Polarisationserhaltende Faser: Grundprinzipien und Industrieanwendungen

Stellen Sie sich vor, Licht bewegt sich durch eine optische Faser wie Wasser, das durch ein Rohr fließt. Konventionelle Fasern ähneln einem sich schlängelnden Fluss, bei dem sich die Richtung des Wassers aufgrund verschiedener Einflüsse ändert. Polarisationserhaltende Fasern (PMF) funktionieren jedoch wie ein gerader Aquädukt, der sicherstellt, dass die Richtung des Wassers konstant bleibt. Diese spezialisierte Faser spielt eine entscheidende Rolle in Anwendungen, die eine strenge Polarisationskontrolle erfordern.

Um PMF zu verstehen, müssen wir zunächst die Polarisationseigenschaften des Lichts untersuchen. Als elektromagnetische Welle weist Licht elektrische und magnetische Feldschwingungen senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung auf. Wenn diese elektrischen Feldschwingungen zufällig auftreten – wie bei Sonnenlicht oder Glühlampen – ist das Licht unpolarisiert. Wenn Schwingungen auf eine bestimmte Ebene beschränkt sind, wird das Licht polarisiert.

Stellen Sie sich Lichtwellen als ein Seil vor: Unpolarisiertes Licht ähnelt zufälligem Seilzittern mit unterschiedlichen Schwingungsrichtungen, während polarisiertes Licht dem Zittern entlang einer einzigen festen Achse ähnelt.

Theoretisch sollten herkömmliche Fasern mit kreisförmigem Kern keine Doppelbrechung aufweisen und die konstante Polarisation während der Lichtübertragung beibehalten. Herstellungsfehler und äußere Faktoren wie Spannung, Biegung und Temperaturänderungen führen jedoch zu Doppelbrechung und stören die Polarisationszustände.

PMF begegnet dieser Herausforderung durch gezieltes Design. Durch die Einbeziehung kontrollierter Doppelbrechung gleichen diese Fasern äußere Störungen aus und erhalten den ursprünglichen Polarisationszustand während der gesamten Übertragung. Anstatt die Doppelbrechung zu eliminieren, manipuliert PMF strategisch die Fasergeometrie, um spannungsinduzierte Polarisationsänderungen zu minimieren – wodurch Lichtwellen effektiv vor Störungen geschützt werden.

Basierend auf den Mechanismen zur Erzeugung von Doppelbrechung unterteilt sich PMF in zwei Hauptkategorien:

Dieser Typ erzeugt Doppelbrechung durch asymmetrische Kernformen. Die häufigste Variante – PMF mit elliptischem Kern – weist eine unsymmetrische Kerngeometrie auf, die unterschiedliche Lichtausbreitungsgeschwindigkeiten entlang orthogonaler Achsen erzeugt und so Doppelbrechung erzeugt. Diese Fasern dienen speziellen Anwendungen.

Spannungsinduzierte PMF, die häufiger vorkommt als geometrische Typen, führt Doppelbrechung durch interne Spannungsmechanismen ein. Unterkategorien umfassen:

Unter diesen zeigt Panda-PMF eine überlegene Doppelbrechung, geometrische Eigenschaften, strukturelle Symmetrie und Längsgleichmäßigkeit. Sein segmentierter Herstellungsprozess ermöglicht eine präzise Bauteilsteuerung, sodass einzelne Vorformen Zehn- oder Hunderttausende von Kilometern gleichmäßiger PMF produzieren können – was es zum Industriestandard für die Großserienproduktion macht.

Das Verständnis dieser Spezifikationen gewährleistet die richtige PMF-Auswahl:

Während der PMF-Herstellung werden zwei spannungsbeaufschlagende Bereiche mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten neben dem Kern erzeugt. Wenn die Faser von den Ziehtemperaturen abkühlt, ziehen sich diese Bereiche unterschiedlich zusammen und erzeugen axiale Spannung. Dies erzeugt Doppelbrechung mit zwei orthogonalen Achsen:

• Langsame Achse: Höherer effektiver Brechungsindex, langsamere Lichtausbreitung (primäre Polarisationsachse)
• Schnelle Achse: Niedrigerer Brechungsindex, schnellere Lichtausbreitung

Dieser Parameter stellt die Faserlänge dar, die erforderlich ist, damit der komplexe Polarisationszustand des übertragenen Lichts eine vollständige periodische Variation durchläuft. Physikalisch entspricht dies der Länge, bei der die Phasendifferenz zwischen zwei orthogonalen Polarisationsmoden 2π erreicht. Kürzere Beatlängen weisen auf eine stärkere Polarisationserhaltung hin.

Beim Ausrichten von polarisiertem Licht mit einer der Hauptachsen koppelt sich nur minimale Leistung an die orthogonale Achse. Das Extinktionsverhältnis quantifiziert diese Polarisationserhaltungsqualität als das Verhältnis zwischen der Leistung in der beabsichtigten Polarisationsachse und der orthogonalen Achse. Höhere Verhältnisse weisen auf eine überlegene Polarisationserhaltung hin.

Die PMF-Funktionalität beruht auf präzisem Polarisationsmodenkoppeln und -ausrichten, das durch spezielle Schlüsselung von Steckverbindern erreicht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Faser-Jumpern behält PMF lineare Polarisationszustände während der Übertragung bei, wodurch das kohärente Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und hochpräzise physikalische Messungen ermöglicht werden.

PMF-Steckverbinder sind entscheidend für das Koppeln von Fasern, während sie Polarisationszustände erhalten und hohe Extinktionsverhältnisse beibehalten. Dies erfordert eine exakte Ausrichtung der langsamen oder schnellen Achsen zwischen verbundenen Fasern, um die Winkel-(θ)-Fehlausrichtung zu minimieren. Der Polarisationserhaltungswinkel und das Extinktionsverhältnis bestimmen gemeinsam die Verbindungsqualität.

Der ordnungsgemäße PMF-Einsatz erfordert die Beachtung mehrerer Faktoren:

1. Abschluss: Der Anschluss des Steckers erfordert eine präzise Ausrichtung der Spannungsstäbe, die typischerweise mit geschlüsselten Steckern erreicht wird.
2. Fusionsspleißen: Das PMF-Spleißen erfordert eine perfekte X/Y/Z-Ausrichtung sowie eine Rotationsausrichtung, um die Übereinstimmung der Spannungsstäbe sicherzustellen.
3. Konsistenz: Die Startbedingungen müssen mit der Querhauptachsenorientierung der Faser übereinstimmen.

PMF enthält Spannungsbereiche oder asymmetrische Kerne, um die Polarisationsmodenkopplung zu minimieren, im Gegensatz zu herkömmlichen Singlemode-Fasern.

PMF ist unerlässlich für kohärente optische Kommunikation, Fasersensoren, Interferometer, Quantenoptik und Präzisionsmesssysteme.

Eine präzise Ausrichtung der schnellen/langsamen Achse minimiert Polarisationsverluste und erhält hohe Extinktionsverhältnisse.

Polarisationserhaltende Faser stellt einen Durchbruch in der optischen Technologie dar und löst kritische Herausforderungen der Polarisationsstabilität bei der Langstrecken-Lichtübertragung. Mit außergewöhnlichen Leistungseigenschaften und vielfältigen Anwendungen ermöglicht PMF Fortschritte in der Datenübertragung, Präzisionssensorik und anspruchsvollen optischen Systemen. Laufende Forschung verspricht weitere PMF-Verfeinerungen und ebnet den Weg für zuverlässigere und anspruchsvollere optische Lösungen.