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Este artigo descreve os princípios de funcionamento das fibras PM e suas aplicações. A Fiber-Mart fornece cabos de fibra óptica PM. Em caso de dúvidas ou necessidade de cabos de fibra óptica PM, entre em contato conosco: [email protected] .
O que é polarização?
A luz é um tipo de onda eletromagnética. Ela consiste em campos elétricos oscilantes, denotados por E, e campos magnéticos, denotados por B. Suas propriedades podem ser descritas pelo estudo do seu campo elétrico E, embora pudéssemos igualmente descrever a luz e seus efeitos em termos do campo magnético.
As ondas de luz podem vibrar em muitas direções. Aquelas que vibram em uma única direção – em um único plano, como para cima e para baixo – são chamadas de luz polarizada. Aquelas que vibram em mais de uma direção – em mais de um plano, como para cima/para baixo e para a esquerda/para a direita – são chamadas de luz não polarizada.
Princípio da fibra PM
Desde que a polarização da luz lançada na fibra esteja alinhada com um dos eixos birrefringentes, esse estado de polarização será preservado mesmo se a fibra for curvada. O princípio físico por trás disso pode ser compreendido em termos de acoplamento coerente de modos. As constantes de propagação dos dois modos de polarização são diferentes devido à forte birrefringência, de modo que a fase relativa desses modos copropagantes se desvia rapidamente. Portanto, qualquer perturbação ao longo da fibra só pode acoplar efetivamente ambos os modos se possuir uma componente espacial de Fourier significativa com um número de onda que corresponda à diferença entre as constantes de propagação dos dois modos de polarização. Se essa diferença for suficientemente grande, as perturbações usuais na fibra variam muito lentamente para promover um acoplamento de modos eficaz. Portanto, o princípio da fibra PM consiste em tornar essa diferença suficientemente grande.
Nas aplicações mais comuns de telecomunicações por fibra óptica, a fibra PM é usada para guiar a luz em um estado linearmente polarizado de um lugar para outro. Para alcançar esse resultado, várias condições devem ser atendidas. A luz de entrada deve ser altamente polarizada para evitar o lançamento de modos de eixo lento e rápido simultaneamente, uma condição na qual o estado de polarização de saída é imprevisível.
O campo elétrico da luz incidente deve estar precisamente alinhado com um eixo principal (o eixo lento, segundo a convenção da indústria) da fibra, pelo mesmo motivo. Se o cabo de fibra PM for composto por segmentos de fibra unidos por conectores ou emendas de fibra óptica, o alinhamento rotacional das fibras de acoplamento é crucial. Além disso, os conectores devem ter sido instalados nas fibras PM de forma que as tensões internas não projetem o campo elétrico sobre um eixo não intencional da fibra.
Tipos de fibras PM
Fibras PM circulares
É possível introduzir birrefringência circular em uma fibra óptica de modo que os dois modos polarizados ortogonalmente da fibra — a chamada fibra PM circular — sejam polarizados circularmente no sentido horário e anti-horário. A maneira mais comum de obter birrefringência circular em uma fibra redonda (axialmente simétrica) é torcê-la para produzir uma diferença entre as constantes de propagação dos modos fundamentais polarizados circularmente no sentido horário e anti-horário. Assim, esses dois modos de polarização circular são desacoplados. Além disso, é possível conceber uma tensão aplicada externamente cuja direção varia azimutalmente ao longo do comprimento da fibra, causando birrefringência circular na fibra. Se uma fibra for torcida, uma tensão torsional é introduzida e leva a uma atividade óptica proporcional à torção.
Fibras PM lineares
Existem principalmente dois tipos de fibras PM lineares: as de polarização única e as birrefringentes. As fibras de polarização única são caracterizadas por uma grande diferença na perda de transmissão entre as duas polarizações do modo fundamental. Já as fibras birrefringentes apresentam constantes de propagação significativamente diferentes entre as duas polarizações do modo fundamental. A polarização linear pode ser mantida utilizando diversos projetos de fibra, que serão analisados a seguir.
Fibras PM lineares com cavidades laterais e túneis laterais:
As fibras com cavidades laterais incorporam duas cavidades com índice de refração menor que o índice do revestimento, em cada lado do núcleo central. Esse tipo de fibra apresenta um perfil de índice do tipo W ao longo do eixo x e um perfil de índice em degrau ao longo do eixo y. Uma fibra com túnel lateral é um caso especial de estrutura com cavidades laterais. Nessas fibras PM lineares , uma anisotropia geométrica é introduzida no núcleo para obter fibras birrefringentes.
Fibras PM lineares com partes submetidas a tensão aplicada:
Um método eficaz para introduzir alta birrefringência em fibras ópticas é através da aplicação de uma tensão assimétrica com simetria geométrica dupla no núcleo da fibra. A tensão altera o índice de refração do núcleo devido ao efeito fotoelástico, percebido pelos modos polarizados ao longo dos eixos principais da fibra, resultando em birrefringência. A tensão necessária é obtida pela introdução de duas Partes de Tensão Aplicada (SAPs) idênticas e isoladas, posicionadas na região do revestimento em lados opostos do núcleo. Portanto, nenhum modo espúrio se propaga através das SAPs, desde que o índice de refração das SAPs seja menor ou igual ao do revestimento.
Os formatos mais comuns usados para os SAPs são: formato de gravata borboleta e formato circular. Essas fibras são denominadas, respectivamente, Fibra Gravata Borboleta e Fibra PANDA. As seções transversais desses dois tipos de fibras são mostradas na figura abaixo. A birrefringência modal introduzida por essas fibras representa tanto a birrefringência geométrica quanto a induzida por tensão. No caso de uma fibra com núcleo circular, a birrefringência geométrica é desprezível. Foi demonstrado que posicionar os SAPs próximos ao núcleo melhora a birrefringência dessas fibras, mas eles devem ser posicionados suficientemente próximos ao núcleo para que a perda da fibra não aumente, especialmente quando os SAPs são dopados com materiais diferentes da sílica. A fibra PANDA foi aprimorada para atingir alta birrefringência modal, baixíssima perda e baixa diafonia.
Fibras PM lineares com estruturas elípticas:
A primeira proposta de fibra óptica de polarização única com baixa perda foi estudada experimentalmente para três estruturas de fibra: núcleo elíptico, revestimento elíptico e jaqueta elíptica. As primeiras pesquisas sobre fibras com núcleo elíptico focaram no cálculo da birrefringência de polarização. Inicialmente, as características de propagação de guias de onda dielétricos retangulares foram utilizadas para estimar a birrefringência de fibras com núcleo elíptico. No primeiro experimento com fibra PM, foi fabricada uma fibra com núcleo em forma de haltere. O comprimento de batimento pode ser reduzido aumentando-se a diferença entre os índices de refração do núcleo e do revestimento. No entanto, essa diferença não pode ser aumentada excessivamente devido a limitações práticas. O aumento da diferença de índices eleva a perda de transmissão e dificulta a emenda, pois o raio do núcleo precisa ser reduzido. Os valores típicos de birrefringência para a fibra com núcleo elíptico são maiores do que para a fibra com revestimento elíptico. Contudo, as perdas foram maiores na fibra com núcleo elíptico do que nas fibras com revestimento elíptico.
Fibras PM lineares com modulação do índice de refração:
Uma maneira de aumentar a largura de banda de uma fibra de polarização única, que separa o comprimento de onda de corte dos dois modos fundamentais ortogonais, é selecionar um perfil de índice de refração que permita que apenas um estado de polarização esteja em corte. Alta birrefringência foi alcançada introduzindo-se uma modulação azimutal do índice de refração do revestimento interno em uma fibra elíptica de três camadas. Uma abordagem de perturbação foi empregada para analisar a fibra elíptica de três camadas, assumindo um guia de ondas com núcleo retangular como estrutura de referência. A análise da birrefringência em fibras elípticas de três camadas demonstrou que uma modulação azimutal adequada do índice do revestimento interno pode aumentar a birrefringência e estender a faixa de comprimento de onda para operação com polarização única.
Aplicações das fibras PM
As fibras PM são aplicadas em dispositivos onde o estado de polarização não pode sofrer deriva, por exemplo, devido a mudanças de temperatura. Exemplos incluem interferômetros de fibra e certos lasers de fibra. Uma desvantagem do uso dessas fibras é que geralmente é necessário um alinhamento preciso da direção de polarização, o que torna a produção mais complexa. Além disso, as perdas de propagação são maiores do que em fibras convencionais, e nem todos os tipos de fibra são facilmente obtidos na forma de preservação de polarização.
As fibras PM são utilizadas em aplicações especiais, como sensoriamento por fibra óptica, interferometria e distribuição de chaves quânticas. Também são comumente usadas em telecomunicações para a conexão entre um laser de origem e um modulador, visto que o modulador requer luz polarizada como entrada. Raramente são utilizadas para transmissão de longa distância, pois a fibra PM é cara e apresenta maior atenuação do que a fibra monomodo.
Requisitos para o uso de fibras PM
Terminação: Ao terminar fibras PM com conectores de fibra, é muito importante que as hastes de tensão estejam alinhadas com o conector, geralmente alinhadas com a chave do conector.
Emendas: A fibra PM também exige muito cuidado durante a emenda. Não apenas o alinhamento X, Y e Z precisa ser perfeito quando a fibra é fundida, mas também o alinhamento rotacional, para que as hastes de tensão se alinhem com exatidão.
Outro requisito é que as condições de lançamento na extremidade da fibra óptica sejam consistentes com a direção do eixo transversal principal da seção transversal da fibra.
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