5.3Магнитооптические модуляторы

Как известно, существуют ряд материалов, оптические свойства которых изменяются в зависимости от напряженности приложенного магнитного поля, т.е. магнитной индукции B в веществе. Эти явления называются магнитооптическими эффектами. Одним из этих является вращение плоскости поляризации прошедшего света – так называемый эффект Фарадея. В этом случае угол поворота плоскости поляризации пропорционален также длине пути излучения в веществе l: VBl (5.19)

где B - магнитная индукция, V - постоянная Верде, зависящая от частоты излучения.

Эффект Фарадея наиболее выражен в ферромагнитах, которые по этой причине используются в магнитооптических, так называемых фарадеевских модуляторах. В ферромагнетиках угол поворота  пропорционален не B, а намагниченности магнетика I=(-1)B/(4), где  -магнитная проницаемость: KIl, (5.20)

где K – постоянная Кундта.

Схема фарадеевского модулятора на кристалле феррита-граната имеет вид, показанный на рис. 5.9.

Рис.5.9. 1,6 - поляризаторы; 2,5 – линзы; 3 - намагничивающая катушка; 4 - ячейка Фарадея на кристалле У3Fe5O12; Um –модулирующее напряжение.

Глубина модуляции магнитооптического модулятора  40%, частота модуляции до 200 МГц, диапазон длин волн от 1,15 до 5 мкм.

Эффект Фарадея используется также очень широко для создания оптических изоляторов для систем оптической передачи для устранения отраженных сигналов от различных неоднородностей и мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями.

6Волоконно-оптические усилители

6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей

Волоконно-оптические усилители являются одним из ярких приложений квантовой электроники в современную телекоммуникационную технологию. В рассматриваемом случае активной средой служит оптическое волокно, сердцевина которого легирована редкоземельным элементом. Широкое применение получили волоконно-оптические усилители, легированные атомами эрбия (EDFA-erbium-doped fiber amplifier), которые позволяют получить усиление оптического излучения в области длин волн 1,531,56 мкм. На рис. 6.1. представлено сечение легированного эрбием (Er³⁺) оптического волокна. Использование в качестве матрицы для атомов эрбия кремниевого стеклянного волокна, потери которого на длине волны 1,55 мкм не превышает 0,2 дБ/км, сделало эти волоконно-оптические усилители наиболее распространённым элементом в системах оптической связи.

Рис. 6.1. Радиальное сечение легированного эрбиевого волокна: 1-область примеси эрбия, 2-сердцевина с примесью германия d=36 мкм, 3-кремниевая оболочка d=125 мкм, 4-внешняя оболочка d=250 мкм.

Принцип работы эрбиевого волоконно-оптического усилителя основан на использовании явления квантового усиления входной волны при индуцированных переходах ⁴I_13/2⁴I_15/2 (рис. 6.2.). Уровень ⁴I_13/2 иона эрбия является метастабильным, следовательно, накачиваемыми уровнями могут быть уровни ⁴I_11/2, ⁴I_9/2 и выше (соответствующие длины волны накачки 0,98 мкм, 0,81 мкм и т.д.). Однако, возможна накачка оптическим излучением на длине волны 1,48 мкм, так как имеется небольшая энергетическая щель между этой линией накачки и линией усиления, то имеется возможность создания инверсии населённостей между энергетическими уровнями ⁴I_13/2 и ⁴I_15/2. Поскольку в стеклянной матрице в результате эффекта Штарка энергетические уровни ионов эрбия расщепляются на несколько подуровней, то лазерные уровни значительно уширяются, а именно, уровень ⁴I_13/2 расщепляется на 7 подуровней, а ⁴I_15/2- на 8 подуровней и в итоге образуются 56 возможных излучательных

Рис.6.2.Диаграмма энергетических уровней и электронных переходов ионов Er3+ в кремниевом стеклянном волокне.

п ереходов - переходов индуцированных и спонтанных.

Появляющееся в процессе спонтанных переходов спонтанное излучение усиливается (ASE-усиленное спонтанное излучение) и создаёт в системе оптической передачи принципиально неустранимые оптические шумы. В общем случае, в результате включения волоконно-оптического усилителя в волоконно-оптические линии связи происходит добавление к усиливаемому оптическому сигналу некогерентного сигнала усиленного спонтанного излучения, остаточного излучения лазера накачки и отражённых на соединениях усилителя с линией сигналов (рис. 6.3.).

Рис. 6.3. Оптические сигналы в волоконно-оптической линии связи с оптическим усилителем