Введение
Оптический компонент, обеспечивающий прохождение света только в одном направлении – это оптический изолятор, или оптический диод. Он обычно используется для предотвращения нежелательной обратной связи в оптический генератор, такой как резонатор лазера. Принцип работы некоторых устройств основан на эффекте Фарадея (который, в свою очередь, является следствием магнитооптического эффекта) и реализуется в основном компоненте – вращателе Фарадея.
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.
Изолятор, зависящий от поляризации
Изолятор, зависящий от поляризации, или изолятор Фарадея, состоит из трех частей: входного поляризатора (поляризованного вертикально), ротатора Фарадея и выходного поляризатора, называемого анализатором (поляризованного на 45°). Свет, распространяющийся в прямом направлении, поляризуется вертикально входным поляризатором. Ротатор Фарадея поворачивает поляризацию на 45°. Затем анализатор пропускает свет через изолятор. Свет, распространяющийся в обратном направлении, поляризуется анализатором на 45°. Ротатор Фарадея снова поворачивает поляризацию на 45°. Это означает, что свет поляризован горизонтально (направление вращения не зависит от направления распространения). Поскольку поляризатор ориентирован вертикально, свет гасится. На рисунке 2 показан ротатор Фарадея с входным поляризатором и выходным анализатором. Для изолятора, зависящего от поляризации, угол между поляризатором и анализатором, θ, устанавливается равным 45°. Ротатор Фарадея выбирается таким образом, чтобы обеспечить поворот на 45°. Изоляторы, зависящие от поляризации, обычно используются в оптических системах свободного пространства, поскольку поляризация источника обычно сохраняется системой. В волоконно-оптических системах направление поляризации обычно рассеивается в системах, не поддерживающих поляризацию, что приводит к потерям сигнала из-за угла поляризации.
Независимый от поляризации изолятор
Независимый от поляризации изолятор состоит из трех частей: входного двулучепреломляющего клина (с направлением обычной поляризации вертикальным и направлением необыкновенной поляризации горизонтальным), ротатора Фарадея и выходного двулучепреломляющего клина (с направлением обычной поляризации 45° и направлением необыкновенной поляризации −45°). Свет, распространяющийся в прямом направлении, разделяется входным двулучепреломляющим клином на вертикальную (0°) и горизонтальную (90°) компоненты, называемые обычным лучом (o-луч) и необыкновенным лучом (e-луч) соответственно. Ротатор Фарадея поворачивает как o-луч, так и e-луч на 45°. Это означает, что o-луч теперь находится под углом 45°, а e-луч под углом −45°. Затем выходной двулучепреломляющий клин рекомбинирует эти две компоненты. Свет, распространяющийся в обратном направлении, разделяется двулучепреломляющим клином на o-луч под углом 45° и e-луч под углом −45°. Ротатор Фарадея снова поворачивает оба луча на 45°. Теперь o-луч находится под углом 90°, а e-луч под углом 0°. Вместо фокусировки вторым двулучепреломляющим клином, лучи расходятся. Обычно коллиматоры используются с обеих сторон изолятора. В направлении прохождения луч разделяется, затем объединяется и фокусируется в выходной коллиматор. В изолированном направлении луч разделяется и затем расходится, поэтому он не фокусируется в коллиматоре. На рисунке 3 показано распространение света через изолятор, независимый от поляризации. Свет, распространяющийся в прямом направлении, показан синим цветом, а свет, распространяющийся в обратном направлении, – красным. Траектория лучей была рассчитана с использованием обычного показателя преломления 2 и необыкновенного показателя преломления 3. Угол клина составляет 7°.
Ротатор Фарадея
Самым важным оптическим элементом в изоляторе является ротатор Фарадея. К ключевым характеристикам оптики ротатора Фарадея относятся высокая постоянная Верде, низкий коэффициент поглощения, низкий нелинейный показатель преломления и высокий порог повреждения. Кроме того, для предотвращения самофокусировки и других тепловых эффектов, оптический элемент должен быть как можно короче. Два наиболее часто используемых материала для диапазона 700–1100 нм – это боросиликатное стекло, легированное тербием, и кристалл тербиевого граната (TGG). Для дальней связи по волокну, обычно на длинах волн 1310 нм или 1550 нм, используются кристаллы граната иттрия и железа (YIG). Коммерческие изоляторы Фарадея на основе YIG обеспечивают изоляцию более 30 дБ. Оптические изоляторы отличаются от изоляторов на основе четвертьволновой пластины тем, что ротатор Фарадея обеспечивает нереципрокное вращение, сохраняя при этом линейную поляризацию. То есть, вращение поляризации, вызванное ротатором Фарадея, всегда происходит в одном и том же относительном направлении. Таким образом, в прямом направлении вращение составляет +45°. В обратном направлении вращение составляет -45°. Это обусловлено изменением направления относительного магнитного поля – положительным в одном направлении и отрицательным в другом. В результате суммарное вращение составляет 90°, когда свет проходит в прямом направлении, а затем возвращается. Это позволяет достичь более высокой изоляции.
Оптические изоляторы и термодинамика
На первый взгляд может показаться, что устройство, пропускающее свет только в одном направлении, нарушает закон Кирхгофа и второй закон термодинамики, позволяя световой энергии течь от холодного объекта к горячему и блокируя её в обратном направлении. Однако это нарушение не происходит, поскольку изолятор должен поглощать (а не отражать) свет от горячего объекта и в конечном итоге переизлучать его холодному объекту. Любые попытки вернуть фотоны к источнику неизбежно приводят к созданию пути, по которому другие фотоны могут пройти от горячего тела к холодному, тем самым избегая парадокса.