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 , находящийся в перпендикулярном магнитном поле Н, создаваемом постоянным магнитом 3. на выходе этого элемента 2 плоскость поляризации луча повернется на угол , определяемый постоянной , длиной элемента 2 – L и величиной Н. Значения этих параметров выбираются такими, чтобы угол поворота  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.