Anwendungen von polarisationserhaltenden Fasern und neue Trends

Im sich rasch entwickelnden Bereich der Glasfaserkommunikation ist eine stabile Signalübertragung von größter Bedeutung. Als primäres Medium für den Informationstransfer beeinflussen optische Fasern direkt die Systemleistung. Umweltfaktoren können jedoch den Polarisationszustand des Lichts während der Übertragung verändern und so die Signalintegrität beeinträchtigen. Polarisationserhaltende Fasern (PM-Fasern) begegnen dieser Herausforderung durch spezielle Konstruktion.

Als elektromagnetische Welle weisen Licht elektrische und magnetische Felder auf, die senkrecht zueinander schwingen. Die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes bestimmt den Polarisationszustand, der sich in verschiedenen Formen manifestiert:

• Lineare Polarisation: Das elektrische Feld schwingt entlang einer festen Achse
• Zirkulare Polarisation: Der Feldvektor rotiert gleichmäßig und beschreibt einen helixförmigen Pfad
• Elliptische Polarisation: Der Feldvektor variiert sowohl in der Größe als auch in der Ausrichtung
• Unpolarisiertes Licht: Zufällige Feldvektororientierung

Ideale Singlemode-Fasern sollten zwei orthogonale Polarisationsmoden identisch ausbreiten. Fertigungsfehler, Biegungen und Temperaturschwankungen erzeugen Unterschiede in der Ausbreitungsgeschwindigkeit zwischen den Moden – ein Phänomen, das als Polarisationsmoden-Dispersion (PMD) bezeichnet wird. Dieser Effekt verbreitert optische Impulse und begrenzt die Übertragungsraten und -entfernungen.

Zusätzlich verursacht polarisationsabhängiger Verlust (PDL) in optischen Komponenten eine ungleiche Dämpfung für verschiedene Polarisationszustände, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verringert wird. Die konstruierte Doppelbrechung von PM-Fasern minimiert diese Effekte, indem sie die Eingangspolarisation während der gesamten Übertragung beibehält.

Bestimmte Materialien weisen unterschiedliche Brechungsindizes für verschiedene Polarisationsrichtungen auf – eine Eigenschaft, die als Doppelbrechung bezeichnet wird. PM-Fasern nutzen eine hohe Doppelbrechung, um erhebliche Unterschiede in den Ausbreitungskonstanten zwischen den Polarisationsmoden zu erzeugen und so die Modenkopplung zu verhindern.

Zwei dominierende Designs erreichen die Polarisationserhaltung:

• PANDA-Faser: Verfügt über symmetrische spannungsanlegende Teile (SAPs), die den Kern flankieren. Mit Bor oder Germanium dotierte SAPs erzeugen während des Faserziehens thermische Ausdehnungsunterschiede, wodurch eine kontrollierte Spannungsdoppelbrechung induziert wird.
• Bow-Tie-Faser: Verwendet keilförmige Spannungsbereiche für eine höhere Doppelbrechung, jedoch mit komplexeren Fertigungsanforderungen.

Die Qualität von PM-Fasern wird durch mehrere Parameter quantifiziert:

• Extinktionsverhältnis: Misst die Fähigkeit zur Polarisationserhaltung
• Beatlänge: Entfernung, über die orthogonale Moden eine 2π-Phasendifferenz akkumulieren
• Doppelbrechungsbetrag: Brechungsindexdifferenz zwischen Polarisationsmoden
• Grenzwellenlänge: Minimale Wellenlänge für den Singlemode-Betrieb

Die Herstellung von PM-Fasern erfordert eine präzise Kontrolle über mehrere Parameter:

1. Vorformherstellung: Modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (MCVD) oder axiale Dampfabscheidung (VAD) erzeugt die Glasstruktur mit Spannungsbereichen
2. Faserziehen: Kontrolliertes Erhitzen und Ziehen wandelt Vorformen in Fasern mit gleichmäßigen Durchmessern um
3. Beschichtungsauftrag: Schützende Polymerschichten schützen das empfindliche Glas
4. Qualitätsprüfung: Überprüfung der optischen und mechanischen Eigenschaften

PM-Fasern ermöglichen Hochgeschwindigkeits-Langstreckenübertragung durch Minimierung von PMD. In kohärenten Kommunikationssystemen erhalten sie die Phaseninformationen, die für fortschrittliche Modulationsformate entscheidend sind.

Faseroptische Gyroskope und Stromsensoren verlassen sich auf PM-Fasern, um Polarisationszustände aufrechtzuerhalten, die für genaue Messungen von Rotation und Strom unerlässlich sind.

PM-Fasern gewährleisten eine stabile Polarisationsausgabe in Faserlasern, was Anwendungen von der Materialbearbeitung bis zur wissenschaftlichen Forschung zugute kommt. Modengekoppelte Laser erfordern insbesondere eine Polarisationskontrolle für die Erzeugung ultrakurzer Pulse.

Quantenschlüsselverteilungssysteme verwenden PM-Fasern, um die Polarisationszustände von Photonen zu erhalten, die Quanteninformationen für eine sichere Kommunikation codieren.

Der richtige Umgang mit PM-Fasern erfordert die Beachtung der Ausrichtung der Polarisationsachse während des Anschlusses und Spleißens. Zu den wichtigsten Verfahren gehören:

• Verriegelte Steckverbinder für eine präzise Ausrichtung
• Spezialisierte Fusionsspleißgeräte mit Polarisationsausrichtungsfunktionen
• Sorgfältige Vorbereitung der Faserendfläche

Zu den aufkommenden Trends in der PM-Fasertechnologie gehören:

• Miniaturisierung für kompakte photonische Geräte
• Verbesserte Leistung durch neuartige Materialien
• Strategien zur Kostensenkung für eine breitere Akzeptanz
• Spezialfasern für extreme Umgebungen
• Integrierte photonische Module, die mehrere Funktionen kombinieren

Führende Hersteller wie Corning, OFS und Fujikura produzieren verschiedene PM-Fasertypen und bieten Lösungen an, die auf unterschiedliche Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind. Spezialfaserunternehmen entwickeln weiterhin Innovationen mit fortschrittlichen Designs und kundenspezifischen Fähigkeiten.

Mit dem Fortschritt der photonischen Technologien werden polarisationserhaltende Fasern in der Telekommunikation, Sensorik, Quantensystemen und darüber hinaus eine zunehmend kritische Rolle spielen. Laufende Material- und Fertigungsinnovationen versprechen, die Leistungsgrenzen zu erweitern und gleichzeitig die Kosten zu senken, wodurch PM-Fasern weiterhin wesentliche Komponenten in optischen Systemen sind, die eine präzise Polarisationskontrolle erfordern.