CZ25538U1

CZ25538U1 - Optická planární mnohavidová rozbočnice

Info

Publication number: CZ25538U1
Application number: CZ201327456U
Authority: CZ
Inventors: Prajzler@Václav; Mastera@Radek; Burian@Zdenek
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze,
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2013-06-17

Description

Oblast techniky

Předkládaná topologie optické planámí mnohavidové vlnově selektivní POF rozbočnice řeší problém rozdělení optického signálu z jednoho vstupního pro dvě POF vlákna, Plastic Optical Fiber, do dvou výstupních POF vláken.

Dosavadní stav techniky

Pro přenos optického signálu se používají v páteřních sítích křemenná optická jedno vidová vlákna, jejichž geometrický rozměr průměr jádra/průměr pláště je 4/125 μιη nebo 9/125 μπι, nebo mnohavidová vlákna s geometrickými rozměry 50/125 μπι nebo 62,5/125 μιη. Méně často pro přenos dat s nižší přenosovou kapacitou a na kratší vzdálenosti se používají také další typy mnohavidových vláken s rozměry např. 100/110 μιη, 200/230 μπι, 500/550 μπι apod. Telekomunikační optické systémy používají zpravidla pracovní vlnové délky 850 nm, takzvané první telekomunikační okno. Systémy využívající první telekomunikační okno jsou určeny pro méně náročný přenos dat, a to jak po ekonomické tak i technické stránce, který probíhá na kratší vzdálenosti s nižším objemem přenášených dat. V páteřních sítích se používají vlnové délky 1310 nm, tzv. druhé telekomunikační okno, kdy křemenná vlákna mají nejmenší disperzi, nebo pak vlnové délky 1550 nm, tzv. třetí telekomunikační okno, kdy křemenné vlákna mají nejnižší optický útlum.

V současnosti se začínají rozvíjet optické systémy s nižšími výrobními náklady a dostatečnou kvalitou přenosu dat na kratší vzdálenosti, které využívají místo standardních křemenných optických vláken mnohavidová plastová optická vlákna s průměrem jádra 980 μιη a průměrem pláště 1000 μιη označovaná POF, Plastic Optical Fiber, kde přenos dat probíhá na vlnové délce 650 nm. Některé tyto systémy jsou již komerčně dostupné a jsou instalovány například do kanceláří menších a středních firem a do nových automobilů. Předpokládá se, že tyto systémy najdou uplatnění i v leteckém průmyslu a pro přenos dat na velkých dopravních lodích. Pro tyto nové systémy bude potřeba vyvinout nové struktury, které budou sloužit k distribuci optických signálů. Základní a klíčovou fotonickou strukturou, která je používaná ve všech optických sítích je optická Y rozbočnice, která slouží k rozdělení optických signálů.

Doposud bylo popsáno několik málo struktur mnohavidových optických planámích rozbočnic, které umožňují připojení optického signálu pomocí standardních POF vláken, Plastic Optical Fiber. Byly popsány struktury, které používají podložky z polymeru Polymethylmethakrylátu (PMMA) (n_s = 1,49 index lomu podložky a homí krycí vrstvy PMMA pro vlnovou délku λ = 650 nm, vlnová délka) a vlnovodná vrstva je z různých druhů polymeru Norland Optical Adhesive (NOA) (n_f = 1,51-1,56 index lomu vlnovodné vrstvy NOA pro vlnovou délku λ = 650 nm). Dále byla popsána struktura, kdy byla opět použita podložka z polymeru PMMA (n_s = 1,49 index lomu podložky PMMA pro vlnovou délku λ= 650 nm) a vlnovodná vrstva pak byla z polymeru z epoxydové pryskyřice Su-8 (nf= 1,58 index lomu vlnovodné vrstvy pro vlnovou délku λ= 650 nm). Kromě struktur na podložce z polymeru PMMA byly realizovány odbočnice na podložce z polyolefinu (TPO) (n_s = 1,46 index lomu podložky TPO pro vlnovou délku λ= 650 nm) a vlnovodná vrstva pak byla z vinyl polymeru (AVP) (nj 1,59 index lomu vlnovodné vrstvy AVP pro vlnovou délku λ= 650 nm). Další práce popisují multividové planámí rozbočnice s vlnovodnou vrstvou PMMA (n_f= 1,49; index lomu vlnovodné vrstvy, λ = 650 nm, vlnová délka) a se substrátem z poly-(fluoroalkyl methacrylate) (PFMA) (n_s= 1,39 index lomu podložky PFMA pro vlnovou délku λ= 650 nm). Jedna z posledních prací prezentuje vlastnosti optické rozbočnice s podložkou PC-414 EFIRON (n_s= 1,405 index lomu podložky PC-414 EFIRON pro vlnovou délku λ = 650 nm) a vlnovodná vrstva je pak z materiálu PMMA (nf - 1,49 index lomu vlnovodné vrstvy PMMA pro vlnovou délku λ = 650 nm).

- 1 CZ 25538 Ul

U doposud realizovaných mnohavidových rozbočnic, díky nižšímu rozdílu indexu lomu mezi vlnovodnou vrstvou a indexem lomu materiálu okolního prostředí, nelze dosáhnout menších rozměrů těchto struktur.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje optická planámí mnohavidová POF rozbočnice tvořená vstupním POF vláknovým vlnovodem připojeným na vlnovodnou strukturu. Vlno vodná struktura je realizovaná vstupním kanálkovým vlnovodem a taperováným kanálkovým vlnovodem rozšiřujícím se ve směru šíření optického signálu a vyústěným do levého a pravého kanálkového vlnovodu ve tvaru S. Vlnovodná soustava je vytvořena v substrátu. Na konci levého i pravého kanálkového vlnovodu jsou vloženy první a druhý výstupní POF vláknový vlnovod. Vlnovodná struktura je vytvořená z polymeru NOA1625 nebo z materiálu Su-8 a je opatřená homí krycí vrstvou. Podstatou nového řešení je, že substrát a homí krycí vrstva jsou vytvořeny silikonovým gelem z materiálu Sylgard 184.

Výhodou nového řešení je, že kombinací volby podložky s co možná s nejnižším indexem lomu a naopak materiálu vlnovodné vrstvy s co možná nejvyšší hodnotou indexu lomu, může být dosaženo realizace optické odbočnice s menšími rozměry.

Objasnění výkresů

Nové řešení bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Na Obr. 1 je uvedena struktura rozbočnice s vyznačenými důležitými kótami, které definují proměnné v použitých rovnicích (13). Příklad provedení optimalizované struktury s vstupními/výstupními mnohavidovými vlnovody realizovanými na substrátu ze silikonového gelu Sylgard a vlnovodnou vrstvou NOA 1625 je uveden na Obr. 2a a Obr. 2b. Na Obr. 2a je uvedeno rozložení indexu lomu navržené struktury z pohledu shora a na Obr. 2b je pak uvedeno šíření optického signálu strukturou. Parametry známých a nových mnohavidových rozbočnic je uvedeno v Tab. 1 až Tab. 6.

Příklady uskutečnění technického řešení

Obecně se optické planámí 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. Obr. 1, je substrát 3 a homí krycí vrstva, která není na výkrese znázorněná, tvořena ze silikonového gelu Sylgard 184 a jako vlnovodná vrstva je použito UV lepidlo NOA1625. Pro vlnovou délku 650 nm má vrstva NOA1625 hodnotu indexu lomu n_f = 1,625 a hodnota indexu lomu n_s vrstvy silikonového gelu Sylgard 184 je 1,411, a tedy index lomu vlnovodné vrstvy NOA1625 je vyšší než hodnota indexu lomu silikonového gelu Sylgard 184. To znamená, že požadovaná podmínka pro optický vlnovod je splněna. Výhodou tedy je, že hodnota indexu lomu silikonového gelu Sylgard 184 je mnohem nižší než hodnota indexu lomu doposud používaného materiálu PMMA a vlnovodná vrstva NOA1625 má mnohem vyšší index lomu než doposud používané staré typy polymeru NOA nebo Su-8. Tento větší rozdíl indexu lomu mezi vlnovodnou vrstvou a substrátem 3 umožní realizaci optické rozbočnice s menšími rozměry, jak bude dále zdokumentováno pomocí Tabulek 1-6.

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 I, který je připojen na vstupní kanálkový vlnovod 2 tvořený vrstvou NOA1625 v substrátu 3 ze silikonového gelu Sylgard 184. Vstupní kanálkový vlnovod 2 je přes taperovaný kanálkový vlnovod 4 z polymeru NOA1625, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu, vyústěn do levého kanálkového vlnovodu 5 a do pravého kanálkového vlnovodu 6 ve tvaru S, které jsou vytvořeny opět z vlnovodné vrstvy z materiálu NOA1625. Na konci levého kanálkového vlnovodu 5 je vložen první výstupní POF vláknový

-2 CZ 25538 Ul vlnovod 7 a na konci pravého kanálkového vlnovodu 6 je vložen druhý výstupní POF vláknový vlnovod 8. Vlnovodná struktura je krytá horní krycí vrstvou, která je rovněž ze silikonového gelu Sylgard 184.

Přibližné geometrické rozměry mnohavidové rozbočnice, lze určit pomocí vztahů, které odvodil D. Bertrami. Z těchto vztahů vyplývá, že aby bylo možné realizovat strukturu optické rozbočnice s co možná s nej menšími rozměry je nutné, aby byl použit materiál pro vlnovodnou vrstvu s co možná nej vyšší hodnotou indexem lomu a naopak, aby materiál pro okolní prostředí, které bude vlnovodnou vrstvu obklopovat měl index lomu s nejnižší možnou hodnotou.

Maximální úhel Θ, Obr. 1, mezi dvěma kanálkovými vlnovody ve tvaru S a to levého kanálkového vlnovodu 5 a pravého kanálkového vlnovodu 6 lze vyjádřit vztahem:

(1) kde nf je index lomu vlnovodné vrstvy a n_s je index lomu podložky. Minimální délka d, Obr. 1, taperovaného kanálkového vlnovod (4), lze určit pomocí vztahu:

z? = d · sin Ω p-(2-cosO) (2) kde w je šířka vlnovodné vrstvy, g= w/2, D je normovaná délka a Ω je úhel, který je popsán vztahem:

Ω<

Θ-D (3)

Příklady určení těchto parametrů pro popsané struktury mnohavidové rozbočnice jsou uvedeny v Tab. 1. - Tab. 6. Z vypočtených rozměrů struktur uvedených ve výše zmíněných tabulkách plyne, že pokud se použijí nové materiály, které budou mít nižší hodnotu indexu lomu podložky a vyšší hodnotu indexu lomu vlnovodné vrstvy, lze realizovat strukturu odbočnice s menšími rozměry.

Rozměry optické planámí polymemí mnohavidové rozbočnice byly navrženy podle aproximace dané rovnicemi (1) až (3), ale protože přesnější návrh je velice komplikovaný, je nutno pro návrh struktury využít specializovaný software. V uvedeném případě byl použit software BeamPROP™, který pro výpočet využívá metodu šíření optické svazku, BPM Beam Propagation Method.

Příklad optimalizované struktury převzaté ze simulačního programu BeamPROP, na základě kterého bylo uskutečněné konkrétní řešení, je uveden na Obr. 2a a na Obr. 2b. Na Obr. 2a je uveden profil indexu lomu navržené struktury v pohledu shora, kde hodnota 1,409 je index lomu materiálu Sylgard 184 a hodnota 1,625 je index lomu vlnovodné vrstvy NO A1625 pro vlnovou délku 650 nm. Na Obr. 2b je pak uvedeno šíření optického signálu ve struktuře.

Na Obr. 2b plná čára označená v legendě římskou číslicí I odpovídá optickému signálu, který se šíří vstupním vláknovým POF vlnovodem 1_ a dále vstupním kanálkovým vlnovodem 2, tvořeným vrstvou NOA1625 v substrátu 3 ze silikonového gelu Sylgard 184. Signál se dále šíří přes taperovaný kanálkový vlnovod 4 z polymeru NOA1625, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu a je vyústěn do levého kanálkového vlnovodu 5 ve tvaru S tvořeného vrstvou NOA1625. Odtud je potom signál veden do prvního výstupního vláknového POF vlnovodu 7.

Čárkovaná čára označená v legendě na Obr. 2b římskou číslicí II odpovídá optickému signálu, který se šíří vstupním vláknovým POF vlnovodem I a dále vstupním kanálkovým vlnovodem 2 tvořeným vrstvou NOA1625 v substrátu 3 ze silikonového gelu Sylgard 184. Signál se dále šíří přes taperovaný kanálkový vlnovod 4 z polymeru NOA1625, který se rozšiřuje ve směru šíření

-3CZ 25538 Ul optického signálu a je vyústěn do pravého kanálkového vlnovodu 6 ve tvaru S tvořeného vrstvou NOA1625. Odtud je potom signál veden do druhého výstupního vláknového POF vlnovodu 8.

Pro srovnání známých provedení optických planámích mnohavidových rozbočnic s předkládaným řešením slouží tabulky Tab. 1 až Tab. 6. V těchto tabulkách jsou uvedeny pro vlnové délky vyznačené v 1. sloupci indexy lomu n_s substrátu a homí krycí vrstvy, sloupec 2 a indexy lomu n_fpro vlnovodnou vrstvu, sloupec 3 pro konkrétní použité materiály. Ve čtvrtém, pátém a šestém sloupci jsou pak vypočítány parametry optické mnohavidové rozbočnice a to úhly θ, Ω a délky taperované části d. V tabulkách 1 až 4 jsou uvedeny optické parametry pro optické rozbočnice ze známých materiálů. V tabulkách 5 a 6 jsou uvedeny parametry pro nová dvě řešení, tedy pro optické mnohavidové rozbočnice mající substrát a homí krycí vrstvu ze silikonového gelu Sylgard 184 a jako vlnovodná vrstva byl použit materiál Su-8, Tab. 5, nebo polymer NOA1625, Tab. 6.

Z tabulek vyplývá, že při použití vlnovodné vrstvy NOA88 a okolního prostředí z polymeru PMMA, je pro vlnovou délku 650 nm délka taperované oblasti d = 3,43 mm, Tab. 1. Další realizované příklady jsou uvedeny v Tab. 2 až Tab. 4. Z Tab. 5 a Tab. 6, které odpovídají novému řešení, je jasně vidět, že je možné takto realizovat tyto struktury s menšími rozměry. Například pro vlnovodnou vrstvu NOA1625 a okolní prostředí ze silikonového gelu Sylgard 184 je délka tapetované části d = 2,01 mm pro vlnovou délku 650 nm, Tab. 6.

Průmyslová využitelnost

Předkládané řešení je využitelné pro rozdělení optického signálu, který přenáší datovou informaci pomocí jednoho standardním POF vlákna do dvou 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 tak ve velkých nákladních a dopravních lodích.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Optická planámí mnohavidová rozbočnice tvořená vstupním POF vláknovým vlnovodem (1) připojeným na vlnovodnou strukturu tvořenou vstupním kanálkovým vlnovodem (2) a taperováným kanálkovým vlnovodem (4) rozšiřujícím se ve směru šíření optického signálu a vyústěným do levého a pravého kanálkového vlnovodu (5), (6) ve tvaru S, kde tato vlnovodná soustava je vytvořena v substrátu (3) a na konci levého i pravého kanálkového vlnovodu (5), (6) jsou vloženy první a druhý výstupní POF vláknový vlnovod (7), (8), a kde vlnovodná struktura je vytvořená z polymeru a je opatřená homí krycí vrstvou, vyznačující se tím, že substrát (3) a homí krycí vrstva jsou vytvořeny silikonovým gelem.