Einführung in die Polarisation

 

Wenn Licht einen Punkt im Raum durchquert, zeichnet die Richtung und Amplitude des vibrierenden elektrischen Feldes einen zeitlichen Weg nach. Ein polarisiertes Lichtwellensignal wird durch elektrische und magnetische Feldvektoren dargestellt, die in einer Querebene (einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung) im rechten Winkel zueinander liegen. Die Polarisation wird anhand des Musters definiert, das der elektrische Feldvektor als Funktion der Zeit in der Transversalebene zeichnet.

Die Polarisation kann als linear, elliptisch oder zirkular klassifiziert werden, wobei die lineare Polarisation bei ihnen am einfachsten ist. Welche Polarisation auch immer, kann bei der Glasfaserübertragung ein Problem darstellen. Bei immer mehr Telekommunikations- und Glasfasermesssystemen handelt es sich um Geräte, die die Interferenz zweier optischer Wellen analysieren. Die durch die Interferenzen bereitgestellten Informationen können nur dann genutzt werden, wenn die kombinierte Amplitude zeitlich stabil ist, was bedeutet, dass sich die Wellen im gleichen Polarisationszustand befinden. In diesen Fällen ist es notwendig, Fasern zu verwenden, die einen stabilen Polarisationszustand übertragen. Für dieses Problem wurden polarisationserhaltende Fasern entwickelt. (Die polarisationserhaltende Faser wird im Folgenden kurz PM-Faser genannt.)

Was ist PM-Faser?

 

Die Polarisation des sich in der Faser ausbreitenden Lichts ändert sich allmählich unkontrolliert (und wellenlängenabhängig), was auch von einer etwaigen Biegung der Faser und ihrer Temperatur abhängt. Um optische Leistungen zu erzielen, sind spezielle Fasern erforderlich, die von der Polarisation des durch die Faser wandernden Lichts beeinflusst werden. Viele Systeme wie Faserinterferometer und -sensoren, Faserlaser und elektrooptische Modulatoren leiden ebenfalls unter polarisationsabhängigem Verlust (PDL), der die Systemleistung beeinträchtigen kann. Dieses Problem kann durch die Verwendung einer Spezialfaser, der sogenannten PM-Faser, behoben werden.

Prinzip der PM-Faser

 

Vorausgesetzt, dass die Polarisation des in die Faser eingekoppelten Lichts auf eine der doppelbrechenden Achsen ausgerichtet ist, bleibt dieser Polarisationszustand auch dann erhalten, wenn die Faser gebogen wird. Das physikalische Prinzip dahinter kann als kohärente Modenkopplung verstanden werden. Die Ausbreitungskonstanten der beiden Polarisationsmoden sind aufgrund der starken Doppelbrechung unterschiedlich, so dass die relative Phase solcher sich gemeinsam ausbreitenden Moden schnell wegdriftet. Daher kann jede Störung entlang der Faser nur dann beide Moden effektiv koppeln, wenn sie eine signifikante räumliche Fourier-Komponente mit einer Wellenzahl aufweist, die der Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden Polarisationsmoden entspricht. Wenn dieser Unterschied groß genug ist, ändern sich die üblichen Störungen in der Faser zu langsam, um eine effektive Modenkopplung zu bewirken. Daher besteht das Prinzip der PM-Faser darin, den Unterschied groß genug zu machen.

In den häufigsten Glasfaser-Telekommunikationsanwendungen werden PM-Fasern verwendet, um Licht in einem linear polarisierten Zustand von einem Ort zum anderen zu leiten. Um dieses Ergebnis zu erreichen, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. Das Eingangslicht muss stark polarisiert sein, um zu vermeiden, dass sowohl langsame als auch schnelle Achsenmodi ausgelöst werden, ein Zustand, in dem der Ausgangspolarisationszustand unvorhersehbar ist.

Aus dem gleichen Grund muss das elektrische Feld des Eingangslichts genau auf eine Hauptachse (laut Branchenkonvention die langsame Achse) der Faser ausgerichtet sein. Wenn das PM-Faserpfadkabel aus Fasersegmenten besteht, die durch Glasfaserstecker oder -spleiße verbunden sind, ist die Rotationsausrichtung der passenden Fasern von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus müssen die Steckverbinder so auf den PM-Fasern installiert sein, dass interne Spannungen nicht dazu führen, dass das elektrische Feld auf die unerwünschte Achse der Faser projiziert wird.

Arten von PM-Fasern

 

Kreisförmige PM-Fasern

Es ist möglich, eine zirkuläre Doppelbrechung in eine Faser einzuführen, sodass die beiden orthogonal polarisierten Moden der Faser – die sogenannte Circular PM-Faser – im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zirkular polarisiert sind. Der gebräuchlichste Weg, eine zirkuläre Doppelbrechung in einer runden (axialsymmetrischen) Faser zu erreichen, besteht darin, sie zu verdrehen, um einen Unterschied zwischen den Ausbreitungskonstanten der im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zirkular polarisierten Grundmoden zu erzeugen. Somit sind diese beiden zirkularen Polarisationsmodi entkoppelt. Es ist auch möglich, sich eine von außen ausgeübte Spannung vorzustellen, deren Richtung azimutal entlang der Faserlänge variiert und eine kreisförmige Doppelbrechung in der Faser verursacht. Wenn eine Faser verdrillt wird, entsteht eine Torsionsspannung, die proportional zur Verdrillung zu optischer Aktivität führt.

Eine kreisförmige Doppelbrechung kann auch dadurch erreicht werden, dass der Kern einer Faser einer spiralförmigen Bahn innerhalb des Mantels folgt. Dadurch erfährt das sich ausbreitende Licht, das sich entlang einer spiralförmigen Bahn bewegen muss, eine optische Drehung. Die erreichte Doppelbrechung ist ausschließlich auf geometrische Effekte zurückzuführen. Solche Fasern können als Einzelmodenfasern arbeiten und erleiden bei Moden hoher Ordnung hohe Verluste.

Kreisförmige PM-Fasern mit Spiralkern finden Anwendung bei der Erfassung von elektrischem Strom durch den Faraday-Effekt. Die Fasern wurden aus Vorformen aus Verbundstäben und -rohren hergestellt, wobei die Helix durch Drehen der Vorform während des Faserziehprozesses gebildet wird.

Lineare PM-Fasern

Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von linearen PM-Fasern: Einzelpolarisationsfasern und doppelbrechende Fasern. Der Einzelpolarisationstyp zeichnet sich durch einen großen Übertragungsverlustunterschied zwischen den beiden Polarisationen des Grundmodus aus. Und der doppelbrechende Fasertyp ist so beschaffen, dass die Ausbreitungskonstanten zwischen den beiden Polarisationen der Grundmode deutlich unterschiedlich sind. Die lineare Polarisation kann mithilfe verschiedener Faserdesigns aufrechterhalten werden, die im Folgenden besprochen werden.

 

Lineare PM-Fasern mit Seitengruben und Seitentunneln

Side-Pit-Fasern enthalten auf jeder Seite des zentralen Kerns zwei Pits mit einem Brechungsindex, der unter dem Mantelindex liegt. Dieser Fasertyp hat ein W-Indexprofil entlang der x-Achse und ein Stufenindexprofil entlang der y-Achse. Eine Side-Tunnel-Faser ist ein Sonderfall der Side-Pit-Struktur. Bei diesen linearen PM-Fasern wird im Kern eine geometrische Anisotropie eingeführt, um doppelbrechende Fasern zu erhalten.

Lineare PM-Fasern mit spannungsbeaufschlagten Teilen

 

Eine wirksame Methode zur Einführung einer hohen Doppelbrechung in optischen Fasern ist die Einführung einer asymmetrischen Spannung mit zweifacher geometrischer Symmetrie im Kern der Faser. Die Spannung verändert den Brechungsindex des Kerns aufgrund des photoelastischen Effekts, der durch die entlang der Hauptachsen der Faser polarisierten Moden sichtbar wird, und führt zu Doppelbrechung. Die erforderliche Spannung wird durch die Einführung zweier identischer und isolierter Stress Applied Parts (SAPs) erreicht, die im Mantelbereich auf gegenüberliegenden Seiten des Kerns positioniert sind. Daher breitet sich kein Störmodus durch die SAPs aus, solange der Brechungsindex der SAPs kleiner oder gleich dem des Mantels ist.

Die am häufigsten für die SAPs verwendeten Formen sind: Fliegeform und Kreisform. Diese Fasern werden als Bow-tie-Faser bzw. PANDA-Faser bezeichnet. Die Querschnitte dieser beiden Fasertypen sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Die durch diese Fasern eingeführte modale Doppelbrechung repräsentiert sowohl geometrische als auch spannungsinduzierte Doppelbrechungen. Bei einer Faser mit kreisförmigem Kern ist die geometrische Doppelbrechung vernachlässigbar klein. Es hat sich gezeigt, dass die Platzierung der SAPs in der Nähe des Kerns die Doppelbrechung dieser Fasern verbessert, sie müssen jedoch ausreichend nahe am Kern platziert werden, damit der Faserverlust nicht zunimmt, insbesondere wenn SAPs mit anderen Materialien als Siliciumdioxid dotiert sind. Die PANDA-Faser wurde weiter verbessert, um eine hohe modale Doppelbrechung, sehr geringe Verluste und geringes Übersprechen zu erreichen.

PANDA-Faser (links) und Fliege-Faser (rechts). Die eingebauten Stresselemente aus einer anderen Glasart werden in einem dunkleren Grau dargestellttone.

Tipps: Die derzeit beliebteste PM-Faser in der Branche ist die kreisförmige PANDA-Faser. Ein Vorteil der PANDA-Faser gegenüber den meisten anderen PM-Fasern besteht darin, dass die Faserkerngröße und die numerische Apertur mit denen normaler Singlemode-Fasern kompatibel sind. Dies gewährleistet minimale Verluste in Geräten, die beide Fasertypen verwenden.

Lineare PM-Fasern mit elliptischen Strukturen

 

Der erste Vorschlag für eine praktische verlustarme Einzelpolarisationsfaser wurde experimentell für drei Faserstrukturen untersucht: elliptische Kern-, elliptische Mantel- und elliptische Mantelfasern. Frühe Forschungen zu Fasern mit elliptischem Kern befassten sich mit der Berechnung der Polarisationsdoppelbrechung. In der ersten Stufe wurden Ausbreitungseigenschaften von rechteckigen dielektrischen Wellenleitern verwendet, um die Doppelbrechung von Fasern mit elliptischem Kern abzuschätzen. Im ersten Experiment mit PM-Fasern wurde eine Faser mit einem hantelförmigen Kern hergestellt. Die Schwebungslänge kann durch Erhöhen des Brechungsindexunterschieds zwischen Kern und Mantel verkürzt werden. Aufgrund praktischer Einschränkungen kann die Indexdifferenz jedoch nicht zu stark vergrößert werden. Eine Erhöhung der Indexdifferenz erhöht den Übertragungsverlust und das Spleißen würde schwierig werden, da der Kernradius verringert werden muss. Typische Doppelbrechungswerte für die elliptische Kernfaser sind höher als für die elliptische Mantelfaser. Allerdings waren die Verluste im elliptischen Kern höher als die Verluste in den elliptischen Mantelfasern.

Lineare PM-Fasern mit Brechungsindexmodulation

 

Eine Möglichkeit, die Bandbreite einer Einzelpolarisationsfaser zu erhöhen, die die Grenzwellenlänge der beiden orthogonalen Grundmoden trennt, besteht darin, ein Brechungsindexprofil auszuwählen, das nur einen Polarisationszustand im Grenzbereich zulässt. Eine hohe Doppelbrechung wurde durch Einführung einer azimutalen Modulation des Brechungsindex des Innenmantels in einer dreischichtigen elliptischen Faser erreicht. Zur Analyse der dreischichtigen elliptischen Faser wurde ein Störungsansatz verwendet, wobei ein Wellenleiter mit rechteckigem Kern als Referenzstruktur angenommen wurde. Die Untersuchung der Doppelbrechung in dreischichtigen elliptischen Fasern zeigte, dass eine ordnungsgemäße azimutale Modulation des Innenmantelindex die Doppelbrechung erhöhen und den Wellenlängenbereich für den Betrieb mit einfacher Polarisation erweitern kann.

Ein Brechungsindexprofil wird Butterfly-Profil genannt. Es handelt sich um ein asymmetrisches W-Profil, das aus einem einheitlichen Kern besteht, der von einer Umhüllung umgeben ist, wobei das Profil einen maximalen ncl-Wert aufweist und sowohl radial als auch azimutal variiert, wobei die maximale Vertiefung entlang der x-Achse auftritt. Dieses Profil verfügt über zwei Attribute, um einen Single-Mode-Einzelpolarisationsbetrieb zu realisieren. Erstens ist das Profil nicht symmetrisch, wodurch die Ausbreitungskonstanten der beiden orthogonalen Grundmoden unterschiedlich sind, und zweitens sorgt die Vertiefung innerhalb der Umhüllung dafür, dass jede Mode eine Grenzwellenlänge hat. Da die Schmetterlingsfaser eine schwache Führung hat, können Modalfelder und Ausbreitungskonstanten aus Lösungen der Skalarwellengleichung bestimmt werden. Die Lösungen umfassen trigonometrische und Mathieu-Funktionen, die die Querkoordinatenabhängigkeit im Kern und Mantel der Faser beschreiben. Diese Funktionen sind nicht orthogonal zueinander, weshalb jeweils eine unendliche Menge erforderlich ist, um die Modalfelder in den verschiedenen Regionen zu beschreiben und die Randbedingungen zu erfüllen. Die erzeugten geometrischen Doppelbrechungsdiagramme gegenüber der normalisierten Frequenz V zeigten, dass eine Erhöhung der Asymmetrie über die Tiefe der Brechungsindexvertiefung entlang der x-Achse den Maximalwert der Doppelbrechung und den Wert von V, bei dem dies auftritt, erhöht. Der Spitzenwert der Doppelbrechung ist ein Merkmal nicht kreisförmiger Fasern. Die modale Doppelbrechung kann durch die Einführung einer Anisotropie in der Faser erhöht werden, die dadurch beschrieben werden kann, dass den beiden Polarisationen einer Mode unterschiedliche Brechungsindexprofile zugeordnet werden. Die geometrische Doppelbrechung ist kleiner als die anistropische Doppelbrechung. Die Vertiefung im Mantel des Schmetterlingsprofils ergibt jedoch die beiden Polarisationen der Grundmode-Grenzwellenlängen, die durch ein Wellenlängenfenster getrennt sind, in dem ein Single-Mode-Betrieb mit einer Polarisation möglich ist.

Anwendungen von PM-Fasern

 

PM-Fasern werden in Geräten eingesetzt, bei denen der Polarisationszustand nicht driften darf, z. B. als Folge von Temperaturänderungen. Beispiele sind Faserinterferometer und bestimmte Faserlaser. Ein Nachteil bei der Verwendung solcher Fasern besteht darin, dass in der Regel eine exakte Ausrichtung der Polarisationsrichtung erforderlich ist, was die Herstellung aufwändiger macht. Außerdem sind die Ausbreitungsverluste höher als bei Standardfasern, und nicht alle Arten von Fasern lassen sich leicht in polarisationserhaltender Form erhalten.

PM-Fasern werden in speziellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der faseroptischen Sensorik, Interferometrie und Quantenschlüsselverteilung. Sie werden auch häufig in der Telekommunikation für die Verbindung zwischen einem Quelllaser und einem Modulator verwendet, da der Modulator polarisiertes Licht als Eingang benötigt. Sie werden selten für die Übertragung über große Entfernungen verwendet, da PM-Fasern teuer sind und eine höhere Dämpfung aufweisen als Singlemode-Fasern.

Die PM-Glasfaserlösung von Fiber-Mart: PM-Glasfaser-Patchkabel

 

Die PM-Glasfaser-Patchkabel von Fiber-Mart basieren auf einer hochpräzisen Stoßverbindungstechnik. Die Ausrichtung der PM-Achse wird durch die Verwendung von männlichen Steckverbindern mit Positionierungskeil und einer Schott-Buchse mit eng tolerierter Keilnut beibehalten, wodurch eine gute Wiederholbarkeit der Extinktionsverhältnisse und Einfügungsverluste gewährleistet wird.
Merkmale: Hohe Extinktionsverhältnisse von 20 dB bis 30 dB. Geringe Einfügungsverluste, typischerweise <0,2 dB. FC, FC/APC, SC, SC/APC, ST, ST/APC, LC, MU, MTRJ, E2000 und andere Steckverbinder verfügbar. Kompatibel mit Industriestandard Steckverbinder Wellenlänge von 360 nm bis 1800 nm verfügbar Ø0,9 mm, Ø2,0 mm, Ø3,0 mm schützender Außenmantel verfügbar Schnelle/langsame Achsenausrichtung, breite/schmale Taste, Panda-Typ, Fliege-Typ, elliptischer Typ verfügbar Kundenspezifische Fasergrößen und Kabellängen

Anforderungen für die Verwendung von PM-Fasern

 

Abschluss: Wenn PM-Fasern mit Fasersteckern abgeschlossen werden, ist es sehr wichtig, dass die Spannungsstäbe mit dem Stecker ausgerichtet sind, normalerweise mit dem Steckerschlüssel.

Spleißen: PM-Fasern erfordern auch beim Spleißen große Sorgfalt. Beim Zusammenschmelzen der Faser muss nicht nur die X-, Y- und Z-Ausrichtung perfekt sein, sondern auch die Rotationsausrichtung muss perfekt sein, damit die Spannungsstäbe exakt ausgerichtet sind.

Eine weitere Anforderung besteht darin, dass die Einkoppelbedingungen an der Endfläche der optischen Faser mit der Richtung der transversalen Hauptachse des Faserquerschnitts übereinstimmen müssen.

---