Aislador óptico

Aislante óptico para experimentos láser

Un aislador óptico, o diodo óptico, es un componente óptico que permite la transmisión de la luz en una sola dirección. Por lo general, se usa para evitar la retroalimentación no deseada en un oscilador óptico, como una cavidad láser.

El funcionamiento de [algunos de] los dispositivos depende del efecto Faraday (que a su vez es producido por el efecto magneto-óptico), que se utiliza en el componente principal, el rotador de Faraday.

Teoría

Gráfico 1: El símbolo del circuito óptico para un aislador

Efecto Faraday

El componente principal del aislador óptico es el rotador Faraday. El campo magnético, ${displaystyle B}$, aplicado al rotador Faraday causa una rotación en la polarización de la luz debido al efecto Faraday. El ángulo de rotación, ${displaystyle beta }$, se da por,

${displaystyle beta =nu Bd.$,

¿Dónde? ${displaystyle nu }$ es la constante Verdet del material (sólido amorfo o cristalino, o líquido, o líquido cristalino, o vaproo, o gaseoso) del cual se hace el rotador, y ${displaystyle d}$ es la longitud del rotador. Esto se muestra en la Figura 2. Específicamente para un aislador óptico, los valores son elegidos para dar una rotación de 45°.

Se ha demostrado que un requisito crucial para cualquier tipo de aislador óptico (no solo el aislador de Faraday) es algún tipo de óptica no recíproca.

Aislante dependiente de la polarización

Gráfico 2: El aislamiento Faraday permite la transmisión de la luz en una sola dirección. Está hecho de tres partes, un polarizador de entrada, un rotador Faraday y un analizador.

El aislador dependiente de la polarización, o aislador de Faraday, consta de tres partes, un polarizador de entrada (polarizado verticalmente), un rotador de Faraday y un polarizador de salida, llamado analizador (polarizado a 45°).).

La luz que viaja en la dirección de avance se polariza verticalmente por el polarizador de entrada. El rotador de Faraday girará la polarización 45°. Luego, el analizador permite que la luz se transmita a través del aislador.

La luz que viaja en dirección hacia atrás se polariza a 45° por el analizador. El rotador de Faraday volverá a rotar la polarización 45°. Esto significa que la luz está polarizada horizontalmente (la dirección de rotación no es sensible a la dirección de propagación). Dado que el polarizador está alineado verticalmente, la luz se extinguirá.

La Figura 2 muestra un rotador Faraday con un polarizador de entrada y un analizador de salida. Para un aislador dependiente de polarización, el ángulo entre el polarizador y el analizador, ${displaystyle beta }$, está fijado a 45°. El rotador Faraday es elegido para dar una rotación de 45°.

Los aisladores dependientes de la polarización se utilizan normalmente en sistemas ópticos de espacio libre. Esto se debe a que el sistema suele mantener la polarización de la fuente. En los sistemas de fibra óptica, la dirección de polarización normalmente se dispersa en los sistemas que no mantienen la polarización. Por lo tanto, el ángulo de polarización conducirá a una pérdida.

Aislante independiente de polarización

Figure 3: Polarization independent isolator

El aislador independiente de polarización consta de tres partes, una cuña birrefringente de entrada (con su dirección de polarización ordinaria vertical y su dirección de polarización extraordinaria horizontal), un rotador de Faraday y una cuña birrefringente de salida (con su dirección de polarización ordinaria a 45°, y su extraordinaria dirección de polarización a −45°).

La luz que viaja en dirección hacia adelante es dividida por la cuña birrefringente de entrada en sus componentes vertical (0°) y horizontal (90°), llamados rayo ordinario (rayo-o) y rayo extraordinario (rayo-e) respectivamente. El rotador de Faraday gira tanto el rayo o como el rayo e 45°. Esto significa que el rayo o está ahora a 45° y el rayo e está a −45°. La cuña birrefringente de salida luego recombina los dos componentes.

La luz que viaja en dirección hacia atrás se separa en el rayo o en 45 y el rayo e en -45° por la cuña birrefringente. El rotador de Faraday vuelve a rotar ambos rayos 45°. Ahora el rayo o está a 90° y el rayo e está a 0°. En lugar de ser enfocados por la segunda cuña birrefringente, los rayos divergen.

Por lo general, los colimadores se usan a ambos lados del aislador. En la dirección transmitida, el haz se divide y luego se combina y enfoca en el colimador de salida. En la dirección aislada, el haz se divide y luego diverge, por lo que no se enfoca en el colimador.

La Figura 3 muestra la propagación de la luz a través de un aislador independiente de polarización. La luz que viaja hacia adelante se muestra en azul y la luz que se propaga hacia atrás se muestra en rojo. Los rayos se trazaron utilizando un índice de refracción ordinario de 2 y un índice de refracción extraordinario de 3. El ángulo de cuña es de 7°.

El rotador de Faraday

El elemento óptico más importante en un aislador es el rotador de Faraday. Las características que uno busca en una óptica rotatoria de Faraday incluyen una constante de Verdet alta, un coeficiente de absorción bajo, un índice de refracción no lineal bajo y un umbral de daño alto. Además, para evitar el autoenfoque y otros efectos relacionados con la temperatura, la óptica debe ser lo más corta posible. Los dos materiales más utilizados para el rango de 700 a 1100 nm son el vidrio de borosilicato dopado con terbio y el cristal de granate de terbio y galio (TGG). Para la comunicación de fibra de larga distancia, normalmente a 1310 nm o 1550 nm, se utilizan cristales de granate de hierro itrio (YIG). Los aisladores comerciales de Faraday basados en YIG alcanzan aislamientos superiores a 30 dB.

Los aisladores ópticos son diferentes de los aisladores basados en placas de 1/4 de onda porque el rotador de Faraday proporciona una rotación no recíproca mientras mantiene la polarización lineal. Es decir, la rotación de polarización debida al rotador de Faraday siempre tiene la misma dirección relativa. Entonces, en la dirección de avance, la rotación es positiva de 45 °. En sentido inverso, la rotación es de -45°. Esto se debe al cambio en la dirección del campo magnético relativo, positivo en un sentido, negativo en el otro. Esto luego se suma a un total de 90° cuando la luz viaja en la dirección hacia adelante y luego en la dirección negativa. Esto permite lograr un mayor aislamiento.

Aisladores ópticos y termodinámica

A primera vista, podría parecer que un dispositivo que permite que la luz fluya en una sola dirección violaría la ley de Kirchhoff y la segunda ley de la termodinámica, al permitir que la energía de la luz fluya de un objeto frío a un objeto caliente. y bloqueándolo en la otra dirección, pero la violación se evita porque el aislador debe absorber (no reflejar) la luz del objeto caliente y eventualmente la volverá a irradiar hacia el frío. Los intentos de redirigir los fotones de regreso a su fuente inevitablemente implican crear una ruta por la cual otros fotones puedan viajar desde el cuerpo caliente al frío, evitando la paradoja.