Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

9. Компоненты и устройства для ВОСПИ и ВОД

9.8. Оптические изоляторы.

         В общем случае изолятор представляет собой независимое оптическое устройство, характеристики которого изменяются, если его вход и выход поменять местами, поэтому изолятор служит для передачи оптической мощности в одном направлении. Изоляторы обычно используются для того, чтобы избежать попадания отраженных оптических лучей на лазер, так как это приводит к возникновению дополнительного шума в системе передачи.

         Работа большинства оптических изоляторов основана на эффекте Фарадея. Этот эффект заключается в том, что магнитооптические материалы, помещенные в магнитное поле, способны вращать плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль направления поля. Угол поворота плоскости поляризации (θ) определяется выражением:

θ = VHL                                                    (9.13),

где V – постоянная Верде, H – напряженность магнитного поля и L – длина пути света в материале. Постоянная Верде зависит от природы материала, температуры и длины волны света. Постоянная Верде для диамагнитной составляющей кварцевого стекла записывается следующим образом:

 (град/Тл×см)                                  (9.14),

где λр – рабочая длина волны и λ0 = 0,118 мкм.

         ОВ, сохраняющие поляризацию, по характеру ДЛП делятся на волокна с линейным ДЛП, которые можно рассматривать как распределенную фазовую пластинку, и ОВ с круговым ДЛП, наведенным путем упругого закручивания волокна вокруг своей оси, рассматриваемым как оптический вращатель. В первом случае состояние поляризации света определяется как поляризацией излучения на входе в волокно, так и ориентацией главных осей фазовой пластинки – ОВ. Если поляризация на входе линейная и ориентирована под углом 450 к главным осям, то состояние поляризации будет периодически меняться вдоль ОВ и будут наблюдаться так называемые биения между поляризационными модами с периодом (см. п. 6.1):

Lб=2π/∆β                                                   (9.15),

где ∆β = β12 – разность постоянных распространения двух ортогонально поляризационных мод. Поэтому в однородном магнитном поле угол поворота плоскости поляризации не зависит от длины волокна и эффект накопления поворота плоскости поляризации не наблюдается.

         Во втором случае при распространении по ОВ поляризованного света изменяется только азимут осей эллипса поляризации, и поэтому в однородном магнитном поле угол поворота плоскости поляризации увеличивается с ростом длины волокна в N = L / 2π×r раз при тороидальной намотке токопровода на катушку ОВ. Здесь L и r – соответственно длина и радиус намотки ОВ. В этом случае угол поворота плоскости поляризации будет определяться уравнением:

θ = 2πVHNr                                                        (9.16),

а диапазон его изменения может варьироваться выбором значений N и r.

         Таким образом, ряд объемных и волоконно-оптических элементов обладает способностью вращения плоскости поляризации распространяющейся в них световой волны. Поэтому компоненты волоконной оптики, выполненные на основе таких элементов, носят название оптических вращателей. Если обеспечить угол поворота плоскости поляризации светового луча за один проход по оптическому вращателю в прямом и обратном направлениях, равным 450, то при появлении в волокне отраженного излучения его плоскость поляризации повернется на 900. Поэтому при установке на входе и выходе вращателя поляризатора и анализатора и обеспечении угла между их плоскостями поляризации равным 450, отраженный свет на входе поляризатора будет полностью подавлен. Следовательно, оптический изолятор должен включать установленные по ходу светового луча поляризатор, элемент вращения плоскости поляризации и анализатор, главная ось которого должна составлять 450 к оси поляризатора (рис. 9.33.).

         Расчеты, выполненные по уравнению (9.14), показывают, что для рабочей длины волны 1,5 мкм и напряженности магнитного поля 500 э = 0,05 Тл длина кварцевого волокна должна составлять ~ 1, 8 м для обеспечения угла поворота плоскости поляризации на 450. Поэтому часто в оптических изоляторах в качестве магнитооптического материала используют прозрачные ферриты (например, гранатоферрит).

Рис. 9.33. Оптический изолятор: 1 – поляризатор, 2 – постоянный магнит, 3 - анализатор, 4 – магнитооптическое вещество

         Для обеспечения высокой эффективности подавления отраженных волн изолятор должен иметь минимальные вносимые потери, малую зависимость от температуры окружающей длины, высокий уровень обратных потерь и как можно более высокую изоляцию в диапазоне длин волн, определяемом его применением. Так, в источниках оптического излучения изолятор должен иметь полосу частот изоляции, соответствующую 1-2 % частоты излучения, а в волоконно-оптических усилителях - во всем диапазоне оптического сигнала. По этой причине изоляторы делятся на узкополосные и широкополосные. Для примера, в таблице 9.4 представлены основные данные изоляторов компании AFO, которые применяются в системах ВОСПИ.

Перечисленные параметры имеют следующий смысл:

Изоляция – это термин, определяющий степень, до которой ослабляются обратно отраженные сигналы.

Таблица 9.4. Основные характеристики изоляторов (В) компании AFO.

Характеристики

                             Значения

   Стандартный

  Улучшенный

Изоляция номинальная, дБ

         > 42

       > 55

Изоляция минимальная, дБ

         > 30

       > 45

Полоса длин волн, нм

            30

          60

Вносимые потери номин., дБ

            0,3

          0,4

Вносимые потери максим, дБ

            0,5

          0,6

Длина волны, нм

                       1310…1550

Диапазон раб. температур, 0С

                        -20…+60

Максимальная мощность, мВт

                             200

Длина волокна, м

                                2

Полоса длин волн – это диапазон длин волн, в котором изолятор имеет низкие потери и для которого определены параметры изолятора.

Вносимые потери – показатель потерь вставки, который измеряется для всех длин волн в области полосы пропускания канала. Обычно это значение равно потерям вставки в точке пиковой мощности плюс 0,5 дБ.

         По сравнению с вышеописанным изолятором менее эффективная, но более дешевая конструкция изолятора основана на использовании поляризатора и четвертьволновой пластины (рис. 9.34), т.к. после прохождения этих двух элементов свет приобретает круговую поляризацию.

Рис. 9.34. Изолятор на четвертьволновой пластине: 1 – оптическое волокно, 2 - четвертьволновая пластина, 3 - поляризатор

Поэтому когда свет отражается от стеклянной поверхности, он сохраняет круговую поляризацию, но с противоположным направлением вращения. Следовательно, при прохождении света через пластину в обратном направлении происходит восстановление линейной поляризации, но с ориентацией, перпендикулярной исходной. В результате на входе поляризатора мощность отраженного сигнала в идеале будет равна нулю. В отличие от изолятра на эффекте Фарадея этот изолятор является обратимым, поэтому любое изменение поляризации отраженного света может создать утечку мощности назад к источнику. Кроме того, на практике в данную систему необходимо ввести коллиматор для того, чтобы сформировать параллельный луч на входе волокна.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.