FI80347B - Foerfarande foer framstaellning av en optisk adapter, isynnerhet en multiformsadapter. - Google Patents

Description

80347

Menetelmä optisen sovittimen, erityisesti monimuotosovitti-men valmistamiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä optisen sovittimen, erityisesti monimuo-tosovittimen valmistamiseksi.

Monimuotosovittimia voidaan käyttää mm. ionivaihdettujen aaltojohteiden ja kuitujen välissä vähentämässä kytkentävai-mennusta.

Koska ionivaihdetut lasiaaltojohteet ovat pienivaimennuksi-sia ja halpoja valmistaa, niitä käytetään enenevässä määrin passiivisina integroidun optiikan komponentteina. Useiden ioninvaihtotekniikalla valmistettujen yksi- ja monimuotoisten aaltojohteiden käyttöä tietoliikenne- ja anturisovelluk-sissa on demonstroitu.

Viime aikoina on kiinnitetty huomiota monimuotoisten ioni-vaihdettujen komponenttien ja optisten kuitujen väliseen kytkentään. Tavallisesti kytkentävaimennuksia on pyritty rajoittamaan optimoimalla aaltojohteen muoto eli käyttämällä kaksivaiheisella, sähkökentällä ohjatulla ioninvaihtotekniikalla valmistettuja aaltojohteita. Tämän ioninvaihdon toisessa vaiheessa alennetaan taitekerrointa lähellä lasin pintaa ja tulokseksi saadaan melko pyöreä aaltojohde. Toinen vaihtoehto kytkentävaimennuksen pienentämiseksi on muotoilla ionivaihdettuun komponenttiin liitettävän kytkentäkuidun (häntäkuidun, pigtail fiber) kytkentäpään taitekerroinpro-fiilia tai liittää erillinen lasisubstraatilla aikaansaatu sovitinosa, jossa taitekerroinprofiili muuttuu, kuidun ja ionivaihdetun valokanavan väliin.

Suomalaisesta patenttihakemuksesta 872816 tunnetaan menetelmä yksimuotoisen muotokentän muuntimen valmistamiseksi, jossa geometrialtaan muuttuva ydin saadaan aikaan aihion valmistuksessa siten, että aihio valmistetaan kahdesta kompo- 2 80347 nentista, kvartsisesta substraattiputkesta ja sen sisäpintaan kiinnitettävästä MCVD-menetelmällä valmistetusta ydin-kuidusta.

Lisäksi tunnettua tekniikkaa on käsitelty seuraavissa julkaisuissa: tl] Okuda E, Tanaka I, Yamasaki T: Planar gradient index glass waveguide and its application to a 4-port branched circuit and star coupler, Appi. Opt. 23, 1745 (1984).

[2] Honkanen S: Ion exchange process for fabrication of integrated optical waveguide structures into glass substrates (1988).

Tunnetun tekniikan epäkohtana on se, että kaksivaiheisessa ioninvaihdossa joudutaan käyttämään hankalasti käsiteltäviä suolasulatteita.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen menetelmä optisen sovittimen, erityisesti monimuo-tosovittimen valmistamiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että kvartsisubstraatin olennaisen tasomaiselle pinnalle sovitetaan optinen kuitu, kvartsilevyä ja kuidun deformoitavaksi tarkoitettua aluetta lämpökäsitel-lään paikallisesti siten, että kuidun eniten deformoitavaksi tarkoitetulla kohdalla kvartsisubstraatti pehmenee, jolloin kuitu tällä kohdalla uppoaa pintajännityksen vetämänä oleellisesti kvartsisubstraatin pinnan tasalle, jolloin eniten deformoituneen kohdan poikkileikkauspinta muodostuu oleellisesti puoliympyrän muotoiseksi.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

3 80347

Keksinnön mukaisen menetelmän etuja ovat sen suoraviivaisuus, nopeus ja pienet valmistuskustanukset.

Lisäksi keksinnön mukaisella monimuotosovittimen valmistusmenetelmällä ytimen poikkileikkaus saadaan muuttumaan pyöre-ästä puoliympyrän muotoiseksi muutaman senttimetrin matkalla. Näin valmistettujen monimuotosovittimien vaimennus on erittäin pieni, ja kyseiset komponentit ovat yhteensopivia yksivaiheisella ioninvaihtotekniikalla valmistettujen aalto-johteiden kanssa. Mainitulla, yhdessä vaiheessa tapahtuvalla, kuivaa hopeaa käyttävällä ioninvaihdolla on huomattavia etuja verrattuna sulaa suolaa käyttävään ioninvaihtotekniik-kaan.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.

Kuviot la - le esittävät keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun monimuotosovittimen deformoitavaksi tarkoitetun pään laskettuja ytimen poikkileikkauksia prosessin eri vaiheissa.

Kuviot 2a - 2c esittävät keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun monimuotosovittimen todellisia poikkileikkauksia eri kohdissa sovitinta.

Kuvio 3 esittää ionivaihdetun aaltojohteen poikkileikkausta.

Kuvio 4 esittää yhtä keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettua monimuotosovitinta.

Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa komponentteja, joissa häntäkuidun 2 pää deformoidaan puoliympyrän muotoiseksi hyväksikäyttämällä sulan kvartsin pintajännitystä. Häntäkuidun 2 deformoitunutta ja kvartsisubstraattiin kiinnittynyttä osaa kutsutaan monimuotosovittimeksi. Monimuotosovitinta voidaan käyttää myös itsenäisenä, häntäkui-dusta irrallisena komponenttina, sovituselementtinä kuidun ja ionivaihdetun valokanavan välillä. Menetelmällä ytimen 4 4 80347 poikkileikkauksen geometria pystytään muuttamaan ympyräsym-metrisestä puoliympyrän muotoiseksi. Monimuotosovittimen valmistusmenetelmä perustuu kuvioiden la - le mukaisesti kvartsilasin 1 pinnalle asetetun häntäkuidun 2 lämpökäsittelyyn. Prosessissa monimuotoisen standardikvartsikuidun 2 (esim. MCVD-menetelmällä valmistetun kuidun) toinen pää on asetetaan kvartsilasisubstraatin 1 päälle ja sulatetaan siihen. Sulatus tapahtuu kuidun pituussuunnassa paikallisesti siten, että kuidun 2 deformoitävään päähän kohdistetaan suurin lämpötila. Lämpötilagradientti valitaan siten, että 10 - 30 mm:n päässä kuidun 2 kärjestä poikkileikkauksen geometria säilyy ennallaan. Kun lämpötila on riittävän korkea (n. 2000 °C) ja kvartsilasi pehmenee, rakenteen pinta-ala pyrkii minimoitumaan. Tämä pakottaa pinnan tasaiseksi. Toimenpiteen tuloksena kuidun 2 kärkiosa (tasolasin pinnalla oleva geometrinen häiriö) sulaa substraattimateriaalin 1 sisälle. Sen jälkeen, kun kuidun 2 kärkiosa on uponnut substraatin 1 sisään, pintajännitys on minimoitunut eikä mikään voima enää siirrä kuitua 2 syvemmälle lasisubstraatin 1 sisään. Lämmittimenä voidaan käyttää esimerkiksi vetypoltinta, jolloin liekki voidaan kohdistaa substraattiin 1 alapuolelta.

Olemme käyttäneet yksinkertaista mallia sulatuksen aikana tapahtuvalle ytimen 4 defermoitumiselle. Malli perustuu seu-raaviin oletuksiin: 1) Kun kuitu 2 sulaa, se leviää substraatin 1 pintaa vasten niin, että kuidun 2 leveys (2ac^) on noin puolet alkuperäisen deformoitumattoman kuidun 2 kehän pituudesta (ks. kuviot la - le). Tämä oletus on hyvässä sopusoinnussa tekemiemme kokeiden kanssa.

2) Substraattiputken pinnan ja ytimen 4 välissä oleva lasin paksuus on yhtä suuri kuin litistyneen ytimen 4 kuoren paksuus.

Ensimmäisestä oletuksesta seuraa, että litistynyt ydin on ellipsi, jonka isoakselin puolikas on 5 80347 aco β rco frV2 (1) ja pikkuakselin puolikas on ^co = rco2//iT (2)

Litistyneen ytimen yhtälö on tässä vaiheessa siis Y' = ±bc od-x/aCo>2>* (3)

Toiseen oletukseen perustuen deformoituneen ytimen yhtälö on: y “ ±bcl(1_(x/acl)2>* + y' (4) missä aci ja bc^ ovat samaan tapaan yhtälöiden (1) ja (2) kanssa litistyneen kuidun halkaisijat.

Valmistuskokeet suoritettiin käyttämällä Herauksen kvartsi-putkia ja vetypolttimella varustettua lasisorvia. Kvartsi-putkien ulkohalkaisijät ovat tyypillisesti välillä 12 - 25 mm ja vastaavat sisähalkaisijät välillä 9-19 mm. Kuitu 2 oli sijoitettu putken 1 sisään ja putkea 1 lämmitettiin ulkopuolelta. Kuitujen 2 tyypillinen halkaisija on n. 125 ^im. Kvartsiputkien 1 sisäpinnan kaarevuus ei oleellisesti muuta yllä olevaa tarkastelua, koska putken 1 halkaisija on hyvin paljon kuidun halkaisijaa suurempi kuten edellä ilmoitetuista mitoista käy ilmi. Käytännössä tasomaiseen approksimaatioon riittää, että kvartsiputken sisähalkaisijän suhde kuidun halkaisijaan on suurempi kuin 100. Valmistuskokeita on tehty myös tasomaisella substraattipinnalla.

Kuvioissa 2a - 2c on nähtävissä ytimen poikkileikkauksen geometrian muutos paikan funktiona eri kohdissa monimuotosovi-tinta. Etäisyydet on mitattu kuidun akselia pitkin. Deformoituneen alueen pituus on noin 12 mm. Kuviossa 2a etäisyys z deformoitumattomalta alueelta on 0 mm, kuviossa 2b vastaavasti 6 mm ja kuviossa 2c vastaavasti 12 mm. Näitä kuvioita voidaan verrata kuvion 1 teoreettisesti laskettuihin poikkileikkauksiin. Deformoituneen ytimen (kuvio 2c) poikkileik- 6 80347 kauspintaa voidaan verrata myös tyypilliseen ionivaihdetun aaltojohteen poikkileikkauspintaan, joka on esitetty kuviossa 3. Poikkileikkaukset ovat geometrialtaan hyvin samankaltaisia.

Kuviossa 4 on esitetty valmis lopputuote. Deformoitunut ydin 4 on substraatin 1 sisällä ja deformoimaton ydin 4' kokonaan substraatin pinnalla. Monimuotosovitinta 5 voidaan käyttää myös itsenäisenä, häntäkuidusta 2' irrallisena komponenttina. Tällöin monimuotosovitin 5 toimii sovituselementtinä ionivaihdetun valokanavan ja kuidun välillä.

Ehdotettu menetelmä monimuotoisen, poikkileikkaukseltaan muuttuvan sovitinkomponentin valmistamiseksi tarjoaa uuden mahdollisuuden monimuotoisen kuidun ja ionivaihdetun aalto-johteen kytkentävaimennuksen pienentämiseksi.

Tätä valmistusmenetelmää voidaan soveltaa myös yksimuotoi-siin aaltojohteisiin. Sovitinkomponentteja voidaan käyttää kytkentävaimennuksen pienentämiseen esim. LiNbC>3-substraat-tiin valmistettujen aaltojohteiden ja optisten kuitujen välillä.

Claims (3)

7 80347

1. Menetelmä optisen sovittimen, erityisesti monimuotosovit-timen (5) valmistamiseksi, tunnettu siitä, että - kvartsisubstraatin (1) oleellisen tasomaiselle pinnalle sovitetaan valoa johtavan ytimen (4) käsittävä optinen kuitu (2), - kvartsisubstraatin (1) ja kuidun (2) deformoitavak-si tarkoitettua aluetta lämpökäsitellään paikallisesti siten, että kuidun (2) eniten deformoitavaksi tarkoitetulla kohdalla kvartsisubstraatti (1) sulaa, jolloin kuitu (2) tällä kohdalla uppoaa deformoituen oleellisesti kvartsisubstraatin (1) pinnan tasalle, jolloin kuidun (2) ytimen (4) eniten deformoituneen kohdan poikkileikkauspinta (3) muodostuu oleellisesti puoliympyrän muotoiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kvartsisubstraattia (1) ja kuitua (2) lämpökäsitellään sellaiselta alueelta, että ainakin osittain defor-moituvan kuidun aksiaaliseksi pituudeksi muodostuu n. 10 - 30 mm.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kvartsisubstraattina (1) käytetään kvartsiputkea, jonka sisähalkaisija on huomattavasti, vähintään 100 kertaa, suurempi kuin kuidun (2) halkaisija. β 80347