SI21525A

SI21525A - Mikroleče na vrhu optičnih vlaken in postopek za njihovo izdelavo

Info

Publication number: SI21525A
Application number: SI200400234A
Authority: SI
Inventors: Denis �onlagi�; Edvard Cibula
Original assignee: Feri Maribor
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2004-12-31
Also published as: WO2006021093A1; US7474821B2; US20080019639A1

Abstract

Izum rešuje problem enostavne izdelave, pozicioniranja in pritrditve mikroleče na vrh optičnega vlakna. Postopek izdelave temelji na selektivnem jedkanju gradientno dopiranega silicijevega vlakna, privarjenega na konec optičnega vlakna ali distančnika, na katerem želimo izdelati lečo. Jedkanje poteka v HF, BHF ali v drugih sredstvih za jedkanje stekla, pri katerih je hitrost jedkanja odvisna od koncentracije dopandov. Hitrost jedkanja vrha gradientnega vlakna je tako pogojena z lokalno koncentracijo dopandov, ki se lahko dobro nadzoruje s procesom izdelave optičnega vlakna. Posledica različnih hitrosti jedkanja v radialni smeri gradientnega vlakna, je preoblikovanje njegovega vrha v konveksno ali drugo želeno obliko, ki služi kot mikroleča. Opisan je tudi sklop in izdelava sklopa, ki omogoča pozicioniranje mikroleče na poljubno razdaljo pred vrh dovodnega ali odvodnega optičnega vlakna z uporabo distančnika.ŕ

Description

DONLAGIČ Denis Vinarje 110A 2000 Maribor

CIBULA Edvard Zlatoličje 85 2205 Starše

MIKROLEČE NA VRHU OPTIČNIH VLAKEN IN POSTOPEK ZA NJIHOVO IZDELAVO

Predmet izuma so mikroleče, izdelane na vrhu optičnih vlaken in postopek za njihovo izdelavo. Področje uporabe mikroleč je široko in zajema aplikacije, kot so: sklop virov in detektorjev z optičnimi vlakni, sklop med enakimi in različnimi vlakni, sklop med vlakni in planarnimi valovodi, sklop med vlakni in drugimi fotonskimi napravami, različne senzorske aplikacije, aplikacije v mikro-optiki, itd.

Tehnična problema, ki ju rešuje izum, sta kot prvo steklena mikroleča in konstrukcija sklopa mikroleče z optičnim vlaknom, pri tem pa je premer celotnega sklopa manjši, enak ali večji od premera standardnega optičnega vlakna, t.j. 125 pm in kot drugo postopek za njegovo izdelavo.

Mikroleče, opisane po tem izumu, so izdelane iz kompozitnih stekel, kot so SiO₂+GeO₂, SiO₂+TiO₂, itd. To omogoča doseganje zelo dobre temperaturne stabilnosti in neobčutljivosti na druge zunanje vplive.

Znana je množica različnih izvedb mikroleč, ki se uporabljajo v kombinaciji z optičnim vlaknom. Leče so pogosto pozicionirane v bližino vrha optičnega vlakna in opravljajo različne funkcije, najpogosteje kolimiranje in fokusiranje svetlobnega valovanja, ki vstopa ali izstopa iz enorodovnega ali mnogorodovnega vlakna. Proces pozicioniranja mikroleče pred optično vlakno je zahteven, drag in pogosto nepraktičen. Nameščene leče so pritrjene z različnimi vezivnimi materiali, kar vodi v temperaturno občutljivost in občutljivost na druge dejavnike iz okolja. V preteklosti je bilo razvitih nekaj postopkov, s katerimi se mikroleča izdela neposredno na vrhu optičnega vlakna, brez potrebe po dodatnem pozicioniranju na vrhu vlakna.

Najstarejša tovrstna rešitev (patent US4380365) opisuje izdelavo mikroleče iz transparentnega termoplastičnega materiala, pritrjenega na vrh optičnega vlakna v obliki kapljice, ki se z laserskim žarkom preoblikuje v mikrolečo. Sledijo rešitve po patentih EP1298460, EP0430532 in US5563969, ki temeljijo na mehanski ali termični obdelavi vrha optičnega vlakna in sicer z brušenjem, laserskim odstranjevanjem materiala ter taljenjem vrha vlakna z električnim oblokom. Največja pomanjkljivost opisanih rešitev sta omejena ponovljivost in zamudnost izdelave, ki zahteva individualno obdelavo posamezne leče. Izdelava mikroleče z jedkanjem optičnega vlakna je predstavljena v patentih US4469554 in US5800666, kjer gre za preoblikovanje konca vlakna v koničasto obliko z zaobljenim vrhom, ki ima vlogo leče. Postopek zahteva nadzorovano vlečenje vlakna iz sredstva za jedkanje, s čimer se doseže želena oblika mikroleče. Za razliko od takšnega postopka jedkanja je v članku Chemical!y etched conical microlenses for coupling single-mode lasers into single-mode fibers avtorjev G. Eisenstein in D. Vitello (Applied Optics 21, št.19, 1982) opisana tehnika izdelave mikroleče s selektivnim jedkanjem optičnega vlakna. Jedkanje poteka v HF kislini, pufrani z NH₄F, za katero je značilno počasnejše jedkanje z GeO₂ dopiranega jedra kakor čiste SiO₂ obloge. Posledica različnih hitrosti jedkanja je nastanek koničastega vrha na koncu vlakna, ki ima vlogo mikroleče. Velikost in oblika leče je tako določena z jedrom in profilom vlakna na katerem je izdelana leča. Tu je sicer prikazan delni porast sklopne učinkovitosti vlakna s svetlobnim virom, vendar je postopek ostal le delno raziskan in premalo dodelan, saj ne ponuja možnosti za izdelavo poljubno velike in ustrezno kvalitetne leče.

Po izumu je problem rešen tako, da sklop mikroleče z vlaknom sestavljajo optično vlakno, distančnik in mikroleča, ali pa samo optično vlakno in mikroleča, pri tem pa so vsi elementi izdelani iz čistega ali kompozitnega silicijevega stekla.

Osnovna značilnost izuma in razlika med do sedaj opisanimi rešitvami za izdelavo mikroleč je, da se na vrh dovodnega ali odvodnega vlakna, ali pa na vrh distančnika, ki se nahaja med dovodnim ali odvodnim vlaknom ter mikrolečo, privari vlakno z gradientno porazdelitvijo dopandov, ki se v procesu jedkanja nato izoblikuje v mikrolečo želene oblike in dimenzij. Porazdelitve dopandov v privarjenem segmentu vlakna določa tako obliko in radialne dimenzije leče, kar omogoča ponovljivost postopka in nadzor nad obliko in dimenzijami leče.

Tovrsten sklop se izdela z varjenjem dveh ali treh optičnih vlaken in procesom jedkanja. Jedkanje lahko poteka npr. v fluoro-vodikovi (v nadaljevanju HF) ali pufrani fluoro-vodikovi (v nadaljevanju BHF) kislini.

Izum bo podrobneje opisan na izvedbenem primeru in slikah, ki prikazujejo:

sl. 1 sklop mikroleče in optičnega vlakna - različica 1 sl. 2 sklop mikroleče in optičnega vlakna - različica 2 sl. 3 postopek izdelave mikroleče

Na sliki t je prikazano dovodno ali odvodno enorodovno ali mnogorodovno optično vlakno 1, na katero je privarjen steklen distančnik 2 iz čistega SiO₂ (brez jedra) in enakega premera kakor optično vlakno, ter mikroleča 3, ki je izdelana s postopkom jedkanja. Distančnik je potreben v primeru, kadar želimo razmakniti lečo in vrh jedra vlakna za določeno razdaljo, saj lahko s tem dosežemo vrsto ugodnih optičnih lastnosti sistema. Na primer, vrh vlakna lahko postavimo na razdaljo, ki omogoča najboljši sklop med virom in optičnim vlaknom. Dolžina 6 distančnika je odvisna od geometrijskih parametrov leče in vlakna ter končne funkcije za katero je namenjen sklop (npr. fokusiranje, kolimiranje). Značilna dolžina distančnika je tako med 1 μπι in 500 μπι. Na sliki 2 je prikazan sklop vlakna z mikrolečo, ki je identičen s sklopom, opisanim na sliki 1, le da je distančnik izpuščen. Vlakno, distančnik in mikroleča so med seboj zvarjeni, kar zagotavlja zelo dobro mehansko in termično stabilnost sklopa.

Na slikah 3a-3e je prikazan postopek za izdelavo mikroleče. Kot je znano iz predhodnih objav (Eisenstein in Vitello), je hitrost jedkanja stekla v HF ali BHF odvisna od sestave stekla. Če dopiramo čisto SiO₂ steklo npr. z GeO₂ ali TiO₂ bo hitrost jedkanja v HF naraščala s koncentracijo dopandov. Če zamenjamo HF z ustrezno BHF (npr. HF, pufrano v amonijevem fluoridu), pa bo hitrost jedkanja upadala s koncentracijo dopandov. Opisan pojav je izkoriščen za izdelavo leče poljubnih oblik na vrhu optičnega vlakna po tem izumu.

Postopek izdelave sklopa z mikrolečo se prične z varjenjem dovodnega ali odvodnega optičnega vlakna 10 na optično vlakno brez jedra 11 (slika 3a). Po varjenju se vlakno brez jedra odreže na razdalji, kar tvori distančnik 12 želene dolžine 13 (slika 3b). V kolikor gre za izdelavo sklopa brez distančnika, se ta korak izpusti. Sledi privaritev gradientno dopiranega optičnega vlakna 14 na distančnik oziroma neposredno na optično vlakno, kadar je distančnik izpuščen (slika 3c). Sledi proces rezanja, s katerim gradientno dopirano optično vlakno odrežemo na razdalji 15, ki kasneje določa velikost mikroleče na vrhu vlakna (slika 3d). Ta razdalja je značilno med 3 pm in 70 pm. Po privaritvi in rezanju gradientno dopiranega optičnega vlakna sledi jedkanje vrha tovrstne strukture v HF, BHF ali drugem ustreznem sredstvu za jedkanje stekla 16 (slika 3e).

Gradientno dopirano optično vlakno je izdelano iz SiO₂ stekla, ki je dopirano z enim ali več različnimi dopandi in sicer tako, da se koncentracija dopandov spreminja v radialni smeri vlakna, zaradi česar se ob jedkanju v HF ali BHF zunanji deli vlakna jedkajo z drugačno hitrostjo kakor notranji. V primeru, da je za izdelavo gradientno dopiranega vlakna uporabljeno kompozitno steklo, ki temelji na SiO₂ter je dopirano z npr. GeO₂ ali TiO₂ ter ga jedkamo v HF, mora biti koncentracija GeO₂ večja na zunanjih robovih vlakna, kakor v centru vlakna, saj je v tem primeru hitrost jedkanja večja v področju z višjo koncentracijo GeO₂. Možno je uporabiti tudi dopiranje, pri katerem je koncentracija GeO₂ večja v centru vlakna in nato pada proti robovom vlakna. V takšnem primeru je potrebno uporabiti pufrano HF kislino (na primer na 1 del 40% HF kisline dodamo 10 delov 40% amonijevega flourida). Z radialnim potekom koncentracije dopandov in časom jedkanja je tako možno precizno nadzirati končno obliko leče, velikost gradientno dopiranega področja pa določa radialno dimenzijo leče. Izdelati je možno tudi vlakno s krožno nesimetrično porazdelitvijo dopandov, npr. z eliptično porazdelitvijo dopandov. To mogoča izdelavo krožno nesimetričnih mikroleč na vrhu vlakna, kar je pomembna lastnost opisanega postopka.

Claims

1. Plankonveksna mikroleča značilna po tem, da je privarjena neposredno na vrh optičnega vlakna (7) in ima premer (8) med 12 pm in 300 pm ter dolžino (9) med 0.1 pm in 100 pm

2. Sklop plankonveksne mikroleče in optičnega vlakna značilen po tem, da je plankonveksna mikroleča z dolžino (4) med 0.1 pm in 100 pm in premerom (5) med 12 pm in 300 pm privarjena neposredno na vrh optičnega vlakna (2) brez jedra, ki ima dolžino (6) med 1 pm in 500 pm in je pritrjeno na enorodovno ali mnogorodovno optično vlakno (1) poljubne dolžine.

3. Postopek za izdelavo plankonveksne mikroleče značilen po tem, da se na vrh poljubnega optičnega vlakna zvari segment optičnega vlakna z gradientno dopiranim jedrom, pri tem znaša premer jedra med 12 pm in 300 pm, ki se nato odreže ali polira tako, da znaša dolžina privarjenega segmenta med 0.1 pm in 100 pm, čemur sledi jedkanje, ki samodejno in selektivno odstrani močneje dopirane dele privarjenega vlakna tako, da se na koncu vlakna ustvari mikroleča s premerom, ki je večji od 12 pm.

4. Postopek za izdelavo plankonveksne mikroleče značilen po tem, da se na vrh poljubnega optičnega vlakna zvari segment optičnega vlakna z gradientno dopiranim jedrom, pri tem znaša premer jedra med 12 μηη in 300 μπι, ki se nato odreže ali polira tako, da znaša dolžina privarjenega segmenta med 0.1 um in 100 μιτι, čemur sledi jedkanje, ki samodejno in selektivno odstrani šibkeje dopirane dele privarjenega vlakna tako, da se na koncu vlakna ustvari mikroleča s premerom, ki je večji od 12 μπι.

5. Postopek za izdelavo plankonveksne mikroleče značilen po tem, da se na vrh poljubnega optičnega vlakna zvari segment optičnega vlakna, ki je najmočneje dopirano v centru, koncentracija dopandov pa upada z radialno koordinato, ki se nato odreže ali polira tako, da znaša dolžina privarjenega segmenta med 0.1 μιτι in 100 μιτι, čemur sledi jedkanje, ki selektivno odstrani šibkeje dopirane dele privarjenega vlakna tako, da se na koncu vlakna ustvari mikroleča s premerom, ki je večji od 12 pm.

6. Postopek za izdelavo plankonveksne mikroleče značilen po tem, da se na vrh poljubnega optičnega vlakna zvari segment optičnega vlakna, ki je najmanj dopirano v centru, koncentracija dopandov pa narašča z radialno koordianto, ki se nato odreže ali polira tako, da znaša dolžina privarjenega segmenta med 0.1 gm in 100 pm, čemur sledi jedkanje, ki selektivno odstrani močneje dopirane dele privarjenega vlakna tako, da se na koncu vlakna ustvari mikroleča s premerom, ki je večji od 12 um.

7. Postopek za izdelavo plankonveksne mikroleče značilen po tem, da se na vrh poljubnega optičnega vlakna zvari segment optičnega vlakna, pri katerem se vsebnost dopandov spreminja v prečni ravnini vlakna, ki se nato odreže ali polira tako, da znaša dolžina privarjenega segmenta med 0.1 pm in 100 pm, čemur sledi jedkanje, ki selektivno odstrani dele privarjenega vlakna tako, da se na koncu vlakna ustvari mikroleča s premerom, ki je večji od 12 pm.

8. Postopek za izdelavo plankonveksne mikroleče značilen po tem, da se na vrh poljubnega optičnega vlakna zvari segment optičnega vlakna, pri katerem se vsebnost dopandov spreminja v prečni ravnini vlakna, ki se nato odreže ali polira tako, da znaša dolžina privarjenega segment med 0.1 pm in 100 pm, čemur sledi jedkanje, ki selektivno odstrani dele privarjenega vlakna tako, da se na koncu vlakna ustvari mikroleča.

9. Postopek za izdelavo eliptične plankonveksne mikroleče po zahtevku 8 značilen po tem, da se vsebnost dopandov v privarjenem segmentu optičnega vlakna spreminja v prečni ravnini vlakna tako, da se koncentracija spreminja različno v obeh smereh prečne ravnine.

10. Postopek za izdelavo eliptične plankonveksne mikroleče po zahtevku 7 značilen po tem, da se vsebnost dopandov v privarjenem segmentu optičnega vlakna spreminja v prečni ravnini vlakna tako, da se koncentracija spreminja različno v obeh smereh prečne ravnine.

11. Postopek za izdelavo plankonveksne mikroleče po zahtevku 6, značilen po tem, da je pritrjen segment optičnega vlakna narejen iz SiO₂, ki je dopiran s TiO₂ ali GeO₂, jedkanje pa poteka v HF.

12. Postopek za izdelavo plankonveksne mikroleče po zahtevku 5, značilen po tem,

Da je pritrjen segment optičnega vlakna narejen iz SiO₂, ki je dopiran s TiO₂ ali GeO₂, jedkanje pa poteka v raztopini HF, pufrani z NH₄F ali s podobnimi solmi.