جداکننده نوری

شکل ۱. یک نماد اپتیکی مداری برای دیود اپتیکی
یک جداکننده نوری یا دیود اپتیکی یک قطعه اپتیکی است که اجازه عبور نور را تنها در یک جهت می‌دهد و معمولا از بازگشت ناخواسته نور به رزوناتور اپتیکی مثل کاواک لیزر، جلوگیری می‌کند. به کارگیری این قطعه به چرخش فارادی بستگی دارد (که توسط اثر مگنتو اپتیک) ایجاد می‌شود؛ که به عنوان قطعه اصلی در چرخشگر فارادی به کار می‌رود.
تئوری
اثر فارادی:
جزء اصلی دیود اپتیکی چرخش دهنده یا چرخشگر اپتیکی است. میدان مغناطیسی که به چرخش دهنده فارادی اعمال می‌شود موجب چرخش قطبش نور در اثر فارادی می‌شود. چرخش زاویه با رابطه زیر داده می‌شود:
ثابت وردت مواد (بی نظم یا کریستال؛ جامد یا مایع یا گاز) که چرخش را ایجاد می‌کند و که طول چرخاننده است. (شکل۲) مخصوصا برای یک دیود اپتیکی این مقادیر به نحوی انتخاب می‌شوند که چرخش ۴۵ درجه را ایجاد کنند.
جداکننده قطبشی
شکل ۲: چرخش دهنده فارادی با یک قطبشگر و یک آنالیزر
جداکننده وابسته به چرخش یا ایزولاتور فارادی از ۳ جزء تشکیل شده یک قطبشگر ورودی (به صورت عمود قطبیده شده)، یک چرخش دهنده فارادی با یک قطبشگر خروجی که تحلیل گر (آنالیزور) نامیده می‌شود (در ۴۵ درجه قطبیده شده). نور جلورونده را به وسیله قطبشگر ورودی در جهت عمود پلاریزه می‌شود. چرخش فارادی قطبش را ۴۵ درجه می‌چرخاند. آنالیزور نور را بدون کمترین اتلاف عبور می‌دهد.
نور عبوری در جهت برگشت توسط آنالیزور در زاویه ۴۵ درجه قطبیده شده. چرخشگر فارادی دوباره آنرا به اندازه ۴۵ درجه می‌چرخاند. این به این معنیست که قطبش در جهت افقی قرار گرفته (چرخش به جهت حرکت عمود است). چون قطبشگر به صورت عمودی پلاریزه‌است، نور بلوکه می‌شود.
شکل ۲ یک چرخشگر فارادی را به همراه یک قطبشگر ورودی و یک آنالیزور خروجی را نشان می‌دهد. برای یک ایزولاتور وابسته قطبش، زاویه بین قطبنده وآنالیزور به اندازه ۴۵ درجه تنظیم می‌شود. چرخشگر به صورتی انتخاب می‌شود که چرخش ۴۵ درجه را ایجاد کند.
ایزولاتورهای وابسته به قطبش عموما در سامانه‌های اپتیکی فضای آزاد به کار می‌روند. این به این علت است که قطبش منبع اصولا توسط سامانه تعیین می‌شود. در سامانه‌های فیبر اپتیکی جهت قطبش در سامانه‌های غیر کنترلی قطبش پراکنده می‌شود؛ بنابراین زاویه قطبش از بین می‌رود.
جداکننده غیرقطبشی
جداکننده‌های غیر قطبشی از سه جزء تشکیل شده یک تیغه دوشکستی (با جهت قطبش عادی عمودی و جهت غیرعادی قطبش افقی)، یک چرخشگر فارادی و یک تیغه دوشکستی خروجی (با جهت قطبش عادی در ۴۵ درجه و جهت قطبش غیرعادی در ۴۵- درجه).
نور حرکت کننده در جهت رو به جلو با تیغه دوشکستی ورودی به دو جزء عمودی (۰ درجه) و افقی (۹۰ درجه)، که موج‌های عادی (o-ray) وغیر عادی (e-ray) نامیده می‌شوند. چرخشگر فارادی هردو موج عادی و غیرعادی را۴۵ درجه را می‌چرخاند. این به این معنیست که موج‌های عادی اکنون در ۴۵ درجه هستند و موج‌های غیرعادی در −۴۵ درجه. تیغه دوشکستی اکنون دو جزء را دوباره ترکیب می‌کند.
نوری که در جهت برگشت حرکت می‌کند به دو موج عادی در ۴۵ درجه و غیرعادی در -۴۵ درجه به وسیله یک تیغه دوشکستی جدا می‌شود. چرخشگر فارادی دوباره موج‌ها را ۴۵ درجه می‌چرخاند اکنون موج عادی در ۹۰ درجه‌است و موج غیرعادی در ۰ درجه‌است. به جای اینکه دو موج توسط تیغه دوشکستی دوم کانونی شوند، واگرا می‌شوند. موازی ساز در یک طرف جداکننده استفاده می‌شوند. در جهت ایزوله شده موج شکافته می‌شود و سپس واگرا می‌گردد بنابراین در موازی ساز کانونی نمی‌شود.
شکل ۳ عبور نور از یک ایزولاتور غیر وابسته به قطبش را نشان می‌دهد. نور حرکت کننده به رنگ آبی نشان داده می‌شود و نور برگشتی به رنگ قرمز. مسیر امواج با استفاده از ضریب شکست عادی ۲ و ضریب شکست غیرعادی ۳ رسم شده‌اند. زاویه راس تیغه ۷ درجه‌است.
چرخشگر فارادی
یکی از مهمترین المان‌های نوری در یک ایزولاتور چرخشگر فارادی است. مشخصاتی که در چرخشگر فارادی اپتیکی وجود دارد شامل ثابت وردت بالا و جذب کم، ضریب شکست غیر خطی و آستانه آسیب بالا. علاوه بر این جهت جلوگیری از خودکانونی و دیگر اثرات گرمایی طول کرسیتال باید تا حد ممکن کوتاه باشد.
دو ماده‌ای که به طور معمول استفاده می‌شوند برای بازه 1100nm شیشه terbium doped borosilicate و کریستال terbium gallium garnet (TTG). برای ارتباطات راه دور به وسیله فیبر عموما در 1310nm یا 1550nm کریستال‌های yttrium iron garnet استفاده می‌شوند (YIG). چرخش دهنده‌های فارادی YIG به انسداد بیش از 30dB می‌رسند.
ایزولاتورهای اپتیکی با ایزولاتورهای بر پایه تیغه‌های چارک موجی فاصله دارند به این علت که چرخشگر فارادی یک چرخش غیر دو طرفه را باوجود حفظ کردن قطبش خطی ایجاد می‌کند. این چرخش قطبش به علت چرخش فارادی در هر جهت همیشه یکسان است؛ بنابراین در جهت جلو چرخش مثبت ۴۵ درجه‌است؛ و در جهت معکوس چرخش منفی ۴۵ درجه‌است. این به علت تغییر در جهت میدان مغناطیسی مثبت در یکی و منفی در دیگری است. پس با جمع کردن مقادیر به مقدار کل ۹۰ درجه برای نوری که به سمت جلو و برعکس حرکت می‌کند، می‌رسیم. این به ایزولیشن بیشتر کمک می‌کند.
جداکننده‌های اپتیکی و ترمودینامیک
ممکن است در نظر اول چنین به نظر برسد که دستگاهی که اجازه عبور نور را تنها در یک جهت می‌دهد، با اجازه به عبور انرژی نور از جسم سرد به جسم گرم و بلوکه کردن آن در جهت دیگر قانون کهیرشف و قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند، اما خطایی در کار نیست زیرا ایزولاتور باید نور را از جسم گرم جذب (و نه بازتاب) کند و سرانجام آن را به جسم سرد می‌تاباند.
کاربرد
ایزولاتورهای فارادی و چرخشگرها کاربردهای زیادی در تکنولوژی لیزر دارند:
در بسیاری موارد، آنها برای محافظت لیزر و تقویت کننده‌ها در برابر نور بازگشتی به کار می‌روند. رشته‌های تقویت کننده در بعضی مواقع شامل چندین ایزولاتور بین مراحل مختلف تقویت نه تنها برای ایزوله کردن نور بازگشتی بلکه جهت جلوگیری از ایجاد اثرات ناخواسته توسط نشر خود به خودی تقویت شده‌است. در سیستم‌های ارتباطی فیبر اپتیکی ایزولاتورهای کوپل فیبرغیر حساس به قطبش مرتبا قبل و بعد از تقویت کننده‌های فیبری به کار می‌روند.
انواع گسترده‌ای از تداخل سنج‌ها و دیگر دستگاه‌ها (به عنوان مثال تقویت کننده‌ها) در دو نوع قطعه‌ای و فیبری از چرخشگرها برای جداسازی نور بازگشتی از نور جلورونده به کار می‌روند؛ که امکان استفاده از تقویت کننده‌های دو عبوری را فراهم می‌کند.
مشخصه قطبش، جداکننده‌های وابسته قطبش درون مشدد لیزر (به عنوان مثال یک لیزر فیبری) ممکن است جهت وارد کردن یک حالت قطبش خطی جهت قفل کردن مد با چرخش قطبش غیر خطی باشد.
علاوه بر این‌ها کاربردهای زیادی به عنوان چرخشگر فارادی خالص و نه به عنوان ایزولاتور دارند.