ФОТОДИОДНЫЙ ОПТОВОЛОКОННЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2024 года по МПК H01L31/232 H04B10/25 

Изобретение относится к области радиофотоники, и может быть использовано при конструировании устройств возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток для связи, радиолокации и радионавигации.

Основными задачами при разработке передающих трактов радиофотонных систем являются увеличение мощности, быстродействия и эффективности (КПД) таких систем. В радиофотонных устройствах осуществляется фотоэлектрическое преобразование в фотодиоде подводимого по оптоволокну модулированного оптического (лазерного) сигнала в электрический СВЧ сигнал.

Увеличение мощности фотодиодных оптоволоконных модулей достигается путем увеличения мощности лазерного излучения полупроводниковых лазеров (ваттного диапазона мощности) с относительно большой апертурой (более 100 мкм) лазеров. Для эффективного (с минимальными оптическими потерями) ввода такого лазерного излучения в оптоволокно необходимо использование многомодовых оптических волокон с диаметром сердечника 150-200 мкм. Для эффективного собирания излучения, выходящего из таких оптоволокон, используются фотодиоды с диаметром фотоприемной поверхности более 200 мкм, характеризующихся большой емкостью и, как следствие этого, большим временем фотоответа (порядка нескольких наносекунд). Поэтому актуальным является решение задачи уменьшения времени фотоответа и улучшение быстродействия фотодиодов, работающих при повышенной мощности лазерного излучения.

Известен фотодиодный оптоволоконный модуль (см. US 20210194586, МПК Н04В 10/2575, опубл. 24.06.2021), включающий источник лазерного излучения, подводимого по оптоволокну, радиочастотный источник, электрооптический модулятор, соединенный волноводом с источником оптического излучения и с радиочастотным источником, причем электрооптический модулятор содержит первый кольцевой резонаторный модулятор и второй кольцевой резонаторный модулятор, маломощный фотодиод, преобразующий промодулированный оптический сигнал в высокочастотный электрический сигнал, подаваемый на радиочастотный выход.

Недостатками известного модуля являются низкая мощность (менее одного мВт) и низкая эффективность.

Известен фотодиодный оптоволоконный модуль (см. US 20060140644, МПК Н04В 10/04, опубл. 29.06.2006), состоящий из фотодиода, оптоволокна и антенны, в котором реализован вариант фотоэлектрического преобразования промодулированного оптического сигнала, передаваемого по оптоволокну в высокочастотный электрический сигнал с помощью фотодиода с последующей передачей сигнала в антенну.

Недостатками известного фотодиодного оптоволоконного модуля являются низкие мощность (1 мВт) и эффективность устройства возбуждения, ограничивающиеся низкой мощностью фотодиода, что ведет к потере мощности генерируемого антенной сигнала и искажению самого сигнала.

Известен фотодиодный оптоволоконный модуль (см. RU 2670719, МПК H04D 10/25, G02B 6/42, опубл. 24.10.2018), включающий симметричный оптоволоконный разветвитель, в первичное оптоволокно которого вводят импульсы оптического излучения. Длина вторичных оптоволокон разветвителя установлена отличающейся не более чем на 3 мм, каждое из вторичных оптоволокон оптически стыковано с фотодиодом. При оптимальной мощности входной оптический импульс подается на фоточувствительную поверхность каждого фотодиода. Последовательное соединение фотодиодов (в количестве N) позволяет увеличить в N - раз выходное сопротивление, что дает возможность согласовать фотодиодный модуль с нагрузкой.

Недостатками известного модуля являются низкие мощность и эффективность, вследствие использования оптических разветвителей, вносящих существенные оптические потери.

Известен фотодиодный оптоволоконный модуль (см. CN 206117559, МПК H01S 01/00, опубл. 19.04.2017), включающий лазерные излучатели с различной длиной волны, оптическую систему ввода излучения в оптоволокна и многопереходный фотоэлектрический преобразователь лазерного излучения.

Недостатком известного фотодиодного оптоволоконного модуля является необходимость подстройки мощности лазерных излучателей для получения одинаковых токов в каждом переходе многопереходного фотоэлектрического преобразователя, что приводит к низкой эффективности устройства.

Известен фотодиодный оптоволоконный модуль (см. US 2006140644, МПК Н04В 10/04, опубл. 29.06.2006), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотодиодный оптоволоконный модуль-прототип включает оптоволокно для ввода и передачи лазерного излучения и фотодиод, осуществляющий фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой структуры.

Недостатками известного фотодиодного оптоволоконного модуля-прототипа являются небольшая эффективность и мощность (1 мВт) устройства, которые ограничиваются малой мощностью и низкой эффективностью фотодиода.

Задачей настоящего изобретения является разработка фотодиодного оптоволоконного модуля с повышенной выходной мощностью, высокой эффективностью и быстродействием.

Поставленная задача достигается тем, что фотодиодный оптоволоконный модуль включает оптоволокно для ввода и передачи лазерного излучения и фотодиод, осуществляющий фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой структуры, отличающийся тем, что диаметр d фотоприемной поверхности фотодиода установлен в 2-5 раз меньше диаметра W оптоволокна с числовой апертурой (ЧА), равной 0,1- 0,2, между торцом оптоволокна и фотодиодом установлен оптический элемент со сферической фронтальной поверхностью, радиус R кривизны которой установлен равным (0,8-l,2)W, центр которой установлен прилегающим к центру торца оптоволокна и оптическая ось которой установлена совпадающей с продолжением оптической оси оптоволокна, при этом диаметр D оптического элемента установлен превышающим диаметр W оптоволокна на величину 2h₁⋅ЧА,

где hi - высота фронтального шарового сегмента с упомянутой сферической поверхностью, установленная равной (0,2-0,3)⋅R,

тыльная часть оптического элемента выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого выполнено с диаметром D и установлено монолитно прилегающим к основанию шарового сегмента с упомянутой сферической поверхностью, а меньшее основание усеченного конуса выполнено с диаметром, равным диаметру d фотоприемной поверхности фотодиода, и установлено прилегающим к фотоприемной поверхности фотодиода, причем зазор между меньшим основанием усеченного конуса и фотодиодом заполнен иммерсионной жидкостью с показателем преломления не менее показателя преломления материала усеченного конуса, а расстояние h₂ от центра торца оптоволокна до фотодиода установлено равным фокусному расстоянию оптического элемента.

Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью существенных признаков, является создание фотодиодного оптоволоконного модуля с улучшенным быстродействием и увеличенными выходной мощностью и эффективностью благодаря уменьшению площади и емкости фотодиода при увеличенной входной апертуры модуля.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 - приведено схематическое изображение конструкции модуля: 1 - оптоволокно; 2 - фотодиод, 3 - фотоприемная поверхность фотодиода 2, 4 - торец оптоволокна 1; 5 - фронтальный шаровой сегмент оптического элемента I; 6 - сферическая поверхность шарового сегмента 5; 7 - центр сферической поверхности; 8 - оптическая ось оптоволокна 1; 9 - усеченный конус; 10 -большее основание усеченного конуса 9; 11 - меньшее основание усеченного конуса 9; 12 - иммерсионная жидкость; 13 - центр шара, сегмент 5 которого является фронтальной частью оптического элемента I);

на фиг.2 - показана схема работы модуля: 14,15, 16, 17, 18, 19 - лазерные лучи, выходящие из оптоволокна 1 в направлении, параллельном оптической оси; 20,21 - лазерные лучи, выходящие из оптоволокна i под углом δ=arcsinЧA.

Фотодиодный оптоволоконный модуль включает (фиг. 1) оптоволокно 1 с числовой апертурой 0,1-0,2 для подвода лазерного излучения и фотодиод 2, преобразующий лазерное излучение. Ограничение числовой апертуры (ЧА) оптоволокна 1 величиной 0,1-0,2 обеспечивает малую расходимость (~10 угл. градусов) лазерного излучения, выходящего из оптоволокна 1, что, в свою очередь, обеспечивает хорошую фокусировку лазерного излучения. Диаметр фотоприемной поверхности 3 фотодиода 2 установлен в 2-5 раз меньше диаметра W оптоволокна 1. Использование многомодового оптоволокна 1 с ЧА, равной 0,1-0,2, и диаметром W, равным 150-200 мкм, позволяет осуществлять ввод в оптоволокно 1 лазерного излучения повышенной мощности (ваттного диапазона), генерируемого полупроводниковыми лазерами с увеличенной до 100-150 мкм выходной апертурой. Для фотоэлектрического преобразования, осуществляемого в известных модулях, необходимо использовать фотодиоды, площадью не менее площади торца оптоволокна. Такие фотодиоды с большой площадью фотоприемной поверхности характеризуются повышенной емкостью и большим временем фотоответа, то есть недостаточным быстродействием. В настоящем модуле для улучшения быстродействия использованы фотодиоды 2 с диаметром в 2-5 раз меньше диаметра оптоволокна 1. Это обеспечивает уменьшение в 4-25 раз площади фотоприемной поверхности 3 фотодиода 2 (пропорционально квадрату его диаметра) и, как следствие этого, уменьшение емкости фотодиода 2 и улучшение быстродействия. Диапазон соотношения диаметров оптоволокна 1 и фотодиода 2 в 2-5 раза определен теоретически и экспериментально. При этом соотношении меньше 2 раз снижение емкости фотодиода 2 составляет менее, чем в 4 раза, что технически и экономически не оправдывает усложнение конструкции модуля. При увеличении соотношения диаметров оптоволокна 1 и фотодиода 2 более чем в 5 раз технология изготовления модуля критически усложняется вследствие значительного уменьшения диаметра фотодиода 2 (менее 20 мкм). При этом возникают проблемы, связанные с тепло- и токоотводом от фотодиодов вследствие значительного увеличения плотности мощности лазерного излучения до величины более 10 кВт/см². Для исключения оптических потерь (при стыковке фотодиода 2 с оптоволокном 1 большего диаметра) между торцом 4 оптоволокна 1 и фотодиодом 2 установлен оптический элемент I (фиг. 1) с шаровым сегментом 5 со сферической фронтальной поверхностью 6, радиус R которой установлен в диапазоне (0,8-l,2)⋅W. Фронтальная часть (шаровой сегмент 5) оптического элемента I обеспечивает «захват» лазерного излучения, выходящего из оптоволокна 1, и фокусировку этого излучения на фотоприемную поверхность 3 фотодиода 2. При R<0,8⋅W существенно ухудшается фокусировка лазерного излучения на фотоприемную поверхность 3 фотодиода 2, вследствие увеличения толщины шарового сегмента 5, представляющего из себя короткофокусную плоско-выпуклую линзу со сферической фронтальной поверхностью 6. При R>1,2⋅W существенно увеличиваются фокусное расстояние и длина оптического элемента I. Это приводит к дополнительному расходу материалов и затрат без существенного улучшения фокусировки лазерных лучей на фотоприемную поверхность 3 фотодиода 2.

Центр 7 сферической поверхности 6 установлен прилегающим к центру торца 4 оптоволокна 1, оптическая ось сферической поверхности 6 установлена совпадающей с продолжением оптической оси 8 оптоволокна 1 (фиг. 1). Такое взаимное расположение шарового сегмента 5 фронтальной части оптического элемента I и оптоволокна 1 обеспечивает фокусировку излучения, выходящего из оптоволокна 1, вблизи продолжения оптической оси 8 оптоволокна 1, что необходимо для фокусировки излучения на фотоприемной поверхности 3 фотодиода 2, центр которой находится также на продолжении оптической оси 8 оптоволокна 1.

Диаметр D оптического элемента установлен превышающим диаметр W оптоволокна 1 на величину 2h₁⋅ЧА, где h₁ - толщина шарового сегмента 5 оптического элемента I, установленная в диапазоне (0,2-0,3)⋅R.

Расчетным путем и экспериментально доказано, что при выполнении условия D-W=2h₁⋅ЧА обеспечивается «захват» всех лучей, выходящих из оптоволокна 1: как лучей, распространяющихся параллельно оптической оси 8, так и лучей, распространяющихся под углами в пределах угла δ=arcsinЧA. При этом, при h₁<0,2⋅R для выполнения условия D>W необходимо существенно увеличивать радиус R кривизны сферической поверхности 6, что приводит к недопустимому увеличению фокусного расстояния оптического элемента I и его длины. При h₁>0,3⋅R существенно ухудшается качество фокусировки периферийными областями шарового сегмента 5 - выпуклой линзы, фокусирующая способность которой ухудшается с увеличением соотношения толщины линзы к радиусу кривизны выпуклой поверхности линзы.

Тыльная часть оптического элемента I выполнена в виде усеченного конуса 9, большее основание 10 которого выполнено с диаметром D и установлено монолитно прилегающим к основанию фронтального шарового сегмента 5. Назначение конической части оптического элемента I - собирание на фотодиод 2 лазерных лучей, преломленных на сферической поверхности 6. Монолитное прилегание большего основания 10 конуса 9 к основанию шарового сегмента 5 обеспечивает прохождение лазерных лучей без искажения сквозь границу шарового сегмента 5 с большим основанием 10 усеченного конуса 9. Равенство диаметров D оптического элемента I, шарового сегмента 5 и большего основания 10 усеченного конуса 9 обеспечивает отсутствие оптических потерь лазерных лучей=на границе шарового сегмента 5 и усеченного конуса 9, что обеспечивает, в свою очередь, увеличение эффективности и мощности модуля.

Меньшее основание 11 усеченного конуса 9 выполнено с диаметром, равным диаметру d фотоприемной поверхности фотодиода 2, и установлено прилегающим к фотоприемной поверхности 3 фотодиода 2, причем зазор между меньшим основанием И усеченного конуса 9 и фотодиодом 2 заполнен иммерсионной жидкостью 12 с показателем преломления не менее показателя преломления материала усеченного конуса 9. Такое исполнение контакта оптического элемента I с фотодиодом 2 обеспечивает минимизацию оптических потерь, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение эффективности и мощности модуля.

Выполнение меньшего основания 11 усеченного конуса 9 с диаметром d фотоприемной поверхности фотодиода 2 обеспечивает максимальную оптическую эффективность попадания лазерных лучей из усеченного конуса 9 в фотодиод 2. При диаметре фотоприемной поверхности меньше диаметра усеченного конуса 9 часть лучей может попадать в «щель» между меньшим основанием 11 и фотодиодом 2. При диаметре фотоприемной поверхности 3 фотодиода 2 большем диаметра малого основания усеченного конуса 9 эффективность ввода лазерных лучей не увеличивается. Однако, увеличение площади фотодиода 2 приводит к увеличению емкости и ухудшению быстродействия модуля.

Заполнение зазора между меньшим основанием 11 усеченного конуса 9 и фотодиодом 2 иммерсионной жидкостью 12 с показателем преломления не менее показателя преломления материала усеченного конуса 9 обеспечивает минимизацию оптических потерь на отражение лазерных лучей от границы меньшего основания 11 и вероятного воздушного зазора при отсутствии иммерсионной жидкости 12 в зазоре, так как в последнем случае имеет место полное внутреннее отражение лазерных лучей от границы меньшего основания 11 с воздухом. При этом показатель преломления иммерсионной жидкости 12 должен быть не менее показателя преломления материала усеченного конуса 9, так как только в этом случае будет отсутствовать полное внутреннее отражение на границе усеченного конуса 9 с иммерсионной жидкостью 12.

Расстояние от центра торца 4 оптоволокна 1 до фотодиода 2 установлено равным фокусному расстоянию оптического элемента I. Этот признак обеспечивает фокусировку лазерных лучей в минимальное пятно на фотоприемной поверхности 3 фотодиода 2, что необходимо для минимизации диаметра и площади фотодиода 2, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение плотности мощности лазерного излучения на поверхности фотодиода 2. Этим обеспечивается минимизация площади и емкости фотодиода 2 и достижение максимального быстродействия модуля.

Настоящий фотодиодный оптоволоконный модуль работает следующим образом.

Лазерные лучи 14-19 (фиг. 2), параллельные оптической оси 8, выходят из оптоволокна 1 и попадают на сферическую поверхность 6 оптического элемента I, преломляются этой поверхностью и фокусируются на фотоприемной поверхности 3 фотодиода 2. Лучи 20, 21 выходят из оптоволокна 1 под максимальным углом δ к оптической оси 8, равным arcsinЧA, также преломляются сферической поверхностью 6, входят в оптический элемент I и распространяются под углами ϕ=δ/n относительно лучей, первоначально распространяющихся в оптоволокне 1 параллельно оптической оси 8 (n - показатель преломления материала оптического элемента I). Большая часть лазерных лучей, распространяющихся под углами в диапазоне от нуля до ϕ=δ/n, попадает на фотоприемную поверхность 3 фотодиода 2 в области, смещенные относительно центра фотодиода 2 на расстояние d₁=F⋅sinϕ. Небольшая часть этих лучей, падающая на боковую коническую поверхность оптического элемента I, претерпевает полное внутреннее отражение и также попадает на фотоприемную поверхность 3 фотодиода 2.

Результатом работы настоящего фотодиодного оптоволоконного модуля являются: уменьшение площади фотоприемной поверхности в 4-25 раз по сравнению с площадью торца оптоволокна; пропорциональное (в 4-25 раз) увеличение плотности мощности фотодиода; пропорциональное снижение емкости фотодиода и существенное улучшение быстродействия модуля.

Пример. Был разработан и изготовлен фотодиодный оптоволоконный модуль, включающий: оптоволокно с диаметром 200 мкм с числовой апертурой ЧА=0,2; фотодиод с диаметром фотоприемной поверхности 70 мкм; оптический элемент, выполненный из полимеризированного силикона с показателем преломления n=1,45, со сферической фронтальной поверхностью с радиусом 130 мкм и с тыльным усеченным конусом с диаметром большего основания 230 мкм, с диаметром меньшего основания 70 мкм, с высотой конуса 210 мкм. Фотодиод был прикреплен к меньшему основанию конуса посредством иммерсионной жидкости с показателем преломления n=1,48. Расстояние от центра торца оптоволокна до фотодиода составило 290 мкм, равное фокусному расстоянию оптического элемента. Мощность введенного лазерного излучения составила 230 мВт. Эффективность (КПД) составила 52%. Время фотоответа (быстродействия) τ=130 пикосекунд, что свидетельствует об улучшенном быстродействии и увеличенной выходной мощности и эффективности фотодиодного оптоволоконного модуля.

Изобретение относится к области радиофотоники и может быть использовано при конструировании устройств возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток для связи, радиолокации и радионавигации. Фотодиодный оптоволоконный модуль включает оптоволокно и фотодиод с диаметром d фотоприемной поверхности фотодиода установленным в 2÷5 раз меньше диаметра W оптоволокна, между торцом оптоволокна и фотодиодом установлен оптический элемент со сферической фронтальной поверхностью, при этом диаметр D оптического элемента установлен превышающим диаметр W оптоволокна, а высота фронтального шарового сегмента с упомянутой сферической поверхностью установлена в диапазоне h₁=(0,2÷0,3)R, тыльная часть оптического элемента выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого выполнено с диаметром D и установлено монолитно прилегающим к основанию шарового сегмента оптического элемента, а меньшее основание усеченного конуса выполнено с диаметром, равным диаметру d фотоприемной поверхности фотодиода, а расстояние от центра оптоволокна до фотодиода установлено равным фокусному расстоянию оптического элемента. В модуле согласно изобретению при пиковой мощности лазерных импульсов 230 мВт была достигнута длительность 130 пикосекунд выходных электрических импульсов. 2 ил.

Фотодиодный оптоволоконный модуль, включающий оптоволокно для ввода и передачи лазерного излучения и фотодиод, осуществляющий фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой структуры, отличающийся тем, что диаметр d фотоприемной поверхности фотодиода установлен в 2-5 раз меньше диаметра W оптоволокна с числовой апертурой (ЧА), равной 0,1-0,2, между торцом оптоволокна и фотодиодом установлен оптический элемент со сферической фронтальной поверхностью, радиус R кривизны которой установлен равным (0,8-l,2)⋅W_, центр которой установлен прилегающим к центру торца оптоволокна и оптическая ось которой установлена совпадающей с продолжением оптической оси оптоволокна, диаметр D оптического элемента установлен превышающим диаметр W оптоволокна на величину 2h₁⋅ЧА, где h₁ - высота фронтального шарового сегмента с упомянутой сферической поверхностью, установленная равной (0,2-0,3)⋅R, при этом тыльная часть оптического элемента выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого выполнено диаметром D и установлено монолитно прилегающим к основанию шарового сегмента с упомянутой сферической поверхностью, а меньшее основание усеченного конуса выполнено с диаметром, равным диаметру d фотоприемной поверхности фотодиода, и установлено прилегающим к фотоприемной поверхности фотодиода, причем зазор между меньшим основанием усеченного конуса и фотодиодом заполнен иммерсионной жидкостью с показателем преломления не менее показателя преломления материала усеченного конуса, а расстояние h₂ от центра торца оптоволокна до фотодиода установлено равным фокусному расстоянию оптического элемента.