Aislador óptico
Componente óptico que permite la transmisión de luz en una sola dirección
Aislador óptico para experimentos con láser

Un aislador óptico , o diodo óptico , es un componente óptico que permite la transmisión de luz en una sola dirección. Se utiliza normalmente para evitar la retroalimentación no deseada en un oscilador óptico , como una cavidad láser .

El funcionamiento de los aisladores ópticos convencionales se basa en el efecto Faraday (que a su vez se produce por el efecto magneto-óptico ), que se utiliza en el componente principal, el rotador de Faraday . Sin embargo, en los últimos años también se han fabricado aisladores integrados que no dependen del magnetismo. [1]

Teoría

Figura 1: El símbolo del circuito óptico para un aislador
Efecto 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, , viene dado por, B {\estilo de visualización B} β {\estilo de visualización \beta}

β = no B d {\displaystyle \beta =\nu Bd\,} ,

donde, es la constante de Verdet del material [2] [3] [4] (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°. no {\estilo de visualización \nu} d {\estilo de visualización d}

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 [5].

Aislador dependiente de la polarización

Figura 2: El aislador de Faraday permite la transmisión de luz en una sola dirección. Está formado por tres partes, un polarizador de entrada, un rotador de Faraday y un analizador.

El aislador dependiente de polarización, o aislador de Faraday , está compuesto 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 dirección hacia adelante se polariza verticalmente por acción del polarizador de entrada. El rotador de Faraday rotará la polarización 45°. A continuación, el analizador permite que la luz se transmita a través del aislador.

La luz que viaja en dirección inversa se polariza a 45° por el analizador. El rotador de Faraday rotará nuevamente la polarización a 45°. Esto significa que la luz se polariza horizontalmente (la dirección de rotación no es sensible a la dirección de propagación). Como el polarizador está alineado verticalmente, la luz se extinguirá.

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°. El rotador de Faraday se elige para dar una rotación de 45°. β {\estilo de visualización \beta}

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 suele estar dispersa en sistemas que no mantienen la polarización. Por lo tanto, el ángulo de polarización provocará una pérdida.

Aislador independiente de la polarización

Figura 3: Aislador independiente de la polarización

El aislador independiente de polarización está formado por 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 dirección de polarización extraordinaria a −45°). [6] [7]

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 hace girar tanto el rayo o como el rayo e 45°. Esto significa que el rayo o ahora está 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 inversa se separa en el rayo o a 45° y el rayo e a -45° por la cuña birrefringente. El rotador de Faraday nuevamente hace 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 la polarización. La luz que se propaga 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 de un aislador es el rotador de Faraday. Las características que se buscan en una óptica de rotador 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 galio y terbio (TGG). Para la comunicación por fibra de larga distancia, normalmente a 1310 nm o 1550 nm, se utilizan cristales de granate de hierro e itrio (YIG). Los aisladores de 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 – discutir ] [ aclaración necesaria ] porque el rotador de Faraday proporciona una rotación no recíproca mientras mantiene la polarización lineal . Es decir, la rotación de polarización debido al rotador de Faraday siempre está en la misma dirección relativa. Entonces, en la dirección hacia adelante, la rotación es positiva de 45°. En la dirección inversa, la rotación es de −45°. Esto se debe al cambio en la dirección del campo magnético relativo, positiva en un sentido, negativa 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 bloquearla 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 la creación de una ruta por la cual otros fotones puedan viajar desde el cuerpo caliente al frío, evitando la paradoja. [8] [9]

Véase también

Referencias

  1. ^ White, Alexander D.; Ahn, Geun Ho; Gasse, Kasper Van; Yang, Ki Youl; Chang, Lin; Bowers, John E.; Vučković, Jelena (febrero de 2023). "Aisladores ópticos no lineales pasivos integrados". Nature Photonics . 17 (2): 143–149. doi :10.1038/s41566-022-01110-y.
  2. ^ Vojna, David; Slezák, Ondřej; Lucianetti, Antonio; Mocek, Tomáš (2019). "Constante Verdet de materiales magnetoactivos desarrollados para dispositivos Faraday de alta potencia". Ciencias Aplicadas . 9 (15): 3160. doi : 10.3390/app9153160 .
  3. ^ Vojna, David; Slezák, Ondřej; Yasuhara, Ryo; Furuse, Hiroaki; Lucianetti, Antonio; Mocek, Tomáš (2020). "Rotación de Faraday de Dy2O3, CeF3 y Y3Fe5O12 en las longitudes de onda del infrarrojo medio". Materiales . 13 (23): 5324. Bibcode :2020Mate...13.5324V. doi : 10.3390/ma13235324 . PMC 7727863 . PMID  33255447. 
  4. ^ Vojna, David; Duda, Martin; Yasuhara, Ryo; Slezák, Ondřej; Schlichting, Wolfgang; Stevens, Kevin; Chen, Hengjun; Lucianetti, Antonio; Mocek, Tomáš (2020). "Constante de Verdet del cristal de fluoruro de potasio y terbio en función de la longitud de onda y la temperatura". Opt. Lett . 45 (7): 1683–1686. Bibcode :2020OptL...45.1683V. doi :10.1364/ol.387911. PMID  32235973. S2CID  213599420. Archivado desde el original el 2021-03-05 . Consultado el 2021-04-10 .
  5. ^ Jalas, Dirk; Petrov, Alexander; Eich, Manfred; Freude, Wolfgang; Fan, Shanhui; Yu, Zongfu; Baets, Roel; Popović, Miloš; Melloni, Andrea; Joannopoulos, John D.; Vanwolleghem, Mathias; Doerr, Christopher R.; Renner, Hagen (29 de julio de 2013). "Qué es —y qué no es— un aislador óptico". Nature Photonics . 7 (8): 579–582. Código Bibliográfico :2013NaPho...7..579J. doi :10.1038/nphoton.2013.185.
  6. ^ "Aislador dependiente de la polarización vs. aislador independiente de la polarización". 6 de mayo de 2015. Archivado desde el original el 4 de diciembre de 2017 . Consultado el 4 de diciembre de 2017 .
  7. ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 4 de diciembre de 2017. Consultado el 4 de diciembre de 2017 .{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
  8. ^ Mungan, CE (1999). "Aisladores de Faraday y Ley de Kirchhoff: un enigma" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 2022-10-09 . Consultado el 2006-07-18 .
  9. ^ Rayleigh (1901). "Sobre la rotación magnética de la luz y la segunda ley de la termodinámica". Nature . 64 (1667): 577–578. doi : 10.1038/064577e0 .
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