7.6. Оптические изоляторы
Оптический изолятор служит для передачи оптического излучения только в одном направлении, в котором он имеет небольшое вносимое затухание порядка 0.5-1.2 дБ. Для света распространяющегося в противоположном направлении оптический изолятор имеет затухание порядка 16-45 дБ [1,5]. Они обычно используются для подавления отраженных от неоднородностей волоконного тракта сигналов, которые могут нарушить работу одномодового лазера. Аналогичную функцию изоляторы выполняют в волоконно-оптических усилителях.
На входе оптического изолятора (рис. 7.33) перпендикулярно световому пучку устанавливается первый поляризатор, который имеет две ортогональные оси в плоскости поляризатора: пропускания и задерживания. На выходе из поляризатора свет имеет линейную поляризацию с направлением вектора E, определяемым осью пропускания поляризатора.
Свет, излучаемый лазерами – основными источниками излучения для ВОЛС, является линейно поляризованным. Линейно поляризованный свет характеризуется своим азимутом , т.е. углом на плоскости, перпендикулярной к оси светового пучка, между проекцией вектора E и некоторым направлением для которого принимаем = 0.
Для поляризатора также можно ввести понятие азимута , который определяется углом между направлением пропускания и тем же исходным направлением.
Пусть на поляризатор с азимутом падает линейно поляризованный свет с азимутом . Тогда мощность излучения P на выходе поляризатора составит:
, (7.22)
где P0 - мощность на входе поляризатора.
Рис. 7.33. Схема оптического изолятора.
Для уменьшения потерь в оптическом изоляторе азимут поляризатора изменяют до выполнения условия = . Далее линейно поляризованный свет проходит далее через ротатор, который поворачивает вектор E на 45.
Для поворота плоскости поляризации как правило используется магнитооптический эффект Фарадея, который возникает под действием магнитного поля при прохождении света через некоторые прозрачные вещества в направлении вектора магнитной индукции B, который обычно совпадает по направлению с напряженностью магнитного поля H = B/a, где a - абсолютная магнитная проницаемость. Сочетание стержня из магнитооптического материала и намагничивающей системы называют ячейкой Фарадея.
Для угла поворота плоскости поляризации в ячейке Фарадея справедливо:
(7.23)
где V - постоянная Верде материала ротатора, град/А, H - напряженность магнитного поля, А/м, L - длина оптического пути, м.
В качестве материала
для ячейки Фарадея чаще всего используют
кристаллы Y3Fe5O12
иттрий-железного граната (YIG),
которые обладают большой постоянной
Верде [9,10]. Иттрий-железный гранат
является ферромагнетиком и в оптических
изоляторах его намагничивают вдоль оси
легкого намагничивания до магнитной
индукции насыщения. При этом его удельное
вращение (
,
град/м) уже
практически не зависит от дальнейшего
увеличения напряженности магнитного
поля. Для диапазона длин волн 1.2-4 мкм
для удельного вращения можно записать
эмпирическую формулу
,
град/см,
(7.24)
где имеет размерность мкм. В этом диапазоне длин волн коэффициент затухания уменьшается от 3.5 до 0.5 дБ/см.
Для намагничивания до насыщения материала ячейки Фарадея используют постоянные магниты, например из самарий-кобальта.
Ячейка Фарадея является, так называемым, невзаимным элементом и углы поворота плоскости поляризации света прошедшего ячейку в прямом и обратном направлениях складываются. Таким образом, свет отраженный от неоднородностей, расположенных после ячейки Фарадея, и сохранивший исходную поляризацию на входе ячейки Фарадея после ее прохождения на входе поляризатора будет иметь ортогональный к исходной угол поворота плоскости поляризации и не пройдет через поляризатор обратно к источнику излучения (7.22).
Второй поляризатор (рис. 7.33), который часто называют анализатором, устанавливают на прохождение прямого излучения, т.е. под углом 45 по отношению к первому поляризатору. Он также пропускает и отраженное излучение которое возвращается без изменения азимута поляризации и которое потом подавляется первым поляризатором. Анализатор эффективно подавляет отраженные сигналы с ортогональной к исходной поляризацией.
Помимо затуханий в прямом и обратном направлениях оптический изолятор характеризуется центральной длиной волны, на которой обеспечивается максимальная разность затуханий в обратном и прямом направлениях и диапазоном длин волн в котором эта разность лежит в допустимых пределах. Для защиты лазеров от обратных отражений используются узкополосные (10-20 нм), а для оптических усилителей широкополосные (до 60 нм) оптические изоляторы. Важным параметром изолятора являются также возвратные потери, которые обычно превышают 55 дБ.