ОПТИЧЕСКОЕ ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК G02B6/42 

Изобретение относится к устройствам для волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ), в частности к фотоприемным модулям, и может быть использовано для создания фотоприемных модулей с вводом излучения с помощью волоконного световода.

При создании фотоприемных модулей для ВОСПИ особые требования накладываются на предельно низкий уровень отраженных обратно в волоконный световод части излучения, поступающей из линии ВОСПИ.

Для снижения уровня отраженного сигнала фотоприемный элемент устанавливают перед волоконным световодом под некоторым углом так, чтобы отраженные от фотоприемного элемента лучи не попадали обратно в волоконный световод (см.DE №4445997, МКИ G 02 В 6/163, публ. 27.12.95). В таком устройстве фотоприемный элемент, закрепленный на промежуточной плате с выводами, располагают на поверхности платы-носителя (металлической или керамической).

Недостатки данного устройства - невозможность создания планарной конструкции фотоприемного модуля для сверхскоростных ВОСПИ (свыше 2 ГГц) в малогабаритном исполнении. Фотоприемный элемент в такой конструкции размещается на плате перпендикулярно ее поверхности, в таких случаях приходится плату вместе с расположенным на ней фотоприемным элементом устанавливать перпендикулярно или почти перпендикулярно оси волоконного световода. Это приводит к возрастанию габаритных размеров фотоприемного модуля, к значительному усложнению процесса присоединения выводов к площадкам платы внутри корпуса.

Эти недостатки частично устранены в устройстве для связи световодного волокна с оптическим компонентом (см. DE №4445997,МКИ G 02 6/163, публ.27.12.95 г.), в котором предложено устройство по меньшей мере одного световодного волокна с одним оптическим компонентом. При этом световодное волокно и оптический компонент расположены на противоположных сторонах оптически прозрачного держателя, а оптическая ось световодного волокна проходит параллельно этому держателю. В области оптической оси расположено устройство отклонения световых лучей, которое обеспечивает отклонение светового луча от световодного волокна к оптическому компоненту. Устройство отклонения световых лучей образовано юстировочной структрой световодного волокна.

Недостатками данного устройства являются:

- сложность получения высококачественного устройства отклонения световых лучей одним из способов ″мокрого″ или ″сухого″ травления, с заданным углом наклона;

- отраженные от оптического компонента, в данном случае от фотоприемного элемента световые лучи могут частично вернуться в световодное волокно;

- световые лучи, выходящие из световодного волокна и отразившись от устройства отклонения, падают на поверхность оптически прозрачного держателя, частично отражаются от его (держателя) поверхностей и возвращаются в световодное волокно;

- использование дополнительного прозрачного держателя увеличивает расстояние между торцем световодного волокна и оптическим компонентом, что либо приводит к существенному размытию светового пятна, образованного от исходящих из световодного волокна лучей на фотоприемном элементе, и потери части полезного сигнала, либо требуется увеличение размеров оптического компонента, что может привести к ухудшению характеристик, например увеличению электрической емкости оптического компонента.

В другом устройстве связи и способа ввода излучения в оптическое волокно (см. ЕР №689071, МКИ G 02 В 6/42) предложены устройство ввода светового пучка, передаваемого по оптическому волокну, в электро-оптический элемент, например фотоприемник, гибридно-интегральная схема (ГИС), которая помещена в корпусе. Способ предусматривает удаление оболочки с волоконного световода, скалывание его под углом 45° и создание зеркала на торце волоконного световода. Зеркало отклоняет световой пучок в боковом направлении так, чтобы он выходил через оболочку волоконного световода. Зеркало может быть получено путем серебрения торца или нанесения на него диэлектрического покрытия.

В крышке корпуса, закрывающей электро-оптический элемент, выполнено окно, прозрачное в заданном спектральном диапазоне. Фиксация волоконного световода на верхней поверхности крышки произведена так, чтобы отражающий торец находился над окном, напротив электро-оптического элемента ГИС. Способ позволяет отказаться от использования наконечника волоконного световода, а также допускает проведение термообработки и контроля модуля ГИС перед присоединением волоконного световода.

Недостатки данного устройства - наличие оптических отражений от границы раздела между оболочкой световода и воздухом, которые отражаются цилиндрической поверхностью оболочки обратно в сердцевину волоконного световода, а также относительная сложность нанесения отражающих покрытий на торец волоконного световода.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в устранении причин отражения оптического сигнала обратно в сердцевину волоконного световода, а также в упрощении технологии изготовления косого среза торца волоконного световода.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в оптическом приемном устройстве, включающем оптический приемный элемент, например фотодиод, волоконный световод, содержащий оболочку и сердцевину, с выходным торцем, имеющем вид косого среза, расположенным над оптическим приемным элементом и оптически состыкованным с оптическим приемным элементом, косой срез выходного торца волоконного световода выполнен под углом полного внутреннего отражения для границы раздела сердцевина волоконного световода - воздух, при этом между волоконным световодом и оптическим приемным элементом расположено прозрачное для оптического излучения вещество, показатель преломления которого равен или близок к показателю преломления оболочки волоконного световода, причем волоконный световод расположен таким образом над оптическим приемным элементом, чтобы выходящее из волоконного световода оптическое излучение падало на приемную поверхность оптического приемного элемента под углом, при котором отраженные от оптического приемного элемента лучи не попадали обратно в сердцевину волоконного световода.

Оптический приемный элемент располагают планарно на плате, которую, в свою очередь, располагают внутри плоского корпуса планарно с ее выводами и волоконным световодом. Косой срез торца волоконного световода формируют одним из имеющихся в наличии способов (скалывание, шлифовка и полировка и др.), причем угол, под которым выполнен косой срез, выбирается из условий того, чтобы отраженный от оболочки волоконного световода луч выходного оптического сигнала не попадал обратно в сердцевину волоконного световода. Ввиду того, что этот угол равен или близок к углу полного внутреннего отражения на границе раздела сердцевина волоконного световода - воздух, необходимость нанесения отражающих покрытий отпадает. Для того чтобы устранить отражение от границ раздела оболочка волоконного световода - воздух и снизить отражение от оптического приемного элемента, между волоконным световодом и оптическим приемным элементом располагают прозрачное для оптического излучения вещество, показатель преломления которого равен или близок к показателю преломления оболочки волоконного световода.

Новым в заявляемом устройстве являются:

- косой срез волоконного световода выполнен под углом, равным или близким к углу полного внутреннего отражения, что позволяет отказаться от использования дополнительных отражающих покрытий;

- для устранения отражений от границы раздела оболочка волоконного световода - воздух и уменьшения отражений от границы раздела воздух - материал оптического приемного элемента между волоконным световодом и оптическим приемным элементом располагают прозрачное оптическое вещество, например оптический клей;

- для того чтобы излучение, выходящее из волоконного световода, падало на оптический приемный элемент под углом, волоконный световод с косым срезом торца повернут вокруг оси на угол, достаточный для того, чтобы лучи излучения, отраженные от оптического приемного элемента, не попадали в сердцевину волоконного световода.

Сущность технического решения поясняется графическими материалами, описанием и примером конкретного исполнения.

На фиг.1 представлен косой срез торца волоконного световода и ход лучей: S - падающий из сердцевины волоконного световода на косой срез; Re - отраженный от среза луч; Ro - отраженный от оболочки луч; Т- прошедший (полезный) луч; α - угол косого среза; β - угол между прошедшим лучом Т и нормалью N_o к оболочке волоконного световода; Nc- нормаль к косому срезу торца волоконного световода.

На фиг.2 показан общий вид устройства для частного случая, при котором приемная площадка оптического приемного элемента расположена на ближней от волоконного световода грани оптического приемного элемента.

На фиг.3 показан общий вид устройства для другого частного случая, когда приемная площадка оптического приемного элемента расположена на его противоположной грани, при котором излучение достигает приемной площадки сквозь подложку оптического приемного элемента.

На фиг.4 представлены характеристики фотоприемного модуля с использованием технических решений.

На фиг.1-4 приняты следующие обозначения:

1 - волоконный световод,

2 - оболочка волоконного световода,

3 - сердцевина волоконного световода,

4 - косой срез торца волоконного световода,

5 - оптическое приемное устройство,

6 - оптический приемный элемент,

7 - прозрачное вещество,

8 - приемная площадка оптического приемного элемента 6.

Оптическое приемное устройство 6 содержит, например, одномодовый волоконный световод 1 из кварца, срезанный, например, под углом полного внутреннего отражения световедущей сердцевины волоконного световода 3. Оптический приемный элемент 6 выполнен из полупроводниковых соединений на основе кремния или арсенида галлия, или другого соединения. Оптически прозрачное вещество 7, например оптический клей, расположено между волоконным световодом 1 и оптическим приемным элементом 6, например фотодиодом.

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал S, поступающий из волоконной линии по сердцевине 3 волоконного световода 1, отражается от косого среза торца 4 волоконного световода 1 и, пройдя через оптическое прозрачное вещество 7, попадает на приемную поверхность 8 оптического приемного элемента 6, вызывая фототок в цепи оптического приемного элемента. Оптический сигнал не отражается от границы раздела ″оболочка 2 волоконного световода - оптическое прозрачное вещество 7″, т.е. R_o равно или близко к нулю, если их коэффициенты преломления выбраны равными или близкими по значению. Часть оптического сигнала отражается от оптического приемного элемента 6, если коэффициент преломления оптического приемного элемента больше, чем у оптически прозрачного вещества 7. Для устранения возможности возврата части оптического сигнала в сердцевину волоконного световода волоконный световод повернут вокруг его оси на угол ϕ, исключающий нормальное падение лучей на поверхность оптического приемного элемента.

Пример конкретного исполнения

Предлагаемое устройство реализовано для создания фотоприемного модуля, в котором в качестве оптического приемного элемента использовался фотодиод на основе соединения индий-галлий-фосфор-мышьяк с размерами приемной площадки, равной 70 микрометров, одномодовый волоконный световод, оболочка и сердцевина которой изготовлены из кварца, торец у которого срезан и отполирован под углом 41°-43°, в качестве прозрачного оптического вещества использован оптический клей с показателем преломления n=1,516, а угол ϕ составлял 5...10 угловых градусов.

Использование данного технического решения позволило существенно уменьшить величину обратно отраженного в волоконный световод сигнала, поступающего из волоконной линии, от -22 до - 45дБ (фиг.4).

Изобретение относится к устройствам для волоконно-оптических систем передачи информации. Оптический сигнал поступает из волоконной линии по сердцевине волоконного световода, отражается от косого среза торца волоконного световода, проходит через оптическое прозрачное вещество, попадает на приемную поверхность оптического приемного элемента. Оптический сигнал не отражается от границы раздела "оболочка волоконного световода - оптическое прозрачное вещество". Волоконный световод повернут на угол, исключающий нормальное падение лучей на поверхность оптического приемного элемента. Технический результат - устранение причин отражения оптического сигнала обратно в сердцевину волоконного световода, упрощение технологии изготовления косого среза торца волоконного световода. 4 ил.

Оптическое приемное устройство, включающее оптический приемный элемент, волоконный световод, содержащий оболочку и сердцевину с выходным торцом, имеющим вид косого среза, расположенным над оптическим приемным элементом и оптически состыкованный с ним, отличающееся тем, что косой срез выходного торца волоконного световода выполнен под углом полного внутреннего отражения для границы раздела сердцевина волоконного световода - воздух, при этом между волоконным световодом и оптическим приемным элементом расположено прозрачное для оптического излучения вещество, показатель преломления которого равен или близок к показателю преломления оболочки волоконного световода, причем волоконный световод расположен таким образом над оптическим приемным элементом, чтобы выходящее из волоконного световода оптическое излучение падало на приемную поверхность оптического приемного элемента под углом, при котором отраженные от оптического приемного элемента лучи падающего излучения не попадали обратно в сердцевину волоконного световода.