Оптические изоляторы

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=VB_Zd, где V — постоянная Верде (Verdet) — удельное магнитное вращение, зависящая от природы вещества, температуры и длины волны света, В_Z — 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.

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

Модель	IO-G-1310 (1310 нм)	IO-G-1550 (1550 нм)
Пиковая изоляция (на центральной длине волны)	> 36 дБ	8 — 16 дБ
Полоса с изоляцией до 90% от пиковой	1*2% от Я,=1310 нм	1*2% от Я, =1550 нм
Вносимые потери	0,7-И,2 дБ	0,7*1,2 дБ
Обратные потери	> 55 дБ	> 55 дБ
Рабочая температура	-20 * +55°С	-20 * +55°С
Температура хранения	-35 н- +80°С	-35 * +80°С
Относительная влажность	95%, 0°С * 40°С	95%, 0°С * 40°С