Un aislador óptico , o diodo óptico , es un componente óptico que permite la transmisión de luz en una sola dirección. Normalmente se utiliza para evitar 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 se produce por efecto magnetoóptico ), que se utiliza en el componente principal, el rotador de Faraday .
El componente principal del aislador óptico es el rotador de Faraday. El campo magnético, aplicado al rotador de Faraday, provoca una rotación en la polarización de la luz debido al efecto Faraday. El ángulo de rotación, está dado por,
donde, es la constante de Verdet del material [1] [2] [3] (sólido amorfo o cristalino, o líquido, o líquido cristalino, o vaporoso, o gaseoso) del que está hecho el rotador, y es la longitud del rotador. Esto se muestra en la Figura 2. Específicamente para un aislador óptico, los valores se eligen para dar una rotación de 45°.
Se ha demostrado que un requisito crucial para cualquier tipo de aislador óptico (no sólo el aislador de Faraday) es algún tipo de óptica no recíproca [4].
El aislador dependiente de la polarización, o aislador de Faraday , está formado por 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 hacia adelante se polariza verticalmente por el polarizador de entrada. El rotador de Faraday rotará la polarización 45°. Luego, el analizador permite que la luz se transmita a través del aislador.
La luz que viaja hacia atrás se polariza a 45° por el analizador. El rotador de Faraday volverá a girar la polarización 45°. Esto significa que la luz está polarizada horizontalmente (el sentido de rotación no es sensible a la dirección de propagación). Como el polarizador está alineado verticalmente, la luz se apagará.
La Figura 2 muestra un rotador de Faraday con un polarizador de entrada y un analizador de salida. Para un aislador dependiente de la polarización, el ángulo entre el polarizador y el analizador, , se establece en 45°. Se elige el rotador de Faraday 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 normalmente mantiene la polarización de la fuente. En los sistemas de fibra óptica, la dirección de polarización normalmente está dispersa en sistemas que no mantienen la polarización. Por tanto, el ángulo de polarización provocará una pérdida.
El aislador independiente de polarización está hecho 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°). [5] [6]
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 recombina entonces los dos componentes.
La luz que viaja 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 girar 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.
Normalmente se utilizan colimadores a ambos lados del aislador. En la dirección de transmisión, el haz se divide y luego se combina y se 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 elemento óptico más importante de un aislador es el rotador de Faraday. Las características que se buscan en una óptica rotadora 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 térmicos, 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 por fibra de larga distancia, normalmente a 1310 nm o 1550 nm, se utilizan cristales de granate de hierro ytrio (YIG). Los aisladores Faraday comerciales 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 [ dudoso ] [ se necesita aclaración ] 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 es en la misma dirección relativa. Entonces, en la dirección de avance, la rotación es de 45° positivos. En la dirección inversa, la rotación es de -45°. Esto se debe al cambio en la dirección relativa del campo magnético, positivo en un sentido y negativo en el otro. Esto luego suma un total de 90° cuando la luz viaja en la dirección de avance y luego en la dirección negativa. Esto permite lograr un mayor aislamiento.
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 luminosa fluya de un objeto frío a un objeto caliente y bloquearlo en la otra dirección. , pero la violación se evita porque el aislador debe absorber (no reflejar) la luz del objeto caliente y eventualmente la reirradiará al frío. Los intentos de redirigir los fotones de regreso a su fuente implican inevitablemente crear una ruta por la cual otros fotones puedan viajar desde el cuerpo caliente al frío, evitando la paradoja. [7] [8]
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