Kluczowe Zasady Włókien Światłowodowych Utrzymujących Polaryzację i Zastosowania Przemysłowe

Wyobraź sobie światło podróżujące przez światłowód jak wodę płynącą przez rurę. Konwencjonalne włókno przypomina krętą rzekę, gdzie kierunek wody zmienia się pod wpływem różnych czynników. Jednak włókno utrzymujące polaryzację (PMF) działa jak prosty akwedukt, zapewniając stały kierunek wody. To specjalistyczne włókno odgrywa kluczową rolę w zastosowaniach wymagających ścisłej kontroli polaryzacji.

Aby zrozumieć PMF, musimy najpierw zbadać właściwości polaryzacji światła. Jako fala elektromagnetyczna, światło wykazuje oscylacje pola elektrycznego i magnetycznego prostopadłe do kierunku propagacji. Kiedy te wibracje pola elektrycznego występują losowo - jak w przypadku światła słonecznego lub żarówek - światło jest niespolaryzowane. Kiedy wibracje są ograniczone do określonej płaszczyzny, światło staje się spolaryzowane.

Wyobraź sobie fale świetlne jako linę: światło niespolaryzowane przypomina losowe potrząsanie liną z różnymi kierunkami wibracji, podczas gdy światło spolaryzowane naśladuje potrząsanie wzdłuż jednej ustalonej osi.

Teoretycznie, konwencjonalne włókna o okrągłym rdzeniu nie powinny wykazywać dwójłomności, utrzymując stałą polaryzację podczas transmisji światła. Jednak niedoskonałości produkcyjne i czynniki zewnętrzne, takie jak naprężenia, zginanie i zmiany temperatury, wprowadzają dwójłomność, zakłócając stany polaryzacji.

PMF rozwiązuje to wyzwanie poprzez celowe projektowanie. Poprzez włączenie kontrolowanej dwójłomności, włókna te przeciwdziałają zewnętrznym zakłóceniom, zachowując pierwotny stan polaryzacji podczas transmisji. Zamiast eliminować dwójłomność, PMF strategicznie manipuluje geometrią włókna, aby zminimalizować zmiany polaryzacji wywołane naprężeniami - skutecznie zbrojąc fale świetlne przed zakłóceniami.

W oparciu o mechanizmy generowania dwójłomności, PMF dzieli się na dwie główne kategorie:

Ten typ tworzy dwójłomność poprzez asymetryczne kształty rdzenia. Najbardziej powszechny wariant - PMF z eliptycznym rdzeniem - charakteryzuje się niesymetryczną geometrią rdzenia, która wytwarza różne prędkości propagacji światła wzdłuż ortogonalnych osi, generując dwójłomność. Te włókna służą do specjalistycznych zastosowań.

Bardziej rozpowszechnione niż typy geometryczne, PMF indukowane naprężeniami wprowadza dwójłomność poprzez wewnętrzne mechanizmy naprężeń. Podkategorie obejmują:

Wśród nich Panda PMF wykazuje doskonałą dwójłomność, charakterystykę geometryczną, symetrię strukturalną i jednorodność wzdłużną. Jego segmentowy proces produkcyjny umożliwia precyzyjną kontrolę komponentów, pozwalając na wytworzenie z pojedynczych preform dziesiątek lub setek kilometrów jednorodnego PMF - co czyni go standardem branżowym dla produkcji na dużą skalę.

Zrozumienie tych specyfikacji zapewnia prawidłowy dobór PMF:

Podczas produkcji PMF tworzone są dwa obszary przykładania naprężeń o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej obok rdzenia. Gdy włókno stygnie z temperatur rysowania, obszary te kurczą się różnicowo, tworząc naprężenia osiowe. Powoduje to dwójłomność z dwiema ortogonalnymi osiami:

• Oś wolna: Wyższy efektywny współczynnik załamania światła, wolniejsza propagacja światła (główna oś polaryzacji)
• Oś szybka: Niższy współczynnik załamania światła, szybsza propagacja światła

Ten parametr reprezentuje długość włókna wymaganą do tego, aby złożony stan polaryzacji transmitowanego światła wykonał pełną periodyczną zmianę. Fizycznie odpowiada to długości, w której różnica faz między dwoma ortogonalnymi trybami polaryzacji osiąga 2π. Krótsze długości bicia wskazują na silniejsze możliwości utrzymania polaryzacji.

Podczas wyrównywania spolaryzowanego światła z którąkolwiek z głównych osi, minimalna moc jest sprzężona z osią ortogonalną. Współczynnik ekstynkcji określa tę jakość utrzymania polaryzacji jako stosunek mocy w zamierzonej osi polaryzacji do osi ortogonalnej. Wyższe współczynniki wskazują na lepsze zachowanie polaryzacji.

Funkcjonalność PMF opiera się na precyzyjnym sprzężeniu i wyrównaniu trybu polaryzacji, osiąganym za pomocą specjalistycznych kluczy złączy. W porównaniu do konwencjonalnych złączy światłowodowych, PMF utrzymuje liniowe stany polaryzacji podczas transmisji, zwiększając współczynniki sygnału do szumu i umożliwiając precyzyjne pomiary fizyczne.

Złącza PMF są krytyczne dla łączenia włókien przy jednoczesnym zachowaniu stanów polaryzacji i utrzymaniu wysokich współczynników ekstynkcji. Wymaga to dokładnego wyrównania osi wolnej lub szybkiej między połączonymi włóknami, aby zminimalizować kątowe (θ) niewspółosiowość. Kąt utrzymania polaryzacji i współczynnik ekstynkcji łącznie określają jakość połączenia.

Właściwe wdrożenie PMF wymaga zwrócenia uwagi na kilka czynników:

1. Zakończenie: Zakończenie złącza wymaga precyzyjnego wyrównania prętów naprężeniowych, zwykle osiąganego za pomocą złączy z kluczem.
2. Spawanie fuzją: Spawanie PMF wymaga idealnego wyrównania X/Y/Z plus wyrównania obrotowego, aby zapewnić dopasowanie prętów naprężeniowych.
3. Spójność: Warunki uruchomienia muszą odpowiadać orientacji poprzecznej osi głównej włókna.

PMF zawiera obszary naprężeń lub asymetryczne rdzenie, aby zminimalizować sprzężenie trybu polaryzacji, w przeciwieństwie do konwencjonalnych włókien jednomodowych.

PMF jest niezbędny dla spójnej komunikacji optycznej, czujników światłowodowych, interferometrów, optyki kwantowej i precyzyjnych systemów pomiarowych.

Precyzyjne wyrównanie osi szybkiej/wolnej minimalizuje straty polaryzacji i utrzymuje wysokie współczynniki ekstynkcji.

Włókno utrzymujące polaryzację reprezentuje przełom w technologii optycznej, rozwiązując krytyczne wyzwania związane ze stabilnością polaryzacji w transmisji światła na duże odległości. Dzięki wyjątkowym właściwościom i różnorodnym zastosowaniom, PMF umożliwia postęp w transmisji danych, precyzyjnym czujnikach i zaawansowanych systemach optycznych. Trwające badania obiecują dalsze udoskonalenia PMF, torując drogę do bardziej niezawodnych i zaawansowanych rozwiązań optycznych.