Эволюция коаксиального форм-фактора: Эффективность против точности

В современном фотонном ландшафте требования к миниатюризации подтолкнули коаксиальный лазер с волоконной связью из бюджетного телекоммуникационного компонента в сферу высокоточного промышленного и медицинского приборостроения. Исторически сложилось так, что коаксиальный корпус часто отвергался в пользу более термостойкого 14-контактного корпуса типа "бабочка". Однако проектирование коаксиального корпуса претерпело фундаментальные изменения. Сконцентрировавшись на структурной механике цилиндрической гильзы и усовершенствовав автоматизированную лазерную сварку, промышленность преодолела разрыв между компактными размерами и жесткой стабильностью, необходимой для долгосрочного использования.

Архитектура коаксиального модуля по своей сути представляет собой исследование симметрии. В отличие от корпуса типа "бабочка", в котором используется плоский подмонтаж, коаксиальная конструкция основана на серии концентрических цилиндров. Сайт лазерный диод Чип, установленный в коллектор TO-can, подключается к волокну через точно обработанный корпус из нержавеющей стали или Ковара. Именно в этом процессе “свивки” происходит большинство технических сбоев. Задача состоит не только в том, чтобы обеспечить первоначальное соединение, но и в том, чтобы субмикронное выравнивание оставалось неподвижным в течение тысяч термических циклов.

Физика поддержания поляризации: Двулучепреломление и детали, прикладывающие напряжение

Когда система требует волоконный лазер с поддержкой поляризации, При этом сложность внутренней оптики возрастает на порядки. Оптоволокно с поддержкой поляризации (PM) предназначено для сохранения состояния линейной поляризации света, запускаемого лазерным диодом. В стандартном одномодовом волокне любое механическое напряжение или изменение температуры приводит к случайному дрейфу состояния поляризации, что катастрофично для датчиков на основе интерференции или приложений удвоения частоты.

Принцип работы волокна PM заключается в “преднамеренном двулучепреломлении”. Благодаря введению в оболочку волокна элементов, прикладывающих напряжение (SAPs) - обычно это структуры PANDA или Bow-Tie - сердцевина волокна подвергается постоянной механической деформации. Эта деформация нарушает вырождение двух ортогональных мод поляризации (“быстрой” и “медленной” осей). Свет, попавший на медленную ось, движется с другой фазовой скоростью, чем свет на быстрой оси. Это фазовое рассогласование не позволяет свету связываться между двумя осями, тем самым сохраняя исходное состояние поляризации.

Для инженера критической метрикой является коэффициент поляризационного рассеяния (PER). Если TE (поперечная электрическая) мода лазерного диода не идеально выровнена с медленной осью волокна, PER будет ухудшаться. Несовпадение всего на 1 градус приводит к теоретическому максимуму PER около 35 дБ. В реальных условиях производства достижение PER от 20 до 25 дБ в коаксиальный лазер с волоконной связью требует активных систем выравнивания с угловым разрешением 0,1 градуса или лучше.

Оптическое выравнивание и геометрия коаксиального интерфейса

Эффективность связи в коаксиальный волоконно-связанный лазер является функцией несоответствия диаметра модового поля (MFD). Для лазера с длиной волны 1310 или 1550 нм MFD обычно составляет около 9-10 микрометров. Чтобы направить свет в эту сердцевину, между лазерной гранью и кончиком волокна помещается микролинза (часто шариковая или асферическая).

Влияние поперечного и осевого смещения

1. Поперечное смещение: Смещение всего на 1 микрометр по оси X или Y может привести к потере мощности более чем на 10 процентов. В коаксиальном корпусе такое смещение часто вызвано неравномерным охлаждением лазерных швов в процессе производства.
2. Осевое смещение: Расстояние между линзой и сердцевиной волокна влияет на положение “талии луча”. Если луч не сфокусирован точно на грани волокна, несоответствие числовой апертуры (NA) приведет к появлению “плакирующих мод”, когда свет проходит в плакирующем слое, а не в сердцевине, что приводит к нагреву и шуму сигнала.
3. Угловое смещение: Это особенно важно для PM-волокна. Если наконечник волокна наклонен, то возникает “наклон фазового фронта”, который ухудшает связь и может внести нежелательные обратные отражения в резонатор лазера.

Лазерная сварка: Стандарт неорганической фиксации

В средах с высокой степенью надежности для фиксации волокон в кабеле используются эпоксидные смолы. коаксиальный лазер с волоконной связью все чаще отказываются от использования. Эпоксидные материалы страдают от поглощения влаги, газовыделения и высокого коэффициента термического расширения (КТР). Вместо этого в промышленности применяется “активная лазерная сварка”.”

Во время процесса пигтейла волокно удерживается роботизированным захватом и перемещается до тех пор, пока выходная мощность не станет максимальной (а PER оптимизирован для систем PM). Как только “сладкая точка” найдена, несколько лучей Nd:YAG лазера запускаются одновременно, чтобы приварить рукав из нержавеющей стали к коллектору TO-can. Одновременность имеет решающее значение; если одна сторона сваривается раньше другой, локальный нагрев приведет к тому, что гильза выровняет волокно - явление, известное как послесварочный сдвиг (PWS).

Создание системы PWS требует глубокого понимания металлургии корпуса. Используя низкоуглеродистые нержавеющие стали и оптимизированные формы сварочных импульсов, производители могут добиться стабильного неорганического соединения, которое сохраняет субмикронное позиционирование при температурах от -40 до +85 градусов Цельсия.

Материаловедение и терморегулирование в коаксиальных конструкциях

Одним из основных критических замечаний в адрес коаксиальный лазер с волоконной связью это отсутствие внутреннего термоэлектрического охладителя (TEC). Без TEC температура лазерного чипа колеблется в зависимости от окружающей среды. Это приводит к двум основным инженерным проблемам:

• Дрейф длины волны: Большинство полупроводниковых лазеров дрейфуют на 0,3 нм на градус Цельсия. В сенсорных системах, где длина волны должна быть стабильной, коаксиальный модуль должен быть установлен на внешний радиатор или “холодную пластину”.”
• Надежность: Высокие температуры ускоряют старение лазерной грани. Для обеспечения надежности волоконный лазер с поддержкой поляризации В коаксиальном корпусе тепловое сопротивление между микросхемой и внешним корпусом должно быть сведено к минимуму. Это достигается благодаря высокопроводящему припою с золотым оловом (AuSn) и прецизионным медным подложкам с лицевой поверхностью.

С точки зрения системного уровня выбор коаксиального модуля вместо модуля типа “бабочка” часто является решением, касающимся "теплового бюджета". Если в системе можно применить внешнее охлаждение, коаксиальный корпус позволяет значительно уменьшить физический объем и стоимость без ущерба для оптических характеристик.

Оценка надежности: От целостности компонентов к долговечности системы

При оценке стоимости коаксиальный лазер с волоконной связью, При этом необходимо учитывать протоколы “Burn-in” и “Screening”. Компонент, который выходит из строя через 1 000 часов работы в медицинском диагностическом приборе или подводном датчике, стоит бесконечно дороже, чем модуль премиум-класса с сертифицированным средним временем наработки на отказ (MTTF) 100 000 часов.

Надежность обеспечивается за счет:

1. Проверка герметичности: Использование гелия для обнаружения утечек гарантирует защиту лазерного чипа от атмосферного кислорода и влаги.
2. Температурная цикличность: Подвергание сварного узла быстрым тепловым колебаниям для “стресс-теста” лазерных швов и выравнивания волокон ПМ.
3. Вибрация и удары: Обеспечение того, чтобы микрооптика не смещалась под воздействием механических нагрузок при промышленной эксплуатации.

Тематическое исследование: Разработка высокоточного волоконно-оптического гироскопа (FOG)

История клиента:

Производитель инерциальных навигационных систем для автономных подводных аппаратов (AUV). Требовался чрезвычайно компактный источник света 1550 нм для волоконно-оптического гироскопа (FOG).

Технические проблемы:

В предыдущем решении заказчика использовался корпус типа "бабочка", который был слишком громоздким для нового миниатюрного корпуса датчика. Они попытались перейти на стандартный коаксиальный лазер с волоконной связью, но стабильность поляризации оказалась недостаточной. Для точного обнаружения эффекта Сагнака FOG требуется чрезвычайно высокий PER и очень низкий относительный шум интенсивности (RIN).

• Задача 1: Достижение PER > 22 дБ в коаксиальном корпусе.
• Вызов 2: Поддерживайте стабильность мощности < 1% во всем диапазоне температур от 0°C до 50°C.
• Вызов 3: Крайне ограниченное пространство (общая длина модуля < 25 мм).

Технические параметры и настройка:

• Компонент: 1550 нм коаксиальный Лазер с волоконной связью PM.
• Волокно: PM1550 (PANDA) с буфером 900um для механической защиты.
• Выравнивание: 6-осевое активное выравнивание, направленное на медленную ось.
• Фиксация: Одновременная лазерная сварка в 3 точках.

Контроль качества (QC) Решение:

Мы применили протокол проверки 100% на “коэффициент экстинкции по температуре”. Модуль помещался в термокамеру, при этом отслеживалось состояние его поляризации. Любой модуль, демонстрирующий “перекрестные поляризационные помехи” выше -20 дБ в любой точке температуры, отбраковывался. Кроме того, лазерные чипы были предварительно отобраны по малошумным характеристикам, чтобы минимизировать RIN.

Заключение:

Благодаря успешному переходу на волоконный лазер с поддержкой поляризации в коаксиальном форм-факторе заказчик сократил площадь оптического стенда на 60%. Конструкция, сваренная с помощью лазера, обеспечила механическую жесткость, необходимую для работы в условиях высокой вибрации AUV, а активная юстировка PM обеспечила дрейф смещения гироскопа в пределах требуемой спецификации с частотой менее градуса в час.

Сравнительная таблица данных: Коаксиальный и бабочка для применения в ПМ

В следующей таблице приведено техническое сравнение, которое поможет инженерам выбрать подходящий пакет для своих приложений, чувствительных к поляризации.

Профессиональные вопросы и ответы: Коаксиальное и PM-волокно

Вопрос 1: Может ли коаксиальный лазер с волоконной связью работать с высокой мощностью?

Как правило, коаксиальные модули используются при мощности менее 50 мВт для одномодовых и 100 мВт для многомодовых. Из-за отсутствия внутреннего активного охлаждения работа на высокой мощности приводит к быстрой деградации чипа, если внешний тепловой тракт не является исключительно эффективным. Для работы с мощностью в ватт необходимо использовать охлаждаемый корпус типа "бабочка" или более крупный.

Вопрос 2: Что такое “стресс свиного хвостика” и как он влияет на волокна ПМ?

Когда волоконный пигтейл растягивается или туго наматывается, он создает внешнее напряжение. В волоконном лазере с поддержкой поляризации это внешнее напряжение может превысить внутреннее напряжение SAPs, что приведет к повороту состояния поляризации. Именно поэтому волокна PM часто имеют более толстые буферы и должны обрабатываться с минимальным радиусом изгиба не менее 30 мм.

Q3: Является ли PER модуля постоянным?

В то время как в модуле с лазерной сваркой механическое выравнивание волокна с чипом является постоянным, “Наблюдаемый PER” на конце волокна может измениться, если волокно подвергается экстремальным механическим нагрузкам или если лазерный диод работает намного больше расчетного тока, что может изменить его спектральную структуру мод.

Вопрос 4: Как обратное отражение влияет на волоконный лазер PM?

Обратное отражение - одна из главных проблем. Если свет отражается от выходного разъема и возвращается в лазерный чип, это может привести к “разблокировке” или шуму лазера. В системах PM эти отражения также могут быть кросс-поляризованными, что еще больше ухудшает PER. Использование разъема с угловым физическим контактом (APC) необходимо для таких модулей.

Q5: Почему для выравнивания используется “медленная ось”, а не “быстрая ось”?

По общему правилу, медленная ось PM-волокна выровнена с главной осью поляризации (TE-мода) лазерного диода. Медленная ось более устойчива к изменениям окружающей среды, так как части, прикладывающие напряжение, обеспечивают более глубокий потенциальный колодец для состояния поляризации, что затрудняет “прыжок” света к быстрой оси.