ऑप्टिकल आइसोलेटर

एक ऑप्टिकल आइसोलेटर, या ऑप्टिकल डायोड, एक ऑप्टिकल घटक है जो केवल एक दिशा में प्रकाश के संचरण की अनुमति देता है। यह आम तौर पर एक ऑप्टिकल थरथरानवाला, जैसे लेजर गुहा में अवांछित प्रतिक्रिया को रोकने के लिए प्रयोग किया जाता है।

[कुछ] उपकरणों का संचालन फैराडे प्रभाव पर निर्भर करता है (जो बदले में मैग्नेटो-ऑप्टिक प्रभाव द्वारा निर्मित होता है), जिसका उपयोग मुख्य घटक, फैराडे रोटेटर में किया जाता है।

सिद्धांत
ऑप्टिकल आइसोलेटर का मुख्य घटक फैराडे रोटेटर है। चुंबकीय क्षेत्र,$$B$$, फैराडे रोटेटर पर लागू होने से फैराडे प्रभाव के कारण प्रकाश के ध्रुवीकरण में घुमाव होता है। रोटेशन का कोण, $$\beta$$, द्वारा दिया गया है,
 * $$\beta=\nu B d\,$$,

कहाँ, $$\nu$$ सामग्री का वर्डेट स्थिरांक है  (अनाकार या क्रिस्टलीय ठोस, या तरल, या क्रिस्टलीय तरल, या वाष्पशील, या गैसीय) जिससे रोटेटर बना है, और $$d$$ रोटेटर की लंबाई है। यह चित्रा 2 में दिखाया गया है। विशेष रूप से एक ऑप्टिकल आइसोलेटर के लिए, मूल्यों को 45 डिग्री के रोटेशन देने के लिए चुना जाता है।

यह दिखाया गया है कि किसी भी प्रकार के ऑप्टिकल आइसोलेटर (न केवल फैराडे आइसोलेटर) के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता किसी प्रकार की गैर-पारस्परिकता (विद्युत चुंबकत्व) ऑप्टिक्स है

ध्रुवीकरण निर्भर आइसोलेटर
ध्रुवीकरण पर निर्भर आइसोलेटर, या फैराडे आइसोलेटर, तीन भागों से बना होता है, एक इनपुट पोलराइज़र (ऊर्ध्वाधर रूप से ध्रुवीकरण), एक फैराडे रोटेटर और एक आउटपुट पोलराइज़र, जिसे एनालाइज़र (45 ° पर ध्रुवीकृत) कहा जाता है।

आगे की दिशा में यात्रा करने वाला प्रकाश इनपुट पोलराइज़र द्वारा लंबवत रूप से ध्रुवीकृत हो जाता है। फैराडे रोटेटर ध्रुवीकरण को 45° घुमाएगा। विश्लेषक तब प्रकाश को आइसोलेटर के माध्यम से प्रसारित करने में सक्षम बनाता है।

पीछे की दिशा में यात्रा करने वाला प्रकाश विश्लेषक द्वारा 45° पर ध्रुवीकृत हो जाता है। फैराडे रोटेटर फिर से ध्रुवीकरण को 45° घुमाएगा। इसका मतलब है कि प्रकाश क्षैतिज रूप से ध्रुवीकृत है (रोटेशन की दिशा प्रसार की दिशा के प्रति संवेदनशील नहीं है)। चूँकि पोलराइज़र लंबवत रूप से संरेखित है, प्रकाश बुझ जाएगा।

चित्रा 2 एक इनपुट पोलराइज़र और एक आउटपुट विश्लेषक के साथ एक फैराडे रोटेटर दिखाता है। ध्रुवीकरण पर निर्भर आइसोलेटर के लिए, पोलराइज़र और विश्लेषक के बीच का कोण, $$\beta$$, 45° पर सेट है। फैराडे रोटेटर को 45° घुमाव देने के लिए चुना जाता है।

ध्रुवीकरण पर निर्भर आइसोलेटर्स आमतौर पर फ्री स्पेस ऑप्टिकल सिस्टम में उपयोग किए जाते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि स्रोत का ध्रुवीकरण आमतौर पर सिस्टम द्वारा बनाए रखा जाता है। ऑप्टिकल फाइबर सिस्टम में, ध्रुवीकरण की दिशा आमतौर पर गैर-ध्रुवीकरण बनाए रखने वाली प्रणालियों में फैली हुई है। इसलिए ध्रुवीकरण के कोण से नुकसान होगा।

ध्रुवीकरण स्वतंत्र आइसोलेटर
ध्रुवीकरण स्वतंत्र आइसोलेटर तीन भागों से बना होता है, एक इनपुट birefringence  वेज (इसकी सामान्य ध्रुवीकरण दिशा ऊर्ध्वाधर और इसकी असाधारण ध्रुवीकरण दिशा क्षैतिज), एक फैराडे रोटेटर, और एक आउटपुट बायरफ्रिंजेंट वेज (45 डिग्री पर इसकी सामान्य ध्रुवीकरण दिशा के साथ, और इसकी -45° पर असाधारण ध्रुवीकरण दिशा)। आगे की दिशा में यात्रा करने वाली रोशनी इनपुट बिरफ्रिन्जेंट वेज द्वारा अपने ऊर्ध्वाधर (0 डिग्री) और क्षैतिज (90 डिग्री) घटकों में विभाजित होती है, जिन्हें क्रमशः सामान्य किरण (ओ-रे) और असाधारण किरण (ई-रे) कहा जाता है। फैराडे रोटेटर ओ-रे और ई-रे दोनों को 45° घुमाता है। इसका मतलब है कि ओ-रे अब 45° पर है, और ई-रे -45° पर है। आउटपुट बिरफ्रिन्जेंट वेज फिर दो घटकों को फिर से जोड़ती है।

पीछे की दिशा में यात्रा करने वाली रोशनी 45 पर ओ-रे में अलग हो जाती है, और ई-रे -45 डिग्री पर बायरफ्रिंजेंट वेज द्वारा अलग हो जाती है। फैराडे रोटेटर फिर से दोनों किरणों को 45° घुमाता है। अब ओ-रे 90 डिग्री पर है, और ई-रे 0 डिग्री पर है। दूसरी बिरफ्रेंजेंट वेज द्वारा ध्यान केंद्रित करने के बजाय, किरणें अलग हो जाती हैं।

आमतौर पर आइसोलेटर के दोनों ओर समांतरित्र का उपयोग किया जाता है। प्रेषित दिशा में बीम को विभाजित किया जाता है और फिर संयुक्त किया जाता है और आउटपुट कोलिमेटर में केंद्रित किया जाता है। पृथक दिशा में बीम विभाजित होता है, और फिर अलग हो जाता है, इसलिए यह समांतरक पर ध्यान केंद्रित नहीं करता है।

चित्रा 3 एक ध्रुवीकरण स्वतंत्र आइसोलेटर के माध्यम से प्रकाश के प्रसार को दर्शाता है। आगे जाने वाली रोशनी को नीले रंग में दिखाया गया है, और पीछे की ओर फैलने वाली रोशनी को लाल रंग में दिखाया गया है। किरणों को 2 के सामान्य अपवर्तक सूचकांक और 3 के असाधारण अपवर्तक सूचकांक का उपयोग करके पता लगाया गया। पच्चर कोण 7 ° है।

फैराडे रोटेटर
आइसोलेटर में सबसे महत्वपूर्ण ऑप्टिकल तत्व फैराडे रोटेटर है। फैराडे रोटेटर ऑप्टिक में जिन विशेषताओं की तलाश की जाती है उनमें एक उच्च वर्डेट स्थिरांक, कम अवशोषण (ऑप्टिक्स) गुणांक, कम गैर-रैखिक अपवर्तक सूचकांक और उच्च लेजर क्षति सीमा शामिल है। इसके अलावा, स्व-केंद्रित और अन्य थर्मल संबंधित प्रभावों को रोकने के लिए, ऑप्टिक जितना संभव हो उतना छोटा होना चाहिए। 700-1100 एनएम रेंज के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली दो सामग्रियां टर्बियम डोप्ड बोरोसिलिकेट ग्लास और टर्बियम गैलियम गार्नेट क्रिस्टल (टीजीजी) हैं। लंबी दूरी के फाइबर संचार के लिए, आमतौर पर 1310 nm या 1550 nm पर, यट्रियम आयरन गार्नेट क्रिस्टल (YIG) का उपयोग किया जाता है। वाणिज्यिक वाईआईजी आधारित फैराडे आइसोलेटर्स 30 डेसिबल से अधिक अलगाव तक पहुंचते हैं।

ऑप्टिकल आइसोलेटर्स 1/4 तरंग प्लेट  आधारित आइसोलेटर्स से अलग होते हैं क्योंकि फैराडे रोटेटर रैखिक ध्रुवीकरण को बनाए रखते हुए गैर-पारस्परिक रोटेशन प्रदान करता है। अर्थात्, फैराडे रोटेटर के कारण ध्रुवीकरण का घुमाव हमेशा एक ही सापेक्ष दिशा में होता है। तो आगे की दिशा में, घूर्णन धनात्मक 45° है। विपरीत दिशा में, घूर्णन -45° है। यह रिश्तेदार चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में परिवर्तन के कारण है, सकारात्मक एक तरफ, नकारात्मक दूसरा। यह तब कुल 90 ° जोड़ता है जब प्रकाश आगे की दिशा में और फिर नकारात्मक दिशा में यात्रा करता है। यह उच्च अलगाव प्राप्त करने की अनुमति देता है।

ऑप्टिकल आइसोलेटर्स और थर्मोडायनामिक्स
पहली नज़र में ऐसा लग सकता है कि एक उपकरण जो प्रकाश को केवल एक दिशा में प्रवाहित करने की अनुमति देता है, थर्मल विकिरण के किरचॉफ के नियम का उल्लंघन करेगा। किरचॉफ का नियम और ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम, प्रकाश ऊर्जा को एक ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु तक प्रवाहित करने की अनुमति देता है और इसे दूसरी दिशा में अवरुद्ध करना, लेकिन उल्लंघन से बचा जाता है क्योंकि आइसोलेटर को गर्म वस्तु से प्रकाश को अवशोषित (परावर्तित नहीं) करना चाहिए और अंततः इसे ठंडे स्थान पर फिर से प्रसारित करना चाहिए। फोटॉनों को उनके स्रोत पर वापस भेजने के प्रयासों में अपरिहार्य रूप से एक ऐसा मार्ग बनाना शामिल है जिसके द्वारा अन्य फोटॉन विरोधाभास से बचते हुए गर्म पिंड से ठंडे पिंड तक यात्रा कर सकें।

यह भी देखें

 * आइसोलेटर (माइक्रोवेव)

बाहरी संबंध

 * Telecommunication isolators, good pictures