Composants optiques passifs - Circulateur optique
introduction
Les circulateurs optiques sont des dispositifs micro-optiques et peuvent être fabriqués avec un nombre quelconque de ports, mais les versions à 3 et 4 ports sont les plus courantes. En outre, il est courant de créer une version asymétrique dans laquelle le dernier port ne circule pas vers le premier. Bien que cela économise des coûts, ce n'est pas la raison la plus importante de le faire. Si nous nous assurons que le dernier port ne circule pas vers le premier, nous pouvons utiliser le périphérique dans les systèmes sur lesquels cette fonctionnalité n'est pas nécessaire. Par exemple, si l'entrée du premier port est directement connectée à un laser, nous ne voulons certainement pas que des signaux parasites y soient renvoyés.
L'un des grands attraits des circulateurs optiques est le niveau relativement faible des pertes. Les dispositifs typiques donnent une perte de port à port comprise entre 0,5 dB et 1,5 dB. Les circulateurs optiques sont des dispositifs très polyvalents et peuvent être utilisés dans de nombreuses applications. Par exemple, un lien bidirectionnel composé de deux brins de fibre (un par direction) est multiplexé sur un seul brin de fibre. Cela pourrait être fait pour économiser le coût de la fibre. Bien sûr, si vous agissiez de la sorte, vous devrez faire particulièrement attention à minimiser les reflets sur le lien.
Principe de fonctionnement
En soi, il n'y a pas de principe simple et simple derrière le circulateur optique. Les circulateurs optiques sont constitués d'un assemblage de composants optiques. Il existe de nombreuses conceptions différentes, mais le principe clé est semblable à celui de l'isolateur optique. La fonction de base d'un circulateur est illustrée dans la figure ci-dessous. La lumière qui pénètre dans un port particulier circule autour du circulateur et sort au port suivant. La lumière entrant au port 1 part au port 2, et entrant au port 2, partant au port 3 et ainsi de suite. L'appareil est symétrique en fonctionnement autour d'un cercle.
La polarisation de la lumière se propageant dans un sens par un rotateur de Faraday est tournée dans un sens particulier. La phase de la lumière entrant dans le rotateur de Faraday depuis le sens opposé a sa phase tournée dans le sens opposé (par rapport au sens de propagation de la lumière). Une autre façon de voir les choses est de dire que la lumière tourne toujours dans le même sens par rapport au rotateur, quel que soit son sens de déplacement. Ceci est compliqué par la présence d'une polarisation imprévisible. Nous pourrions filtrer la polarisation non désirée mais nous perdrions (en moyenne) la moitié de notre lumière en le faisant - et souvent beaucoup plus. Nous séparons donc le «rayon» incident en deux rayons polarisés orthogonalement et traitons chaque polarisation séparément. Les deux moitiés du rayon sont ensuite réunies avant d'être émises vers le port de destination.
Voici une figure illustrant un circulateur optique à 3 ports de base. Ses composants fonctionnent comme suit:
Cube séparateur de faisceau polarisant : cet appareil sépare le rayon d'entrée en deux rayons polarisés orthogonalement.
Bloc «Walk-off» biréfringent : Il s'agit simplement d'un bloc de matériau biréfringent coupé à 45 ° par rapport à l'axe optique. Un rayon incident à une normale à l'interface air-cristal est divisé en deux rayons de polarisation orthogonale. Le rayon ordinaire n'est pas réfracté et passe à travers sans être affecté. Le rayon extraordinaire est réfracté selon un angle avec la normale.
Rotateur Faraday et plaque de phase : Cette combinaison laisse passer la lumière dans une direction, sans aucune modification! (Dans la figure, il s'agit de la direction de droite à gauche.) Dans la direction opposée, la polarisation de la lumière entrante est pivotée de 90 °. Dans la direction de gauche à droite, le rotateur Faraday imprime une rotation de phase de 45 ° (dans le sens des aiguilles d'une montre) et le plateau de phase fait pivoter la lumière de 45 ° supplémentaires (également dans le sens des aiguilles d'une montre). On obtient ainsi une nette rotation de 90 ° dans le sens des aiguilles d'une montre. Dans le sens de droite à gauche, le plateau de phase fait tourner la lumière dans le même sens (par rapport à la direction du rayon de lumière) qu'avant, c'est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à 45 °. Le rotateur de Faraday fait cependant pivoter la phase dans le sens opposé (par rapport à la direction du rayon) comme il le faisait auparavant, à savoir dans le sens horaire de 45 °. C’est la phase qui tourne dans le sens opposé. Il n'y a donc pas de changement net de polarisation. (Bien sûr, dans la pratique, il existe des pertes dues aux réflexions et aux imperfections dans la fabrication du dispositif.)
Comme indiqué dans le circulateur optique à 3 ports, la lumière se déplace du port 1 au port 2 comme suit:
1. Une entrée de rayon sur le port 1 est divisée en deux rayons distincts de polarisations orthogonales. Le rayon «ordinaire» passe sans réfraction, mais le rayon «extraordinaire» à polarisation orthogonale est réfracté (vers le haut sur la figure).
2. Les deux rayons passent de gauche à droite à travers le rotateur de Faraday et les plaques de retardement de phase. Les deux rayons sont tournés de 90 °.
3. Les deux rayons rencontrent alors un autre bloc biréfringent de déblaiement (bloc B) identique au premier. L’effet de la rotation de phase de l’étape précédente était d’échanger l’état des rayons. Le rayon qui était le rayon ordinaire dans le bloc A (et n'était pas réfracté) devient le rayon extraordinaire dans le bloc B (et est réfracté dans le bloc B). Le rayon extraordinaire dans le bloc A (la trajectoire supérieure dans la figure) devient le rayon ordinaire dans le bloc B (et n'est pas réfracté dans le bloc B). La lumière est réfractée et combinée à nouveau comme indiqué. Il est ensuite transmis au port 2.
Le couplage à la fibre en entrée et en sortie utiliserait normalement une lentille quelconque. En règle générale, un objectif GRIN peut être utilisé ici. Le chemin du port 2 au port 3 est un peu plus compliqué:
1. La lumière entrant par le port 3 est divisée en bloc B.
2. En sens inverse, la polarisation des deux rayons reste inchangée.
3. Le bloc biréfringent A laisse le rayon supérieur inchangé mais éloigne le rayon inférieur. 4. Les deux rayons sont ensuite combinés à l'aide du prisme à réflecteur et du cube séparateur de faisceau polarisant.
Remarque: Si vous ne connectez que les ports 1 et 2, le circulateur optique peut être utilisé comme isolateur optique . En effet, si vous omettez le cube séparateur de faisceaux et le prisme à réflecteur, vous disposez d'un excellent isolateur indépendant de la polarisation (très faible perte). Un chemin d'accès du port 3 au port 1 peut être construit en ajoutant des composants supplémentaires; toutefois, pour la plupart des applications, cela n’est pas nécessaire, car nous ne souhaitons de toute façon pas la connexion du port 3 au port 1.
Conclusion
Il existe de nombreuses façons de construire des circulateurs optiques (à 3 et 4 ports). Toutes ces méthodes utilisent des combinaisons de composants et de principes similaires à ceux décrits ci-dessus. Le principal problème des circulateurs optiques est que les composants doivent être fabriqués avec des tolérances très proches et positionnés avec une précision extrême. Cela entraîne un coût relativement élevé. Cependant, vous pouvez trouver des circulateurs optiques rentables dans FOCC .
