Волоконный магнитооптический переключатель

Техническое решение относится к устройствам, обладающим эффектом Фарадея, и может быть использовано в оптических линиях связи для подключения или отключения лазера, или узла волоконно-оптической сети без необходимости их выключения или механического отсоединения.
В качестве прототипа выбрана конструкция волоконного магнитооптического переключателя (All fiber magneto-optic on-off switch for networking applications, патент US 7555177 B1), включающего, по меньшей мере, два магнитооптических ротатора Фарадея, два волоконно-оптических поляризационно-селективных разветвителя конфигурации 1×2 и два отдельных источника магнитного поля.
Такой переключатель работает следующим образом. Первый поляризационно-селективный разветвитель разбивает пучок света, входящий в общее плечо поляризационно-селективного разветвителя 1×2, на два пучка с ортогональными поляризациями, каждый из которых направляется в соответствующее боковое плечо разветвителя. На пути каждого из образованных пучков света с ортогональной поляризацией расположено, по меньшей мере, по одному магнитооптическому ротатору Фарадея. При этом каждый ротатор управляется от индивидуального источника магнитного поля. Далее пучки света с ортогональной поляризацией поступают на вход соответствующих боковых плеч второго поляризационно-селективного разветвителя 1×2 и соединяются в его общем плече. Когда магнитное поле отсутствует, то на выходе переключателя имеется световой пучок, состояние поляризации которого идентично состоянию поляризации света на его входе.
При включении магнитного поля на выходе ротаторов Фарадея осуществляется поворот вектора поляризации пучков света на 90° относительно положения вектора поляризации света на входе в ротатор. При этом свет в общем плече второго поляризационно-селективного разветвителя отсутствует.
Таким образом, включая или выключая магнитное поле, осуществляется выключение или включение прохождения света через переключатель.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, обусловленная большим числом ротаторов Фарадея, поляризационно-селективных разветвителей и источников магнитного поля.
Задачей технического решения является упрощение конструкции устройства.
Поставленная задача решается тем, что волоконный магнитооптический переключатель, включающий ротатор Фарадея для поворота вектора поляризации проходящего пучка света на 90°, источник магнитного поля, вектор индукции которого параллелен направлению распространения света в ротаторе, поляризационно-селективный разветвитель, поляризационно-селективный разветвитель выполнен конфигурации 2×2, два плеча разветвителя с одной стороны для ввода и вывода света, а два боковых плеча разветвителя с другой стороны соединены с оптическими полюсами ротатора, при этом направление векторов поляризаций световых пучков на входе в ротатор взаимно ортогонально.
Общие существенные признаки технического решения:
ротатор Фарадея, обеспечивающий поворот вектора поляризации проходящего пучка света на 90°, источник магнитного поля, вектор индукции которого параллелен направлению распространения света в ротаторе и поляризационно-селективный разветвитель.
Отличительные признаки заявленного технического решения:
поляризационно-селективный разветвитель выполнен конфигурации 2×2, два боковых плеча разветвителя с одной стороны для ввода и вывода света, а два боковых плеча разветвителя с другой стороны соединены с оптическими полюсами ротатора, при этом направление векторов поляризаций световых пучков на входе в ротатор взаимно ортогонально.
Совокупность существенных признаков технического решения обеспечивает возможность упростить конструкцию заявляемого устройства за счет уменьшения числа ротаторов Фарадея, источников магнитного поля и числа поляризационно-селективных разветвителей в два раза.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение волоконного магнитооптического переключателя в состоянии, когда магнитное поле выключено, а на фиг. 2 - в состоянии, когда магнитное поле включено, где 1 и 2 - боковые плечи, расположенные с одной стороны поляризационно-селективного разветвителя 2×2, 3 и 4 - боковые плечи, расположенные с другой стороны поляризационно-селективного разветвителя 2×2, 5 - поляризационно-селективный разветвитель 2×2, 6 - ротатор Фарадея, 7 - входной пучок света, 8 - выходной пучок света, 9 - источник магнитного поля с вектором индукции В (источник магнитного поля не показан).
На фиг. 3 схематично представлено взаимное расположение векторов поляризации пучков света на входе в ротатор Фарадея, где 10 - пучок света с Р поляризацией, 11 - пучок света с S поляризацией, 12, 13 - торцы оптических волокон на оптических полюсах боковых плеч 3 и 4, соответственно, 14, 15 - вектор поляризации света.
Волоконный магнитооптический переключатель содержит поляризационно-селективный разветвитель 5 конфигурации 2×2, имеющий боковые плечи 1 и 2, расположенные с одной стороны разветвителя, а также боковые плечи 3 и 4, расположенные с другой стороны разветвителя. Боковые плечи 1 и 2 предназначены для ввода и вывода света, а боковые плечи 3 и 4 соединены с оптическими полюсами ротатора 6. При этом направление векторов поляризаций 14 и 15 световых пучков 10 и 11 на торцах оптических волокон оптических полюсов плеч 3 и 4 на входе в ротатор 6 взаимно ортогонально, а вектор индукции 9 источника магнитного поля параллелен направлению распространения света в ротаторе.
Устройство работает следующим образом.
Пучок света 7 с произвольным состоянием поляризации входит в боковое плечо 1 разветвителя 5, который разделяет входной пучок света на два пучка с взаимно ортогональным состоянием поляризации - с Р и S поляризацией, соответственно. При этом пучок света с Р поляризацией направляется в боковое плечо 3, а пучок света с S поляризацией направляется в боковое плечо 4.
Свет из боковых плеч 3 и 4 вводится в оптические полюса ротатора 6. При этом вектора поляризации этих пучков света взаимно ортогональны.
Так как магнитное поле выключено, то пучки света, введенные в ротатор 6, проходят через него навстречу друг другу, не претерпевая изменения состояния поляризации и не взаимодействуя между собой.
Далее в боковые плечи 3 и 4 входят пучки света, вектора поляризации которых, ортогональны выходящим пучкам света. За счет ортогональности встречных пучков света, распространяющихся в боковых плечах 3 и 4, эти пучки света так же не взаимодействуют между собой и соединяются в боковом плече 2. При этом состояние поляризации пучка света 8 на выходе переключателя идентично состоянию поляризации входного пучка света 7.
При включении источника магнитного поля 9 вектор поляризации световых пучков, прошедших ротатор Фарадея 6, поворачивается на 90°. При этом в плечо 3 вводится пучок света с Р поляризацией, а в плечо 4, соответственно, вводится пучок света с S поляризацией. За счет этого оптический сигнал направляется обратно в плечо 1. В данном случае устройство выполняет функцию, аналогичную функции отражателя оптического сигнала. При этом оптический сигнал на выходе бокового плеча 2 отсутствует. На работоспособность лазерных источников оптической системы отраженный оптический сигнал не повлияет, так как они, как правило, защищены оптическими изоляторами. Оптический сигнал, направленный обратно в плечо 1, может быть использован, например, для целей мониторинга состояния цепей оптической системы, что может быть еще одним положительным эффектом заявляемого устройства.
Таким образом, при выключенном магнитном поле осуществляется беспрепятственное прохождение оптического сигнала по оптической цепи бокового плеча 1 в боковое плечо 2 разветвителя 5, а при включении магнитного поля прохождение света по данной оптической цепи прекращается.
Пример.
Для построения заявляемого волоконного магнитооптического переключателя можно использовать следующие элементы.
В качестве поляризационно-селективного разветвителя конфигурации 2×2 может быть использован polarization beam combiner/splitter 2×2, производства Opto-Link Corporation Ltd (http://www.optolinkcorp.com/pdf/COM_2×2.pdf).
В качестве ротатора Фарадея можно, например, использовать магнитооптический волновод, представляющий собой монокристаллическую эпитаксиальную пленку Bi-замещенного феррита-граната толщиной ~8-9 мкм с магнитной анизотропией типа "легкая плоскость", выращенную на подложке из кристалла гадолиний-галлиевого граната ориентации (111), толщиной ~500 мкм, с полем насыщения ~80 А/м, с удельными оптическими потерями -0,1-0,3 дБ/мм (без учета потерь на отражение от торцов), с удельным фарадеевским вращением ≈61°/мм для длины волны света 1550 нм. При указанных характеристиках для изготовления ротатора Фарадея длина магнитооптического волновода, при которой обеспечивается поворот вектора поляризации на 90°, должна составлять ≈1,48 мм.
В качестве источника магнитного поля может быть использовано любое устройство, создающее магнитное поле, в том числе независимое. Основным требованием к источнику магнитного поля является способность осуществлять требуемое намагничивание ротатора Фарадея, при котором обеспечивается его функция - поворот вектора поляризации света на 90°. В рассматриваемом примере необходимая величина напряженности магнитного поля для намагничивания магнитооптического волновода в направлении распространения света составляет 80 А/м.
Для стыковки оптических полюсов боковых плеч 3 и 4 разветвителя 5 с оптическими полюсами ротатора Фарадея 6 могут быть применены коллимирующие устройства различной конструкции.
Таким образом, магнитооптический переключатель позволяет осуществлять подключение или отключение лазера, или оптического узла без необходимости их выключения или механического отсоединения.
Преимущество предложенного волоконного магнитооптического переключателя - более простая конструкция, обусловленная тем, что в два раза уменьшается число необходимых ротаторов Фарадея, поляризационно-селективных разветвителей и источников магнитного поля.