Passieve optische componenten - Optische circulator
Invoering
Optische circulatietoestellen zijn micro- optische apparaten en kunnen met een willekeurig aantal poorten worden gemaakt, maar versies met 3 en 4 poorten zijn het meest gebruikelijk. Ook is het gebruikelijk om een asymmetrische versie te bouwen waarbij de laatste poort niet naar de eerste poort circuleert. Hoewel dit wat kosten bespaart, is dit niet de belangrijkste reden om dit te doen. Als we ervoor zorgen dat de laatste poort niet naar de eerste poort circuleert, kunnen we het apparaat gebruiken in systemen waar we deze functie niet nodig hebben (of willen). Als de invoer naar de eerste poort bijvoorbeeld rechtstreeks is verbonden met een laser, willen we zeker niet dat valse signalen worden teruggestuurd.
Een van de grote voordelen van optische circulatiepompen is het relatief lage verliespercentage. Typische apparaten geven een poort-naar-poortverlies van tussen 0,5 dB en 1,5 dB. Optische circulatiepompen zijn zeer veelzijdige apparaten en kunnen in veel toepassingen worden gebruikt. Een bidirectionele koppeling bestaande uit twee vezelstrengen (één voor elke richting) wordt bijvoorbeeld gemultiplext op een enkele vezelstreng. Dit kan worden gedaan om de kosten van vezels te besparen. Natuurlijk, als je zoiets zou doen, zou je vooral moeten letten op het minimaliseren van reflecties op de link.
Operatie principe
Op zichzelf is er geen enkelvoudig, eenvoudig principe achter de optische circulator. Optische circulatiepompen zijn gemaakt van een samenstel van optische componenten. Er zijn veel verschillende ontwerpen, maar het belangrijkste principe is vergelijkbaar met dat van de optische isolator. De basisfunctie van een circulator is geïllustreerd in de onderstaande afbeelding. Licht dat binnenkomt in een bepaalde poort, reist rond de circulator en verlaat de poort. Licht dat binnenkomt in poort 1 vertrekt bij poort 2 en komt bij poort 2 aan bij poort 3 enzovoort. Het apparaat is symmetrisch in gebruik rond een cirkel.
Licht dat in één richting door een Faraday-rotator beweegt, laat zijn polarisatie in een bepaalde richting draaien. Licht dat de Faraday-rotator vanuit de tegenovergestelde richting binnengaat, wordt in de tegengestelde richting geroteerd (ten opzichte van de voortplantingsrichting van het licht). Een andere manier om hiernaar te kijken, is te zeggen dat licht altijd in dezelfde richting wordt geroteerd ten opzichte van de rotator, ongeacht de bewegingsrichting ervan. Dit wordt gecompliceerd door de aanwezigheid van onvoorspelbare polarisatie. We zouden de ongewenste polarisatie eruit kunnen filteren, maar we zouden (gemiddeld) de helft van ons licht verliezen door dat te doen - en vaak nog veel meer. Dus scheiden we de invallende "straal" in twee orthogonaal gepolariseerde stralen en behandelen we elke polarisatie afzonderlijk. De twee helften van de straal worden vervolgens opnieuw gecombineerd voordat ze worden uitgevoerd naar de bestemmingspoort.
Hier is een figuur die een standaard 3-poorts optische circulator toont. Zijn componenten functioneren als volgt:
Polarizing Beam Splitter Cube : dit apparaat scheidt de inputstraal in twee orthogonaal gepolariseerde stralen.
Birefringent "Walk-off" -blok: dit is slechts een blok dubbelbrekend materiaal dat wordt gesneden op 45 ° ten opzichte van de optische as. Een straalincident bij een normaal naar de lucht-kristalinterface wordt opgesplitst in twee stralen van orthogonale polarisatie. De gewone straal wordt niet gebroken en gaat onaangetast door. De buitengewone straal wordt gebroken onder een hoek ten opzichte van de normaal.
Faraday-rotator en faseplaat : deze combinatie laat het licht in één richting volledig onveranderd licht door! (In de figuur is dit de richting van rechts naar links.) In de tegenovergestelde richting wordt de polarisatie van binnenkomend licht 90 ° gedraaid. In de richting van links naar rechts geeft de Faraday rotator een faserotatie van 45 ° (met de klok mee) en de faseplaat roteert het licht nog eens 45 ° (ook met de klok mee). Zo krijgen we een netto 90 ° rotatie met de klok mee. In de richting van rechts naar links roteert de faseplaat het licht in dezelfde richting (ten opzichte van de richting van de lichtstraal) als voorheen, dat wil zeggen tegen de klok in op 45 °. De Faraday-rotator roteert echter de fase in de tegenovergestelde richting (in relatie tot de richting van de straal) zoals eerder, dat wil zeggen, met de klok mee met dezelfde 45 °. Dat is de fase die in de tegenovergestelde richting wordt gedraaid. Er is dus geen netto verandering in polarisatie. (Natuurlijk zijn er in de praktijk verliezen als gevolg van reflecties en onvolkomenheden in de fabricage van het apparaat.)
Zoals te zien in de 3-poorts optische circulator, gaat het licht van poort 1 naar poort 2 als volgt:
1. Een straalinvoer op poort 1 wordt gesplitst in twee afzonderlijke stralen van orthogonale polarisaties. De "gewone" straal passeert zonder breking, maar de orthogonaal gepolariseerde "buitengewone" straal wordt gebroken (naar boven in de figuur).
2. Beide stralen gaan van links naar rechts door de Faraday rotator en fasevertragingsplaten. Beide stralen worden 90 ° gedraaid.
3. De twee stralen ontmoeten dan een ander dubbelbrekend loop-off blok (blok B) identiek aan het eerste. Het effect van de faserotatie in de vorige fase was om de status van de stralen te verwisselen. De straal die de gewone straal in blok A was (en niet werd gebroken) wordt de buitengewone straal in blok B (en wordt gebroken in blok B). De buitengewone straal in blok A (het bovenste pad in de figuur) wordt de gewone straal in blok B (en wordt niet gebroken in blok B). Het licht wordt gebroken en opnieuw gecombineerd zoals getoond. Het wordt dan uitgevoerd naar poort 2.
Koppeling aan glasvezel op input en output zou normaal gesproken een of andere lens gebruiken. Meestal kan hier een GRIN-lens worden gebruikt. Het pad van Port 2 naar Port 3 is iets meer betrokken:
1. Licht dat binnenkomt vanuit poort 3 is gesplitst in blok B.
2. Reizend in de omgekeerde richting is de polarisatie van beide stralen ongewijzigd.
3. Dubbelbrekend blok A passeert de bovenste straal nu ongewijzigd, maar verplaatst de onderste straal verder weg. 4. De twee stralen worden vervolgens opnieuw gecombineerd met behulp van het reflectorprisma en de polariserende bundelsplitserkubus.
Opmerking: als u alleen poorten 1 en 2 aansluit, kan de optische circulator worden gebruikt als optische isolator . Inderdaad, als je de beamsplitter cube en het reflectorprisma weglaat, heb je een uitstekende (zeer laag verlies) polarisatie onafhankelijke isolator. Een pad van poort 3 naar poort 1 kan worden geconstrueerd door extra componenten toe te voegen; Voor de meeste toepassingen is dit echter niet nodig, omdat we de verbinding van poort 3 naar poort 1 toch niet willen.
Conclusie
Er zijn veel manieren om optische circulatiepompen te bouwen (zowel poort 3 als 4). Al deze manieren gebruiken combinaties van componenten en soortgelijke principes als die hierboven zijn beschreven. Het grootste probleem met optische circulatiepompen is dat de componenten moeten worden vervaardigd met zeer nauwe toleranties en uiterst nauwkeurig worden gepositioneerd. Hierdoor zijn de kosten relatief hoog. U kunt echter kosteneffectieve optische circulatoren vinden in FOCC .