Кіріспе
Жарықты тек бір бағытта жіберуге мүмкіндік беретін оптикалық компонент – оптикалық оқшаулағыш немесе оптикалық диод, жарықты тек бір бағытта өткізеді. Ол әдетте лазер қуысы сияқты оптикалық осцилляторға қажетсіз кері байланыстың түсуін болдырмау үшін қолданылады. Мұндай құрылғылардың жұмысы Фарадей эффектісіне (ол өз кезегінде магнит-оптикалық эффектінің нәтижесі) байланысты, және бұл эффект негізгі компонент – Фарадей ротаторында қолданылады.
the optical component
An optical isolator, or optical diode, is an optical component which allows the transmission of light in only one direction. It is typically used to prevent unwanted feedback into an optical oscillator, such as a laser cavity. The operation of [some of] the devices depends on the Faraday effect (which in turn is produced by magneto optic effect), which is used in the main component, the Faraday rotator.
Поляризацияға тәуелді оқшаулағыш
Поляризацияға тәуелді изолятор немесе Фарадей изоляторы үш бөліктен тұрады: кіріс поляризаторы (тік поляризацияланған), Фарадей ротаторы және шығыс поляризаторы, анализер деп аталады (45° поляризацияланған). Алға қарай қозғалатын жарық кіріс поляризаторы арқылы тік поляризацияланады. Фарадей ротаторы поляризацияны 45° бұрады. Содан кейін анализатор жарықты изолятор арқылы өтуге мүмкіндік береді. Артқа қарай қозғалатын жарық анализатор арқылы 45° поляризацияланады. Фарадей ротаторы тағы да 45° поляризацияны бұрады. Бұл жарық көлденең поляризацияланған дегенді білдіреді (бұрылу бағыты таралу бағытына сезімтал емес). Поляризатор тік орналасқандықтан, жарық сөндіріледі. 2-суретте Фарадей ротаторы, кіріс поляризаторы және шығыс анализаторы көрсетілген. Поляризацияға тәуелді изолятор үшін поляризатор мен анализатор арасындағы бұрыш , 45°-қа тең етіледі. Фарадей ротаторы 45° бұру үшін таңдалады. Поляризацияға тәуелді изоляторлар көбінесе еркін кеңістіктегі оптикалық жүйелерде қолданылады. Бұл көздің поляризациясы жүйеде сақталуының нәтижесі. Оптикалық талшық жүйелерінде поляризация бағыты поляризацияны сақтамайтын жүйелерде шашырап кетеді. Сондықтан поляризация бұрышы сигналдың жоғалуына алып келеді.
Поляризацияға тәуелсіз оқшаулағыш
Поляризацияға тәуелсіз изолятор үш бөліктен тұрады: кіріс екіжақты клин (оның қалыпты поляризация бағыты тік, ал ерекше поляризация бағыты көлденең), Фарадей ротаторы және шығыс екіжақты клин (оның қалыпты поляризация бағыты 45°, ал ерекше поляризация бағыты -45°). Алға қарай қозғалатын жарық кіріс екіжақты клин арқылы тік (0°) және көлденең (90°) құрамдас бөліктерге бөлінеді, олар тиісінше қалыпты сәуле (o сәуле) және ерекше сәуле (e сәуле) деп аталады. Фарадей ротаторы о және е сәулелерін 45° бұрады. Яғни, o сәулесі енді 45° бұрышта, ал e сәулесі -45° бұрышта орналасады. Шығыс екіжақты клин екі компонентті қайта біріктіреді. Артқа қарай қозғалатын жарық екіжақты клин арқылы 45° бұрыштағы o сәулесіне және -45° бұрыштағы e сәулесіне бөлінеді. Фарадей ротаторы екі сәулені де тағы 45° бұрады. Осылайша, o сәулесі 90° бұрышта, ал e сәулесі 0° бұрышта орналасады. Екінші екіжақты клинге шоғырланған орнына, сәулелер шашырайды. Әдетте, изолятордың екі жағында да коллиматорлар қолданылады. Жеткізілім бағытында сәуле бөлініп, содан кейін біріктіріліп, шығыс коллиматорына шоғырланады. Изоляцияланған бағытта сәуле бөлініп, содан кейін шашырайды, сондықтан ол коллиматорға шоғырланбайды. 3-суретте поляризацияға тәуелсіз изолятор арқылы жарықтың таралуы көрсетілген. Алға қарай қозғалатын жарық көк түспен, ал артқа қарай қозғалатын жарық қызыл түспен бейнеленген. Сәулелердің қалыпты сыну көрсеткіші 2, ал ерекше сыну көрсеткіші 3 деп есептелді. Клиннің бұрышы 7°.
Фарадейлік ротатор
Оқшаулағыштағы ең маңызды оптикалық элемент – Фарадей ротаторы. Фарадей ротаторының оптикасында ізделінетін сипаттамаларға жоғары Верде тұрақтысы, төмен сіңіру коэффициенті, төмен сызықтық емес сындыру индексі және жоғары зақымдану шегі кіреді. Сонымен қатар, өзінен-өзі фокусқа түсудің және басқа да жылумен байланысты әсерлердің алдын алу үшін оптикалық элемент мүмкіндігінше қысқа болуы керек. 700–1100 нм диапазонында ең көп қолданылатын екі материал – тербиум қосылған боросиликатты шыны және тербиум галлий гранаты кристаллы (TGG). Ұзақ қашықтыққа арналған талшықты байланыс үшін, әдетте 1310 нм немесе 1550 нм жиілігінде, иттрий темір гранаты кристалдары (YIG) қолданылады. Коммерциялық YIG негізіндегі Фарадей оқшаулағыштары 30 дБ-дан жоғары оқшаулау деңгейіне жетеді. Оптикалық оқшаулағыштар 1/4 толқынды пластинаға негізделген оқшаулағыштардан өзгеше, себебі Фарадей ротаторы сызықтық поляризацияны сақтай отырып, өзара емес айналуды қамтамасыз етеді. Яғни, Фарадей ротаторының поляризациялық айналуы әрқашан бірдей салыстырмалы бағытта болады. Алға бағытта айналу оң 45°. Кері бағытта айналу -45°. Бұл магнит өрісінің салыстырмалы бағытының өзгеруіне байланысты, бір жағынан оң, екінші жағынан теріс. Бұл жарық алға, содан кейін кері бағытта қозғалғанда 90° айналуға әкеледі. Осы арқылы жоғары оқшаулау деңгейіне қол жеткізіледі.
Оптикалық оқшаулағыштар және термодинамика
Бір қарағанда, жарық тек бір бағытта ғана ағатын құрылғы Кирхофф заңы мен термодинамиканың екінші заңына қайшы келуі мүмкін, себебі ол жарық энергиясының суық дененің ыстық денеге ағып кетуіне және кері бағытта тоқтатуына мүмкіндік береді. Бірақ, бұл қайшылықтан аулақ болуға болады, өйткені изолятор ыстық дененің жарығын сіңіруі (кері шағылыстырмауы) керек және соңында оны суық денеге қайта сәулелендіреді. Фотондарды олардың бастапқы көзіне қайта бағыттауға тырысу сөзсіз, ыстық дененің суық денеге жарық сәулелеріне өтуіне мүмкіндік беретін жол құруды қажет етеді, осылайша парадокстан аулақ болуға болады.