Классический оптический циркулятор
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ.
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ ОПТИЧЕСКОЙ
СВЯЗИ
Доклад
На тему
Классический оптический циркулятор
Студент:
Лавров В.С.
Группа: 5962
Преподаватель:
Пашин В.Ф.
Санкт-Петербург
Оптический циркулятор
В истории полно примеров когда технические новинки не находят своего
широкого распространения в эпоху их появления. И только спустя пару десятков
лет появляется задача, которую они могут успешно решить. Одним из примеров
является оптический циркулятор, ОЦ (optical circulator), запатентованный еще в
1993 году (если быть внимательным, в тексте под ссылкой указана еще одна
публикация, датированная 1981 годом).
Назначение показанной конструкции более чем утилитарно. Это трехполюсник,
пропускающий излучение из порта "1" в "2", а обратно, из
"2" в "3". Причем с небольшими вносимыми потерями (около 1
дБ) и хорошей изоляцией (не менее 40 дБ). Физика действия куда сложнее, для
строгого описания работы устройства потребуется квантовая механика (к которой,
разумеется, никто не собирается прибегать в рамках данной статьи).
<#"804830.files/image002.jpg">
Действие
циркулятора основано в основном на эффекте Фарадея, а именно, повороте
плоскости поляризации света под действием магнитного поля. Не слишком новое
изобретение, еще в 1845 году оно было первым эксперементальным доказательством
связи между электромагнетизмом и светом. Сейчас на практике применяются
Фарадеевские вращатели (Faraday rotator), которые обеспечивают поворот
плоскости поляризации на 45 градусов. Изготовлены они из магнитоупорядоченных
кристаллов, в частности, в ферритов-гранатов. Эти материалы активно изучаются с
момента открытия в 1956 году, и весьма широко распространены в технике
"Классический"
оптический циркулятор
циркулятор поляризация свет магнитный
Но
вывести излучение в отдельный порт несколько сложнее. Поэтому для изготовления
циркулятора дополнительно понадобится специальный поляризатор с
пространственным смещением света(SWP- special walk-off polarizer) и полуволновая пластина(half-wave plate).
Пространственное смещение в данном случае необходимо для того, чтобы излучение
с разной поляризацией отклонялось в кристалле-поляризаторе под разным углом, и
соответственно, им можно было "управлять". Роль полуволновой пластины
куда более утилитарна, она работает, образно говоря, как усилитель,
"доворачивая" плоскость поляризации в удобное состояние.
Удобно
рассмотреть принцип действия на следующей иллюстрации:
<http://nag.ru/upload/images/1620905089.jpeg>
На
рисунке видно, что поляризатор делит пучок света на два луча - с горизонтальной
и вертикальной поляризациями (SOP - state of polarization, состояние
поляризации). Далее легко проследить на иллюстрации за "судьбой"
излучение на каждом этапе пути "туда и обратно". Осной момент -
Фарадеевский вращатель поворачивает плоскость поляризации на угол +45 градусов
вне зависимости от направления распространения света, полуволновая пластина
поворачивает плоскость поляризации на угол +45 или -45 градусов в зависомости
от направления распространения света.
В
общем, все практически как в рассмотренном выше примере с оптическим
изолятором.
Характеристики
оптических циркуляторов
Из принципа работы ОЦ следует, что вносимые в прямой канал потери,
заданные выражением А12 = -10 lg P2/P1 (где P1 - мощность на входе 1, Р2 -
мощность на выходе 2), определяются суммарным значением потерь коллимирующей
системы (включая аберрационные потери линз), потерь в оптических
элементах(поглощение, рассеяние и френелевское отражение), отклонением угла
фарадеевского вращения от 45° и потерь, связанных с неточностью установки
элементов. В зависимости от качества элементов и точности юстировки величина
вносимых потерь в прямом канале может составлять А12 ~ 0,8...1,6 дБ. Потери в
отраженном канале А23 = -10 lg P3/P2 практически лежат в том же интервале,
поскольку поворотная призма 4 и дополнительный рутиловый элемент 9 обладают
малыми потерями.
Величина изоляции порта 1 от порта 2, т. е. потери А21 = -10 lg P1/P2 так
же как и в случае оптического изолятора, определяются степенью разведения
поляризованных лучей в двулучепреломляющих элементах, угловой ошибкой при
взаимной ориентации этих элементов, отражением и рассеянием излучения в
фарадеевском вращателе, а также ошибками при юстировке элементов.
Экспериментально установлено, что рассеяние на различных дефектах в кристаллах
рутила и граната ограничивает максимальную величину изоляции на уровне 40...45
дБ.
Как уже отмечалось, в рассматриваемой структуре отсутствует
непосредственная связь между портами 1 и 3. Поэтому величина перекрестной
помехи на ближнем конце А13 = -10 lg P3/P1 определяется только френелевскими
отражениями от торцов первого рутилового элемента и фарадеевского вращателя и
может быть снижена до уровня менее - 50 дБ.
Обратные отражения А11, А22, А33 также определяются величиной
коэффициента отражения от горцев волокон и от граней элементов. Наклон торцов
волокон примерно на 7 градусов и граней элементов примерно на 1 градус приводит
к снижению обратных отражений до уровня 55...-60 дБ.
На основе предложенных структур изготавливаются и предлагаются
потребителям одномодовые поляризационно-независимые ОЦ длядиапазонов длин волн
1,3 и 1,55 мкм.
Список литературы
1. US
Patent 5212586 May 18, 1993 Optical circulator having simplified construction
2. <http://nag.ru>
. Fiber-Optic
Gyroscope - Lefevre H C