Оптический изолятор — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Оптический изолятор — оптический прибор, пропускающий свет в прямом направлении, но поглощающий в обратном. Оптические изоляторы применяются в оптических линиях связи для защиты резонаторов лазерных передатчиков от отражённых сигналов, а также как входной элемент оптических усилителей.
Основным элементом оптического изолятора является вращатель Фарадея. Вращатель Фарадея представляет собой пластинку из оптически неактивного кристалла, помещённую в постоянное магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света через такую пластинку вдоль силовых линий магнитного поля наблюдается эффект Фарадея: плоскость поляризации света поворачивается на угол, пропорциональный напряжённости магнитного поля и толщине пластинки. Направление поворота зависит от направления магнитного поля, но не зависит от направления света. Коэффициентом пропорциональности служит так называемая постоянная Верде, зависящая от длины волны и свойств материала; высокие значения постоянной Верде в инфракрасном диапазоне демонстрируют, например, различные гранаты, такие как тербий-галлиевый гранат (Tb
Схема оптического изолятора с вращателем Фарадея, поляризатором и анализатором. Свет распространяется в прямом направленииДля оптического изолятора толщина пластины вращателя Фарадея и величина магнитного поля выбираются таким образом, чтобы вращатель поворачивал плоскость поляризации на 45°. С обеих сторон от вращателя помещается по одному поляризатору, оси которых повёрнуты друг относительно друга также на 45°. Примем ось первого поляризатора за 0°, а ось второго (выполняющего функцию анализатора) — за 45°. В таком случае луч света, прошедший в прямом направлении через первый поляризатор, будет линейно поляризован вдоль оси 0°. Затем этот луч попадёт во вращатель Фарадея, который повернёт плоскость поляризации на +45°, и поляризованный в таком направлении свет свободно пройдёт через второй поляризатор. Если свет будет распространяться в обратном направлении (от второго поляризатора к первому), то после второго поляризатора его плоскость поляризации будет наклонена на 45°. Так как направление поворота не зависит от направления распространения света, вращатель Фарадея повернёт плоскость поляризации на +45°. На первый поляризатор свет попадёт поляризованным вдоль оси 90° и будет поглощён.
- Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. — СПб.: «Лань», 2010. — С. 267. — ISBN 978-5-8114-1028-6.
Изоляторы и вращатели Фарадея | photonica.pro
Введение
Основным компонентом оптического изолятора является вращатель Фарадея. Магнитное поле B, прикладываемое к вращателю Фарадея, вызывает поворот поляризации света из-за эффекта Фарадея. Угол поворота θ задается формулой θ = vBL, где
Вращатель Фарадея
Вращатель Фарадея является важным оптическим элементом в изоляторе. Характеристики вращателя Фарадея включают в себя высокую постоянную Верде, низкий коэффициент поглощения, низкий нелинейный показатель преломления и высокую лучевую стойкость. Двумя наиболее часто используемыми материалами для диапазона длин волн 700-1100 нм являются борисиликатное стекло, легированное тербием, и кристалл тербий-галлиевого граната (TGG). Для инфракрасного диапазона длин волн, обычно для 1300-4000 нм, используются кристаллы иттрий-железного граната (YIG).
Вращатель Фарадея обеспечивает необратимый поворот при сохранении линейной поляризации. То есть поворот поляризации во вращателе Фарадея всегда происходит в одном и том же относительном направлении. Поэтому в прямом направлении вращение +45°. В обратном направлении вращение составляет -45°. Это связано с изменением направления относительного магнитного поля, положительного в одну сторону, отрицательного – в другую. Таким образом, в сумме это приводит к повороту на 90° при двойном проходе. Это позволяет достичь более высокой изолирования.
Оптический изолятор
Оптические изоляторы в соответствии с их физическими принципами можно разделить на поляризационно-зависимые изоляторы и поляризационно-независимые изоляторы.
Изоляторы, зависящие от поляризации, или изоляторы Фарадея состоят из трех частей: входного поляризатора (поляризованного по вертикали), вращателя Фарадея и выходного поляризатора, называемого анализатором (поляризованным под 45°).
Поляризационно-зависимые изоляторы обычно используются в оптических системах свободного пространства. Это связано с тем, что поляризация источника обычно поддерживается системой. В оптоволоконных системах направление поляризации обычно диспергирует при распространении в волокнах без сохранения состояния поляризации. Следовательно, угол поляризации приведет к потере сигнала.
Поляризационно-независимый изолятор состоит из трех частей: входного двулучепреломляющего кристалла со смещением пучка, Вращателя Фарадея, полуволновой пластики и выходного двулучепреломляющего кристалла со смещением пучка.
Поляризационно-независимый изоляторы обычно используются в волоконных лазерных системах для поддержания стабильности частоты, например, для областей промышленной обработки и т.д.
Информация о входной поляризации
Все изоляторы свободного пространства необратимо поворачивают плоскость поляризации света на 45 градусов. Полуволновая пластинка может быть настроена для произвольной поляризации выходного излучения, если требуется.
Тематические статьи по фотонике
Компания Thorlabs
Оптические изоляторы. Принцип работы
Оптический изолятор – это устройство, которое пропускают свет в одном направлении. В основе работы оптического изолятора лежит магнитооптический эффект Фарадея. Изоляторы используются для защиты источников излучения от бликов, обратных отражений и сигналов. Обратные отражения могут повредить лазер или привести к скачку моды, амплитудной модуляции или частотному сдвигу. При работе с излучением высокой интенсивности обратные отражения могут привести к нестабильности и перепадам напряжения.
В 1842 году Фарадей обнаружил, что плоскость поляризации света вращается при распространении сквозь стекло (или другие материалы), которое находится в магнитном поле. Направление вращения зависит от направления магнитного поля и не зависит от направления распространения света. Угол поворота плоскости поляризации Ɵ пропорционален длине пути света в веществе L
Оптический изолятор состоит из входного поляризатора, ячейки Фарадея с магнитом и выходного поляризатора. Входной поляризатор выступает в качестве фильтра, который пропускает только линейно поляризованный свет на вход ячейки Фарадея. Ячейка Фарадея поворачивает поляризацию света на 45°, после чего свет проходит через другой линейный поляризатор. На выходе из изолятора получаем свет, плоскость поляризации которого повернута на 45° относительно плоскости поляризации света на входе. При распространении света в обратном направлении ячейка Фарадея повернет плоскость поляризации в том же направлении, таким образом плоскость поляризации света, распространяющегося в обратном направлении будет повернута на 90° относительно плоскости поляризации входного излучения. Теперь плоскость поляризации света перпендикулярна плоскости поляризации, которую пропускает входной поляризатор, и в результате энергия света, распространяющегося в обратном направлении отражается или поглощается в зависимости от типа поляризатора.
Рис.1 Эффект Фарадея
Поляризационно-зависимые изоляторы
Распространение света в прямом направлении
Предположим, что поляризатор на входе пропускает излучение с вертикальной плоскостью поляризации (0° см. рис. 2). Излучение лазера, поляризованное или неполяризованное, проходит через поляризатор и становится вертикально-поляризованным. Ячейка Фарадея повернет плоскость поляризации на 45° по часовой стрелке, и свет выйдет из изолятора через поляризатор, который пропускает свет, плоскость поляризации которого повернута на 45°.
Распространение света в обратном направлении
При распространении света в обратном направлении через изолятор, свет пройдет через выходной поляризатор, который пропускает свет с поляризацией, повернутой на 45°, относительно плоскости входного поляризатора. затем свет проходит через ячейку Фарадея и плоскость поляризации повернется еще на 45° по часовой стрелке. Таким образом плоскость поляризации окажется повернутой на 90° относительно плоскости пропускания входного поляризатора. В результате свет отразится или поглотиться.
Рис.2 Изменение ориентации плоскости поляризации при распространении света в поляризационно-зависимом изоляторе (ЯФ-ячейка Фарадея, П1-входной поляризатор, П2-выходной поляризатор)
Поляризационно-независимые изоляторы
Распространение света в прямом направлении
В поляризационно-независимом волоконно-оптическом изоляторе свет на входе разбивается на два пучка с помощью двулучепреломляющего кристалла (см. рис.3). Ячейка Фарадея и полуволновая пластинка поворачивают поляризацию света в каждом пучке прежде чем они попадут во второй двулучепреломляющий кристалл, который соединит их.
Распространение света в обратном направлении
Свет, распространяющийся в обратном направлении, попадет на второй двулучепреломляющий кристалл и будет разбит на два пучка, поляризация которых будет соответствовать состояниям поляризации в пучках, распространявшихся в прямом направлении. Ячейка Фарадея – невзаимный оптический элемент, таким образом она устранит поворот поляризации, который внесет полуволновая пластинка. Когда свет пройдет через входной двулучепреломляющий кристалл, пучки разойдутся таким образом, что не пройдут через коллимирующую линзу и не попадут в оптоволокно.
Рис.3 Изменение ориентации плоскости поляризации при распространении света в поляризационно-независимом изоляторе
Общие характеристики
Лучевая стойкость
Изоляторы от компании Thorlabs обладают более высоким коэффициентом пропускания в прямом и высоким уровнем изоляции в обратном направлении по сравнению с другими производимыми оптическими изоляторами. Также изоляторы Thorlabs компактнее других изоляторов с эквивалентной апертурой. В качестве ячейки Фарадея в оптических изоляторах Thorlabs используется кристалл Тербий Галлиевый Гранат (ТГГ), который обладает превосходными оптическими свойствами и устойчив к оптическому излучению высокой интенсивности. Лучевая стойкость ТГГ кристаллов достигает 22.5 Дж/см2, тестирование проходило при интенсивности 1.5 ГВт/см2 (длительность импульса: 15 нс) на длине волны 1064 нм и интенсивности 20 кВт/см2 в непрерывном режиме. Тем не менее, Thorlabs не несет ответственности за повреждения, обусловленные «горячими точками» лазерного пучка.
Магнит
Магнит является ключевым фактором, определяющим размер и характеристики оптического изолятора. Оптимальный размер магнита определятся не только напряженностью магнитного поля, но и конструкцией изолятора. Большинство магнитов, используемых компанией Thorlabs обладают сложной конструкцией. Устройство изолятора смоделировано таким образом, чтобы оптимизировать параметры, влияющие на размер, оптический путь, угол поворота плоскости поляризации и однородность магнитного поля. Так как вокруг изолятора существует сильное магнитное поле, компания Thorlabs рекомендует располагать стальные или магнитные элементы не ближе 5 см от изолятора.
Температура
Магнит и материал ячейки Фарадея меняют свои свойства при изменении температуры. Напряженность магнитного поля и постоянная Верде уменьшаются с ростом температуры.
Дисперсия импульса
Уширение импульса всегда наблюдается при распространении импульса сквозь среду с показателем преломления больше 1. Дисперсия импульса растет обратно пропорционально ширине импульса, и таким образом, может быть значительной при работе со сверхбыстрыми лазерами.
Рис.4 Дисперсия импульса в изоляторе
τ: ширина импульса до изолятора
τ(z): ширина импульса после изолятора
Пример:
τ=197 фс превращается в τ(z)=306 фс (представлено на графике)
τ=120 фс превращается в τ(z)=186 фс
Типы изоляторов от компании Thorlabs
Неперестраиваемые узкополосные изоляторы
Изолятор поворачивает плоскость поляризации излучения на рабочей длине волны на 45ᴼ. Положение поляризатора не регулируется, оно подобрано таким образом, чтобы обеспечить максимальное подавление обратного потока излучения на рабочей длине волны. При изменении длины волны излучения изоляция (потери при распространении обратного сигнала) начнет уменьшаться. На графике представлено изменение изоляции в зависимости от длины волны излучения.
|
Особенности: — ячейка Фарадея и поляризаторы фиксированы; — поляризационно-зависимые изоляторы; — компактный размер; — неперестраиваемые. |
Изолятор поворачивает плоскость поляризации излучения на рабочей длине волны на 45ᴼ. При изменении длины волны излучения изоляция (потери при распространении обратного сигнала) начнет уменьшаться. Чтобы восстановить максимальный уровень изоляции, необходимо повернуть выходной поляризатор. Вращение выходного поляризатора приведет к росту потерь сигнала в прямом направлении, причем эти потери будут тем больше, чем больше разница между длиной волны излучения и рабочей длиной волны.
|
Особенности: — ячейка Фарадея фиксирована; — возможность вращения выходного поляризатора; — поляризационно-зависимые. |
Перестраиваемые широкополосные изоляторы
Изолятор поворачивает плоскость поляризации излучения на рабочей длине волны на 45ᴼ. Изолятор оснащен регулировочным кольцом, которое позволяет менять количество материала ячейки Фарадея, помещаемого в магнитное поле. При изменении длины волны излучения, поворот плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея будет изменяться, и тем самым уровень изоляции начнет падать. Чтобы восстановить максимальный уровень потерь излучения в обратном направлении, необходимо повернуть регулировочное кольцо таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации излучения на выходе из ячейки Фарадея был равен 45ᴼ относительно ориентации плоскости поляризации излучения на входе в ячейку.
|
Особенности: — регулирование положения ячейки Фарадея относительно магнита; — поляризаторы фиксированы; — поляризационно-зависимые; — легкая регулировка; — широкий диапазон перестройки. |
Неперестраиваемые широкополосные изоляторы
В изолятор вместе с ячейкой Фарадея помещен кристалл кварца, который поворачивает плоскость поляризации излучения на 45°, таким образом, на выходе из изолятора поворот плоскости поляризации равен 90°. Уровень потерь при распространении обратного сигнала незначительно меняется при изменении длины волны излучения. Изолятор не требуется регулировать или перестраивать при работе в установленном рабочем диапазоне.
|
Особенности: — ячейка Фарадея и поляризаторы фиксированы; — поляризационно-зависимые изоляторы; — широкий диапазон с высоким уровнем изоляции; — не требует перестройки. |
Изоляторы с двумя ячейками Фарадея
Изолятор оснащен двумя ячейками Фарадея, между которыми расположен поляризатор. Комбинация ячеек действует таким образом, что поворот плоскости поляризации излучения на выходе изолятора равен 0°. Изоляторы с двумя ячейками Фарадея представляют собой узкополосные изоляторы, которые могут быть перестраиваемыми или неперестраиваемыми.
|
Особенности: — изоляция до 60 дБ; — поляризационно-зависимые изоляторы. |
В каталоге Thorlabs вы можете подобрать оптический изолятор для работы в любом спектральном диапазоне:
Волоконно-оптические изоляторы
В ассортименте компании Thorlabs представлены изоляторы, сопряженные с одномодовыми (SM fiber) или поляризационно-стабилизированными волокнами (PM fiber). Широкополосные изоляторы с одномодовыми волокнами могут использоваться с суперлюминесцентными диодами.
Настройка перестраиваемых узкополосных изоляторов
Как было отмечено ранее, чтобы восстановить максимальный уровень изоляции при изменении длины волны излучения, необходимо повернуть выходной поляризатор. Вращение выходного поляризатора приведет к росту потерь сигнала в прямом направлении, причем эти потери будет тем больше, чем больше разница между длиной волны излучения и рабочей длиной волны.
Принцип работы перестраиваемых узкополосных изоляторов
Перестраиваемые узкополосные изоляторы способны обеспечивать одинаковой уровень изоляции в пределах спектрального диапазона 20 – 40 нм около рабочей длины волны изолятора. При изменении длины волны излучения, поворот плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея будет изменяться, что приведет к уменьшению уровня изоляции. Например, если плоскость поляризации излучения на длине волны 670 нм ячейка Фарадея поворачивает на 45° (670 нм – рабочая длина волны), то плоскость поляризации излучения на длине волны 660 нм повернется на 46.5°. Если излучение на длине волны 660 нм пройдет через изолятор (с рабочей длиной волны 670 нм) в обратном направлении без настройки изолятора, угол поворота плоскости поляризации составит 45° + 46.5°= 91.5° относительно плоскости поляризации излучения на входе изолятора в прямом направлении. При этом проекция поляризации на плоскость пропускания поляризатора пройдет в обратном направлении через изолятор без подавления, таким образом уровень изоляции значительно упадет. Так как для полного подавления обратного излучения необходимо, чтобы плоскость поляризации была перпендикулярна плоскости пропускания входного поляризатора, необходимо повернуть выходной поляризатор, чтобы компенсировать увеличение угла поворота поляризации излучения при прохождении через ячейку Фарадея. В нашем примере поляризатор необходимо повернуть на 90° — 46.5° = 43.5°. Такая настройка позволит повысить уровень изоляции до прежнего максимального уровня.
|
При распространении в обратном направлении излучение на рабочей длине волны блокируется |
При распространении в обратном направлении излучение на длине волны отличной от рабочей частично пропускается изолятором |
Последствия настройки
Вследствие поворота выходного поляризатора коэффициент пропускания изолятора в прямом направлении уменьшится. Излучение с длиной волны 660 нм распространяется в прямом направлении с плоскостью поляризации повернутой на 0° после прохождения через входной поляризатор и поворачивается на 46.5° ячейкой Фарадея. Но выходной поляризатор теперь повернут на 43.5°. Уменьшение коэффициента пропускания можно вычислить с помощью закона Малюса:
,где Ɵ – угол между плоскостью поляризации излучении после ячейки Фарадея и плоскости пропускания поляризатора, I0– интенсивность до поляризатора, I – после него. Для малых отклонений от рабочей длины волны, уменьшение коэффициента пропускания мало, но при больших отклонениях становится значительным. В нашем примере (разница между рабочей длиной волны и длиной волны излучения 10 нм), θ = 46.5° — 43.5° = 3.0°, значит I = 0.997 I0.
|
Перестраиваемый узкополосный изолятор обеспечивает максимальный уровень изоляции на любой длине волны в пределах узкого спектрального диапазона |
Вследствие поворота выходного поляризатора при настройке изолятора коэффициент пропускания изолятора в прямом направлении уменьшится. |
Конструкция изолятора от компании Thorlabs позволяет легко повернуть выходной поляризатор не сбивая настройку остальных частей изолятора.
Типы оптических поляризаторов, используемых в изоляторах Thorlabs
Тип поляризатора, используемого в изоляторе указан в конце артикула каждой модели. Например, IO-2.5-1064-VLP.
|
Тип поляризатора |
Схема |
Макс. плотность мощности излучения |
Описание |
|
VLP |
25 Вт/см2 (CW, блокирование)
|
Пленочный поглощающий поляризатор-для самых компактных моделей. Максимальная плотность мощности изучения, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости пропускания поляризатора, равна 25 Вт/см2. Значение данной величины для излучения с плоскостью поляризации параллельной плоскости пропускания составляет 100 Вт/см2. | |
|
WG |
25 Вт/см2 (CW) |
Сеточные поляризаторы используются в моделях для работы в среднем ИК диапазоне. Они оснащены проволочной сеткой на кремниевой подложке c просветляющим покрытием. | |
|
PBS |
13 — 50 Вт/см2 (CW) |
Поляризационный светоделительный куб как правило используется при работе с излучением низкой интенсивности. Такой элемент позволяет оснастить модель дополнительным окном для вывода излучения (мониторинг или синхронизация). | |
|
GLB |
100 Вт/см2 (CW) |
Поляризаторы на основе призмы Глана, изготовленные из высокотемпературного двулучепреломляющего кристалла α-BBO, для работы в диапазоне от 210-450 нм. Благодаря двулучепреломлению между перпендикулярно поляризованными лучами в кристалле создается фазовый сдвиг. Отличается от HP поляризатора углом выхода излучения. | |
|
LP |
250 Вт/см2 (CW)
|
Кристаллический поляризатор на основе призмы Глана обеспечивает высокое светопропускание. Подходит для работы с высокой плотностью мощности. | |
|
MP |
100 Вт/см2 (CW)
|
Кристаллический поляризатор на основе призмы Глана. Подходит для работы с высокой плотностью мощности. Отклоненный пучок рассеивается внутри изолятора, что уменьшает плотность мощности излучения. | |
|
HP |
500 Вт/см2 (CW)
|
Кристаллический поляризатор на основе призмы Глана. Дополнительное выходное окно для синхронизации. | |
|
VHP |
20 кВт/см2 (CW)
|
Поляризаторы для работы с высокой мощностью излучения представляют собой поляризаторы Брюстера. Изоляторы с VHP поляризаторами могут быть оснащены дополнительным окном для вывода излучения |
Оптические изоляторы :: ВОЛС СИТИ
Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных неоднородностей, в особенности от мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями. В результате такого отражения часть энергии возвращается обратно. 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. Наиболее кардинальный способ подавления обратного потока основан на использовании оптических изоляторов. Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направлении с большим затуханием. Оптические изоляторы сегодня являются ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей, а также используются в качестве отдельного элемента оптической линии связи.
Вращение плоскости поляризации
В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея — вращение плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием продольного магнитного поля.
Угол поворота плоскости поляризации равен θ=VBZd, где V — постоянная Верде (Verdet) — удельное магнитное вращение, зависящая от природы вещества, температуры и длины волны света, ВZ — продольная составляющая индукции магнитного поля, d — 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.
Принцип действия оптического изолятора
Оптический изолятор состоит из трех элементов: поляризатора 1 (входного поляризатора), ячейки Фарадея 2 и анализатора 3 (выходного поляризатора), рис. 3.17. Параметры ячейки Фарадея выбираются так, чтобы ось поляризации света, проходящего через нее, разворачивалась на 45°. Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов.
Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор 1, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую, рис. 3.17 а. Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея 2, разворачивает плоскость поляризации на 45° и беспрепятственно проходит через анализатор 3.
При распространении света в обратном направлении (рис. 3.17 б) он также поляризуется в плоскости анализатора 3, затем, проходя через ячейку Фарадея 2, становится горизонтально поляризованным. Таким образом, оси поляризации света и поляризатора 1 составляют угол 90°, поэтому поляризатор 1 не пропускает обратное излучение.
Технические параметры
Основными требованиями, предъявляемыми к оптическому изолятору, являются малые вносимые потери в прямом направлении (~ 1-2 дБ) и высокая изоляция (потери при распространении обратного сигнала) в обратном направлении (>30 дБ). Кроме того, должны обеспечиваться прозрачность во всем диапазоне рабочих длин волн, стабильность параметров при изменении температуры. В диапазоне длин волн 1,3-1,55 мкм магнитооптическим материалом, используемом в ячейке Фарадея, является Y3 Fe3 O12. На длине волны 0,85 мкм используется парамагнитное стекло.
Рис. 3.17. Схема оптического изолятора:
а) полезный сигнал в прямом направлении проходит свободно; б) сигнал в обратном направлении поглощается поляризатором; в) вид оптического изолятора (справа) рядом с лазерным диодом
Параметры оптических изоляторов, выпускаемых фирмами EOT (Electro-Optic Technology), OFR (Optical For Research, Inc.) приведены в табл. 3.8.
Оптические изоляторы часто интегрируются в лазерный передающий модуль. Высокая эффективность такого решения связана с тем, что выходной оптический сигнал от лазерного светодиода имеет эллиптическую поляризацию. Оптический изолятор устанавливается так, чтобы плоскость поляризации анализатора 1 совпадала с плоскостью поляризации максимальной составляющей выходного сигнала от лазерного светодиода.
Оптические изоляторы также являются неотъемлемой частью оптических усилителей на примесном волокне. В этом случае устанавливается пара оптических изоляторов — один на входе, другой на выходе оптического усилителя. Поскольку оптические усилители, как правило, осуществляют усиление мультиплексного оптического сигнала, то необходимо, чтобы оптические изоляторы имели высокие характеристики во всем диапазоне длин волн, представленных в оптическом сигнале. Для этой цели используются специальные широкозонные оптические изоляторы.
Таблица 3.8. Технические параметры оптических изоляторов
Пиковая изоляция (на центральной длине волны) | ||
Полоса с изоляцией до 90% от пиковой | ||
Вносимые потери | ||
Обратные потери |
Изоляторы и вращатели Фарадея
Введение
Вредное воздействие оптической обратной связи на лазерные диоды и осцилляторы известно достаточно давно, оно вызывает частотную нестабильность, релаксацию колебаний, усиление стимулированного излучения, в некоторых случаях повреждает оптические приборы.
С развитием лазерных технологий необходимость в защите устройства лазеров от влияния эффектов обратной связи возросла. Изоляторы Фарадея полностью пропускают свет, распространяющийся в одном направлении, и подавляют любое излучение, распространяющееся в противоположном. Таким образом устраняются эффекты оптической обратной связи. Рис. 1 и 2 демонстрируют этот факт.
Рисунок 1. График шума
На рис. 1 показан график шума, смещенный на 60 кГц от фактической частоты лазера с синхронизацией мод из-за отражений от поверхности стекла без покрытия. Излучение шума соответствует релаксационным колебаниям в лазере, возникающим из-за остаточной обратной связи. Рис. 2 иллюстрирует эффективность изоляторов Фарадея в устранении этой проблемы.
Рисунок 2. Сигнал, полученный после установки изолятора Фарадея
По сути, изолятор — это вращатель поляризации Фарадея. Вращатель поляризации представляет собой оптически неактивное вещество (в основном вращатели изготавливают из редкоземельных материалов), к которому прикладывают магнитное поле. Эффект, проявляющийся в виде вращения плоскости поляризации проходящего излучения с сохранением состояния самой поляризации, называется эффектом Фарадея. Угол поворота рассчитывается по формуле:
(1)
где θ — угол поворота плоскости поляризации, V — константа Верде магнитооптического материала, Hz — продольная компонента магнитного поля, z — длина магнитооптического материала.
Принцип работы изолятора Фарадея
Изолятор Фарадея состоит из трех частей: входного поляризатора, вращателя Фарадея, полуволновой пластинки и выходного поляризатора (анализатора). Оси поляризаторов повернуты относительно друг друга на 45о. Пояснение к схеме на рис. 3: пусть ось первого поляризатора принята за 0о, ось второго — за 45о. Свет распространяется в прямом направлении, после прохождения через входной поляризатор будет линейно поляризован вдоль оси 0о. Затем пучок попадает во вращатель Фарадея, плоскость поляризации поворачивается на 45о, и свет беспрепятственно проходит через второй поляризатор. Если свет будет распространяться в обратном направлении (см. рис. 4), то после второго поляризатора его плоскость поляризации будет наклонена на 45°. Так как направление поворота не зависит от направления распространения света, вращатель Фарадея повернёт плоскость поляризации на +45°. На первый поляризатор свет попадет поляризованным вдоль оси 90° и будет поглощен.
Рисунок 3. Схема оптического изолятора: свет распространяется в прямом направлении
Рисунок 4. Схема оптического изолятора: свет распространяется в обратном направлении
Широкополосные оптические изоляторы для титан-сапфировых и прочих перестраиваемых лазеров
Широкополосные оптические изоляторы разработаны специально для таких приложений оптических технологий, как, например, создание отдельных изолирующих усилителей в цепях с титан-сапфировыми усилителями. Благодаря широкополосному диапазону, такие изоляторы позволяют мгновенно перестроить диапазон лазерного излучения. Стандартные изоляторы способны обеспечить высокую изоляцию и передачу только в узком диапазоне длин волн, шириной от 30 нм до 40 нм.
Общий диапазон пропускания широкополосных изоляторов составляет порядка 250 нм. Для расширения диапазона можно использовать дополнительные инструменты, но в таком случае потребуются некоторые ручные манипуляции: перемещение вращателя Фарадея в магнитном поле или настройка поляризаторов для компенсации изменения угла поворота.
Использование дополнительных инструментов, безусловно, расширит диапазон длин волн изолятора, однако эффективность всей системы практически не изменится. На рис. 5 показана передача и изоляция, достигнутая с помощью широкополосных изоляторов с центральной длиной волны 800 нм. Анализируя эти кривые и производя оценку, можно сформулировать следующее: в определенной конфигурации данный изолятор Фарадея может обеспечить изоляцию > 30 дБ и передачу свыше 70% одновременно в очень большом диапазоне длин волн.
Рисунок 5. Кривые эффективности изолятора Фарадея: пропускание и изоляция в зависимости от длины волны
Принцип работы широкополосных изоляторов
Широкий диапазон оптических изоляторов обусловлен компенсацией дисперсии во вращателе Фарадея. Дисперсия компенсируется с помощью кварцевого вращателя, установленного после вращателя Фарадея.
Направление вращения плоскости поляризации в ротаторе Фарадея зависит от направления магнитного поля, а направление вращения в кварцевом вращателе зависит от направления света, распространяющегося через него. При использовании кварцевого оптического вращателя с дисперсией, аналогичной дисперсии во вращателе Фарадея, и выравнивании вращателя Фарадея и вращателя поляризации на основе кварца таким образом, что вращение поляризации обратно отраженного света происходит в противоположных направлениях, изолятор Фарадея становится независимым от длины волны. Если вращатель Фарадея и кварцевый вращатель развернуты на 45° относительно друг друга (см. рис. 6) и имеют одинаковую дисперсию, то в прямом направлении плоскость поляризации развернется на 90°, в обратном поворот составит 0°. На рис. 7 показан обратный ход света, проходящего через широкополосный изолятор.
Рисунок 6. Схема широкополосного изолятора: свет распространяется в прямом направлении
Рисунок 7. Схема широкополосного изолятора: свет распространяется в обратном направлении
Дисперсия в ультрабыстрых титан-сапфировых лазерах, уравнение Селмейера для генерации третьей гармоники
В фемтосекундных титан-сапфировых лазерах уширение импульса, вызванное дисперсией во вращателе Фарадея, является серьезной проблемой. Ниже приведено уравнение Селмейера для тербий-галлиевого граната:
(2)
где E0 = 9.223 эВ и Ed = 25.208 эВ.
Основные оптические компоненты изолятора Фарадея
Оптика вращателя Фарадея: главным элементом изолятора, очевидно, считается магнитооптическое вещество во вращателе. Основной характеристикой магнитооптического вещества является достаточно высокая постоянная Верде: данная константа проявляется в виде низких коэффициентов поглощения и нелинейного показателя преломления, а также высокого порога повреждения. Кроме того, для предотвращения самофокусировки и других нежелательных эффектов (в том числе термических), оптический элемент должен быть как можно более компактным. Наиболее часто используемый магнитооптический материал для диапазона 650 — 1100 нм — это тербий-галлиевый гранат (TGG). Иногда применяется боросиликатное стекло, легированное тербием.
На производительность изолятора Фарадея серьезно влияют поляризаторы. Они должны иметь высокий порог повреждения, коэффициент затухания и иметь сниженные потери при передаче. В изоляторах диапазона от 1010 нм до 1080 нм используются оптически сопряженные кубические поляризаторы из плавленого кварца.
Коэффициент изоляции
В основном коэффициент изоляции определяется двумя факторами: коэффициентом затухания поляризационных пластин и вращающей оптики, а также радиальной однородностью ротатора Фарадея. Радиальная однородность — угол поворота поперечного сечения вращающей оптики. Следующее уравнение определяет коэффициент изоляции I.R. через коэффициент радиальной однородности вращателя Фарадея. Вращатель помещен между поляризаторами, коэффициент затухания которых ≥ 10-5 для гауссова пучка:
(3)
здесь I.R. — коэффициент изоляции в зависимости от радиальной однородности.
(4)
где a — радиус чистой апертуры, w — энергия гауссова пучка (по уровню интенсивности 1/e2, радиус пучка r составляет 2/3 радиуса чистой апертуры), β(r) — радиальное изменение вращения (угол поворота вдоль оси θ(r) — θ).
Порог импульсного повреждения
Порог импульсного повреждения вращателей поляризации рассчитывается для каждой длительности импульса отдельно. Часто применяется так называемый метод Т-масштабирования.
Порог импульсного повреждения ротаторов диапазона 1010 — 1080 нм и широкополосных вращателей: 10 Дж/см2 (τ/10 нс)1/2, где τ — требуемая ширина импульса.
© Electro-Optics Technology, Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции EOT на территории РФ
О наших изоляторах Фарадея в Nature Photonics
В Nature Photonics вышла небольшая заметка о статье наших экспериментаторов, опубликованной в Optics Express (тоже не последний журнал по оптике).
Статья посвящена разработке так называемых изоляторов Фарадея для мощных лазерных систем. Что такое изолятор Фарадея во всех подробностях можно узнать вот из этой научно-популярной лекции моего приятеля Дмитрия Железнова
Я же только кратко расскажу, в чём идея.
Изоляторы Фарадея или оптические вентили — это такие устройства, которые пропускают свет только в одном направлении. Основаны они на эффекте Фарадея — вращении плоскости поляризации с оптически неактивной среде, помещённой в магнитное поле. Особенностью эффекта является то, что направление вращения определяется не направлением распространения электромагнитной волны, как, например, при двулучепреломлении в оптически активных средах, а только направлением магнитного поля.
Это означает, что если такой элемент (называемый ячейкой Фарадея) вращает плоскость поляризации на 45 градусов, то отражённая волна будет довернута ещё на 45 градусов, став поляризованной перпендикулярно начальной волне.
Поставив поляризатор, такую волну можно полностью поглотить/отразить.
Поясняющая картинка.Изоляторы Фарадея очень важны для лазерных систем, особенно большой мощности, поскольку не позволяют усиленному сигналу попасть обратно в генератор, предохраняя тот от повреждений. Проблема заключается в том, что ячейку Фарадей сложно сделать для действительно мощных лазерных систем.
Достижение моих коллег заключается в том, что им удалось обнаружить такой материал для изолятора Фарадея, чтобы он мог работать вплоть до киловаттных мощностей. В работе продемонстрирована, правда, пока только уровень 500 Вт. Ну а в целом вся эта деятельность направлена на разработку лазерных систем средней мощностью более одного мегаватта.
Эта статья была изначально опубликована в моём блоге в ЖЖ.
Оптический изолятор — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Оптический изолятор — оптический прибор, пропускающий свет в прямом направлении, но поглощающий в обратном. Оптические изоляторы применяются в оптических линиях связи для защиты резонаторов лазерных передатчиков от отражённых сигналов, а также как входной элемент оптических усилителей.
Вращатель Фарадея
Основным элементом оптического изолятора является вращатель Фарадея. Вращатель Фарадея представляет собой пластинку из оптически неактивного кристалла, помещённую в постоянное магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света через такую пластинку вдоль силовых линий магнитного поля наблюдается эффект Фарадея: плоскость поляризации света поворачивается на угол, пропорциональный напряжённости магнитного поля и толщине пластинки. Направление поворота зависит от направления магнитного поля, но не зависит от направления света. Коэффициентом пропорциональности служит так называемая постоянная Верде, зависящая от длины волны и свойств материала; высокие значения постоянной Верде в инфракрасном диапазоне демонстрируют, например, различные гранаты, такие как тербий-галлиевый гранат (Tb3Ga5O12) и иттрий-железный гранат (Y3Fe5O12).
Принцип действия
Схема оптического изолятора с вращателем Фарадея, поляризатором и анализатором. Свет распространяется в прямом направленииДля оптического изолятора толщина пластины вращателя Фарадея и величина магнитного поля выбираются таким образом, чтобы вращатель поворачивал плоскость поляризации на 45°. С обеих сторон от вращателя помещается по одному поляризатору, оси которых повёрнуты друг относительно друга также на 45°. Примем ось первого поляризатора за 0°, а ось второго (выполняющего функцию анализатора) — за 45°. В таком случае луч света, прошедший в прямом направлении через первый поляризатор, будет линейно поляризован вдоль оси 0°. Затем этот луч попадёт во вращатель Фарадея, который повернёт плоскость поляризации на +45°, и поляризованный в таком направлении свет свободно пройдёт через второй поляризатор. Если свет будет распространяться в обратном направлении (от второго поляризатора к первому), то после второго поляризатора его плоскость поляризации будет наклонена на 45°. Так как направление поворота не зависит от направления распространения света, вращатель Фарадея повернёт плоскость поляризации на +45°. На первый поляризатор свет попадёт поляризованным вдоль оси 90° и будет поглощён.
См. также
Литература
- Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. — СПб.: «Лань», 2010. — С. 267. — ISBN 978-5-8114-1028-6.