Оптическое волокно с сохранением поляризации - Polarization-maintaining optical fiber

Изображение поперечного сечения оптоволоконного коммутационного шнура с сохранением поляризации, полученное с помощью микроскопа с подсветкой, называемого фиброскопом . Два маленьких, похожих на глаза кружочка - это стержни напряжения, а крошечный кружок между ними - ядро. Окружающий их больший круг - это оболочка, обычно диаметром 125 микрон .

В волоконной оптике , сохранением поляризации оптического волокна ( PMF или ПМ волокна ) представляет собой одномодовое оптическое волокно , в котором линейно поляризованный свет , если должным образом в волокно, поддерживает линейную поляризацию во время распространения , выходящий из волокна в конкретной линейной поляризации штат; перекрестная связь оптической мощности между двумя модами поляризации незначительна или отсутствует . Такое волокно используется в специальных приложениях, где важно сохранять поляризацию.

Перекрестные помехи поляризации

В обычном (не поддерживающем поляризацию) волокне две поляризационные моды (например, вертикальная и горизонтальная поляризация) имеют одинаковую номинальную фазовую скорость из-за круговой симметрии волокна. Однако крошечные количества случайного двойного лучепреломления в таком волокне или изгиб волокна вызовут крошечные перекрестные помехи от вертикальной к горизонтальной поляризационной моде. А поскольку даже короткий участок волокна, к которому может применяться крошечный коэффициент связи, имеет длину во многие тысячи длин волн, даже эта небольшая связь между двумя модами поляризации, приложенная когерентно, может привести к передаче большой мощности в горизонтальную моду, полностью меняет чистое состояние поляризации волны. Поскольку этот коэффициент связи был непреднамеренным и являлся результатом произвольного напряжения или изгиба, приложенного к волокну, выходное состояние поляризации само по себе будет случайным и будет изменяться по мере изменения этих напряжений или изгибов; он также будет зависеть от длины волны.

Принцип действия

Волокна с сохранением поляризации работают за счет намеренного введения в волокно систематического линейного двойного лучепреломления , так что есть две четко определенные поляризационные моды, которые распространяются вдоль волокна с очень разными фазовыми скоростями. Длина биений L b такого волокна (для конкретной длины волны) - это расстояние (обычно несколько миллиметров), на котором волна в одной моде будет испытывать дополнительную задержку на одну длину волны по сравнению с другой модой поляризации. Таким образом, длина L b / 2 такого волокна эквивалентна полуволновой пластине . Теперь представьте, что на значительной длине такого волокна может иметь место случайная связь между двумя состояниями поляризации. В точке 0 вдоль волокна волна в поляризационной моде 1 индуцирует амплитуду в моде 2 на некоторой фазе. Однако в точке 1/2 L b вдоль волокна тот же коэффициент связи между модами поляризации индуцирует амплитуду в моде 2, которая теперь на 180 градусов не совпадает по фазе с волной, связанной в нулевой точке, что приводит к подавлению . В точке L b вдоль волокна связь снова находится в исходной фазе, но на 3/2 L b она снова не в фазе и так далее. Таким образом, исключается возможность когерентного сложения амплитуд волн через перекрестные помехи на расстояниях, намного превышающих L b . Большая часть мощности волны остается в исходной поляризационной моде и выходит из волокна в поляризации этой моды, поскольку она ориентирована на конце волокна. Оптоволоконные соединители, используемые для PM-волокон, имеют специальные ключи, так что две поляризационные моды выровнены и выходят в определенной ориентации.

Обратите внимание, что волокно с сохранением поляризации не поляризует свет, как поляризатор . Скорее, PM-волокно поддерживает линейную поляризацию линейно поляризованного света при условии, что он попадает в волокно, совмещенное с одной из мод поляризации волокна. Запуск линейно поляризованного света в волокно под другим углом будет возбуждать обе поляризационные моды, проводя одну и ту же волну с немного разными фазовыми скоростями. В большинстве точек вдоль волокна результирующая поляризация будет в эллиптически поляризованном состоянии с возвратом к исходному состоянию поляризации после целого числа длин биений. Следовательно, если видимый лазерный свет попадает в волокно, возбуждающее обе поляризационные моды, наблюдается рассеяние распространяющегося света при взгляде сбоку с периодическим световым и темным узором на каждой длине биений, поскольку рассеяние предпочтительно перпендикулярно направлению поляризации.

Дизайн

Поперечные сечения трех типов ПМ волокна.

Для создания двулучепреломления в волокне используется несколько различных конструкций. Волокно может быть геометрически асимметричным или иметь профиль показателя преломления, который является асимметричным, например, конструкция с использованием эллиптической оболочки, как показано на схеме. В качестве альтернативы, напряжение, постоянно индуцированное в волокне, вызовет двойное лучепреломление под напряжением ; это может быть выполнено с помощью стержней из другого материала, включенных в оболочку. Используются стержни нескольких различных форм, и полученное волокно продается под торговыми марками, такими как «PANDA» и «Bow-tie». («ПАНДА» относится к сходству поперечного сечения волокна с лицом панды , а также является аббревиатурой от «Сохранение поляризации И уменьшение поглощения».)

Можно создать оптическое волокно с двойным лучепреломлением по окружности, просто используя обычное (симметричное по окружности) одномодовое волокно и скручивая его, создавая таким образом внутреннее напряжение кручения. Это приводит к значительному различию фазовой скорости правой и левой круговых поляризаций. Таким образом, две круговые поляризации распространяются с небольшими перекрестными помехами между ними.

Приложения

Оптические волокна с сохранением поляризации используются в специальных приложениях, таких как оптоволоконное зондирование , интерферометрия и распределение квантовых ключей . Они также обычно используются в телекоммуникациях для связи между лазером- источником и модулятором , поскольку модулятор требует в качестве входа поляризованного света. Они редко используются для передачи на большие расстояния, потому что PM-волокно дорогое и имеет более высокое затухание, чем одномодовое волокно . Еще одно важное применение - волоконно-оптические гироскопы , которые широко используются в аэрокосмической промышленности.

Выход PM-волокна обычно характеризуется его коэффициентом ослабления поляризации (PER) - отношением правильно поляризованного света к неправильно поляризованному, выражаемым в децибелах . Качество патчкордов и пигтейлов PM можно охарактеризовать с помощью измерителя PER . Хорошие PM-волокна имеют коэффициент ослабления более 20 дБ.

использованная литература

  1. ^ Картер, Адриан; Самсон, Брайс (август 2004 г.). «Волокна типа PANDA выходят за рамки телекоммуникаций». Laser Focus World .

внешние ссылки