Isolateur (optique)

Le composant principal d'un isolateur optique est le rotateur de Faraday. Le champ magnétique ${\displaystyle B}$ appliqué au rotateur de Faraday implique une rotation de la polarisation due à l'effet Faraday. L'angle de rotation, ${\displaystyle \beta }$ est donné par la relation:

avec ${\displaystyle \nu }$, la Constante de Verdet du matériau et ${\displaystyle d}$ 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 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].

Effet d'un champ magnétique sur un dipôle électrique.

Les mécanismes physiques qui interviennent dans un isolateur optique peuvent être expliqués de manière imagée avec le modèle (simpliste) de l'électron élastiquement lié.

Une onde électromagnétique entrant dans un cristal vient exciter les atomes qui se mettent à osciller sous forme de dipôles induits. Dans le modèle de l'électron élastiquement lié, le noyau, très lourd, reste immobile tandis que l'électron oscille autour d'une position d'équilibre, comme s'il était maintenu au noyau par un ressort. Le dipôle est excité par le champ électrique de l'onde lumineuse, l'électron est soumis à la force de Lorentz:

(Avec ${\displaystyle e}$ la charge élémentaire de l'électron et ${\displaystyle \mathbf {E} }$ le vecteur champ électrique de l'onde)

Enfin, les dipôles rayonnent et réémettent une onde dont la polarisation est identique à leur axe d'oscillation: ici, la polarisation est identique à celle de l'onde qui les a créés.

Lorsqu'on introduit dans le matériau un champ magnétique, la force de Lorentz que subit le dipôle se voit ajouter un terme qui dépend du champ magnétique.

(Avec ${\displaystyle \mathbf {B} }$ le vecteur champ magnétique appliqué au matériau et ${\displaystyle \mathbf {v} }$ la vitesse de l'électron)

L'électron n'oscille plus parallèlement au champ électrique mais avec un angle qui dépend entre autres de l'amplitude du champ magnétique. L'onde réémise par rayonnement des dipôles induits est, elle, polarisée selon l'axe d'oscillation des dipôles: la polarisation a tourné d'un angle (par exemple, ${\displaystyle \alpha }$).

Admettons maintenant qu'une onde entre dans le cristal, mais dans le sens opposé aux propagations précédentes. L'orientation du champ magnétique, elle, n'a pas changé. La polarisation du faisceau est de nouveau tournée d'un angle ${\displaystyle \alpha }$: elle ne revient pas à la polarisation initiale, mais on a désormais ${\displaystyle 2\alpha }$. Le composant n'est donc pas réciproque.

Si ${\displaystyle \alpha }$ vaut 45°, le faisceau qui revient en sens inverse ressort polarisé à 90°. Il suffit d'introduire un polariseur en entrée pour éteindre totalement cette polarisation.

Figure 2: Rotateur de Faraday avec polariseur et analyseur

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 orthogonalement au polariseur d'entrée, elle est donc totalement absorbée.

La figure 2 illustre 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, ${\displaystyle \beta }$, 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 maintien de polarisation. Dans le cadre de l'optique fibrée, la direction de la polarisation est dispersée si les fibres ne sont pas à maintien de polarisation. En conséquence, l'angle formé entre le polariseur d'entrée et la polarisation du faisceau entrant mènera à une perte de puissance.

Lorsqu'on travaille à haute puissance, le polariseur d'entrée peut être avantageusement remplacé par un cube à séparation de polarisation. Le faisceau contrapropageant n'est ainsi plus absorbé mais réfléchi par l'isolateur, ce qui permet d'éviter l'échauffement du système.

Schéma de principe d'un isolateur optique

La constante de Verdet dépend de la longueur d'onde. Ceci limite en théorie les performances des isolateurs pour les sources à large bande spectrale. D'autre part, puisqu'il est nécessaire d'avoir une polarisation à 45° pour assurer une bonne isolation, un des paramètres du système doit être modifié pour avoir un isolateur accordable. En général, le champ magnétique est fourni par un puissant aimant cylindrique dans lequel est logé le cristal. Puisque l'effet Faraday dépend directement du champ magnétique, l'aimant peut-être translaté de manière à encercler plus ou moins le cristal. Les isolateurs ayant généralement une structure cylindrique, le réglage s'effectue le plus souvent avec une vis dans l'axe de propagation du faisceau.

En pratique, les isolateurs accordables peuvent être utilisés pour couvrir de larges bandes spectrales. Il est possible d'isoler des signaux sur des bandes de plus de 200 nm de large. La bande passante n’est dans ce cas limitée que par les traitements anti-reflets des composants. Cela requiert néanmoins d’avoir un rotateur de Faraday au milieu de la bande spectrale et avec une constante de Verdet faiblement dépendante de la longueur d’onde[2].

Avoir de faibles pertes en transmission est très important dans de nombreuses applications. Ces pertes sont déterminées à la fois par la qualité des polariseurs, les réflexions à chacune des surfaces traversées (et donc, la qualité des traitements anti-reflet) et la précision angulaire du rotateur[2].

Le critère de performances principal d’un isolateur optique est son degré d’isolation, c’est-à-dire sa capacité à éliminer les rayons qui se propagent dans le mauvais sens. Les rotateurs de Faraday standard atteignent entre 30 et 40 dB d’isolation, mais les performances diminuent pour les composants à haute puissance. Pour diminuer l’éclairement, ils offrent une plus grande surface de cristal au faisceau. Cela rend cependant le signal plus sensible aux inhomogénéités du champ magnétique et diminue l’isolation. L’isolation peut également être dégradée si les polariseurs sont mal alignés ou si le faisceau n’est pas bien collimaté[2].

Pour pallier les éventuelles diminutions de performances en termes d’isolation, il est possible de monter l’un derrière l’autre deux isolateurs. Cela augmente les pertes d’insertion mais permet d’atteindre de bonnes performances en termes d’isolation, si bien qu’il est possible de trouver des isolateurs doublés dans le commerce[2].

L'élément le plus important d'un isolateur est le cristal dans lequel a lieu l'effet Faraday (le rotateur de Faraday) avec les caractéristiques qui font sa performance : une grande 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, ces conditions font choisir du terbium dopé borosilicate ou du terbium-gallium (TGG) pour une plage de longueur d'onde entre 700 et 1100 nm, ou encore du YIG pour les fibres utilisées dans les télécommunications (généralement entre 1310 et 1550 nm). Les isolateurs au YIG commerciaux atteignent des isolations supérieures à 30 dB.

Les isolateurs optiques diffèrent des isolateurs à lames quart d'onde en ce 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.