19.2. Оптические вентили

В волоконно-оптических системах передачи существует проблема защиты передающего оптического модуля от излучения, отраженного от элементов оптической системы, размещенных на пути распространения сигнала.

Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазера, может индуцировано усиливаться, приводя к паразитному сигналу.

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 голографических системах и многих других. Развязка необходима во всех случаях, когда требуется достаточно высокая стабильность параметров излучения лазера.

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 прямом направлении и эффективно препятствовать прохождению излучения в обратном направлении.

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. Фазовый сдвиг в таком плече будет зависеть от направления распространения света.

Р азницу 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.

Высокое качество развязки поляризационных магнитооптических вентилей дает использование магнитооптического эффекта Фарадея. Этот вид вентилей является единственным в настоящее время техническим решением, позволяющим получить в принципе совершенную оптическую развязку.

Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации оптического луча, распространяющегося в оптически активных средах, находящихся под действием магнитного поля. В диапазоне длин волн 1,2...4,5 мкм такими средами являются кристаллы редкоземельных гранатов, обладающих очень хорошим пропусканием и экстремально высоким удельным фарадеевским вращением плоскости поляризации на единицу длины кристалла.

На рис. 19.7 показан принцип работы оптического изолятора на фарадеевском ротаторе (ФР). Поляризаторы пропускают свет только при опре-деленной поляризации, показанной на рис. 19.7. Ротатор осуществляет поворот плоскости поляризации на 45°. Угол поворота не зависит от направления распространения света, поэтому при обратном направлении свет на выходе поляризатора 1 имеет горизонтальную поляризацию и, следовательно, поляризатор 2 с вертикальной поляризацией его не пропустит.

Изоляторы с ФР имеют вносимое затухание порядка 0,8 дБ и степень изоляции D_обр  0 дБ. В оптических гетеродинных приемниках необходимо устройство контроля состояния поляризации - поляризационные контроллеры, которые могут быть выполнены с применением ФР.

Магнитооптический вентиль должен иметь следующие 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).

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 несоосностью 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, волокно).

5. Термостабильность параметров вентиля должна быть согласована с изменением длины волны излучения лазера в диапазоне температур -50…+100 ⁰С.

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