ской оси, можно получить различные расщепители поляризованных лучей. На рис. 4.7, а показана призма Глана - Томсона, которая из луча со случайной поляризацией выделяет луч с линейной поляризацией, а на рис. 4.7, б-призма Рощона, в которой падающий луч света со случайной поляризацией разделяется на два луча с линейной взаимно ортогональной поляризацией.

Поляризационная пластина и пластина-анализатор. В этих пластинах используется анизотропность макромолекул, которая возникает вследствие растяжения высокомолекулярной пленки в определенном направлении, однако при этом ослабление света составляет примерно 100: 1. Но поскольку пластины дешевы, то они находят применение.

Фазовая пластина. Световая волна, проходящая внутри кристаллической пластины с анизотропными свойствами, например пластины из кварца или слюды, имеет обычно разные фазовые скорости для обыкновенного и необыкновенного луча. Если считать, что оптические оси кристалла параллельны плоскости пластины, длина волны света К, толщина пластины d, то фазовая разность между обыкновенным и необыкновенным лучом, набегающая в результате прохождения через пластину выражается как

r = -(no-n.)d, (4.4)

где пп и Re -коэффициенты преломления для обыкновенного и необыкновенного луча.

Необыкновенный.

Обыкновенные луч

Оптическая

ось Пр)

а) Оси кристалла

Оптическая ось[По)

Необыкновенный луч

Обыкновенный, луч

Рис. 4.8. Обыкновенный н необыкновенный луч в кристаллической пластине с анизотропными свойствами (а), характер распространения лучей в пластине при

По>Пе (б)

Рис. 4.9. Принцип действия четвертьволновой (а) и полуволновой (б) пластины

На рис. 4.8 представлена подобная пластина. Имеются пластины четверть- и полуволновые (Г = л/2 и Г = я). Как показано на рис. 4.9, а, падающий на четвертьволновую пластину свет имеет линейную поляризацию с углом 45° относительно двух оптических осей кристалла; после же фазовой пластины фаза обыкновенной составляющей выходного луча сдвигается относительно фазы необыкновенной составляющей на 90°, в результате возникает вращение вектора напряженности электрического поля вправо. Другими словами, свет приобретает правостороннюю круговую поляризацию. Точно так же происходит обратное преобразование. Если же при прочих равных условиях воспользоваться полуволновой пластиной, то, как показано на рис. 4.9,6, выходной луч остается линейно поляризованным, но развернутым относительно падающего на пластину луча на 90°. Кроме того, полуволновая пластина преобразует свет с правосторонней круговой поляризацией в свет с левосторонней круговой поляризацией и наоборот, тогда как четвертьволновая пластина превращает свет с круговой поляризацией в свет с линейной поляризацией.

Пластины должны иметь толщину, строго соответствующую заданной длине волны, и использоваться при той длине волны, на которую они рассчитаны.

4.3. ИЗОЛЯТОРЫ

Оптические изоляторы являются необходимым оптическим элементом, например, в схемах, где в качестве источника излучения применяется полупроводниковый лазер с линейно поляризованным светом. Здесь изолятор служит для ограничения спектра и уменьшения флюктуации излучения, обусловленных обратным светом. В простейшем случае, как показано на рис. 4.10, оптический изолятор можно создать на основе вышеописанных принципов - путем объединения поляризатора и четвертьволновой пластины с оптическими осями, развернутыми на 45° относительно осей поляризатора, но, как правило, развязка оптических сигналов в таком устройстве недостаточна.

Что касается оптических изоляторов с развязкой 50 дБ и более, то в них обычно используется магнитооптический эффект- эффект Фарадея. Изолятор состоит из поляризатора, элемента вращения Фарадея, магнита для создания магнитного поля, оптического анализатора (рис. 4.11).

Элемент вращения Фарадея поворачивает плоскость поляризации входящего линейно поляризованного луча на угол

е = ЯЯ, (4.5)

где f -постоянная Верде; / - длина элемента; Я -составляющая магнитного поля вдоль оси элемента (напряженность).

113.

Расщепитель поляризованных, лучей.

. Входящий /луч

Элемент Вращения I 6 Рарадея

Прямое

направление

❖5°

Четверть- Поляризатор волновая пластина

Отраженный, луч

Анализатор

Поляризатор

, Обратное Анализатор направление

Рнс. 4.10. Оптический изолятор Рис. 4.11. Оптический изолятор на основе эффекта Фарадея

Обычно делают угол поворота 0 = 45°, тогда свет в обратном направлении не проходит. Желательно, чтобы материал элемента Фарадея обладал большой постоянной Верде и был достаточно прозрачен.

Теперь о принципе работы изолятора. Как видно из рис. 4.11, луч света, входящий в прямом направлении, поступает на элемент вращения Фарадея как линейно поляризованный свет с углом поляризации, определяемым поляризатором. После элемента вращения плоскость поляризации луча поворачивается на угол 45°. Таким образом, если на выходе поставить анализатор с плоскостью поляризации под углом 45°, то все устройство окажется полностью прозрачным для светового луча. Однако при прохождении луча в обратном направлении он снова поворачивается на угол 45°, т. е. суммарный угол поворота 90°, поэтому луч не проходит через поляризатор (в данном случае работающий как анализатор). Стало быть, это устройство в целом работает как изолятор.

На практике чаще используются оптические изоляторы коротковолнового (0,8 мкм) и длинноволнового (1,3 мкм и 1,5 мкм) диапазона (рис. 4.12). В качестве материала для элемента Фарадея коротковолнового изолятора удобно использовать парамагнитное стекло с добавками тербия (ТЬ+), но поскольку постоянная Верде у него сравнительно мала, нужный угол вращения плоскости поляризации получается удлинением оптического пути (четырехкратным отражением). В качестве материала для элемента Фарадея длинноволнового изолятора используется монокристалл YIG железоиттриевого граната - с большой постоянной Верде, прозрачный на длине волны выше 1,2 мкм. В обоих случаях прямые потери не превышают 1 дБ,

Рис. 4.12. Оптический изолятор для коротковолнового (а) н длинноволнового (б) диапазона

Призма Рошона

Зеркало

Постоянный магнит

Стекла Фарадея

(FR-5) Зеркало

Призма Рошона

Постоянный магнит

Призма Рошона / {поляризатор)

Железоиттриевый гранат

{YIG-кристалл)

Призма PouioHa {анализатор, „ поворот на 5 )

а развязка получается около 30 дБ. Ниже приведены характеристики оптических изоляторов:

Развнзка, дБ ....

Прямые потерн, дБ . .

Центральная длина волны, нм .......

Эффективный диаметр луча, мм ......

Материал элемента вращения Фарадея ....

Габариты, мм Масса, г . .

4.4. СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ И РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Иногда возникает необходимость в передаче нескольких световых волн по одному волокну для расширения возможностей измерений. При этом для введения двух оптических волн в одно волокно используется соединительный фильтр, а для разделения двух оптических волн, передаваемых по одному волокну,- разделительный фильтр. Оба типа фильтров -это практически одно и то же устройство, которое может выполнять функции как объединения оптических сигналов с различной длиной волны, так и разделения этих сигналов. В основе структуры оптического фильтра может быть многослойный диэлектрик, дифракционная решетка, призма и др. Здесь поясним работу фильтров на примере первых двух структур. Практически же нашли применение только фильтры на основе многослойного диэлектрика.

Стержневые линзы

/ \ Полупрозрачная

" пленка

Волокно „--

Полупрозрачная Многослойный пленка p/if. диэлектрик

Рис, 4.13. Оптический соединитель-разделитель на основе многослойного диэлектрика

4.4.1. Фильтры на основе многослойного диэлектрика. В многослойных диэлектриках сравнительно свободно (благодаря многослойной структуре) можно выбрать волновую зону прозрачности и ширину этой зоны, что облегчает проектирование фильтров. В отличие от фильтров на дифракционных решетках, о которых будет сказано ниже, многослойные диэлектрические обладают малыми потерями, но имеют низкую избирательность, так как прозрачны в широком диапазоне волн, а добиться сужения полосы затруднительно. В настоящее время разработаны подобные фильтры с твердым покрытием, у которых в качестве основного материала используются ЗЮг и ТЮг, повышающие надежность фильтра. На рис. 4.13 представлена схема фильтра двустороннего действия (соединительный и разделительный). Конструктивно - это многослойная диэлектрическая структура, зажатая с обеих сторон двумя стержневыми линзами длиной Р/4. Торцевые поверхности линз покрыты поглощающей пленкой диэлектрика. Оптические оси линз и волокон смещены относительно друг друга. В большинстве случаев эти фильтры имеют следующие характеристики: число волн 2.. .6, прямые потери 2.. .5 дБ, переходное затухание 20.. .40 дБ, интервалы между длинами волн 30.. .100 нм.

4.4.2. Фильтры на основе дифракционной решетки. В этих фильтрах используется зависимость угла дифракции луча, проходящего через дифракционную решетку отражательного типа, от длины волны. Следовательно, размещая оптические волокна в местах образования светового пятна, соответствующих различной длине волны, можно добиться разделения световых волн по длине. На рис. 4.14 приведен пример такого фильтра. К од-

Волокно

Стержнебаи линза

-Да/рракцаонная решетка

Рис. 4.14. Оптический соедннитель-разветвнтель типа дифракционной решетки 116

ному из торцов стержневой линзы длиной Р/4 приклеена отражательная дифракционная решетка. Разделительные свойства фильтра определяются избирательностью дифракционной решетки по длине волны и диаметром сердечника входных и выходных оптических волокон. Ширина полосы пропускания пропорциональна диаметру сердечника, поэтому для ее расширения используются входные и выходные оптические волокна большего диаметра.

В том случае, когда в качестве входного применяется GI-bo-локно с диаметром сердечника 60 мкм, а в качестве выходного-SI-волокно с диаметром сердечника 100 мкм, полоса прозрачности получается около 20 нм, а прямые потери 4 дБ.

4.5. МОДУЛЯТОРЫ

В применяемых оптических модуляторах используется в основном электрооптический или акустооптический эффект. Электрооптические модуляторы отличаются высоким быстродействием, но для них характерна нестабильность. Акустооптиче-ские, в частности ультразвуковые, модуляторы отличаются высокой стабильностью, а также простотой в эксплуатации, что и определило их преимущественное применение.

4.5.1. Электрооптические модуляторы интенсивности и фазы света. Типичным материалом для таких модуляторов служит ниобат лития LiNbOs - кристалл сегнетоэлектрика, обладающего электрооптическим эффектом: в нем коэффициент преломления изменяется в зависимости от приложенного электрического напряжения и от ориентации оптических осей кристалла X, у, Z (рис. 4.15). Вдоль осей на кристалле делают срезы. Световая волна передается в направлении оси х. Свет, поляризованный в направлении оси у, называется обыкновенным лучом, а в направлении оси z,- необыкновенным. Для каждого из них

Анализатор

Поляризатор

Рис. 4.15. Модулятор интенсивности света на основе электрооптнческого эффекта