Эволюция волоконно-оптической архитектуры в промышленной фотонике

В сложном мире фотоники переход от лазерного излучения в свободном пространстве к доставке по волокну представляет собой скачок в модульности и точности системы. Для производителя лазерный диод с пигтейлом это не просто полупроводник, упакованный в оптическое волокно; это высокоэффективное упражнение в субмикронной оптико-механической юстировке. Независимо от того, идет ли речь о одномодовые оптические приемопередающие модули с волоконной связью для передачи данных на большие расстояния или Лазер с волоконной связью PM Для прецизионного интерферометра целостность интерфейса сопряжения диктует конечную производительность всей системы.

Основная задача при создании высококачественного косичка лазерного диода заключается в несоответствии между выходными характеристиками лазерного диода и входными характеристиками волокна. Стандартный лазерный диод с краевым излучением лазерный диод создает эллиптический, сильно расходящийся луч, в то время как сердцевина одномодового волокна представляет собой крошечный круглый волновод, диаметр которого зачастую составляет всего 3-9 микрометров. Согласование этих двух геометрий требует сложного оптического вмешательства и производственного процесса, учитывающего тепловое расширение, механическое напряжение и долгосрочную стабильность материала.

Фундаментальные принципы: Оптический интерфейс и физика связи

Чтобы понять, почему лазерный диод с пигтейлом не удается или удается, необходимо сначала посмотреть на интеграл перекрытия мод. Эффективность передачи света в волокно определяется тем, насколько хорошо пространственная мода лазера совпадает с основной модой волокна (LP01).

Числовая апертура (NA) и диаметр поля режима (MFD)

Числовая апертура волокна определяет максимальный угол, под которым оно может пропускать свет. Большинство одномодовых волокон имеют NA около 0,12-0,14. Если расходимость лазерного луча превышает это значение, свет теряется в оболочке волокна, вызывая шум и потенциальные тепловые проблемы на интерфейсе пигтейла. Аналогичным образом, диаметр модового поля (MFD) должен быть подобран. Для косичка лазерного диода При работе на длине волны 1550 нм MFD может составлять 10 микрометров. Если лазер сфокусирован на пятне размером 5 микрометров, несоответствие приводит к значительным потерям, независимо от того, насколько идеально отцентрировано волокно.

Роль микрооптики

В высокопроизводительных модулях используются асферические линзы или линзы с градиентным индексом (GRIN) для преобразования быстрой и медленной осевой дивергенции лазера в симметричный сходящийся луч. Для одномодовые оптические приемопередающие модули с волоконной связью, Включение микроизолятора часто является обязательным, чтобы предотвратить обратные отражения от кончика волокна от дестабилизации лазерного резонатора, что в противном случае приводит к появлению относительного шума интенсивности (RIN) и скачкам частоты.

Проектирование PM лазера с волоконной связью: Поляризация и напряженные стержни

При переходе со стандартного одномодового на Лазер с волоконной связью PM, При этом инженерная сложность возрастает на порядок. В волокнах, поддерживающих поляризацию (PM), таких как PANDA или Bow-tie, для создания двулучепреломления используются внутренние напряженные стержни. Это двулучепреломление гарантирует, что если линейно поляризованный свет пустить вдоль одной из главных осей волокна, то он сохранит это состояние поляризации на протяжении всей своей длины.

Выравнивание вращения и PER

Критическая метрика для PM Волоконно-связанный лазер это коэффициент поляризационного экстинкции (PER). Для достижения PER 20 дБ или 25 дБ производителю необходимо выровнять ось поляризации лазера с “медленной осью” волокна с точностью до долей градуса. Это задача вращательного выравнивания, которое происходит одновременно с пространственным выравниванием по X-Y-Z. Любая ошибка вращения приводит к “перекрестным помехам”, когда свет просачивается на “быструю ось”, делая поляризацию нестабильной - фатальный недостаток для волоконно-оптических гироскопов или когерентного зондирования.

Процесс изготовления косичек: От активного выравнивания до герметичного уплотнения

Производство косичка лазерного диода включает в себя две основные философии: Пассивное выравнивание и активное выравнивание.

Технология активного выравнивания

Пассивное выравнивание опирается на высокоточные механические допуски, но оно редко позволяет достичь эффективности связи, необходимой для мощных или одномодовых приложений. Активное выравнивание предполагает подачу питания на лазерный диод в процессе сборки и использование управляемого компьютером 6-осевого столика для поиска точки максимального сопряжения. Волокно перемещается с шагом в 10 нанометров, при этом контролируется выходная мощность. Как только “пик” найден, волокно фиксируется навсегда.

Методы крепления: Эпоксидная смола против лазерной сварки

Выбор метода крепления является основным фактором, определяющим “совокупную стоимость владения” (TCO).

1. Эпоксидные смолы с УФ-отверждением: Распространены в недорогих косичка лазерного диода модули. Несмотря на простоту применения, эпоксидные смолы склонны к “ползучести” и поглощению влаги, что может привести к нарушению центровки волокна в течение многих лет эксплуатации.
2. Лазерная сварка: Промышленный золотой стандарт. Высокоэнергетический лазерный импульс приваривает оболочку волокна к корпусу модуля. Это создает соединение "металл-металл" с практически нулевым смещением. Для одномодовые оптические приемопередающие модули с волоконной связью При использовании в подводных или аэрокосмических условиях лазерная сварка является единственным возможным вариантом.

Качество компонентов против стоимости системы: Взгляд производителя

Распространенная ошибка покупателей комплектующих заключается в том, что они сосредотачиваются на первоначальной цене покупки лазерный диод с пигтейлом. Однако “качество компонентов” напрямую влияет на стоимость всей системы тремя способами:

1. Несоответствие термического коэффициента расширения (CTE)

Если корпус модуля и наконечник волокна изготовлены из материалов с разным КТЭ (например, алюминий и нержавеющая сталь), эффективность соединения будет меняться по мере нагрева лазера. Высококачественный Лазер с волоконной связью PM В корпусах из ковара или инвара волокно остается в фокусе в широком диапазоне температур (например, от -20 до +70 градусов Цельсия).

2. Управление оптической обратной связью

Нижняя часть косичка лазерного диода В модулях часто отсутствует внутренний оптический изолятор. Для системного интегратора это означает, что он должен встроить внешнюю изоляцию в оптический тракт, что увеличивает общую площадь и сложность. Интегрированный производителем изолятор гарантирует, что лазер остается “тихим” и стабильным, что очень важно для высокоскоростной передачи данных. одномодовые оптические приемопередающие модули с волоконной связью.

3. Подготовка волоконного наконечника

Разница между волокном с плоским и угловым физическим контактом (APC) - это разница между -14 дБ и -60 дБ обратного отражения. В мощных лазерах некачественный наконечник волокна может привести к “плавлению волокна”, когда отраженная энергия плавит сердцевину волокна, возвращается в лазер и мгновенно разрушает его.

Матрица технических характеристик для модулей с волоконно-оптическими соединениями

Следующие данные представляют собой контрольные показатели производительности для модулей пигтейлов профессионального класса.

Тематическое исследование: Высокостабильная система медицинской визуализации ОКТ

История клиента

Компания-производитель медицинского оборудования разрабатывала систему оптической когерентной томографии (ОКТ) нового поколения для офтальмологической визуализации. Для системы требовался источник света 1310 нм с чрезвычайно низким уровнем шума и высокой стабильностью поляризации для поддержания контрастности изображения.

Технические проблемы

Клиент использовал сторонний косичка лазерного диода которые страдали от “блуждания поляризации”. При каждом перемещении волоконного кабеля или изменении температуры окружающей среды качество изображения ухудшалось. Технический анализ показал, что внутренние напряженные стержни волокна PM не были правильно выровнены с E-полем лазера, а эпоксидная смола, используемая для крепления пигтейла, размягчалась под действием тепла лазера.

Технические параметры и настройки

• Центральная длина волны: 1310 нм +/- 5 нм.
• Тип волокна: Волокно PM1300 PANDA.
• Желаемый ПЕР: > 22 дБ во всем диапазоне температур.
• Цель сцепления: > 2,0 мВт на выходе из микросхемы мощностью 10 мВт.
• Упаковка: 14-контактный Butterfly с внутренним TEC (термоэлектрическим охладителем).

Контроль качества (КК) и внедрение

Чтобы решить эту проблему, производитель перенес производство на станцию активного выравнивания с разрешением 10 нм.

1. Динамический мониторинг PER: Во время юстировки PER контролировался в режиме реального времени по мере поворота волокна. Волокно было зафиксировано на пике 25 дБ.
2. Соответствие CTE: Корпус был заменен на Kovar, а ферула волокна была приварена лазером в трех точках (с интервалом 120 градусов) для обеспечения симметричного распределения напряжений.
3. Протокол выжигания: Завершенный Лазер с волоконной связью PM Модули были подвергнуты 100 термическим циклам от -40 до +85 градусов Цельсия. Только модули с ошибкой отслеживания <0,3 дБ были допущены к отправке.

Заключение

Перейдя от общего косичка лазерного диода Благодаря использованию модуля, сваренного лазером и оптимизированного по параметрам PM, OEM-производитель устранил дрейф поляризации. Отношение сигнал/шум системы ОКТ улучшилось на 15%, а частота отказов в полевых условиях, связанных с оптической несоосностью, снизилась до нуля. Это свидетельствует о том, что для высокоточных медицинских приложений первоначальная стоимость пигтейла высокой степени интеграции окупается за счет снижения затрат на обслуживание и улучшения диагностических характеристик.

Тенденции рынка: Рост кремниевой фотоники и интегрированных приемопередатчиков

Мы смотрим в будущее одномодовые оптические приемопередающие модули с волоконной связью, Мы видим, как продвигается “кремниевая фотоника”. В этой архитектуре лазер интегрируется непосредственно в кремниевый чип. Однако даже с учетом этих достижений проблема “косички” остается. Помещение света из кремниевого волновода в оптическое волокно по-прежнему требует тех же принципов согласования мод и механической стабильности, которые мы применяем для традиционных лазеров. лазерный диод с пигтейлом системы сегодня.

Кроме того, спрос на Лазер с волоконной связью PM Источники выходят за рамки традиционных телекоммуникаций, включая квантовое распределение ключей (QKD) и LiDAR для автономных транспортных средств. В этих областях “косичка” больше не является простым компонентом - это критически важный оптический шлюз, который должен выдержать суровые дорожные условия или вакуум космоса.

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ: Профессиональные вопросы о лазерной технологии Pigtail

Вопрос 1: Что такое “ошибка отслеживания” в лазерном диоде с косичкой?

О: Ошибка отслеживания - это мера того, насколько сильно изменяется выходная мощность связи по отношению к току фотодиода монитора при изменении температуры. Это прямой показатель механической стабильности выравнивания волокна. Высокая ошибка отслеживания означает, что волокно физически смещается от лазерного пятна по мере термического расширения или сжатия модуля.

Вопрос 2: Почему эффективность связи для лазера с волоконной связью PM обычно ниже, чем для стандартного одномодового пигтейла?

О: Волокна PM имеют несколько более сложную структуру сердцевины из-за стержней напряжения, а требование вращательного выравнивания добавляет еще один уровень ограничений. Любой незначительный компромисс в позиционировании X-Y-Z для достижения идеального вращательного PER приведет к несколько меньшей общей мощности связи.

Q3: Можно ли отремонтировать лазерный диод pigtail, если оптоволокно сломалось?

О: В большинстве высокопроизводительных модулей, особенно сваренных лазером, ремонт нецелесообразен. Выравнивание устанавливается на заводе с субмикронными допусками. Попытка повторного скрепления модуля обычно приводит к нарушению герметичности и разрушению внутренней микрооптики. Правильная разгрузка от натяжения оболочки волокна - лучшая защита от поломки.

Q4: Как радиус изгиба пигтейла влияет на производительность лазера?

О: Для лазерного диода типа "пигтейл" превышение минимального радиуса изгиба приводит к потерям на макроизгибах. В системах PM Fiber Coupled Laser тугие изгибы могут также вызывать механические напряжения, которые изменяют двулучепреломление волокна, значительно ухудшая PER. Всегда следуйте спецификации производителя волокна по минимальному диаметру изгиба (обычно 20-30 мм для SM-волокна).

Вопрос 5: В чем преимущество использования 14-контактного корпуса Butterfly для пигтейла?

О: В корпусе Butterfly предусмотрено достаточно места для термоэлектрического охладителя (TEC), термистора и оптического изолятора. Это позволяет лазерному диоду pigtail работать при постоянной внутренней температуре, гарантируя, что длина волны и эффективность связи остаются стабильными независимо от внешних условий.