Как он заставляет свет двигаться только в одном направлении и не возвращаться назад?
Кольцевой циркулятор (Optical Circulator) — это многопортовое нереципрокное оптическое устройство. Прежде всего, следует отметить, что оптические циркуляторы не входят в основную линейку продукции Dacheng Yongsheng (OFSCN®). Однако, как базовое устройство в оптической инженерии, его физический принцип «позволяет свету двигаться только в одном направлении (например, от порта 1 к порту 2, от порта 2 к порту 3) без обратного пути» очень классический.
Центральным элементом этой характеристики является оптическая нереципрокность (Optical Non-reciprocity), а ее научным «виновником» является эффект Фарадея (Faraday Effect).
I. Основной физический механизм: нереципрокное вращение Фарадея
В обычных оптических средах (таких как обычное стекло, оптоволокно или волновые пластины) световые пути реципрокны. Если луч света поворачивает плоскость поляризации по часовой стрелке на 45^\circ при прохождении через волновую пластину, то при обратном прохождении через ту же пластину плоскость поляризации повернется против часовой стрелки на 45^\circ, и состояние поляризации вернется к исходному. Это не позволяет реализовать однонаправленную проводимость.
Оптические циркуляторы используют эффект Фарадея (магнитооптический эффект):
- Магнитооптический кристалл: Циркулятор содержит специальный магнитооптический кристалл (например, кристалл иона граната YIG) и подвергается воздействию сильного постоянного магнитного поля.
- Нереципрокное вращение: Когда линейно поляризованный свет проходит через магнитооптический кристалл, находящийся под внешним магнитным полем, его плоскость поляризации вращается. Ключевым моментом является то, что направление вращения определяется только направлением приложенного магнитного поля и не зависит от направления распространения света (вперед или назад).
- Если фарадеевский вращатель спроектирован так, чтобы вращать плоскость поляризации проходящего света на 45^\circ:
- Прямое прохождение: Плоскость поляризации вращается на +45^\circ.
- Обратное прохождение: Плоскость поляризации по-прежнему вращается на +45^\circ (с точки зрения одного наблюдателя, направление вращения не инвертируется, а продолжает накапливаться).
- Результат: При прямом и обратном прохождении света общее вращение поляризации составит 90^\circ, а не будет взаимно компенсировано, как в обычных средах.
II. Принцип работы поляризационно-независимого оптического циркулятора
Промышленные оптические циркуляторы, как правило, являются поляризационно-независимыми (Polarization Independent) и в основном состоят из комбинации двулучепреломляющих кристаллических делителей луча (таких как кристаллы YVO_4), фарадеевских вращателей (Faraday Rotator) и полуволновых пластин (Half-Wave Plate).
Рассмотрим трехпортовый (Порт 1, Порт 2, Порт 3) циркулятор. Конкретное управление световым путем следующее:
1. Свет от Порта 1 \to Порта 2 (прямая проводимость)
- Деление луча: Свет, поступающий из Порта 1, сначала проходит через первый двулучепреломляющий кристалл, где он разлагается на две луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации: обыкновенный луч (луч o) и необыкновенный луч (луч e). Они пространственно разделяются с небольшим отклонением.
- Компенсация вращения: Эти два луча затем проходят через фарадеевский вращатель (вращает плоскость поляризации на +45^\circ) и специальную полуволновую пластину (ее оптическая ось спроектирована так, чтобы вращать плоскость поляризации прямого света на -45^\circ).
- Совместное действие этих двух элементов приводит к общему углу вращения +45^\circ + (-45^\circ) = 0^\circ. Поляризационное состояние света остается неизменным после прохождения через эти два устройства.
- Сложение луча: Поскольку поляризационное состояние не изменилось, когда два луча достигают второго двулучепреломляющего кристалла, его свойства разделения луча комплементарны свойствам первого кристалла. Лучи o и e снова объединяются в пространстве и точно фокусируются, вводясь в Порт 2.
2. Свет от Порта 2 \to Порта 3 (обратная изоляция и перенаправление)
- Если свет входит обратно из Порта 2, он сначала снова разделяется вторым двулучепреломляющим кристаллом на лучи o и e.
- Накопление вращения: При обратном прохождении через полуволновую пластину плоскость поляризации вращается на -45^\circ; однако из-за нереципрокности фарадеевского вращателя при обратном прохождении через него плоскость поляризации по-прежнему вращается на +45^\circ (в противоположной системе пространственных отсчетов это эквивалентно тому, что вращение происходит в том же направлении, что и вращение полуволновой пластины).
- Совместное действие этих двух элементов приводит к общему углу вращения 90^\circ.
- Обмен поляризацией и отклонение: Вращение на 90^\circ приводит к тому, что исходный луч o становится лучом e, а исходный луч e становится лучом o.
- Перенаправление: Когда эти два луча с взаимозаменяемой поляризацией достигают первого двулучепреломляющего кристалла, направление отклонения кристалла для их поляризации изменяется (направление отклонения противоположно). Эти два луча не только не объединяются в месте Порта 1, но и отклоняются от сердцевины оптического волокна Порта 1, объединяются в другом определенном пространственном положении и, наконец, точно направляются в Порт 3.
Резюме
Оптический циркулятор реализует однонаправленную циклическую передачу световых волн, комбинируя нереципропные фарадеевские вращатели и реципропные полуволновые пластины, чтобы вызвать различные изменения в поляризационном состоянии прямого и обратного света, а затем используя двулучепреломляющие кристаллы для пространственного разделения и объединения света с различной поляризацией.