CZ25535U1 - Optická planární mnohavidová POF rozbočnice - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. č. 478/1992 Sb.

CZ 25535 Ul

Optická planární mnohavidová POF rozbočnice

Oblast techniky

Předkládaná topologie optické planární mnohavidové POF, Plastic Optícal Fiber rozbočnice řeší problém rozdělení optického signálu z jednoho vstupního multividového POF vlákna do třech výstupních POF vláken.

Dosavadní stav techniky

V optické telekomunikační technice se pro distribuci optického signálu na velké vzdálenosti používají optické vláknové vlnovody. V případě přenášení a zpracování optického signálu na kratší vzdálenosti a ve fotonických strukturách se používají planární optické vlnovody. Základním pasivním optickým členem je optická rozbočnice, která umožňuje rozdělení signálu z jednoho vstupního vlnovodu do více výstupních vlnovodů. Planární děliče optického výkonu s dvěma výstupními vlnovody mohou být realizovány pomocí optické rozbočnice s Y tvarem výstupních vlnovodů. Děliče s počtem výstupních vlnovodů 2ⁿ můžou být realizovány pomocí kaskádního řazení optických děličů 1x2 Y. Nevýhodou kaskádního řazení je, že v případě většího množství výstupních vlnovodů bude mít tato struktura velké rozměry. Dále pak tento postup neumožní realizací symetrické dělení optického výkonu u děličů s lichým počtem výstupních vlnovodů. Například u rozbočnice se třemi výstupními vlnovody bude většina optického výkonu soustředěna v prostředním výstupním vlnovodu.

V případě jednovidových planámích vlnovodů, lze rozdělení optického signálu provést pomocí struktur pracujících na principu mnohavidové interference. Tyto struktury mají na vstupu a výstupu jedno vidové vlnovody a mezi tyto vlnovody je vložena interferenční část. Tato interferenční část je navržena tak, aby podporovala šíření optického signálu s větším počtem vidů ve směru šíření. Do hloubky vlno vodná vrstva v této interferenční části zůstává jedno vidová. Počet výstupních vlnovodů závisí na požadované realizaci rozbočnice a výstupní počet vlnovodů může být jak sudý, tak lichý. Jedno vidový optický signál tedy vstupuje z jedno vidového vlnovodu do interferenční části, kde dojde k vybuzení vyššího počtu vidů a je zde možné pozorovat přizpůsobení vstupního elektromagnetického pole z jednobodového vlnovodu k multividovému a vznik tzv. zobrazovacího efektu, Šelf - Imaging Effect. Tento jev spočívá v rozložení elektromagnetického pole ze vstupního jedno vidového vlnovodu do mnohavidové interferenční části. V interferenční části lze tedy pozorovat vznik interferenčních zobrazení ve směru šíření signálu skládající se z opakujících se přímých, zrcadlených a násobných zobrazení. V interferenční části rozbočnice se každý vid šíří různou fázovou rychlostí, a proto je elektromagnetické pole ve směru šíření optického signálu superpozici všech vidů. Při vhodně zvolené šířce a délce této interferenční části dojde tedy pro danou vlnovou délku k symetrickému rozdělení optického signálu. Nevýhodou této metody je, že ji lze použít jen pro struktury pracující s jedno vidovým signálem a symetricky rozděluje signál jen pro jednu danou vlnovou délku, na kterou je interferenční část naladěna a tedy tuto strukturu nelze použít pro dělení optického signálu s určitou spektrální šířkou. Tohoto principu nelze tedy ani využít pro rozdělení mnohavidových optických signálů, protože tyto mnohavidové vlnovody přenáší několik stovek až tisíc vidů, jejichž rozložení elektromagnetického pole se výrazně liší a neexistuje proto řešení, kdy by se rozložení elektromagnetického pole všech přenášených vidů shodovalo v oblasti výstupních vlnovodů, protože rozložení elektromagnetického pole jednotlivých vidů není stejné.

Kromě tohoto postupu bylo popsáno dělení optického výkonu u jednovidové planární struktury s jedním vstupním a se třemi výstupními vlnovody, kde byl optický vlnovod vytvořen pomocí difúze do skleněné podložky nebo do optického krystalu. Symetrického rozdělení optického signálu bylo dosaženo pomocí vložení trojúhelníkové oblasti do středního výstupního vlnovodu s nižší hodnotou indexu lomu, než je index lomu vlno vodné vrstvy. Trojúhelníková oblast funguje jako útlumový článek a způsobí tedy snížení optického výkonu šířícího se prostředním vlnovodem. Výhodou této struktury oproti struktuře s mnohavidovou interferencí je, že umožňuje pře- 1 CZ 25535 Ul nos optického signálu v širším vlnovém spektru, ale ani tato struktura neumožňuje realizaci symetrického dělení optického signálu u mnohavidových vlnovodů s velkým průměrem, jako jsou POF vlnovody, Plastic Optical Fiber.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje optická planámí mnohavidová POF rozbočnice tvořená vlnovodnou strukturou, která se skládá ze vstupního vláknového POF vlnovodu, kterýje připojen na vstupní kanálkový vlnovod tvořený vrstvou fotopolymeru NOA v substrátu z polymeru PMMA (polymethylmethacrylate). Vstupní kanálkový vlnovod je přes taperovaný kanálkový vlnovod z fotopolymeru NOA, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu, symetricky vyústěn do dvou výstupních kanálkových vlnovodů ve tvaru S tvořených vrstvou fotopolymeru NOA, a to do levého a pravého výstupního kanálkového vlnovodu. Výstupní kanálkové vlnovody jsou zakončeny výstupními vláknovými POF vlnovody. Podstatou nového řešení je, že mezi levým a pravým výstupním kanálkovým vlnovodem je taperovaný kanálkový vlnovod vyústěn do přímého výstupního kanálkového vlnovodu tvořeného vrstvou fotopolymeru NOA. Tento přímý výstupní kanálkový vlnovod je zakončen třetím výstupním vláknovým POF vlnovodem. V taperovaném kanálkovém vlnovodu je vložena ve směru šíření optického signálu obdélníková oblast z polymeru PMMA, která má nižší hodnotu indexu lomu než má taperovaný kanálkový vlnovod. Její konec je umístěn v rovině přechodu taperovaného kanálkového vlnovodu do přímého výstupního kanálkového vlnovodu. Obdélníková oblast je vzhledem k podélné ose přímého výstupního kanálkového vlnovodu vyosena v závislosti na rozložení elektromagnetického pole optických vidů ve vlno vodné struktuře. Velikost tohoto vyosení, jakož i rozměry obdélníkové oblasti jsou pro danou vlnovodnou strukturu funkcí indexu lomu užitého substrátu z polymeru PMMA, indexu lomu vlnovodné vrstvy z fotopolymeru NOA, její geometrie a použité pracovní vlnové délky a jsou pro tuto vlnovou strukturu určeny počítačovou simulací.

Výhodou tohoto řešení je, že umožňuje symetrické rozdělení z jednoho vstupního optického vlnovodu do třech výstupních vlnovodů u optických vlnovodů s velkým průměrem vlnovodné vrstvy. Vložení obdélníkové oblasti omezí přímé šíření optického signálu do středního kanálkového optického vlnovodu a umožní tak, že se signál rovnoměrně rozdělí do všech třech výstupních vlnovodů.

Objasnění výkresů

Příklad obecného provedení topologie optické planámí mnohavidové POF rozbočnice se třemi výstupními vlnovody podle předkládaného řešení je uveden na přiloženém výkrese na Obr. 1. Příklad provedení optimalizované struktury se třemi výstupními mnohavidovými vlnovody realizovanými na substrátu z polymeru PMMA a vlnovodnou vrstvou fotopolymeru NOA1625 je uveden na Obr. 2a a 2b. Na Obr. 2a je uvedeno rozložení indexu lomu navržené struktury z pohledu shora a na Obr. 2b je pak uvedeno síření optického signálu strukturou. Na Obr. 3a a 3b je uvedena stejná struktura jako na Obr. 2a a 2b, ale zde je odstraněna obdélníková oblast, která zajišťuje rovnoměrné rozdělení optického signálu do výstupních vlnovodů. Na Obr. 3a je uvedeno rozložení indexu lomu navržené struktury z pohledu shora a na Obr. 3b je pak uvedeno šíření optického signálu strukturou.

Příklady uskutečnění technického řešení

Topologické schéma optické planámí mnohavidové POF rozbočnice je uvedeno na přiloženém výkrese na Obr. 1. Tato planámí mnohavidová POF rozbočnice je tvořená vlnovodnou strukturou se vstupním POF vláknovým vlnovodem 1, který je připojen na vstupní kanálkový vlnovod 2 tvořený vrstvou fotopolymeru NOA v substrátu 3 z polymeru PMMA. Vstupní kanálkový vlnovod 2 je přes taperovaný kanálkový vlnovod 4 z fotopolymeru NOA, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu, vyústěn do levého výstupního kanálkového vlnovodu 6 ve tvaru S, středního přímého výstupního kanálkového vlnovodu 8 a do pravého výstupního kanálkového

-2 CZ 25535 Ul vlnovodu 7 rovněž ve tvaru S, které jsou všechny tvořené vlnovodnou vrstvou fotopolymeru NOA. Na konec levého výstupního kanálkového vlnovodu 6 je připojen první výstupní vláknový POF vlnovod 9, na výstup pravého výstupního kanálkového vlnovodu 7 je připojen druhý výstupní vláknový POF vlnovod 11 a na výstup středního přímého výstupního kanálkového vlnovou 8 je připojen třetí výstupní vláknový POF vlnovod 10. Do taperovaného kanálkového vlnovodu 4 je vložena ve směru šíření optického signálu obdélníková oblast 5 z polymeru PMMA, která má nižší hodnotu indexu lomu než má taperovaný kanálkový vlnovod 4. Aby došlo k symetrickému rozdělení optického signálu do třech výstupních vlnovodů, musí být obdélníková oblast 5 umístěna v přesně definovaném místě a to tak, aby rozložení elektromagnetického pole na konci taperovaného kanálkového vlnovodu 4, kde je signál rozdělen do levého výstupního kanálkového vlnovodu 6, do pravého výstupního kanálkového vlnovodu 7 a do přímého výstupního kanálkového vlnovodu 8, bylo symetrické. Konec obdélníkové oblasti 5 je umístěn v rovině přechodu taperovaného kanálkového vlnovodu 4 do přímého výstupního kanálkového vlnovodu 8. Tato obdélníková oblast 5 je vzhledem k podélné ose přímého výstupního kanálkového vlnovodu 8 vyosena v závislosti na rozložení elektromagnetického pole optických vidů ve vlnovodné struktuře. Rozměry a přesné umístění obdélníkové oblasti 5 závisí tedy na pracovní vlnové délce, na které bude struktura pracovat, dále závisí na indexech lomu použitého substrátu 3, indexu lomu vlnovodné vrstvy fotopolymeru NOA a na geometrii navržené vlnovodné struktury. Protože, řešení tohoto problému je velice komplikované a nelze umístění a velikost obdélníkové oblasti 5 určit výpočtem, je nutno pro návrh struktury využít specializovaný software. V uvedeném případě byl použit software BeamPROP™, který pro výpočet využívá metodu šíření optického svazku, BPM Beam Propagation Method. U optimalizované struktury s obdélníkovou oblastí 5 se substrátem PMMA vlnovodné vrstvy fotopolymeru NOA a pracovní vlnovou délku 650 nm se výkon ve výstupních vlnovodech liší o méně než 0,5 %. V případě stejné struktury bez vložené optimalizované obdélníkové oblasti 5 se výkony ve výstupních vlnovodech liší v nej lepším případě o 5 %, a tedy se nejedná o optimální symetrické dělení optického výkonu.

Obecně se optické planární vlnovody skládají z vlnovodné vrstvy, substrátu a homí krycí vrstvy. Aby optický signál byl veden vlnovodnou vrstvou, tak hodnota indexu lomu vlnovodné vrstvy musí být vyšší než hodnota indexu substrátu i než hodnota indexu lomu krycí vrstvy. V uvedeném příkladu je substrát 3 a homí krycí vrstva tvořena polymerem z PMMA a jako vlnovodná vrstva je použito UV lepidlo NOA. Pro vlnovou délku 650 nm se hodnota indexu lomu vrstvy fotopolymeru NOA pohybuje v rozsahu od 1,55 do 1,625 a hodnota indexu lomu vrstvy PMMA je přibližně 1,485, a tedy index lomu vlnovodné vrstvy fotopolymeru NOA je vyšší než hodnota indexu lomu PMMA, což znamená, že požadovaná podmínka pro optický vlnovod je splněna.

Vložení obdélníkové oblasti 5 do taperovaného kanálkového vlnovodu 4 způsobí, že optický signál je symetricky rozdělen do výstupních planární ch vlnovodů, tedy do levého výstupního kanálkového vlnovodu 6, do pravého výstupního kanálkového vlnovodu 7 a do přímého výstupního kanálkového vlnovodu 8.

Rozměry uváděné struktury jsou: vstupní kanálkový vlnovod 2 je dlouhý 5 mm. Délka taperovaného kanálkového vlnovodu 4 je 9 mm, šířka a výška je 1 mm. Rozměry obdélníkové oblasti 5 jsou v uváděném příkladu délka 0,125 mm, šířka 0,0667 mm a výška 1 mm. Obdélníková oblast 5 je vzhledem k podélné ose přímého vstupního kanálkového vlnovodu 8 vyosena o 0,12 mm a je umístěná ve vzdálenosti 5 mm od začátku taperovaného kanálkového vlnovodu 4. Délka levého výstupního kanálkového vlnovodu 6, pravého výstupního kanálkového vlnovodu 7 je 23 mm a délka středního přímého výstupního kanálkového vlnovodu 8 je 14 mm. Šířka a výška vstupního kanálkového vlnovodu 2, levého výstupního kanálkového vlnovodu 6, pravého výstupního kanálkového vlnovodu 7 a středního přímého výstupního kanálkového vlnovodu 8 je 1 mm. Délka celé struktury je 28 mm. Rozměry struktury nelze určit jednoduchým výpočtem, návrh a optimalizace struktury je proto provedena pomocí specializovaného softwaru. Pro šíření optického záření ve struktuře je důležitá hodnota efektivního indexu lomu, která souvisí s geometrickými rozměry, indexy lomu ve vlnovodné oblasti, indexu lomu okolí a na pracovní vlnové délce.

-3CZ 25535 Ul

Příklad optimalizované struktury převzaté ze simulačního programu BeamPROP na základě kterého bylo uskutečněné řešení je uveden na Obr. 2a a 2b. Na Obr. 2a je uveden profil indexu lomu navržené struktury v pohledu shora a na Obr. 2b je pak uvedeno šíření optického signálu ve struktuře. Na Obr. 3a a 3b je uvedena stejná struktura jako na Obr. 2a a 2b, ale zde tato struktura nemá v taperované časti obdélníkovou oblast 5, která zaručuje rovnoměrné rozdělení optického signálu do výstupních vlnovodů.

Na Obr. 2b a na Obr. 3b plná čára označená v legendě římskou číslicí I odpovídá optickému signálu, který se šíří vstupním vláknovým POF vlnovodem i a dále vstupním kanálkovým vlnovodem 2 tvořeným vrstvou fotopolymeru NOA v substrátu 3 z polymeru PMMA. Signál se dále šíří přes taperovaný kanálkový vlnovod 4 z fotopolymeru NOA, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu a je vyústěn do levého kanálkového vlnovodu 6 ve tvaru S tvořeného vrstvou fotopolymeru NOA. Signál je potom veden do prvního výstupního vláknového POF vlnovodu 9.

Čárkovaná čára označená v legendě na Obr. 2b a na Obr. 3b římskou číslicí II odpovídá optickému signálu, který se šíří vstupním vláknovým POF vlnovodem i a dále vstupním kanálkovým vlnovodem 2 tvořeným vrstvou fotopolymeru NOA v substrátu 3 z polymeru PMMA. Signál se dále šíří přes taperovaný kanálkový vlnovod 4 z fotopolymeru NOA, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu a je vyústěn do přímého výstupního kanálkového vlnovodu 8 tvořeného vrstvou fotopolymeru NOA a zakončeného třetím výstupním vláknovým POF vlnovodem 10.

Tečkovaná čára označená v legendě na Obr. 2b a na Obr. 3b římskou číslicí ΙΠ odpovídá optickému signálu, který se šíří vstupním vláknovým POF vlnovodem I a dále vstupním kanálkovým vlnovod 2 tvořeným vrstvou fotopolymeru NOA v substrátu 3 z polymeru PMMA. Signál se dále šíří přes taperovaný kanálkový vlnovod 4 z fotopolymeru NOA, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu a je vyústěn do pravého kanálkového vlnovodu 7 ve tvaru S tvořeného vrstvou fotopolymeru NOA. Signál je potom veden do druhého výstupního vláknového POF vlnovodu 11.

Z Obr. 3b je patrné, že rozdělení optického signálu není v tomto případě rovnoměrné. Obrázky jsou převzaty ze simulačního programu BeamPROP™ od fy RSoft, Geometrie struktury je optimalizovaná pro hodnoty indexy lomu vlno vodné vrstvy fotopolymeru NOA 1,6255 a pro hodnoty indexu lomu substrátu 3 a horní krycí vrstvy z polymeru PMMA 1,4894 a pro pracovní vlnovou délku 650 nm.

Průmyslová využitelnost

Předkládané řešení je využitelné pro rozdělení optického signálu, který přenáší datovou informaci pomocí jednoho standardním POF vlákna do třech výstupních POF vláken. Šířka spektra, které je možno danou strukturou přenést je dáno spektrální charakteristikou použitého POF vlákna. Tohoto může být využito při distribuci signálu na kratší vzdálenosti jak v optických sítích v malých firmách, v automobilech nebo jak ve velkých nákladních tak dopravních lodích.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (5)

1. Optická planámí mnohavidová POF rozbočnice tvořená vlnovodnou strukturou, skládající se ze vstupního vláknového POF vlnovodu (1), který je připojen na vstupní kanálkový vlnovod (

2) tvořený vrstvou fotopolymeru v substrátu (

3) z polymeru PMMA a přes taperovaný kanálkový vlnovod (

4) z fotopolymeru, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu, je symetricky vyústěn do levého a pravého výstupního kanálkového vlnovodu (6), (7) ve tvaru S tvořených vrstvou fotopolymeru zakončených výstupními vláknovými POF vlnovody (9), (11), vyznačující se tím, že mezi prvním výstupním kanálkovým vlnovodem (6) a druhým výstup-4CZ 25535 Ul ním kanálkovým vlnovodem (7) je taperovaný kanálkový vlnovod (4) vyústěn do přímého výstupního kanálkového vlnovodu (8) tvořeného vrstvou fotopolymeru a zakončeného třetím výstupním vláknovým POF vlnovodem (10) a v taperováném kanálkovém vlnovodu (4) je vložena ve směru šíření optického signálu obdélníková oblast (5) z polymeru PMMA, která má nižší

5 hodnotu indexu lomu než má taperovaný kanálkový vlnovod (4), jejíž konec je umístěn v rovině přechodu taperovaného kanálkového vlnovodu (4) do přímého výstupního kanálkového vlnovodu (8), přičemž tato obdélníková oblast (5) je vzhledem k podélné ose přímého výstupního kanálkového vlnovodu (8) vyosena v závislosti na rozložení elektromagnetického pole optických vidů ve vlnovodné struktuře a velikost tohoto vyosení, jakož i rozměry obdélníkové oblasti (5) jsou pro io danou vlnovodnou strukturu funkcí indexu lomu užitého substrátu (3), indexu lomu vlnovodné vrstvy fotopolymeru, její geometrie a použité pracovní vlnové délky a jsou pro tuto vlnovou strukturu určitelné počítačovou simulací.

3 výkresy

-5CZ 25535 Ul

OBR. 1

-6CZ 25535 Ul

1.6255

X (pm)

OBR. 2a

Normovaný optický výkon (-)

0.2 Í

0 1 0 5000 10000 15000 20000 25000^30000

Směr šíření v ose z (μιτι)

OBR. 2b

-7CZ 25535 Ul

1.6255 x10⁴

E fsl

ΤΤΎťyTT”! T '1' I tl ť]l 1 ť 1 |“l I 1 I | Τ'» ΓΙ | ΓΤΊ T|' »Η I T | rTTTiyi fť 1 j¹'

-2000 -1000 0 1000 2000