光アイソレータ
レーザー実験用光アイソレータ

光アイソレータ（光ダイオード）は、光を一方向にのみ透過させる光学部品です。通常、レーザー共振器などの光発振器への不要なフィードバックを防ぐために使用されます。

従来の光アイソレータの動作は、主要部品であるファラデー回転子に用いられるファラデー効果（磁気光学効果によって生じる）に依存しています。しかし、近年では磁気に依存しない集積型アイソレータも開発されています。[ 1 ]

理論

図1: アイソレータの光回路記号
ファラデー効果

光アイソレータの主要構成要素はファラデー回転子です。ファラデー回転子に印加される磁場 は、ファラデー効果により光の偏光を回転させます。回転角 は、次式で与えられます。 B{\displaystyle B}β{\displaystyle \beta}

β＝νBd{\displaystyle \beta =\nu Bd\,}、

ここで、は回転子を構成する材料[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]（非晶質または結晶質の固体、液体、結晶質の液体、蒸気、または気体）のベルデ定数であり、は回転子の長さです。これは図2に示されています。特に光アイソレータの場合、これらの値は45°の回転を与えるように選択されます。 ν{\displaystyle \nu}d{\displaystyle d}

あらゆる種類の光アイソレータ（ファラデーアイソレータに限らず）にとって重要な要件は、ある種の非相反光学系であることが示されている[ 5 ]

偏光依存型アイソレータ

図2：ファラデーアイソレータは、光を一方向にのみ透過させます。入力偏光子、ファラデー回転子、検光子の3つの部分で構成されています。

偏光依存アイソレータ、またはファラデー アイソレータは、入力偏光子 (垂直偏光)、ファラデー回転子、およびアナライザーと呼ばれる出力偏光子 (45° 偏光) の 3 つの部分で構成されています。

順方向に進行する光は、入力偏光子によって垂直方向に偏光されます。ファラデー回転子は偏光を45°回転させます。その後、検光子によって光はアイソレータを透過します。

逆方向に進行する光は、検光子によって45°偏光されます。ファラデー回転子は、さらに偏光を45°回転させます。これは、光が水平方向に偏光していることを意味します（回転方向は伝播方向に影響されません）。偏光子は垂直に配置されているため、光は消光されます。

図2は、入力偏光子と出力検光子を備えたファラデー回転子を示しています。偏光依存型アイソレータの場合、偏光子と検光子の間の角度は45°に設定されています。ファラデー回転子は45°の回転を与えるように選択されています。 β{\displaystyle \beta}

偏波依存型アイソレータは、一般的に自由空間光システムで使用されます。これは、光源の偏波がシステムによって維持されるためです。光ファイバーシステムでは、偏波保持型でないシステムでは、偏波方向が分散されるのが一般的です。そのため、偏波角度は損失につながります。

偏波独立型アイソレータ

図3: 偏光無依存アイソレータ

偏光非依存型アイソレータは、入力複屈折ウェッジ（常光偏光方向が垂直、異常光偏光方向が水平）、ファラデー回転子、出力複屈折ウェッジ（常光偏光方向が45°、異常光偏光方向が-45°）の3つの部分で構成されています。[ 6 ] [ 7 ]

順方向に進む光は、入力側の複屈折ウェッジによって垂直方向（0°）と水平方向（90°）の成分に分割され、それぞれ常光線（O線）と異常光線（E線）と呼ばれます。ファラデー回転子はO線とE線の両方を45°回転させます。つまり、O線は45°、E線は-45°になります。出力側の複屈折ウェッジは、この2つの成分を再結合します。

逆方向に進行する光は、複屈折ウェッジによって45°のO線と-45°のE線に分離されます。ファラデー回転子は再び両方の光線を45°回転させます。すると、O線は90°、E線は0°になります。2つ目の複屈折ウェッジによって、光線は集束されずに発散します。

通常、コリメータはアイソレータの両側に使用されます。透過方向では、ビームは分割され、その後結合されて出力コリメータに集光されます。アイソレータ方向では、ビームは分割され、その後発散されるため、コリメータには集光されません。

図3は、偏光非依存型アイソレータを通過する光の伝播を示しています。前方に伝播する光は青で、後方に伝播する光は赤で示されています。光線は常光屈折率2、異常光屈折率3を用いて追跡されています。くさび角は7°です。

ファラデー回転子

アイソレータにおいて最も重要な光学素子はファラデー回転子です。ファラデー回転子光学系に求められる特性としては、高いベルデ定数、低い吸収係数、低い非線形屈折率、そして高い損傷閾値などが挙げられます。また、自己収束やその他の熱関連の影響を防ぐため、光学系は可能な限り短くする必要があります。700～1100 nmの範囲で最も一般的に使用される2つの材料は、テルビウム添加ホウケイ酸ガラスとテルビウムガリウムガーネット結晶（TGG）です 。長距離光ファイバ通信（通常、1310 nmまたは1550 nm）では、イットリウム鉄ガーネット結晶（YIG）が使用されます。市販のYIGベースのファラデーアイソレータは、30 dBを超えるアイソレーションを実現します。

光アイソレータは、ファラデー回転子が直線偏光を維持しながら非相反回転を提供する点で、 1/4波長板ベースのアイソレータとは異なります。つまり、ファラデー回転子による偏光回転は常に同じ相対方向です。つまり、順方向では回転は正45°、逆方向では回転は-45°です。これは、相対的な磁場の方向が一方が正、もう一方が負となるため、光が順方向に進み、次に負の方向に進むと、合計90°になります。これにより、より高いアイソレーションが実現されます。

光アイソレータと熱力学

一見すると、光を一方向にのみ流す装置は、光エネルギーを冷たい物体から熱い物体へ流し、反対方向への光エネルギーを遮断することで、キルヒホッフの法則と熱力学第二法則に違反するように見えるかもしれない。しかし、アイソレータは熱い物体からの光を吸収（反射ではなく）し、最終的に冷たい物体へ再放射するため、この違反は回避される。光子を発生源へ再送する試みは、必然的に他の光子が熱い物体から冷たい物体へ移動できる経路を作り出すことを必要とし、パラドックスを回避する。[ 8 ] [ 9 ]

参照

参考文献

  1. ^ White, Alexander D.; Ahn, Geun Ho; Gasse, Kasper Van; Yang, Ki Youl; Chang, Lin; Bowers, John E.; Vučković, Jelena (2023年2月). 「集積型パッシブ非線形光アイソレータ」. Nature Photonics . 17 (2): 143– 149. arXiv : 2206.01173 . Bibcode : 2023NaPho..17..143W . doi : 10.1038/s41566-022-01110-y .
  2. ^デイヴィッド・ヴォジナ;スレザク、オンドジェ;ルチアネッティ、アントニオ。モチェク、トマーシュ (2019)。「高出力ファラデーデバイス用に開発された磁気活性材料のベルデ定数」。応用科学。9 (15): 3160.土井: 10.3390/app9153160。
  3. ^ Vojna, David; Slezák, Ondřej; Yasuhara, Ryo; Furuse, Hiroaki; Lucianetti, Antonio; Mocek, Tomáš (2020). 「中赤外波長におけるDy2O3、CeF3、Y3Fe5O12のファラデー回転」 . Materials . 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). 「波長と温度の関数としてのフッ化カリウムテルビウム結晶のベルデ定数」 . Opt. Lett . 45 (7): 1683– 1686. Bibcode : 2020OptL...45.1683V . doi : 10.1364/ol.387911 . PMID 32235973. S2CID 213599420. 2021年3月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年4月10日閲覧。  
  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 (2013年7月29日). 「光アイソレータとは何か — そして何がそうではないのか —」Nature Photonics . 7 (8): 579– 582. Bibcode : 2013NaPho...7..579J . doi : 10.1038/nphoton.2013.185 .
  6. ^ 「偏光依存型アイソレータと偏光非依存型アイソレータ」 Fiber Optic Components、2015年5月6日。2017年12月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年12月4日閲覧。
  7. ^ 「アーカイブコピー」（PDF） 。 2017年12月4日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2017年12月4日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)
  8. ^ Mungan, CE (1999). 「ファラデーアイソレータとキルヒホッフの法則：パズル」（PDF） . 2022年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） . 2006年7月18日閲覧。
  9. ^レイリー (1901). 「光の磁気回転と熱力学第二法則について」 . Nature . 64 (1667): 577– 578. doi : 10.1038/064577e0 .
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