Объяснение принципа работы поляризационно-сохраняющих волокон.

функция ПМ-волокна

Выходной сигнал лазерного источника передается по одномодовому волокну с использованием двух линейных поляризационных мод, распространяющихся под прямым углом друг к другу. На мгновение представьте это волокно как идеальный одномодовый волновод:

Основной материал абсолютно однороден (без примесей, пузырьков, пустот или других дефектов); оболочка и сердечник имеют точно сферическую и концентрическую форму; отсутствуют изгибы или потери (поглощение, рассеяние);

Температура волокна и источника лазера остается постоянной; длина волны лазера превышает граничную длину волны; вся энергия лазера сосредоточена в сердцевине (отсутствуют моды более высокого порядка); и отсутствует боковое напряжение (отсутствует внешнее напряжение от кабелей, размещения, опор и т. д., или даже, теоретически, отсутствует гравитация или давление воздуха).

В этом гипотетическом сценарии оба режима поляризации достигали бы дальнего конца волокна в фазе и с одинаковой мощностью. Вдоль волокна не было бы никакой передачи мощности от одного режима к другому. Если бы лазерный выходной сигнал содержал модулированный сигнал, два режима поляризации передавали бы сигнал без дисперсии или перекрестных помех.

Эта гипотетическая ситуация, очевидно, нереализуема. Волноводы и производимые стеклянные материалы не безупречны. Существуют неоднородности и субмикронные асимметрии. Кроме того, при прокладке одномодовых волокон в подземных или воздушных сетях они подвергаются боковым деформациям. В кожухах, смотровых колодцах, шкафах и других конструкциях провод может изгибаться или даже иметь провисание. В результате этих процессов поляризационные моды могут распространяться с различной групповой скоростью. Это вызывает дисперсию модулированного сигнала на приемном конце волокна. В худшем случае невозможно различить аналоговые сигналы или цифровые «единицы и нули».

Пропускная способность или дальность оптоволоконной системы связи могут быть ограничены, если дисперсия поляризационных мод не будет устранена. Поэтому разработчики волокон, кабелей и систем создали методы для уменьшения или компенсации этой дисперсии. Для уменьшения асимметрии, неконцентричности и боковых напряжений производители волокон усовершенствовали свои процедуры подготовки и вытяжки. Кроме того, в вытяжных башнях используются станки, которые вращают волокно во время его вытяжки. Это помогает регулировать поляризационные характеристики волокна. Для защиты волокон от внешних воздействий на кабель производители кабелей затем экструдируют трубки вокруг волокон. Кроме того, в цифровой электронике, используемой в телекоммуникационных системах, присутствуют элементы компенсации дисперсии, такие как микросхемы с алгоритмами прямой коррекции ошибок в приемниках.

Таким образом, поляризацию в телекоммуникационном PM-волоконном кабеле можно успешно контролировать. Однако во многих нетелекоммуникационных приложениях необходимо регулировать распространение двух поляризационных режимов. Целью ряда интерферометрических датчиков является разделение этих двух режимов и их последующее объединение для анализа их фазово-интерференционной картины. Это позволяет точно количественно оценить движение, вибрацию и другие явления, влияющие на волокно. В подобных приложениях задача состоит в том, чтобы поддерживать распространение двух поляризационных режимов по разным траекториям или уменьшить количество энергии, передаваемой от одного поляризационного состояния к другому.

Волокна с постоянной поляризацией (PM Fibers) минимизируют влияние внешних нагрузок и изгибов на поляризационные моды в волокне, решая некоторые из тех же проблем, что и одномодовые коммуникационные волокна. Хотя волокна PM Fibers в гироскопах и некоторых датчиках намотаны в небольшие катушки, необходимо избегать передачи мощности от одной поляризационной моды к другой. Для поддержания разделения двух поляризационных мод и уменьшения влияния внешних нагрузок волокна PM Fibers оснащаются геометрическими элементами или элементами, создающими напряжение (SAPs). Асимметричные геометрические элементы и SAPs могут быть включены в волокно различными способами, что приводит к появлению множества разновидностей волокон PM Fibers.

Важные характеристики

Поляризационные волокна (ПВВ) должны удовлетворять важным оптическим и механическим требованиям, включая затухание и прочность на разрыв, как и другие специализированные и коммуникационные волокна. Кроме того, ПВВ имеют две характеристики, описывающие их двулучепреломляющие свойства: длина биений и параметр удержания (H). Хотя эти измерения сложны, они имеют решающее значение для описания того, насколько хорошо волокна сохраняют два режима поляризации.

Две оси поляризационно-сохраняющего волокна обычно называют «медленной осью» и «быстрой осью» из-за различий в показателях преломления. Это означает, что фазовые скорости световых волн в двух режимах поляризации будут различаться. Разница фазовых скоростей между двумя режимами поляризации измеряется длиной биений. Более высокое двулучепреломление и большее расстояние между двумя режимами являются результатом меньшей длины биений.

Измерения длины биений в оптоволоконных кабелях с постоянной поляризацией  варьируются от нескольких сантиметров до менее чем миллиметра. Для гироскопов длина биений в 2 мм широко доступна и часто используется. Длина биений стандартных одномодовых волокон, используемых в телекоммуникационных приложениях, выражается в метрах. Измерения анализируются и приводятся для конкретных длин волн, поскольку длина биений, как и другие оптические параметры, зависит от длины волны.

Коэффициент поляризационного затухания на единицу длины называется H-параметром. Он используется для описания того, насколько успешно волокно сохраняет поляризацию вдоль одной оси на своей длине. Для расчета H-параметра используются стандартные методы оценки поляризационных перекрестных помех. И снова, на определенных длинах волн измерения выражаются как изменение оптической мощности, передаваемой по одной оси на единицу длины волокна.

Как добиться двойного преломления

Специальные формы, или суперабсорбционные слои (SAP), которые «встраиваются» в процессе создания заготовки, вызывают двойное лучепреломление. Как и остальная часть волокна, суперабсорбционные слои изготавливаются из стекла на основе диоксида кремния, но содержат добавки с различными коэффициентами теплового расширения (КТР). Суперабсорбционные слои охлаждаются и сжимаются с различной скоростью по мере вытягивания и охлаждения волокна, что приводит к постоянному напряжению в стекле.

Существует три коммерческих типа поляризационно-сохраняющих волокон (ПСВ), использующих суперабсорбенты (САП): волокна типа PANDA, «бабочка» и эллиптические волокна с напряженным слоем. Вместо САП, эллиптические волокна, четвертый тип, используют двулучепреломление формы. Двулучепреломление может быть достигнуто различными способами. Одним из примеров является использование продольных зазоров или воздушных отверстий в фотонно-кристаллических волокнах. Многие производители гироскопов, других датчиков и телекоммуникационных компонентов предпочитают типы PANDA и «бабочка», которые используются чаще всего.