Разработка и изготовление коллимирующей волоконной сферической микролинзы для системы вывода излучения из радиофотонных компонент в оптическое волокно

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. 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. 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. 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.

1. Fibre Optic Communication / ed. by V. Herbert, G. Norbert. Springer Cham, 2017. 847 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-42367-8

2. 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/10.1007/978-1-4615-0855-7

4. Jing 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.2008.926819

5. Cheung 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.2002.1188837

6. Mao 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/s10946-012-9272-0

7. Joshi 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/10.1117/12.778485

8. Zhang 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.2017.11.076

9. 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.

10. Al-Azzawi A. Photonics: Principles and Practices. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2017. 968 p.

11. 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.

12. 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.

13. Zheng 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.2015.7336855

14. Méndez A.M., Morse T.F. Specialty Optical Fibers Handbook. Academic Press, 2007. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-369406-5.X5000-0

15. Milenko 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.2019.2958128

16. Шейнбергер 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