Introducción a la polarización

 

Cuando la luz pasa a través de un punto en el espacio, la dirección y amplitud del campo eléctrico vibratorio traza un camino en el tiempo. Una señal de onda de luz polarizada está representada por vectores de campo eléctrico y magnético que se encuentran en ángulo recto entre sí en un plano transversal (un plano perpendicular a la dirección de viaje). La polarización se define en términos del patrón trazado en el plano transversal por el vector de campo eléctrico en función del tiempo.

La polarización se puede clasificar en lineal, elíptica o circular, en ellas la polarización lineal es la más sencilla. Cualquiera que sea la polarización puede ser un problema en la transmisión por fibra óptica.

Cada vez más, los sistemas de medición de telecomunicaciones y fibra óptica se refieren a dispositivos que analizan la interferencia de dos ondas ópticas. La información dada por las interferencias no se puede utilizar a menos que la amplitud combinada sea estable en el tiempo, lo que significa que las ondas están en el mismo estado de polarización. En esos casos es necesario utilizar fibras que transmitan un estado estable de polarización. Y la fibra que mantiene la polarización se desarrolló para este problema. (La fibra que mantiene la polarización se llamará fibra PM para abreviar en los siguientes contenidos).

¿Qué es la fibra PM?

 

La polarización de la luz que se propaga en la fibra cambia gradualmente de forma descontrolada (y dependiente de la longitud de onda), que también depende de la flexión de la fibra y de su temperatura. Se requieren fibras especializadas para lograr rendimientos ópticos, que se ven afectados por la polarización de la luz que viaja a través de la fibra. Muchos sistemas, como los interferómetros y sensores de fibra, el láser de fibra y los moduladores electroópticos, también sufren pérdidas dependientes de la polarización (PDL) que pueden afectar el rendimiento del sistema. Este problema se puede solucionar mediante el uso de una fibra especial llamada Fibra PM.

Principio de fibra PM

 

Siempre que la polarización de la luz lanzada en la fibra esté alineada con uno de los ejes birrefringentes, este estado de polarización se conservará incluso si la fibra está doblada. El principio físico detrás de esto se puede entender en términos de acoplamiento de modo coherente. Las constantes de propagación de los dos modos de polarización son diferentes debido a la fuerte birrefringencia, por lo que la fase relativa de dichos modos de copropagación se aleja rápidamente. Por lo tanto, cualquier perturbación a lo largo de la fibra puede acoplar efectivamente ambos modos solo si tiene un componente espacial de Fourier significativo con un número de onda que coincida con la diferencia de las constantes de propagación de los dos modos de polarización. Si esta diferencia es lo suficientemente grande, las perturbaciones habituales en la fibra varían con demasiada lentitud para lograr un acoplamiento de modo eficaz. Por lo tanto, el principio de la fibra PM es hacer que la diferencia sea lo suficientemente grande.

En las aplicaciones de telecomunicaciones de fibra óptica más comunes, la fibra PM se utiliza para guiar la luz en un estado de polarización lineal de un lugar a otro. Para lograr este resultado, se deben cumplir varias condiciones. La luz de entrada debe estar altamente polarizada para evitar el lanzamiento de modos de eje lento y rápido, una condición en la que el estado de polarización de salida es impredecible.

El campo eléctrico de la luz de entrada debe alinearse con precisión con un eje principal (el eje lento según la convención de la industria) de la fibra por la misma razón. Si el cable de ruta de fibra PM consta de segmentos de fibra unidos por empalmes o conectores de fibra óptica, la alineación rotacional de las fibras de acoplamiento es crítica. Además, los conectores deben haberse instalado en las fibras PM de tal manera que las tensiones internas no provoquen que el campo eléctrico se proyecte sobre el eje no previsto de la fibra.

Tipos de fibras PM

 

Fibras PM circulares

Es posible introducir birrefringencia circular en una fibra de modo que los dos modos polarizados ortogonalmente de la fibra, la llamada fibra PM circular, estén polarizados circularmente en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. La forma más común de lograr la birrefringencia circular en una fibra redonda (axialmente simétrica) es torcerla para producir una diferencia entre las constantes de propagación de los modos fundamentales polarizados circularmente en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. Por lo tanto, estos dos modos de polarización circular están desacoplados. Además, es posible concebir una tensión aplicada externamente cuya dirección varíe azimutalmente a lo largo de la longitud de la fibra provocando una birrefringencia circular en la fibra. Si se retuerce una fibra, se introduce una tensión de torsión que conduce a una actividad óptica proporcional a la torsión.

La birrefringencia circular también se puede obtener haciendo que el núcleo de una fibra siga un camino helicoidal dentro del revestimiento. Esto hace que la luz que se propaga, obligada a moverse a lo largo de una trayectoria helicoidal, experimente una rotación óptica. La birrefringencia lograda se debe únicamente a efectos geométricos. Tales fibras pueden operar como un solo modo y sufrir grandes pérdidas en modos de alto orden.

La fibra PM circular con núcleo helicoidal encuentra aplicaciones en la detección de corriente eléctrica a través del efecto Faraday. Las fibras se han fabricado a partir de preformas compuestas de varillas y tubos, donde la hélice se forma girando la preforma durante el proceso de estirado de la fibra.

Fibras PM lineales

Existen principalmente dos tipos de fibras PM lineales que son el tipo de polarización simple y el tipo de fibra birrefringente. El tipo de polarización simple se caracteriza por una gran diferencia de pérdida de transmisión entre las dos polarizaciones del modo fundamental. Y el tipo de fibra birrefringente es tal que las constantes de propagación entre las dos polarizaciones del modo fundamental son significativamente diferentes. La polarización lineal se puede mantener usando varios diseños de fibra que se revisan a continuación.

 

Fibras PM lineales con pozos laterales y túneles laterales

Las fibras de hoyo lateral incorporan dos hoyos de índice de refracción menor que el índice de revestimiento, a cada lado del núcleo central. Este tipo de fibra tiene un perfil de índice tipo W a lo largo del eje x y un perfil de índice escalonado a lo largo del eje y. Una fibra de túnel lateral es un caso especial de estructura de pozo lateral. En estas fibras PM lineales, se introduce una anisotropía geométrica en el núcleo para obtener fibras birrefringentes.

Fibras PM lineales con piezas aplicadas a la tensión

 

Un método eficaz para introducir una alta birrefringencia en las fibras ópticas es mediante la introducción de una tensión asimétrica con simetría geométrica doble en el núcleo de la fibra. La tensión cambia el índice de refracción del núcleo debido al efecto fotoelástico, visto por los modos polarizados a lo largo de los ejes principales de la fibra, y da como resultado la birrefringencia. La tensión requerida se obtiene introduciendo dos Partes Aplicadas de Tensión (SAP) idénticas y aisladas, colocadas en la región del revestimiento en lados opuestos del núcleo. Por lo tanto, ningún modo espurio se propaga a través de los SAP, siempre que el índice de refracción de los SAP sea menor o igual que el del revestimiento.

Las formas más comunes utilizadas para los SAP son: forma de pajarita y forma circular. Estas fibras se denominan respectivamente fibra Bow-Tie y fibra PANDA. Las secciones transversales de estos dos tipos de fibras se muestran en la siguiente figura. La birrefringencia modal introducida por estas fibras representa tanto la birrefringencia geométrica como la inducida por tensión. En el caso de una fibra de núcleo circular, la birrefringencia geométrica es insignificantemente pequeña. Se ha demostrado que colocar los SAP cerca del núcleo mejora la birrefringencia de estas fibras, pero deben colocarse lo suficientemente cerca del núcleo para que la pérdida de fibra no aumente, especialmente si los SAP están dopados con materiales distintos a la sílice. La fibra PANDA se ha mejorado aún más para lograr una alta birrefringencia modal, pérdidas muy bajas y diafonía baja.

Fibra PANDA (izquierda) y Fibra Pajarita (derecha). Los elementos de tensión incorporados hechos de un tipo diferente de vidrio se muestran con un tono gris más oscuro.

Consejos: Actualmente, la fibra PM más popular en la industria es la fibra PANDA circular. Una ventaja de la fibra PANDA sobre la mayoría de las otras fibras PM es que el tamaño del núcleo de la fibra y la apertura numérica son compatibles con la fibra monomodo normal. Esto asegura pérdidas mínimas en dispositivos que utilizan ambos tipos de fibras.

Fibras PM lineales con estructuras elípticas

 

La primera propuesta sobre fibra práctica de polarización simple de baja pérdida se estudió experimentalmente para tres estructuras de fibra: núcleo elíptico, revestimiento elíptico y fibras con cubierta elíptica. Las primeras investigaciones sobre fibras de núcleo elíptico se ocuparon del cálculo de la birrefringencia de polarización. En la primera etapa, se utilizaron las características de propagación de guías de ondas dieléctricas rectangulares para estimar la birrefringencia de fibras de núcleo elíptico. En el primer experimento con fibra PM, se fabricó una fibra que tenía un núcleo en forma de mancuerna. La duración del latido se puede reducir aumentando la diferencia del índice de refracción del núcleo y el revestimiento. Sin embargo, la diferencia de índice no se puede aumentar demasiado debido a limitaciones prácticas. El aumento de la diferencia de índice aumenta la pérdida de transmisión, y el empalme se volvería difícil porque se debe reducir el radio del núcleo. Los valores típicos de birrefringencia para la fibra con núcleo elíptico son más altos que los de la fibra con revestimiento elíptico. Sin embargo, las pérdidas fueron mayores en el núcleo elíptico que en las fibras revestidas elípticas.

Fibras PM lineales con modulación del índice de refracción

 

Una forma de aumentar el ancho de banda de la fibra de polarización simple, que separa la longitud de onda de corte de los dos modos fundamentales ortogonales, es seleccionando un perfil de índice de refracción que permita que solo un estado de polarización esté en corte. Se logró una alta birrefringencia introduciendo una modulación azimutal del índice de refracción del revestimiento interior en una fibra elíptica de tres capas. Se empleó un enfoque de perturbación para analizar la fibra elíptica de tres capas, asumiendo una guía de ondas de núcleo rectangular como estructura de referencia. El examen de la birrefringencia en fibras elípticas de tres capas demostró que una modulación azimutal adecuada del índice de revestimiento interno puede aumentar la birrefringencia y extender el rango de longitud de onda para la operación de polarización simple.

Un perfil de índice de refracción se llama perfil de mariposa. Es un perfil W asimétrico, que consiste en un núcleo uniforme, rodeado por un revestimiento en el que el perfil tiene un valor máximo de ncl y varía tanto radial como azimutalmente, con depresión máxima a lo largo del eje x. Este perfil tiene dos atributos para realizar una operación de polarización simple monomodo. Primero, el perfil no es simétrico, lo que hace que las constantes de propagación de los dos modos fundamentales ortogonales sean diferentes, y segundo, la depresión dentro del revestimiento asegura que cada modo tenga una longitud de onda de corte. La fibra de mariposa es una guía débil, por lo que los campos modales y las constantes de propagación se pueden determinar a partir de soluciones de la ecuación de onda escalar. Las soluciones implican funciones trigonométricas y de Mathieu que describen la dependencia de las coordenadas transversales en el núcleo y el revestimiento de la fibra. Estas funciones no son ortogonales entre sí, lo que requiere un conjunto infinito de cada una para describir los campos modales en las diferentes regiones y satisfacer las condiciones de contorno. Los gráficos de birrefringencia geométrica generados frente a la frecuencia normalizada V mostraron que al aumentar la asimetría a través de la profundidad de la depresión del índice de refracción a lo largo del eje x aumenta el valor máximo de la birrefringencia y el valor de V en el que esto ocurre. El valor máximo de birrefringencia es una característica de las fibras no circulares. La birrefringencia modal se puede aumentar introduciendo anisotropía en la fibra que se puede describir atribuyendo diferentes perfiles de índice de refracción a las dos polarizaciones de un modo. La birrefringencia geométrica es más pequeña que la birrefringencia anisptrópica. Sin embargo, la depresión en el revestimiento del perfil de mariposa da las dos polarizaciones de longitudes de onda de corte de modo fundamental, que están separadas por una ventana de longitud de onda en la que es posible la operación monomodo de polarización única.

Aplicaciones de fibras PM

 

Las fibras PM se aplican en dispositivos en los que no se puede permitir que el estado de polarización se desvíe, p. como resultado de los cambios de temperatura. Algunos ejemplos son los interferómetros de fibra y ciertos láseres de fibra. Una desventaja de usar tales fibras es que normalmente se requiere una alineación exacta de la dirección de polarización, lo que hace que la producción sea más engorrosa. Además, las pérdidas por propagación son mayores que las de la fibra estándar, y no todos los tipos de fibras se obtienen fácilmente en forma de conservación de la polarización.

Las fibras PM se utilizan en aplicaciones especiales, como la detección de fibra óptica, la interferometría y la distribución de clave cuántica. También se utilizan comúnmente en telecomunicaciones para la conexión entre una fuente láser y un modulador, ya que el modulador requiere luz polarizada como entrada. Rara vez se utilizan para la transmisión a larga distancia, porque la fibra PM es cara y tiene una atenuación más alta que la fibra monomodo.

Solución de fibra PM de Fiber-Mart: cables de conexión de fibra PM

 

Los cables de conexión de fibra PM de Fiber-Mart se basan en una técnica de conexión a tope de alta precisión. La orientación del eje PM se mantiene mediante el uso de conectores macho con una llave de posicionamiento y un receptáculo hembra de mamparo con un chavetero de tolerancia estricta, lo que garantiza una buena repetibilidad en las relaciones de extinción y las pérdidas por inserción.
Características: Altos índices de extinción de 20dB a 30dB Bajas pérdidas de inserción, normalmente <0,2dB FC, FC/APC, SC, SC/APC, ST, ST/APC, LC, MU, MTRJ, E2000 y otros conectores disponibles Compatible con el estándar de la industria Conectores Longitud de onda de 360nm-1800nm disponible Ø0.9mm, Ø2.0mm, Ø3.0mm cubierta exterior protectora disponible Alineación de eje rápida/lenta, llave ancha/estrecha, tipo panda, tipo corbatín, tipo elíptico disponible Tamaños de fibra personalizados y longitudes de cable

Requisitos para el uso de fibras PM

 

Terminación: cuando las fibras PM se terminan con conectores de fibra, es muy importante que las barras de tensión se alineen con el conector, generalmente en línea con la llave del conector.

Empalme: la fibra PM también requiere mucho cuidado cuando se empalma. No solo la alineación X, Y y Z tiene que ser perfecta cuando la fibra se funde, la alineación rotacional también debe ser perfecta, para que las barras de tensión se alineen exactamente.

Otro requisito es que las condiciones de lanzamiento en la cara del extremo de la fibra óptica deben ser coherentes con la dirección del eje transversal mayor de la sección transversal de la fibra.

 

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