Passive optische Komponenten - Optischer Zirkulator
Einführung
Optische Zirkulatoren sind mikrooptische Geräte und können mit einer beliebigen Anzahl von Anschlüssen hergestellt werden. Am häufigsten sind jedoch Versionen mit 3 und 4 Anschlüssen. Es ist auch üblich, eine asymmetrische Version zu erstellen, bei der der letzte Port nicht zum ersten umläuft. Dies spart zwar einige Kosten, ist jedoch nicht der wichtigste Grund dafür. Wenn wir sicherstellen, dass der letzte Port nicht zum ersten umläuft, können wir das Gerät in Systemen verwenden, in denen wir diese Funktion nicht benötigen (oder wollen). Wenn zum Beispiel der Eingang des ersten Ports direkt mit einem Laser verbunden ist, möchten wir sicher nicht, dass Störsignale in diesen zurückgeführt werden.
Eine der Hauptattraktionen von optischen Zirkulatoren ist der relativ geringe Verlust. Typische Geräte weisen einen Port-zu-Port-Verlust zwischen 0,5 dB und 1,5 dB auf. Optische Zirkulatoren sind sehr vielseitige Geräte und können in vielen Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise wird eine bidirektionale Verbindung, die aus zwei Fasersträngen (einer für jede Richtung) besteht, auf einen einzelnen Faserstrang gemultiplext. Dies kann getan werden, um die Faserkosten zu senken. Wenn Sie so etwas tun, müssen Sie natürlich besonders darauf achten, Reflexionen auf dem Link zu minimieren.
Funktionsprinzip
An sich gibt es kein einfaches Prinzip hinter dem optischen Zirkulator. Optische Zirkulatoren bestehen aus einer Anordnung optischer Komponenten. Es gibt viele verschiedene Designs, aber das Hauptprinzip ist das des optischen Isolators. Die Grundfunktion eines Zirkulators ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Licht, das an einem bestimmten Port eintritt, läuft um den Zirkulator herum und tritt am nächsten Port aus. Licht, das an Port 1 eintritt, verlässt an Port 2, das an Port 2 eintritt, verlässt an Port 3 und so weiter. Das Gerät arbeitet symmetrisch um einen Kreis.
Licht, das durch einen Faraday-Rotator in eine Richtung läuft, wird in einer bestimmten Richtung polarisiert. Licht, das aus der entgegengesetzten Richtung in den Faraday-Rotator eintritt, hat seine Phase in der entgegengesetzten Richtung (relativ zur Ausbreitungsrichtung des Lichts) gedreht. Eine andere Sichtweise ist, dass das Licht unabhängig von seiner Bewegungsrichtung immer in der gleichen Richtung in Bezug auf den Rotator gedreht wird. Dies wird durch das Vorhandensein einer unvorhersehbaren Polarisation erschwert. Wir könnten die unerwünschte Polarisation herausfiltern, aber wir würden dabei (im Durchschnitt) die Hälfte unseres Lichts verlieren - und oft viel mehr. Daher teilen wir den einfallenden „Strahl“ in zwei orthogonal polarisierte Strahlen auf und behandeln jede Polarisation separat. Die zwei Hälften des Strahls werden dann erneut kombiniert, bevor sie an den Zielport ausgegeben werden.
Hier ist eine Abbildung, die einen optischen Zirkulator mit drei Anschlüssen zeigt. Seine Komponenten funktionieren wie folgt:
Polarisierender Strahlteilerwürfel : Dieses Gerät teilt den Eingangsstrahl in zwei orthogonal polarisierte Strahlen auf.
Doppelbrechender "Walk-off" -Block : Dies ist nur ein Block aus doppelbrechendem Material, der in einem Winkel von 45 ° zur optischen Achse geschnitten ist. Ein Strahl, der senkrecht zur Luft-Kristall-Grenzfläche einfällt, wird in zwei Strahlen orthogonaler Polarisation aufgeteilt. Der gewöhnliche Strahl wird nicht gebrochen und geht unbeeinflusst durch. Der außergewöhnliche Strahl wird schräg zur Normalen gebrochen.
Faraday-Rotator und Phasenplatte : Diese Kombination lässt Licht in eine Richtung völlig unverändert! (In der Abbildung ist dies die Richtung von rechts nach links.) In der entgegengesetzten Richtung wird die Polarisation des einfallenden Lichts um 90 ° gedreht. Der Faraday-Rotator erzeugt von links nach rechts eine Phasendrehung von 45 ° (im Uhrzeigersinn) und die Phasenplatte dreht das Licht um weitere 45 ° (auch im Uhrzeigersinn). Somit erhalten wir eine Drehung um netto 90 ° im Uhrzeigersinn. In der Richtung von rechts nach links dreht die Phasenplatte das Licht in die gleiche Richtung (in Bezug auf die Richtung des Lichtstrahls) wie zuvor, dh um 45 ° gegen den Uhrzeigersinn. Der Faraday-Rotator dreht jedoch die Phase in die entgegengesetzte Richtung (in Bezug auf die Richtung des Strahls) wie zuvor, dh im Uhrzeigersinn um die gleichen 45 °. Das heißt, die Phase wird in die entgegengesetzte Richtung gedreht. Somit gibt es keine Nettoveränderung der Polarisation. (Natürlich gibt es in der Praxis Verluste aufgrund von Reflexionen und Fehlern bei der Geräteherstellung.)
Wie im optischen 3-Port-Zirkulator gezeigt, wandert das Licht von Port 1 nach Port 2 wie folgt:
1. Ein Strahleneingang an Port 1 wird in zwei getrennte Strahlen mit orthogonalen Polarisationen aufgeteilt. Der "normale" Strahl passiert ohne Brechung, aber der orthogonal polarisierte "außergewöhnliche" Strahl wird gebrochen (in der Figur nach oben).
2. Beide Strahlen verlaufen von links nach rechts durch den Faraday-Rotator und die Phasenverzögerungsplatten. Beide Strahlen sind um 90 ° gedreht.
3. Die beiden Strahlen treffen dann auf einen anderen doppelbrechenden Walk-Off-Block (Block B), der mit dem ersten identisch ist. Der Effekt der Phasenrotation in der vorherigen Stufe bestand darin, den Status der Strahlen zu tauschen. Der Strahl, der in Block A der gewöhnliche Strahl war (und nicht gebrochen wurde), wird in Block B zum außerordentlichen Strahl (und in Block B gebrochen). Der außerordentliche Strahl in Block A (der obere Pfad in der Figur) wird zum gewöhnlichen Strahl in Block B (und wird in Block B nicht gebrochen). Das Licht wird wie gezeigt gebrochen und neu kombiniert. Es wird dann an Port 2 ausgegeben.
Die Kopplung an die Glasfaser am Ein- und Ausgang würde normalerweise eine Art Linse verwenden. In der Regel wird hier eine GRIN-Linse verwendet. Der Weg von Port 2 nach Port 3 ist etwas komplizierter:
1. Licht, das von Port 3 eintritt, wird in Block B aufgeteilt.
2. Bei Rückwärtsfahrt bleibt die Polarisation beider Strahlen unverändert.
3. Doppelbrechender Block A lässt nun den oberen Strahl unverändert durch, verschiebt aber den unteren weiter weg. 4. Die beiden Strahlen werden dann unter Verwendung des Reflektorprismas und des polarisierenden Strahlteilerwürfels wieder kombiniert.
Hinweis: Wenn Sie nur die Ports 1 und 2 anschließen, kann der optische Zirkulator als optischer Isolator verwendet werden . Wenn Sie den Strahlteilerwürfel und das Reflektorprisma weglassen, haben Sie einen ausgezeichneten (sehr verlustarmen) polarisationsunabhängigen Isolator. Ein Pfad von Port 3 zu Port 1 kann durch Hinzufügen zusätzlicher Komponenten erstellt werden. Für die meisten Anwendungen ist dies jedoch nicht erforderlich, da die Verbindung von Port 3 zu Port 1 ohnehin nicht gewünscht wird.
Fazit
Es gibt viele Möglichkeiten, optische Zirkulatoren zu konstruieren (3 und 4 Ports). Alle diese Methoden verwenden Kombinationen von Komponenten und ähnliche Prinzipien wie die oben beschriebenen. Das größte Problem bei optischen Zirkulatoren besteht darin, dass die Komponenten mit sehr engen Toleranzen hergestellt und äußerst genau positioniert werden müssen. Dies verursacht relativ hohe Kosten. Sie können jedoch kostengünstige optische Zirkulatoren in FOCC finden .
