Изготовление и исследование элементов интегральной оптики для систем оптической связи

20-кратный или 40-кратный объектив микроскопа 11; назначение - сфокусированное отображение излучения с выходного торца волновода на фотоприемное устройство или видеокамеру.

анализатор (поляризатор) 12; назначение - контроль состояние поляризации светового пучка;

диафрагму 13; назначение - выделение составляющей светового пучка, соответствующей волноводной моде и дискриминация паразитной засветки фотоприемника.

Излучение поступает на видеокамеру 14, позволявшая в увеличенном виде исследовать особенности пространственной структуры выходящего светового пучка, в сфокусированном виде, по сути, являющимся увеличенным изображением светового пятна на выходном торце волновода, то есть информативно представляющим распределение световой энергии в ближнем поле волновода. Аналоговый выход камеры подключался к персональному компьютеру 16, к специальной плате видеозахвата изображения.

В качестве платы видеозахвата использовалась плата TV тюнер Aver Media®, которая имеет возможность захвата видеоряда или отдельного кадра. TVCapture поддерживает все VGA режимы, совместим с графическими стандартами AVI и BMP, поддерживает коаксиальный RCA - вход («тюльпан»), и S-видео вход. TVCapture работает как в оконном, так и в полноэкранном режиме без потери качества изображения. Использовался полноэкранный режим. Полученное изображение захватывалось с помощью программы входящей в комплект платы, представляя собой файл формата ВМР.

По яркостному распределению светового пятна можно восстановить картину распределения интенсивности светового потока, и по ней рассчитать профиль показателя преломления исследуемого волновода. Для этой цели существует специальная методика ближнего поля.

Полученный в результате эксперимента опытный образец - Y-разветвитель 1Ч2, был исследован на экспериментальной установке, описанной выше. На рисунке 36 представлена фотография выходного торца разветвителя, в который введено излучение с длиной волны 1,55 мкм.

Рисунок 36 - Изображение излучения выходящего из разветвителя на длине волны 1,55 мкм

Волноводы Y-разветвителя были одномодовыми на длине волны входного сигнала 1,55 мкм (рисунок 37).

Рисунок 37 - Увеличенное изображение выходного торца волновода на длине волны 1,55 мкм

Полученный файл подвергался математической обработке с использованием специализированного пакета матричной математики “Matlab”. Для обработки данных изображений пятна моды использовалась небольшая программа.

Для калибровки использовалось модовое пятна световода типа SMF28 компании Corning с известными размерами, которое является одномодовым на длине волны 1,55 нм. На рисунке 39 показано изображение поля моды выходного торца этого волоконного световода. Паспортное значение диаметра модового пятна составляет 10,4 мкм.

Измеренные размеры волновода составили на длине волны 1,55 мкм. - 14x12,5 мкм. Указанные размеры хорошо соответствуют результатам расчетов поля моды Ag+-волновода на данной длине волны, которые приводят к формированию локализованного канала.

Рисунке 38 - Увеличенное изображение поля моды выходного торца одномодового волоконного световода

На основе установки описанной выше был собран стенд для соединения световодов с канальными волноводами и измерения потерь. Схема и внешний вид представлены на рисунках 40 и 41.

Рисунок 39 - Блок-схема установки для стыковки световодов с канальными волноводами и измерения потерь: 1 - полупроводниковый лазер с волоконным FC/PC выходом, длина волны 0,63мкм; 2 - полупроводниковый лазер с волоконным FC/PC выходом, длина волны 1,55 мкм; 3 - волоконный оптический MEMS переключатель; 4 - входной световод; 5 - трехкоординатный микропозиционер; 6 - трехкоординатный микропозиционер; 7 - образец с волноводными структурами; 8 - микроскоп; 9 - трехкоординатный микропозиционер; 8 - выходной световод; 9 - оптический измеритель мощности FOD1202; 10 - видеокамера; 11 - персональный компьютер с платой видеозахвата

Рисунок 40 - Внешний вид измерительной установки для исследования элементов интегральной оптики

Помимо исследования характеристик волноводов на различных длинах волн, переключение входов от разных источников излучения решает важный практический вопрос ввода излучения в волновод в ИК-диапазоне. Это наиболее просто осуществить, визуально возбудив моду волновода в видимой области, на длине волны 0,65 мкм, а затем переключить входную оптическую схему на источник излучения с длиной волны 1,55 мкм.

Световод, закреплённый на лабораторной подвижке 3, как показано на рисунке 40, подключается к лазеру, который излучает сигнал на длине волны 0,63 мкм. К торцу волокна подводится волновод таким образом, чтобы свет попадал на границу поверхности волновода, там, где предполагается в дальнейшем ввести излучение в какой-либо из каналов (рисунок 42).

Рисунок 41 - Предварительная стыковка волокна и волновода

На выходе из волновода сигнал фиксируется при помощи собирающей линзы, которая выставляется в фокусе, чтобы вывести параллельный пучок света, и полученный сигнал отображается на экране (рисунок 43).

Рисунок 42 - Выведенное излучение на экран при помощи линзы

Изображение на экране получается перевернутым в результате прохождения лучей через собирающую линзу. Из этой картины видно, что свет попадает на границу волновода. После этого при помощи горизонтального перемещения производится поиск канала.

Подобные затемнения в виде «усов» свидетельствуют о том, что на этом участке волновода находится канал, в который поставлена задача ввести излучение (рисунок 43).

Рисунок 43 - Поиск канала в волноводе

Теперь, перемещая волновод в вертикальном направлении можно добиться результативной картины, показанной на рисунке 44.

Рисунок 44 - Введённое излучение в волновод

Полученные две красные точки, вокруг которых тёмный фон, говорят о том, что излучение полностью введено в канал волновода, а именно в разветвитель (1 в 2).

Стыковка выходного световода 10 (рисунок 40) осуществляется с помощью микроскопа 8, в который наблюдаем «трек» распространяющегося лазерного излучения в волноводе, - ориентирование по горизонтали, и показаниям видеокамеры 12 на мониторе компьютера 13 - ориентирование по вертикале.

Когда все операции по соединению входного/выходного световодов с волноводом завершены, можно переключить входную оптическую схему на источник излучения с длиной волны 1,55 мкм, для измерения потерь с помощью оптического измерителя мощности FOD1202 11 (рисунок 40).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты дипломной работы можно обобщить:

Проведен обзор технологий изготовления элементов интегральной оптики, используемых для их серийного производства. Выбор технологии изготовления волноводных схем для интегральной оптики зависит от того устройства, которое необходимо изготовить. Промышленные AWG-мультиплексоры изготавливаются по технологии «оксид кремния на кремний» и имеют высокое приращение показателя преломления волноводных каналов. Для изготовления многоканальных разветвителей для систем оптической связи используется ионный обмен с последующим заглублением каналов.

Изготовлены одномодовые Ag+-волноводы и волноводные структуры в стекле путем ионного обмена Ag+Na+ в расплаве соли с последующим заглублением. Технологические режимы изготовления: 1-ый этап - время диффузии 80-85 минут, температура 380°С, расплав соли - AgNO3 + NaNO3, (молярное соотношение 1:200); 2-этап - заглубление в расплаве соли NaNO3 при при 380°С в течение 60 мин и стимулирующем напряжении 290 В. Отработаны технологические операции механической обработки торцов подложки с волноводами необходимыми для измерения их параметров и для соединения с волоконными световодами.

Был проведён комплекс измерений оптических характеристик волноводных структур. Измерены пространственные размеры пятна моды. Размер поля моды Ag+-волновода составляет 14х12,5 мкм на длине волны 1,55 мкм.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Семёнов А.С. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации / А.С. Семёнов, В.Л. Смирнов, А.В. Шмалько. - М.: Радио и связь, 1990. - 224 с.

2. Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира. - М.: Мир, 1978. - 344 с.

3. Никитин В.А. Физические технологии оптоэлектроники: [Лабораторные работы] / В.А. Никитин, Н.А. Яковенко. - Краснодар, 2005. - 134 с.

4. Planar concave grating demultiplexer fabricated on a nanophotonic silicon-on-insulator platform / J. Brouckaert, W. Bogaerts, P. Dumon et al. // Journal of lightwave technology. - 2007. - Vol. 25. - № 5. - P. 1269 - 1274.

5. Photonics Integrated Circuits // Тeemphotonics - 2012, http://www.teemphotonics.com [20 апреля 2013].

6. Ion Exchange in Glass // ColorChip - 2012, http://www.colorchip.com [21 апреля 2013].

7. Никоноров Н.В. Стекла для ионного обмена в интегральной оптике: современное состояние и тенденции дальнейшего развития (обзор) / Н.В. Никоноров // Физика и Химия стекла. 1999. - T.25. C. 525-530.

8. Niu Х. An Integrated System of Optical Metrology for Deep Sub-Micron Lithography: doctor of philosophy in engineering / X. Niu; University of California. - Berkly, 1999. - 153 p.

9. Никоноров Н.В. Оптическое материаловедение: основы прочности оптического стекла: учебное пособие / Н.В. Никоноров, С.К. Евстропьев. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. - 102 с.

10. Андросов С.С. Создание планарных Y-образных разветвителей для PON / С.С. Андросов, В.А. Никитин, Р.А. Потапенко, Н.А. Яковенко // II Всерос. конф. по фотонике и информационной оптике: сб. науч. тр. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. С. 67, 68.

11. Zou J. Two-step K+-Na+ and Ag+-Na+ ion-exchanged glass waveguides for C-band applications / J. Zou, F. Zhao, R. T. Chen // Applied Optics. 2002. Vol. 41. № 36. P. 7620-7626.

12. Никитин В.А. Электростимулированная миграция ионов в интегральной оптике / В.А. Никитин, Н.А. Яковенко. - Краснодар, Из-во КубГУ, 2010. - 200 с.

Размещено на Allbest.ru