Волоконные сборки АО «ЛЛС»: устройство, виды и области применения

В постоянно развивающейся сфере фотоники и волоконно-оптических технологий, V-groove массивы (волоконно-оптические массивы, волоконные сборки, FAU) стали ключевым компонентом, обеспечивающим точное взаимное позиционирование и высокую плотность размещения оптических элементов. Независимо от того, где применяются данные массивы, будь то передовые лаборатории, высокотехнологичные производственные предприятия или университетские исследовательские центры, они обеспечивают беспрепятственную передачу света, компактность готовых устройств и экономически эффективное производство.

Общее устройство массивов

В общем случае волоконно-оптические массивы состоят из пяти частей: кварцевой подложки с V-образными канавками, оптических волокон (ОВ), верхней крышки, закрепляющего компаунда (зачастую, эпоксида) и выходящего оптического волокна. Каждая V-образная канавка служит физической направляющей для точного позиционирования (до единиц микрон) волокон, обеспечивая единообразное и стабильное положение сердцевин всех волокон.

Рис. 1 Общее устройство волоконно-оптического массива

Какие волоконные массивы существуют?

Волоконные массивы имеют множество различных видов и вариаций. Рассмотрим основные из них:

1) Линейные (одномерные) массивы (см. рис. 1). Состоят из одного ряда канавок и волокон, позволяют работать с большинством типов ОВ (SM, MM, PM и др.).

2) Двумерные массивы. Состоят из нескольких рядов ОВ, расположенных строго друг над другом и формирующих матрицу волокон.

3) Двумерные коллиматорные массивы. Повторяют двумерные массивы, однако содержат дополнительный коллиматорный блок на выходном торце ОВ.

4) Бескрышечные массивы. В таком исполнении волокна фиксируются в канавках только за счет адгезива. Бескрышечный массив позволяет уменьшить общую толщину сборки и избежать побочных интерференционных эффектов.

5) Линзированные массивы. В такого вида массивах линзированные волокна используются для эффективного ввода излучения в фотонные чипы и волноводы.

Для чего применяются волоконные массивы?

1) Стыковка оптических волокон и планарных волноводов (PLC). Планарные компоненты являются неотъемлемой частью волоконно-оптических систем связи. Часто используются разветвители с конфигурацией 1xN или NxN, решетки с массивом волноводов и другие устройства спектрального мультиплексирования или распределения сигнала. Характеристики PLC в значительной степени зависят от эффективности и точности ввода и вывода светового сигнала, и волоконные массивы выполняют эту задачу, выравнивая ряд оптических волокон в соответствии с шагом волноводов и их положением на кристалле. Вся волоконная сборка должна иметь субмикронную точность, чтобы минимизировать потери при вводе сигнала и обеспечивать равномерную передачу по всем каналам.

Рис. 2 Соединение планарного волновода с волоконным массивом

По мере роста требований к пропускной способности сетей, модули PLC масштабируются для поддержки большего числа каналов, и способность волоконных массивов обеспечивать плотные, повторяемые оптические интерфейсы становится ещё более важной. Их внедрение не только повышает оптические характеристики, но и способствует автоматизированному, экономически эффективному массовому производству.

2) Использование в решетках на основе массивов волноводов (Arrayed Waveguide Gratings, AWG). Массивы волноводных решеток являются важными компонентами систем плотного спектрального мультиплексирования (DWDM). AWG изготавливаются в виде массива волноводов различной длины, расположенных таким образом, чтобы создавать определённые фазовые задержки, приводящие к возникновению картин конструктивной и деструктивной интерференции, что позволяет эффективно разделять и объединять свет в зависимости от его длины волны.

Рис. 3 FAU со вводом излучения в фотонную интегральную схему

Для подключения к AWG-модулям, на входном и выходном концах используются волоконные массивы различных конфигураций. Входной волоконный массив вводит мультиплексированные оптические сигналы в зону свободного распространения, где они распределяются между волноводами массива. Пройдя через массив, диспергированный свет попадает во вторую зону свободного распространения и выходит через другой волоконный массив, при этом каждое волокно захватывает отдельный канал длины волны. Такая конфигурация позволяет создавать модули с большим количеством каналов, минимальными перекрестными помехами и низкими вносимыми потерями. Работоспособность всего компонента зависит от точности позиционирования волоконных массивов, поскольку даже незначительные отклонения могут привести к спектральным искажениям или смещению каналов, поэтому для соединения используются термически согласованные материалы (с идентичным КТР) с высокой механической стабильностью.

3) Использование в микроэлектромеханических системах (MEMS). Популярными представителями таких систем являются оптические переключатели. Они используют миниатюрные подвижные зеркала или приводы для динамического перенаправления световых пучков между входными и выходными портами, что делает их ключевыми компонентами в перестраиваемых оптических мультиплексорах с вводом-выводом (ROADM), системах межсетевого соединения центров обработки данных и оптических кросс-коммутаторах. В этих системах массивы волокон используются для направления оптических сигналов к матрице коммутации MEMS и обратно.

Как правило, в качестве входных и выходных портов используются один или несколько массивов волокон, установленных напротив матрицы микрозеркал, которая перенаправляет оптические лучи в свободном пространстве. Выравнивание между массивами волокон и MEMS-зеркалами должно быть точным, чтобы сохранить качество сигнала и минимизировать вносимые потери. Кроме того, по мере увеличения количества каналов – вплоть до 32×32 или 64×64 – волоконные массивы должны обеспечивать не только высокую точность позиционирования, но и компактные габариты.

4) Использование в оптических трансиверах. В связи с постоянно растущим спросом на быструю передачу данных, многоканальные оптические модули (трансиверы) стали фактически незаменимыми. Стандарты QSFP+, QSFP28, QSFP-DD и OSFP, поддерживают скорости передачи данных от 100 Гбит/с до 800 Гбит/с и выше за счет использования параллельных оптических каналов, и волоконные массивы играют важную роль в эффективности работы трансиверов, обеспечивая оптическую связь между фотонными передатчиками/приемниками и внешними волоконными кабелями.

Рис. 5 Использование волоконных массивов в оптических трансиверах

5) Использование в датчиках и оптической сенсорике. Помимо систем связи, волоконные массивы также играют важную роль в задачах волоконно-оптического зондирования. Волоконная сенсорика находит применение, например, в мониторинге состояния зданий и конструкций, разведке нефти и газа, аэрокосмических системах и биомедицинской диагностике. Волоконно-оптические датчики, например волоконные решетки Брэгга и интерферометрические датчики, часто требуют наличия множества точек зондирования, которые необходимо опрашивать одновременно. Волоконные массивы представляют собой идеальную платформу для такого многоточечного зондирования, объединяя измерительные волокна в один узел, удобный в подключении и управлении.

Какие преимущества дает использование волоконных массивов?

Волоконные сборки китайского производства от АО «ЛЛС»

 АО «ЛЛС» поставляет волоконные сборки четырех типов, которые закрывают большинство задач в фотонике.

Все сборки могут быть изготовлены из одномодовых (SM), многомодовых (MM) или сохраняющих поляризацию (PM) волокон. Питч, тип полировки, материал подложки и длина зачищенного участка подбираются под конкретную задачу.

Подбор волоконных массивов индивидуален для каждого применения. Специалисты АО «ЛЛС» готовы проконсультировать в выборе под Вашу задачу.

Автор статьи:

Агарков Артем

Инженер по применению
Группа волоконной оптики и систем

Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.