Fibras que mantêm a polarização: uma explicação

Função da fibra PM

O sinal emitido por um laser é transmitido por uma fibra monomodo utilizando dois modos de polarização linear que se propagam perpendicularmente entre si. Por um instante, imagine essa fibra como um guia de ondas monomodo perfeito:

O material do núcleo é absolutamente homogêneo (isento de impurezas, bolhas, vazios ou outras imperfeições); o revestimento e o núcleo são precisamente esféricos e concêntricos; não há curvaturas ou perdas (absorção, dispersão);

As temperaturas da fibra e do laser de origem permanecem constantes; o comprimento de onda do laser excede o comprimento de onda de corte; toda a energia do laser está contida no núcleo (sem modos de ordem superior); e não há tensão lateral (sem tensão externa proveniente de cabos, posicionamento, suportes, etc., ou mesmo, teoricamente, sem gravidade ou pressão do ar).

Nesse cenário hipotético, ambos os modos de polarização chegariam à extremidade distante da fibra em fase e com a mesma potência. Não haveria nenhuma conexão de potência de um modo para o outro ao longo do comprimento da fibra. Os dois modos de polarização transmitiriam o sinal sem dispersão ou interferência, caso a saída do laser contivesse um sinal modulado.

Essa situação hipotética é obviamente inviável. Guias de onda e materiais de vidro produzidos não são perfeitos. Existem não uniformidades e assimetrias submicrométricas. Além disso, quando fibras monomodo são cabeadas e instaladas em redes subterrâneas ou aéreas, elas sofrem tensões laterais. Em caixas de passagem, caixas de inspeção, gabinetes e outras estruturas, o fio pode dobrar ou até mesmo apresentar folgas. Os modos de polarização podem se propagar com velocidades de grupo variáveis ​​como resultado desses processos. Isso causa dispersão no sinal modulado na extremidade receptora da fibra. No pior cenário, é impossível distinguir entre as formas de onda analógicas ou os "uns e zeros" digitais.

A largura de banda ou o alcance de um sistema de comunicação por fibra óptica podem ser limitados se a dispersão do modo de polarização não for controlada. Por isso, os projetistas de fibras, cabos e sistemas criaram métodos para reduzir ou compensar essa dispersão. Para diminuir a assimetria, a não concentricidade e as tensões laterais, os fabricantes de fibras aprimoraram seus procedimentos de pré-formação e trefilação. Além disso, as torres de trefilação possuem máquinas que giram a fibra durante o processo de trefilação. Isso auxilia na regulação das características de polarização da fibra. Para proteger as fibras de forças externas, os fabricantes de cabos extrudam tubos ao redor das fibras. Adicionalmente, elementos de compensação de dispersão, como chips com algoritmos de correção de erros de encaminhamento nos receptores, estão presentes na eletrônica digital utilizada em sistemas de telecomunicações.

Assim, a polarização em cabos de fibra óptica PM para telecomunicações pode ser controlada com sucesso. No entanto, em muitas aplicações não relacionadas a telecomunicações, dois modos de polarização devem se propagar de maneira regulada. Manter os dois modos separados e recombiná-los para examinar seu padrão de interferência de fase é o objetivo de diversos sensores interferométricos. Isso possibilita quantificar com precisão o movimento, a vibração e outros fenômenos que influenciam a fibra. Nesses tipos de aplicações, o objetivo é manter os dois modos de polarização propagando-se por caminhos diferentes ou reduzir a quantidade de energia transferida de um estado de polarização para outro.

As fibras PM minimizam o impacto de cargas externas e curvaturas nos modos de polarização da fibra, resolvendo alguns dos mesmos problemas das fibras de comunicação monomodo. Mesmo que as fibras PM em giroscópios e alguns sensores sejam enroladas em pequenas bobinas, o acoplamento de potência de um modo de polarização para outro ainda precisa ser evitado. Para manter a separação dos dois modos de polarização e reduzir o impacto de cargas externas, as fibras PM são equipadas com características geométricas ou "partes" aplicadoras de tensão (SAPs). Elementos geométricos assimétricos e SAPs podem ser incorporados à fibra de diversas maneiras, resultando em uma variedade de fibras PM.

Características importantes

Assim como outras fibras especiais e de comunicação, as fibras PM devem atender a importantes requisitos ópticos e mecânicos, como atenuação e resistência à tração. Além disso, as fibras PM possuem duas especificações para descrever suas propriedades de birrefringência: comprimento de batimento e parâmetro de retenção (H). Embora essas medições sejam complexas, são cruciais para descrever o quão bem as fibras preservam os dois modos de polarização.

Os dois eixos de uma fibra PM são comumente chamados de "eixo lento" e "eixo rápido", devido aos seus diferentes índices de refração. Isso implica que as velocidades de fase das ondas de luz nos dois modos de polarização serão diferentes. A diferença de velocidade de fase entre os dois modos de polarização é medida pelo comprimento de batimento. Um comprimento de batimento menor resulta em maior birrefringência e maior espaçamento entre os dois modos.

As medições do comprimento de batimento em cabos de fibra óptica PM  variam de alguns centímetros a menos de um milímetro. Para giroscópios, um comprimento de batimento de 2 mm é amplamente acessível e frequentemente utilizado. Os comprimentos de batimento de fibras monomodo padrão usadas em aplicações de telecomunicações são expressos em metros. As medições são examinadas e relatadas em comprimentos de onda específicos, uma vez que o comprimento de batimento, assim como outras métricas ópticas, depende do comprimento de onda.

A taxa de extinção de polarização por unidade de comprimento é conhecida como parâmetro H. Ela descreve o quão bem uma fibra óptica mantém a polarização ao longo de um único eixo em todo o seu comprimento. Métodos padrão para avaliar a diafonia de polarização são usados ​​para calcular o parâmetro H. Novamente, em comprimentos de onda específicos, as medições são expressas como a variação da potência óptica transmitida em um eixo por unidade de comprimento da fibra.

Como obter birrefringência

Formas especiais ou SAPs (partículas auto-organizadas) "incorporadas" durante a criação da pré-forma causam birrefringência. Assim como o restante da fibra, as SAPs são feitas de vidro à base de sílica, mas contêm dopantes com diferentes coeficientes de expansão térmica (CTE). As SAPs resfriam e se comprimem em taxas variadas à medida que a fibra é estirada e resfriada, o que deixa o vidro permanentemente tensionado.

Existem três tipos comerciais de fibras PM que utilizam SAPs: as fibras PANDA, bow-tie e eliptical-stress-layer são as três primeiras. Em vez de empregar SAPs, a fibra de núcleo elíptico, um quarto tipo, utiliza birrefringência de forma. A birrefringência pode ser obtida de diversas maneiras. A utilização de lacunas longitudinais ou orifícios de ar em fibras de cristal fotônico é um exemplo. Muitos fabricantes de giroscópios, outros sensores e componentes de telecomunicações preferem as variedades PANDA e bow-tie, que são as mais comumente utilizadas.