Utilisateur:Démosthène/Brouillons/Isolateur (optique)
Un isolateur optique ou diode optique est un composant optique permettant la propagation de la lumière en sens unique. Ce type de composants est généralement utilisé pour éliminer les réflexions parasites dans un oscillateur paramétrique optique, tel qu'une cavité laser. Les isolateurs optiques utilisent l'effet Faraday (lequel fait tourner la polarisation par un effet magnéto-optique), et plus précisément le composant dédié à cet effet: le rotateur de Faraday.
Principe[modifier | modifier le code]
Le composant principal d'un isolateur optique est le rotateur de Faraday. Le champ magnétique appliqué au rotateur de Faraday implique une rotation de la polarisation dûe à l'effet Faraday. L'angle de rotation, est donné par la relation:
avec , la Constante de Verdet du matériau et la longueur du rotateur. Le matériau peut être amorphe ou cristallin, solide, liquide ou gazeux. Pour le cas particulier des isolateurs, le rotateur est choisi de manière à ce que l'angle soit de 45 degrés.
Il a été prouvé que la non-réciprocité est un critère déterminant pour les performances d'un isolateur optique[1].
Isolateur dépendant de la polarisation[modifier | modifier le code]
Un isolateur dépendant de la polarisation (ou isolateur de Faraday) s'organise autour de trois parties: un polariseur d'entrée (polarisé linéaire vertical), un rotateur de Faraday et un polariseur de sortie (analyseur) polarisé à 45°. La lumière qui traverse l'isolateur en sens direct devient polarisée verticalement par le premier polariseur, tourne de 45° avec le rotateur de Faraday et est intégralement transmise par l'analyseur. En revanche, la lumière entrant en sens inverse est polarisée à 45° par le polariseur de sortie et tourne également de 45° avec le rotateur de Faraday. Cela la rend donc polarisée othogonalement au polariseur d'entrée, elle est donc totalement absorbée.
La figure 2 illustres un rotateur de Faraday avec un polariseur d'entrée et un analyseur. Pour un isolateur dépendant de la polarisation, l'angle entre le polariseur et l'analyseur, , doit être de 45° pour garantir l'isolation.
Les isolateurs dépendants de la polarisation sont couramment utilisés pour de l'optique en espace libre (non fibrée). En effet, la propagation dans l'air ne dégrade pas la polarisation, on a donc des systèmes à maintient de polarisation. Dans le cadre de l'optique fibrée, la direction de la polarisation est dispersée si les fibres ne sont pas à maintient de polarisation. En conséquence, l'angle formé entre le polariseur d'entrée et la polarisation du faisceau entrant menera à une perte de puissance.
Polariseurs indépendants de la polarisation[modifier | modifier le code]
Les isolateurs indépendants de la polarisation sont également faits en trois parties: une cale biréfringente (ayant sa direction de polarisation ordinaire verticale et la direction extraordinaire horizontale), un rotateur de Faraday et une une cale biréfringente de sortie ayant sa direction de polarisation ordinaire à 45° et extraordinaire à -45°.
La lumière traversant en sens direct le système est divisée par la cale biréfringente en une composante verticale (0°) et une composante horizontale (90°), respectivement appelées rayon ordinaire (noté o) et rayon extraordinaire (noté e). Le rotateur de Faraday fait tourner chacun des deux rayons d'un angle de 45°. Le rayon o est alors à +45° et le e à -45°. Le cristal birefringent de sortie recombine les deux composantes.
D'autre part, la lumière entrant en sens inverse dans l'isolateur est séparée en deux composantes, une ordinaire à 45° et une extraordinaire à -45°. Le rotateur de Faraday les fait tourner d'un angle de 45°, ce qui a pour effet de les incliner à 90° pour la composant ordinaire et 0° pour l'extraordinaire. Au lieu d'être recombinés à la sortie de la seconde cale biréfringente, les deux rayons divergent.
En général, des collimateurs sont utilisés à chaque extrémité de l'isolateur. En sens direct, le faisceau est divisé, recombiné, puis focalisé sur le collimateur de sortie. Dans le sens contraire, les rayons divergent et il n'y a donc pas de focalisation.
La figure 3 illustres la propagation de la lumière au travers d'un isolateur indépendant de la polarisation. Le passage en sens direct est en bleu, le retour en rouge. Les rayons ont été tracés en utilisant un indice ordinaire de 2 et un indice extraordinaire de 3. L'angle de la cale biréfringente vaut 7°.
The Faraday rotator[modifier | modifier le code]
L'élément le plus important d'un isolateur est le rotateur de Faraday. Les caractéristiques recherchées pour le rotateur de Faraday sont une grane constante de Verdet, une faible absorption, un indice de réfraction non linéaire faible et un haut seuil d'endommagement. De plus, pour éviter les effets thermiques (lentille thermique notamment), le cristal doit être le plus court possible. En général, on choisit donc du terbium dopé borosilicate ou du terbium-gallium (TGG) pour une plage de longueur d'onde entre 700 et 1100 nm. Pour les fibres utilisées dans les télecommunications, (générallement entre 1310 nm et 1550 nm), on utilise du YIG. Les isolateurs au YIG commerciaux atteignent des isolations supérieures à 30 dB.
Les isolateurs optiques sont différents des isolateurs à lames quart d'onde parce que le rotateur de Faraday provoque un effet non réciproque tout en maintenant une polarisation rectiligne. En fait, le rotateur de Faraday fait tourner la polarisation toujours dans le même sens, indépendamment du sens de propagation de l'onde.
Isolateurs optiques et thermodynamique[modifier | modifier le code]
A première vue, on pourrait penser que les isolateurs optiques (qui n'autorisent la lumière qu'à circuler dans un seul sens) pourraient violer la loi de Kirchoff et le Second Principe de la Thermodynamique en autorisant la lumière à aller d'un point froid vers un point chaud et en bloquant la propagation dans le sens inverse. Néanmoins, les deux lois ne sont pas violées parce que l'isolateur doit absorber (et pas réfléchir) la lumière depuis le point chaud et pourra éventuellement la rayonner de nouveau vers le point le plus froid. En bloquant le passage du point chaud vers le point froid, on n'interdit pas la création d'un nouveau chemin pour les photons pour aller de ce point chaud vers le point froid[2][3].
Références[modifier | modifier le code]
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « optical isolator » (voir la liste des auteurs).
- Dirk Jalas, « What is — and what is not — an optical isolator », Nature Photonics, vol. 7, no 8, , p. 579–582 (DOI 10.1038/nphoton.2013.185, lire en ligne, consulté le )
- C.E. Mungan, « Faraday Isolators and Kirchhoff’s Law: A Puzzle » [PDF], (consulté le )
- Rayleigh, "On the magnetic rotation of light and the second law of thermodynamics", Nature (London), Vol. 64, p. 577 (Oct. 10, 1901).