Pasywne komponenty optyczne - Cyrkulator optyczny
Wprowadzenie
Cyrkulatory optyczne są urządzeniami mikroelektrycznymi i mogą być wykonane z dowolną liczbą portów, ale najbardziej popularne są wersje z 3 i 4 portami. Ponadto często buduje się wersję asymetryczną, w której ostatni port nie krąży do pierwszego. Chociaż oszczędza to trochę kosztów, nie jest to najważniejszy powód. Jeśli upewnimy się, że ostatni port nie krąży do pierwszego, możemy użyć urządzenia w systemach, w których nie potrzebujemy (lub nie chcemy) tej funkcji. Na przykład, jeśli wejście do pierwszego portu jest bezpośrednio podłączone do lasera, z pewnością nie chcemy, aby fałszywe sygnały były zwracane z powrotem do niego.
Jedną z największych atrakcji cyrkulatorów optycznych jest stosunkowo niski poziom strat. Typowe urządzenia powodują utratę portu do portu między 0,5 dB a 1,5 dB. Cyrkulatory optyczne są bardzo uniwersalnymi urządzeniami i mogą być używane w wielu aplikacjach. Na przykład dwukierunkowe łącze składające się z dwóch pasm włókien (po jednym dla każdego kierunku) jest multipleksowane na pojedynczą nić włókna. Można to zrobić, aby zaoszczędzić na kosztach włókna. Oczywiście, jeśli zrobiłeś coś takiego, musisz zachować szczególną ostrożność, aby zminimalizować odbicia na łączu.
Zasada działania
Samo nie ma jednej prostej zasady za cyrkulatorem optycznym. Cyrkulatory optyczne wykonane są z zespołu komponentów optycznych. Istnieje wiele różnych konstrukcji, ale kluczowa zasada jest taka jak w izolatorze optycznym. Podstawową funkcję cyrkulatora ilustruje poniższy rysunek. Światło wpadające do dowolnego portu porusza się wokół cyrkulatora i wychodzi do następnego portu. Światło wpadające do portu 1 opuszcza port 2, wchodząc do portu 2 na porcie 3 i tak dalej. Urządzenie działa symetrycznie wokół koła.
Światło przemieszczające się w jednym kierunku przez rotator Faradaya ma swoją polaryzację obróconą w jednym określonym kierunku. Światło wpadające do rotatora Faradaya z przeciwnego kierunku ma swoją fazę obróconą w przeciwnym kierunku (w stosunku do kierunku propagacji światła). Innym sposobem patrzenia na to jest powiedzenie, że światło jest zawsze obracane w tym samym kierunku w stosunku do rotatora, niezależnie od jego kierunku ruchu. Jest to skomplikowane przez obecność nieprzewidywalnej polaryzacji. Moglibyśmy odfiltrować niepożądaną polaryzację, ale stracilibyśmy (średnio) połowę naszego światła, a często o wiele więcej. Oddzielamy więc „promień” padający na dwa promienie spolaryzowane ortogonalnie i traktujemy każdą polaryzację oddzielnie. Dwie połówki promienia są następnie ponownie łączone przed wysłaniem do portu docelowego.
Oto rysunek przedstawiający podstawowy 3-portowy cyrkulator optyczny. Jego składniki działają w następujący sposób:
Sześcian rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej : To urządzenie oddziela promień wejściowy na dwa promienie spolaryzowane ortogonalnie.
Blok dwójłomny „odejście” : Jest to tylko blok materiału dwójłomnego wycięty pod kątem 45 ° do osi optycznej. Promień padający na normalny do interfejsu kryształ-powietrze jest podzielony na dwa promienie ortogonalnej polaryzacji. Zwykły promień nie jest załamany i przechodzi przez nie naruszony. Niezwykły promień załamuje się pod kątem normalnym.
Rotator Faradaya i płyta fazowa : Ta kombinacja przekazuje światło w jednym kierunku całkowicie niezmienione! (Na rysunku jest to kierunek od prawej do lewej). W przeciwnym kierunku polaryzacja przychodzącego światła jest obracana o 90 °. W kierunku od lewej do prawej rotator Faradaya nadaje obrót fazowy o 45 ° (zgodnie z ruchem wskazówek zegara), a płyta fazowa obraca światło o kolejne 45 ° (również w prawo). W ten sposób uzyskujemy obrót o 90 ° w prawo. W kierunku od prawej do lewej płyta fazowa obraca światło w tym samym kierunku (w stosunku do kierunku promienia światła), jak poprzednio, to jest w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara przy 45 °. Rotator Faradaya obraca jednak fazę w przeciwnym kierunku (w stosunku do kierunku promienia), jak to miało miejsce wcześniej, to znaczy zgodnie z ruchem wskazówek zegara o ten sam 45 °. Oznacza to, że faza jest obracana w przeciwnym kierunku. Zatem nie ma zmiany netto w polaryzacji. (Oczywiście w praktyce występują straty z powodu odbić i niedoskonałości w produkcji urządzeń).
Jak pokazano w 3-portowym cyrkulatorze optycznym, światło przemieszcza się z portu 1 do portu 2 w następujący sposób:
1. Wejście promienia na porcie 1 jest podzielone na dwa oddzielne promienie ortogonalnych polaryzacji. „Zwykły” promień przechodzi bez załamania, ale ortogonalnie spolaryzowany „nadzwyczajny” promień załamuje się (w górę na rysunku).
2. Oba promienie przechodzą od lewej do prawej przez rotator Faradaya i płytki opóźniające fazę. Oba promienie są obracane o 90 °.
3. Dwa promienie spotykają się następnie z innym blokiem dwójłomnym (blok B) identycznym z pierwszym. Efektem rotacji fazy w poprzednim etapie była zamiana statusu promieni. Promień, który był zwykłym promieniem w bloku A (i nie był załamany) staje się niezwykłym promieniem w bloku B (i jest załamany w bloku B). Niezwykły promień w bloku A (górna ścieżka na rysunku) staje się zwykłym promieniem w bloku B (i nie jest załamany w bloku B). Światło jest załamane i ponownie połączone, jak pokazano. Następnie jest wysyłany do portu 2.
Sprzężenie z włóknem na wejściu i wyjściu normalnie używałoby jakiegoś obiektywu. Zwykle można tu użyć soczewki GRIN. Ścieżka z Portu 2 do Portu 3 jest nieco bardziej zaangażowana:
1. Światło wpadające z portu 3 dzieli się na blok B.
2. Podróżując w odwrotnym kierunku, polaryzacja obu promieni pozostaje niezmieniona.
3. Blok dwójłomny A teraz przesuwa górny promień bez zmian, ale przesuwa dolny promień dalej. 4. Dwa promienie są następnie ponownie łączone za pomocą pryzmatu odbłyśnika i sześcianu polaryzującego wiązki światła.
Uwaga: Jeśli podłączasz tylko porty 1 i 2, cyrkulator optyczny może być używany jako izolator optyczny . Rzeczywiście, jeśli pominiesz kostkę rozpraszacza wiązki i pryzmat odbłyśnika, masz doskonały izolator niezależny od polaryzacji (bardzo niskiej straty). Ścieżka z portu 3 do portu 1 może być zbudowana przez dodanie dodatkowych komponentów; jednak dla większości aplikacji nie jest to konieczne, ponieważ i tak nie chcemy połączenia z portu 3 do portu 1.
Wniosek
Istnieje wiele sposobów konstruowania cyrkulatorów optycznych (zarówno 3, jak i 4-portowych). Wszystkie te sposoby używają kombinacji komponentów i podobnych zasad, jak te opisane powyżej. Największym problemem związanym z cyrkulatorami optycznymi jest to, że komponenty muszą być wytwarzane z bardzo bliskimi tolerancjami i umieszczane bardzo dokładnie. To powoduje, że koszt jest stosunkowo wysoki. Można jednak znaleźć opłacalne cyrkulatory optyczne w FOCC .
