ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА, СНАБЖЕННЫЕ ЛИНЗАМИ ПУТЕМ ФОТОПОЛИМЕРИЗАЦИИ, И ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ Российский патент 2007 года по МПК G02B6/26 

Область техники

Настоящее изобретение касается оптических волокон, снабженных линзами, первые варианты реализации и применения которых составляли объект предшествующей патентной заявки 9814385 «Новые оптические волокна, снабженные линзами и обладающие высоким концевым цифровым раскрытием».

Предшествующий уровень техники

Известны оптические волокна, снабженные линзами и оснащенные на своих концах прозрачными полимерными возвышенными зонами, которые позволяют обеспечить усовершенствованные оптические соединения между различными оптическими волокнами или между оптическими волокнами и активными или пассивными компонентами, соединение между которыми осуществляется при помощи таких волокон. Появляется возможность создания сложных оптоэлектронных устройств, имеющих высокие эксплуатационные характеристики.

Однако оптические характеристики, к достижению которых стремятся разработчики, являются все более и более замечательными, тогда как практические применения требуют разработки новых технологий в различных областях оптики.

Краткое изложение сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание новых технологических процессов, позволяющих обеспечить реализацию полимерных пиков, представляющих в целом оптимизированные характеристики как одномодовых, так и многомодовых оптических волокон, а также, соответственно, разработки новых совершенно оригинальных устройств (оптических компонентов), которых требуют пользователи.

Краткое описание чертежей

Предлагаемое изобретение будет лучше понято из приведенного ниже описания предпочтительных вариантов его реализации со ссылками на прилагаемые чертежи.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг.1 представлен схематический вид торца оптического волокна 4, содержащего сердцевину 1 и оболочку 2 и оснащенного полимерным пиком 3, реализованным при помощи некоторого поддающегося фотополимеризации полимерного материала, например смолы, причем размерные параметры и геометрические характеристики этого пика могут быть отрегулированы, например, путем оптимизации новых физико-химических параметров в зависимости от функции конкретного применения оптического волокна.

В соответствии с первой задачей предлагаемого изобретения предложен эффективный способ для формирования упомянутых пиков, который позволяет обеспечить значительное разнообразие высоты (в диапазоне от нескольких микрон до нескольких сотен микрон) и радиуса кривизны капли полимерного материала, нанесенной на начальном этапе способа. Размерные параметры упомянутого пика, которые непосредственно зависят от размерных параметров капли используемого полимерного материала, могут регулироваться с высокой точностью в зависимости от особенностей требуемого варианта применения.

Первая операция для формирования пиков (фиг.2) состоит в нанесении капли (фиг.2,а) полимерного материала при помощи пипетки 5 на торец рассеченного оптического волокна 4, которая мгновенно образует (фиг.2,b) мениск капиллярности 6, для которого высота и радиус кривизны капли полимерного материала непосредственно связаны с диаметром оптического волокна и с поверхностным натяжением (капиллярностью). Эти величины зависят главным образом от вязкости используемого полимерного материала. Для решения поставленной задачи параметр вязкости имеет первостепенное значение. В соответствии с предлагаемым изобретением химический состав используемого полимерного материала адаптирован таким образом, чтобы получить требуемую вязкость, но при этом важную роль играет температура материала.

Для уменьшения высоты нанесенной на торец оптического волокна капли полимерного материала материал слегка нагревают, что приводит к снижению вязкости материала. И наоборот, применяют предварительное охлаждение материала, чтобы сделать его более вязким и получить более значительную высоту наносимой на торец оптического волокна капли. Следует отметить, что температура смолы, используемой в качестве полимерного материала, которая находится в диапазоне от 10 до 65°С, позволяет получить капли, высота которых составляет от 10 до 50 микрон.

В патенте, выданном изобретателям на первое изобретение, было определено, что подвергающийся фотополимеризации полимерный материал, образующий пик на торце оптического волокна, представляет собой жидкий материал, чувствительный к свету зеленой области спектра и образованный фотоинициаторами (эозин + MDBA) и мономером (PETIA).

В соответствии с предлагаемым изобретением фотоинициаторы могут быть модифицированы таким образом, чтобы используемый полимерный материал оказался чувствительным к более длинным электромагнитным волнам, чем электромагнитные волны, соответствующие зеленой области спектра, то есть чувствительным к излучению в красной области спектра, близкой к инфракрасному излучению или, говоря более конкретно, близкой к длинам волн, широко используемым в области телекоммуникаций, то есть к длинам волн в диапазоне от 1,3 до 1,55 мкм.

В соответствии с другим аспектом первой технической задачи предлагаемого изобретения поверхностное натяжение, непосредственно связанное с вязкостью используемого полимерного материала, также может быть модифицировано путем предварительной обработки оптического волокна перед нанесением капли материала. Предварительная обработка состоит в замачивании рассеченного оптического волокна в сульфохромовой кислоте в течение 24 часов. При этом поверхность оптического волокна становится гидрофильной и эффекты капиллярности ослабляются, что приводит к снижению высоты капли, которая при этом составляет около 10 микрон.

Окончательная ширина формируемого пика зависит от диаметра сердцевины оптического волокна, которая практически по всей своей толще проводит свет, обычно зеленый, к торцу волокна, на который была нанесена капля полимерного материала.

Условия экспозиции при воздействии света, в частности величина обеспечивающей полимеризацию световой интенсивности и время этой экспозиции, также очень важны и могут быть отрегулированы в случае необходимости.

Конечный радиус кривизны формируемого пика значительно меньше, чем радиус кривизны исходной капли, является важным параметром для получения требуемых линзовых характеристик пика. Радиус кривизны может быть отрегулирован в функции продолжительности экспозиции, которая находится в диапазоне от 0,5 до 90 секунд, и интенсивности фотополимеризующего света, подаваемого в данное волокно, от 1 до 100 мкВт.

Радиус кривизны пика зависит также от воздействия кислорода на поверхность контакта капли полимерного материала с окружающим воздухом. В соответствии с предлагаемым изобретением кислородный эффект контролируется путем регулирования состава воздуха в зоне формирования пика. Можно подавать азот в герметичную камеру типа кожуха с перчатками, в котором размещен конец обрабатываемого оптического волокна.

В соответствии с первым объектом предлагаемого изобретения технологический процесс и различные параметры формируемого пика были не только оптимизированы с целью контроля за формированием различных пиков и их характеристиками в зависимости от многочисленных и разнообразных вариантов применения, но и в целях разработки относительно простого и дешевого способа реализации, позволяющего обеспечить «массовое производство» пиков на торцах нескольких оптических волокон.

В соответствии с одним из аспектов первого объекта предлагаемого изобретения лазерное излучение, необходимое для фотополимеризации, распределяется после расширения и гомогенизации светового пучка при помощи известных оптических способов на большое число оптических волокон для формирования торцевого пика.

Поскольку оптическая мощность, требуемая для фотополимеризации, составляет несколько микроватт на каждый пик, то в соответствии с предлагаемым изобретением оказывается возможным одновременное «массовое производство» более чем 100 пиков.

В соответствии со вторым объектом предлагаемого изобретения (фиг.3) применяют главным образом уже известные технологии и процессы, но усовершенствованные для многомодовых и одномодовых оптических волокон для реализации оптоволоконных компонентов, выдающих либо сфокусированный (фиг.3а), либо коллимированный (фиг.3b) пучок света.

В случае использования многомодовых оптических волокон падающий свет, инициирующий процесс полимеризации, поступает от некоторого внешнего источника в многомодовое оптическое волокно, связанное с оптическими компонентами придания соответствующей формы пучку света.

Фотополимеризация осуществляется без продольного распространения полимеризующего света в самом многомодовом оптическом волокне. Таким образом обеспечивается исключение освещения используемого полимерного материала совокупностью различных поперечных мод, распространяющихся в многомодовых оптических волокнах в том случае, когда обеспечивающий фотополимеризацию свет вводится в торец таких волокон. В этом случае геометрия формируемой микролинзы близка к геометрии капли используемого в данном случае полимерного материала, которая была нанесена предварительно.

В соответствии с другим аспектом предлагаемого изобретения и в том случае, когда в некоторых вариантах требуется, чтобы геометрия формируемого пика не зависела от распределения интенсивности различных мод данного оптического волокна, можно изготовить полимерный пик, присоединяя к другому концу оптического волокна источник белого света, выдающий некогерентный свет и выбранный таким образом, чтобы спектр длин волн излучаемого света был совместим с различными модами, которые могут распространяться в этом оптическом волокне. В случае применения, где требуется использование компактных установок, в которых присутствие источника монохромного света, размещенного в непосредственной близости от обычно многомодового оптического волокна, на котором необходимо сформировать соответствующий пик, оказывается затруднительным по соображениям недостатка места или, в более общем случае, вследствие сложного расположения совокупности оборудования, предназначенного для реализации таких пиков, используемый источник света, обеспечивающего фотополимеризацию, может представлять собой источник некогерентного белого света.

В соответствии с третьим аспектом предлагаемого изобретения были разработаны общие технологические приемы соединения оптических элементов, которые могут быть использованы в различных вариантах.

Основные типы оптических соединений в соответствии с предлагаемым изобретением, представленные здесь в качестве не являющихся ограничительными примеров, проиллюстрированы на сопровождаемых чертежах.

На фиг.4 схематически представлен тип соединения двух одномодовых или многомодовых оптических волокон.

Световой поток 7, обеспечивающий фотополимеризацию, вводится в торцы двух подлежащих соединению и располагающихся на одной линии оптических волокон 4. Контакт между этими оптическими волокнами обеспечивается при помощи соответствующего полимерного материала, представленного в виде пленки 8, сформированной в соответствии с тем же технологическим процессом, который заявлен для реализации упомянутых пиков. Таким образом, обеспечивается получение так называемого «холодного» сварного шва, дополненного оптической оболочкой, представляющей собой, например, клей, величина показателя преломления которого меньше величины показателя преломления упомянутой пленки, и механической защитной оболочкой. Потери, возникающие вследствие включения такого соединения, могут иметь величину менее 0,1 дБ.

На фиг.5 схематически представлен один из возможных типов соединения лазерного диода 9 с оптическим волокном 4.

В соединении этого типа пик 3 на торце оптического волокна 4 имеет параметры, выбранные таким образом, чтобы связь между лазерным излучением 10 и пиком 3 была максимальной.

Соединения, схематически представленные на фиг.4 и 5, показаны здесь только в качестве примера.

Соединение интегрированных оптических волноводов, например, несмотря на количество и сложность оптоэлектронных контуров, которые они содержат, может быть осуществлено в соответствии с описанными выше достаточно простыми технологиями.

В соответствии с четвертым объектом предлагаемого изобретения на торце многомодовых оптических волокон формируют пики, которые способны распространять только одну или несколько мод.

Перед экспозицией под воздействием света нанесенной капли используемого полимерного материала выбирают одну или несколько желаемых мод, подвергая многомодовое оптическое волокно механическим напряжениям и модифицируя условия введения в это волокно зеленого света вплоть до получения одной или нескольких желаемых мод.

В качестве примера (фиг.6) на оптическом волокне с толщиной сердцевины, составляющей 9 микрон (фиг.6а), формируют двойной полимерный пик 11, передающий из входного излучения 12 только моду LP 11 (фиг.4). Распределение интенсивности 12bis, передаваемой при помощи двойного пика 11 (фиг.7а), причем это то же самое распределение интенсивности, которое позволило обеспечить изготовление двойного пика 11. На фиг.7b представлен полимерный элемент с двойным пиком после его изготовления.

И наоборот, полимерный пик 11 может быть использован в качестве «входного элемента» оптического волокна, освещаемого пучком падающего света 12 (фиг.6b), в этом случае световая энергия передается при помощи пика 11 в соответствии с пространственным распределением, соответствующим моде LP 11, как в выбранном примере. Только одна мода LP 11 возбуждается в данном оптическом волокне при любых условиях введения света в это оптическое волокно.

В соответствии с другим примером реализации был изготовлен многокомпонентный полимер, который обеспечил возможность выбрать моду LP 21 на многомодовом оптическом волокне, имеющем диаметр сердцевины, составляющий 9 микрон. Распределение интенсивности на выходе из этого оптического волокна, в которое вводится свет 12 в соответствии с модой LP 21 при помощи пика, представлено на фиг.8а. На фиг.8b показан полимерный элемент с 4 пиками после его изготовления.

В соответствии с предлагаемым изобретением можно, таким образом, реализовать «фильтрацию поперечных мод» и, в более общем смысле, получить новые устройства, называемые «Переключателями мод».

В соответствии с пятым объектом предлагаемого изобретения используют новые снабженные линзами оптические волокна, оптимизированные на основе этого изобретения, в качестве, например, зондов для измерения оптического излучения, представляющих высокую разрешающую способность субмикронного порядка.

В качестве примера использования новых зондов на фиг.9 схематически представлен выполненный в соответствии с предлагаемым изобретением измеритель энергии, излучаемой лазером 13, в частности конфигурации кривых оптического поля на выходе из этого лазера.

Лазер 13, использованный в экспериментах, представляет собой лазерный диод, распространяемый на рынке фирмой SHARP и обладающий активным слоем шириной 200 мкм.

Снабженный линзой конец оптического волокна 4, оснащенный своим пиком 3, последовательно размещается в трех плоскостях, располагающихся соответственно на расстояниях от этого лазерного диода, составляющих 2,5 мкм, 1 мкм и 0,1 мкм.

Другой не содержащий линзы конец оптического волокна 4 соединен с фотоумножителем 14, обеспечивающим повышение чувствительности измерений.

На фиг.10 показаны оптические изображения излучения лазерного диода, полученные на трех дистанциях, составляющих соответственно 2,5 мкм, 1 мкм и 0,1 мкм, причем используемое в данном случае снабженное линзой оптическое волокно перемещается внутри поверхности площадью 8×8 мкм². При рассмотрении изображений, представленных на фиг.10, можно отметить, что чем меньше расстояние от пика до лазерного диода, тем более видимым становится активный слой лазера. В то же время для одного расстояния, составляющего 2,5 мкм, от пика до поверхности оптического волокна 4 можно отчетливо различить постепенно уменьшающиеся кривые оптических уровней.

В соответствии с шестым объектом предлагаемого изобретения оптические волокна, снабженные линзами, ориентированы на применение в микроскопии и в реализации соответствующих измерительных зондов.

В случае применения таких оптических волокон в области оптической микроскопии с классическим сканированием используют, как это схематически проиллюстрировано на фиг.11, эти новые оптические волокна, содержащие линзы, в качестве зондов для измерения света, рассеиваемого поверхностью исследуемого объекта 15, освещаемой при помощи внешнего источника света 16. Перемещение этого снабженного линзами оптического волокна над поверхностью исследуемого объекта позволяет получить оптическое изображение рассматриваемой зоны этого объекта.

Таким образом, можно реализовать оптическую сканирующую микроскопию с высоким разрешением при использовании зонда простой конструкции и очень низкой стоимости.

В случае применения таких оптических волокон в области оптической микроскопии в ближнем оптическом поле полимерный пик оптического волокна, оптимизированного в соответствии с предлагаемым изобретением, выполнен полностью металлизированным (фиг.12), за исключением небольшого круглого отверстия 18, выполненного в металлизации 17, диаметр которого обычно имеет величину, составляющую несколько десятков нанометров. Это микроскопическое отверстие остается способным излучать или принимать свет в экспериментах по оптической микроскопии в ближнем оптическом поле. Такое оптическое волокно с металлизированным пиком играет определяющую роль в реализации наноисточника или наноколлектора светового излучения в зависимости от конкретного варианта применения.

Металл, который в данном случае используется для практически полного покрытия полимерного пика, представляет собой хром или золото.

В соответствии с вариантом реализации субмикронного зонда, схематически представленного на фиг.13, интегрируют флюоресцирующие частицы 19 в используемый в данном случае поддающийся фотополимеризации полимерный материал, для того чтобы получить конец пика, содержащий несколько частиц, селективное оптическое возбуждение которых повышает пространственную разрешающую способность при использовании таких оптических волокон в области оптической микроскопии. Размеры флюоресцирующих частиц, вводимых в состав используемого полимерного материала, имеют субмикронный порядок. Концентрация флюоресцирующих частиц регулируется таким образом, чтобы обеспечить после формирования данного пика размещение одной или нескольких таких частиц непосредственно на конце этого пика. Затем флюоресценция частиц возбуждается селективным образом через оптическое волокно, чтобы располагать локализованным источником света 15, способным зондировать в ближнем оптическом поле оптические свойства исследуемого образца с разрешающей способностью субмикронного порядка.

Следует отметить, что примерно такой же подход к реализации зондов с разрешающей способностью субмикронного порядка, предназначенных для использования в области оптической микроскопии в ближнем оптическом поле, с введением флюоресцирующих частиц недавно был признан действительным и правомерным исследователями J.MICHABLIS и др. Однако метод, используемый этими исследователями, является очень сложным и не обеспечивает, кроме того, с определенной уверенностью адгезию флюоресцирующих частиц на конце используемых зондов.

Оптический зонд с флюоресцирующими частицами в соответствии с одним из объектов предлагаемого изобретения позволяет использовать для его получения значительно более простой и надежный технологический процесс.

В рамках упомянутого выше шестого объекта предлагаемого изобретения описанные выше металлизированные зонды, но не обладающие упомянутым микроскопическим отверстием, могут быть использованы в качестве датчиков с поверхностными плазмонами. В этом случае используются одномодовые или многомодовые оптические волокна, снабженные линзами и усовершенствованные в соответствии с предлагаемым изобретением.

В этом случае полимерный пик содержит тонкое покрытие, выполненное предпочтительным образом из золота или из серебра.

Обеспечивая введение светового потока в другой рассеченный конец оптического волокна и оказываясь в условиях возбуждения поверхностных плазмонов на поверхности раздела между металлом и воздухом, можно модифицировать характеристики этих плазмонов путем изменения оптического показателя преломления внешней среды. Таким образом, наличие химических или биологических субстанций, находящихся в контакте с металлическим слоем, вызывает модификацию оптических свойств плазмонов, то есть изменение светового сигнала, передаваемого или отражаемого концом оптического волокна, оснащенным металлизированным полимерным пиком.

Изобретение относится к способу изготовления линз в виде пиков на торцах одномодовых и многомодовых оптических волокон. Способ изготовления заключается в нанесении капли полимеризуемого вещества на торец волокна, облучении нанесенной капли источником света для осуществления световой фотополимеризации, при этом перед экспозицией выбирают одну или несколько желаемых мод, подвергая оптическое волокно механическим напряжениям, на этапах нанесения капли и облучения осуществляют контроль и управление формой и размерами пика, до этапа облучения выдерживают смесь при заданной температуре для достижения смесью вязкости, которая позволяет получить желательную высоту капли, регулируют длительность экспозиции и/или интенсивность света для регулирования конечного радиуса кривизны пика. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения пиков различной высоты и различного радиуса на торцах оптических волокон, а также обеспечении возможности контроля указанных параметров пиков во время их изготовления. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ изготовления одномодовых или многомодовых оптических волокон, снабженных линзами, из многомодового волокна путем формирования по меньшей мере одного торцевого пика из прозрачного полимерного материала, заключающийся в том, что наносят на по меньшей мере один торец оптического волокна смесь в виде капли, содержащую фотополимеризуемое вещество и по меньшей мере один фотоинициатор полимеризации, осуществляют облучение нанесенной капли источником света для осуществления световой фотополимеризации, отличающийся тем, что перед экспозицией выбирают одну или несколько желаемых мод, подвергая оптическое волокно по меньшей мере механическим напряжениям, на этапах нанесения капли и облучения осуществляют контроль и управление формой и размерами пика для получения заданного радиуса кривизны и высоты пика в пределах от нескольких микрон до нескольких сотен микрон, при этом указанный способ дополнительно содержит следующие операции:

выдерживают смесь при заданной температуре до этапа облучения для достижения смесью вязкости, которая позволяет получить желательную высоту капли,

регулируют длительность экспозиции и/или интенсивность света фотополимеризации для регулирования конечного радиуса кривизны пика.