편광 유지 광섬유에 대한 설명

PM 섬유의 기능

광원 레이저의 출력은 서로 직각으로 전파되는 두 개의 선형 편광 모드를 사용하여 단일 모드 광섬유를 통해 전달됩니다 . 잠시 동안 이 광섬유를 완벽한 단일 모드 도파관으로 상상해 보세요.

핵심 재료는 완전히 균질하며(불순물, 기포, 공극 또는 기타 결함이 없음), 클래딩과 코어는 정확히 구형이고 동심원이며, 굴곡이나 손실(흡수, 산란)이 없습니다.

광섬유와 소스 레이저의 온도는 일정하게 유지되고, 레이저 파장은 차단 파장을 초과하며, 모든 레이저 에너지는 코어에 포함되어 있고(고차 모드 없음), 측면 응력이 없습니다(케이블, 설치 위치, 지지대 등으로 인한 외부 응력이 없으며, 이론적으로는 중력이나 기압도 없습니다).

이 가상 시나리오에서는 두 편광 모드가 위상이 일치하고 동일한 전력으로 광섬유의 먼 끝에 도달합니다. 광섬유 길이를 따라 한 모드에서 다른 모드로의 전력 연결은 발생하지 않습니다. 레이저 출력에 변조된 신호가 포함되어 있다면 두 편광 모드는 분산이나 누화 없이 신호를 전송합니다.

이러한 가상 상황은 명백히 실현 불가능합니다. 도파관과 제조된 유리 재료는 완벽하지 않습니다. 불균일성과 수 마이크론 미만의 비대칭성이 존재합니다. 또한, 단일 모드 광섬유를 지하 또는 공중 네트워크에 설치할 때 측면 변형이 발생합니다. 폐쇄부, 맨홀, 캐비닛 및 기타 구조물에서 전선이 구부러지거나 느슨해질 수 있습니다. 이러한 과정의 결과로 편광 모드는 다양한 군속도로 전파될 수 있습니다. 이는 광섬유 수신단에서 변조된 신호의 분산을 유발합니다. 최악의 경우, 아날로그 파형과 디지털 "1과 0"을 구분하는 것이 불가능해질 수 있습니다.

광섬유 통신 시스템의 대역폭이나 거리는 편광 모드 분산이 고정되지 않으면 제한될 수 있습니다. 따라서 광섬유, 케이블 및 시스템 설계자들은 이러한 분산을 줄이거나 보정하는 방법을 개발해 왔습니다. 비대칭성, 비동심도 및 측면 응력을 줄이기 위해 광섬유 제조업체는 프리폼 및 인발 공정을 개선해 왔습니다. 또한, 인발탑에는 광섬유를 인발하는 동안 회전시키는 장치가 설치되어 있어 광섬유의 편광 특성을 조절하는 데 도움을 줍니다. 케이블 제조업체는 케이블에 가해지는 외부 힘으로부터 광섬유를 보호하기 위해 광섬유 주위에 튜브를 압출 성형합니다. 또한, 통신 시스템에 사용되는 디지털 전자 장치에는 수신기에 순방향 오류 수정 알고리즘이 내장된 칩과 같은 분산 보상 요소가 포함되어 있습니다.

따라서 통신용 PM 광섬유 케이블에서는 편광을 성공적으로 제어할 수 있습니다. 그러나 많은 비통신 응용 분야에서는 두 가지 편광 모드가 규정된 방식으로 전파되어야 합니다. 두 모드를 분리한 다음 다시 결합하여 위상 간섭 패턴을 분석하는 것이 여러 간섭계 센서의 목적입니다. 이를 통해 광섬유에 영향을 미치는 움직임, 진동 및 기타 현상을 정확하게 정량화할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서는 두 편광 모드가 서로 다른 경로로 전파되도록 하거나 한 편광 상태에서 다른 편광 상태로 전달되는 전력량을 줄이는 것이 목표입니다.

PM 광섬유는 외부 하중과 굽힘이 광섬유 내 편광 모드에 미치는 영향을 최소화하여 단일 모드 통신 광섬유가 안고 있는 몇 가지 문제점을 해결합니다. 자이로스코프 및 일부 센서에 사용되는 PM 광섬유는 작은 코일 형태로 감겨 있지만, 한 편광 모드에서 다른 편광 모드로의 전력 결합은 여전히 ​​피해야 합니다. 두 편광 모드의 분리를 유지하고 외부 하중의 영향을 줄이기 위해 PM 광섬유에는 기하학적 특징 또는 응력 적용 부품(SAP)이 장착됩니다. 비대칭 기하학적 요소와 SAP는 다양한 방식으로 광섬유에 통합될 수 있어 다양한 종류의 PM 광섬유를 구현할 수 있습니다.

중요한 특징

편광 모드( PM) 광섬유는 다른 특수 및 통신 광섬유와 마찬가지로 감쇠 및 인장 강도를 포함한 중요한 광학적 및 기계적 요구 사항을 충족해야 합니다. 또한 PM 광섬유는 복굴절 특성을 설명하는 두 가지 사양, 즉 비트 길이와 홀딩(H) 파라미터를 가지고 있습니다. 이러한 측정은 복잡하지만 광섬유가 두 가지 편광 모드를 얼마나 잘 유지하는지를 설명하는 데 매우 중요합니다.

PM 광섬유의 두 축은 굴절률이 서로 다르기 때문에 일반적으로 "느린 축"과 "빠른 축"으로 불립니다. 이는 두 편광 모드에서 빛 파동의 위상 속도가 다르다는 것을 의미합니다. 두 편광 모드 간의 위상 속도 차이는 비트 길이로 측정됩니다. 비트 길이가 짧을수록 복굴절률이 높아지고 두 모드 사이의 간격이 넓어집니다.

PM 광섬유 케이블 의 비트 길이 측정값은  수 센티미터에서 1밀리미터 미만까지 다양합니다. 자이로스코프의 경우, 2mm의 비트 길이가 널리 사용되며 쉽게 구할 수 있습니다. 통신 분야에 사용되는 표준 단일 모드 광섬유의 비트 길이는 미터 단위로 표시됩니다. 비트 길이는 다른 광학적 측정값과 마찬가지로 파장에 따라 달라지기 때문에 특정 파장에서의 측정값을 분석하고 보고합니다.

단위 길이당 편광 소멸비는 H-파라미터라고 합니다. 이는 광섬유가 전체 길이에 걸쳐 단일 축을 따라 편광을 얼마나 잘 유지하는지를 나타내는 지표입니다. 편광 간섭을 평가하는 표준 방법을 사용하여 H-파라미터를 계산합니다. 특정 파장에서 측정값은 광섬유 단위 길이당 한 축으로 전송되는 광 출력의 변화량으로 표현됩니다.

복굴절을 얻는 방법

프리폼 제작 과정에서 "내장"되는 특수 형상 또는 SAP는 복굴절을 유발합니다. 광섬유의 다른 구성 요소와 마찬가지로 SAP는 실리카 기반 유리로 만들어지지만, 열팽창 계수(CTE)가 다양한 도펀트를 포함합니다. 광섬유가 인발 및 냉각되는 과정에서 SAP는 서로 다른 속도로 냉각 및 압축되므로 유리에 영구적인 응력이 발생합니다.

상용 PM 광섬유에는 SAP(응력 결합 구조)를 사용하는 세 가지 종류가 있습니다. PANDA형, 보우타이형, 타원형 응력층 광섬유가 대표적입니다. 네 번째 유형인 타원형 코어 광섬유는 SAP 대신 형태 복굴절을 이용합니다. 복굴절은 다양한 방식으로 구현할 수 있는데, 광자 결정 광섬유에 세로 방향의 틈이나 공기 구멍을 만드는 것이 한 예입니다. 자이로스코프, 기타 센서 및 통신 부품 제조업체들은 가장 일반적으로 사용되는 PANDA형과 보우타이형을 선호합니다.