ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-6-871-879ntv-392Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGРазработка и изготовление коллимирующей волоконной сферической микролинзы для системы вывода излучения из радиофотонных компонент в оптическое волокноDesign and fabrication of collimating ball lensed fiber for the system of optical radiation output from radiophotonic componentshttps://orcid.org/0000-0001-7803-2086ЖидикЮ. С.ZhidikYu. S.

Жидик Юрий Сергеевич - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник,  Томск, 634050;

научный сотрудник, Томск, 634055

Yury S. Zhidik — PhD, Leading Researcher, Tomsk, 634050;

Scientific Researcher, Tomsk, 634055

zhidikyur@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9816-3294ШейнбергерА. А.SheinbergerA. A.

Шейнбергер Анна Андреевна - младший научный сотрудник,

Томск, 634050

Anna A. Sheinberger - Junior Researcher, 

Tomsk, 634050

annasejnberger@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6608-5743СтепаненкоМ. В.StepanenkoM. V.

Степаненко Михаил Валерьевич - научный сотрудник,

Томск, 634050,

Mikhail V. Stepanenko - Scientific Researcher,

Tomsk, 634050

mikhail.v.stepanenko@tusur.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7349-0536ТроянП. Е.TroyanP. E.

Троян Павел Ефимович - доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник,

Томск, 634050

Pavel E. Troyan - D.Sc., Professor, Leading Researcher,

Tomsk, 634050

tpe@tusur.ruТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроники; Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наукРоссияFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education — Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, 634050 V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RASRussian FederationТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education — Tomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian FederationТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, 634050РоссияFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education — Tomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian Federation202424122024246871879Copyright © Жидик Ю.С., Шейнбергер А.А., Степаненко М.В., Троян П.Е., 20242024Жидик Ю.С., Шейнбергер А.А., Степаненко М.В., Троян П.Е.Zhidik Y.S., Sheinberger A.A., Stepanenko M.V., Troyan P.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/392Введение

Введение. При корпусировании фотонных интегральных схем и реализации технологии гибридной интеграции важной проблемой является обеспечение вывода оптического излучения из источника в оптоволоконный кабель. Потери при выводе оптического излучения обусловлены рассогласованием модового пятна излучения в оптоволокне и в волноводе, а также присутствующими при сборке отклонениями оптических элементов от оптимального установочного положения. В работе приведены результаты проектирования, изготовления и исследования волоконной сферической микролинзы, позволяющие решить проблему согласованного вывода оптического излучения из радиофотонных компонент в оптоволокно.

Метод

Метод. Предложенная схема вывода оптического излучения из полупроводникового лазерного диода включает дискретную сферическую микролинзу и волоконную коллимирующую сферическую микролинзу. Волоконная сферическая микролинза диаметром 250 мкм сформирована методом дугового оплавления сегмента оптоволокна FG125LA, приваренного к оптоволокну SMF-28 и образующего на нем бессердцевинную вставку. Для определения оптимальных геометрических параметров микролинзы с целью обеспечения коллимированного пучка предложена модель с бессердцевинными вставками разной длины. Моделирование выполнено с использованием программного пакета Comsol Multiphysics. Тип пучка оптического излучения на выходе сформированной волоконной сферической микролинзы проверялся экспериментально.

Основные результаты

Основные результаты. Определена оптимальная конструкция коллимирующей волоконной сферической микролинзы. Экспериментальный образец коллимирующей волоконной сферической микролинзы позволил реализовать оптическую схему вывода оптического излучения и исследовать ее эффективность.

Обсуждение

Обсуждение. Показано, что реализованная оптическая схема позволяет увеличить эффективность передачи оптической мощности от источника к оптоволокну в два раза по сравнению со стыковым соединением. Разработанная схема вывода оптического излучения обеспечивает диапазон допустимого отклонения ее элементов от оптимального положения не менее чем на 12,8 мкм, что в два раза превышает диапазон допустимого отклонения элементов для стыкового соединения источника излучения с оптоволокном. Представленную схему вывода оптического излучения рекомендуется использовать с интегральным расширителем пучка для увеличения эффективности передачи оптической мощности.

The output of optical radiation from the source into a fiber optic cable is an important problem in photonic integrated circuits packaging and implementation of hybrid integration technology. Optical radiation output losses are caused by the mismatch of the mode spot of radiation in the optical fiber and in the waveguide as well as by the deviations of optical elements from the optimal mounting position that occur during the assembly of photonic integrated circuits. This work demonstrates the design, fabrication, and investigation of a lensed optical fiber to solve the problem of coordinated output of optical radiation from radiophotonic components into the fiber. A scheme for outputting optical radiation from a semiconductor laser diode included a discrete ball microlens and a collimating lensed optical fiber. The lensed optical fiber with a lens diameter of 250 μm was formed by arc-fusing a segment of FG125LA fiber which was welded to the SMF-28 fiber to form a coreless insert. A model with coreless inserts of different lengths was proposed to determine the optimal geometrical parameters of the lensed optical fiber that provide a collimated beam of radiation at the exit of the lensed optical fiber. The modeling was performed using the Comsol Multiphysics software package. The optical radiation beam type at the output of the formed ball lensed fiber was verified experimentally. The optimal design of the collimating ball lensed fiber was determined. The fabricated experimental sample of collimating ball lensed fiber allowed to realize the optical scheme for optical radiation output and to investigate the efficiency of the scheme. The implemented optical scheme allows to increase the efficiency of optical power transmission from the source to the fiber by a factor of two compared to the butt coupling. In addition, the developed optical radiation output scheme provides the range of acceptable deviation of its elements from the optimal position by at least 12.8 μm. This value is twice as much as the range of permissible deviation of the elements for the butt connection of the radiation source with the optical fiber. The presented scheme of optical radiation output is recommended to be used with an integral beam expander to increase the efficiency of optical power transmission.

оптоволокнорадиофотонные компонентыоптические системымикролинзыoptical fiberradiophotonic componentsoptical systemsmicrolenseslensed fiberРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках проекта FEWM 2024-0004.ReferencesFibre Optic Communication / ed. by V. Herbert, G. Norbert. Springer Cham, 2017. 847 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-42367-8Fibre Optic Communication. Ed. by V. Herbert, G. Norbert. Springer Cham, 2017, 847 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-42367-8Silicon-Based Photonics / ed. by E. Kasper, J. Yu. Jenny Stanford Publishing, 2020. 340 p.Silicon-Based Photonics. Ed. by E. Kasper, J. Yu. Jenny Stanford Publishing, 2020, 340 p. 3. Manolatou C., Haus H.A. Passive Components for Dense Optical Integration. New York, Springer New York, 2002, 170 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-0855-7Manolatou C., Haus H.A. Passive Components for Dense Optical Integration. New York: Springer New York, 2002. 170 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-0855-7Jing Z., Ramana P.V., Hon-Shing J.L., Qingxin Z., Chandrappan J., Wei T.C., Chinq J.M., Liang C.T.W., Lee K.D. Design and characterization of taper coupler for effective laser and single-mode fiber coupling with large tolerance. IEEE Photonics Technology Letters, 2008, vol. 20, no. 16, pp. 1375–1377. https://doi.org/10.1109/lpt.2008.926819Jing Z., Ramana P.V., Hon-Shing J.L., Qingxin Z., Chandrappan J., Wei T.C., Chinq J.M., Liang C.T.W., Lee K.D. Design and characterization of taper coupler for effective laser and single-mode fiber coupling with large tolerance // IEEE Photonics Technology Letters. 2008. V. 20. N 16. P. 1375–1377. https://doi.org/10.1109/lpt.2008.926819Cheung Y.M., Yiu C.H. Simulation of the alignment sensitivity on the coupling efficiency of a ball-lens capped TO-can laser diode source into a single-mode fiber. Proc. of the 4th International Symposium on Electronic Materials and Packaging, 2002, 2002, pp. 197–203. https://doi.org/10.1109/emap.2002.1188837Cheung Y.M., Yiu C.H. Simulation of the alignment sensitivity on the coupling efficiency of a ball-lens capped TO-can laser diode source into a single-mode fiber // Proc. of the 4th International Symposium on Electronic Materials and Packaging. 2002. 2002. P. 197–203. https://doi.org/10.1109/emap.2002.1188837Mao J., Sheng H., Zhou C. A fiber coupling system based on the GRIN lens for use in all-fiber lidars. Journal of Russian Laser Research, 2012, vol. 33, no. 2, pp. 186–195. https://doi.org/10.1007/s10946-012-9272-0Mao J., Sheng H., Zhou C. A fiber coupling system based on the GRIN lens for use in all-fiber lidars // Journal of Russian Laser Research. 2012. V. 33. N 2. P. 186–195. https://doi.org/10.1007/s10946-012-9272-0Joshi A., Becker D., Datta S. High-power handling, ultra-fast, GRIN lens-coupled photodetectors. Proceedings of SPIE, 2008, vol. 6975, pp. 69750R. https://doi.org/10.1117/12.778485Joshi A., Becker D., Datta S. High-power handling, ultra-fast, GRIN lens-coupled photodetectors // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6975. P. 69750R. https://doi.org/10.1117/12.778485Zhang F., Zheng Y., Lu S., Luo D., Duan J. Coupling efficiency between ball lens capped laser diode chip and single mode fiber. Optik, 2018, vol. 157, pp. 497–502. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.11.076Zhang F., Zheng Y., Lu S., Luo D., Duan J. Coupling efficiency between ball lens capped laser diode chip and single mode fiber // Optik. 2018. V. 157. P. 497–502. https://doi.org/10.1016/j. ijleo.2017.11.076Fadhali M., Saktioto, Zainal J., Munajat Y., Ali J., Rahman R. Analysis of efficiency and misalignment tolerances in laser diode pigtailing using single ball lens. Journal of Applied Sciences Research, 2007, vol. 3, no. 12, pp. 1778–1787.Fadhali M., Saktioto, Zainal J., Munajat Y., Ali J., Rahman R. Analysis of efficiency and misalignment tolerances in laser diode pigtailing using single ball lens // Journal of Applied Sciences Research. 2007. V. 3. N 12. P. 1778–1787.Al-Azzawi A. Photonics: Principles and Practices. Boca Raton, Taylor & Francis Group, 2017, 968 p.Al-Azzawi A. Photonics: Principles and Practices. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2017. 968 p.Fokina M.I., Sobeschuk N.O., Denisyuk I.Yu. Analysis of polymeric microelement formation on optical fiber end under significant inhibiting influence of oxygen on photopolymerization process. Journal of Instrument Engineering, 2011, vol. 54, no. 3, pp. 69–75. (in Russian)Фокина М.И., Собещук Н.О., Денисюк И.Ю. Исследование процессов формирования полимерного микроэлемента на торце оптического волокна в условиях значительного ингибирующего влияния кислорода на процесс // Известия вузов. Приборо строение. 2011. Т. 54. № 3. P. 69–75.Idrisov R.F. Increasing the efficiency of laser radiation input into a fiber-optic light guide using matching microlenses. Prioritetnye nauchnye napravlenija: ot teorii k praktike, 2016, no. 22, pp. 148– 152. (in Russian)Идрисов Р.Ф. Повышение эффективности ввода лазерного излучения в волоконно-оптический световод с помощью согласующих микролинз // Приоритетные научные направления: от теории к практике. 2016. № 22. C. 148–152.Zheng W. Optic lenses manufactured on fiber ends. Proc. of the 2015 Optoelectronics Global Conference (OGC), 2015, pp. 1–7. https://doi.org/10.1109/ogc.2015.7336855Zheng W. Optic lenses manufactured on fiber ends // Proc. of the 2015 Optoelectronics Global Conference (OGC). 2015. P. 1–7. https://doi.org/10.1109/ogc.2015.7336855Méndez A.M., Morse T.F. Specialty Optical Fibers Handbook. Academic Press, 2007. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-369406-5.X5000-0Méndez A.M., Morse T.F. Specialty Optical Fibers Handbook. Academic Press, 2007. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-369406-5.X5000-0Milenko K., Fuglerud S.S., Aksnes A., Ellingsen R., Hjelme D.R. Optimization of SERS Sensing with micro-lensed optical fibers and Au nano-film. Journal of Lightwave Technology, 2020, vol. 38, no. 7, pp. 2081–2085. https://doi.org/10.1109/jlt.2019.2958128Milenko K., Fuglerud S.S., Aksnes A., Ellingsen R., Hjelme D.R. Optimization of SERS sensing with micro-lensed optical fibers and Au nano-film // Journal of Lightwave Technology. 2020. V. 38. N 7. P. 2081–2085. https://doi.org/10.1109/jlt.2019.2958128Sheinberger A.A., Stepanenko M.V., Zhidik Yu.S., Ivanichko S.P., Maykova A.V. Study of the systems for laser diode radiation output into a single-mode optical fiber. Photonics Russia, 2023, vol. 17, no. 7, pp. 526–541. (in Russian). https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.7.526.538Шейнбергер А.А., Степаненко М.В., Жидик Ю.С., Иваничко С.П., Майкова А.В. Исследование систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно // Фотоника. 2023. Т. 17. № 7. С. 526–541. https://doi.org/10.22184/1993-7296. FRos.2023.17.7.526.538Шейнбергер А.А., Степаненко М.В., Жидик Ю.С., Иваничко С.П., Майкова А.В. Исследование систем вывода излучения лазерного диода в одномодовое оптическое волокно // Фотоника. 2023. Т. 17. № 7. С. 526–541. https://doi.org/10.22184/1993-7296. FRos.2023.17.7.526.538

The authors declare that there are no conflicts of interest present.