Erklärung polarisationserhaltender Fasern

Funktion der PM-Faser

Die Ausgangsleistung eines Quelllasers wird in einer Einmodenfaser mittels zweier linear polarisierter Moden übertragen, die sich senkrecht zueinander ausbreiten. Stellen Sie sich diese Faser für einen kurzen Moment als perfekten Einmoden-Wellenleiter vor:

Das Kernmaterial ist absolut homogen (frei von Verunreinigungen, Blasen, Hohlräumen oder anderen Fehlern); Mantel und Kern sind exakt kugelförmig und konzentrisch; es gibt keine Krümmungen oder Verluste (Absorption, Streuung);

Die Temperaturen der Faser und des Quelllasers bleiben konstant; die Laserwellenlänge überschreitet die Grenzwellenlänge; die gesamte Laserenergie ist im Kern enthalten (keine höheren Moden); und es gibt keine seitliche Spannung (keine äußere Spannung durch Verkabelung, Platzierung, Halterungen usw. oder theoretisch auch keine Schwerkraft oder Luftdruck).

In diesem hypothetischen Szenario würden beide Polarisationsmoden das entfernte Ende der Faser phasengleich und mit gleicher Leistung erreichen. Es bestünde keine Leistungsübertragung zwischen den Moden entlang der Faser. Die beiden Polarisationsmoden würden das Signal dispersions- und übersprechfrei übertragen, sofern das Lasersignal moduliert wäre.

Diese hypothetische Situation ist offensichtlich nicht realisierbar. Wellenleiter und hergestellte Glasmaterialien sind nicht fehlerfrei. Es treten Inhomogenitäten und Asymmetrien im Submikrometerbereich auf. Zudem sind Singlemode-Fasern beim Verlegen in unterirdischen oder oberirdischen Netzen seitlichen Belastungen ausgesetzt. In Gehäusen, Kabelschächten, Verteilerkästen und anderen Strukturen kann sich der Draht verbiegen oder sogar lose aufwickeln. Die Polarisationsmoden können sich infolge dieser Prozesse mit unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten ausbreiten. Dies führt zu Dispersion im modulierten Signal am Empfangsende der Faser. Im schlimmsten Fall ist es unmöglich, zwischen analogen Wellenformen und digitalen „Einsen und Nullen“ zu unterscheiden.

Die Bandbreite oder Reichweite eines Glasfaserkommunikationssystems kann eingeschränkt sein, wenn die Polarisationsmodendispersion nicht konstant ist. Entwickler von Fasern, Kabeln und Systemen haben daher Methoden entwickelt, um diese Dispersion zu verringern oder auszugleichen. Um Asymmetrien, Nicht-Konzentrizität und seitliche Spannungen zu reduzieren, haben Faserhersteller ihre Vorform- und Ziehverfahren optimiert. Zusätzlich verfügen Ziehtürme über Maschinen, die die Faser während des Ziehvorgangs rotieren lassen. Dies trägt zur Regulierung der Polarisationseigenschaften der Faser bei. Um die Fasern vor äußeren Kräften im Kabel zu schützen, extrudieren Kabelhersteller anschließend Schläuche um die Fasern. Darüber hinaus sind in der digitalen Elektronik von Telekommunikationssystemen dispersionskompensierende Elemente, wie beispielsweise Chips mit Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmen in den Empfängern, vorhanden.

Die Polarisation in PM-Glasfaserkabeln für die Telekommunikation lässt sich somit erfolgreich steuern. In vielen Anwendungen außerhalb der Telekommunikation müssen sich jedoch zwei Polarisationsmoden kontrolliert ausbreiten. Ziel verschiedener interferometrischer Sensoren ist es, die beiden Moden zu trennen und anschließend wieder zu vereinen, um ihr Phaseninterferenzmuster zu untersuchen. Dies ermöglicht die präzise Quantifizierung von Bewegungen, Vibrationen und anderen Phänomenen, die die Faser beeinflussen. In solchen Anwendungen besteht das Ziel darin, die Ausbreitung der beiden Polarisationsmoden auf unterschiedlichen Wegen zu gewährleisten oder die Leistungsübertragung zwischen den Polarisationszuständen zu reduzieren.

PM-Fasern minimieren den Einfluss externer Lasten und Biegungen auf die Polarisationsmoden in der Faser und lösen damit einige der Probleme von Singlemode-Kommunikationsfasern. Obwohl PM-Fasern in Gyroskopen und einigen Sensoren in kleinen Spulen gewickelt sind, muss eine Leistungskopplung zwischen den Polarisationsmoden vermieden werden. Um die Trennung der beiden Polarisationsmoden aufrechtzuerhalten und den Einfluss externer Lasten zu reduzieren, sind PM-Fasern mit geometrischen Merkmalen oder spannungsaktivierenden Elementen (SAPs) ausgestattet. Asymmetrische geometrische Elemente und SAPs lassen sich auf verschiedene Weise in die Faser integrieren, wodurch eine Vielzahl von PM-Faservarianten entsteht.

Wichtige Eigenschaften

PM-Fasern müssen, wie andere Spezial- und Kommunikationsfasern auch, wichtige optische und mechanische Anforderungen erfüllen, darunter Dämpfung und Zugfestigkeit. Darüber hinaus werden für PM-Fasern zwei Spezifikationen zur Beschreibung ihrer Doppelbrechungseigenschaften verwendet: die Schwebungslänge und der Halteparameter (H). Obwohl diese Messungen komplex sind, sind sie entscheidend, um zu beschreiben, wie gut die Fasern die beiden Polarisationsmoden erhalten.

Die beiden Achsen einer PM-Faser werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Brechungsindizes üblicherweise als „langsame Achse“ und „schnelle Achse“ bezeichnet. Daraus folgt, dass sich die Phasengeschwindigkeiten der Lichtwellen in den beiden Polarisationsmoden unterscheiden. Die Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Polarisationsmoden wird durch die Schwebungslänge gemessen. Eine kürzere Schwebungslänge führt zu höherer Doppelbrechung und einem größeren Abstand zwischen den beiden Moden.

Die Schwebungslänge von PM-Fasern  variiert von wenigen Zentimetern bis unter einem Millimeter. Für Gyroskope ist eine Schwebungslänge von 2 mm weit verbreitet und wird häufig verwendet. Die Schwebungslängen von Standard-Singlemode-Fasern, die in Telekommunikationsanwendungen eingesetzt werden, werden in Metern angegeben. Messungen werden bei bestimmten Wellenlängen untersucht und dokumentiert, da die Schwebungslänge, wie andere optische Größen, wellenlängenabhängig ist.

Das Polarisations-Extinktions-Verhältnis pro Längeneinheit wird als H-Parameter bezeichnet. Er beschreibt, wie gut eine Faser die Polarisation entlang einer Achse über ihre gesamte Länge aufrechterhält. Zur Berechnung des H-Parameters werden Standardmethoden zur Bestimmung des Polarisationsübersprechens verwendet. Die Messwerte werden bei bestimmten Wellenlängen als Änderung der in einer Achse übertragenen optischen Leistung pro Längeneinheit der Faser angegeben.

Wie man Doppelbrechung erreicht

Spezielle Formen oder SAPs, die während der Herstellung des Vorformlings „eingebaut“ werden, verursachen Doppelbrechung. Wie die übrige Faser bestehen auch die SAPs aus silikatbasiertem Glas, enthalten jedoch Dotierstoffe mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE). Die SAPs kühlen beim Ziehen und Abkühlen der Faser unterschiedlich schnell ab und werden dabei komprimiert, wodurch das Glas dauerhaft unter Spannung steht.

Es gibt drei kommerzielle PM-Fasertypen, die SAPs verwenden: PANDA-, Bow-Tie- und elliptische Spannungsschichtfasern. Anstelle von SAPs nutzen elliptische Kernfasern, ein vierter Typ, die Formdoppelbrechung. Doppelbrechung lässt sich auf verschiedene Weise erzielen. Die Verwendung von Längsspalten oder Luftlöchern in photonischen Kristallfasern ist ein Beispiel. Viele Hersteller von Gyroskopen, anderen Sensoren und Telekommunikationskomponenten bevorzugen die am häufigsten verwendeten PANDA- und Bow-Tie-Fasern.