Światłowodowe elementy polaryzacyjne

Transkrypt

1 Światłowodowe elementy polaryzacyjne elementy wykorzystujące własności przenoszenia polaryzacji w światłowodach jednorodnych i dwójłomnych polaryzatory izolatory optyczne depolaryzatory kompensatory i rotatory polaryzacji modulatory fazy i polaryzacji Zastosowanie: transmisja koherentna interferometria optyczna w zamkniętym obiegu światła

2 Polaryzator światłowodowy PS PS otrzymujemy przez selekcję jednego z modów P x lub P y z modu podstawowego HE 11 Za polaryzatorem liniowym światłowód prowadzi jeden mod własny reprezentujący liniową polaryzację Miara jakości polaryzatora ekstynkcja: ε = 10 log (I max / I min ) Konstrukcje: polaryzator z mechanicznym pokryciem L kilka mm P x tłumiona ok. 1% silniej niż P y Wady: konieczna długa droga oddziaływania, duża stratność pozostałej polaryzacji, energia modu tłumionego zamienia się w ciepło (naprężenia)

3 Polaryzator metaliczny z odcięciem modu (realizacja dla zmniejszenia efektów termicznych) naruszona cylindryczna symetria rdzenia P y wypromieniowuje P x przechodzi odcinek z warstwą metaliczną jako fala powierzchniowo-plazmowa Zalecana bardzo cienka warstwa metalu (Al, Ag, Au) aby zminimalizować straty P x

4 Polaryzator z metalowym płaszczem Efekt tłumienia jednego z modów polaryzacji na odcinku światłowodu, na którym pole zanikające modu HE 11 sięga powierzchni metalowego płaszcza

5 Polaryzator z kryształem dwójłomnym Uwaga:kryształ dwójłomny tak wycięty, aby n 1 było dopasowane do n 4= (horyzontalnej osi kryształu) n było dopasowane do n 4 (osi pionowej kryształu) Zanikające pole elektryczne HE 11 oddziałujące z kryształem P x odsprzęglone i wypromieniowane przez kryształ P y pozostaje we włóknie (bo n 4 = n )

6 W-tunelowy polaryzator światła Δλ - szerokość widma polaryzatora światłowód typu W dwójłomny ma różne długości fali odcięcia dla każdego modu polaryzacji dobór λ tak aby jedna z polaryzacji nie mogła się rozchodzić

7 Polaryzator ze zwiniętego włókna dwójłomnego nawinięcie włókna dwójłomnego na walec o odpowiednio dobranej średnicy zgięcie włókna powoduje selektywne tłumienie modów polaryzacji Pasmo transmisji przesuwa się w kierunku fal krótszych gdy maleje promień nawinięcia. Zalety: duża szerokość widmowa pasma transmisji duża stabilność termiczna ( C)

8 Parametry techniczne wybranych polaryzatorów PMP polaryzator z metalicznym pokryciem POM polaryzator metaliczny z odcięciem modu PKD polaryzator z kryształem dwójłomnym P-W polaryzator W-tunelowy PZW polaryzator ze zwiniętego włókna dwójłomnego PM polaryzator z metalowym płaszczem

9 Kompensator polaryzacji Zadanie: kompensacja zmian stanu polaryzacji wynikających z przypadkowych zaburzeń struktury włókna polaryzacja eliptyczna na wy Dwa elementy sterujące bo konieczność kompensacji: ε - eliptyczności polaryzacyjnej ϕ- azymutu polaryzacyjnego M0, M45 elektromagnesy ściskające w kierunku 0 i 45 L1, L dwa odcinki światłowodu dwójłomnego

10 Kompensator polaryzacji Opis układu kompensatora polaryzacji w formalizmie macierzowym Jonesa E = K wy + ( R K1 R ) Ewe gdzie K j macierz Jonesa dwójłomnego światłowodu 1 K j = 0 e 0 iδ j Δ j = φ fj φ sj j=1, realizacja: IL straty, CK ciągłość regulacji, SR szybkość reakcji, ZM zmęczenie mechaniczne, OT ograniczenie termiczne pracy

11 Obrotowe pętle światłowodowe jako kompensatory polaryzacji dwójłomność indukowana zgięciem 1 pętla wprowadza różnicę faz modów polaryzacji Δϕ 1 =90 pętla Δϕ = 180 Dowolna polaryzacja eliptyczna przetworzona na polaryzację liniową przez ustawienie kąta pierwszej pętli kąt ustawienia pętli daje odpowiedni azymut wyjściowej polaryzacji liniowej Aby otrzymać analog płytki fazowej λ/m dla danego światłowodu wyliczamy promień pętli πar λ ( ) = Nm R N,m a = 0,133 stała dla światłowodu kwarcowego r promień włókna, N liczba zwojów

12 Obrotowa ramka światłowodu Działanie analogiczne jak w układzie obrotowych pętli. Pętla zastąpiona półpętlą wygiętą na odpowiednio ukształtowanych ramkach kształt indukuje dwójłomność przez zgięcie, ramki mogą zmieniać nachylenie kątowe względem siebie

13 Rotator światłowodowy FR1, FR rotatory Faradaya, Pλ/4 ćwierćfalówka światłowodowa Rotator FR1 określa stan polaryzacji w punkcie B, po przejściu przez pętlę polaryzacja liniowa w punkcie C, FR obraca jej kierunek

14 Optyczny rotator światłowodowy ϕ = Rotator Faradaya V Hdl l H natężenie pola magnetycznego l długość światłowodu w polu magnetycznym V stała Verdeta (maleje ze wzrostem długości fali, należy stosować źródło o wąskim widmie promieniowania) W przypadku ogólnym kąt skręcenia zależy od natężenia pola H i stopnia dwójłomności światłowodu

15 Rotator z użyciem światłowodu izotropowego Prąd wytwarza pole magnetyczne o kierunku równoległym do osi światłowodu i w efekcie skręcenie płaszczyzny polaryzacji o wartość ϕ = VH

16 Rotator z użyciem światłowodu dwójłomnego W światłowodzie dwójłomnym nie występuje obrót płaszczyzny polaryzacji pod wpływem pola magnetycznego. Pobudzenie światłowodu dwójłomnego światłem spolaryzowanym pod kątem 45 względem osi optycznej powoduje w światłowodzie periodycznie zmienny stan polaryzacji od liniowego w punktach różnicy faz modów polaryzacji równej 0, π, π do ogólnie eliptycznego. Okres zmian fazy w przedziale 0 - π wynosi L P (droga dudnień). Jeśli w zasięgu oddziaływania pola H mieści się kilka stref polaryzacji liniowej l to otrzymamy sumaryczne zjawisko Faradaya na danym odcinku światłowodu. Odstęp l 1 między cewkami powinien wynosić L P, a długość cewki l = L P /.

17 Rotator z użyciem światłowodu dwójłomnego z kompensacją dwójłomności Niepożądaną dwójłomność światłowodu można skompensować przez zwinięcie światłowodu w formie pętli lub cewki. Przy odpowiednim ustawieniu osi optycznych światłowodu i doborze promienia zwoju R można przywrócić izotropowość optyczną światłowodu. Umieszczając zwinięty światłowód w obszarze oddziaływania pola magnetycznego otrzymamy efekt skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Maksymalnie skuteczne oddziaływanie pola będzie na odcinkach światłowodu równoległych do linii oddziaływania pola.

18 Optyczny izolator światłowodowy Schemat ideowy Realizacja techniczna Objętościowy izolator optyczny składa się z krystalicznego rotatora Faradaya o kącie obrotu płaszczyzny polaryzacji 45 i polaryzatora. Fala optyczna liniowo spolaryzowana przechodzi przez polaryzator i rotator, odbita wraca do źródła. Sumaryczny kąt obrotu płaszczyzny polaryzacji wynosi =90, a polaryzator nie przepuszcza fali o polaryzacji prostopadłej do polaryzacji wejściowej. Rotator krystaliczny może być zastąpiony rotatorem światłowowowym.

19 Modulator światłowodowy Modulacja fazowa polega na cyklicznej zmianie fazy wiązki świetlnej propagującej w światłowodzie jednomodowym. Fala przechodząc przez światłowód o długości l i współczynniku załamania n ma zdefiniowaną fazę: Zmiana fazy: Δφ = φ = βl = k0nl ( nδl + lδn) = k ( nle + l n) k0 0 3 Δ gdzie β stała propagacji, Δn zmiana współczynnika załamania e 3 osiowe odkształcenie światłowodu Odpowiednio dla modów o ortogonalnych polaryzacjach: n Δφ1 = k 0nle3 ( p11e1 + p1e + p1e3 ) n Δφ = k 0nle3 ( p1e1 + p11e + p1e3 ) gdzie e i -główne odkształcenia ortogonalnych osi p 11, p 1 współczynniki elastooptyczne

20 Modulator fazy na piezoelektrycznej ceramice (PZT) Radialne drgania modulatora pod wpływem przyłożonego napięcia powodują okresowe rozciąganie światłowodu Piezoelektryczny modulator zaciskowy Modulator wytwarza zogniskowane radialnie w osi włókna pole sprężyste

21 Modulator z cylindrycznym elementem piezoelektrycznym Modulator światłowodowy z PVF (piezoaktywny polimer fluorek poliwinylowy)

22 Soczewki gradientowe Zasada działania Typowe rodzaje

23 n Profil rozkładu współczynnika załamania 4 () r = n ( 0) 1 ( gr) + h ( gr) + h ( gr) W pierwszym przybliżeniu n 6 [ +...] [ ] () r = n ( 0) 1 ( gr) lub oznaczając A=g () n( 0) n r 1 = 4 A r Opis trajektorii promienia r r& 3 3 = n 0 sin ( ) ( A L) cos A L ; n( 0) A ( ) A sin( A L) cos( A L) 6 r r& Soczewki gradientowe Jeśli na czoło soczewki pada wiązka promieni równoległych ( r& 0 = 0) r = 3 r0 cos( A L) Promienie biegnące przez soczewkę mają trajektorię sinusoidalną o okresie π P = A 0 0

24 Soczewki gradientowe zastosowania Tworzenie obrazu Sprzęgacz kierunkowy Multipleksowanie obrazu