем этапе, на обработанное место наносится капля жидкой УФ-отверждаемой смолы и с помощью остро сфокусированного фемтосекундного лазерного луча с теми же параметрами, но со скоростями перемещения лазерного луча до 50 мм/с, на поверхности подложки формируют оптоволоконный микроразъем, имеющий осевую симметрию относительно оси, перпендикулярной подложке, и состоящий из нескольких пилонов, основания которых расположены на поверхности основного кольцеобразного основания, сформированного на поверхности подложки, с внутренним диаметром равному или меньшему внешнему диаметру оптического волокна, при этом величины внутреннего диаметра и толщины основного кольца определяются из условия оптимальности согласования апертур волокна и активными участками, с которыми производится сопряжение, кольцеобразное основание не является сплошным, а состоит из отдельных сегментов, а пилоны удерживают на разных расстояниях от поверхности подложки несколько колец с внутренним диаметром, превышающем внешний диаметр оптического волокна (102.0±0.5)%, а также имеющего специальную стыковочную «фаску» по внутреннему диаметру верхнего кольца, для завода торца оптического волокна внутрь кольца.

Использование стыковочной «фаски» приводит к простому и надежному вводу волокна в микроразъем, что позволяет избежать частичного загрязнения и механических сколов. При этом наличие «фаски» позволяет при необходимости закрепить волокно с помощью клея.

Эффективное увеличение адгезии происходит при следующих параметрах лазерного воздействия на подложку: фокусирующая оптика -100х планарный микроскопический объектив с числовой апертурой 0.9, размер лазерного пятна на поверхности не более 1.5 мкм, длина волны фемтосекундного лазерного излучения 525 нм, мощность 10-200 мВт, частота импульсов 80 МГц, скорость перемещения 0.02-5 мм/с.

Эффективное формирование структуры оптического микроразъема из УФ фотоотверждаемого материала происходит при следующих параметрах лазерного излучения: фокусирующая оптика - 20х планарный микроскопический объектив с числовой апертурой 0.4, длина волны фемтосекундного лазерного излучения 525 нм, мощность 10-200 мВт, частота импульсов 80 МГц, скорость перемещения лазерного пучка до 50 мм/с.

Оценка механической прочности крепления созданного микроразъема к поверхности подложки производилась двумя способами. В первом способе прочность определялась методом динамометрии, то есть приложением калиброванной механической силы к микроразъему, направленной вдоль оптической оси от поверхности подложки. Экспериментальные исследования показали, что при использовании подложки из стекла величина силы, необходимой для отрыва сформированного микроразъема от подложки, увеличивается после лазерной обработки поверхности подложки на (82±12) % по сравнению с необработанной поверхностью.

Второй способ оценки механической прочности заключался в определении числа термоциклов, которые выдерживает микроразъем, с охлаждением до 2.3 К и последующим нагревом от 300 К. Такая проверка в последнее время является актуальной задачей планарной фотоники. Результаты исследований показали, что в случае необработанной лазером поверхности механический контакт микроразъема с подложкой не выдерживает одного термоцикла, в то время как после лазерной обработки поверхности подложки механический контакт остается прочным в течение восьми термоциклов.

Требуемые характеристики при осуществлении способа, а именно, конкретный УФ фотоотверждаемый материал, а также параметры лазерного излучения: длина волны, энергия, длительность и частота следования импульсов, параметры фокусировки, параметры 3D подвижки и гальваносканера: точность позиционирования и скорость перемещения лазерного луча, а также геометрические параметры создаваемых оптических микроразъемов выбирают стандартным образом в зависимости от материала подложки, оптических и геометрических параметров оптических волокон и активных участков излучающих или детекторных микроструктур. В качестве лазерных источников могут использоваться коммерчески доступные фемтосекундные лазерные источники, например, TEMA-DUO-100 (Avesta-Proekt, Россия).

Авторами проведено испытание способа сопряжения оптического волокна. В работе использовалась установка (Minaev N.V, Tarkhov М.А., Dudova D.S., Timashev P.S., Chichkov B.N., Bagratashvili V.N. Fabrication of superconducting nanowire single-photon detectors by nonlinear femtosecond optical lithography // Laser Phys. Lett. IOP Publishing, - 2018. - Vol.15 - №2. - P. 1-6), основанная на системе субмикронного трехмерного позиционирования ABL1000 (Aerotech, США) и высокоскоростном гальваносканере 'HurrySCAN II 14' (ScanLab). Использовалась вторая гармоника фемтосекундного лазера ТЕМА-100 (Avesta-Proekt, Россия) с длиной волны 525 nm, частотой импульсов 70 МГц, длительностью импульсов 200 фс и мощностью до 200 мВт. Для обработки поверхности подложек использовался объектив Olympus MPlanN 100Х/0.9 n.а., а подложка перемещалась с помощью трехмерного прецизионного позиционера. Для изготовления оптического микроразъема методом двухфотонной полимеризации использовался микрообъектив CarlZeiss ЕС EPI Plan 20Х / 0.4 n.а. с рабочим полем диаметром 250 мкм. Трехмерные структуры формировались послойно по компьютерной модели с помощью гальваносканирующей системы перемещения лазерного пятна (оси XY) и вертикальной моторизированной подвижки (ось Z). В работе использовались различные коммерчески доступные УФ отверждаемые материалы, но наилучшие результаты были получены на материале Dental Clear (HARZLabs, Russia). Мощность лазерного излучения в экспериментах составляла 10-50 мВт, скорость перемещения лазерного пучка - до 25 мм/с, расстояние между отдельными линиями заливки по осям XY=1 мкм, по оси Z=5 мкм.

Примеры дизайна трехмерных моделей структур для фиксации оптического волокна с диаметром отверстия 128 мкм представлены на фиг. 1. Здесь же приведены оптические фотографии областей сверхпроводникового детектора с нанесенными поверх него микрошероховатостями для повышения адгезии. На фиг. 2 приведена фотография с массивом микроструктур с оптоволоконными микроразъемами и установленными в них оптическими волокнами с диаметром 125 мкм.

Экспериментально измеренная эффективность передачи оптического сигнала от излучающей в телесном угле 2π микроструктуры диаметром 200 мкм одномодовому оптическому волокну диаметром 125 мкм с числовой апертурой 0.14, торец которого находится на расстоянии L, от величины L, показывает, что в данном конкретном случае оптимальная толщина основного кольца микроразъема составляет 130 мкм, поскольку именно при таком удалении торца волокна от излучающей микроструктуры соотношение сигнал/шум будет максимальным.

Таким образом, заявленный способ позволяет получить заявляемый технический результат, состоящий в повышении надежности и эффективности сопряжения оптического волокна.

1. Способ изготовления микроразъема для оптического волокна на поверхности подложки, имеющего осевую симметрию относительно оси, перпендикулярной подложке, включающий размещение подложки на трехмерном моторизированном позиционере, нанесение на выбранную зону подложки капли жидкого УФ-отверждаемого материала, изменение положения подложки в пространстве с помощью моторизированного позиционера, воздействие на материал остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом, отверждение подложки при перемещении позиционера с образованием пилонов микроразъема, основания которых выполняют на поверхности функцию основного кольца, сформированного на поверхности подложки, отличающийся тем, что для увеличения адгезии место формирования основания микроразъема на подложке обрабатывают остро сфокусированным фемтосекундным лазерным лучом с длиной волны зеленого диапазона (520-535) нм с мощностью 10-200 мВт и скоростью перемещения 0.02-50 мм/с, основное кольцо имеет внутренний диаметр равный или меньший внешнему диаметру оптического волокна, при этом величины внутреннего диаметра и толщины основного кольца определяются из условия согласования апертур волокна с активными участками, с которыми производится сопряжение, кольцеобразное основание формируют в виде отдельных сегментов, а пилоны удерживают на разных расстояниях от поверхности подложки несколько колец с внутренним диаметром равным (102.0±1.5)% от внешнего диаметра волокна, имеющих со стороны дальней от подложки поверхности стыковочные «фаски» для удобного завода торца оптического волокна внутрь микроразъема.

2. Способ изготовления микроразъема для оптического волокна на поверхности подложки по п.1, отличающийся тем, что для перемещения лазерного луча относительно подложки используют только сканер или сканер совместно с позиционером.