Введение в поляризацию

Когда свет проходит через точку в пространстве, направление и амплитуда вибрирующего электрического поля прокладывают путь во времени. Поляризованный световой сигнал представлен векторами электрического и магнитного полей, которые лежат под прямым углом друг к другу в поперечной плоскости (плоскости, перпендикулярной направлению движения). Поляризация определяется в терминах рисунка, прочерченного в поперечной плоскости вектором электрического поля как функцией времени.

Поляризация может быть классифицирована как линейная, эллиптическая или круговая, в них линейная поляризация является самой простой. Любая поляризация может быть проблемой при передаче по оптоволокну.

Все больше телекоммуникационных и волоконно-оптических измерительных систем ссылаются на устройства, которые анализируют интерференцию двух оптических волн. Информация, предоставляемая интерференцией, не может быть использована, если объединенная амплитуда не стабильна во времени, что означает, что волны находятся в одном и том же состоянии поляризации. В этих случаях необходимо использовать волокна, которые передают стабильное состояние поляризации. И для этой проблемы было разработано волокно, сохраняющее поляризацию. (В дальнейшем волокно, сохраняющее поляризацию, будет кратко называться волокном PM.)

Что такое PM-волокно?

Поляризация света, распространяющегося в волокне, постепенно изменяется неконтролируемым (и зависящим от длины волны) образом, который также зависит от любого изгиба волокна и его температуры. Для достижения оптических характеристик требуются специальные волокна, на которые влияет поляризация света, проходящего через волокно. Многие системы, такие как волоконные интерферометры и датчики, волоконные лазеры и электрооптические модуляторы, также страдают от поляризационно-зависимых потерь (PDL), которые могут влиять на производительность системы. Эту проблему можно устранить, используя специальное волокно, так называемое PM-волокно .

Принцип работы PM-волокна

При условии, что поляризация света, запущенного в волокно, выровнена с одной из осей двойного лучепреломления, это состояние поляризации сохранится даже при изгибе волокна. Физический принцип, лежащий в основе этого, можно понять в терминах когерентной связи мод. Константы распространения двух поляризационных мод различны из-за сильного двойного лучепреломления, так что относительная фаза таких совместно распространяющихся мод быстро дрейфует. Поэтому любое возмущение вдоль волокна может эффективно связать обе моды, только если оно имеет значительный пространственный компонент Фурье с волновым числом, которое соответствует разнице констант распространения двух поляризационных мод. Если эта разница достаточно велика, обычные возмущения в волокне слишком медленно изменяются, чтобы осуществить эффективную связь мод. Поэтому принцип PM-волокна заключается в том, чтобы сделать разницу достаточно большой.

В наиболее распространенных телекоммуникационных приложениях оптоволокна PM-волокно используется для направления света в линейно поляризованном состоянии из одного места в другое. Для достижения этого результата необходимо соблюсти несколько условий. Входной свет должен быть сильно поляризован, чтобы избежать запуска как медленных, так и быстрых осевых мод, состояния, при котором выходное состояние поляризации непредсказуемо.

Электрическое поле входного света должно быть точно выровнено с главной осью (медленная ось по отраслевой конвенции) волокна по той же причине. Если соединительный кабель PM-волокна состоит из сегментов волокна, соединенных волоконно-оптическими соединителями или сращиваниями, то выравнивание вращения сопряженных волокон имеет решающее значение. Кроме того, соединители должны быть установлены на волокнах PM таким образом, чтобы внутренние напряжения не вызывали проецирования электрического поля на непреднамеренную ось волокна.

Типы ПМ-волокон

Круглые ПМ-волокна

Можно ввести круговое двупреломление в волокно так, чтобы две ортогонально поляризованные моды волокна — так называемое круговое PM-волокно — были кругово поляризованы по часовой стрелке и против часовой стрелки. Наиболее распространенный способ достижения кругового двупреломления в круглом (осесимметричном) волокне — это скручивание его для создания разницы между константами распространения основных мод с круговой поляризацией по часовой стрелке и против часовой стрелки. Таким образом, эти две круговые поляризационные моды развязываются. Также можно представить себе внешнее приложенное напряжение, направление которого изменяется азимутально вдоль длины волокна, вызывая круговое двупреломление в волокне. Если волокно скручено, вводится крутильное напряжение, которое приводит к оптической активности пропорционально скручиванию.

Круговое двулучепреломление также может быть получено, если сердцевина волокна будет следовать по спиральной траектории внутри оболочки. Это заставляет распространяющийся свет, вынужденный двигаться по спиральной траектории, испытывать оптическое вращение. Достигнутое двулучепреломление достигается только за счет геометрических эффектов. Такие волокна могут работать как одномодовые и испытывать большие потери в модах высокого порядка.

Круглое ПМ-волокно со спиральным сердечником находит применение в измерении электрического тока с помощью эффекта Фарадея. Волокна были изготовлены из композитных стержневых и трубчатых заготовок, где спираль образована путем вращения заготовки в процессе вытяжки волокна.

Линейные ПМ-волокна

Существует два типа линейных PM-волокон: однополяризационный и двулучепреломляющий. Однополяризационный тип характеризуется большой разницей в потерях при передаче между двумя поляризациями основной моды. А двулучепреломляющий тип волокна таков, что константы распространения между двумя поляризациями основной моды существенно различаются. Линейная поляризация может поддерживаться с использованием различных конструкций волокон, которые рассматриваются далее.

Линейные ПМ-волокна с боковыми ямками и боковыми туннелями

Волокна с боковыми ямками включают две ямки с показателем преломления, меньшим, чем показатель преломления оболочки, с каждой стороны центрального сердечника. Этот тип волокна имеет профиль показателя преломления типа W вдоль оси x и ступенчатый профиль показателя преломления вдоль оси y. Волокно с боковыми туннелями является особым случаем структуры с боковыми ямками. В этих линейных волокнах PM геометрическая анизотропия вводится в сердечник для получения двулучепреломляющих волокон.

Линейные ПМ-волокна с деталями, подвергающимися напряжению

Эффективным методом введения высокого двулучепреломления в оптические волокна является введение асимметричного напряжения с двукратной геометрической симметрией в сердцевину волокна. Напряжение изменяет показатель преломления сердцевины из-за фотоупругого эффекта, наблюдаемого модами, поляризованными вдоль главных осей волокна, и приводит к двулучепреломлению. Требуемое напряжение достигается путем введения двух идентичных и изолированных частей приложения напряжения (SAP), расположенных в области оболочки на противоположных сторонах сердцевины. Таким образом, никакая паразитная мода не распространяется через SAP, пока показатель преломления SAP меньше или равен показателю преломления оболочки.

Наиболее распространенными формами, используемыми для SAP, являются: форма бабочки и круглая форма. Эти волокна соответственно называются волокном Bow-tie и волокном PANDA . Поперечные сечения этих двух типов волокон показаны на рисунке ниже. Модальное двулучепреломление, вносимое этими волокнами, представляет собой как геометрическое, так и вызванное напряжением двулучепреломление. В случае волокна с круглой сердцевиной геометрическое двулучепреломление пренебрежимо мало. Было показано, что размещение SAP близко к сердцевине улучшает двулучепреломление этих волокон, но они должны быть размещены достаточно близко к сердцевине, чтобы потери волокна не увеличивались, особенно с учетом того, что SAP легированы материалами, отличными от кремния. Волокно PANDA было дополнительно улучшено для достижения высокого модального двулучепреломления, очень низких потерь и низких перекрестных помех.

PANDA Fiber (слева) и Bow-tie Fiber (справа). Встроенные стрессовые элементы, выполненные из другого типа стекла, показаны более темным серым тоном.

Советы: В настоящее время самым популярным PM-волокном в отрасли является круглое волокно PANDA. Одним из преимуществ волокна PANDA перед большинством других PM-волокон является то, что размер сердцевины волокна и числовая апертура совместимы с обычным одномодовым волокном. Это обеспечивает минимальные потери в устройствах, использующих оба типа волокон.

Линейные ПМ-волокна с эллиптическими структурами

Первое предложение по практическому однополяризационному волокну с низкими потерями было экспериментально изучено для трех структур волокон: волокна с эллиптическим сердечником, эллиптической оболочкой и эллиптической оболочкой. Ранние исследования волокон с эллиптическим сердечником касались расчета двулучепреломления поляризации. На первом этапе характеристики распространения прямоугольных диэлектрических волноводов использовались для оценки двулучепреломления волокон с эллиптическим сердечником. В первом эксперименте с волокном PM было изготовлено волокно с сердечником в форме гантели. Длина биений может быть уменьшена за счет увеличения разности показателей преломления сердцевины и оболочки. Однако разность показателей не может быть увеличена слишком сильно из-за практических ограничений. Увеличение разности показателей увеличивает потери при передаче, и сращивание станет затруднительным, поскольку радиус сердцевины должен быть уменьшен. Типичные значения двулучепреломления для волокна с эллиптической сердцевиной выше, чем для волокна с эллиптической оболочкой. Однако потери в эллиптическом сердечнике были выше, чем потери в волокнах с эллиптической оболочкой.

Линейные PM-волокна с модуляцией показателя преломления

Одним из способов увеличения полосы пропускания однополяризационного волокна, которое разделяет длину волны отсечки двух ортогональных основных мод, является выбор профиля показателя преломления, который позволяет только одному состоянию поляризации находиться в состоянии отсечки. Высокое двулучепреломление было достигнуто путем введения азимутальной модуляции показателя преломления внутренней оболочки в трехслойном эллиптическом волокне. Для анализа трехслойного эллиптического волокна был использован подход возмущения, предполагающий волновод с прямоугольной сердцевиной в качестве опорной структуры. Исследование двулучепреломления в трехслойных эллиптических волокнах показало, что правильная азимутальная модуляция показателя преломления внутренней оболочки может увеличить двулучепреломление и расширить диапазон длин волн для работы с одной поляризацией.

Профиль показателя преломления называется профилем Butterfly . Это асимметричный профиль W, состоящий из однородного сердечника, окруженного оболочкой, в которой профиль имеет максимальное значение ncl и изменяется как радиально, так и азимутально, с максимальной депрессией вдоль оси x. Этот профиль имеет два атрибута для реализации одномодовой однополяризационной операции. Во-первых, профиль не симметричен, что делает константы распространения двух ортогональных основных мод разнородными, а во-вторых, депрессия внутри оболочки гарантирует, что каждая мода имеет граничную длину волны. Волокно Butterfly является слабонаправляющим, поэтому модальные поля и константы распространения можно определить из решений скалярного волнового уравнения. Решения включают тригонометрические функции и функции Матье, описывающие зависимость поперечных координат в сердечнике и оболочке волокна. Эти функции не ортогональны друг другу, что требует бесконечного набора каждой из них для описания модальных полей в различных областях и удовлетворения граничных условий. Сгенерированные графики геометрического двупреломления в зависимости от нормализованной частоты V показали, что увеличение асимметрии через глубину депрессии показателя преломления вдоль оси x увеличивает максимальное значение двупреломления и значение V, при котором это происходит. Пиковое значение двупреломления является характеристикой некруглых волокон. Модовое двупреломление можно увеличить, введя анизотропию в волокно, которую можно описать, приписав различные профили показателя преломления двум поляризациям моды. Геометрическое двупреломление меньше анизотропного двупреломления. Однако депрессия в оболочке профиля бабочки дает две поляризации основных длин волн отсечки моды, которые разделены окном длин волн, в котором возможна работа в режиме однополяризационного одномода.

Применение ПМ-волокон

Волокна PM применяются в устройствах, где нельзя допускать дрейфа состояния поляризации, например, в результате изменения температуры. Примерами являются волоконные интерферометры и некоторые волоконные лазеры. Недостатком использования таких волокон является то, что обычно требуется точное выравнивание направления поляризации, что делает производство более громоздким. Кроме того, потери распространения выше, чем у стандартного волокна, и не все виды волокон легко получить в форме, сохраняющей поляризацию.

Волокна PM используются в специальных приложениях, таких как оптоволоконное зондирование, интерферометрия и распределение квантового ключа. Они также широко используются в телекоммуникациях для соединения исходного лазера и модулятора, поскольку модулятору требуется поляризованный свет в качестве входного сигнала. Они редко используются для передачи на большие расстояния, поскольку волокно PM дорогое и имеет более высокое затухание, чем одномодовое волокно.

Решение Fiber-Mart PM Fiber: коммутационные кабели PM Fiber

Волоконно-оптические кабели PM от Fiber-Mart основаны на высокоточной технологии стыкового соединения. Ориентация оси PM поддерживается с помощью штыревых разъемов с позиционирующим ключом и гнездового разъема переборки с жестко допущенным шпоночным пазом, что обеспечивает хорошую повторяемость коэффициентов затухания и вносимых потерь.

Требования к использованию ПМ-волокон

Оконцевание: Когда волокна PM оканчиваются волоконными соединителями, очень важно, чтобы стержни для снятия напряжений совпадали с соединителем, обычно совпадая с ключом соединителя .

Сращивание: PM-волокно также требует большой осторожности при сращивании. Не только выравнивание по осям X, Y и Z должно быть идеальным, когда волокно сплавляется вместе, но и выравнивание вращения также должно быть идеальным, чтобы стержни напряжения точно совпадали.

Другим требованием является то, что условия ввода на торце оптического волокна должны соответствовать направлению поперечной большой оси сечения волокна.

Более подробную информацию о волоконно-оптических кабелях Fibermart PM можно найти здесь.

 

Рекомендуемые продукты

Волоконно-оптические кабели в бухтах OM3 и OM4, плотный буфер, внутренние и наружные, LSZH, Figure8, ADSS волоконно-оптические кабели

Волоконно-оптические соединительные кабели 10G соединительный кабель, одномодовый, многомодовый, бронированный, магистральные кабели MTP/MPO, пигтейлы

Модули оптоволоконных трансиверов SFP, SFP+, XFP, XENPAK, DWDM, CWDM, 40G QSFP+ и CFP-модули