ОПТИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР Российский патент 1997 года по МПК G02B6/42 

Изобретение относится к оптическим компонентам квантовой электроники, а именно, к оптическим изоляторам, используемым в излучающих модулях на полупроводниковых лазерах, в полупроводниковых и волоконно-оптических усилителях.

Использование таких излучателей/усилителей в системах волоконной дистанционной связи, в основном, ограничивается величиной относительной интенсивности шумового сигнала в распространяющемся излучении. Высокий уровень шума обусловлен влиянием значительного излучения, распространяющегося по световолоконной линии в обратном направлении (далее "обратно отраженное излучение") и попадающего в активную область излучателя. В общем случае, в это обратно отраженное излучение входят излучения, отраженные от поверхностей оптических компонентов (линз для ввода излучения в световод), от "дальнего" и "ближнего" торцов световода, от неоднородностей самого световода (Рэлеевское рассеяние). Это приводит к снижению скорости передачи сигналов и увеличивает вероятность ошибок по битам в волоконно-оптических системах связи.

Известны различные конструкции оптических компонентов и определенное выполнение оптических элементов, позволяющих снизить как влияние, так и величину обратно отраженного излучения. Например, нанесение антиотражающих покрытий на поверхности оптических компонентов, в том числе и на торцы световодов изготовление полированных косых торцев, использование оптических изоляторов различных конструкций [1, 2, 3] Последние, несмотря на увеличение габаритов системы, позволяют значительно снизить уровень обратно отраженного излучения за счет высоких потерь излучения при проходе его в обратном направлении, тем самым обеспечивая изоляцию излучателя/усилителя от обратно отраженного излучения.

Оптический изолятор известной конструкции [1] состоит (см. фиг. 1, 2) из пары линз 1, 2, расположенных с двух сторон невзаимной части 3, содержащей пару двулучепреломляющих кристаллов 4, 5 и помещенный между ними 45^o Фарадеевский ротатор 6 и 45^o кварцевый ротатор 7.

Прямое излучение (см. фиг. 1) из входного световода 8 коллимируется линзой 1 и этот коллимированный пучок расщепляется двулучепреломляющим кристаллом 4 на два пучка с взаимно ортогональными плоскостями поляризации (обыкновенный и необыкновенный пучки), как показано на фиг. 2. При этом ось необыкновенного пучка смещена относительно оси входного пучка на некоторое расстояние, зависящее от длины двулучепреломляющего кристалла. Плоскости поляризации пучков, поворачиваются на 90^o после прохождения двух ротаторов 6, 7. Направление оптической оси выходного кристалла 5 повернуто на 90^o относительно оптической оси входного кристалла 4, так что обыкновенному и необыкновенному пучку во входном кристалле 4 соответствуют необыкновенные и обыкновенные пучки в выходном кристалле 5. Эти пучки на выходе выходного кристалла 5 смешиваются в один пучок, параллельно смещенный относительно входного пучка, который затем фокусируется линзой 2 на торец выходного световода 9. При обратном распространении излучения (см. фиг. 2) поляризации пучков не изменяются после прохождения ротаторов 6, 7. При этом обыкновенный пучок смещен относительно входного пучка, а необыкновенный выводится через боковые грани двулучепреломляющего кристалла 4. Тем самым обеспечивается изоляция излучателя от обратно отраженного излучения. Длина двулучепреломляющего кристалла 4, 5 выбирается таким образом, чтобы расстояние между пучками при обратном проходе излучения было настолько велико, что обыкновенный пучок не мог бы быть эффективно сфокулирован на торец входного световода. Авторами использованы две SELFOC линзы диаметром 2 мм с числовой апертурой 0,6 для согласования одномодовых световодов и кристаллы кальцита длиной 20 мм в качестве двулучепреломляющих кристаллов. Длина 45^o кварцевого ротатора, из справочных данных, ориентировочно составляет 15 мм. Опубликованы следующие параметры оптического изолятора: прямые потери составляют порядка 2 dB и изоляция более 30 dB. Отмечено, что оптический изолятор данной конструкции является поляризационно-нечувствительным, то есть потери на прохождение излучения в прямом направлении не зависят от положения плоскости поляризации входного излучения.

К недостаткам данной конструкции следует отнести:
1. Большие габариты изолятора, а, следовательно, и большое расстояние между линзами, что приводит к дополнительным потерям на ввод излучения из одного световода в другой.

2. Параллельное смещение выходного пучка по отношению к входному усложняет конструкцию ввода излучения из входного световода в выходной.

Известны оптические изоляторы [2, 3] в которых двулучепреломляющие кристаллы выполнены в виде клинообразных призм (далее "клиньев"), в разрезе представляющих собой прямоугольные треугольники с определенными углами при вершинах. Клинья установлены один на основание, другой на вершину. При этом их грани, являющиеся в сечении гипотенузами для прямоугольных треугольников, либо обращены внутрь невзаимной части 3 [2] см. фиг. 3-5, либо наружу [3] см. фиг. 6, 7. Прохождение пучков излучения в обоих известных оптических изоляторах однотипно.

Рассмотрим его на примере оптического изолятора [3] являющегося более близким по технической сущности и содержащего входной и выходной коллимирующие элементы и помещенную между ними невзаимную часть в виде узла, включающего последовательность расположенных от входного коллимирующего элемента первого двулучепреломляющего клина, 45^o Фарадеевского ротатора с заданным направлением поворота плоскости поляризации и второго двулучепреломляющего клина, оптическая ось в котором повернута на угол 45^o относительно оптической оси первого двулучепреломляющего клина.

Прямой пучок, падающий со стороны входного световода 8 (см. фиг. 4, 6) коллимируется линзой 1 в параллельный пучок и попадает во входной двулучепреломляющий клин 9. Этот пучок после прохождения через первый, входной клин расщепляется на два пучка, плоскости поляризации которых взаимно ортогональны: обыкновенный и необыкновенный. Далее пучки проходят через 45^o Фарадеевский ротатор 10 и второй двулучепреломляющий клин 11. Ротатор установлен так, чтобы производимый им поворот плоскости поляризации был согласован с направлением поворота оптической оси во втором клине относительно оптической оси в первом. Второй, выходной клин установлен таким образом, чтобы угловые отклонения пучков, вызванные входным клином, компенсировались выходным клином. После прохождения через 45^o Фарадеевский ротатор 10 плоскости поляризации пучков поворачиваются на 45^o. Тогда для пучков в прямом направлении оптическая ось в клине 11 оказывается не повернутой относительно оптической оси в клине 9. То есть, обыкновенный пучок для клина 9 является обыкновенным для клина 11, а необыкновенный для клина 9 является необыкновенным для клина 11. Другими словами, для каждого из расщепленных пучков показатели преломления двулучепреломляющего материала, из которого изготовлены клинья, одни и те же, для каждого свой. Таким образом имеем на выходе из узла 13 два пучка с взаимно ортогональными направлениями плоскостей поляризации, параллельно смещенных в плоскости углов клиньев относительно входного пучка, падающего на узел 13.

Обратно отраженное излучение от входного световода 12 коллимируется линзой 2 в параллельный пучок, расщепляемый клином 11 на два пучка со взаимно ортогональными направлениями плоскостей поляризации, на обыкновенный и необыкновенный (см. фиг. 5, 7). Далее пучки проходят ротатор 10 и попадают на входной клин 9. Для пучков в обратном направлении оптическая ось в клине 9 оказывается повернутой на 90^o относительно оптической оси в клине 11. Таким образом обыкновенному и необыкновенному пучку в выходном клине соответствуют необыкновенные и обыкновенные пучки во входном клине. Таким образом отклонения пучков, вызванные выходным клином 12, не компенсируются входным клином 9. При этом обратно отраженное излучение фокусируется входной линзой вне торца входного световода 8.

Обе рассмотренные известные конструкции [2, 3] имеют меньшие габариты по сравнению с конструкцией [1] Однако для конструкции [2] углы клиньев необходимо согласовывать с фокусным расстоянием линз и с типом световодов (одномодовый или многомодовый), что создает трудности в изготовлении системы. Поэтому в оптическом изоляторе [2] значительно усложнены юстировка и ужесточены допуска на относительный сдвиг выходного световода по сравнению с вводом в световод одного пучка. Изолятор поляризационно-нечувствительный [2]
Конструкция оптического изолятора такова, что пучки прямого излучения, выходящие из узла 13, разведены на определенное расстояние, которое настолько велико, что оба нельзя эффективно ввести в световод. Поэтому фокусируют один из них. Такой оптический изолятор не является поляризационно-нечувствительным, что приводит к необходимости ориентации по отношению к плоскости поляризации входного излучения, что значительно сужает область применения и требует дополнительной юстировки оптического излучателя относительно источника излучения. Известны параметры оптического изолятора [2] для многомодовых световодов: прямые потери 0,8 dB, степень изоляции более 35 dB и оптического изолятора [3] для одномодовых световодов: прямые потери 0,3 dB, степень изоляции порядка 35 dB. Следовательно, значительно снижены прямые потери по сравнению с оптическим изолятором [1] и несколько увеличена степень изоляции.

Выяснено, что для эффективной работы излучателей/усилителей, световолоконных линий требуются более высокая степень изоляции поляризационно-нечувствительным оптическим модулятором при удобстве и надежности его сборки, а также сборки модуля в целом.

Техническим результатом предлагаемого оптического изолятора является обеспечение поляризационной нечувствительности, упрощение юстировки, а также конструкции выходной части модуля при использовании в нем предлагаемого оптического изолятора, увеличение степени изоляции не менее чем в три раза как для одномодовых, так и для многомодовых световодов.

Предложен оптический изолятор, в невзаимную часть которого дополнительно введены последовательно установленные после первого узла второй 45^o Фарадеевский ротатор и второй узел, идентичный первому, повернутый вокруг своей оптической оси на 180^o, помещенной относительно оптической оси первого узла так, что углы между оптическими осями узлов и оптической осью ротатора выбраны равными по абсолютной величине и противоположными по знаку, а направление поворота плоскости поляризации второго ротатора обратно по отношению к направлению поворота плоскости поляризации ротаторов, установленных в узлах.

На фиг. 8 изображены схемы предлагаемого оптического изолятора и траектории прохождения оптических пучков излучения в прямом направлении.

На фиг. 9 изображены схемы предлагаемого оптического изолятора и траектории прохождения оптических пучков излучения в обратном направлении.

Предлагаемый оптический изолятор содержит следующие компоненты (см. фиг. 6): коллимирующие линзы 1, 2 и невзаимную часть 3, состоящую из первого узла 13, аналогичного узлу, невзаимной части прототипа [3] второго 45^o Фарадеевского ротатора 14 и второго узла 15. В последний входят третий двулучепреломляющий клин 16, третий 45^o Фарадеевский ротатор 17 и четвертый двулучепреломляющий клин 18.

В данной конструкции ротатор 14 установлен таким образом, что поворот плоскостей поляризации пучков осуществляется в направлении, противоположном направлению поворота плоскости поляризации ротатора 10. Поэтому в обоих параллельных ортогонально поляризационных пучках, выходящих из узлов 13 (см. фиг. 8), после прохождения ротатора 14 компенсируется поворот плоскостей поляризаций, произведенный ротатором 10 из состава узла 13. Что касается узла 15, то он установлен по отношению к узлу 13 и ротатору 14 так, что, во-первых, сохранена последовательность расположения двулучепреломляющих клиньев как в узле 13 (имеется в виду расположение оптических осей входного и выходного клиньев) и установка ротатора между ними (сохранено направление поворота плоскостей поляризаций пучков); во-вторых, оба двулучепреломляющих клина 16, 18 повернуты вокруг оптической оси узла на 180^o, т.е. по отношению к клиньям 9, 11 (при идентичном расположении обоих узлов) и, в-третьих, углы между оптическими осями узлов и оптической осью ротатора выбраны равными по абсолютной величине, противоположными по знаку так, чтобы поперечный сдвиг пучков, вызванный первым узлом, компенсировался поперечным сдвигом в противоположном направлении, осуществляемым вторым узлом. Угол наклона оптической оси определяется необходимым (рассчитанным) углом Φ падения входного пучка на переднюю грань входного клина первого узла.

На основании этого пучки, проходящие через клинья 16 и 18, испытывают те же преломления, что и в клиньях узла 13. То есть, обыкновенный пучок для клиньев узла 13 остается обыкновенным и для клиньев узла 15, то же и для необыкновенного пучка и, следовательно, эти пучки совмещаются на выходе узла 15. Таким образом, на выходе невзаимной части 3 имеем один пучок, независимо от поляризации излучения на входе. Кроме того, при таком взаимном расположении узла 13 и 15, сдвиг пучков на выходе узла 13 относительно входного пучка компенсируется сдвигом пучков в противоположном направлении в узле 15. Тем самым выходной пучок не имеет сдвига относительно входного.

Обратно отраженное излучение (см. фиг. 9) от компонентов волоконно-оптического тракта при прохождении через клин 18 расщепляется на два пучка, обыкновенный и необыкновенный. Ротатор 17 поворачивает их плоскости поляризации на 45^o. В результате этого, ранее обыкновенный пучок является для клина 16 необыкновенным, а необыкновенный обыкновенным. Эти пучки, преломляясь в клине 16, выходят под углами по разные стороны от осей прямых пучков и, следовательно, не достигают выхода невзаимной части 3. Та же доля обратно отраженного излучения, которая, тем не менее, прошла невзаимную часть 3 данного оптического изолятора по той же траектории, что и прямое излучение, представляет собой два пучка с взаимно ортогональными плоскостями поляризаций. Величина этого излучения зависит, в основном, от коэффициента экстинкции двулучепреломляющего кристалла, из которого изготовлены клинья, итог точности изготовления компонентов оптического изолятора, его сборки. Эти пучки испытывают в узле 13 то же воздействие, что и ранее в узле 15, описываемое выше. Кроме того, после прохождения ротатора 14 необыкновенный пучок будет для клина 11 обыкновенным, а обыкновенный необыкновенным. Это уже приводит к отклонению от траектории пучков в прямом направлении. Таким образом, на входе невзаимной части 3 и эти пучки отклоняются под разными углами по разные стороны от оси прямого излучения и, тем самым, не попадут в излучающую область.

Вследствие такой конструкции невзаимной части 3 предложенного оптического изолятора получена возможность увеличить изоляцию не менее чем в три раза. Сведением пучков обыкновенного и необыкновенного в один пучок при выходе из невзаимной части обеспечена поляризационная нечувствительность оптического изолятора. Так как выходное излучение распространяется по оптической оси входного излучения, то это позволило упростить юстировку оптического изолятора по отношению к выходному световоду, а также упростить конструкцию модуля, в котором может использоваться данный оптический изолятор. Идентичность используемых элементов также имеет большое значение для упрощения изготовлению предложенного оптического изолятора.

В качестве линз 1, 2 могут быть использованы шаровые линзы диаметром 1,5 мм из материала К8. Клинья 9, 11, 16, 18 изготовлены из двулучепреломляющего материала исландский шпат (CaCO₃) с углами при вершине 36^o. 45^o Фарадеевские ротаторы 10, 14, 17 представляют собой пластину определенной толщины, вырезанную из кристалла Y₃Fe₅O₁₂, и установленную в кольцевой NdFeB магнит. Оптические оси двулучепреломляющих клиньев 9 и 18 находились в плоскости разреза А-А оптического изолятора (см. фиг. 6). Оптические оси двулучепреломляющих кристаллов 11 и 18 были повернуты на 45^o по отношению к оптическим осям двулучепреломляющих кристаллов 9 и 16 соответственно. Углы j и -ψ между оптическими осями узлов 13 и 15 и оптической осью ротатора 14 рассчитаны на угол падения входного, прямого излучения, равный 60^o. Абсолютные величины углов j равны 180^o (60^o - 36^o) 156^o (±). После сборки данного оптического изолятора на выходе получали пучок излучения, который фокусировали на торец выходного световода линзой 2, аналогичной линзе 1. При этом не требовалось дополнительной юстировки выходной части оптического изолятора.

Использование: в оптических компонентах квантовой электроники, в излучающих модулях на полупроводниковых лазерах, полупроводниковых, волоконно-оптических усилителях. Сущность изобретения: оптический изолятор содержит входной и выходной коллимирующие элементы 1, 2 и помещенную между ними невзаимную часть 3, в которую входят первый узел 13, состоящий из двулучепреломляющих клиньев 9, 11 и 45^o Фарадеевский ротатор 14 и второй узел 15 с двулучепреломляющими клиньями 16, 18 и 45^o Фарадеевским ротатором 17, повернутым вокруг своей оптической оси на 180^o, причем оптические оси узлов 13, 15 составляют одинаковые углы с оптической осью ротатора 14, а направление поворота плоскости поляризации ротатора 14 обратно по отношению к направлению плоскости поляризации ротаторов 10 и 17. 9 ил.

Оптический изолятор, содержащий входной и выходной коллимирующие элементы и помещенную между ними невзаимную часть в виде узла, включающего последовательность расположенных от входного коллимирующего элемента первого двулучепреломляющего клина, 45^o-ного фарадеевского ротатора с заданным направлением поворота плоскости поляризации и второго двулучепреломляющего клина, оптическая ось в котором повернута на угол 45^o относительно оптической оси первого двулучепреломляющего клина, отличающийся тем, что в невзаимную часть дополнительно введены последовательно установленные после первого узла второй 45^o-ный фарадеевский ротатор и второй узел, идентичный первому, повернутый вокруг своей оптической оси на 180^o, помещенной относительно оптической оси первого узла так, что углы между оптическими осями узлов и оптической осью ротатора выбраны равными по абсолютной величине и противоположны по знаку, а направление поворота плоскости поляризации второго ротатора обратно по отношению к направлению поворота плоскости поляризации ротаторов, установленных в узлах.