4.5. Оптические вентили

Полупроводниковые лазеры и светодиоды, применяемые для связи, должны быть компактными, потреблять мало мощности, обеспечивать работу на длинах волн излучения, находящихся в окнах прозрачности волоконных световодов, а также должны удовлетворять ряду требований, касающихся спектрального состава излучения и его стабильности. Стабильность полупроводниковых лазеров сильно зависит от уровня отраженных сигналов, возвращенных обратно в резонатор и вызывающих флуктуации интенсивности, перестройку спектра, возрастание шумов (см. п. 4.2, а также работы [224, 2501). Чтобы отраженные сигналы не попадали в резонатор лазера, разрабатываются оптические вентили, обеспечивающие однонаправленную передачу.

Целесообразность применения оптического вентиля определяется назначением системы. Так, хотя для систем связи со скоростью передачи до 560 Мбит/с не выявлено заметного улучшения параметров в результате применения оптических вентилей, их используют в ряде систем со скоростью более 560 Мбит/с. В то же время ряд параметров световодных измерительных систем сильно зависит от амплитудных и фазовых шумов лазеров (см. п. 3.5) и здесь применение оптических вентилей чаще всего необходимо. Основными требованиями к оптическим вентилям являются обеспечение малых оптических потерь в прямом направлении (1—2 дБ) и больших потерь в обратном (20 дБ) (второй параметр часто называют развязкой прямого и обратного каналов). Оптические вентили могут разрабатываться в волоконном, микрооптическом и планарном исполнении.

Принцип работы вентилей в микрооптическом исполнении основан на невзаимном повороте плоскости поляризации излучения в результате эффекта Фарадея. Схема построения таких вентилей представлена на рис. 4.27. Коллимированный луч от источника излучения после прохождения через поляризатор линейно поляризован. Магнитооптический элемент поворачивает плоскость

поляризадии на 45° по часовой стрелке по отношению к поляризатору, пропускает излучение в фокусирующий элемент и далее в волоконный световод. Отраженный оптический сигнал, поступающий из волоконного световода, пройдя через анализатор и магнитооптический элемент, получает дополнительный поворот плоскости поляризации на 45° против часовой стрелки (распространение против поля). Следовательно, угол поворота плоскости поляризации составляет 90° по отношению к поляризатору, который не пропускает его к источнику излучения.

Основным функциональным компонентом оптических вентитилей этого типа является магнитооптический элемент, обеспечивающий поворот плоскости поляризации. Требование обеспечения малых оптических потерь при прохождении излучения через него вызывает необходимость применения различных материалов для оптических диапазонов мкм.

Рис. 4.27. Микрооптичеекий вентиль 1 — поляризатор, 2 — магнитооптический элемент (фарадеевский вращатель}, 3 — магнитная система, 4 — анализатор, «7 — фокусирующий элемент, 6 — волоконный световод

В диапазоне 0,8-0,9 мкм наибольшей магнитооптической добротностью обладают парамагнитные стеклз. Постоянная Верде для различных марок стекол [225] составляет рад/А на длине волны 0,8 мкм. На основе парамагнитных стекол разработано несколько конструкции оптических вентилей [102, 225, 243], отличающихся, главным образом, конструкцией магнитооптического элемента. Такой элемент, выполненный в виде цилиндрического стержня, в связи с малыми значениями постоянной Верде имеет довольно большею длину — порядка 50 мм. Разработан ряд конструкций, в которых увеличение оптического пути достигается за счет многократных отражений. Магнитная система обычно изготавливается из самарий-кобальтовых магнитных дисков, создающих поле порядка . В качестве анализаторов и поляризаторов используются призмы Глаиа—Томпсона, Рошона или многослойные оптические покрытия. Разработанные вентили имеют хорошие параметры: прямые оптические потери составляют дБ, а обратные дБ.

В диапазоне мкм магнитооптические элементы изготавливают из объемных или пленочных монокристаллических феррогранатов. Монокристаллы железоиттриевого граната на длине волны 1,15 мкм имеют магнитооптическую добротность и обладают удельным фарадеевским вращением Поле насыщения Для поворота

плоскости поляризации на 45° необходима пластина толщиной порядка 2 мм. Снижение оптических потерь, вызванных френелевским отражением, достигается за счет применения атиотражающих покрытий Оптические вентили с использованием объемных монокристаллов железопттриевого граната [188, 225, 333] имеют на длине волны 1,3 мкм прямые оптические потери обратные порядка 30 дБ

Величина фарадеевского вращения у железоиттриевого граната убывает с увеличением длины волны от 1,2 до 1,7 мкм с до поэтому этот материал не пригоден для создания широкополосного оптического вентиля, способного работать в диапазоне

1,7 мкм. Для железоиттербиевого граната, имеющего несколько худшую магнитооптическую добротность, фарадеевское вращение составляет во всем диапазоне длин волн мкм и поле насыщения

Рис. 4.28 Планарный оптический вентиль 1 — призма, 2 — планарный магнитооптический световод, 3 — поляризатор, 4 — неъзапмный (фарадеевский) вращатель, — взаимный вращатель 6 — градиентная лннза 7 — волоконный световод

На его основе разработан широкополосный вентиль, имеющий прямые оптические потерн 7,5 дБ и обратные потери 32 дБ [105].

Уменьшение внешнего поля может быть достигнуто за счет применения толстых монокристаллических пленок феррогранатов На пленке толщиной 120 мкм, выращенной на подложке гадолиниево-галлиевого граната, созданы устройства, требующие внешнего магнитного поля напряженностью всего Прямые оптические потери на длине волны 1,3 мкм составляют 0,8 дБ, а обратные — дБ [98, 99]

Перспективными материалами являются содержащие висмут редкоземельные феррогранаты имеющие экстремально высокие значения фарадеевского вращения для мкм) [375]. На их основе можно реализовать оптические вентили с прямыми потерями менее 1 дБ и обратными потерями 30 дБ, возможно применение этих материалов и в диапазоне мкм. Однако изготовление высококачественных монокристаллов, содержащих до висмута, в настоящее время является серьезной проблемой.

Оптические вентили на основе планарных световодов требуют последовательного использования невзаимного оптического эффекта (направление вращения плоскости поляризации зависит от направления распространения света) и взаимного оптического эффекта. Схема построения планарного оптического вентиля представлена на рис. 4.28.

Коллимированный луч вводится в планарный световод и после прохождения поляризатора (поглотителя -мод) в световоде распространяется только -мода. В результате невзаимного оптического эффекта обеспечивается преобразование 50 % оптической энергии в -моду, которое можно рассматривать как поворот плоскости поляризации на 45°. В результате взаимного оптического эффекта осуществляется преобразование -моды в ТЕ-моду, таким образом на анализатор поступает ТЕ-мода, которую он пропускает на элементы вывода излучения из планарного световода и далее в волоконный световод. Свет, распространяющийся в обратном направлении, в результате последовательного действия взаимного и невзаимного оптических эффектов преобразуется в -моду, которая поглощается поляризатором, и излучение не возвращается в источник излучения.

Рис. 4.29. Волоконно-оптический вентиль

При использовании в качестве световода монокристаллической пленки железоиттриевого граната [118] действие невзаимного изотропного преобразователя основывается на эффекте Фарадея, а взаимного анизотропного преобразователя — на эффекте Коттон—Мутона [1181. Поглотителем ТТИ-мод служит напыленная пленка алюминия. Излучение в гранатовой пленке распространяется в направлении Для возникновения эффекта Коттон— Мутона необходимо, чтобы магнитный момент составлял с плоскостью пленки и был перпендикулярен к направлению распространения. Это достигается приложением внешнего магнитного поля с компонентами Константы ТМ-преобразования для пленки железоиттриевого граната для изотропного и анизотропного эффектов равны соответственно .

Применение в качестве волновода пленки на подложке гадолиниево-галлиевого граната [100] и использование пленки для улучшения анизотропного преобразования позволило реализовать оптический вентиль с прямыми потерями 4 дБ и обратными потерями 13 дБ.

На основе одномодовых волоконных световодов, обладающих собственным или созданным за счет конструкции катушки двулучепреломлением также могут быть созданы оптические вентили [135]. Схема построения вентиля представлена на рис. 4.29. Принцип действия вентиля основан на перераспределении энергии между ортогональными поляризациями в волоконном световоде, обладающем двулучепреломлением, под действием магнитного

поля в результате эффекта Фарадея. Это перераспределение [136] подчиняется закону

где — электрические компоненты световой волны, параллельные осям двулучепреломления; V — постоянная Верде (для чистого кварца — магнитная индукция.

Перераспределение 50 % энергии из одной составляющей в другую эквивалентно повороту плоскости поляризации на 45°.

При прохождении света через поляризатор и катушку, расположенную в магнитном поле, плоскость поляризации поворачивается на 45°, и свет проходит через анализатор без ослабления. В обратном направлении добавляется 45° и такое излучение не пропускается поляризатором. Двулучепреломление в волоконном световоде может быть создано за счет соответствующей конструкции и технологии изготовления, например за счет анизотропных напряжений, возникающих при намотке волокна на катушку с определенным радиусом. При этом двулучепреломление описывается формулой , где — радиус волокна; — радиус витков; для мкм.

Для катушки диаметром 2 см в магнитном поле с индукцией поворот плоскости поляризации на 45° достигается при 25 витках (приблизительно волокна). Устройство на основе такой катушки имеет прямые оптические потери дБ и обратные потери 44,5 дБ.

Таким образом, разработаны или разрабатываются оптические вентили на основе микрооптики, планарных и волоконных световодов. Микрооптические вентили доведены до параметров, необходимых для применения в аппаратуре, планарные и волоконные еще не отвечают всем предъявленным требованиям. Микрооптические и волоконные вентили совместимы с устройствами ввода излучения в волоконный световод из полупроводникового лазера. Перспективы разработки планарных оптических вентилей не ясны, особенно в связи с тем, что они должны существовать в виде дискретных устройств, так как на современном этапе совмещение технологии изготовления полупроводниковых лазеров и магнитооптических планарных световодов представляется чрезвычайно сложной задачей.