편광 소개

 

빛이 공간의 한 지점을 통과할 때 진동하는 전기장의 방향과 진폭은 시간의 경로를 추적합니다. 편광된 광파 신호는 가로 평면(이동 방향에 수직인 평면)에서 서로 직각으로 놓여 있는 전기장 및 자기장 벡터로 표현됩니다. 분극은 시간의 함수로서 전기장 벡터에 의해 가로 평면에서 추적되는 패턴으로 정의됩니다.

편광은 선형, 타원형 또는 원형으로 분류할 수 있으며 선형 편광이 가장 간단합니다. 어떤 편광이 광섬유 전송에서 문제가 될 수 있습니다.

점점 더 많은 통신 및 광섬유 측정 시스템은 두 광파의 간섭을 분석하는 장치를 의미합니다. 간섭에 의해 주어진 정보는 결합된 진폭이 시간에 따라 안정적이지 않으면 사용할 수 없습니다. 즉, 파동이 동일한 편파 상태에 있음을 의미합니다. 이러한 경우 안정적인 편광 상태를 전송하는 섬유를 사용해야 합니다. 그리고 이 문제를 해결하기 위해 편파 유지 섬유가 개발되었습니다. (편파 유지 광섬유는 이하 내용에서 줄여서 PM 광섬유라고 합니다.)

PM 섬유란?

 

섬유에서 전파되는 빛의 편광은 제어되지 않는(그리고 파장에 따라) 방식으로 점진적으로 변화하며, 이는 또한 섬유의 굽힘과 온도에 따라 달라집니다. 광섬유를 통해 이동하는 빛의 편광에 의해 영향을 받는 광학 성능을 달성하려면 특수화된 광섬유가 필요합니다. 광섬유 간섭계 및 센서, 광섬유 레이저 및 전기 광학 변조기와 같은 많은 시스템도 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있는 PDL(편광 종속 손실) 문제를 겪고 있습니다. 이 문제는 PM Fiber라는 특수 광섬유를 사용하여 해결할 수 있습니다.

PM 섬유의 원리

 

광섬유로 발사된 빛의 편광이 복굴절 축 중 하나와 정렬되면 이 편광 상태는 광섬유가 구부러져도 보존됩니다. 이것의 이면에 있는 물리적 원리는 코히어런트 모드 커플링 측면에서 이해할 수 있습니다. 강한 복굴절로 인해 두 편광 모드의 전파 상수가 다르기 때문에 이러한 공동 전파 모드의 상대 위상이 빠르게 멀어집니다. 따라서 광섬유를 따라 발생하는 모든 교란은 두 가지 편광 모드의 전파 상수 차이와 일치하는 파수를 가진 중요한 공간 푸리에 구성 요소가 있는 경우에만 두 모드를 효과적으로 결합할 수 있습니다. 이 차이가 충분히 크면 광섬유의 일반적인 외란이 너무 느리게 변화하여 효과적인 모드 결합을 수행할 수 없습니다. 따라서 PM 섬유의 원리는 그 차이를 충분히 크게 만드는 것입니다.

가장 일반적인 광섬유 통신 응용 분야에서 PM 섬유는 선형 편광 상태의 빛을 한 위치에서 다른 위치로 안내하는 데 사용됩니다. 이 결과를 얻으려면 몇 가지 조건이 충족되어야 합니다. 출력 편광 상태를 예측할 수 없는 상태인 저속 축 모드와 고속 축 모드가 모두 실행되는 것을 방지하려면 입력 조명을 고도로 편광해야 합니다.

입력광의 전기장은 같은 이유로 섬유의 주축(산업 관례에 의한 느린 축)과 정확하게 정렬되어야 합니다. PM 광섬유 경로 케이블이 광섬유 커넥터 또는 스플라이스로 결합된 광섬유 세그먼트로 구성되어 있는 경우 짝을 이루는 광섬유의 회전 정렬이 중요합니다. 또한 커넥터는 내부 응력으로 인해 의도하지 않은 광섬유 축에 전기장이 투사되지 않도록 PM 광섬유에 설치되어야 합니다.

Types of PM Fibers

 

원형 PM 섬유

섬유에 원형 복굴절을 도입하여 섬유의 두 직교 편광 모드(소위 원형 PM 섬유)가 시계 방향 및 반시계 방향 원형 편광이 되도록 할 수 있습니다. 원형(축 대칭) 섬유에서 원형 복굴절을 달성하는 가장 일반적인 방법은 시계 방향 및 반시계 방향 원형 편광 기본 모드의 전파 상수 사이의 차이를 생성하도록 꼬는 것입니다. 따라서 이 두 원형 편광 모드는 분리됩니다. 또한 섬유에 원형 복굴절을 일으키는 섬유 길이를 따라 방향이 방위각으로 변하는 외부에서 가해지는 응력을 생각할 수 있습니다. 섬유가 꼬이면 비틀림 응력이 도입되고 꼬임에 비례하여 광학 활성이 발생합니다.

원형 복굴절은 섬유의 코어가 클래딩 내부의 나선형 경로를 따르도록 하여 얻을 수도 있습니다. 이것은 나선형 경로를 따라 이동하도록 제한되는 전파하는 빛이 광학 회전을 경험하게 합니다. 달성된 복굴절은 기하학적 효과 때문입니다. 이러한 광섬유는 단일 모드로 작동할 수 있으며 고차 모드에서 높은 손실을 겪습니다.

헬리컬 코어가 있는 원형 PM 광섬유는 패러데이 효과를 통해 전류를 감지하는 응용 분야를 찾습니다. 섬유는 합성 로드 및 튜브 프리폼으로 제작되었으며, 여기에서 나선은 섬유 인발 공정 중에 프리폼을 회전시켜 형성됩니다.

선형 PM 섬유

선형 PM 섬유에는 단일 편광 유형과 복굴절 섬유 유형인 두 가지 유형이 있습니다. 단일 편파 유형은 기본 모드의 두 편파 사이에 전송 손실 차이가 큰 것이 특징입니다. 그리고 복굴절 섬유 유형은 기본 모드의 두 편광 사이의 전파 상수가 상당히 다른 것과 같습니다. 선형 편광은 다음에 검토되는 다양한 섬유 설계를 사용하여 유지될 수 있습니다.

 

측면 피트 및 측면 터널이 있는 선형 PM 섬유

측면 피트 섬유는 중앙 코어의 각 측면에 클래딩 지수보다 작은 굴절률의 두 피트를 통합합니다. 이 유형의 섬유는 x축을 따라 W형 인덱스 프로파일과 y축을 따라 스텝 인덱스 프로파일을 가지고 있습니다. 사이드 터널 광섬유는 사이드 피트 구조의 특수한 경우입니다. 이러한 선형 PM 섬유에서 복굴절 섬유를 얻기 위해 코어에 기하학적 이방성이 도입됩니다.

응력이 적용된 부품이 있는 선형 PM 섬유

 

광섬유에 높은 복굴절을 도입하는 효과적인 방법은 광섬유 코어에 2중 기하학적 대칭을 갖는 비대칭 응력을 도입하는 것입니다. 응력은 섬유의 주축을 따라 편광된 모드에서 볼 수 있는 광탄성 효과로 인해 코어의 굴절률을 변경하고 복굴절을 발생시킵니다. 필요한 응력은 코어 반대편의 클래딩 영역에 위치한 두 개의 동일하고 격리된 응력 적용 부품(SAP)을 도입하여 얻습니다. 따라서 SAP의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 작거나 같으면 SAP를 통해 스퓨리어스 모드가 전파되지 않습니다.

SAP에 사용되는 가장 일반적인 모양은 나비 넥타이 모양과 원형 모양입니다. 이러한 섬유는 각각 Bow-tie Fiber 및 PANDA Fiber라고 합니다. 이 두 가지 유형의 섬유 단면이 아래 그림에 나와 있습니다. 이러한 섬유에 의해 도입된 모달 복굴절은 기하학적 복굴절과 응력 유도 복굴절을 모두 나타냅니다. 원형 코어 섬유의 경우 기하학적 복굴절은 무시할 정도로 작습니다. SAP를 코어에 가깝게 배치하면 이러한 섬유의 복굴절이 개선되는 것으로 나타났지만 특히 SAP가 실리카 이외의 재료로 도핑되는 경우 섬유 손실이 증가하지 않도록 코어에 충분히 가깝게 배치해야 합니다. PANDA 섬유는 높은 모달 복굴절, 매우 낮은 손실 및 낮은 누화를 달성하기 위해 더욱 개선되었습니다.

PANDA Fiber(왼쪽) 및 Bow-tie Fiber(오른쪽). 다른 종류의 유리로 만들어진 빌트인 응력 요소는 더 어두운 회색 톤으로 표시됩니다.

팁: 현재 업계에서 가장 인기 있는 PM 섬유는 원형 PANDA 섬유입니다. 대부분의 다른 PM 섬유에 비해 PANDA 섬유의 장점 중 하나는 섬유 코어 크기와 개구수가 일반 단일 모드 섬유와 호환된다는 것입니다. 이렇게 하면 두 가지 유형의 광섬유를 모두 사용하는 장치에서 손실을 최소화할 수 있습니다.

타원형 구조의 선형 PM 섬유

 

실용적인 저손실 단편파 광섬유에 대한 첫 번째 제안은 타원형 코어, 타원형 클래드 및 타원형 재킷 섬유의 세 가지 섬유 구조에 대해 실험적으로 연구되었습니다. 타원형 코어 섬유에 대한 초기 연구는 편광 복굴절의 계산을 다루었습니다. 첫 번째 단계에서는 직사각형 유전체 도파관의 전파 특성을 사용하여 타원형 코어 섬유의 복굴절을 추정했습니다. PM 섬유를 사용한 첫 번째 실험에서는 아령 모양의 코어를 가진 섬유를 제작했습니다. 코어 클래딩 굴절률 차이를 증가시켜 비트 길이를 줄일 수 있습니다. 그러나 실질적인 한계로 인해 지수 차이를 너무 많이 늘릴 수는 없습니다. 인덱스 차이를 늘리면 전송 손실이 증가하고 코어 반경을 줄여야 하므로 접합이 어려워집니다. 타원형 코어 섬유에 대한 일반적인 복굴절 값은 타원형 클래드 섬유보다 높습니다. 그러나 손실은 타원형 클래드 섬유의 손실보다 타원형 코어에서 더 컸다.

굴절률 변조가 있는 선형 PM 섬유

 

2개의 직교 기본 모드의 차단 파장을 분리하는 단일 편파 광섬유의 대역폭을 증가시키는 한 가지 방법은 하나의 편파 상태만 차단할 수 있는 굴절률 프로파일을 선택하는 것입니다. 높은 복굴절은 3층 타원형 섬유에서 내부 클래딩의 굴절률의 방위각 변조를 도입하여 달성되었습니다. 직사각형 코어 도파관을 기준 구조로 가정하여 섭동 접근법을 사용하여 3층 타원형 섬유를 분석했습니다. 3층 타원형 섬유의 복굴절 검사는 내부 클래딩 지수의 적절한 방위각 변조가 복굴절을 증가시키고 단일 편광 작동을 위한 파장 범위를 확장할 수 있음을 보여주었습니다.

굴절률 프로파일은 버터플라이 프로파일이라고 합니다. 그것은 프로파일이 ncl의 최대 값을 갖고 x축을 따라 최대 함몰과 함께 방사상 및 방위각으로 변하는 클래딩으로 둘러싸인 균일한 코어로 구성된 비대칭 W 프로파일입니다. 이 프로필에는 단일 모드 단일 편파 작동을 실현하는 두 가지 속성이 있습니다. 첫째, 프로파일이 대칭적이지 않아 두 직교 기본 모드의 전파 상수가 유사하지 않으며, 둘째, 클래딩 내의 함몰로 인해 각 모드가 컷오프 파장을 갖도록 합니다. 버터플라이 섬유는 약하게 안내하므로 모달 필드와 전파 상수는 스칼라 파동 방정식의 해로부터 결정될 수 있습니다. 솔루션에는 섬유의 코어 및 클래딩에서 가로 좌표 의존성을 설명하는 삼각법 및 Mathieu 함수가 포함됩니다. 이러한 함수는 서로 직교하지 않으므로 서로 다른 영역의 모달 필드를 설명하고 경계 조건을 충족하기 위해 각각 무한 세트가 필요합니다. 생성된 기하학적 복굴절 플롯 대 정규화 주파수 V는 x축을 따라 굴절률 함몰의 깊이를 통해 비대칭성을 증가시키면 복굴절의 최대값과 이것이 발생하는 V의 값이 증가함을 보여주었습니다. 복굴절의 피크 값은 비원형 섬유의 특성입니다. 모달 복굴절은 모드의 두 편광에 서로 다른 굴절률 프로파일을 부여하여 설명할 수 있는 섬유에 이방성을 도입하여 증가할 수 있습니다. 기하학적 복굴절은 이방성 복굴절보다 작습니다. 그러나 버터플라이 프로파일 클래딩의 함몰은 기본 모드 컷오프 파장의 두 가지 편광을 제공하며 단일 편광 단일 모드 작동이 가능한 파장 창에 의해 분리됩니다.

PM 섬유의 응용

 

PM 섬유는 편광 상태가 드리프트될 수 없는 장치에 적용됩니다. 온도 변화의 결과로. 파이버 간섭계와 특정 파이버 레이저를 예로 들 수 있습니다. 이러한 섬유를 사용하는 단점은 일반적으로 편광 방향의 정확한 정렬이 필요하여 생산이 더 번거로워진다는 것입니다. 또한 전파 손실이 표준 광섬유보다 높으며 모든 종류의 광섬유를 편파 보존 형태로 쉽게 얻을 수 있는 것은 아닙니다.

PM 섬유는 광섬유 감지, 간섭계 및 양자 키 분배와 같은 특수 응용 분야에 사용됩니다. 또한 변조기는 입력으로 편광된 빛을 필요로 하기 때문에 소스 레이저와 변조기 사이의 연결을 위해 통신에 일반적으로 사용됩니다. PM 광섬유는 비싸고 단일 모드 광섬유보다 감쇠가 높기 때문에 장거리 전송에는 거의 사용되지 않습니다.

Fiber-Mart의 PM 광섬유 솔루션: PM 광섬유 패치 케이블

 

Fiber-Mart의 PM 광섬유 패치 케이블은 고정밀 맞대기 스타일 연결 기술을 기반으로 합니다. PM 축 방향은 포지셔닝 키가 있는 수형 커넥터와 공차가 엄격한 키웨이가 있는 벌크헤드 암형 리셉터클을 사용하여 유지되므로 소광비 및 삽입 손실에서 우수한 반복성을 보장합니다.
특징: 20dB ~ 30dB의 높은 소광비 낮은 삽입 손실, 일반적으로 <0.2dB FC, FC/APC, SC, SC/APC, ST, ST/APC, LC, MU, MTRJ, E2000 및 기타 커넥터 사용 가능 산업 표준과 호환 가능 커넥터 파장 360nm~1800nm 가능 Ø0.9mm, Ø2.0mm, Ø3.0mm 외부 보호 재킷 Fast/Slow 축 정렬, Wide/Narrow 키, 팬더 유형, 나비 넥타이 유형, 타원형 유형 가능 섬유 크기 및 케이블 길이 맞춤

PM 섬유 사용을 위한 요구 사항

 

종단: PM 광케이블이 광케이블 커넥터로 종단되면 스트레스 로드가 커넥터와 일렬로 정렬되는 것이 매우 중요합니다. 일반적으로 커넥터 키와 일렬로 정렬됩니다.

접합: PM 광섬유도 접합할 때 상당한 주의가 필요합니다. 섬유가 함께 녹을 때 X, Y 및 Z 정렬이 완벽해야 할 뿐만 아니라 회전 정렬도 완벽해야 응력 막대가 정확하게 정렬됩니다.

또 다른 요구 사항은 광섬유 단면의 시작 조건이 광섬유 단면의 가로 장축 방향과 일치해야 한다는 것입니다.

 

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