Componentes ópticos pasivos - circulador óptico
Introducción
Los circuladores ópticos son dispositivos microópticos y pueden fabricarse con cualquier número de puertos, pero las versiones de 3 y 4 puertos son las más comunes. Además, es común construir una versión asimétrica donde el último puerto no circula alrededor del primero. Si bien esto ahorra algo de costo, esta no es la razón más importante para hacerlo. Si nos aseguramos de que el último puerto no circule alrededor del primero, podemos usar el dispositivo en sistemas en los que no necesitamos (o deseamos) esta función. Por ejemplo, si la entrada al primer puerto está directamente conectada a un láser, ciertamente no queremos que las señales espurias se devuelvan a él.
Una de las grandes atracciones de los circuladores ópticos es el nivel relativamente bajo de pérdida. Los dispositivos típicos dan una pérdida de puerto a puerto de entre 0.5 dB y 1.5 dB. Los circuladores ópticos son dispositivos muy versátiles y se pueden usar en muchas aplicaciones. Por ejemplo, un enlace bidireccional que consiste en dos hebras de fibra (una para cada dirección) se multiplexa en una sola hebra de fibra. Esto podría hacerse para ahorrar el costo de la fibra. Por supuesto, si hicieras algo como esto, deberías tener especial cuidado para minimizar las reflexiones en el enlace.
Principio de operación
Por sí mismo, no hay un principio único y simple detrás del circulador óptico. Los circuladores ópticos están hechos de un conjunto de componentes ópticos. Hay muchos diseños diferentes, pero el principio clave es como el del aislador óptico. La función básica de un circulador se ilustra en la siguiente figura. La luz que ingresa en cualquier puerto en particular viaja alrededor del circulador y sale por el siguiente puerto. La luz que ingresa al puerto 1 sale por el puerto 2, al entrar por el puerto 2 sale por el puerto 3 y así sucesivamente. El dispositivo es simétrico en su funcionamiento alrededor de un círculo.
La luz que viaja en una dirección a través de un rotador Faraday tiene su polarización girada en una dirección particular. La luz que entra en el rotador de Faraday desde la dirección opuesta tiene su fase girada en la dirección opuesta (en relación con la dirección de propagación de la luz). Otra forma de ver esto es decir que la luz siempre gira en la misma dirección en relación con el rotador, independientemente de su dirección de desplazamiento. Esto se complica por la presencia de polarización impredecible. Podríamos filtrar la polarización no deseada pero perderíamos (en promedio) la mitad de nuestra luz al hacer eso, y con frecuencia mucho más. Así que separamos el “rayo” incidente en dos rayos polarizados ortogonalmente y tratamos cada polarización por separado. Las dos mitades del rayo se vuelven a combinar antes de enviarse al puerto de destino.
Aquí hay una figura que muestra un circulador óptico básico de 3 puertos. Sus componentes funcionan de la siguiente manera:
Cubo divisor de haz polarizador : este dispositivo separa el rayo de entrada en dos rayos polarizados ortogonalmente.
Bloque “paseante” birrefringente : este es solo un bloque de material birrefringente cortado a 45 ° del eje óptico. Un rayo incidente en una normal a la interfaz aire-cristal se divide en dos rayos de polarización ortogonal. El rayo ordinario no se refracta y pasa sin ser afectado. El extraordinario rayo se refracta en ángulo a lo normal.
Rotador de Faraday y placa de fase : ¡esta combinación pasa la luz en una dirección completamente sin cambios! (En la figura, esta es la dirección de derecha a izquierda). En la dirección opuesta, la polarización de la luz entrante se gira 90 °. En la dirección de izquierda a derecha, el rotador Faraday imparte una rotación de fase de 45 ° (en el sentido de las agujas del reloj) y la placa de fase gira la luz otros 45 ° (también en el sentido de las agujas del reloj). Así obtenemos una rotación neta de 90 ° en el sentido de las agujas del reloj. En la dirección de derecha a izquierda, la placa de fase gira la luz en la misma dirección (en relación con la dirección del rayo de luz) que antes, es decir, en sentido antihorario a 45 °. Sin embargo, el rotador de Faraday rota la fase en la dirección opuesta (en relación con la dirección del rayo) como lo hizo antes, es decir, en el sentido de las agujas del reloj en los mismos 45 °. Esa es la fase que se gira en la dirección opuesta. Por lo tanto, no hay cambio neto en la polarización. (Por supuesto, en la práctica, hay pérdidas debido a reflexiones e imperfecciones en la fabricación del dispositivo).
Como se muestra en el circulador óptico de 3 puertos, la luz viaja desde el Puerto 1 al Puerto 2 de la siguiente manera:
1. Una entrada de rayos en el Puerto 1 se divide en dos rayos separados de polarizaciones ortogonales. El rayo "ordinario" pasa sin refracción, pero el rayo "extraordinario" polarizado ortogonalmente se refracta (hacia arriba en la figura).
2. Ambos rayos proceden de izquierda a derecha a través del rotador de Faraday y las placas de retardo de fase. Ambos rayos giran 90 °.
3. Los dos rayos se encuentran con otro bloque de despedida birrefringente (bloque B) idéntico al primero. El efecto de la rotación de fase en la etapa anterior fue cambiar el estado de los rayos. El rayo que era el rayo ordinario en el bloque A (y no se refractó) se convierte en el rayo extraordinario en el bloque B (y se refracta en el bloque B). El rayo extraordinario en el bloque A (la trayectoria superior en la figura) se convierte en el rayo ordinario en el bloque B (y no se refracta en el bloque B). La luz se refracta y se vuelve a combinar como se muestra. Luego se envía al puerto 2.
El acoplamiento a la fibra en la entrada y salida normalmente usaría una lente de algún tipo. Por lo general, aquí se puede usar una lente GRIN. La ruta desde el Puerto 2 al Puerto 3 es algo más complicada:
1. La luz que entra desde el Puerto 3 se divide en el bloque B.
2. Viajando en la dirección inversa, la polarización de ambos rayos no cambia.
3. El bloque birrefringente A ahora pasa el rayo superior sin cambios pero desplaza el inferior más lejos. 4. Los dos rayos se vuelven a combinar utilizando el prisma reflector y el cubo de divisor de haz polarizador.
Nota: Si solo conecta los puertos 1 y 2, el circulador óptico se puede usar como aislador óptico . De hecho, si deja de lado el cubo divisor de haz y el prisma del reflector, tiene un aislador independiente de polarización excelente (pérdida muy baja). Se puede construir una ruta desde el Puerto 3 al Puerto 1 agregando componentes adicionales; sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones esto no es necesario, ya que de todos modos no queremos la conexión del Puerto 3 al Puerto 1.
Conclusión
Hay muchas formas de construir circuladores ópticos (puerto 3 y 4). Todas estas formas utilizan combinaciones de componentes y principios similares a los descritos anteriormente. El mayor problema con los circuladores ópticos es que los componentes deben fabricarse con tolerancias muy estrechas y posicionarse de manera extremadamente precisa. Esto hace que el costo sea relativamente alto. Sin embargo, puede encontrar circuladores ópticos rentables en FOCC .
