Контрольные вопросы

1. Поясните принципы ввода и вывода оптического излучения в ОВ.

2. Как оценивается эффективность соединения источника излучения с оптическим волокном?

3. Поясните различие ввода излучения в многомодовые и одномодовые ОВ.

4. Поясните принципы построения устройства ввода и вывода оптического сигнала.

5. От чего зависит эффективность ввода излучения в оптическое волокно?

10 Оптические вентили

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).