受動光学部品 - サーキュレータ
前書き
光サーキュレータは微小光学装置であり、任意の数のポートで作ることができますが、3と4ポートバージョンが最も一般的です。 また、最後のポートが最初のポートに循環しないような非対称バージョンを構築するのが一般的です。 これはいくらかのコストを節約しますが、これはそれをする最も重要な理由ではありません。 最後のポートが最初のポートに循環しないことを確認すれば、この機能を必要としない（または望まない）システムでデバイスを使用できます。 たとえば、最初のポートへの入力がレーザーに直接接続されている場合、スプリアス信号が戻ってこないようにする必要はありません。
光サーキュレータの大きな魅力の1つは、比較的低いレベルの損失です。 典型的な装置は、０．５ｄＢから１．５ｄＢの間のポート間損失を与える。 光サーキュレータは非常に用途の広い装置であり、多くの用途に使用することができる。 たとえば、2本のファイバストランド（各方向に1本ずつ）で構成される双方向リンクは、1本のファイバストランドに多重化されます。 これはファイバのコストを節約するために行われるかもしれません。 もちろん、このようなことをした場合は、リンク上の反射を最小限に抑えるために特別な注意を払う必要があります。
動作原理
それ自体では、光サーキュレータの背後にある単一の単純な原理はありません。 光サーキュレータは、光学部品の集まりでできています。 さまざまな設計がありますが、重要な原則は光アイソレータのそれと同じです。 サーキュレータの基本機能を下図に示します。 特定のポートに入った光はサーキュレータを回って次のポートに出ます。 ポート1から入った光はポート2で出て、ポート2で入った光はポート3で出ていきます。 この装置は円を中心に動作対称である。
ファラデー回転子を通って一方向に進む光は、その特定の一方向に偏光を回転させる。 反対方向からファラデー回転子に入る光は、その位相が（光の伝播方向に対して）反対方向に回転する。 もう1つの見方は、光は進行方向に関係なく回転子に対して常に同じ方向に回転するということです。 これは予測不可能な偏光の存在によって複雑になります。 不要な偏光を除去することはできますが、それを行うと（平均して）光の半分が失われます。 そのため、入射する「光線」を2つの直交偏光に分離し、各偏光を別々に扱います。 そして、レイの2つの半分は宛先ポートに出力される前に再結合されます。
基本的な3ポート光サーキュレータを示す図です。 そのコンポーネントは以下のように機能します。
偏光ビームスプリッタキューブ ：このデバイスは、入力光線を2つの直交偏光に分離します。
複屈折の「ウォークオフ」ブロック ：これは、光軸に対して45°でカットされた複屈折材料の単なるブロックです。 液晶界面に垂直に入射する光線は、２つの直交偏光に分割される。 常光線は屈折せず、影響を受けずに通過します。 異常光線は法線に対して斜めに屈折します。
ファラデー回転子と位相板 ：この組み合わせは、光を一方向に完全に変えずに通過させます。 （図では、これは右から左の方向です。）反対方向では、入射光の偏光は90°回転します。 左右方向にファラデー回転子は４５°の位相回転（時計回り）を与え、位相板は光をさらに４５°（同じく時計回り）回転させる。 したがって、正味90°の時計回りの回転が得られます。 右から左の方向に、位相板は以前と同じ方向（光線の方向に対して）に、すなわち４５°で反時計回りに光を回転させる。 しかしながら、ファラデー回転子は、位相を以前とは逆の方向（光線の方向に対して）に、すなわち同じ４５°だけ時計回りに回転させる。 つまり、位相は反対方向に回転します。 したがって、分極に正味の変化はありません。 （もちろん実際には、デバイス製造における反射や不完全性による損失があります。）
3ポート光サーキュレータに示すように、光は次のようにポート1からポート2に進みます。
ポート１への光線入力は直交偏光の２つの別々の光線に分割される。 「通常の」光線は屈折することなく通過しますが、直交偏光の「異常な」光線は屈折します（図の上方向）。
両方の光線は左から右へファラデー回転子および位相遅延板を通って進む。 両方の光線は90°回転します。
3.次に、2つの光線は、最初の光線と同じ複屈折ウォークオフブロック（ブロックB）に合流します。 前の段階での位相回転の効果は、光線の状態を交換することでした。 ブロックAで通常の光線だった（そして屈折しなかった）光線は、ブロックBで異常光線となります（そしてブロックBでは屈折します）。 ブロックAの異常光線（図の上側の経路）は、ブロックBの通常光線になります（ブロックBでは屈折しません）。 図のように、光は屈折して再結合します。 その後ポート2に出力されます。
入力および出力でのファイバへの結合は、通常、ある種のレンズを使用します。 通常はGRINレンズを使用します。 ポート2からポート3へのパスは多少複雑です。
1.ポート3から入る光はブロックBで分割されます。
逆方向に進むと、両方の光線の偏光は変化しない。
3.複屈折ブロックAは、上の光線を変更せずに通過させますが、下の光線をさらに遠ざけます。 4. 2つの光線は、反射プリズムと偏光ビームスプリッターキューブを使用して再結合されます。
注：ポート1と2だけを接続する場合は、光サーキュレータを光アイソレータとして使用できます。 実際、ビームスプリッタキューブとリフレクタプリズムを省略すれば、優れた（非常に低損失の）偏光独立アイソレータが得られます。 ポート3からポート1へのパスは、追加のコンポーネントを追加することによって構成できます。 ただし、ポート3からポート1への接続はとにかくしたくないため、ほとんどのアプリケーションではこれは不要です。
結論
光サーキュレータを構築するには多くの方法があります（3ポートと4ポートの両方）。 これらの方法はすべて、コンポーネントの組み合わせと上記のものと同様の原則を使用しています。 光サーキュレータの最大の問題は、部品が非常に狭い公差で製造され、非常に正確に配置されなければならないことです。 これによりコストが比較的高くなります。 ただし、 FOCCには費用対効果の高い光サーキュレータがあります。
