Проект: Разработка автоматизированного метода изготовления линзованных оптических волокон

Конечным продуктом проекта будет набор линзованных волокон с заданными характеристиками. Результатами проекта также будут программа и методика автоматизированного изготовления линзованных оптических волокон, которая будет включать в себя следующие основные этапы: 1. Подготовка оптического волокна: изначально необходимо подготовить оптическое волокно, обеспечив его чистоту и готовность к дальнейшей обработке. 2. Формирование микролинзы на торце волокна: с помощью специализированного оборудования и методов, таких как тейпирование и электродуговое оплавление, происходит формирование микролинзы на торецы оптического волокна. Это также может быть выполнено путем создания микроструктуры на поверхности торца. 3. Формирование оптимальной геометрии микролинзы: важным этапом является контроль и коррекция геометрии микролинзы, чтобы обеспечить требуемые оптические характеристики, такие как фокусное расстояние и диаметр поля моды. 4. Контроль качества: после изготовления микролинзы проводится контроль качества, включающий измерение оптических характеристик микролинзы, таких как фокусное расстояние, диаметр поля моды и оптические потери. 5. Паспортизация: полученные оптические характеристики микролинзы фиксируются в паспорте для последующего использования и дальнейшего контроля качества. 6. Сохранение поляризации: при необходимости сохранения поляризации излучения проектируется методика формирования линзованных оптических волокон с минимальными потерями поляризации при прохождении света через микролинзу.

В настоящее время фотонные интегральные схемы (ФИС) играют ключевую роль в разработке и производстве передовых устройств в области коммуникаций, сенсорики и оптических вычислений. Мировые специалисты постоянно совершенствуют технологии производства ФИС, ищут новые материалы, создают сложные гибридные структуры из различных полупроводников и сегнетоэлектриков, а также усложняют топологии ФИС. В результате этих усовершенствований устройства на основе ФИС обретают все больше преимуществ: они становятся более точными, быстрыми, компактными и энергоэффективными. Для создания и внедрения оптоэлектронных устройств на базе фотонных интегральных схем (ФИС) необходимо выполнить ряд технологических этапов. Один из таких этапов — это интеграция ФИС в компактный модуль, где ключевым аспектом является эффективная передача световой энергии между ФИС и внешними источниками и приемниками света. В отличие от электронных микросхем, оптоэлектронная сборка с ФИС является гетерогенной, требуя активного выравнивания различных компонентов. Кроме ФИС, модуль может включать лазеры, фотодиоды, волноводы, оптические сенсоры, волокна и другие элементы. Для объединения этих компонентов в единую сборку необходимы специализированные микрооптические структуры, обеспечивающие эффективное соединение компонентов. Одним из таких элементов является оптическое волокно (ОВ) с микролинзой, которая формируется на торце волокна специальными методами. Стандартные оптические волокна, доступные на рынке, имеют характеристики, несовместимые с волноводами ФИС. Для эффективной передачи световой энергии в ФИС требуются специализированные ОВ с характеристиками, соответствующими параметрам максимальной эффективности ввода в волноводы ФИС. На рынке России отсутствуют предложения подобных оптических волокон. Однако быстроразвивающаяся отрасль фотоники требует разработки методов серийного производства линзованных оптических волокон и методов масштабирования производства. Таким образом, разработка методики и автоматизированной программы изготовления линзованных оптических волокон с заданными характеристиками представляет собой актуальную и востребованную задачу.

Предметом разработки является методика автоматизированного изготовления линзованных оптических волокон с заданными характеристиками.

Проект предполагает комплексный подход и включает несколько методов и подходов в его реализации: - метод теоретического исследования: исследование, отбор и систематизация имеющихся данных по разработке линзованных ОВ, патентный поиск. - метод математического моделирования, заключающийся в разработке и исследовании математических и численных моделей микролинзы, обработке экспериментальных данных. - метод экспериментального исследования, заключающийся в изготовлении линзованных оптических волокон путем электродугового оплавления оптического волокна; исследовании характеристик микролинзы, таких как фокусное расстояние, диаметр поля моды, оптические потери. Метод электродугового оплавления выбран исходя из анализа недостатков остальных методов изготовления микролинз. Суть метода заключается в тейпировании ОВ для придания сердцевине волокна нужной толщины, последующего разрыва и оплавления торца ОВ электродуговым разрядом. В основе метода лежит способ сваривания оптических волокон между собой. В этом методе электродуга используется как средство моментального нагрева волокна в нужной точке до температуры его плавления. В данной методике важно соблюдать скорость растяжения волокон для придания тейперу нужной толщины, а также необходимо соблюдать уровень мощности электродуги во избежание заплавления торца ОВ, на котором должна быть сформирована микролинза. В сварочных аппаратах для ОВ имеются необходимые системы юстировки и центрирования волокон, дополнительных модификаций аппарата или использование дополнительного оборудования не требуется. К структуре, составу и объему выполняемых работ предъявляется ряд требований: 1. Требования к исходным данным, которые должны использоваться при выполнении проекта. Для проведения моделирования необходимо иметь результаты измерений не менее 20 линзованных оптических волокон в части диаметра поля моды и фокусного расстояния и сопоставленные с этими результатами качественные микрофотографии этих линзованных волокон. В таком случае имеется возможность верификации предложенной математической модели и расширение её функционала. 2. Требования к составу и объему теоретических исследований. Теоретические исследования должны включать теоретическое обоснование экспериментальных методов измерения диаметра поля моды в ближнем и дальнем поле, фокусного расстояния линзы с помощью интерферометра Фабри-Перо и оптических потерь при вводе излучения в волноводы различного диаметра. Планируемая к разработке математическая модель линзованного оптического волокна должна позволять предсказывать оптические характеристики получаемой микролинзы по ее геометрической форме. 3. Требования к составу, объему и качеству экспериментальных работ. В результате работы должно быть изготовлено не менее 20 образцов линзованных оптических волокон для получения статистически значимых результатов экспериментов. Для измерения параметров полученных волокон должно использоваться автоматизированное оборудование (моторизованные микропозиционеры, автоматизированные измерители оптической мощности) для исключения влияния человеческого фактора при проведении эксперимента. 4. Требования к метрологическому обеспечению экспериментальных исследований. Методы измерения характеристик линзованных волокон должны быть описаны со степенью подробности, достаточной для повторения измерений в любой отечественной современной лаборатории фотоники, обладающей набором источников излучения, измерителей оптической мощности, спектра и поляризации излучения, прецизионной оптомеханикой. Полученные характеристики линзованных оптических волокон подтверждаются независимыми исследованиями.

В данном проекте предлагается подход, объединяющий два ранее несочетавшихся метода для создания линзованного оптического волокна. Во-первых, предлагается использовать численное моделирование для учета геометрических особенностей линзы и их влияния на ее характеристики. Во-вторых, предлагается разработать программные алгоритмы для автоматизации процесса изготовления линзованного волокна. Это позволит сократить время изготовления микролинзы и обеспечить более точный контроль ее параметров.

Научно-практическая деятельность: 1. Прохождение стажировки в Пермской научно-производственной приборостроительной компании (ПАО ПНППК). Тема стажировки: «Формирование волоконно-оптических линз». Бодренин В.Е., 2022 год. За время стажировки получены навыки формирования микролинз на ОВ. 2. Магистерская диссертация на тему «Исследование формирования волоконных световодов с конусной линзой», Бодренин В.Е., 2023 год. В работе была разработана и собрана установка для изготовления конических волокон методом электродугового оплавления, проведено экспериментальное исследование параметров полученных конических волокон. Список публикаций заявителя: 1. Свид. 2019619108 РФ. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для моделирования формирования оптических светлых пространственных солитонов в кристаллах ниобата лития / А.С. Перин, А.В. Щукин, В.Е. Бодренин, М.Н. Гаппарова, Н.А. Иванченко. – № 2019617567; заявл. 24.06.19; опубл. 10.07.19. Реестр программ для ЭВМ. – 1 с. 2. М.Н. Гаппарова, А.В. Щукин, В.Е. Бодренин, Д.К. Романенко, А.С. Перин. Исследование влияния изменения температуры на ширину лазерного пучка при формировании пироэлектрических пространственных солитонов в кристалле ниобата лития // IX Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ. – 2020. – С. 268-269. 3. А.С. Перин, В.Е. Бодренин, А.В. Щукин. Исследование затухания оптического излучения с длиной волны 850 нм в канальном оптическом волноводе на основе ниобата лития // X Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ. – 2021. – С. 331-332. 4. Д.К. Романенко, В.Е. Бодренин, А.В. Щукин, А.С. Перин. Затухание лазерного излучения в канальном волноводе, сформированном методом оптического индуцирования в кристалле ниобата лития // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР (Томск, 19–21 мая 2021 г.): в 3 ч. – Томск: В-Спектр, 2021. – Ч. 2. – С. 30-32. 5. Д.К. Романенко, В.Е. Бодренин, А.В. Щукин, А.С. Перин. Оценка влияния величины оптической мощности и нагрева на формирование волноводных структур в кристалле ниобата лития // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР (Томск, 18–20 мая 2022 г.): в 3 ч. – Томск: В-Спектр, 2022. – Ч. 1. – С. 158-161. 6. В.Е. Бодренин, А.В. Щукин, Д.К. Романенко, А.С. Перин. Изготовление линзованных волокон методом электродугового оплавления // Материалы международной научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 17–19 мая 2023 г.): в 3 ч. – Томск: В-Спектр, 2023. – Ч. 1. – С. 205-208. 7. D.K. Romanenko, A.V. Shchukin, V.E. Bodrenin and A.S. Perin. Estimation of the Coupling Efficiency of Optically Induced Waveguides in a Lithium Niobate Crystal // St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics. – 2023. Vol. 16. No. 1.2. P. 121-125.

Основные аналоги формирования микролинз основываются на трех известных методах микролинзирования ОВ известные как травление, лазерное оплавление и полировка. При химическом травлении микролинзы используют плавиковую кислоту, относящуюся ко второму классу опасности, что подразумевает санитарные правила (СП 2.1.7.1386-0), которые регламентируют обращение с отходами 2 класса опасности их хранением и транспортировкой. Это создаёт дополнительные расходы на соблюдения данного регламента. При этом, полученное в результате травления оптическое волокно с уменьшенным диаметром сердцевины, является тейпером и нуждается в доработке, а именно дополнительном оплавлении, полировке или травлении при меньшей кислотности для их микролинзирования. Форма тейпера, а также качество его поверхности чрезвычайно чувствительны к внешним механическим воздействиям, которым подвергается ОВ во время химического травления. Травление должно происходить в помещении с классом чистоты не ниже IS0-7. Метод полировки заключается в контролируемом послойном снятии материала с внешней поверхности ОВ в результате механического воздействия вращающегося полировального диска. Готовых решений для реализации данного метода на рынке нет. Для изготовления микролинз методом полировки используют модернизированную систему полировки для оптических коннекторов. Данная система без модернизации и дополнительной оснастки способна полировать торцы волокна под углом от 0 до 60 градусов при этом только в одной плоскости, так как само волокно относительно стенда для полировки не вращается. Для изготовления микролинз придётся изготавливать оснастку, которая придаст угловое вращение волокну с заданной скоростью, без этого добиться цилиндрической формы линзы невозможно. Метод лазерного оплавления наиболее схож с методом электродугового оплавления, его суть заключается в тейпировании волокна с последующем разрывом и оплавлением торца ОВ. В качестве средства разогрева и оплавления ОВ применяют СО2 лазер. Для данного метода используют дорогостоящие устройства контроля за процессом оплавления. Примером может послужить XQ7210 - система гласспроцессинга от компании OSCOM (КНР). Даная система осуществляет сварку, стыковку, линзирование и формовка торцов ОВ, вытяжку тейперов. Система многофункциональная и дорогостоящая. Цена установки с минимальным набором функций стоит около 25 млн. рублей, комплект с полным набором функций имеет стоимость 37 млн. рублей, что обуславливает большие сроки окупаемости оборудования и высокую себестоимость конечного продукта. Метод электродугового оплавления выбран исходя из анализа недостатков остальных методов изготовления микролинз. Суть метода заключается в тейпировании ОВ для придания сердцевине волокна нужной толщины, последующего разрыва и оплавления торца ОВ электродуговым разрядом. Данный метод имеет несколько преимуществ относительно вышеперечисленных, к числу которых относится возможность его реализации на базе широко распространённых на рынке аппаратов, которые используют электродуговое оплавление для сварки оптических волокон. Изменив основные параметры программы сварки оптических волокон, можно получить программу для создания волоконных линз с нужными параметрами. В сварочных аппаратах уже имеются системы юстировки и центрирования волокон, дополнительных модификаций аппарата или использование дополнительного оборудования не требуется. Перед формированием линзы на кончик волокна продаётся «cleaning» разряд, который удаляет всю пыль с торца. Стоимость оптических аппаратов для сварки оптических волокон, которые можно перепрошить и запрограммировать составляет от 500 тысяч рублей до 10 млн рублей в зависимости от функционала, что значительно меньше, чем аппараты, использующие метод лазерного оплавления ОВ. Примером может служить аппарат для сварки оптических волокон от компании Fujikura модели FSM-100P. Данный аппарат позволяет сваривать разнообразные виды оптических волокон в том числе и PM волокна, имеет управляемые подвижки для контролируемого растяжения ОВ и создания тейперов, имеет контролируемый уровень мощности электродуги и имеет совместимость с любым ПК для создания разнообразных режимов плавления, используя программирование. Применяя данный аппарат, можно формировать на основе ОВ микролинзы с необходимыми характеристиками. Получаемые микролинзы не ограниченны в своей геометрии, в отличие от микролинз, сформированных методом полировки.