10.1. Назначение и классификация оптических вентилей

10.2. Принципы построения оптических вентилей

10.3. Технические параметры оптических вентилей

10.1. Назначение и классификация оптических вентилей

В волоконно-оптических системах передачи существует проблема защиты передающего оптического модуля от своего же собственного излучения, отраженного от элементов оптической системы, размещенных на пути распространения сигнала. Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных нерегулярностей, в особенности от оптических коннекторов. В результате такого отражения часть оптической энергии возвращается обратно, которая на два порядка больше мощности обратного рассеяния.

Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазера, способен индуцировано усиливаться, приводя к паразитному сигналу. Особенно это не желательно, когда источник излучения генерирует цифровой широкополосный сигнал (>100 МГц), или аналоговый широкополосный сигнал (в смешанных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения  до 1 ГГц). В сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов и другие оптические устройства (разветвители, WDM устройства, оптические усилители), такая обратная связь усиливается и приводит к росту уровня шума источника излучения.

Особо остро проблема развязки лазера стоит при создании когерентных оптических линий связи, прецизионных измерительных систем интерферометрии и спектроскопии, когда допустимы только очень малые частотные флуктуации и уширения спектральной линии, а также в различных системах голографии и многих других.

Развязка необходима во всех случаях, когда требуется достаточно высокая стабильность параметров излучения лазера. Дело в том, что попадание внешнего излучения в резонатор лазера приводит ко многим нежелательным явлениям, таким, как аномально сильный шум, перескоки между модами и др.

Обычно функции защиты лазера от внешнего излучения, подавления при необходимости любых других отраженных сигналов в оптической системе выполняет специальное пассивное устройство, которое называется вентилем или изолятором. Оно должно практически без потерь пропускать излучение в одном (прямом) направлении и эффективно препятствовать прохождению излучения в обратном направлении.

Работа оптического вентиля основана на использовании различий в параметрах прямого и обратного излучений, причем эти различия могут существовать изначально (например, по мощности) либо создаваться одним из элементов, входящим в состав вентиля (по поляризации, частоте, фазе).

Различие в интенсивностях прямого и обратного излучений используется в вентиле, предназначенном для работы в многокаскадных лазерных усилителях для предотвращения самовозбуждения. Обратный луч высокой мощности при прохождении через ячейку вентиля со средой, обладающей тепловой дефокусировкой, создает на своем пути нелинейную термическую линзу. Поглощающая среда приводится с помощью насоса в движение в направлении, перпендикулярном оптической оси ячейки, вследствие чего ось нелинейной тепловой линзы не будет совпадать с оптической осью ячейки, поэтому обратный луч высокой мощности при выходе из ячейки будет распространяться в направлении, не совпадающем с оптической осью вентиля. Затем это излучение поглощается угловым селектором, представляющим собой совокупность двух последовательно расположенных собирающих линз, между которыми установлена диафрагма с отверстием малого диаметра. Вентиль такого типа может функционировать и без прокачки. В этом случае нелинейная тепловая линза превращает обратный пучок в расходящийся, который фокусируется линзой на диафрагму в виде пятна. Размер пятна значительно больше отверстия в диаметре, поэтому почти весь обратный луч гасится на диафрагме. В качестве поглощающей среды в оптическом вентиле такого типа используется смесь углекислого газа с воздухом или пропаном.

В оптических вентилях, использующих различие прямого и обратного излучения по частоте, разность частот обеспечивается применением акустооптического брэгговского модулятора, который расположен на пути прямого луча после фильтра, частота максимума пропускания которого совпадает с частотой прямого излучения. Обратный луч после прохождения через модулятор будет иметь частоту, отличающуюся от частоты прямого луча на удвоенную величину акустической частоты, поэтому фильтр (интерферометр Фабри-Перо) не пропустит излучение в обратном направлении.

Фазовые различия могут быть использованы в вентилях-интерферометрах, в одном из плеч которых имеется магнитооптическая среда. Набег фазы в таком плече будет зависеть от направления распространения света, то есть в данном случае используется невзаимность магнитооптического эффекта Фарадея.

Разницу в поляризации прямого и обратного лучей используют при построении различных вариантов оптических вентилей. Например, для оптических систем с циркулярной поляризацией (или только правой, или только левой) возможно применение вентиля, в котором прямой луч последовательно проходит через поляризатор и четвертьволновую пластину, в результате чего он становится циркулярно поляризованным. Обратное излучение превращается четвертьволновой пластинкой из циркулярно-поляризованного в линейно-поляризованное, но с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости поляризации прямого луча, и, следовательно, не может пройти через поляризатор.

При сравнении различных типов вентилей следует указать на безусловную универсальность и высокое качество развязки поляризационных магнитооптических вентилей, и прежде всего – использующих магнитооптический эффект Фарадея. Этот вид вентилей является единственным в настоящее время техническим решением, позволяющим получить в принципе совершенную оптическую развязку. Такое положение можно объяснить наличием поляризационных селекторов высокого качества (дихроичные поляризаторы, поляризационные и двулучепреломляющие призмы) и разработкой в последние 10¸15 лет магнитооптических ротаторов, удовлетворяющих требованиям, вытекающим из практических потребностей. Ввиду универсальности магнитооптических вентилей они и будут рассматриваться ниже. Работа оптического вентиля основана на использовании различий в параметрах прямого и обратного излучений, причем эти различия могут существовать изначально (например, по мощности) либо создаваться одним из элементов, входящим в состав вентиля (по поляризации, частоте, фазе).

10.2. Принципы построения оптических вентилей

Как известно, существует ряд материалов, оптические свойства которых при введении в магнитное поле будут изменяться в зависимости от протяженности и напряженности взаимодействия магнитного поля, что носит название магнитооптического эффекта. Под оптическими свойствами здесь понимается отражение, пропускание поляризация света и др. Среди магнитооптических эффектов с изменением отражения или пропускания световой волны различают эффект Фарадея и эффект Керра, а в которых проявляются эти эффекты, называются магнитооптическими материалами. Так как в волоконной оптике большее распространение получил первый эффект, рассмотрим его более подробно.

В магнитооптических материалах, таких как, железоитриевый гранат (), помещенный в магнитное поле, возникает циклотронное левостороннее, если смотреть по направлению магнитного поля, вращение электронов в плоскости, перпендикулярной вектору поля. Если линейно поляризованный свет, проходящий через магнитооптический материал, представить в виде суммы лево – и правосторонней круговой поляризации, то из-за такого вращения коэффициенты преломления для каждого из них будут различными. Поэтому на выходе материала может возникнуть разность фаз между составляющими световой волны, что приводит к повороту плоскости поляризации на угол, пропорциональный напряженности магнитного поля B_Z и пройденному светом пути d

где - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Верде (Verdet), удельное магнитное вращение, зависящее от природы вещества, температуры и длины волны света;

- продольная составляющая индукции магнитного поля;

- длина пути света в веществе – размер ячейки Фарадея.

Направление вращения зависит только от природы вещества и направления магнитного поля. Знак вращения отсчитывается для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля, магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникновением асимметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля.

Зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света называется вращательной дисперсией. В первом приближении в области достаточно малых длин волн, удаленных от полос поглощения света веществом, угол вращения плоскости поляризации зависит от длины волны света  по закону Био:

Для достижения высокой крутизны характеристики преобразования устройств, использующих эффект Фарадея (максимального значения ) необходимо:

- выбирать материалы с наибольшей постоянной Верде;

- обеспечивать соответствующее воздействие магнитного поля.

Одним из способов реализации оптических вентилей является использование эффекта Фарадея, то есть вращение плоскости поляризации оптического луча, распространяющегося в оптически активных средах, находящихся под действием магнитного поля. В диапазоне длин волн 1,2 … 4,5 мкм такими являются кристаллы редкоземельных гранатов, обладающих очень хорошим пропусканием и экстремально высоким удельным фарадеевским вращением плоскости поляризации на единицу длины кристалла. Одним из способов реализации оптических вентилей является использование эффекта Фарадея, то есть вращение плоскости поляризации оптического луча, распространяющегося в оптически активных средах, находящихся под действием магнитного поля.

На рисунке 10.1а представлена схема работы оптического изолятора. Неполяризованный луч света направляется на поляризатор 1, пропускающий плоскополяризованное излучение Р_^, затем проходит через Фарадеевский элемент 2 с постоянной Верде r, находящийся в перпендикулярном магнитном поле Н, создаваемом постоянным магнитом 3. на выходе этого элемента 2 плоскость поляризации луча повернется на угол j, определяемый постоянной r, длиной элемента 2 – L и величиной Н. Значения этих параметров выбираются такими, чтобы угол поворота q был равен 45^о. Таким образом, элемент 4 в данном случае играет роль поляризационного анализатора. Если теперь с другой стороны, справа, направить луч, то та его составляющая, плоскость поляризации которой совпадает с плоскостью поляризации элемента 4, проходит через него и вводится в фарадеевский элемент 2, в котором плоскость поляризации поворачивается еще на 45^о. Таким образом, попадая справа на элемент 1 плоскость поляризации луча оказывается развернутой по отношению к входному лучу на 90^о, вследствие чего поляризатор 1 его не пропускает.

Необходимо отметить, что излучение, распространяющееся в ОВ, как правило, неполяризованное. Поэтому при прохождении через поляризатор теряется половина мощности излучения (3 дБ).

Рисунок 10.1 – Схема оптического изолятора

На рисунке 10.1б представлена схема оптического изолятора, применяемая на практике, где 1 – оптический элемент с анизотропными свойствами, благодаря которым неполяризованный луч расщепляется на два ортогонально поляризованных луча – с перпендикулярной плоскостью поляризации (обыкновенный луч) и с параллельной – необыкновенный луч (в качестве такого элемента может служить призма, например, Николя или Рошона). Оба луча направляются на фарадеевский элемент 2, на выходе которого плоскость поляризации поворачивается на 45^о. После этого оба луча направляются также на призму 4, развернутую по отношению к призме 1 на 45^о. Поскольку призмы 1 и 4 обладают свойством обратимости, то на выходе призмы 4 излучение будет неполяризованным. Если теперь излучение на призму 4 направить справа, то пройдя через эту призму и элемент 2, плоскость поляризации каждого луча (обыкновенного и необыкновенного) повернется еще на 45^о, так что к элементу 1 оба луча подойдут с плоскостями поляризации, развернутыми на 90^о по отношению к входным, вследствие чего через призму 1 они не пройдут.

Изменение поляризации волны на выходе вентиля по сравнению с поляризацией на входе не всегда удобно. Для устранения этого недостатка в боле совершенных вентилях к невзаимному добавляется взаимный вращатель поляризации на 45⁰; восстанавливающий первоначальную поляризацию волны. Если же появляется необходимость поглощения отраженной волны, то в состав вентиля вводятся поляризаторы, пропускающие волну с одной поляризацией и не пропускающие волну с ортогональной поляризацией. Схема такого вентиля показана на рисунке 10.2.

Рисунок 10.2 – Общая схема оптического вентиля

Невзаимные вращатели могут быть созданы и непосредственно на одномодовых волоконных световодах, но обладающих анизотропными свойствами. Из такого волокна наматывается катушка, которая помещается во внешнее магнитное поле. В катушке осуществляется невзаимный поворот плоскости поляризации на 45⁰ . Анизотропия в световоде может быть создана за счет соответствующей конструкции и технологи изготовления, например за счет анизотропных напряжений, возникающих при намотке волокна на катушку с определенным радиусом. Так для катушки диаметром 2 см в магнитном поле 0,3 Тл поворот плоскости поляризации на 45⁰ достигается при 25 витках (примерно 1,5 м волокна). Вентиль на такой основе имеет развязку 44 дБ и прямые потери 0,4 … 0,8 дБ.

Оптические вентили часто интегрируются в лазерный передающий модуль. Высокая эффективность такого решения связана с тем, что выходной оптический сигнал от лазерного светодиода имеет эллиптическую поляризацию. Оптический вентиль устанавливается так, чтобы плоскость поляризации анализатора 1 совпадала с плоскостью поляризации максимальной составляющей выходного сигнала от лазерного светодиода.

Оптические вентили также являются неотъемлемой частью оптических усилителей на примесном волокне. В этом случае устанавливается пара оптических вентилей: один на входе, другой на выходе оптического усилителя. Поскольку оптические усилители, как правило, осуществляют усиление мультиплексного оптического сигнала, то необходимо, чтобы оптические вентили имели высокие характеристики во всем диапазоне длин волн, представленных в оптическом сигнале. Для этой цели используются специальные широкозонные оптические вентили.

10.3. Технические параметры оптических вентилей

Современные требования к оптической развязке делают довольно сложной задачу создания магнитооптического вентиля, который должен иметь следующие основные характеристики:

1. Величина развязки (отношение интенсивностей прямого и обратного излучения, прошедшего через вентиль) в зависимости от назначения оптической системы должна лежать обычно в пределах 20…60 дБ. В особых случаях требуется большая развязка (до 80 дБ). В случае использования вентиля для изоляции лазера развязка должна обеспечивать снижение величины обратного излучения до уровня, при котором оно не влияет на характеристики лазера, важные для данной оптической системы. Препятствием для получения высоких значений развязки, как правило, является температурная и дисперсионная зависимость фарадеевского вращения, недостаточно высокая величина коэффициента экстинкции поляризаторов вместе с фарадеевскими элементами (фарадеевскими вращателями), заметные отражения от элементов вентиля.

2. Вносимые потери не должны превышать 1…5 дБ. Они определяются поглощением в элементах вентиля (как правило, в основном в фарадеевском вращателе),  отражениями от вентиля, дифракционными потерями и несоосность элементов.

3. Отражения от вентиля не должны превышать десятых долей процента.

4. Должна быть обеспечена надежность и простота соединения вентиля с другими оптическими элементами (лазер, и/или волокно).

5. Термостабильность параметров вентиля должна быть согласована с изменением длины волны излучения лазера в диапазоне температур –50…+100⁰ С.

6. Должны быть обеспечены: достаточная широкополосность; максимально возможная микроминиатюризация элементов вентиля; технологичность изготовления; низкая стоимость.

Из-за невозможности удовлетворения всем этим требованиям одновременно в задачах выбора оптического вентиля в телекоммуникационных системах обычно приходится искать компромиссные варианты.

Примеры оптических вентилей зарубежных фирм представлены в таблице 10.1.

Таблица 10.1 – Технические параметры оптических изоляторов

Контрольные вопросы 1. Назначение и классификация оптических вентилей. 2. Роль оптических изоляторов в ВОСП. 3. Какой эффект лежит в основе работы изолятора? 4. Поясните принцип действия оптического изолятора. 5. Какими параметрами характеризуется оптический вентиль?