Стыковка массивов оптических волокон с интегрально-оптическими схемами

Кремниевая фотоника позволяет интегрировать волноводы, модуляторы, детекторы, MUX / DeMUX на кремниевые платформы с использованием CMOS-технологии. По сравнению с традиционными дискретными устройствами, интегрально-оптические схемы (ИОС) обладают такими преимуществами, как низкая стоимость, низкое энергопотребление, высокая степень интеграции и высокая пропускная способность.

Чтобы сделать из интегрально-оптической схемы, например, оптический приемопередатчик, оптические волокна необходимо соединить с кремниевым волноводом. Благодаря высокой степени интеграции кремниевого фотонного чипа, мы можем использовать массив волокон для их соединения, однако, из-за небольшого размера оптического входа, он не может быть соединен с обычным одномодовым волокном напрямую. Эта проблема создала множество разнообразных решений для осуществления стыковки между оптическим волокном и ИОС.

Есть два основных метода ввода/вывода излучения в ИОС: торцевой и с помощью дифракционных решеток. В этой статье представлены некоторые типичные схемы соединения массивов волокон с ИОС.

Схема торцевого соединения с V-образным пазом

В этой схеме соединения торцевая поверхность кремниевого чипа вытравлена в форме V-образной канавки для размещения в ней массива волокон, как показано на рис.1. Зеленая насадка - это полимерная крышка, которая прижимается к массиву волокон, чтобы волокна идеально уложились в канавки. Положение каждого волокна может быть дополнительно отрегулировано, чтобы волокна полностью попали в канавку, и стыковка достигла наилучшей эффективности.

Рис. 1. Соединение с V-образным пазом.

Данная технология соединения позволяет использовать одномодовые и многомодовые волокна, а также волокна с сохранением поляризации.

Рис. 2. Соединения массивов PM волокна.

Схема торцевого полимерного волноводного соединения

Еще одним типом соединения оптоволоконных массивов является соединение с помощью полимерного волновода. Как показано на рис. 3, полимерный волновод работает как мост между массивом одномодовых волокон и кремниевым волноводом. Свет попадает из массива одномодовых волокон в полимерный волновод, который затем попадает в кремниевый волновод.

Рис. 3. Полимерное волноводное соединение.

Схема торцевого соединения волокон с различным диаметром поля моды

Из-за малого диаметра поля моды на входе интегрально-оптической схемы обычное соединение SM-волокон приводит к большим потерям из-за несоответствия диаметра поля мод (MFD). Принцип работы схемы заключается в том, чтобы соединить небольшой участок волокна с малым диаметром поля мод (MFD) с массивом одномодовых волокон, что приводит к уменьшению MFD до размера, который подходит для ИОС. Как показано на рис. 4, волокно с малым модовым полем действует как промежуточный преобразователь.

Рис. 4. Схема согласованного подключения массива волокон к ИОС.

Схема торцевого соединения линзованных волоконных массивов

Массивы линзованных оптических волокон являются эффективным способом для ввода/вывода излучения в интегрально-оптические схемы. В данной схеме для стыковки используются линзованные волокна. Диаметр модового поля линзованного волокна составляет всего около 3 мкм, что позволяет эффективно соединить его с кремниевым волноводом, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Соединение линзованного волокна с кремниевым волноводом.

Соединение массива волокон под углом 45° к ИОС

Сначала вертикально связанный волновод вытравливается на кремниевом фотонном чипе, а затем он соединяется с помощью массива волокон с полированной под углом 45 градусов гранью для реализации вертикального сопряжения как показано на рис. 6.

Рис. 6. Соединение массива волокон под углом 45° к ИОС.

Существует множество типов 45-градусных массивов волокон для различных применений:

• 45-градусный волоконный массив без крышки.
• Волоконный массив с утопленной крышкой.
• Двухслойный массив волокон.
• Волоконный массив с малым диаметром волокна.

Соединение массива волокон под углом 90° к ИОС

Эта схема представляет собой планарное соединение, аналогичное схеме с 45-градусным волоконным массивом. 90-градусный массив волокон применяется в тех случаях, когда в интегральной схеме не хватает места для расположения других типов соединения, что приводит уменьшению размера интегрально-оптической схемы.

Рис. 8. Соединение 90-градусного массива волокон с ИОС.

На данный момент на рынке интегральной оптики представлено исполнение 90-градусного волоконного массива в корпусе, как показано на рис. 9.

Рис. 9. 90-градусный массив волокон.

Сверхмалые волоконно-оптические массивы, устойчивые к высоким температурам

Чтобы удовлетворить различные требования к соединениям оптических волокон с ИОС, существует множество малогабаритных и устойчивых к высоким температурам (до 260 °C) волоконных массивов.

Рис. 10. Малогабаритные волоконные массивы.

Рис. 11. Массив волокон, устойчивый к высоким температурам.

Подводя итоги, заметим, что главным недостатком торцевых соединений является сложность согласования диаметра поля мод, в то время как волоконные массивы, хоть и требуют наличия определенного угла падения излучения, решают проблему неэффективной стыковки с ИОС.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» предлагает широкую линейку массивов и одиночных волокон для стыковки с ИОС. Специалисты компании могут предложить как стандартные решения, так и под заказ.

Помимо волоконно-оптических компонент для стыковки оптических волокон с ИОС, также стоит уделить большое внимание выбору оптомеханических устройств, которые помогут прецизионно подвести массивы/волокна к ИОС. На эту тему на нашем сайте представлено отдельное решение для работ в области интегральной фотоники, где Вы сможете узнать больше о станциях, отдельных элементах и оборудовании для тестирования. 

Сопутствующее оборудование

Также предлагаем ознакомиться с краткой брошюрой Решения для ввода/вывода оптического излучения в ИОС.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является официальным дистрибьютором представленных решений и оказывает техническую поддержку на территории России и ЕАЭС. Вы можете получить любую дополнительную информацию, обратившись к специалистам нашей компании.