Что такое оптоволоконный патч-корд PM?

Что такое оптоволоконный патч-корд, сохраняющий поляризацию?

Волоконно  -оптический патч-корд с сохранением поляризации  (часто сокращенно именуемый патч-кордом PM или волоконно-оптическим патч-кордом) — это специализированный тип одномодового оптоволоконного кабеля, предназначенный для сохранения состояния линейной поляризации распространяющегося по нему света.

В стандартных одномодовых волокнах поляризация света не ограничена и может случайным образом изменяться из-за изгибов, скручиваний и дефектов волокна. Это приемлемо для многих приложений, например, телекоммуникаций. Однако в приложениях, где состояние поляризации критически важно (например, в интерферометрии, электрооптической модуляции или квантовой оптике), такие случайные изменения создают проблемы.

Как это работает?

Фундаментальная функция волокна с сохранением поляризации (PM) основана на намеренном создании и управлении двулучепреломлением внутри волокна для «фиксации» состояния поляризации света. Ниже приведено пошаговое описание принципа работы:

Основная проблема

В идеальном одномодовом волокне с идеальной круговой симметрией состояние поляризации света сохраняется. Однако в реальности микроскопические дефекты, изгибы и скручивания действуют как случайные точки связи. Эти точки вызывают переход энергии из одной моды поляризации в ортогональную моду, нарушая состояние поляризации. Это называется случайной поляризационной связью.

Решение PM Fiber

Вместо того, чтобы пытаться полностью устранить асимметрию, PM-волокно разработано с сильной, контролируемой и постоянной асимметрией. Это создаёт значительное, преднамеренное двойное лучепреломление.

Двулучепреломление — это свойство материала иметь разный показатель преломления в зависимости от направления поляризации проходящего через него света. В волокне с фазовым поляризатором это означает, что свет, поляризованный вдоль одной оси, имеет другой показатель преломления, чем свет, поляризованный вдоль перпендикулярной оси.

Механизм

Наиболее распространённый метод создания такого двойного лучепреломления — это двойное лучепреломление, вызванное напряжением. Это достигается путём использования двух компонентов, создающих напряжение (SAP), изготовленных из стекла с коэффициентом теплового расширения (например, боросиликатного стекла), отличным от коэффициента теплового расширения оболочки из чистого кварца. Эти компоненты размещаются симметрично по обе стороны от сердечника в процессе изготовления заготовки волокна.

Процесс охлаждения

После расплавления заготовки и вытягивания её в волокно она охлаждается. САП, предназначенные для сжатия, превышающего сжатие окружающей кварцевой оболочки при охлаждении, создают постоянное асимметричное механическое напряжение, «замороженное» в волокне. Это поле напряжений непосредственно воздействует на сердцевину, изменяя её показатель преломления посредством фотоупругого эффекта.

Определение осей

Асимметричное поле напряжений создает две отдельные перпендикулярные оптические оси, вдоль которых распространяется свет:

Медленная ось:  ось, параллельная линии, соединяющей два слоя SAP. Сжимающее напряжение увеличивает показатель преломления вдоль этой оси. Поскольку скорость света в среде v = c/n, более высокий показатель преломления (n) означает более низкую скорость света. Свет, поляризованный вдоль этой оси, распространяется медленнее.

Быстрая ось:  ось, перпендикулярная линии, соединяющей SAP. Напряжение здесь приводит к снижению показателя преломления. Свет, поляризованный вдоль этой оси, имеет более высокую скорость.

Как поддерживается поляризация:

Когда линейно поляризованный свет вводится в волокно и точно выровнен по одной из этих осей (например, по медленной оси), вступает в силу фундаментальный принцип:

Большое преднамеренное двулучепреломление создаёт значительное рассогласование фазовых скоростей между двумя осями. Для того чтобы свет передал энергию с одной оси на другую, «возмущение» (например, изгиб) должно обеспечить импульс, достаточный для компенсации этого рассогласования скоростей. Поскольку встроенное двулучепреломление настолько сильно, случайные изгибы и скручивания в волокне слишком слабы для обеспечения необходимого взаимодействия. Таким образом, свет остаётся строго ограниченным своей исходной осью распространения.

Почему мы это используем?

Оптоволоконный патч-корд с сохранением поляризации не используется для передачи сигналов общего назначения. Это специализированный компонент, применяемый в особых ситуациях, где управление состоянием поляризации света не просто полезно, но и необходимо для обеспечения базовой функциональности системы. Его использование обусловлено требованиями точности и стабильности.

Вот причины, по которым предпочтительнее использовать оптоволоконный соединительный кабель PM :

Для устранения поляризационно-зависимого замирания (PDF) в интерферометрических системах

В таких приложениях, как волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) и интерферометрические датчики, световые волны распространяются по двум путям, а затем интерферируют друг с другом. Интерференционный контраст (видимость) максимален только при идентичности состояний поляризации двух волн. Стандартное волокно вызывает случайный дрейф поляризации, что приводит к флуктуирующему интерференционному сигналу, который может полностью затухнуть — явление, известное как затухание, зависящее от поляризации. Это разрушает измерительный сигнал. Использование PM-волокна гарантирует идентичность состояния поляризации в обоих путях интерферометра, поддерживая сильный и стабильный интерференционный сигнал, что является основой для точных измерений вращения или измерения датчиков.

Для обеспечения максимальной эффективности в поляризационно-чувствительных устройствах

Характеристики многих фотонных компонентов неразрывно связаны с поляризацией входящего света. Например:

Электрооптические модуляторы (ЭОМ) / акустооптические модуляторы (АОМ): их эффективность модуляции достигает максимальной, когда входной свет поляризован вдоль определённой оси кристалла. Неконтролируемая поляризация приводит к неравномерной и уменьшенной глубине модуляции.

Нелинейные кристаллы (например, для генерации второй гармоники — SHG): процесс удвоения частоты сильно зависит от поляризации. Эффективное преобразование будет происходить только для света с правильной поляризацией.

Патч-кабель PM подает свет со стабильным, известным состоянием поляризации, непосредственно совмещенным с предпочтительной осью устройства, что обеспечивает максимальную и стабильную производительность.

Для сохранения квантовой информации в квантовых приложениях

В экспериментах по квантовому распределению ключей (КРК) и квантовым вычислениям квантовые биты (кубиты) часто кодируются в состояния поляризации отдельных фотонов (например, |0> для горизонтальной, |1> для вертикальной). Если поляризация фотона случайным образом меняется при прохождении через стандартное волокно, квантовая информация теряется, что приводит к ошибкам и уязвимостям безопасности. PM-волокно действует как «волновод» для состояния поляризации, гарантируя, что фотон, подготовленный в определённом квантовом состоянии, достигнет детектора в том же состоянии, сохраняя точность квантовой информации.

Для обеспечения принципа работы специализированных лазеров

Некоторые конструкции волоконных лазеров и усилителей требуют поляризованного источника накачки или генерации поляризованного выходного излучения для предотвращения нежелательных нелинейных эффектов или для использования в сочетании с другими компонентами, чувствительными к поляризации. PM-волокно используется внутри самого резонатора лазера, чтобы заставить лазер работать в одной поляризационной моде, что обеспечивает высокостабильный поляризованный выходной пучок.

Основным компромиссом является стоимость и удобство использования: PM-волокно и его компоненты значительно дороже и требуют тщательного выравнивания вращения во время соединения, что не требуется для ст