RU2082190C1 - Optical insulator - Google Patents

Abstract

FIELD: optical instruments, in particular, emitting units with semiconductor lasers, semiconductor, fiber- optical amplifiers. SUBSTANCE: device has input and output collimating elements 1, 2, and non-mutual member 3 which is located between collimating elements and contains first unit 13 which has double-refraction prisms 9, 11 and 45-degrees Faraday rotator 14, and second unit 15 which has double-refraction prisms 16, 18 and 45-degrees Faraday rotator 17 which is rotated about its optical axis by 180 degrees. Optical axes of units 13 and 15 are at equal angle to optical axis of rotator 14; direction of rotation of polarization plane of rotator 14 is opposite to direction of polarization plane of rotators 10 and 17. EFFECT: increased functional capabilities. 9 dwg

Description

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. The invention relates to optical components of quantum electronics, namely to optical insulators used in emitting modules on semiconductor lasers, in semiconductor and fiber optic amplifiers.

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. The use of such emitters / amplifiers in fiber remote communication systems is mainly limited by the relative intensity of the noise signal in the propagating radiation. The high noise level is due to the influence of significant radiation propagating along the fiber optic line in the opposite direction (hereinafter referred to as "back reflected radiation") and falling into the active region of the emitter. In the general case, this back-reflected radiation includes radiation reflected from the surfaces of optical components (lenses for introducing radiation into the fiber), from the "far" and "near" ends of the fiber, from inhomogeneities of the fiber itself (Rayleigh scattering). This leads to a decrease in the signal transmission rate and increases the probability of bit errors in fiber-optic communication systems.

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. There are various designs of optical components and a specific implementation of the optical elements, allowing to reduce both the effect and the magnitude of the back-reflected radiation. For example, the application of antireflection coatings on the surface of optical components, including the ends of optical fibers, the manufacture of polished oblique ends, the use of optical insulators of various designs [1, 2, 3] The latter, despite the increase in the dimensions of the system, can significantly reduce the level of back-reflected radiation per due to high radiation losses when passing it in the opposite direction, thereby ensuring isolation of the emitter / amplifier from the back-reflected radiation.

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.An optical isolator of known design [1] consists (see Fig. 1, 2) of a pair of lenses 1, 2 located on both sides of a non-reciprocal part 3, containing a pair of birefringent crystals 4, 5 and placed between them 45 ^o Faraday rotator 6 and 45 ^o quartz rotator 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.Direct radiation (see FIG. 1) from the input fiber 8 is collimated by lens 1 and this collimated beam is split by a birefringent crystal 4 into two beams with mutually orthogonal planes of polarization (ordinary and extraordinary beams), as shown in FIG. 2. In this case, the axis of the extraordinary beam is displaced relative to the axis of the input beam by a certain distance, depending on the length of the birefringent crystal. The polarization planes of the beams rotate 90 ^° after passing through two rotators 6, 7. The direction of the optical axis of the output crystal 5 is rotated 90 ^° relative to the optical axis of the input crystal 4, so that the ordinary and extraordinary beam in the input crystal 4 correspond to unusual and ordinary beams in the output crystal 5. These beams at the output of the output crystal 5 are mixed into one beam parallel offset from the input beam, which is then focused by the lens 2 on the end of the output fiber 9. When the reverse The propagation of radiation (see Fig. 2) does not change the polarization of the beams after the passage of the rotators 6, 7. In this case, the ordinary beam is shifted relative to the input beam, and the extraordinary beam is extracted through the side faces of the birefringent crystal 4. This ensures that the emitter is isolated from the back-reflected radiation. The length of the birefringent crystal 4, 5 is chosen so that the distance between the beams during the return pass of the radiation is so great that an ordinary beam could not be effectively focused on the end of the input fiber. The authors used two SELFOC lenses with a diameter of 2 mm and a numerical aperture of 0.6 for matching single-mode fibers and calcite crystals 20 mm long as birefringent crystals. The length of the 45 ^o quartz rotator, from the reference data, is approximately 15 mm The following parameters of the optical isolator are published: direct losses are of the order of 2 dB and isolation is more than 30 dB. It is noted that the optical isolator of this design is polarization-insensitive, that is, losses in the forward direction of radiation do not depend on the position of the plane of polarization of the input radiation.

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.The disadvantages of this design include:
1. The large dimensions of the insulator, and, consequently, the large distance between the lenses, which leads to additional losses on the input of radiation from one fiber to another.

2. Параллельное смещение выходного пучка по отношению к входному усложняет конструкцию ввода излучения из входного световода в выходной. 2. The parallel displacement of the output beam relative to the input complicates the design of the input of radiation from the input fiber to the output.

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. Optical insulators are known [2, 3] in which birefringent crystals are made in the form of wedge-shaped prisms (hereinafter “wedges”), in the context of which are rectangular triangles with certain angles at the vertices. Wedges are set one on the base, the other on top. Moreover, their faces, which are hypotenuses in cross section for right triangles, or are turned inward to the nonreciprocal part 3 [2], see FIG. 3-5, or outward [3] see FIG. 6, 7. The passage of radiation beams in both known optical isolators is of the same type.

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.Let us consider it as an example of an optical isolator [3] which is closer in technical essence and contains the input and output collimating elements and the non-reciprocal part placed between them in the form of a node, including a sequence of the first birefringent wedge located from the input collimating element, 45 ^o Faraday rotator with a given direction rotation of the plane of polarization and the second birefringent wedge, the optical axis of which is rotated at an angle of 45 ^o relative to the optical axis of the first refracting wedge.

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.A direct beam incident from the input fiber 8 (see Figs. 4, 6) is collimated by lens 1 into a parallel beam and enters the input birefringent wedge 9. This beam, after passing through the first input wedge, splits into two beams whose polarization planes are mutually orthogonal: ordinary and extraordinary. Then the beams pass through the 45 ^o Faraday rotator 10 and the second birefringent wedge 11. The rotator is installed so that its rotation of the plane of polarization is consistent with the direction of rotation of the optical axis in the second wedge relative to the optical axis in the first. The second output wedge is set so that the angular deviations of the beams caused by the input wedge are compensated by the output wedge. After passing through 45 ^o Faraday rotator 10, the plane of polarization of the beams rotate 45 ^o . Then, for beams in the forward direction, the optical axis in the wedge 11 is not rotated relative to the optical axis in the wedge 9. That is, an ordinary beam for a wedge 9 is ordinary for a wedge 11, and unusual for a wedge 9 is unusual for a wedge 11. In other words, for of each of the split beams, the refractive indices of the birefringent material of which the wedges are made are the same for each of them. Thus, we have at the exit from node 13 two beams with mutually orthogonal directions of the polarization planes parallel offset in the plane of the angles of the wedges relative to the input beam incident on node 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.The back-reflected radiation from the input fiber 12 is collimated by the lens 2 into a parallel beam, split by the wedge 11 into two beams with mutually orthogonal directions of the polarization planes, into ordinary and extraordinary (see Fig. 5, 7). Then, the beams pass through the rotator 10 and fall on the input wedge 9. For the beams in the opposite direction, the optical axis in the wedge 9 is rotated 90 ^° relative to the optical axis in the wedge 11. Thus, the ordinary and extraordinary beam in the output wedge correspond to the extraordinary and ordinary beams in the input wedge. Thus, the deviations of the beams caused by the output wedge 12 are not compensated by the input wedge 9. In this case, the back-reflected radiation is focused by the input lens outside the end of the input fiber 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.Both of the known constructions considered [2, 3] have smaller dimensions compared to the construction [1] However, for the construction [2], the wedge angles must be coordinated with the focal length of the lenses and with the type of optical fibers (single-mode or multi-mode), which creates difficulties in the manufacture of the system. Therefore, in the optical isolator [2], alignment is much more complicated and the tolerances on the relative shift of the output fiber are tightened compared to the introduction of one beam into the fiber. Insulator polarization-insensitive [2]
The design of the optical insulator is such that the beams of direct radiation emerging from the node 13 are separated at a certain distance, which is so large that both cannot be effectively introduced into the fiber. Therefore, focus one of them. Such an optical insulator is not polarization-insensitive, which leads to the necessity of orientation with respect to the plane of polarization of the input radiation, which significantly narrows the scope and requires additional alignment of the optical emitter relative to the radiation source. The known parameters of the optical insulator [2] for multimode optical fibers: direct loss of 0.8 dB, the degree of insulation of more than 35 dB and optical insulator [3] for single-mode optical fibers: direct loss of 0.3 dB, the degree of isolation of about 35 dB. Therefore, direct losses are significantly reduced in comparison with the optical isolator [1] and the degree of isolation is slightly increased.

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. It was found that for the efficient operation of emitters / amplifiers, optical fiber lines, a higher degree of isolation of a polarization-insensitive optical modulator is required with the convenience and reliability of its assembly, as well as the assembly of the module as a whole.

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. The technical result of the proposed optical insulator is to provide polarization insensitivity, simplify alignment, as well as the design of the output part of the module when using the proposed optical insulator, increase the degree of insulation by at least three times for both single-mode and multimode optical fibers.

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.An optical isolator is proposed, in the non-reciprocal part of which an additional 45 ^° Faraday rotator and a second node identical to the first, rotated around its optical axis by 180 ^° , placed relative to the optical axis of the first node so that the angles between the optical axes of the nodes and the optical axis of the rotator are chosen equal in absolute value and opposite in sign, and the direction of rotation of the plane of polarization of the second rotator is back relative to the direction of rotation This is the plane of polarization of rotators installed in nodes.

На фиг. 8 изображены схемы предлагаемого оптического изолятора и траектории прохождения оптических пучков излучения в прямом направлении. In FIG. 8 shows a diagram of the proposed optical insulator and the path of the optical radiation beams in the forward direction.

На фиг. 9 изображены схемы предлагаемого оптического изолятора и траектории прохождения оптических пучков излучения в обратном направлении. In FIG. 9 shows a diagram of the proposed optical insulator and the path of the optical radiation beams in the opposite direction.

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.The proposed optical isolator contains the following components (see Fig. 6): collimating lenses 1, 2 and nonreciprocal part 3, consisting of the first node 13, similar to the node, nonreciprocal part of the prototype [3] of the second 45 ^o Faraday rotator 14 and the second node 15. The latter includes the third birefringent wedge 16, the third 45 ^o Faraday rotator 17 and the fourth birefringent wedge 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.In this design, the rotator 14 is installed so that the rotation of the planes of polarization of the beams is carried out in the opposite direction to the direction of rotation of the plane of polarization of the rotator 10. Therefore, in both parallel orthogonally polarized beams emerging from nodes 13 (see Fig. 8), after passing through the rotator 14 the rotation of the polarization planes made by the rotator 10 from the assembly 13 is compensated. As for the assembly 15, it is mounted with respect to the assembly 13 and the rotator 14 so that, firstly, the sequence is preserved the location of birefringent wedges as in node 13 (meaning the location of the optical axes of the input and output wedges) and the installation of a rotator between them (the direction of rotation of the planes of polarization of the beams is preserved); secondly, both birefringent wedges 16, 18 are rotated around the optical axis of the node by 180 ^o , i.e. with respect to the wedges 9, 11 (with the identical arrangement of both nodes) and, thirdly, the angles between the optical axes of the nodes and the optical axis of the rotator are chosen equal in absolute value, opposite in sign so that the transverse shear of the beams caused by the first node is compensated transverse shear in the opposite direction by the second node. The angle of inclination of the optical axis is determined by the necessary (calculated) angle Φ of incidence of the input beam on the front face of the input wedge of the first node.

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. Based on this, the beams passing through the wedges 16 and 18 experience the same refraction as in the wedges of the node 13. That is, the ordinary beam for the wedges of the node 13 remains ordinary for the wedges of the node 15, the same for the unusual beam and, therefore , these beams are combined at the output of node 15. Thus, at the output of the nonreciprocal part 3, we have one beam, regardless of the radiation polarization at the input. In addition, with this mutual arrangement of the node 13 and 15, the shear of the beams at the output of the node 13 with respect to the input beam is compensated by a shift of the beams in the opposite direction in the node 15. Thus, the output beam does not have a shift relative to the input.

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.The back-reflected radiation (see Fig. 9) from the components of the fiber optic path when passing through the wedge 18 is split into two beams, ordinary and extraordinary. The rotator 17 rotates their plane of polarization by 45 ^o . As a result of this, the previously ordinary bundle is extraordinary for wedge 16, and extraordinary ordinary. These beams, refracting in the wedge 16, exit at angles on opposite sides from the axes of the direct beams and, therefore, do not reach the output of the nonreciprocal part 3. The same fraction of the back-reflected radiation, which, however, passed the nonreciprocal part 3 of this optical insulator along the same trajectory as direct radiation, consists of two beams with mutually orthogonal planes of polarization. The magnitude of this radiation depends mainly on the extinction coefficient of the birefringent crystal from which the wedges are made, the result of the accuracy of manufacturing the components of the optical insulator and its assembly. These beams experience the same effect in node 13 as previously in node 15, described above. In addition, after the passage of the rotator 14, the unusual beam will be ordinary for the wedge 11, and the ordinary one will be unusual. This already leads to a deviation from the beam path in the forward direction. Thus, at the input of the nonreciprocal part 3, these beams deviate at different angles on different sides of the direct radiation axis and, therefore, will not fall into the radiating region.

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. Due to this design of the nonreciprocal part 3 of the proposed optical isolator, it was possible to increase the insulation by at least three times. By combining the ordinary and extraordinary beams into one beam when leaving the nonreciprocal part, the polarization insensitivity of the optical insulator is ensured. Since the output radiation propagates along the optical axis of the input radiation, this made it possible to simplify the alignment of the optical insulator with respect to the output fiber, as well as to simplify the design of the module in which this optical insulator can be used. The identity of the elements used is also of great importance to simplify the manufacture of the proposed optical insulator.

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.As lenses 1, 2, spherical lenses with a diameter of 1.5 mm from K8 material can be used. Wedges 9, 11, 16, 18 are made of birefringent material Icelandic spar (CaCO ₃ ) with angles at apex of 36 ^o . 45 ^o Faraday rotators 10, 14, 17 are a plate of a certain thickness, cut from a crystal Y ₃ Fe ₅ O ₁₂ and installed in a ring NdFeB magnet. The optical axes of the birefringent wedges 9 and 18 were in the section plane AA of the optical insulator (see FIG. 6). The optical axes of the birefringent crystals 11 and 18 were rotated by 45 ^° with respect to the optical axes of the birefringent crystals 9 and 16, respectively. The angles j and -ψ between the optical axes of the nodes 13 and 15 and the optical axis of the rotator 14 are designed for the angle of incidence of the input, direct radiation, equal to 60 ^o . The absolute values of the angles j are 180 ^o (60 ^o - 36 ^o ) 156 ^o (±). After assembling this optical insulator, a radiation beam was obtained at the output, which was focused on the end of the output fiber with a lens 2 similar to lens 1. In this case, no additional adjustment of the output part of the optical insulator was required.

Claims (1)

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.An optical isolator containing an input and an output collimating elements and a non-reciprocal part placed between them in the form of a node, comprising a sequence of the first birefringent wedge located from the input collimating element, the 45 ^o Faraday rotator with a given direction of rotation of the polarization plane and the second birefringent wedge, the optical axis which is rotated at an angle of 45 ^o relative to the optical axis of the first birefringent wedge, characterized in that the non-reciprocal part is additionally the second 45 ^° Faraday rotator and the second assembly identical to the first, rotated around its optical axis by 180 ^° , placed relative to the optical axis of the first assembly so that the angles between the optical axes of the nodes and the optical axis of the rotator are selected equal in absolute value and opposite in sign, and the direction of rotation of the plane of polarization of the second rotator is inverse to the direction of rotation of the plane of polarization of the rotators installed in the nodes.

Images