Введение к работе
Актуальность работы
Активное развитие волоконной и интегральной оптики приводит к появлению новых задач, требующих решения Одной из них является создание разнообразных микрооптических элементов (МОЭ) на торцах оптических волокон Возникновение этой задачи связано с интенсивным развитием таких областей применения оптических волокон (ОВ), как интегральная оптика, лазерная медицина, оптическая связь, ближнепольная микроскопия и др
Разработка и изготовление оптических интегральных схем и гибридных оптических устройств (ГОУ) включающих в себя канальные и планарные волноводы, волоконные линии связи, оптические усилители и тп делает важной проблему повышения эффективности оптических межсоединений (ОМ) Новые конструкции узлов соединений с использованием МОЭ могут существенно повысить эффективность передачи оптического сигнала в ОМ
Существует большое количество технологий изготовления МОЭ на торцах ОВ, однако, как правило, они являются узкоспециализированными и предназначены для изготовления МОЭ определенного вида на одном типе ОВ Не решена и задача контроля оптических параметров МОЭ в процессе их изготовления, что помогло бы автоматизировать процесс изготовления МОЭ Лазерная технология изготовления МОЭ на торцах ОВ в этом случае может стать одной из самых универсальных и перспективных. Существующие лазерные технологии часто используют лазерное излучение в хачестве замены газового факела, электрической дуги или токарного резца, что не позволяет максимально использовать преимущества лазерного источника
В зависимости от областей применения ОВ с МОЭ на торцах их можно разделить на два класса работающие независимо, или входящие в состав более сложных оптических систем Во втором случае встает проблема обеспечения юстировки такой системы Для юстировки оптической системы с поперечными размерами несколько десятков или единиц микрометров традиционные методы малоэффективны или дороги Разработано ограниченное число решений этой проблемы - использование клея, каналов и отверстий, микропозиционеров, но их нельзя считать удовлетворительными Появление новых идей в данной области помогло бы расширить область применения МОЭ.
Таким образом, разработка и исследование лазерной технологии изготовления МОЭ на торцах ОВ, в частности микролинз, а так же их использование для оптимизации ОМ в совокупности с разработкой новых методик их пространственного позиционирования является весьма актуальной задачей, которой и посвящена настоящая работа
РОС. НАЦИОНАЛЬНА'!
БИБЛИОТЕКА
Цель работы
Целью работы является разработка и исследование технологии и оборудования для изготовления микрооптических элементов на торцах волокон методом лазерного нагрева, изучение их оптических свойств и их применение для оптимизации оптических контактов
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать технологию формирования микрооптических элементов на торцах волокон,
создать экспериментальную лазерную установку для изготовления микрооптических элементов на торцах оптических волокон,
исследовать и оптимизировать оптические характеристики микрооптических элементов
исследовать возможность использования полученных микрооптических элементов для оптимизации оптических межсоединений
Методы исследования и материалы
Для решения поставленных задач были выбраны следующие методы исследования и материалы
для создания микрооптических элементов на торцах волокон была разработана и реализована экспериментальная лазерная установка, использующая комбинацию механических перемещений волокна при одновременном нагреве квазинепрерывным излучением С02-лазера;
для расчета температуры в зоне лазерного воздействия был применен аппарат теории теплопроводности,
- методы оптической микроскопии, микрофотографии и
микровидеосъемки использовались при изучении процесса формирования
микролинз;
метод сканирующей электронной микроскопии применялся для изучения качества поверхности получаемых микролинз;
использовалась разработанная автором методика для определения параметров получаемых микрооптических элементов, основанная на комбинации современных методов оптико-электронной регистрации и компьютерной обработки изображения,
калориметрические методы применялись для определения мощности лазерного излучения
Научная новизна диссертации
- Впервые предложен и продемонстрирован принцип оптической
обратной связи при изготовлении оптических деталей
Разработана лазерная технология и экспериментальная установка для изготовления микрооптических элементов на торцах волокон различно типа с оптической обратной связью.
Предложен метод анализа эффективности оптических межсоединений на основе инварианта Лагранжа-Гельмгольца
- Проведены экспериментальные исследования эффективности
согласования оптических волокон с канальными волноводами при
использовании согласующих микрооптических элементов.
Разработан метод лазерной юстировки и оригинальная конструкция привода для точного пространственного позиционирования волокна с торцевой микролинзой
Основные научные положения, выносимые на зашиту
Введение обратных связей по оптическим параметрам в лазерный метод формирования ОЭ на торцах ОВ позволяет увеличить точность и воспроизводимость получаемых ОЭ
Анализ энергетической и информационной эффективности оптических межсоединений может быть выполнен на основе инварианта Лагранжа-Гельмгольца, что позволяет достаточно просто и точно выявить перспективные типы оптических межсоединений.
Наибольшего повышения эффективности оптических
межсоединений типа оптическое волокно - канальный волновод (KB) за счет введения торцевых микролинз можно добиться в случае ввода типа одномодовое ОВ - KB и вывода типа KB - многомодовое ОВ. Эффективность этих соединений повышается при этом на 20 - 80 %, а допуск на совмещение растет в 2 - 5 раз.
- Прецизионная оптическая юстировка может быть достигнута за
счет комбинированных термомеханических эффектов усадки, удлинения и
скручивания при воздействии лазерного излучения на
сложноперфорированные оправы МОЭ, изготовленные из тонколистовых
металлов (пластин).
Практическая ценность работы:
1 Разработан действующий макет экспериментальной установки для производства микрооптических элементов на торцах оптических волокон с различными параметрами, который может служить прототипом автоматизированной промышленной установки.
2. Предложена лазерная технология изготовления согласующих микрооптических элементов, обладающая достаточной точностью и воспроизводимостью за счет обратной связи по оптическим параметрам
-
Продемонстрирована возможность повышения эффективности оптических межсоединений при использовании полученных микрооптических элементов.
-
Определены оптимальные методы тестирования микрооптических элементов.
5 Разработан метод юстировки микрооптических элементов, поддающийся автоматизации, и оригинальная конструкция соответствующего привода
Реализация на практике
Результаты работы по согласованию оптических волокон с канальными волноводами были использованы в международном проекте с Бременским институтом силовой лучевой оптики BIAS (Германия) и СПбГУ ИГГМО (Россия) - "Fiber-Chip coupling in integrated-optical polymer devices" Установка для изготовления микролинз на торцах ОВ и сами микролинзы в течении ряда лет эксплуатирует фирма «Медлаз-Нева» при создании лазерных терапевтических установок
Апробация работы
Результаты были доложены на следующих конференциях
-
Международной конференции Photon Processing in Microelectronics and Photonics П (2003 San Jose, California, USA)
-
IV Международная конференция Прикладная Оптика СПб 2004
-
XXXIV Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПб УИТМО 2005
-
П Межвузовская конференция молодых ученых СПб УИТМО 2005
-
Всероссийская межвузовская научно-технической конференция ХХХШ неделя науки СПб ПТУ 2005
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ Полный список приведен в конце автореферата
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка литературы, включающего 90 наименований Материал диссертации изложен на /04 страницах, сопровождается 66 рисунками и /Z таблицами
