CZ26976U1

CZ26976U1 - Optická planární mnohavidová rozbočnice

Info

Publication number: CZ26976U1
Application number: CZ2014-29383U
Authority: CZ
Inventors: Václav Prajzler; Miloš Neruda; Vítězslav Jeřábek
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze Fakulta Elektrotechnická
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2014-05-26

Description

Optická planární mnohavidová rozbočnice

Oblast techniky

Předkládaná topologie optické mnohavidové rozbočnice se skokovou změnou indexu lomu řeší problém rozdělení optického signálu z jednoho vstupního mnohavidového vlnovodu do dvou výstupních mnohavidových vlnovodů.

Dosavadní stav techniky

Pro přenos optického signálu na velké vzdálenosti se používají v páteřních sítích křemenná optická jedno vidová vlákna, jejichž geometrický rozměr jádro/plášť je 4/125 pm nebo 9/125 pm, nebo mnohavidová vlákna s geometrickými rozměry 50/125 pm nebo 62,5/125 pm. 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.

Planámí vlnovody se používají pro distribuci a zpracování signálů z optických vláken na vzdálenosti maximálně několik centimetru a základní planámí fotonickou strukturou, která je používaná ve všech optických sítích je optická Y rozbočnice, která slouží k rozdělení optických signálů z jednoho vstupního do dvou nebo více výstupních vlnovodů, a to jak pro jednovidové, tak mnohavidové vlnovody.

Jsou známá řešení struktur optických jedno vidových planámích rozbočnic s gradientním indexem lomu vyrobených pomocí iontové výměny do skleněných podložek nebo do optických krystalů. Byly také vyrobeny odbočnice na bázi polovodičů nebo z polymemích materiálů. Topologie těchto rozbočnic spočívá v rozdělení optického signálu pomocí vlnovodů ve tvaru Y. Jsou známá také řešení planámích mnohavidových rozbočnic se skokovou změnou indexu lomu, které umožní připojení optického signálu pomocí standardních POF vláken. Plastic Optical Fiber s rozměrem 900/1000 pm. Byly popsány struktury, které používají podložky z polymeru Polymethylmethakrylátu (PMMA) (n_s = 1,49 index lomu podložky a horní 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 epoxidové pryskyřice (nf =1,58 index lomu vlnovodné vrstvy pro vlnovou délku λ = 650 nm).

Dále je známo řešeni rozdělení optického výkonu dle užitného vzoru CZ 25538, kde rozdělení optického výkonu z jednoho vstupního POF vláknového vlnovodu do dvou výstupních vláknový POF vlnovodů je provedeno pomocí vlnovodné struktury se vstupním kanálkovým vlnovodem ataperovaným kanálkovým vlnovodem rozšiřujícím se ve směru šíření optického signálu a vyústěným do levého a pravého kanálkového vlnovodu ve tvaru S. Na konci levého i pravého kanálkového vlnovodu jsou vloženy první a druhý výstupní POF vláknový vlnovod. Je i známo řešení dle užitného vzoru CZ 25535 a vynálezu CZ 304236, kde symetrické rozdělení planámí rozbočnice s jedním vstupním a třemi výstupními POF vlákny je dosaženo vložením obdélníkové oblasti do taperované části planámí rozbočnice.

Je také známé řešení optické mnohavidové polymerní rozbočnice se skokovou změnou indexu lomu, která byla publikována N. Bamiedakis et al.: IEEE J. of Quant. Ele., vol. 45, no. 4, 2009 a umožní připojení optických vláken s rozměrem 50/125 pm. Tato rozbočnice byla vyrobena z polymeru Siloxane OE-4140 pomocí fotolitografíckého procesu na skleněném substrátu.

- 1 CZ 26976 Ul

Nevýhodou výše zmíněných rozbočnic je, že neumožňují realizaci optických rozbočnic s menší délkou optické rozbočnice a tedy mají vyšší vložné optické ztráty.

Dále je známá struktura, která byla popsána Y. Gao et al.: Chin. Phys. Lett., vol. 25, no. 8, 2008. Jedná se o strukturu s gradientním indexem lomu, která byla vyrobena jednostupňovou iontovou výměnou do skleněného substrátu pro vlnovody s rozměrem 50/125 pm, kde rozdělení optického signálu bylo realizováno pomocí dvojitého kuželovitého modového scrambleru. Tato realizace, umožňuje symetrické rozdělení optického výkonu, ale účinnost rozdělení optického signálu do výstupních vlnovodů je menší než v případě struktury se skokovou změnou indexu lomu. Toto je způsobeno vzájemným přeléváním energie mezi jednotlivými mody, ze kterých je optický signál složen, kdy dochází k uniku energie na rozhraní mezi vlnovodnou vrstvou a vzduchem.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje řešení optické rozbočnice s dojitým kuželovitým modovým scramblerem podle předkládaného řešení. Tato optická planámí mnohavidová rozbočnice je tvořená vstupním mnohavidovým vláknovým vlnovodem, který je připojený na planámí vlnovodnou strukturu vytvořenou na substrátu. Planámí vlnovodnou strukturu tvoří vstupní kanálkový vlnovod, který je vyústěn do dvojitého kuželovitého modového scrambleru, za kterým následuje taperovaný kanálkový vlnovod. Taperovaný kanálkový vlnovod se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu a je vyústěn do levého a do pravého kanálkového vlnovodu. Na tuto planámí vlnovodnou strukturu je navázán na konci levého kanálkového vlnovodu první výstupní mnohavidový vláknový vlnovod, a na konci pravého kanálkového vlnovodu druhý výstupní mnohavidový vláknový vlnovod. Optická planámí mnohavidová rozbočnice je většinou opatřená homí krycí vrstvou, zejména z důvodu, aby nedošlo při manipulaci k poškození planámí vlnovodné struktury. Hodnota indexu lomu homí krycí vrstvy i substrátu je vždy nižší než hodnota indexu lomu vrstvy tvořící planámí vlnovodnou strukturu. Podstatou nového řešení je, že planámí vlnovodná struktura je vytvořená z materiálu se skokovou změnou indexu lomu.

Jako materiál se skokovou změnou indexu lomu pro vlnovodnou strukturu je výhodné použít polymemí epoxidovou pryskyřicí Epoxy Novolak Resin, dále jen ENR.

Je výhodné, jsou-li i vláknový vlnovod a první a druhý výstupní mnohavidový vláknový vlnovod z materiálu se skokovou změnou indexu lomu.

Podstatou nového řešení je, že rozdělení optického signálu je provedeno pomocí dvojitého kuželovitého modového scrambleru se skokovou změnou indexu lomu, který je doplněn o taperovaný rozšiřující se vlnovod ve směru šíření optického signálu.

Geometrické rozměry dvojitého kuželovitého modového scrambleru a taperováného kanálkového vlnovodu jsou pro danou vlnovodnou strukturu funkcí indexu lomu užitého substrátu SiO₂, indexu lomu vlnovodné vrstvy z polymemí epoxidové pryskyřice ENR, indexu lomu krycí vrstvy a použité pracovní vlnové délky. Geometrické rozměry jsou pro tuto vlnovou strukturu určeny počítačovou simulací.

Výhodou nového řešení je, že správným zvolením rozměrů dvojitého kuželovitého modového scrambleru a taperovaného vlnovodu lze dosáhnout symetrického rozbočení optického signálu u mnohavidových vlnovodů při použití optické odbočnice s menšími rozměry než u rozbočnice tvaru Y. Toto je způsobeno tím, že dvojitý kuželovitý modový scrambler umožní optimalizovat rozložení elektromagnetického pole jednotlivých módů, pro optimální rozdělení optického signálu do výstupních vlnovodů a díky tomu lze realizovat kvalitní optické planámí symetrické rozbočnice s menšími rozměry.

Objasnění výkresů

Nové řešení bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Na Obr. 1 je uvedeno topologické schéma struktury rozbočnice. Příklad řešení optimalizované struktury s vstupními/výstupními

-2CZ 26976 Ul mnohavidovými vlnovody navrženým na SiO₂ substrátu a vlnovodnou vrstvou z polymemí epoxidové pryskyřice ENR 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.

Příklady uskutečněni technického řešení

Obecně se optické planámí vlnovody skládají z planámí 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 tvořen z SiO₂ a jako planámí vlnovodná vrstva je použita polymemí epoxidová pryskyřice ENR. Homí krycí vrstva, která není na výkrese znázorněná, může být tvořena například polymerem PMMA, Polymethylmethakrylát. Tato homí krycí vrstva může být i z jiného materiálu, ale vždy musí mít menší hodnotu indexu lomu než má polymemí epoxidová pryskyřice ENR. Je nutné podotknout, že rozbočnice bude fungovat i když tam nebude krycí vrstva, protože hodnota indexu lomu vzduchu je 1 a to je vždy méně, než je hodnota indexu lomu vlnovodné vrstvy. Homí krycí vrstva má v tomto případě spíše charakter ochranné vrstvy, aby nedošlo k poškození vlnovodné vrstvy při manipulaci. Pro vlnovou délku 1550 nm má vrstva polymemí epoxidové pryskyřice ENR hodnotu indexu lomu n_f = 1,567 a hodnota indexu lomu n_s vrstvy SiO₂ je 1,443, a tedy index lomu vlnovodné vrstvy polymemí epoxidové pryskyřice ENR je vyšší než hodnota indexu lomu SiO₂. To znamená, že požadovaná podmínka pro optický vlnovod je splněna.

Topologické schéma optické planámí mnohavidové rozbočnice je uvedeno na přiloženém výkrese na Obr. 1. Tato planámí mnohavidová rozbočnice je tvořená vstupním mnohavidovým vláknovým vlnovodem I, který je připojený na planámí vlnovodnou strukturu vytvořenou na substrátu 3, který je v uvedeném příkladu z SiO₂. Planámí vlnovodnou strukturu tvoří vstupní kanálkový vlnovod 2, který je vyústěn do dvojitého kuželovitého modového scrambleru 4. Za dvojitým kuželovitým modovým scramblerem 4 následuje taperovaný kanálkový vlnovod 5 rozšiřující se ve směru šíření optického signálu, který je vyústěn do levého kanálkového vlnovodu 6 a do pravého kanálkového vlnovodu 7. Na konci levého kanálkového vlnovodu 6 je umístěn první výstupní mnohavidový vláknový vlnovod 8, a na konci pravého kanálkového vlnovodu 7 je druhý výstupní mnohavidový vláknový vlnovod 9. Celá planámí vlnovodná struktura je vytvořená z materiálu se skokovou změnou indexu lomu, zde vrstvou polymemí epoxidové pryskyřice ENR vytvořenou na substrátu 3 SiO₂. V uvedeném příkladu byly jako vstupní mnohavidový vláknový vlnovod I, první výstupní mnohavidový vláknový vlnovod 8 a druhý výstupní mnohavidový vláknový vlnovod 9 použity standardní vláknové optické vlnovody se skokovou změnou indexu lomu s rozměrem 50/125 pm nebo 62,5/125 pm jádro/plášť. Toto provedení je výhodné, ale bylo by možné vstupní mnohavidový vláknový vlnovod 1, první výstupní mnohavidový vláknový vlnovod 8 a druhý výstupní mnohavidový vláknový vlnovod 9 realizovat i s gradientní změnou indexu lomu, což by ale vedlo ke zvýšení optického útlumu z důvodu špatnému přizpůsobení elektromagnetického pole na rozhraní optického vlnovodu se skokovou a gradientní změnou indexu lomu.

Rozměry optické planámí mnohavidové rozbočnice byly navrženy pomocí specializovaného softwaru. Pro návrh byl použit software BeamPROP™, který pro výpočet využívá metodu šíření optické svazku. BPM Beam Propagation Method.

Příklad optimalizované struktury převzaté ze simulačního programu BeamPROP™, je uveden na Obr. 2a a na Obr. 2b. Na Obr. 2a je uveden profil indexu lomu navržené struktury v pohledu shora, kde hodnota 1,443 je index lomu substrátu 3 z materiálu SiO₂ a hodnota 1,567 je index lomu vlnovodné vrstvy polymemí epoxidové pryskyřice ENR pro vlnovou délku 1550 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 mnohavidovým vláknovým vlnovodem I a dále vstupním kanálkovým vlnovodem

-3CZ 26976 UI tvořeným polymemí epoxidovou pryskyřicí ENR na substrátu 3 z SiO₂. Signál se dále šíří přes dvojitý kuželovitý modový scrambler 4 z polymemí epoxidové pryskyřice ENR, který pokračuje přes rozšiřující se taperovaný vlnovod 5, který je opět z polymemí epoxidové pryskyřice ENR a je vyústěn do levého kanálkového vlnovodu 6 tvořeného polymemí epoxidovou pryskyřicí ENR. Signál je potom veden do prvního 8 mnohavidového vláknového vlnovodu.

Čárkovaná čára označená v legendě na Obr. 2b římskou číslicí II odpovídá optickému signálu, který se šíří vstupním mnohavidovým vláknovým vlnovodem i a dále vstupním kanálkovým vlnovodem 2 tvořeným vrstvou polymemí epoxidové pryskyřice ENR na substrátu 3 SiO₂. Signál se dále šíří přes dojitý kuželovitý modový scrambler 4, do taperovaného kanálkového vlnovodu 5 z polymemí epoxidové pryskyřice ENR, který se rozšiřuje ve směru šíření optického signálu a je vyústěn do pravého kanálkového vlnovodu 7 tvořeného opět z vlnovodné vrstvy z polymemí epoxidové pryskyřice ENR. Na konci pravého kanálkového vlnovodu 7 je vložen druhý výstupní mnohavidový vláknový vlnovod 9. Z Obr. 2b vyplývá, že signál, který vstupuje do popisované mnohavidové rozbočnice, je po průchodu kuželovitým modovým scramblerem 4 a taperovaným kanálkovým vlnovodem 5 symetricky rozdělen do levého kanálkového vlnovodu 6 a pravého kanálkového vlnovodu 7. Z Obr. 2b také vyplývá, že dojde k rozdělení 50 % energie do levého kanálkového vlnovodu 6 a 50 % energie do pravého kanálkového vlnovodu 7.

Průmyslová využitelnost

Předkládané řešení je využitelné pro rozdělení optického signálu, který přenáší datovou informaci pomocí jednoho mnohavidového optického vlákna se skokovou změnou indexu lomu do dvou výstupních mnohavidových vláken se skokovou změnou indexu lomu. Šířka spektra, které je možno danou strukturou přenést, je dána spektrální charakteristikou použitých vstupně/výstupních optických vláken a použitím materiálu, ze které je rozbočnice s dojitým kuželovitým modovým scramblerem realizována. Tohoto může být využito při distribuci optické signálu na kratší vzdálenosti v optických metropolitních sítích.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Optická planámí mnohavidová rozbočnice tvořená vstupním mnohavidovým vláknovým vlnovodem (1), který je připojený na planámí vlnovodnou strukturu vytvořenou na substrátu (3), která se skládá ze vstupního kanálkového vlnovodu (2), který je vyústěn do dvojitého kuželovitého modového scrambleru (4), za kterým následuje taperovaný kanálkový vlnovod (5) rozšiřující se ve směru šíření optického signálu, který je vyústěn do levého kanálkového vlnovodu (6) a do pravého kanálkového vlnovodu (7), kde na tuto planámí vlnovodnou strukturuje navázán na konci levého kanálkového vlnovodu (6) první výstupní mnohavidový vláknový vlnovod (8), a na konci pravého kanálkového vlnovodu (7) druhý výstupní mnohavidový vláknový vlnovod (9), přičemž tato optická planámí mnohavidová rozbočnice je případně opatřená ochrannou horní krycí vrstvou, jejíž hodnota indexu lomu, jakož i hodnota indexu lomu substrátu (3) je nižší než hodnota indexu lomu vrstvy tvořící planámí vlnovodnou strukturu, vyznačující se tím, že planámí vlnovodná struktura je vytvořená z materiálu se skokovou změnou indexu lomu.
2. Optická planámí mnohavidová rozbočnice podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál se skokovou změnou indexu lomu tvořící vlnovodnou strukturu je polymemí epoxidová pryskyřice ENR.
3. Optická planámí mnohavidová rozbočnice podle nároku 1, vyznačující se tím, že vláknový vlnovod (1), první výstupní mnohavidový vláknový vlnovod (8) a druhý výstupní mnohavidový vláknový vlnovod (9) jsou z materiálu se skokovou změnou indexu lomu.