Componentes Ópticos Passivos - Circulador Óptico
Introdução
Circuladores ópticos são dispositivos micro- ópticos e podem ser feitos com qualquer número de portas, mas as versões de 3 e 4 portas são mais comuns. Além disso, é comum construir uma versão assimétrica na qual a última porta não circula para a primeira. Enquanto isso economiza algum custo, esta não é a razão mais importante para fazê-lo. Se garantirmos que a última porta não circule para o primeiro, podemos usar o dispositivo em sistemas nos quais não precisamos (ou queremos) esse recurso. Por exemplo, se a entrada para a primeira porta estiver diretamente conectada a um laser, certamente não queremos que sinais espúrios sejam retornados para ela.
Uma das grandes atrações dos circuladores ópticos é o nível relativamente baixo de perda. Dispositivos típicos fornecem uma perda de porta a porta entre 0,5 dB e 1,5 dB. Circuladores ópticos são dispositivos muito versáteis e podem ser usados em muitas aplicações. Por exemplo, um link bidirecional que consiste em dois fios de fibra (um para cada direção) é multiplexado em um único fio de fibra. Isso pode ser feito para economizar o custo da fibra. É claro que, se você fizesse algo assim, precisaria ter um cuidado especial para minimizar os reflexos no link.
Princípio de funcionamento
Por si só não existe um princípio único e simples por trás do circulador óptico. Circuladores ópticos são feitos de um conjunto de componentes ópticos. Existem muitos modelos diferentes, mas o princípio-chave é semelhante ao do isolador óptico. A função básica de um circulador é ilustrada na figura abaixo. A luz que entra em qualquer porta particular circula ao redor do circulador e sai na próxima porta. A luz que entra no porto 1 sai na porta 2, entrando na porta 2, sai na porta 3 e assim por diante. O dispositivo é simétrico em operação em torno de um círculo.
A luz viajando em uma direção através de um rotor de Faraday tem sua polarização girada em uma direção particular. A luz que entra no rotor de Faraday a partir da direção oposta tem sua fase rodada na direção oposta (em relação à direção de propagação da luz). Outra maneira de ver isso é dizer que a luz é sempre girada na mesma direção em relação ao rotor, independentemente de sua direção de deslocamento. Isso é complicado pela presença de polarização imprevisível. Poderíamos filtrar a polarização indesejada, mas perderíamos (em média) metade da nossa luz ao fazer isso - e, muitas vezes, muito mais. Então, separamos o "raio" incidente em dois raios polarizados ortogonalmente e tratamos cada polarização separadamente. As duas metades do raio são então combinadas novamente antes de serem enviadas para a porta de destino.
Aqui está uma figura mostrando um circulador óptico básico de 3 portas. Seus componentes funcionam como seguindo:
Cubo Divisor Polarizador de Feixe : Este dispositivo separa o raio de entrada em dois raios polarizados ortogonalmente.
Bloqueio “Walk-off” Birrefringente : É apenas um bloco de material birrefringente cortado a 45º em relação ao eixo óptico. Um incidente de raio em um normal para a interface de ar-cristal é dividido em dois raios de polarização ortogonal. O raio comum não é refratado e passa sem ser afetado. O raio extraordinário é refratado em um ângulo para o normal.
Rotador Faraday e Placa de Fase : Esta combinação passa a luz em uma direção completamente inalterada! (Na figura, esta é a direção da direita para a esquerda.) Na direção oposta, a polarização da luz de entrada é girada em 90 °. Na direção da esquerda para a direita, o rotor de Faraday transmite uma rotação de fase de 45 ° (no sentido horário) e a placa de fase gira a luz em outro ângulo de 45 ° (também no sentido horário). Assim, obtemos uma rotação de 90 ° no sentido horário. Na direção da direita para a esquerda, a placa de fase gira a luz na mesma direção (em relação à direção do raio de luz) como antes, ou seja, no sentido anti-horário a 45 °. O rotador de Faraday, no entanto, gira a fase na direção oposta (em relação à direção do raio) como antes, ou seja, no sentido horário, pelo mesmo ângulo de 45 °. Essa é a fase é girada na direção oposta. Assim, não há mudança líquida na polarização. (Claro que na prática há perdas devido a reflexões e imperfeições na fabricação de dispositivos.)
Como mostrado no circulador óptico de 3 portas, a luz viaja da porta 1 para a porta 2 da seguinte forma:
1. Uma entrada de raio na Porta 1 é dividida em dois raios separados de polarizações ortogonais. O raio “comum” passa sem refração, mas o raio “extraordinário” ortogonalmente polarizado é refratado (para cima, na figura).
2. Ambos os raios procedem da esquerda para a direita através das placas de retardação de fase e rotor Faraday. Ambos os raios são girados em 90 °.
3. Os dois raios então encontram outro bloco de birrefringência (bloco B) idêntico ao primeiro. O efeito da rotação de fase no estágio anterior era trocar o status dos raios. O raio que era o raio ordinário no bloco A (e não foi refratado) se torna o raio extraordinário no bloco B (e é refratado no bloco B). O raio extraordinário no bloco A (o caminho superior na figura) torna-se o raio comum no bloco B (e não é refratado no bloco B). A luz é refratada e re-combinada como mostrado. Em seguida, é enviado para a porta 2.
O acoplamento à fibra na entrada e saída normalmente usaria uma lente de algum tipo. Normalmente, uma lente GRIN pode ser usada aqui. O caminho da porta 2 para a porta 3 está um pouco mais envolvido:
1. A luz que entra pela porta 3 é dividida no bloco B.
2. Viajando no sentido inverso, a polarização de ambos os raios permanece inalterada.
3. O bloco birrefringente A agora passa o raio superior inalterado, mas desloca o inferior mais para longe. 4. Os dois raios são então re-combinados usando o prisma refletor e o cubo polarizador do feixe de luz.
Nota: Se você conectar apenas as portas 1 e 2, o circulador óptico pode ser usado como um isolador óptico . De fato, se você deixar de fora o cubo do divisor de feixe e o prisma refletor, você terá um excelente isolador independente de polarização (perda muito baixa). Um caminho da Porta 3 para a Porta 1 pode ser construído pela adição de componentes adicionais; no entanto, para a maioria das aplicações, isso é desnecessário, já que não queremos a conexão da porta 3 para a porta 1 de qualquer maneira.
Conclusão
Há muitas maneiras de construir circuladores ópticos (ambos de 3 e 4 portas). Todas essas formas usam combinações de componentes e princípios similares aos descritos acima. O maior problema com os circuladores ópticos é que os componentes devem ser fabricados com tolerâncias muito próximas e posicionados com extrema precisão. Isso faz com que o custo seja relativamente alto. No entanto, você pode encontrar Circuladores Óticos com Custo-efetivo no FOCC .
