Introdução à polarização

 

Quando a luz passa por um ponto no espaço, a direção e a amplitude do campo elétrico vibratório traçam um caminho no tempo. Um sinal de onda de luz polarizada é representado por vetores de campo elétrico e magnético que se encontram em ângulos retos entre si em um plano transversal (um plano perpendicular à direção da viagem). A polarização é definida em termos do padrão traçado no plano transversal pelo vetor campo elétrico em função do tempo.

A polarização pode ser classificada como linear, elíptica ou circular, sendo a polarização linear a mais simples. Qualquer que seja a polarização pode ser um problema na transmissão por fibra ótica.

Cada vez mais, os sistemas de medição de telecomunicações e fibra óptica referem-se a dispositivos que analisam a interferência de duas ondas ópticas. A informação fornecida pelas interferências não pode ser utilizada a menos que a amplitude combinada seja estável ao longo do tempo, o que significa que as ondas estão no mesmo estado de polarização. Nestes casos é necessário utilizar fibras que transmitam um estado estável de polarização. E a fibra de manutenção de polarização foi desenvolvida para esse problema. (A fibra que mantém a polarização será chamada de fibra PM para abreviar no seguinte conteúdo.)

O que é fibra PM?

 

A polarização da luz que se propaga na fibra muda gradualmente de maneira descontrolada (e dependente do comprimento de onda), que também depende da curvatura da fibra e de sua temperatura. Fibras especializadas são necessárias para atingir o desempenho óptico, que é afetado pela polarização da luz que passa pela fibra. Muitos sistemas, como interferômetros e sensores de fibra, lasers de fibra e moduladores eletro-ópticos, também sofrem de perda dependente de polarização (PDL) que pode afetar o desempenho do sistema. Este problema pode ser resolvido usando uma fibra especial chamada PM Fiber.

princípio de 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 que a fibra seja dobrada. O princípio físico por trás disso pode ser entendido em termos de acoplamento de modo coerente. As constantes de propagação dos dois modos de polarização são diferentes devido à forte birrefringência, então a fase relativa desses modos de copropagação está se afastando rapidamente. Portanto, qualquer perturbação ao longo da fibra pode efetivamente acoplar ambos os modos apenas se tiver um componente espacial de Fourier significativo com um número de onda correspondente à diferença das constantes de propagação dos dois modos de polarização. Se essa diferença for grande o suficiente, as perturbações típicas na fibra variam muito lentamente para alcançar um acoplamento efetivo. Portanto, o princípio da fibra PM é fazer a diferença grande o suficiente.

Nas aplicações de telecomunicações de fibra óptica mais comuns, a fibra PM é usada para guiar a luz em um estado linearmente polarizado de um local 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, uma condição na qual o estado de polarização de saída é imprevisível.

O campo elétrico da luz de entrada deve ser alinhado com precisão com um eixo principal (o eixo lento por convenção da indústria) da fibra pelo mesmo motivo. Se o cabo de caminho de fibra PM consistir em segmentos de fibra unidos por emendas ou conectores de fibra ótica, o alinhamento rotacional das fibras correspondentes é crítico. Além disso, os conectores devem ter sido instalados nas fibras PM de forma que as tensões internas não provoquem a projeção do campo elétrico no eixo não intencional da fibra.

Tipos de fibras PM

 

Fibras PM circulares

É possível introduzir birrefringência circular em uma fibra 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. Portanto, 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 uma birrefringência circular na fibra. Se uma fibra é torcida, é introduzida uma tensão de torção que leva a uma atividade óptica proporcional à torção.

A birrefringência circular também pode ser obtida fazendo o núcleo de uma fibra seguir um caminho helicoidal dentro do revestimento. Isso faz com que a luz que se propaga, forçada a se mover ao longo de um caminho helicoidal, sofra rotação óptica. A birrefringência alcançada deve-se exclusivamente a efeitos geométricos. Tais fibras podem operar como um único modo e sofrer altas perdas em modos de ordem superior.

A fibra PM circular com núcleo helicoidal encontra aplicações na detecção de corrente elétrica através do efeito Faraday. As fibras foram feitas a partir de pré-formas compostas por hastes e tubos, onde a hélice é formada pela rotação da pré-forma durante o processo de trefilação da fibra.

Fibras PM lineares

Existem principalmente dois tipos de fibras PM lineares, que são do tipo de polarização única e do tipo de fibra birrefringente. O tipo de polarização simples é caracterizado por uma grande diferença de perda de transmissão entre as duas polarizações de modo fundamental. E o tipo de fibra birrefringente é tal que as constantes de propagação entre as duas polarizações do modo fundamental são significativamente diferentes. A polarização linear pode ser mantida usando vários designs de fibra analisados ​​abaixo.

 

Fibras PM lineares com poços laterais e túneis laterais

Fibras de orifícios laterais incorporam dois orifícios de índice de refração menor que o índice de revestimento, em ambos os lados do núcleo central. Este tipo de fibra tem um perfil de índice tipo W ao longo do eixo x e um perfil de índice escalonado ao longo do eixo y. Uma fibra de túnel lateral é um caso especial de uma estrutura de eixo lateral. Nestas fibras PM lineares, uma anisotropia geométrica é introduzida no núcleo para obter fibras birrefringentes.

Fibras PM lineares com pedaços aplicados à tensão

 

Um método eficaz de introduzir alta birrefringência em fibras ópticas é introduzir uma deformação assimétrica com dupla simetria geométrica no núcleo da fibra. A deformação altera o índice de refração do núcleo devido ao efeito fotoelástico, visto por modos polarizados ao longo dos eixos principais da fibra, e resulta em birrefringência. A tensão necessária é obtida pela introdução de duas Peças Aplicadas à Tensão (SAPs) idênticas e isoladas, colocadas na região do revestimento em lados opostos do núcleo. Portanto, nenhum modo espúrio se propaga pelos SAPs, desde que o índice de refração dos SAPs seja menor ou igual ao do revestimento.

As formas mais comuns usadas para SAPs são: forma de gravata borboleta e forma circular. Essas fibras são chamadas respectivamente de fibra Bow-Tie e fibra PANDA. As seções transversais desses dois tipos de fibras são mostradas na figura a seguir. A birrefringência modal introduzida por essas fibras representa tanto a birrefringência geométrica quanto a induzida por tensão. No caso de uma fibra de núcleo circular, a birrefringência geométrica é insignificante. Foi demonstrado que a colocação de SAPs perto do núcleo melhora a birrefringência dessas fibras, mas elas devem ser colocadas perto o suficiente do núcleo para que a perda de fibra não seja aumentada, especialmente se as SAPs forem dopadas com materiais diferentes da sílica. A fibra PANDA foi aprimorada ainda mais para alcançar alta birrefringência modal, perda muito baixa e baixa diafonia.

Fibra PANDA (esquerda) e Fibra Pajarita (direita). Elementos de tensão embutidos feitos de um tipo diferente de vidro são mostrados com um tom de cinza mais escuro.

Dicas: Atualmente, a fibra PM mais popular na indústria é a fibra PANDA circular. Uma vantagem da fibra PANDA sobre a maioria das outras fibras PM é que o tamanho do núcleo da fibra e a abertura numérica são compatíveis com a fibra monomodo normal. Isso garante perdas mínimas em equipamentos que utilizam os dois tipos de fibras.

Fibras PM lineares com estruturas elípticas

 

A primeira proposta para uma fibra prática de polarização única de baixa perda foi estudada experimentalmente para três estruturas de fibra: núcleo elíptico, casca elíptica e fibras de casca elíptica. As primeiras investigações em fibras com núcleo elíptico tratavam do cálculo da birrefringência de polarização. Na primeira etapa, as características de propagação de guias de ondas dielétricos retangulares foram usadas para estimar a birrefringência de fibras de núcleo elíptico. No primeiro experimento com fibra PM, foi feita uma fibra com um núcleo em forma de haltere. A duração do batimento pode ser reduzida aumentando a diferença no índice de refração do núcleo e do revestimento. No entanto, a diferença do índice não pode ser muito aumentada devido a limitações práticas. Aumentar a diferença de relação aumenta a perda de transmissão e a emenda se tornaria difícil porque o raio do núcleo deve ser reduzido. Os valores típicos de birrefringência para fibra de núcleo elíptico são maiores do que aqueles para fibra de casca elíptica. No entanto, as perdas foram maiores no núcleo elíptico do que nas fibras elípticas revestidas.

Fibras PM lineares com modulação de índice de refração

 

Uma maneira de aumentar a largura de banda da 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. A alta birrefringência foi alcançada pela introdução de uma modulação azimutal do índice de refração do revestimento interno em uma fibra elíptica de três camadas. Uma abordagem de perturbação foi usada para analisar a fibra elíptica de três camadas, assumindo um guia de onda de núcleo retangular como estrutura de referência. O exame da birrefringência em fibras elípticas de três camadas demonstrou que a modulação azimutal adequada do índice de revestimento pode aumentar a birrefringência e estender a faixa de comprimento de onda para operação de polarização única.

Um perfil de índice de refração é chamado de perfil borboleta. Trata-se de um perfil W assimétrico, constituído por um núcleo uniforme, circundado por um revestimento em que o perfil tem valor máximo de ncl e varia tanto radial quanto azimutalmente, com depressão máxima ao longo do eixo x. Este perfil tem dois atributos para executar uma operação de polarização única de modo único. Primeiro, o perfil não é simétrico, fazendo com que as constantes de propagação dos dois modos fundamentais ortogonais sejam diferentes e, segundo, a depressão dentro do revestimento garante que cada modo tenha um comprimento de onda de corte. A fibra borboleta é um guia fraco, então os campos de modo e constantes de propagação podem ser determinados a partir de soluções da equação de onda escalar. As soluções envolvem funções trigonométricas e de Mathieu que descrevem a dependência das coordenadas transversais do núcleo e da casca da fibra. Essas funções não são ortogonais entre si, o que requer um conjunto infinito de cada uma para descrever os campos de modos nas diferentes regiões e satisfazer as condições de contorno. Os gráficos de birrefringência geométrica gerados contra a frequência normalizada V mostraram que aumentar a assimetria através da profundidade da depressão do índice de refração ao longo do eixo x aumenta o valor máximo de birrefringência e o valor de V no momento em que isso acontece O valor máximo de birrefringência é uma característica das fibras não circulares. A birrefringência modal pode ser aumentada pela introdução de anisotropia na fibra, que pode ser descrita atribuindo diferentes perfis de índice de refração às duas polarizações de um modo. A birrefringência geométrica é menor que a birrefringência anisptrópica. No entanto, a depressão no revestimento do perfil borboleta fornece as duas polarizações dos comprimentos de onda de corte do modo fundamental, que são separados por uma janela de comprimento de onda na qual a operação de modo único de polarização única é possível.

Aplicações de fibra PM

 

Fibras PM são aplicadas em dispositivos onde o estado de polarização não pode ser desviado, por ex. como resultado das mudanças de temperatura. Alguns exemplos são interferômetros de fibra e certos lasers de fibra. Uma desvantagem de usar tais fibras é que o alinhamento exato da direção de polarização geralmente é necessário, tornando a produção mais incômoda. Além disso, as perdas de propagação são maiores do que as da fibra padrão e nem todos os tipos de fibra são facilmente obtidos de maneira conservativa da polarização.

As fibras PM são usadas em aplicações especiais, como detecção de fibra óptica, interferometria e distribuição de chaves quânticas. Eles também são comumente usados ​​em telecomunicações para a conexão entre uma fonte de laser e um modulador, uma vez que o modulador requer luz polarizada como entrada. Eles raramente são usados ​​para transmissão de longa distância, porque a fibra PM é cara e tem maior atenuação do que a fibra monomodo.

Solução de fibra PM Fiber-Mart - patch cords de fibra PM

 

Os patch cables de fibra PM da Fiber-Mart são baseados em uma técnica de conexão de topo de alta precisão. A orientação do eixo PM é mantida através do uso de plugues com uma chave de localização e um receptáculo de anteparo fêmea com um rasgo de chaveta de tolerância apertada, garantindo boa repetibilidade nas taxas de extinção e perdas de inserção.
Características: Altas taxas de extinção de 20dB a 30dB Baixa perda de inserção, normalmente <0,2dB FC, FC/APC, SC, SC/APC, ST, ST/APC, LC, MU, MTRJ, E2000 e outros conectores disponíveis Compatível com o padrão da indústria Conectores 360nm-1800nm ​​​​comprimento de onda disponível Ø0,9 mm, Ø2,0 mm, Ø3,0 mm bainha externa protetora disponível Alinhamento de eixo rápido/lento, chave larga/estreita, tipo panda, tipo gravata borboleta, tipo elíptico Tamanhos de fibra personalizados e comprimentos de cabo disponíveis Requisitos para o uso de fibras PM


Terminação – Quando as fibras PM são terminadas com conectores de fibra, é muito importante que as barras de tensão se alinhem com o conector, geralmente alinhadas com a chaveta do conector.

Emenda: A fibra PM também exige muito cuidado na emenda. Não apenas o alinhamento X, Y e Z deve ser perfeito quando a fibra é derretida, mas o alinhamento rotacional também deve ser perfeito, para que as hastes de tensão se alinhem exatamente.

Outro requisito é que as condições de lançamento na face final da fibra óptica sejam consistentes com a direção do eixo transversal maior da seção transversal da fibra.

 

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