docTS_7_Elementy polaryzacyjne
download 
Reklamacja Transkrypt
TS_7_Elementy polaryzacyjne
Światłowodowe elementy polaryzacyjne Î 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 Technika światłowodowa Polaryzator światłowodowy PS PS otrzymujemy przez selekcję jednego z modów Px lub Py z modu podstawowego HE11 Za polaryzatorem liniowym światłowód prowadzi jeden mod własny reprezentujący liniową polaryzację Miara jakości polaryzatora ekstynkcja: ε = 10 log (Imax / Imin) Konstrukcje: polaryzator z mechanicznym pokryciem L → kilka mm Px – tłumiona ok. 1% silniej niż Py Wady: konieczna długa droga oddziaływania, duża stratność pozostałej polaryzacji, energia modu tłumionego zamienia się w ciepło (naprężenia) Technika światłowodowa Polaryzator metaliczny z odcięciem modu (realizacja dla zmniejszenia efektów termicznych) Î naruszona cylindryczna symetria rdzenia Py – wypromieniowuje Px – przechodzi odcinek z warstwą metaliczną jako fala powierzchniowo-plazmowa Zalecana bardzo cienka warstwa metalu (Al, Ag, Au) aby zminimalizować straty Px Technika światłowodowa Polaryzator z metalowym płaszczem Efekt tłumienia jednego z modów polaryzacji na odcinku światłowodu, na którym pole zanikające modu HE11 sięga powierzchni metalowego płaszcza Technika światłowodowa Polaryzator z kryształem dwójłomnym Uwaga: kryształ dwójłomny tak wycięty, aby n1 → było dopasowane do n4= (horyzontalnej osi kryształu) n2 → było dopasowane do n4⊥ (osi pionowej kryształu) Zanikające pole elektryczne HE11 oddziałujące z kryształem Px – odsprzęglone i wypromieniowane przez kryształ Py – pozostaje we włóknie (bo n4⊥ = n2) Technika światłowodowa W-tunelowy polaryzator światła Δλ - szerokość widma polaryzatora Î światłowód typu W – dwójłomny ma różne długości fali odcięcia dla każdego modu polaryzacji Ð dobór λ tak aby jedna z polaryzacji nie mogła się rozchodzić Technika światłowodowa Polaryzator ze zwiniętego włókna dwójłomnego Î 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 (-63° ÷ 140°C) Technika światłowodowa 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 Technika światłowodowa 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, L2 – dwa odcinki światłowodu dwójłomnego Technika światłowodowa Kompensator polaryzacji Opis układu kompensatora polaryzacji w formalizmie macierzowym Jonesa E wy = K 2 (R − ⋅K 1 ⋅R + ) E we gdzie Kj macierz Jonesa dwójłomnego światłowodu Kj = 1 0 0 ei Δ j Δ j = φ fj − φ sj j=1,2 realizacja: IL – straty, CK – ciągłość regulacji, SR – szybkość reakcji, ZM – zmęczenie mechaniczne, OT – ograniczenie termiczne pracy Technika światłowodowa Obrotowe pętle światłowodowe jako kompensatory polaryzacji Î dwójłomność indukowana zgięciem 1 pętla → wprowadza różnicę faz modów polaryzacji Δϕ1 = 90° 2 pętla → Δϕ2 = 180° Dowolna polaryzacja eliptyczna przetworzona na Î polaryzację liniową przez ustawienie kąta pierwszej pętli Î kąt ustawienia 2 pętli daje odpowiedni azymut wyjściowej polaryzacji liniowej Aby otrzymać analog płytki fazowej λ/m dla danego światłowodu wyliczamy promień pętli 2 πar 2 R(N,m) = Nm λ a = 0,133 – stała dla światłowodu kwarcowego r – promień włókna, N – liczba zwojów Technika światłowodowa 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 Technika światłowodowa Rotator światłowodowy FR1, FR2 – rotatory Faradaya, Pλ/4 – ćwierćfalówka światłowodowa Rotator FR1 określa stan polaryzacji w punkcie B, po przejściu przez pętlę polaryzacja liniowa w punkcie C, FR2 obraca jej kierunek Technika światłowodowa Optyczny rotator światłowodowy Rotator Faradaya ϕ = V ∫ H dl 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 Technika światłowodowa Rotator z użyciem światłowodu izotropowego Prąd wytwarza pole magnetyczne o kierunku równoległym do osi światłowodu i w efekcie skręcenie płaszczyzny polaryzacji o wartość ϕ = 2VH Technika światłowodowa 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, 2π do ogólnie eliptycznego. Okres zmian fazy w przedziale 0 - 2π wynosi LP (droga dudnień). Jeśli w zasięgu oddziaływania pola H mieści się kilka stref polaryzacji liniowej l2 to otrzymamy sumaryczne zjawisko Faradaya na danym odcinku światłowodu. Odstęp l1 między cewkami powinien wynosić LP, a długość cewki l2= LP/2. Technika światłowodowa 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. Technika światłowodowa 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 45°+ 45°=90°, a polaryzator nie przepuszcza fali o polaryzacji prostopadłej do polaryzacji wejściowej. Rotator krystaliczny może być zastąpiony rotatorem światłowowowym. Technika światłowodowa 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: φ = βl = k 0nl Zmiana fazy: Δφ = k 0 (nΔl + lΔn) = k 0 (nle3 + lΔn) gdzie β – stała propagacji, Δn – zmiana współczynnika załamania e3– osiowe odkształcenie światłowodu Odpowiednio dla modów o ortogonalnych polaryzacjach: n2 Δφ1 = k 0nle3 − (p11e1 + p12e2 + p12e3 ) 2 n2 Δφ2 = k 0nle3 − (p12e1 + p11e2 + p12e3 ) 2 gdzie ei - główne odkształcenia ortogonalnych osi p11, p12 – współczynniki elastooptyczne Technika światłowodowa 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 Technika światłowodowa Modulator z cylindrycznym elementem piezoelektrycznym Modulator światłowodowy z PVF2 (piezoaktywny polimer – fluorek poliwinylowy) Technika światłowodowa Soczewki gradientowe Zasada działania Typowe rodzaje Technika światłowodowa Profil rozkładu współczynnika załamania [ Soczewki gradientowe ] n2 (r ) = n2 (0 ) 1 − (gr ) + h4 (gr ) + h6 (gr ) + ... 2 4 W pierwszym przybliżeniu [ n2 (r ) = n2 (0 ) 1 − (gr ) 2 6 ] lub oznaczając A=g2 A ⎤ ⎡ n(r ) = n(0 ) ⎢ 1 − r 2 ⎥ 2 ⎦ ⎣ Opis trajektorii promienia ⎡ ⎡r3 ⎤ ⎢ cos A L ; = ⎢r& ⎥ ⎢ ⎣ 3 ⎦ ⎢− n(0 ) A sin A L ⎣ ( ) ( ) ( ) ( ) sin A L ⎤ r ⎡ 0⎤ ⎥ ⋅ n(0 ) A ⎥ ⎢ ⎥ r& cos A L ⎥⎦ ⎣ 0 ⎦ Jeśli na czoło soczewki pada wiązka promieni równoległych (r&0 = 0 ) r3 = r0 cos( A L ) Promienie biegnące przez soczewkę mają trajektorię sinusoidalną o okresie 2π Technika światłowodowa P= A Soczewki gradientowe – zastosowania Tworzenie obrazu Sprzęgacz kierunkowy Multipleksowanie obrazu Technika światłowodowa
