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 λ_р – 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):

L_б=2π/∆β (9.15),

где ∆β = β₁-β₂ – 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.

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.