Explicación de las fibras que mantienen la polarización

Función de la fibra PM

La señal de salida de un láser se transmite a través de una fibra monomodo mediante dos modos de polarización lineal que se propagan perpendicularmente entre sí. Imaginemos por un instante esta fibra como una guía de ondas monomodo perfecta:

El material del núcleo es absolutamente homogéneo (libre de impurezas, burbujas, huecos u otros defectos); el revestimiento y el núcleo son precisamente esféricos y concéntricos; no hay curvaturas ni pérdidas (absorción, dispersión);

Las temperaturas de la fibra y del láser fuente permanecen constantes; la longitud de onda del láser supera la longitud de onda de corte; toda la energía del láser está contenida en el núcleo (sin modos de orden superior); y no hay tensión lateral (sin tensión externa debida al cableado, la colocación, los soportes, etc., o incluso, teóricamente, sin gravedad ni presión atmosférica).

En este escenario hipotético, ambos modos de polarización llegarían al extremo distal de la fibra en fase y con igual potencia. No habría conexión de potencia entre los dos modos a lo largo de la fibra. Si la salida del láser contuviera una señal modulada, los dos modos de polarización transmitirían la señal sin dispersión ni diafonía.

Esta situación hipotética obviamente no es factible. Las guías de onda y los materiales de vidrio fabricados no son perfectos. Existen no uniformidades y asimetrías submicrométricas. Además, cuando las fibras monomodo se cablean e instalan en redes subterráneas o aéreas, sufren tensiones laterales. En cajas de empalme, arquetas, armarios y otras estructuras, el cable puede doblarse o incluso presentar holgura. Los modos de polarización pueden propagarse con velocidades de grupo variables como resultado de estos procesos. Esto provoca dispersión en la señal modulada en el extremo receptor de la fibra. En el peor de los casos, es imposible distinguir entre las formas de onda analógicas y los "unos y ceros" digitales.

El ancho de banda o la distancia de un sistema de comunicación por fibra óptica pueden verse limitados si la dispersión del modo de polarización no se corrige. Por ello, los diseñadores de fibra, cables y sistemas han creado métodos para reducir o compensar esta dispersión. Para disminuir la asimetría, la falta de concentricidad y las tensiones laterales, los fabricantes de fibra han perfeccionado sus procesos de preformado y estirado. Además, las torres de estirado cuentan con máquinas que hacen girar la fibra durante el proceso. Esto ayuda a regular las características de polarización de la fibra. Para proteger las fibras de las fuerzas externas que actúan sobre el cable, los fabricantes de cables extruyen tubos alrededor de las fibras. Asimismo, en la electrónica digital utilizada en los sistemas de telecomunicaciones se encuentran elementos compensadores de dispersión, como chips con algoritmos de corrección de errores hacia adelante en los receptores.

De este modo, la polarización en los cables de fibra de mantenimiento de polarización (PM) para telecomunicaciones puede controlarse eficazmente. Sin embargo, en muchas aplicaciones ajenas a las telecomunicaciones, es necesario que dos modos de polarización se propaguen de forma regulada. El objetivo de varios sensores interferométricos es mantener separados estos dos modos y luego recombinarlos para analizar su patrón de interferencia de fase. Esto permite cuantificar con precisión el movimiento, la vibración y otros fenómenos que influyen en la fibra. En este tipo de aplicaciones, el objetivo es mantener los dos modos de polarización propagándose por rutas diferentes o reducir la cantidad de potencia que se transmite de un estado de polarización a otro.

Las fibras PM minimizan el impacto de las cargas externas y las curvaturas en los modos de polarización de la fibra, solucionando algunos de los mismos problemas que las fibras de comunicación monomodo. Aunque las fibras PM en giroscopios y algunos sensores se enrollan en pequeñas bobinas, es necesario evitar el acoplamiento de potencia entre los diferentes modos de polarización. Para mantener la separación de los dos modos de polarización y reducir el impacto de las cargas externas, las fibras PM incorporan elementos geométricos o "partes" que aplican tensión (SAP). Estos elementos geométricos asimétricos y las SAP pueden integrarse en la fibra de diversas maneras, dando lugar a una amplia variedad de fibras PM.

rasgos importantes

Las fibras PM deben cumplir requisitos ópticos y mecánicos importantes, como la atenuación y la resistencia a la tracción, al igual que otras fibras especiales y de comunicación. Además, las fibras PM tienen dos especificaciones para describir sus propiedades de birrefringencia: la longitud de batido y el parámetro de retención (H). Si bien estas mediciones son complejas, son cruciales para describir la eficacia con la que las fibras conservan los dos modos de polarización.

Los dos ejes de una fibra PM se denominan comúnmente "eje lento" y "eje rápido" debido a sus diferentes índices de refracción. Esto implica que las velocidades de fase de las ondas de luz en los dos modos de polarización serán diferentes. La diferencia de velocidad de fase entre los dos modos de polarización se mide mediante la longitud de batido. Una mayor birrefringencia y una mayor separación entre los dos modos resultan de una menor longitud de batido.

Las mediciones de la longitud de batido de los cables de fibra PM  varían desde unos pocos centímetros hasta menos de un milímetro. Para giroscopios, una longitud de batido de 2 mm es ampliamente accesible y de uso frecuente. Las longitudes de batido de las fibras monomodo estándar utilizadas en aplicaciones de telecomunicaciones se expresan en metros. Las mediciones se analizan y se registran en longitudes de onda específicas, ya que la longitud de batido, al igual que otras métricas ópticas, depende de la longitud de onda.

La relación de extinción de polarización por unidad de longitud se conoce como parámetro H. Se utiliza para describir la eficacia con la que una fibra mantiene la polarización a lo largo de un único eje a lo largo de su longitud. Para calcular el parámetro H se utilizan métodos estándar para evaluar la diafonía de polarización. Nuevamente, para longitudes de onda específicas, las mediciones se expresan como el cambio en la potencia óptica transmitida en un eje por unidad de longitud de fibra.

Cómo lograr la birrefringencia

Las formas especiales o SAPs que se incorporan durante la creación de la preforma provocan birrefringencia. Al igual que el resto de la fibra, los SAPs están hechos de vidrio a base de sílice, pero contienen dopantes con coeficientes de dilatación térmica (CTE) variables. Los SAPs se enfrían y comprimen a diferentes velocidades a medida que la fibra se estira y enfría, lo que genera tensiones permanentes en el vidrio.

Existen tres tipos comerciales de fibra PM que utilizan SAP: las fibras PANDA, de tipo pajarita y de capa de tensión elíptica. En lugar de emplear SAP, la fibra de núcleo elíptico, un cuarto tipo, utiliza birrefringencia de forma. La birrefringencia se puede lograr de diversas maneras. Un ejemplo es la utilización de espacios longitudinales u orificios de aire en fibras de cristal fotónico. Muchos fabricantes de giroscopios, otros sensores y componentes de telecomunicaciones prefieren las variedades PANDA y de tipo pajarita, que son las más utilizadas.