Understanding Optical Communications Harry J. R. Dutton International Technical Support Organization http://www.redbooks.ibm.com SG24-5230-00 First Edition (September 1998)

Влакнести усилватели, легирани с празеодим Praseodymium (Pr) Doped Fibre Amplifiers

Както беше дискутирано, ербиевите влакнести усилватели работят в ивицата около

1550 nm. Повечето от сега съществуващите системи за пренос на информация работят в ивицата около 1300 nm, в която EDFAs не действат. В отговор на тази потребност са разработени усилватели, легирани с Pr3+, но те не са толкова добри, колкото EDFAs. Усилването на комерсиалните празеодимови влакнести усилватели (PDFAs) е само около 12 dB и диапазонът от усилвани дължини на вълните не е толкова широк, колкото е желано. В много ситуации, за усилватели на мощност, това е адекватно. От друга страна усилването на слаби сигнали е лошо и те не са пригодни за предусилватели на детектори.

Флуороциркониевите стъкла (Fluorozirconate glasses; ZBLAN) се ползват вместо силициеви. Времето на живот на носителите във флуороциркониевите стъкла е само около 100 наносекунди (но в силициевите все още е много по-късо). Резултатът от това е, че квантовата ефективност на усилвателя е само около 4%.

Тук характеристиките на стъклото-матрица са критично важни. Много от съвременните изследвания са насочени към халкогенидни стъкла, легирани с празеодим, където усилвателите могат да усилват до 24 dB. Теорията предсказва, че в халкогенидни стъкла е достижима квантова ефективност от 60%. От практична гледна точка, празеодимът може да бъде напомпван на две дължини на вълните: 1. На 1017 nm, ползвайки InGaAs-лазер. Те са подобни на лазерите на 980 nm, ползвани за напомпване на EDFAs. За съжаление най-мощните лазери на тази дължина на вълната са с мощност около 50 mW. 2. На 1047 nm, ползвайки лазер с активен кристал Nd:YLF. Такива лазери могат да са с много висока мощност, но са и скъпи, в сравнение с полупроводниковите. Напомпването на тази дължина на вълната е много неефективно. Засега Nd:YLF напомпващите лазери са единствените, ползвани за PDFAs. Поради много късото време на живот на носителите е необходим много висок интензитет на напомпването в сърцевината на влакното. Като резултат, сегашните PDFAs ползват флуороцирконатни влакна (ZBLAN) с много малка сърцевина (около 2 микрона). Малката сърцевина причинява сериозни проблеми при куплирането им към стандартни влакна от силициев двуокис. Магическата формула при влакнестите усилватели, легирани с празеодим е «напомпвай силно и през двата края».

Влакнести усилватели, легирани с неодим Neodymium (Nd) Doped Fibre Amplifiers

Неодимът е друг кандидат за ролята на активен елемент във влакнестите усилватели за ивицата около 1300 nm. Той усилва в областта от 1310 до 1360 nm в стъкло ZBLAN и от 1360 до 1400 nm в кварцови влакна. Дължините на вълните на ефективно напомпване са 795 и 810 nm. Квантовата ефективност е много ниска. Усилването на слаб сигнал, което е адекватно за много приложения, може да е недостатъчно за висококачествени предусилватели. Времето на живот на носителите в ZBLAN е 390 μs е доста късо и това води до прехвърляне на паразитен сигнал, когато усилвателят се ползва в близост до насищане. (Но, така или иначе, е твърде невероятно някой да реши да прави WDM-линия в областта на 1300 nm.). Въвежданите шумове са адекватни, но далеч не толкова добри, колкото при EDFA, защото усилената спонтанна емисия е проблем.

Усилватели в полимерни влакна (Plastic Fibre Amplifiers) Наскорошни изследвания показаха, че усилватели, базирани на полимерни влакна, предлагат някои възможности, които не съществуват в усилвателите в стъкло (или кварц).

Rhodamine-B

Вероятно първото им приложение би било за усилване на сигнали във влакна от полимер. Полимерните влакна имат прозорци на пропускане на 570 nm и на 670 nm, но на такива дължини на вълните липсват усилватели. Голяма част от изследванията е насочена към ползването на полимерни влакна в планарната оптична технология.

Главният интерес към ползването на полимерните усилватели се дължи на факта, че усилващата среда може да бъде въведена в полимера при относително ниска температура. Усилващата среда е органично съединение и то се “разтваря” в полимера. Наскоро бяха разработени полимерни усилватели, ползващи влакно от PMMA (PolyMethyl MethylAcrylate), легирано с Rhodamine B. Ивицата на усилване е от 610 nm до 640 nm и усилването е 24 dB. Това е интересно, защото тази област от дължини на вълните е много близка до прозореца на пропускане на влакната от PMMA.

Друг важен пункт е, че влакното от PMMA може да се легира с друг материал, за да се напасне показателя на пречупването му към този на стъкленото влакно, така че връзките към стъклените влакна могат да бъдат правени без проблеми с отразени сигнали. Така, потенциално, можем да правим усилватели и други компоненти от полимери и да ги ползваме в системи, изградени от стъклени влакна.

Планарни устройства, легирани с ербий

Erbium Doped Planar Devices

16-пътен планарен разклонител с усилване.

Планарните вълноводи също могат да бъдат ползвани, за да се построят ербиеви усилватели. Ако целта беше само усилване на сигнала, би било безсмислено, защото това биха могли да правят ербиевите влакнести усилватели. Но в сложни планарни устройства често се губи голяма част от сигнала и усилващо планарно устройство може да е полезно. На горната фигура е показан 16-пътен планарен оптичен разклонител. 16-кратното разцепване на сигнала причинява загуби от 12 dB и като се добави затихването на вълноводите и загубите във връзките към влакната, бихме били щастливци, ако имаме само 20 dB загуби. Но ако легираме вълноводите с ербий и въведем напомпване, както е показано на фигурата, устройството става усилвател. Полезното тук е, че планарни устройства могат да се легират с ербий до много по-високи концентрации, отколкото във влакна. Така на единица дължина се получава много по-високо усилване.

Разбира се такова устройство би могло да бъде направено и с влакнестооптична технология, свързвайки голям брой влакнести съединители с по 3 dB загуби и ползвайки влакно, легирано с ербий. То такова устройство би било относително скъпо и доста чупливо.

Полупроводникови оптични/лазерни усилватели Semiconductor Optical/Laser Amplifiers (SOAs/SLAs)

Полупроводников оптичен усилвател и отношението му към лазера.

Има две основни разновидности:

Прост полупроводников оптичен усилвател (semiconductor optical amplifier; SOA) – Простите полупроводникови оптични усилватели са почти същите, както и Фабри-Перо лазерите с вълноводно разпространение на лъчението. Задната стена на кристала е с куплирано към нея оптично влакно и позволява въвеждане на светлината на сигнала. Основният проблем е, че е трудно да се направи полупроводников оптичен усилвател с дължина, по-голяма от 450 микрона. На такава малка дължина няма достатъчно високо еднопроходно усилване, за да се постигне полезен ефект. Една

възможност е да се запазят отражателните повърхности, характерни за действието на лазера. Типичните полупроводникови оптични усилватели имат коефициент на отражение на огледалата около 30%. Сигналът има шанса да мине няколко пъти през резонатора и да се усили. Но това е всъщност лазер! Усилвател, ограден с огледала! Решението тук е да се ползва полупроводниковия оптичен усилвател под прага за генерация, така че да не се формира независима лазерна генерация. Това, за съжаление, сериозно ограничава характеристиките на усилвателя. Допълнително, Фабри-Перо-резонансите на резонатора играят роля на филтър и дават нееднакво усилване на WDM-каналите.

Полупроводникови лазерни усилватели с бягаща вълна (Travelling Wave SLAs;

TWSLAs) - TWSLA са различни от полупроводниковите оптични усилватели по няколко неща:

1. Резонаторът е дълъг (удвоен или утроен) за да има достатъчно място за добро усилване. Тъй като усилвателят се ползва в еднопроходен режим, той не резонира и не селектира. Съществуват устройства с дължина до 2 mm.

2. Задната стена е с антиотражателно покритие и с куплирано влакно, за да се създаде подходящ вход за постъпващия сигнал.

3. Изходната стена на усилвателя е същата, като на лазер, с изключение на това, че също е с антиотражателно покритие.

4. Поради липсата на обратна връзка TWSLA може да се ползва над прага за лазерна генерация, което дава по-високо усилване на единица дължина отколкото простите полупроводникови оптични усилватели. Докладвано е за усилване до 25 dB в спектрална ивица с ширина 40 nm.

ОГРАНИЧЕНИЯ: --- Не могат да дават висока мощност (само няколко миливата). Това обикновено е достатъчно за един канал, но във WDM-системите обикновено се искат по няколко миливата на всеки канал.

--- Свързването на входно влакно към чипа е свързано с големи загуби и намалява ефективността на усилвателя. Усилвателят трябва да дава допълнително усилване, за да се преодолее загубата на входната стена на усилвателя.

--- Полупроводниковите оптични усилватели са с висок шум. --- Имат висока поляризационна чувствителност. --- Могат да прехвърлят силен паразитен сигнал, когато се усилват няколко оптични

канала. Получава се около мощността на насищане на усилвателя, но тази мощност е относително ниска. Тази характеристика ги прави неизползваеми при WDM-системите, но ги прави подходящи за преобразуватели на дължината на вълната и като прости логически гейтове в оптичните комуникационни системи.

Допълнително, те могат да бъдат ползвани за компресия на импулсите и за генериране на солитони и могат да са ефективни в едноканални системи с оптично мултиплексиране и разделяне във времето (Optical Time Division Multiplexing; OTDM). Основното предимство на полупроводниковите оптични усилватели е, че могат да бъдат интегрирани с други компоненти върху една планарна подложка. Например WDM-излъчвател може да се конструира с 10 лазера (на различни дължини на вълните) и със съединител, всичко това върху една подложка. В такъв случай полупроводниковите оптични усилватели могат да бъдат интегрирани на изхода, за да превъзмогнат някои от загубите при свързването.

Раманови усилватели (Raman Effect Amplifiers) В края на 80-те години на миналия век активно бяха изследвани усилватели, ползващи принципа на стимулираното Раманово разсейване (Stimulated Raman Scattering; SRS). Интересът към тях се възроди с изобретяването на ербиевите влакнести усилватели. Рамановите усилватели са много ефективни, но имат големия проблем, че не са налични евтини лазери с подходящи дължини на вълните. Интересът към тях се възражда през 1997 г. вследствие на въвеждането на влакнестите Брягови решетки.

Стимулираното Раманово разсейване води до генериране на нов сигнал (Стоксова вълна) в същото направление, както това на напомпващата вълна, но с понижена честота с 13.2 THz (приблизително 60 nm в ивицата около 1310 нанометра) спрямо тази на напомпването. Оптимално усилване се получава, когато разликата в дължините на вълните е около 13.2 THz. Сигналът, който трябва да се усили, трябва да е на по-ниска честота(по-голяма дължина на вълната) от напомпването. В обичайните влакна, легирани с германий, ефектът е много слаб и трябва относително голяма дължина на влакното, за да се получи значим ефект.

По принцип е относително лесно а се построи Раманов усилвател. Всичко, което трябва да се направи, е да се вземе дълго (около 1 километър) влакно и да се куплира със сигнал и напомпване, последното с около 13.2 THz по-висока честота от сигнала. Такова просто устройство може да даде доста добро усилване. Но тук има голям проблем: Въпреки че сигналът и напомпването не е необходимо да са разделени точно от Рамановата честота, колкото по-близо до нея е разликата, толкова по-висока е ефективността. Част от проблема е, че лазерните дължини на вълните са много специфични и мощни лазери трудно се конструират. Промяна на дължината на вълната чрез стимулирано Раманово разсейване

Wavelength Changing with SRS

Промяна на дължината на вълната чрез SRS

Едно елегантно решение на проблема за намиране на напомпване с подходящата дължина на вълната е да се отмести дължината на вълната на напомпването толкова, колкото е необходимо. При висока мощност част от светлината се отмества вследствие на SRS на нова (по-ниска) дължина на вълната (Стоксова вълна). След това тази отместена вълна се усилва чрез SRS. Прехвърлянето на мощност от сигнала към Стоксовата вълна продължава. Във влакна, легирани с германий, този ефект е относително малък. Допълнително, отместената светлина е с доста широк спектър, докато ние се нуждаем от отместен тесноивичен сигнал. Ефектът може значително да се подобри, ползвайки конфигурация, както показаната по-долу.

Отместване на дължината на вълната с влакнести Брягови решетки.

Тук сме поставили тесноивични влакнести Брягови решетки (FBGs), за да концентрираме спектрално отместената светлина. Стимулираното Раманово разсейване (SRS) се наблюдава и в двете направления, така че спектрално отместената светлина се отразява между влакнестите Блягови решетки и другата светлина (извън искания диапазон от дължини на вълните) напуска устройството. Ефективността нараства, като се добави FBG-рефлектор за напомпващата дължина на вълната. Това донякъде прилича на това, което се случва в лазерите, но, разбира се, не е лазер, защото не се получава стимулирана емисия. Ако дължината на вълната е подходящо подбрана, това отместване по дължини на вълните може много ефективно да прехвърли светлина към новата дължина на вълната.

Многостъпално отместване на дължината на вълната.

Ако сме направили така, че повечето от светлината да е отместена на новата дължина на вълната, можем отново да я отместим на друга нова дължина на вълната. Така отместването може да е на много каскадни стъпки. На горната фигура е показано каскадно отместване на дължината на вълната от 1064 nm до 1310 nm. Забележете, че отместването не е задължително необходимо да е 13.2 THz. Има относително голяма свобода в отместванията, които могат да се получат (няколко нанометра на всяка стъпка). Раманов усилвател за ивицата 1310 nm (A 1310 nm Band Raman Amplifier)

Раманов усилвател на 1320 nm, ползващ Брягови влакнести решетки.

Това устройство, на четири стъпки, отмества дължината на вълната на напомпването към дължина на вълната, подходяща да напомпва сигнал на 1310 nm. След това ползва формираното напомпване да усили сигналната дължина на вълната чрез SRS. Всичко това става в един и същи участък на влакното!

Действието е следното: 1. Сигналната и напомпващата светлина влизат заедно в устройството през

селективен по дължини на вълните куплиращ елемент.

2. Напомпващата светлина на 1064 nm се отмества на 1117 nm, а след това, на стъпки, до 1240 nm.

3. Светлината на 1240 nm напомпва сигнала в ивицата на 1310 nm и се получава усилване.

За да се спечели по-висока ефективност, ползва се влакно с тясна сърцевина, което повишава интензивността на светлината. Ползва се също и висока концентрация на легиращия елемент германий (около 20%), за да се усили ефекта на стимулирано Раманово разсейване. Изненадващо е, че това е много ефективен процес, с малък шум, с добро усилване на слаби сигнали.

Генериране на втора хармонична Second Harmonic Generation (SHG)

Генериране на синя светлина чрез генериране на втора хармонична. Схема, гледана отгоре.

Генерирането на втора хармонична (second harmonic generation; SHG), познато също

като “удвояване на честотата” (frequency doubling), е процес, който преобразува светлина с една определена честота в светлина с точно два пъти по-висока честота. В общия случай на тривълново смесване (three-wave mixing) два фотона се комбинират чрез взаимодействие с материална среда и пораждат трети фотон с енергия, равна на сумата от енергиите на първоначалните фотони. Ефектът се получава в материали с т. Нар. Нелинейност от втори порядък (second order nonlinearity). Обикновено това изключва традиционните оптични влакна, но е открито, че този ефект може да се получи в кварцово влакно, ако то е силно легирано с Ge и P. За първи път удвояване на честотата е получено с рубинов лазер на 694.3 nm и с кристал KDP, в резултат на което е получена (много слаба) втора хармонична на 347.2 nm. Докладвано е, че с полупроводников лазер на базата на AlGaAs, генериращ на 780 nm, с вътрешнорезонаторно генериране на втора хармонична, може да генерира светлина на 390 nm. Устройството, показано нагорната фигура, е предложено като източник на синя светлина за използване на записи на DVD с висока плътност. Причината да се ползва лазер с разпределени Брягови отражатели (Distributed Bragg Reflector laser) е да се получи лъчение с много тясна спектрална ширина (и, следователно, с голяма дължина на кохерентност), което да даде висока ефективност на честотното преобразуване.

Разклонители и съединители (Splitters and Couplers) В оптичната мрежа има много ситуации, в които е необходимо да се комбинират сигнали и/или да се разклонят сигнали към различни трасета. Такива устройства се ползват често. Комерсиално достъпни са съединители 1x2, 2x2, и 2x1. В прогнозираните WDM-мрежи често има нужда от т. нар. “отразяваща звезда” (reflective star) – устройство, което приема много входни сигнали, смесва ги, а после разделя комбинирания сигнал и го насочва в толкова направления, от колкото направления идват входните сигнали. В лабораториите такива отразяващи звезди се строят от много

2х2-съединители, свързани в каскада. Много изследователи чувстват, че това е непрактично за устройства, по-големи от 100х100. Така са конструирани нови устройства, които да изпълняват функцията “звезда”. Те се наричат “запоени матрици от оптични влакна с изгладена характеристика по дължини на вълните’ (wavelength flattened fused fibre arrays”). До момента (1998г.) те не са комерсиално достъпни, но за да се реализира WDM-локална мрежа (LAN) са необходими “звезди” до 000x1000 канала. При обсъждането на повечето оптични устройства има три важни характеристики. Те са «Загуби на връщане», «въвеждани загуби» и «излишък от загуби» (“Return Loss”, “Insertion Loss” и “Excess Loss”.

Загуби на връщане (Return Loss) – Повечето оптични устройства отразяват част от сигнала обратно във влакното. Могат да варират между малко количество от сигнала и повечето от самия сигнал! Мощността, която се отразява и е загуба за сигнала, се нарича “Загуба на връщането”.

Въвеждани загуби (Insertion Loss) – Въвежданите загуби са просто количеството от сигнала, загубено при пълното преминаване през устройството, включително и през съединителите към влакната.

Излишък от загуби (Excess Loss) – Излишъкът от загуби е мярка за загубите след практическото производство на устройството спрямо теоретичните загуби. Разбира се реалните устройства не са идеални...

Резонансни съединители (Resonant Coupling) Преобладаващото мнозинство от едномодовите оптични съединители ползват принципа на резонансното свързване. Сърцевините на две едномодови влакна се поставят да са паралелни и на малко разстояние една от друга. Забележете, че не поставяме влакната близо едно до друго. Обвивките на влакната са прекалено дебели, за да се постигне желания ефект. Трябва сърцевините на влакната трябва да са близо едно до друго, но да не се допират. На фигурата светлината влиза в устройството през порт 4. Когато светлината се разпространява по дължината на влакното, възниква резонанс със съседното влакно. Оптична мощност се прехвърля към влакното в горната част на фигурата и мощността в долното влакно намалява. Човек би могъл да стигне до извода, че процесът ще спре, когато всяко едно влакно поведе половината от мощността. Физически, това изглежда разумно. Прехвърлянето на мощност продължава докато цялата оптична мощност не се поведе по горното влакно!

Принцип на действие на резонансния съединител.

След като веднъж цялата мощност е концентрирана в горното влакно, прехвърлянето на енергия продължава и мощността започва да се връща отново в долното влакно. Това продължава дотогава, докато цялата мощност се върне отново в долното влакно. Така мощността «осцилира» от едното влакно в другото, докато отслабването понижи сигнала до незначително ниво или докато не се достигне края на паралелния

участък между влакната. Важен аспект, на който трябва да се обърне внимание е, че сумарната мощност в двете сърцевини на влакната, във всяка точка по дължината на сектора на съединяване, е еднаква. Не е възможно да схващаме процеса като си мислим за светлината като за лъчи или като поток от материални частици. Това, което се случва, е, че електромагнитното поле, концентрирано в едното влакно, се разпростира и извън него – т.е. и във втората сърцевина. Оттук идва ефекта на свързването. Мощността на електромагнитната вълна в едното влакно причинява резонанс в другото и става прехвърляне на мощността. Очевидно, за да работи по подходящ начин устройството, трябва да имаме сърцевини на влакната, които са идеално синхронизирани и с еднакви характеристики. Когато поставим сърцевините на двете влакна достатъчно близо една до друга, получаваме ефекта на свързването (съединяването). Сега всичко зависи от дължината на сектора на свързване. Разглеждайки примера от фигурата, 100% от светлината, влизаща през порт4, ще излезе през порт 3. Ако направим съединителя наполовина по-къс от илюстрирания, светлината, постъпваща през порт 4 ще напусне структурата през порт 2. Ако ползваме само ¼ от показаната дължина, ще получим еднакво разпределяне на мощността между портове 2 и 3. Тогава това би бил “3 dB coupler”. Светлина, постъпваща и през двата порта 1 и 4 ще се разпределя поравно на изхода между портове 2 и 3. Половината от светлината от всеки входен порт ще отива на всеки изходен порт.

Прехвърляне на мощността в резонансния съединител. Ако два смесени сигнала (на различни дължини на вълните) се подадат на резонансния съединител, мощността ще бъде прехвърляна между вълноводите с

надлъжен период, различен за всяка дължина на вълната. Важните моменти тук са следните; 1. “Дължината на свързване” формално се дефинира (за конкретна дължина на вълната) като дължината, на която 100% от входната мощност, влизаща през един порт, се прехвърля към другото влакно. 2. Количеството прехвърлен сигнал и дължината на свързване силно зависят от разстоянието между двете едномодови сърцевини. Колкото по-далеч една от друга са, толкова по-голяма е дължината на свързване. 3. Дължината на свързване силно зависи от дължината на вълната! Тази характеристика може да се ползва за конструиране на съединител или на разклонител, селективен по дължини на вълните. Зависимостта от дължината на вълната не винаги е благоприятна характеристика. Ако искате да транспортирате сигнали в ивиците около 1300 и около 1550 nm, за щастие, с внимателен подбор на съединителя (главно – чрез подбор на дължината на свързване) може да се постигне относително гладък отклик (без разделяне по дължините на вълните) в целия диапазон между 1300 nm и 1550 nm. Съединители, конструирани по този начин, се обозначават като “wavelength flattened couplers”.

4. Ефектът е симетричен. Светлина, влизаща през един “изходен” порт ще напусне устройството през един от “входните” портове.

5. Светлината, която напуска съединителя през другото влакно, а не през това, в което е въведена, е фазово отместена на 180°. На горната фигура светлината, постъпваща

през порт 1 и излизаща през порт 3 е отместена по фаза на 180°. Светлината, постъпваща през порт 1 и излизаща през порт 2 не се отмества по фаза.

6. Ако вълните са с едни и същи (или близки) дължини и ако размерите на сърцевините също са еднакви, няма начин сигналите от двата входни порта да бъдат насочени само към един изходен порт. Не можем да вземем входните вълни от портове 1 и 4 и да направим така, че цялата мощност да излезе, например, през порт 2.

Принципът на реципрочност (The Principle of Reciprocity)

Принципът на реципрочност.

Общо казано, Принципът на реципрочност се отнася за оптичните съединители и подобните на тях устройства. Понякога може да представлява много тежко ограничение. Принципът гласи, че съединителите работят и в двете посоки (правата и обратната) симетрично. Както е показано на лявата фигура, резонансният съединител е настроен да разделя входния сигнал от Порт 1 между Порт 2 и Порт 3. (Разбира се това става само за определена дължина на вълната или за определена лента). Реципрочността гласи, че светлината, влизаща през Порт 2, ще се разделя поравно между Порт 4 и Порт 1. Това не е толкова изненадващо, тъй като устройството е симетрично. Но в случая на Y-преходник, показан на дясната фигура, нещата не са толкова очевидни. Светлината, постъпваща в Порт 1, се разделя поравно между Порт 2 и Порт 3, както може да се очаква. Но светлина, влизаща през Порт 2, ще излезе през Порт 1 отслабена с 50% (3 dB)! Така, ако искаме да комбинираме 2 сигнала с у-преходник, сигналите се комбинират, но всеки сигнал губи половината от мощността си!

Практически използваеми съединители

Някои конфигурации на съединители.

Запоени изтънени съединители (Fused Taper Couplers) – За да се направят, две

обикновени едномодови влакна се поставят в пряк контакт, областта се нагрява и след това двата края на влакната се разтягат настрани. В нагрятата зона влакната изтъняват (изтънява както обвивката, така и сърцевината). В този процес влакната се запояват едно за друго. Понякога, преди за се нагреят и да се опънат, влакната се усукват плътно. Това дава много по-тънки сърцевини на влакната и самите сърцевини са много по-близо една до друга, защото изтънява и обвивката. По-тесните сърцевини увеличават областта на затихващите вълни в обвивката и благоприятстват процеса на свързване! Проблемът е в това, че е трудно с висока точност да се контролира разстоянието между сърцевините или

дължината на свързване. Все пак запоените изтънени съединители са много често срещани комерсиални компоненти.

Полиране и ецване - Тази техника включва вграждане на влакната в твърдотелен материал, напр. парче полимер.После плоската повърхност се полира, докато обвивката на влакното се отстрани до около 4 микрона от сърцевината. Получава се сектор от влакното с форма на буквата D. След това полимерът се разтваря. Две парчета от влакно, полирани до D-структури, се съединяват надлъжно с плоските си повърхности с епоксидна смола с подходящ показател на пречупване. Понякога обвивката на влакната се изтънява предварително чрез ецване с флуороводородна киселина (hydrofluoric acid). Така се намалява количеството материал, което трябва да се отнеме чрез полиране. Това е добра техника, която е относително прецизна, но е по-скъпа, отколкото метода на изтъняване и запояване.

Планарни вълноводни съединители (Planar Waveguide Couplers)

Резонансен съединител, изпълнен по планарна вълноводна технология.

Съединителите са много прости и ефективни, когато са построени по планарна вълноводна технология. Те могат да бъдат много по-къси от влакнестите съединители и ако се налага да се съедини голям брой от тях в каскада, това води до много голяма икономия на място. Все пак устройството трябва да се съедини с влакна за въвеждане и извеждане на сигналите и стойността на тези връзки прави простите съединители прекалено скъпи, когато са изпълнени по планарна вълноводна технология.

3 dB съединители (3 dB Couplers) Прост резонансен съединител често се обозначава като “3 dB coupler”. Това е така, защото половината от светлината, постъпваща през определен порт от едната страна на съединителя, излиза от двата порта от другата страна на съединителя. Така сигналът се разделя наполовина (3 dB = ½). Половината от светлината, влизаща през порт 1, ще излиза през порт 2, останалата половина – през порт 3.

Каскадни 3 dB-съединители.

Често е полезно да се свържат няколко 3 dB-съединителя в каскада, както е показано на горната фигура. Показаната конфигурация е разклонител, който разделя входния сигнал на 8 отделни изхода. Както може да се очаква, ако устройството е идеално, всеки изходен

канал ще носи една осма от входната мощност (загуби от 9 dB). Това, което може да е неочаквано, е че светлина, влизаща през някой от изходните портове, ще се появи на входния порт също отслабена с 9 dB.

Асиметрични съединители и тапи (Asymmetric Couplers and Taps)

Както беше казано по-горе, съединителите могат да бъдат построени да разделят или обединяват мощността на сигнали по много различни начини.

1. Съединител, който разделя само малка част от светлината към един изход и оставя повечето светлина в другия изход, често се нарича “тапа” (а може да се преведе и като “канал за подслушване”). Например, светлината може да влиза през порт 1 и 99% може да минава през порт 2 и само 1% да отива към порт 3. Това би бил съединител (по-скоро – разклонител) 99:1 или “тапа” (канал за подслушване) с пропускане 1%. Такива устройства често се ползват на изхода на оптичен усилвател за да наблюдават нивото на изходната мощност и да дават обратна връзка за контрол на мощността на напомпващия лазер.

2. Както бе казано по-горе, не може да се ползва прост съединител, за да се вземе светлината от две влакна и да се обедини и подаде на едно друго влакно. Ако двете вълни са на една и съща дължина на вълната, най-доброто, което може да се постигне е да се загуби половината от светлината, която идва по всяко от входните влакна! Това не е ограничение от механичната конструкция на устройството, а физичен закон и ние не можем да го преодолеем! Но ако вълните в двете входни влакна са с различни дължини на вълните, имаме съвсем друга ситуация. Има много начини да се комбинира светлина с различни дължини на вълните, постъпваща от различни входове, към един определен изход, при това с много ниски загуби. Най-простият начин за това е с резонансен съединител. Това ще обсъдим в следващия раздел.

Съединители и разклонители, селективни по дължини на вълните Wavelength Selective Couplers and Splitters

Селективно по дължини на вълните обединяване и разделяне на сигнали.

Чувствителни към дължината на вълната съединители се ползват или за да комбинират, или за да разделят различни дължини на вълните с минимални загуби. Светлина с две различни дължини на вълните, постъпваща по различни входни влакна, може да бъде събрана (обединена) в едно и също изходно влакно. В обратно направление двете различни дължини на вълните, постъпващи по едно и също влакно, могат да бъдат разделени, така че едната дължина на вълната да излезе през единия изход, а другата – през другото изходно влакно. Процесът може да протече при много ниски загуби.

Както беше отбелязано в предишния раздел, дължината на свързване е зависима от дължината на вълната/вълните. Следователно прехвърлянето на енергията между паралелните вълноводи става, за различните дължини на вълните, на различни места по дължината на съединителя. Всичко, което трябва да направим, е да подберем внимателно дължината на свързване и можем да получим обединяване или разделяне практически без загуби. Горната фигура показва тези функции. Графиката на прехвърлянето на мощността показва как мощността, идваща по едното от влакната, се прехвърля от единия към другия вълновод и обратно. Периодът е различен за различните дължини на вълните. На лявата диаграма (комбиниране на дължините на вълните) по дължината на съединителя имам място, на което цялата светлина е само в единия вълновод. Ако направим съединителя с точно такава дължина, сигналите ще се комбинират на изхода. На дясната диаграма е показан обратния процес. Съединителят, показан отляво, действа в обратна посока и става разклонител, а разклонителят от дясната фигура, ползван в обратна посока, става съединител (обединител на дължините на вълните). Забележете, че всеки съединител/разклонител трябва да бъде конструиран за конкретни дължини на вълните.

Комерсиални устройства от този вид са обичайни и са много ефективни. Цитираните загуби, които въвеждат, са между 1.2 и 1.5 dB, а отделянето между каналите е по-добро от 40 dB. Съединители с изгладени характеристики по дължини на вълните (wavelength flattened couplers) работят в доста широк интервал от дължини на вълните. Дадено устройство може да работи с дължини на вълните в ивицата около 1310 nm, в интервал с ширина 50 nm, както и в ивицата около 1550 nm със спектрална ширина до 50 nm. Обичайни приложения за селективните по дължини на вълните съединители са следните: Въвеждане на сигнали в ербиеви усилватели (EDFA) – На лявата страна на предишната фигура виждаме пример за обединяване на сигнали с две дължини на вълните в едно и също изходно влакно. На входа на ербиев влакнест усилвател (EDFA) се иска да се смесят (слаб) входен сигнал със (силен) сигнал на напомпването. Типично, сигналът е около 1550 nm, а напомпването е около 980 nm. В този случай е възможно да се избере дължина на свързване, такава, че 100% от светлината на сигнала (влизаща през порт1) и 100% от напомпващата светлина (влизаща през порт 4) излизат през едно и също влакно (или порт 3, или порт 3). Главното предимство на това е, че има много малки загуби на мощност за сигнала. Разделяне на сигнали с различни дължини на вълните в прости WDM-системи – На дясната страна на фигурата показваме пример за демултиплексиране на рядка (неуплътнена) WDM-линия. Поток със смесени дължини на вълните, по един от ивиците около 1300 и 1550 nm, се разделя по дължини на вълните на две компоненти. WDM-система като тази може да бъде ползвана за разпределяне на кабелен телевизионен сигнал (Cable TV) и на по-модерен сигнал за услуга като например “видео до поискване” (Video on Demand) в дома на потребителя. Единият поток на сигнала може да бъде носен от лъчение в ивицата около 1310 nm, другият – около 1550 nm. Резонансният съединител е показан тук да работи като демултиплексор, разделящ двете дължини на вълните. Забележете, че идентичен разклонител би могъл да се ползва за да комбинира същите дължини на вълните с много ниски загуби.

Добавяне на контролен канал в уплътнени WDM-системи – В уплътнените WDM-системи, в които много канали се предават в областта на 1550 nm, често съществува изискването да се предава и относително бавен канал, ползван за целите на управлението на процесите. Удобен начин да се направи това е контролната информация да се предава в ивицата на 1310 nm и със смесения “уплътнен WDM поток” в ивицата 1550 nm. Обичайно за тази цел се ползват селективните към дължината на вълната съединители. Каналът за управление (на една дължина на вълната) в ивицата на 1310 nm се куплира към влакното, носещо много сигнали с дължини на вълните между 1540 nm и 1560 nm. Друго подобно устройство се ползва да раздели сигналите на другия край на линията.

“Y”-Съединители (“Y” Couplers) Y-съединителите много трудно се правят по влакнестооптична технология, но много лесно – по планарна вълноводна технология. Планарен Y-съединител е показан на следващата фигура. Тези съединители са извънредно ефективни при разделяне на светлината. Светлина, постъпваща в порт 1, се разделя на две равни части между портове 2 и 3, при това – почти без загуби.

Y-съединител (разклонител).

Но светлина, влизаща през порт 2, ще загуби половината от енергията си (3 dB), преди да излезе през порт 1. Това може би е изненадващо, но, от теоретична гледна точка, е необходимо и реалните устройства работят по този начин. Много рядко Y-съединителите се правят като отделни планарни устройства. Свързването на устройството към влакна е скъпо и много от светлината се губи във връзките. От друга страна Y -съединители от този вид широко се ползват като части от по-сложни планарни устройства.

Съединители от тип “звезда” (Star Couplers)

Съединител от тип “звезда” – принципна схема.

Съединителят от тип «звезда» е просто многопътен съединител, в който

всеки един входен сигнал се появява на всеки един изход. Има два основни типа устройства, показани на горната фигура. Фигурата показва по-скоро каква функция се

изпълнява, а не как точно се изпълнява. Лявата схема показва 8-пътно устройство, в което 8 входа се смесват и резултатният сигнал се подава към 8 изхода. Дясната част на фигурата показва «отражателна звезда», в която входът може да бъде в което и да е влакно, а изходът се разпределя на равни части между всички влакна. Съединителите от тип 'звезда' са били базата за много прототипи на оптични LAN и MAN – мрежи.

Има различни начини да се построи съединител от тип “звезда”: Съединители от тип “звезда” със запоени влакна (Fused-Fibre Star Couplers)

Съединител от тип “звезда” със запоени влакна.

При тази техника много влакна се усукват заедно и се нагряват, като се опъват. Влакната се стапят заедно и изтъняват, защото се опъват. Светлината се смесва в зоната на стапяне. Такива съединители се ползват главно при ползване в многомодов режим.

Смесваща пластина (Mixing Plate)

Съединител със смесваща пластина.

Техниката на смесващата пластина е показана на горната фигура. Пластина от топен кварц се произвежда във формата на “сандвич” с много тънък слой (с дебелината на обвивките на влакната) от материал с висок показател на пречупване в средата. Влакната се прикрепват към краищата така, че сърцевините се подравняват към средния слой с висок показател на пречупване на “сандвича”. Входната светлина се разпространява в нея по много голям брой модове докато накрая напусне пластината по едно от изходните влакна. По същество това е същата техника, която се ползва при планарния съединител със свободно разпространение (planar free-space coupler), но реализирана по влакнеста технология. Подходяща е както за едномодов, така и за многомодов режим.

Планарни устройства (Planar Devices)

Планарен съединител от тип “звезда” със свободно разпространение. (Free Space Star Coupler).

По-светлите зони на горната фигура са тези с по-висок показател на пречупване. Принципът на действие е просто в ползването на голяма “област на свободно разпространение” (в материал с относително висок показател на пречупване) в планарна структура, пространствено ограничено от области на материал с по-нисък показател на

пречупване”. Светлина, влизаща в устройството през едно от входните влакна се диспергира (разпределя) в много модове в централната зона. Мощността се куплира (по-малко или повече – поравно) от всеки един вход към всички изходи. Разбира се действието на устройството е двупосочно. Този принцип може да се ползва за направата както на едномодови, така и за многомодови съединители от тип “звезда”.

Свързване на няколко 3 dB-съединителя (Interconnection of Multiple Fibre 3 dB Couplers)

Свързване на няколко 3 dB-съединителя така, че да формират 8-пътна “звезда”.

Конструира се много лесно, защото въпросът е само да се свържат заедно съединители със запоени влакна. Устройството обаче е доста тромаво, защото влакната не могат да бъдат огъвани до много малки радиуси на кривината, без с това да се въведат неприемливо високи загуби. Също и стойността на устройството нараства експоненциално с увеличаване на броя на исканите портове. Цената, разбира се, е линейна по броя на съединителите, но броят на съединителите нараства експоненциално.

Светоделителни призми (Beamsplitter Prisms)

Поляризационни светоделители.

В много случаи е необходимо оптичен сигнал да се раздели на двете му ортогонално поляризирани компоненти. Това обикновено се прави с “поляризационни светоделителни призми” (“Polarising Beamsplitter Prisms”).

Призма на Глан-Томпсън (Glan-Thompson Prism) – Две призми, изработени от двулъчепречупващ материал (обикновено калцит) се циментират (с подходящо вещество) по хипотенузите си. Дебелината на циментиращия слой и неговият показател на пречупване се контролира строго. Лъч, падащ по нормалата към входната повърхност на призмата, се разделя на два лъча (обикновен и необикновен) в зависимост от поляризацията. Необикновеният лъч (extraordinary ray) преминава без пречупване, но обикновеният лъч (the ordinary ray) се отразява под ъгъл на Брюстер. Както е показано на фигурата, устройството обикновено се прави с правоъгълна форма. Това позволява входният сноп да падне под прав ъгъл към призмата (за минимално отражение) и да попадне върху диагоналната повърхност под оптимален ъгъл. В реалните устройства входните и изходните повърхности са, разбира се, с нанесени антиотражателни повърхности.

Поляризационен светоделителен куб (Polarisation Beamsplitter Cube) – Тези устройства изпълняват същата функция, както и призмите на Глан-Томпсън с изключение на това, че вместо да се ползва двулъчепречупващ кристал, се ползват много слоеве от диелектричен материал,нанесени по диагоналната повърхност между призмите.

Действието на изолаторите и на циркулаторите се основава на двулъчепречупващи (или поне на поляризационни) ефекти. Има много материали, които проявяват двулъчепречупване. Калцитът (CaCO3) и рутилът (TiO2) често се ползват заради двулъчепречупващите им свойства. Кварцът също има такива свойства и в много ситуации това може да се окаже проблем.

Двулъчепречупващият материал има кристална структура. В тази структура съществува (понякога повече от една) оптична ос (“optic axis”). Когато лъч влезе в кристала под ъгъл спрямо оптичната ос, той се разцепва на два лъча. Единият лъч (обикновеният лъч) има поляризация, перпендикулярна на оптичната ос. Другият лъч (необикновеният лъч) е с поляризация, перпендикулярна на обикновения лъч. За обикновения лъч материалът има определена стойност на показателя на пречупване. За необикновения лъч показателят на пречупване се променя в зависимост от ъгъла на падане на входния лъч. Много полезен ефект тук е, че може да се намери ъгъл на падане, такъв, че когато лъч срещне граница между въздух и материал, обикновеният лъч се пречупва, а необикновеният се отразява. Ъгълът на падане, под който това се случва, се нарича ъгъл на Брюстер (Brewster Angle). Това е един добър начин да се разделя неполяризиран сноп на два ортогонално поляризирани снопа. Забележете, че за снопове, които са или паралелни, или под ъгъл от 90° към нея:

--- Ако лъчите са перпендикулярни към кристала, двете поляризации преминават през границата, без да бъдат повлияни.

---Ако лъчът не е перпендикулярен към кристала, той се разделя на два лъча с обикновена и с необикновена поляризация.

--- За сноп, постъпващ под ъгъл към оптичната ос, но все пак перпендикулярно към границата кристал/въздух, обикновеният сноп не се пречупва, но се пречупва необикновеният!

Ефект на оптичната ос. Неполяризиран входен сноп се разпространява по различни пътища в зависимост от

това под какъв ъгъл пада към оптичната ос на кристала.

Изолатори (Isolators) Изолаторът е устройство, което позволява светлина да премине по влакното в една посока, но не и в противоположната. Като функция то доста прилича на полупроводников диод в от света на електрониката. Изолатори са много необходими в оптичните системи,

най-вече за предотвратяване на отражения обратно по влакната, които могат повторно да влязат в лазерните резонатори и да смутят работата на лазерите. Електрооптичен ефект (Electrooptic Effect) – Някои материали като литиев ниобат (LiNbO3) имат променливи показатели на пречупване, които зависят от силата на приложеното към тях електрично поле. В зависимост от ориентацията на електричното поле по отношение на кристала, някои материали могат да проявят също и променливо двулъчепречупване. (Промените на показателя на пречупване са различни за различните ориентации на електричното поле.) Този ефект се ползва при модулаторите. Ефект на Фарадей (Faraday Effect) – Ефектът на Фарадей се получава, когато някакъв материал като YIG (Yttrium-Iron-Garnet) се постави в силно магнитно поле. Равнината на поляризация на светлината, разпространяваща се в кристала, се завърта на ъгъл, зависещ от изминатата дължина от силата на магнитното поле. Това може да бъде полезно, но най-важният аспект тук е, че ефектът е асиметричен. Светлината, преминаваща в едната посока, може да получи завъртане на поляризацията надясно, на ъгъл (например) 45°. Светлината, разпространяваща се в противоположно направление, ще получи завъртане на поляризацията наляво, на ъгъл отново (в този случай) 45°. Завъртането е в противоположни посоки по отношението на направлението на разпространение на светлината, но в едно и също направление по отношение на ротатора!

Прост изолатор

Действие на изолатора.

Изолаторите се ползват в много ситуации, за да осигурят светлината да преминава само в една посока. Това е необходимо, например, когато лазер се куплира към влакно. Отразената светлина може да причини нестабилност на лазера и да доведе до много нежелани ефекти. Има много начини да се построят изолатори и повечето от тях се основават на еднопроходни поляризационни ефекти. Горната фигура показва действието на типичен изолатор. В лявата част на фигурата светлината се движи в “право направление”, отляво надясно спрямо листа.

--- Входната светлина първо минава през поляризационен филтър, който премахва всички поляризационни компоненти, освен тези, паралелни на направлението на пропускане на поляризатора. (Ако влизащата светлина е случайно поляризирана, ще загубим 50% от нея!) На изхода на филтъра светлината е с вертикална поляризация.

--- След това поляризираната светлина влиза във Фарадеевия ротатор. Това устройство (както бе описано по-горе) завърта поляризацията (без загуби) на 45° надясно.

--- За преминаването в права посока вторият поляризационен филтър е излишен. Сега светлината ще премине през него без загуби, тъй като той е ориентиран паралелно на поляризацията на светлината.

В дясната половина на фигурата е показано действието в обратно направление. --- Светлината първо среща поляризатора, който филтрира всички компоненти на

светлината, които не са ориентирани под ъгъл от 45° спрямо вертикалата. Това е необходимо, защото не можем да сме сигурни каква е поляризацията на нежеланите отражения.

--- Важно е сега действието на Фарадеевия ротатор. В обратно направление устройството върти поляризацията противоположно на часовниковата стрелка (по отношение на направлението на разпространение). Следователно действието на ротатора е асиметрично.

--- На изхода на Фарадеевия ротатор светлината вече е поляризирана на 90° спрямо вертикалата. Когато тя срещне следващия поляризационен филтър, тя бива елиминирана (погълната). Проблемът с този тип изолатор е, че поляризацията на входа трябва да бъде съгласувана с ориентацията на изолатора. Ако входният сигнал не е поляризиран, губим половината от сигнала (3 dB). Ако сигналът е поляризиран и ориентацията е погрешна, можем да загубим целия сигнал. Още по-лошо, ако поляризацията се променя във времето (както обикновено става след преминаване през дълго влакно), вариациите на поляризацията се прехвърлят към вариации на затихването. Това води до бърза случайна промяна на нивото на сигнала – с други думи – до сериозен шум!

Това не е толкова лошо, колкото звучи. На много места, на които искаме да ползваме изолатори, светлината и без друго е поляризирана. Например така е на изхода на полупроводниковите лазери. В други ситуации, обаче, се нуждаем от поляризационно-независимо устройство.

Поляризационно-независим изолатор (Polarisation Independent Isolator) В много приложения не сме в състояние да контролираме поляризацията на входната светлина. Тогава имаме нужда от поляризационно-независим изолатор. Такъв изолатор може да се конструира чрез разделяне на входния сноп на две ортогонални поляризации, чрез обработването им поотделно и с последващото им рекомбиниране на изхода. Това е процес, идентичен с този, ползван при циркулаторите.

Циркулатори (Circulators)

Циркулатор с 4 порта.

Основната функция на циркулатора е показана на горната фигура. Светлина, влизаща през който и да е порт (да кажем – през порт 1) минава около циркулатора и излиза през следващия порт (в този случай – порт 2). Светлина, влизаща през порт 2 излиза през порт 3 и така нататък. Действието на устройството е симетрично по окръжността. Циркулаторите са микрооптични устройства и могат да бъдат направени с произволен брой портове, но тези с 3 и 4 порта са най-често срещани. Често се среща и

асиметрична версия, при която последният порт (например 4) не циркулира към порт 1. Това спестява някои разходи, но не е най-важната причина да се прави. Ако сме сигурни, че последният порт не е свързан (бе циркулира) към първия, можем да ползваме устройството в системи, в които нямаме нужда (или не искаме) това. Например, ако входният порт 1 е пряко свързан към лазер, ние наистина не искаме паразитни сигнали да бъдат връщани обратно към него. Едно от най-привлекателните неща при циркулаторите е, че внасят сравнително малко загуби. Типичните загуби от порт към порт са между 0.5 dB и 1.5 dB.

Мултиплексиране на двупосочен трафик по едно единствено оптично влакно. Ползват се асиметрични циркулатори с 3 порта. Неработещият сегмент от всеки от циркулаторите е показан с прекъсната линия.

Тук двупосочна линия по две отделни влакна (по едно за всяко направление) се мултиплексира да се предава по едно единствено влакно. Това може да се направи, например, за да се спестят разходи за влакно. Разбира се, ако се направи нещо подобно, трябва много да се внимава да се понижат отраженията в линията.

Циркулатори – Принцип на действието Съществуват много различни конструкции, но ключовият принцип е както на този

на изолатора. Светлина, движеща се в една посока през Фарадеевия ротатор, завърта

поляризацията си в едно определено направление. Светлина, влизаща във Фарадеевия ротатор от обратната страна завърта поляризацията си в противоположна посока (спрямо посоката на разпространение на светлината). Друг начин да се погледне на това е да се каже, че поляризацията на светлината се върти винаги само в една посока спрямо ротатора, независимо в каква посока се разпространява светлината.

Това просто действие се усложнява от наличието на непредсказуема поляризация. Можем да филтрираме нежеланата поляризация, но правейки това, ще загубим (средно) половината от светлината, а често – много повече. По тази причина разделяме “лъча” на два перпендикулярно поляризирани лъча и третираме всяка поляризация независимо. След това двете половини на лъча се рекомбинират, преди да излязат през желания порт.

Циркулатор – Трасе от порт 1 до порт 2. по Van Delden (1995) с разрешението на PennWell Publishing

Поляризационен светоделителен куб (Polarising Beam Splitter Cube) – Това устройство разделя водния сноп да два ортогонално поляризирани снопа. Двулъчепречупващ блок за разместване на сноповете (Birefringent “Walk-off” Block) – Това е просто блок от двулъчепречупващ материал, изрязан под 45° към оптичната ос. Лъч, падащ по нормалата към границата въздух/кристал се разделя на два лъча с ортогонални поляризации. Обикновеният лъч не се пречупва и преминава неповлиян. Необикновеният лъч се пречупва под ъгъл спрямо нормалата. Фарадеев ротатор и фазова пластина (Faraday Rotator and Phase Plate) – Тази комбинация пропуска светлината в едното направление напълно неповлияна! (На фигурата – това е посоката отляво надясно.) В обратно направление поляризацията на постъпващата светлина е завъртяна на 90°. В посока отляво надясно Фарадеевият ротатор внася фазова ротация на 45 градуса (по часовниковата стрелка) и фазовата пластина върти поляризацията на още 45 градуса, пак по часовниковата стрелка. Така получаваме чисто въртене на поляризацията на 90 градуса по часовниковата стрелка. В посока отдясно наляво фазовата пластина върти фазата на светлината в същата посока, както преди, т.е. обратно на часовниковата стрелна, на 45°. Фарадеевият ротатор, обаче, върти фазата в обратна посока (спрямо посоката на снопа). Както и преди, т.е. по часовниковата стрелка, пак на 45°. Така нямаме никаква промяна на фазата в обратна посока. (Разбира се, на практика, имаме загуби от отражения и неидеални повърхности).

Както е показано на горната фигура, светлината преминава от Порт 1 към

Порт 2 както следва: 1. Лъч, влизащ през порт 1, се разделя на два отделни снопа с ортогонални

поляризации. Обикновеният лъч преминава без пречупване, но ортогонално поляризираният необикновен лъч се пречупва (нагоре, на фигурата).

2. Двата снопа продължават да се движат отляво надясно през Фарадеевия ротатор и пластината за фазово закъснение. Поляризациите и на двата снопа се въртят на 90 градуса.

3. След това двата снопа се срещат в двулъчепречупващия блок за разместване/съвместяване на сноповете (блок B), идентичен на първия. Ефектът на фазовото завъртане в предишното стъпало е да се размени статуса на сноповете (поляризациите им). Лъчът, който беше обикновен в блок А (и не бе пречупен) става необикновен в блок B (и не се пречупва в блок B). Светлината се пречупва и рекомбинира, както е показано. След това тя излиза през порт 2. Куплирането към влакно на входа и на изхода обикновено се прави чрез лещи от някакъв вид. Типично се ползват GRIN-лещи.

Циркулатор – Трасе от порт 2 към порт 3. По Van Delden (1995) с разрешението на PennWell Publishing

Пътят от порт 2 към порт 3 е малко по-объркан:

1. Светлината, влизаща през порт 3, се разцепва в блок B. 2. Преминавайки в обратно направление, поляризацията на двата снопа не се

променя. 3. Двулъчепречупващият блок A сега пропуска горния сноп непроменен, но

отмества долния сноп още по-далеч. 4. Двата снопа сега се рекомбинират, ползвайки отражение от призма и от

поляризационен светоделителен куб. Тук забележете, че ако свържете само портове 1 и 2, циркулаторът може да се ползва като изолатор! Действително, ако махнем светоделителния куб и отражателната призма, имаме отличен (с много малки загуби) поляризационно-независим изолатор. Има много начини да се конструират циркулатори (с 3 и 4 порта). Всички тези начини ползват комбинации от компоненти и подобни принципи на описаните по-горе. Най-големият проблем с циркулаторите е, че компонентите трябва да се произведат с много малки толеранси и да се позиционират много прецизно. Това води до относително висока цена.

Контрол на поляризацията Възможността да се контролира и да се променя състоянието на поляризацията е

важно в много приложения, особено при тестването и характеризирането на компонентите.

Примка от оптично влакно.

Един често срещан вид контролер на поляризацията се прави с примка от оптично влакно. Това, което си поставяме за цел, е да построим устройство, в което да постъпва светлина с произволна поляризация, а от него да излиза, без загуби, светлина с произволна друга (желана) поляризация. За целта ни трябва устройство, което е двулъчепречупващо, но на което оста на двулъчепречупване да може да бъде въртяна. Ако направите примка от оптично влакно с относително малък диаметър (както е показано на фигурата, вътрешната част на влакното се компресира леко, а външната част на влакното леко се разтяга. Въпреки че това са относително слаби ефекти, те индуцират двулъчепречупване в примката от оптично влакно.

Поляризационен контролер с примки от оптични влакна.

Когато светлина постъпи на входа на влакното, тя се стреми да остане в изходната си поляризация (в смисъла на оси на поляризацията) независимо от усукването на влакното. Малкото усукване на симетричното влакно остава незабелязано от сигнала и

състоянието на поляризацията в свободно пространство не се променя, независимо от осите на влакното. Когато примката на влакното се завърти около оста на влакното, бързата и бавната ос се завъртат по отношение на сигнала. Това завъртане на осите на двулъчепречупване има ефекта на фазово закъснение на компонентите на сигнала една спрямо друга. Следователно се променя състоянието на поляризация на сигнала. Въртейки примките на влакното може устройството да се настрои така, че да изведе на изхода си желаната поляризация. Трябва много да се внимава радиусът на примката да е по-голям от допустимия радиус на огъване на влакното. Ако примката е прекалено тясна, светлината ще напусне влакното. Типичното устройство би могло да има примки с диаметър около 75 mm. Реалните устройства имат три или четири примки, но ефектът може да бъде постигнат и само с 2 примки. Поляризационен контролер, упражняващ механично напрежение върху влакното

Fibre Squeezer Polarisation Controller

Поляризационен контрол чрез упражняване на механично напрежение върху влакното.

Подобен ефект на описания по-горе може да бъде получен, ползвайки устройство, което притиска влакното. Притискането причинява промяна на двулъчепречупването в зависимост от упражненото върху влакното налягане. Налягането се упражнява чрез пиезоелектричен ефект в кристал. Ефектът може да се контролира чрез прилаганото върху кристала напрежение. Така могат да се постигнат много фини промени на налягането, доколкото промяната на размера на кристала може да е съизмерима с размера на отделен атом. В този случай не се върти (усуква) влакното, а се притиска, например с 4 пиезоелемента, ориентирани под различни ъгли един към друг.