Passiva optiska komponenter - Optisk cirkulator
Introduktion
Optiska cirkulatorer är mikrooptiska enheter och kan tillverkas med vilket antal portar som helst, men 3 och 4 portversioner är vanligast. Det är också vanligt att bygga en asymmetrisk version där den sista porten inte cirkulerar runt till den första. Även om detta sparar lite kostnad är det inte den viktigaste anledningen till att göra det. Om vi ser till att den sista porten inte cirkulerar till den första kan vi använda enheten i system där vi inte behöver (eller vill) den här funktionen. Om till exempel ingången till den första porten är direkt ansluten till en laser vill vi verkligen inte att falska signaler ska återföras tillbaka till den.
En av de stora attraktionerna hos optiska cirkulatorer är den relativt låga nivån av förlust. Typiska enheter ger en port-till-port-förlust på mellan 0,5 dB och 1,5 dB. Optiska cirkulatorer är mycket mångsidiga enheter och kan användas i många applikationer. Exempelvis multiplexeras en dubbelriktad länk bestående av två fibersträngar (en för varje riktning) på en enda fibersträng. Detta kan göras för att spara kostnaden för fiber. Självklart om du gjorde något så här skulle du behöva vara noga med att minimera reflektioner på länken.
Operativ princip
I sig är det ingen enkel, enkel princip bakom den optiska cirkulatorn. Optiska cirkulatorer är gjorda av en sammansättning av optiska komponenter. Det finns många olika utföranden men huvudprincipen är som den optiska isolatorn. Den grundläggande funktionen hos en cirkulator illustreras i figuren nedan. Ljus som kommer in i en viss hamn reser runt cirkulatorn och går ut i nästa hamn. Ljusinmatning vid hamn 1 lämnar vid port 2, in i port 2 lämnar på port 3 och så vidare. Enheten är symmetrisk i drift kring en cirkel.
Ljus som reser i en riktning genom en Faraday-rotator har sin polarisering roterad i en viss riktning. Ljus som går in i Faraday-rotatorn från motsatt riktning har sin fas roterad i motsatt riktning (i förhållande till ljusets utbredningsriktning). Ett annat sätt att se på detta är att säga att ljuset alltid roteras i samma riktning i förhållande till rotatorn oavsett dess färdriktning. Detta kompliceras av närvaron av oförutsägbar polarisation. Vi kunde filtrera den oönskade polarisationen ut men vi skulle förlora (i genomsnitt) hälften av vårt ljus genom att göra det - och ofta mycket mer. Så separerar vi händelsen "ray" i två ortogonalt polariserade strålar och behandlar varje polarisering separat. De båda halvorna av strålen kombineras sedan igen innan de matas ut till destinationsporten.
Här är en figur som visar en grundläggande 3-ports optisk cirkulator. Dess komponenter fungerar som följande:
Polariserande strålkub : Denna enhet skiljer ingångsstrålen i två ortogonalt polariserade strålar.
Birefringent "Walk-off" Block : Detta är bara ett block av dubbelbrytande material klippt vid 45 ° till optikaxeln. En strålningsincident vid en normal till luftkristallgränssnittet är uppdelad i två strålar med ortogonal polarisation. Den vanliga strålen bryts inte och passerar genom opåverkad. Den extraordinära strålen bryts i vinkel mot det normala.
Faraday Rotator och Phase Plate : Denna kombination passerar ljus i en riktning helt oförändrad! (I figuren är det riktningen från vänster till vänster.) I motsatt riktning roteras polariseringen av inkommande ljus 90 °. I vänster-till-vänster riktning ger Faraday-rotatorn en fasrotation på 45 ° (medurs) och fasplattan roterar ljuset ytterligare 45 ° (medurs medurs). Således får vi 90 ° medurs rotation. I vänster riktning roterar fasplattan ljuset i samma riktning (i förhållande till ljusstrålens riktning) som tidigare, det vill säga moturs med 45 °. Faraday rotatorn roterar emellertid fasen i motsatt riktning (i förhållande till strålens riktning) som tidigare, det vill säga medurs med samma 45 °. Det är fasen roteras i motsatt riktning. Således är det ingen nettoförändring i polarisationen. (I praktiken finns det naturligtvis förluster på grund av reflektioner och brister i tillverkningen av apparater.)
Som visas i optisk cirkulator med 3 portar, reser ljus från port 1 till port 2 enligt följande:
1. En strålningång på port 1 är uppdelad i två separata strålar med ortogonala polarisationer. Den "vanliga" strålen går igenom utan brytning men den ortogonalt polariserade "extraordinära" strålen bryts upp (uppåt i figuren).
2. Båda strålarna går från vänster till höger genom Faraday-rotatorn och fasfördröjningsplåtarna. Båda strålarna roteras genom 90 °.
3. De två strålarna möter sedan ett annat dubbelbrytande block (block B) som är identiskt med det första. Effekten av fasrotationen i det föregående steget var att byta strålarnas status. Strålen som var den vanliga strålen i block A (och inte bryts) blir den extraordinära strålen i block B (och bryts i block B). Den extraordinära strålen i block A (den övre vägen i figuren) blir den vanliga strålen i block B (och bryts inte i block B). Ljuset bryts och kombineras som visas. Den matas sedan ut till port 2.
Koppling till fiber på ingång och utgång skulle normalt använda en lins av något slag. Vanligtvis kan en GRIN-lins användas här. Stigen från hamn 2 till hamn 3 är något mer inblandad:
1. Ljusinmatning från port 3 delas i block B.
2. Rörelse i omvänd riktning är polariseringen av båda strålarna oförändrad.
3. Birefringent block A passerar nu övre strålen oförändrad men skiftar den nedre delen längre bort. 4. De två strålarna kombineras sedan med reflektorprismen och polariserande strålkastare-kuben.
Obs! Om du bara ansluter portar 1 och 2 kan den optiska cirkulatorn användas som en optisk isolator . Faktum är att om du lämnar strålkubben och reflektorprismet, har du en utmärkt (mycket låg förlust) polarisationsoberoende isolator. En väg från port 3 till port 1 kan konstrueras genom att lägga till ytterligare komponenter; För de flesta tillämpningar är det dock inte nödvändigt eftersom vi inte vill anslutningen från port 3 till port 1 ändå.
Slutsats
Det finns många sätt att konstruera optiska cirkulatorer (både 3 och 4 port). Alla dessa sätt använder kombinationer av komponenter och liknande principer som de som beskrivits ovan. Det största problemet med optiska cirkulatorer är att komponenterna måste tillverkas till mycket nära toleranser och placeras extremt exakt. Detta medför att kostnaden är relativt hög. Du kan dock hitta kostnadseffektiva optiska cirkulatorer i FOCC .
