Was ist ein polarisationserhaltender Fasersplitter?

In zukunftsweisenden Anwendungsgebieten wie der optischen Faserkommunikation, dem Quantencomputing und der Präzisionssensorik bestimmt die Stabilität des Polarisationszustands eines optischen Signals direkt die Leistungsgrenzen eines Systems. Als Kernkomponente für die optische Polarisationsmanipulation ermöglicht der polarisationserhaltende (PM) Fasersplitter mit seinem einzigartigen Strukturdesign die präzise Steuerung des optischen Polarisationszustands und der Leistungsverteilung.

Ein polarisationserhaltender Fasersplitter (PMFS) ist ein passives optisches Bauelement, das auf polarisationserhaltender Faser (PMF) basiert. Seine Hauptfunktion besteht darin, optische Leistung in einem bestimmten Verhältnis auf mehrere Ausgänge zu verteilen und dabei den Polarisationszustand des einfallenden Lichts beizubehalten.

Im Vergleich zu Standard-Splittern verteilen PM-Fasersplitter nicht nur die optische Leistung, sondern erhalten auch den Polarisationszustand des optischen Signals aufrecht, was für polarisationssensitive Anwendungen entscheidend ist. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Analyse der Funktionsprinzipien, Leistungskennzahlen, Vorteile und Anwendungsbereiche von PM-Fasersplittern sowie einen professionellen Auswahlleitfaden.

Funktionsprinzip von PM-Faserteilern

Das Funktionsprinzip von PM-Faserteilern beruht auf der Doppelbrechung polarisationserhaltender Fasern. Durch die Einführung einer asymmetrischen Struktur (wie beispielsweise der spannungsaufbringenden Elemente in Panda-Fasern) breiten sich die beiden orthogonalen Polarisationskomponenten der Lichtwelle (die schnelle und die langsame Achse) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus, wodurch eine stabile Phasendifferenz entsteht.

Doppelbrechungseffekt in PM-Fasern

PM-Fasern erzeugen einen starken Doppelbrechungseffekt innerhalb der Faser, indem auf beiden Seiten des Kerns spannungsbeaufschlagende Bereiche eingeführt werden (z. B. Panda-, Bow-Tie-Strukturen). Diese Konstruktion etabliert zwei unterschiedliche Hauptachsen:

• Schnelle Achse : Die Richtung mit dem kleineren Brechungsindex, in der sich das Licht schneller ausbreitet.

• Langsame Achse : Die Richtung mit dem größeren Brechungsindex, in der sich das Licht langsamer ausbreitet.

Wird linear polarisiertes Licht entlang einer der Hauptachsen (schnelle oder langsame Achse) der PM-Faser eingekoppelt, bleibt sein Polarisationszustand über große Entfernungen stabil. Ist die Polarisationsrichtung nicht mit den Achsen ausgerichtet, koppelt optische Leistung zwischen den beiden Achsen ein, was zu Polarisationsübersprechen führt.

Strahlteilungsverfahren

PM-Faserteiler nutzen verschiedene Technologien, um eine Strahlteilung unter Beibehaltung des Polarisationszustands zu erreichen:

• Mikrooptische Splitter : Durch die Verwendung von Kombinationen aus Linsen und Glaskapillaren wird eine optische Feldverteilung mittels präziser optischer Elemente erreicht.

• Fused Biconical Taper (FBT) Splitter : Mehrere PM-Fasern werden gebündelt, erhitzt und verschmolzen und anschließend gestreckt, um eine gekoppelte Wellenleiterstruktur zu bilden.

• Planare Lichtwellenleiter-Splitter (PLC) : Nutzen Halbleiterprozesse zur Herstellung optischer Wellenleiterarrays auf einem Chip, was eine präzisere optische Leistungsverteilung ermöglicht.

Diese Technologien gewährleisten eine exakte Ausrichtung der Polarisationsachsen an allen Anschlüssen und verhindern so ein Aliasing des Ausgangspolarisationszustands bei gleichzeitig präziser optischer Leistungsverteilung.

Wichtige Leistungskennzahlen für PM-Faserverteiler

Die Bewertung der Leistungsfähigkeit eines PM-Fasersplitters umfasst nicht nur optische Standardparameter, sondern auch spezifische polarisationsbezogene Parameter.

Polarisationscharakteristik

• Extinktionsverhältnis (PER) : Ein wichtiger Parameter zur Messung der Fähigkeit des Splitters, den Polarisationszustand aufrechtzuerhalten. Es ist definiert als das logarithmische Verhältnis der Leistungen in den beiden orthogonalen Polarisationsmoden. Hochwertige PM-Fasersplitter erreichen typischerweise ein PER von 25 dB oder höher**. Ein höheres PER bedeutet eine bessere Fähigkeit zur Aufrechterhaltung des Polarisationszustands.

• Polarisationsabhängige Dämpfung (PDL) : Die Variation der Einfügedämpfung, die durch Änderungen des Eingangspolarisationszustands verursacht wird. PM-PLC-Splitter können die PDL auf unter 0,2 dB reduzieren, wobei hochwertige Produkte sogar 0,1 dB erreichen.

Standard-Optische Metriken

• Einfügungsdämpfung : Die Dämpfung der optischen Ausgangsleistung im Verhältnis zur Eingangsleistung. Die typische Einfügungsdämpfung für hochwertige PM-Faserteiler liegt unter 0,5 dB**.

• Gleichmäßigkeit : Die Konsistenz der Leistung an den Ausgängen, die insbesondere bei Mehrkanalverteilern von entscheidender Bedeutung ist.

• Rückflussdämpfung : Gibt den Anteil des einfallenden Lichts an, der zur Lichtquelle zurückreflektiert wird. Eine höhere Rückflussdämpfung ist vorteilhaft, da sie die Auswirkungen des reflektierten Lichts auf die Lichtquelle und das System verringert.

Beispielsweise werden die Fibermart PM-Glasfaserverteiler vor dem Versand an unsere Kunden einer 100%igen Qualitätskontrolle unterzogen. Alle PM-Verteiler entsprechen den folgenden Spezifikationen:

Anmerkungen:

Bei Geräten mit Steckverbindern erhöht sich die Einfügungsdämpfung (IL) um 0,3 dB, die Rückflussdämpfung (RL) sinkt um 5 dB und das Extinktionsverhältnis (ER) sinkt um 2 dB.

Technische Daten können ohne vorherige Ankündigung geändert werden.

Wichtige Parameterhinweise

Wellenlängenbereich: Die Daten in dieser Tabelle gelten hauptsächlich für die gängigsten PM-Wellenlängen PM1310 und PM1550. Fibermart bietet auch kundenspezifische Optionen für andere Wellenlängen an (z. B. 460 nm, 630 nm, 780 nm, 980 nm, 1064 nm, 1310 nm, 1550 nm oder kundenspezifisch).

Erläuterung der wichtigsten Kennzahlen:

Einfügungsdämpfung : Bezeichnet die Reduzierung der optischen Leistung beim Durchgang des Signals durch den Splitter. Ein niedrigerer Wert ist besser.

Extinktionsverhältnis : Misst die Fähigkeit des Bauteils, den Polarisationszustand aufrechtzuerhalten. Dies ist ein zentrales Kennwert für PM-Komponenten; je höher der Wert, desto besser.

Gleichmäßigkeit : Gibt die Gleichmäßigkeit der Leistungsverteilung an den Ausgangsanschlüssen wieder. Ein niedrigerer Wert bedeutet eine bessere Gleichmäßigkeit.

Kennzahlen zur Umweltstabilität

PM-Fasersplitter arbeiten häufig in einem breiten Temperaturbereich (z. B. -40 °C bis +85 °C), weshalb eine stabile Leistung entscheidend ist. Die temperaturabhängige Dämpfung ist ein wichtiger Indikator zur Beurteilung von Leistungsschwankungen unter verschiedenen Temperaturbedingungen.

Anwendungen von PM-Splitter

PM-Fasersplitter spielen eine unverzichtbare Rolle in hochpräzisen Systemen, die empfindlich auf den Polarisationszustand reagieren.

Faseroptische Sensorsysteme

In faseroptischen Gyroskopen (FOGs) verteilen PM-Fasersplitter linear polarisiertes Licht in die Sagnac-Interferometerschleife und ermöglichen so die Messung der Winkelgeschwindigkeit durch Detektion rotationsbedingter Phasendifferenzen. Ihre Polarisationsübersprecheigenschaften unterhalb von -40 dB ermöglichen eine Gyroskop-Bias-Stabilität von besser als 0,001°/h**.

Verteilte faseroptische Sensorsysteme nutzen auch PM-Fasersplitter, um den Polarisationszustand der Messsignale bei der Dehnungs- und Temperaturüberwachung aufrechtzuerhalten und so die Positionsgenauigkeit auf Meterebene zu verbessern.

Quantenkommunikationsnetze

In Quantenschlüsselverteilungssystemen (QKD), wie beispielsweise solchen mit dem BB84-Protokoll, werden PM-Fasersplitter zur Erzeugung von vier-Zustands-Polarisations-kodierten Photonen eingesetzt. Ihr Extinktionsverhältnis beeinflusst direkt die Schlüsselerzeugungsrate. Experimente zeigen, dass die Verwendung eines Splitters mit einem Extinktionsverhältnis von 25 dB die Quantenbitfehlerrate auf unter 1,2 % senken kann.

Kohärente optische Kommunikation

In 100G/400G-Kohärenzempfängern koppeln PM-Fasersplitter das Licht des Lokaloszillators und das Signallicht in den 90°-Lichtwellenleiter ein. Dank ihrer geringen Verluste kann die Empfängerempfindlichkeit um 2 dB verbessert und die Übertragungsdistanz erhöht werden.

Hochpräzise Messsysteme

• Interferometrie : PM-Faserteiler werden zur optischen Pfadverteilung in Interferometern eingesetzt, wobei der Polarisationszustand erhalten bleibt, um kontrastreiche Interferenzstreifen zu erzielen.

• Faserlaser : Der Einsatz von PM-Faserteilern innerhalb des Laserresonators trägt zur Aufrechterhaltung des Polarisationszustands des Lasers bei und verbessert so Kohärenz und Stabilität.

• Biomedizinische Bildgebung : Techniken wie die optische Kohärenztomographie (OCT) nutzen PM-Fasersplitter, um den Polarisationszustand aufrechtzuerhalten und so die Bildqualität zu verbessern.

Wie wählt man einen PM-Glasfaserverteiler aus? Arten von PM-Verteilern

Die Auswahl des richtigen PM-Fasersplitters erfordert die Berücksichtigung mehrerer technischer Faktoren, um sicherzustellen, dass er den Anforderungen der jeweiligen Anwendung gerecht wird.

Anpassung der Leistungsparameter

Wählen Sie geeignete Leistungsparameter basierend auf den wichtigsten Anforderungen des Anwendungsszenarios:

• Extinktionsverhältnis : Quantenkommunikation und hochpräzise Interferometrie erfordern typischerweise ein hohes PER von über 25 dB, während für allgemeine Anwendungen 20 dB ausreichen können.

• Einfügungsdämpfung : Wählen Sie einen Splitter mit geringer Einfügungsdämpfung (<0,5 dB), wenn das Leistungsbudget des Systems begrenzt ist.

• Polarisationsabhängige Dämpfung : Systeme, die empfindlich auf Änderungen des Polarisationszustands reagieren, sollten Splitter mit niedriger polarisationsabhängiger Dämpfung (<0,2 dB) auswählen.

Ausrichtung der Polarisationsachse

PM-Fasersplitter können je nach Anwendungsanforderungen hinsichtlich der Ausrichtung der Polarisationsachse angepasst werden:

• 0-Grad-Ausrichtung : Schnelle Achse an schnelle Achse oder langsame Achse an langsame Achse. Dies ist die gebräuchlichste Konfiguration.

• 90-Grad-Ausrichtung : Schnelle Achse zur langsamen Achse, geeignet für bestimmte Arten von Interferometern und Sensorsystemen.

• 45-Grad-Ausrichtung : Wird für spezielle Anwendungen verwendet, z. B. für bestimmte Depolarisatoren.

Aufteilungsverhältnis und Kanalanzahl

Wählen Sie das geeignete Aufteilungsverhältnis und die Anzahl der Kanäle basierend auf der Systemarchitektur:

• 1x2, 1x4, 2x2 : Gängige Konfigurationen mit geringer Kanalanzahl für einfachere Systeme.

• 1x8, 1x16, 1x32 : Konfigurationen mit hoher Kanalanzahl für Mehrbenutzer- oder Mehrsensorsysteme.

Das Aufteilungsverhältnis kann gleich (z. B. 50:50) oder ungleich (z. B. 10:90) sein und wird je nach Leistungsbedarf an den verschiedenen Knotenpunkten des Systems ausgewählt.

Verpackungsarten

Wählen Sie den passenden Paketstil entsprechend der Installationsumgebung aus:

• Blankfaser : Geeignet für die Integration in Patchpanels oder Testgeräte.

• Miniatur-Stahlrohr : Miniaturisiertes Gehäuse für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

• Kastentyp (ABS) : Bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Größe und Schutz und wird häufig in Glasfaserverteilerkästen eingesetzt.

• Steckbar : Modulares Design für einfache Installation und Wartung.

• Rackmontage-Typ : Standard 19-Zoll-Gehäuse, geeignet für den Einsatz mit hoher Packungsdichte in Rechenzentren.

Fasertypkompatibilität

Stellen Sie sicher, dass der im Splitter verwendete PM-Fasertyp mit den anderen Systemkomponenten kompatibel ist. Gängige PM-Fasertypen sind:

• Panda : Die am weitesten verbreitete PM-Faserart.

• Fliege : Besitzt eine spezielle Form für einen Bereich, in dem Spannungen aufgebracht werden.

• Elliptische Verkleidung : Erzeugt Doppelbrechung durch ihre geometrische Form.

Zusammenfassung

Als Schlüsselkomponente moderner optischer Systeme bilden PM-Fasersplitter durch die präzise Steuerung des optischen Polarisationszustands und der Leistungsverteilung eine solide Grundlage für hochpräzise optische Systeme. Ihre weitverbreitete Anwendung in der faseroptischen Sensorik, der Quantenkommunikation, der kohärenten optischen Kommunikation und anderen Bereichen beweist ihren unverzichtbaren Wert.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Quantencomputern, 6G-Kommunikation und fortschrittlichen Sensortechnologien werden die Leistungsanforderungen an PM-Fasersplitter immer anspruchsvoller – höhere Extinktionsverhältnisse, geringere Verluste, kompaktere Bauweise und breitere Betriebstemperaturbereiche werden die Richtungen für den technologischen Fortschritt sein.

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Häufig gestellte Fragen

F: Ich habe nach einem PM-Faserkombinierer gefragt, Sie haben mir aber einen Splitter angeboten. Warum?

A: Es handelt sich um dasselbe Gerät, das in entgegengesetzter Richtung verwendet wird. Alle Splitter können auch als Kombinierer eingesetzt werden, sofern man versteht, dass die Aufteilung in beide Richtungen erfolgt, wie in den Anwendungshinweisen beschrieben.

F: Was versteht man unter Richtwirkung bei PM-Faserteilern?

A: Die Richtwirkung ist ein Maß dafür, wie viel unerwünschtes Licht von einem Ausgang eines Splitters zum anderen reflektiert oder gelenkt werden kann. Beispielsweise wird das Licht vom Eingang eines 50/50-Splitters normalerweise gleichmäßig auf die beiden Ausgänge verteilt. Die Richtwirkung gibt an, wie viel Licht stattdessen von einem Ausgang zum anderen durchgelassen werden kann.

F: Wie viele Fasern oder Anschlüsse kann ich für PM-Splitter erhalten?

A: Standardkonfigurationen sind 1x2, 2x2 und 1x3. Durch die Verwendung dieser Basissplitter als „Bausteine“ lassen sich höhere Anzahlen von Ein- und Ausgängen realisieren. Das fertige Gerät wird in einem Gehäuse untergebracht, um die einzelnen Splitter zu schützen.

F: Bleibt das Teilungsverhältnis bei der Standardeinheit sowohl für den Start mit der langsamen als auch mit der schnellen Achse gleich?

A: Nein. Bei der Standard-PM-Splittereinheit (von der Stange) ist das Teilungsverhältnis nur für die Ausbreitung entlang der langsamen Achse optimiert. Für ein gleichmäßiges Teilungsverhältnis auf

Sowohl die langsame als auch die schnelle Achse können als Sonderanfertigung bestellt werden.