Проектування вентилю для оптичної системи зв’язку на одновимірному фотонному кристалі

3. Вимога спеціального  захисту волокна. Чи є міцним оптичне волокно? Теоретично так. Скло, як матеріал, витримує колосальні навантаження з межею міцності на розрив вище 1ГПа (109 Н/м2). Це, здавалося б, означає, що волокно в одиничному кількості з діаметром 125 мкм витримає вагу гирі в 1 кг. На жаль, на практиці це не досягається. Причина в тому, що оптичне волокно, яким би досконалим воно не було, має мікротріщини, які ініціюють розрив. Для підвищення надійності оптичне волокно при виготовленні покривається спеціальним лаком на основі епоксіакрілата, а сам оптичний кабель зміцнюється, наприклад нитками на основі кевлара. Якщо потрібно задовольнити ще більш жорстким умовам на розрив, кабель може зміцнюватись спеціальним сталевим тросом або склопластиковими стержнями. Але все це спричиняє збільшення вартості оптичного кабелю.

 

Переваги від застосування волоконно-оптичних ліній зв'язку настільки  значні, що незважаючи на перераховані недоліки оптичного волокна, подальші перспективи розвитку технології ВОЛЗ в інформаційних мережах більш ніж очевидні [2].Такі особливості ВОЛЗ, як висока довговічність і можливість модифікації прокладених ліній, сприяють збільшенню кількості експлуатованих ВОЛЗ. За волоконними лініями передається значна частка телекомунікаційного трафіку, значимість ВОЛЗ безперервно зростає.

Відповідно до віщезазначенного велике значення набувають проблеми розробки кінцевого обладнання оптичних систем.

Кінцеве обладнання ВОЛЗ включає  в себе будь-які елементи, в яких відбувається з'єднання оптоволоконних кабелів зі стандартними роз'ємами. Як і для мереж, побудованих на базі витої пари, кінцеве обладнання ВОЛЗ поділяють на активне і пасивне. Пасивне кінцеве обладнання ВОЛЗ це оптичні кроси, стійки та телекомунікаційні  шафи. В даному обладнанні для переходу до класичних мереж активної застосовуються піг-тейл - короткі відрізки кабелю ВОЛЗ з навареним на одному кінці  роз'ємом. Оптичні кроси є найчастіше металевими коробками, всередині яких знаходиться сплайс-пластина, а зовні - стандартні оптичні роз'єми. Активне кінцеве обладнання ВОЛЗ це різноманітні елементи мереж з досить великим набором здійснюваних функцій, що входять до складу вузлів мережі і мережевих станцій. Активне кінцеве обладнання ВОЛЗ здійснює взаємодію з іншими пристроями з аналогічними функціями з передачі даних, їх захисту, управлінню та маршрутизації. Окремий вид активного кінцевого обладнання ВОЛЗ це репетири та підсилювачі оптичного сигналу, призначені для уникнення загасання при передачі сигналу на великі відстані. 
В даній роботі розглядається один з відів кінцевого обладнання – вентилі.

 

2. ІСНУЮЧІ ОПТИЧНІ ВЕНТИЛІ

 

2.1 ОБГРУНТУВАННЯ НЕОБХІДНОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ

 

Оптичний сигнал, поширюючись  по волокну, відбивається від різних неоднорідностей, особливо від місць  сухого стику, утворених оптичними  з'єднувачами. В результаті такого відбиття частина енергії повертається назад. Якщо в якості джерел випромінювання використовуються лазерні діоди, то відбитий сигнал, потрапляючи в резонатор  лазера, здатний індуковано посилюватися, приводячи до паразитного сигналу. Особливо це не бажано, коли джерело  випромінювання генерує цифровий широкосмуговий сигнал (> 100 МГц), або аналоговий широкосмуговий сигнал (в змішаних волоконно-коаксіальних мережах кабельного телебачення  до 1 ГГц). У складних широкосмугових мережах, коли є безліч підключень конекторів та інші оптичні пристрої (розгалуджувачі, WDM пристрої, оптичні підсилювачі), такий  зворотний зв'язок посилюється і  призводить до зростання рівня шуму джерела випромінювання. Найбільш кардинальний спосіб подавлення зворотного потоку заснований на використанні оптичних вентелів.

Оптичний вентиль - це пристрій, що дозволяє світлу вийти з джерела, але не дає йому повернутися на джерело після відбиття.

Основні вимоги до оптичних вентилів полягають у забезпеченні малих  оптичних втрат (1 ... 2 дБ) при прямому  напрямку випромінювання і великих  втрат (20 дБ) - в зворотному напрямку. Крім того, повинні забезпечуватися  прозорість у всьому діапазоні робочих  довжин хвиль, стабільність параметрів при зміні температури.

Оптичні вентилі розробляють  на основі всіх відомих принципів  побудови: волоконному, мікрооптіческом  і планарному. 
Оптичні вентилі знаходять різне практичне застосування. Вони працюють в оптичному зв'язку на коротких (0,8 мкм) і довгих (1,3-1,5 мкм) хвилях, в лазері на склі (довжина хвилі 1,053 мкм), що застосовується в ядерному синтезі.

 

2.2 ЕФЕКТ ФАРАДЕЯ ЯК ОСНОВА  ІСНУЮЧИХ ОПТИЧНИХ ВЕНТИЛІВ

 

Принцип роботи вентилів в мікрооптіческом  виконанні заснований на повороті площини  поляризації випромінювання в результаті ефекту Фарадея (рис. 2.1).

Рис. 2.1 - Демонстрація ефекту Фарадея

 

Ефект Фарадея полягає в наступному: якщо лінійно-поляризоване світло проходить через речовину поміщену в магнітне поле, вектор напруженості якого збігається з напрямом поширення світла, то площина поляризації світла повертається на деякий кут. Цей кут пропорційний довжині шляху світла в речовині і напруженості поля, і обернено пропорційний квадрату довжини хвилі. Залежить він від властивостей речовини. Так, він сильно змінюється поблизу ліній поглинання даної речовини. Особливо сильний ефект спостерігається в тонких прозорих плівках заліза, нікелю і кобальту.

При проходженні світла в прямому і зворотному напрямку кути повороту внаслідок ефекту Фарадея не компенсуються, а підсумовуються, на відміну від природного обертання поляризації в деяких речовинах. Діамагнетики в магнітному полі завжди виявляють позитивне обертання (тобто обертання за годинниковою стрілкою, якщо дивитися у напрямку поля), пара- і феромагнетики - негативні.

 

2.3 ПРИНЦИП ПОБУДОВИ МАГНІТООПТИЧНОГО  ВЕНТИЛЮ

 

Оптичний вентиль складається з трьох елементів: поляризатора 1 (вхідного поляризатора), комірки Фарадея 2 і аналізатора 3 (вихідного поляризатора), рис.2.2.

 

Рис. 2.2 - Схема оптичного ізолятора: а) корисний сигнал в прямому напрямку проходить вільно, б) сигнал у зворотному напрямку поглинається поляризатором.

 

 

 Параметри комірки  Фарадея вибираються так, щоб  вісь поляризації світла, що проходить  через неї, оберталася на 45 °. Під таким же кутом встановлюються осі поляризаторів. Вхідний корисний сигнал, проходячи через поляризатор 1, залишає свою вертикальну складову без зміни, усуваючи горизонтальну складову, рис. а. Далі вертикально поляризоване світло проходить через комірку Фарадея 2, повертає площину поляризації на 45 ° і безперешкодно проходить через аналізатор 3.

При поширенні в обратному напряму (рис.2.2, б) також поляризується в площині аналізатора 3, потім, проходячи через комірку Фарадея 2, стає горизонтально поляризованим. Таким чином, осі поляризації світла і поляризатора 1 складають кут 90 °, тому поляризатор 1 не пропускає зворотне випромінювання.

Основним функціональним елементом вентилів цього типу служить  магнитооптичний елемент Фарадея, який здійснює поворот площини поляризації. Для забезпечення малих оптичних втрат при проходженні випромінювання через нього необхідно застосування різних матеріалів для оптичних діапазонів 0,8 ... 0,9 мкм, 1,18 ... 1,35 мкм і 1,5 ... 1,7 мкм. 
В елементі Фарадея обертання поляризації відбувається під дією магнітного поля. Якщо робоче тіло парамагнетик, то кут повороту пропорційний силі магнітного поля і довжині пройденого світлом шляху, а при ферромагнетику площина поляризації повертається пропорційно шляху світла і намагніченості.

В якості робочого тіла обертаючих елементів Фарадея для оптичного  зв'язку в області 0,8 мкм застосовують діамагнітні фарадееві скла, а в області 1,3-1,5 мкм - феромагнітні кристали граната:

1) для області області  0,8 мкм робоче тіло - діамагнітне  скло з малим поглинанням в  цій галузі. Так як в діамагнетику кут повороту площини поляризації при однаковому шляху світла значно менше, ніж у феромагнетику, то шлях світла подовжується за рахунок багаторазового повторення.

2) для області 1,3-1,5 мкм  застосовується робоче тіло у  вигляді епітаксіальної плівки. У цій області чудовим матеріалом  для фарадеевского обертання  площини поляризації служить  YIG (ітрієво-залізистий гранат), завдяки малим втрат иа пропускання. Кристал Y1G відшліфований у формі циліндра.З метою зниження вартості кристала і зменшення розмірів магніту в оптичних вентилях застосовують тонкі плівки цих кристалів, виготовлені способом епітаксії в рідкій фазі.

3) крім описаних вище  випробовуються дослідні зразки  хвилеводних вентилів, що працюють за рахунок перетворення мод ТE / ТМ. Перетворення відбувається в тонких гранатових плівках, отриманих шляхом напилення на основу з немагнітного гадолинієво-галієвого граната.

Подібні вентилі найчастіше створюються для СВЧ-техніки на ферритах, які практично прозорі  для електромагнітних хвиль цього діапазону (деці-, санти- і міліметрові радіохвилі).

Оптичні вентилі часто інтегруються в лазерний передавальний модуль. Висока ефективність такого рішення пов'язана з тим. що вихідний оптичний сигнал від лазерного світлодіода має еліптичну поляризацію. Оптичний вентиль встановлюється так, щоб площина поляризації аналізатора збігалася з площиною поляризації максимальної складової вихідного сигналу від лазерного світлодіода.

Оптичні вентилі також є невід'ємною частиною оптичних підсилювачів на примесному волокні. У цьому випадку встановлюється пара оптичних вентилів - один на вході, інший на виході оптичного підсилювача. Оскільки оптичні підсилювачі, як правило, здійснюють посилення мультиплексного оптичного сигналу, то необхідно, щоб оптичні ізолятори мали високі характеристики у всьому діапазоні довжин хвиль, представлених в оптичному сигналі. Для цієї мети використовуються спеціальні ширококутного оптичні вентилі.Постачальниками різноманітних оптичних вентилі є фірми: DiCon, FOCI, FiberPlex, Shinkosha. Нижче розглянуті різновіди магнітооптічніх вентилів.

2.4 КЛАСИФІКАЦІЯ ВЕНТИЛІВ  ЗА НЕВЗАЄМНИМИ ЯВИЩАМИ

 

2.4.1 Резонансні вентилі

 

Принцип роботи резонансного вентиля заснований на явищі невзаємного поглинання при феромагнітному резонансі.

 Резонансний вентиль являє собою ділянку прямоугольнго хвилеводу, в якому розташований феритовий зразок, що знаходиться під впливом поля, створюваного постійним магнітом. Основне поширення в техніці отримали резонансні вентилі з феррито-діелектричним заповненням (рис. 2.3)

Рис. 2.3 – Конструкція  резонансного вентилю

 

Двошарова пластина в резонансному вентилі виконується в різних варіантах, деякі з яких показані на рис. 2.4, і або приклеюється до широких стінок хвилеводу, або підтримується в потрібному перетині діелектричним стрижнем, що проходить через невеликий отвір в бічній стінці хвилеводу.

Рис. 2.4 – Варіанти виконання пластини у вентилі

 

Особливістю резонансних  вентилів є те, що поглинання зворотньої хвилі відбувається у самому фериті. Тому сфера застосування цих пристроїв  обмежується випадками, коли потужність зворотньої хвилі не дуже велика.

Залежно від призначення  виділяють такі типові варіанти резонансних  вентилів: 
       - Вентилі з низьким КСВ.

У ряді випадків потрібна висока ступінь узгодження окремих елементів  хвилеоводного тракту, відбиття від кінців резонансного вентиля повинні бути дуже малими (КСВ <1,03). Це досягається вибором форми і розмірів ферито-діелектричної пластини.

- Широкосмугові вентилі.

 При їх створенні  необхідно використовувати як  можна більш активні діелектрики,  що забезпечують незмінну конфігурацію  магнітного поля в фериті для  прямої хвилі. У цьому випадку   втрати прямої хвилі будуть  зберігатися постійніми при зміні  частоти.

 

 

- Вентилі з великим  вентильним відношенням.

Можуть бути реалізовані шляхом здійснення розносу між резонансними полями прямої та зворотньої хвиль.

- Вентилі для підвищених рівнів потужності.

При їх створенні феритові пластини слід розташовувати в площині Н, приклеюючи їх до широких стінок хвилеводу. У цьому випадку здійснюється хороший тепловідвід від фериту до хвилеоводу і розігрів фериту за рахунок розсіюваної в ньому потужності відбувається в допустимих межах. Крім того, слід використовувати температурно стабільні ферити.

- Вентилі полегшеної конструкції.

Для зменшення ваги резонансного вентилю слід використовувати хвилеводи неповної висоти. Це призводить, по-перше, до деякого подовження вентиля, тому що доводиться застосовувати четвертьхвильові переходи для узгодження його з хвилеводами нормального перетину і, по-друге, до зниження електричної міцності вентиля. Однак у ряді випадків ці незручності окупаються зазначеним виграшем у вазі.

 

2.4.2. Вентилі на «зміщенні поля»

 

Засновані на невзаємних явищах, пов'язаних з відмінностями структури  поля прямих і зворотних хвиль.

- Вентиль на зсуві поля  з однією феритовою пластиною.

У конструктивному відношенні розглянутий вентиль являє собою  відрізок прямокутного хвилеводу, в  якому розміщена досить товста феритова пластина, покрита з одного боку поглинаючим шаром. На хвилевід надівається  магніт, який створює поле необхідної величини в поперечному напрямку.

Електричне поле прямої хвилі в місці розташування плівки має мінімальне значення. Таким чином, плівка буде надавати слабкий вплив на пряму хвилю, в той час як зворотня хвиля буде інтенсивно в ній згасати.