Устройство ввода излучения в оптическое волокно на основе оптических микрорезонаторов асимметричной формы

Полезная модель относиться к области волоконной оптики и может быть использовано в области телекоммуникаций, где проблема приема излучения с широкого диапазона углов очень актуальна, а также в приборостроении: создании волоконных лазеров, приборов для зондирования планетных атмосфер. Технической задачей заявляемой полезной модели является создание устройства ввода излучения в оптическое волокно на основе оптических микрорезонаторов с асимметричной формой, которое позволило бы исключить недостатки устройств ввода с использованием микролинз и повысить эффективность ввода излучения в оптоволокно, а также расширить ассортимент устройств для ввода излучения в оптоволокно. Указанная задача решается тем, что предлагается устройство ввода излучения в оптическое волокно, которое состоит из последовательно расположенных фокусирующей линзы, приемного элемента, плотно прилегающего к плоской торцевой поверхности оптоволокна, отличающееся тем, что приемный элемент выполнен в виде оптического микрорезонатора асимметричной формы, торцевая поверхность оптоволокна сточена под углом =15° к его оптической оси, линза расположена с возможностью фокусировки излучения на поверхности микрорезонатора в области, определяемой полярным углом с вершиной в центре микрорезонатора =30°-60°, а микрорезонатор и оптоволокно расположены таким образом, что большая ось микрорезонатора располагается в одной плоскости с оптической осью оптоволокна и параллельна плоскости его сточенной торцевой поверхности. Возможен дополнительный вариант выполнения устройства ввода излучения в оптическое волокно, для которого целесообразно, чтобы оптический микрорезонатор был выполнен в форме асимметричного эллипсоида.

Полезная модель относиться к области волоконной оптики и может быть использовано в сфере телекоммуникаций и приборостроении.

В основе заявленного технического решения лежит эффект взаимодействия излучения с асимметричными микрорезонаторами. Так, в диссертации С. Лэйси (S. Lacey) 2003 (1) года описаны эксперименты, в которых излучение лазера фокусировалось на границу резонатор - внешняя среда, после чего наблюдалось собственное излучение резонатора только в тех областях, где угол падения луча на внутреннюю границу резонатор - внешняя среда меньше критического значения, определяемого углом полного внутреннего отражения.

Из уровня техники известен ряд устройств ввода излучения в оптоволокно. Так, например, в соответствии с патентом WO 2013046800 (2) описано устройство с аналогичным назначением, использующее другой физический принцип. В нем излучения фокусируется на сердцевину оптоволокна с помощью микролинзы диаметром около 300 мкм.

Кроме того, известно устройство ввода излучения в оптоволокно под углом к оптической оси волокна, описанное в патенте РФ 23690 (3), в котором фокусирующая система выполнена в виде двух линз, между которыми помещены две клиновидные прозрачные пластины.

Известные аналоги обладают одним существенным недостатком: малая апертура ввода излучения в оптоволокно, которая ограничивается самой апертурой оптоволокна, что приводит к низкой эффективности ввода излучения в оптоволокно.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является устройство по патенту РФ 2325676 (4), в котором также используются микролинзы, сферическая и цилиндрическая, выполненные из материала с показателем преломления большем, чем у световедущей жилы оптоволокна.

Недостатком прототипа, так же как и любого подобного устройства, использующего в конструкции микролинзы, является недостаточная эффективность ввода некогерентного излучения, малая апертура ввода.

Технической задачей заявляемой полезной модели является создание устройства ввода излучения в оптическое волокно на основе оптических микрорезонаторов с асимметричной формой, которое позволило бы исключить недостатки устройств ввода с использованием микролинз - недостаточность ввода некогерентного излучения, увеличить апертуру ввода и, тем самым, повысить эффективность ввода излучения в оптоволокно, а также расширить ассортимент устройств для ввода излучения в оптоволокно.

Указанная задача решается тем, что предлагается устройство ввода излучения в оптическое волокно (фиг.1), которое состоит из последовательно расположенных фокусирующей линзы 1, приемного элемента 2, плотно прилегающего к плоской торцевой поверхности оптоволокна 3, отличающееся тем, что приемный элемент 2 выполнен в виде оптического микрорезонатора асимметричной формы, торцевая поверхность оптоволокна сточена под углом =15° к его оптической оси 5, линза 1 расположена с возможностью фокусировки излучения на поверхности микрорезонатора в области, определяемой полярным углом с вершиной в центре микрорезонатора =30°-60°, а микрорезонатор и оптоволокно расположены таким образом, что большая ось микрорезонатора 4 располагается в одной плоскости с оптической осью 5 оптоволокна и параллельна плоскости его сточенной торцевой поверхности.

Возможен дополнительный вариант выполнения устройства ввода излучения в оптическое волокно, для которого целесообразно, чтобы оптический микрорезонатор был выполнен в форме асимметричного эллипсоида.

В основе работы заявляемого устройства лежит эффект возбуждения собственных мод оптического микрорезонатора свободным пучком излучения (free-space coupling). В случае использования симметричного резонатора (например, сферы) пучок излучения, сфокусированного по касательной к границе резонатора и внешней среды на экваторе сферического микрорезонатора возбуждает высокодобротные моды типа «шепчущей галереи», локализованные у поверхности резонатора. Эти моды излучаются обратно в пространство резонатора по всей длине экватора сферического резонатора по касательным направлениям под малыми телесными углами. Но, при подведении к микрорезонатору грани отполированного оптоволокна при одновременном использовании эффекта нарушения полного внутреннего отражения эти моды можно вывести из резонатора. Однако, наилучшая эффективность возбуждения мод типа «шепчущей галереи» в симметричных резонаторах достигается при фокусировании пучка с малой апертурой, что соответствует характеристикам упомянутых аналогов. В таком случае требуемый положительный эффект - увеличение апертуры ввода не достигается. Поэтому симметричные микрорезонаторы использовать для решения поставленной задачи нецелесообразно.

В случае применения асимметричных микрорезонаторов излучение возбужденных мод происходит не по всему экватору резонатора. Возбужденные моды резонатора в виде лучей распространяются внутри резонатора, при этом в тех точках поверхности резонатора, где угол падения луча меньше, чем угол полного внутреннего отражения равного _полн=arcsin1/n, где n - показатель преломления материала резонатора, происходит отрыв мод резонатора в окружающее пространство (фиг.4), что достигается при соответствующем значении полярного угла (фиг.1) с вершиной в центре микрорезонатора, а это означает, что фокусируя излучения из окружающего пространства по касательной на границу резонатора и внешней среды в эту область, можно обеспечить возбуждение мод резонатора, которые, вследствие эффекта нарушения полного внутреннего отражения, туннелируют в волокно. При этом угол ввода излучения от микрорезонатора в оптоволокно в экспериментах был оценен в 15°, что означает превышение апертуры ввода по сравнению с апертурой оптоволокна в 2 раза.

Техническая сущность представленного изобретения поясняется чертежами:

На фиг.1 представлена общая схема устройства ввода излучения в оптическое волокно (вид сверху), при этом на фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - фокусирующая линза;

2 - приемный элемент в виде оптического микрорезонатора асимметричной формы;

3 - оптическое волокно;

4 - большая ось оптического микрорезонатора;

5 - ось оптического волокна;

- полярный угол с вершиной в центре микрорезонатора и проходящий через точку контакта резонатора и сточенной поверхности волокна и точку фокусировки излучения на поверхности микрорезонатора;

- угол между плоскостью торцевой поверхности оптоволокна и его оптической осью.

На фиг.2 представлена общая схема устройства ввода излучения в оптическое волокно в плоскости экватора, в направлении, параллельном большой оси резонатора;

На фиг.3 показан вид используемого оптического ассиметричного микрорезонатора.

На фиг.4 представлена диаграмма интенсивности излучения собственных мод асимметричного резонатора в зависимости от полярного угла.

Устройство ввода излучения в оптическое волокно, как показано на фиг.1, состоит из фокусирующей линзы 1, оптического микрорезонатора ассиметричной формы 2, плотно прилегающего к сточенной под углом =15° к оптической оси плоской торцевой поверхности оптоволокна 3. При этом фокусирующая линза 1 расположена таким образом, что обеспечивается возможность фокусировки излучения на поверхности микрорезонатора в области, покрываемой полярный углом с вершиной в центре микрорезонатора, при этом =30°-60°. Одновременно микрорезонатор и оптоволокно расположены таким образом, что большая ось микрорезонатора располагается в одной плоскости с оптической осью оптоволокна 5 и параллельна плоскости его сточенной торцевой поверхности.

Устройство работает следующим образом: излучение фокусируется линзой 1 на границу оптического микрорезонатора асимметричной формы 2 и внешней среды в направлении по касательной к точке на границе микрорезонатор-внешняя среда, определяемой полярным углом =30°-60° с вершиной в центре микрорезонатора (фиг 1). В результате в оптическом микрорезонаторе асимметричной формы 2 возбуждаются собственные моды, которые посредством эффекта нарушения полного внутреннего отражения туннелируют в оптоволокно 3, плотно прилегающее к микрорезонатору плоской торцевой поверхностью, сточенной под углом 15° к оптической оси 5 оптоволокна; микрорезонатор при этом располагается таким образом, чтобы его большая ось 4 находится в одной плоскости с оптической осью оптоволокна 5 и параллельна плоскости сточенной поверхности (фиг 1). Так как диаметр сердцевины оптоволокна равен около 10 мкм, то для сохранения простоты настройки устройства длина большой полуоси резонатора выбирается равной не более 350 мкм.

В качестве примера конкретного выполнения предлагается вариант устройства, в котором использовано кварцевое оптическое волокно с диаметром сердцевины 9 мкм и оболочки 125 мкм, работающее в одномодовом режиме на длине волны 633 нм. Микрорезонатор выполнен из кварца, размер большой оси 700 мкм, малой оси 500 мкм. Используется линза диаметром 1 см с фокусным расстоянием 14 мм. Экспериментально подтвержденная апертура ввода в предлагаемом устройстве составляет 15 градусов против 7 градусов в аналогичных устройствах ввода излучения в оптическое волокно.

Вывод: за счет нового конструктивного решения предложенного устройства, а именно взаимосвязи известных и совокупности новых элементов устройства ввода излучения и новых способов их расположения достигается существенное улучшение технических характеристик устройства для ввода излучения в оптоволокно, а именно увеличение эффективности ввода излучения за счет увеличения апертуры ввода излучения в оптоволокно, повышение эффективности ввода некогерентного излучения. Кроме того, дополнительно решается задача расширения ассортимента устройств для ввода излучения в оптоволокно.

Полезная модель может быть использовано в области телекоммуникаций, где проблема приема излучения с широкого диапазона углов очень актуальна, а также в приборостроении: создании волоконных лазеров, приборов для зондирования планетных атмосфер.

Источники информации

1. S.М. Lacey, RAY AND WAVE DYNAMICS IN THREE DIMENSIONAL ASYMMETRIC OPTICAL RESONATORS, Ph. D Dissertation, 2003

2. Патент WO 2013046800

3. Патент РФ 23690

4. Патент РФ 2325676

1. Устройство ввода излучения в оптическое волокно, содержащее последовательно расположенные фокусирующую линзу, приемный элемент, плотно прилегающий к плоской торцевой поверхности оптоволокна, отличающееся тем, что приемный элемент выполнен в виде оптического микрорезонатора асимметричной формы, торцевая поверхность оптоволокна сточена под углом =15° к его оптической оси, линза расположена с возможностью фокусировки излучения на поверхности микрорезонатора в области, определяемой полярный углом =30°-60° с вершиной в центре микрорезонатора, а микрорезонатор и оптоволокно расположены таким образом, что большая ось микрорезонатора находится в одной плоскости с оптической осью оптоволокна и параллельна плоскости его сточенной торцевой поверхности.

2. Устройство ввода излучения в оптическое волокно по п.1, отличающееся тем, что оптический микрорезонатор выполнен в форме асимметричного эллипсоида.

РИСУНКИ