Применение волокна с сохранением поляризации и новые тенденции

В быстро развивающейся области волоконно-оптической связи стабильная передача сигнала остается первостепенной задачей. Являясь основным средством передачи информации, оптические волокна напрямую влияют на производительность системы. Однако факторы окружающей среды могут изменять состояние поляризации света во время передачи, ставя под угрозу целостность сигнала. Волоконно-оптический кабель с сохранением поляризации (PM Fiber) решает эту проблему с помощью специализированной техники.

Как электромагнитная волна, свет проявляет электрические и магнитные поля, колеблющиеся перпендикулярно друг другу. Направление колебаний электрического поля определяет состояние поляризации, которое проявляется в нескольких формах:

• Линейная поляризация: Электрическое поле колеблется вдоль фиксированной оси
• Круговая поляризация: Вектор поля вращается равномерно, описывая винтовую траекторию
• Эллиптическая поляризация: Вектор поля изменяется как по величине, так и по ориентации
• Неполяризованный свет: Случайная ориентация вектора поля

Идеальные одномодовые волокна должны одинаково распространять две ортогональные моды поляризации. Производственные дефекты, изгибы и колебания температуры создают различия в скорости распространения между модами — явление, называемое поляризационно-модовой дисперсией (PMD). Этот эффект расширяет оптические импульсы, ограничивая скорость и дальность передачи.

Кроме того, поляризационно-зависимые потери (PDL) в оптических компонентах вызывают неравномерное затухание для различных состояний поляризации, снижая отношение сигнал/шум. Разработанная бирефрингенция PM Fiber минимизирует эти эффекты, поддерживая входную поляризацию на протяжении всей передачи.

Некоторые материалы проявляют разные показатели преломления для различных направлений поляризации — свойство, называемое бирефрингенцией. PM волокна используют высокую бирефрингенцию для создания существенных различий в константе распространения между модами поляризации, предотвращая связь мод.

Две доминирующие конструкции обеспечивают сохранение поляризации:

• Волокно PANDA: Имеет симметричные элементы, создающие напряжение (SAP), обрамляющие сердцевину. SAP, легированные бором или германием, создают несоответствия теплового расширения во время вытягивания волокна, вызывая контролируемую стрессовую бирефрингенцию.
• Волокно Bow-Tie: Использует клиновидные области напряжения для более высокой бирефрингенции, хотя и с более сложными требованиями к производству.

Качество PM волокна количественно оценивается с помощью нескольких параметров:

• Коэффициент экстинкции: Измеряет способность сохранения поляризации
• Длина биений: Расстояние, на котором ортогональные моды накапливают разницу фаз в 2π
• Величина бирефрингенции: Разница показателей преломления между модами поляризации
• Длина волны отсечки: Минимальная длина волны для одномодовой работы

Производство PM волокна требует точного контроля над несколькими параметрами:

1. Изготовление преформы: Модифицированное химическое осаждение из паровой фазы (MCVD) или осевое осаждение из паровой фазы (VAD) создает стеклянную структуру с областями напряжения
2. Вытягивание волокна: Контролируемый нагрев и вытягивание преобразуют преформы в волокна с постоянными диаметрами
3. Нанесение покрытия: Защитные полимерные слои защищают хрупкое стекло
4. Контроль качества: Проверка оптических и механических свойств

PM волокна обеспечивают высокоскоростную передачу на большие расстояния, минимизируя PMD. В когерентных системах связи они сохраняют информацию о фазе, критически важную для передовых форматов модуляции.

Волоконно-оптические гироскопы и датчики тока полагаются на PM волокна для поддержания состояний поляризации, необходимых для точных измерений вращения и тока соответственно.

PM волокна обеспечивают стабильный выход поляризации в волоконных лазерах, что полезно для применений от обработки материалов до научных исследований. Лазеры с синхронизацией мод особенно нуждаются в контроле поляризации для генерации ультракоротких импульсов.

Системы квантового распределения ключей используют PM волокна для сохранения состояний поляризации фотонов, которые кодируют квантовую информацию для безопасной связи.

Правильное обращение с PM волокном требует внимания к выравниванию оси поляризации во время соединения и сращивания. Основные процедуры включают:

• Конструкции ключеных разъемов для точной ориентации
• Специализированные сварочные аппараты с возможностями выравнивания поляризации
• Тщательная подготовка торцевой поверхности волокна

Новые тенденции в технологии PM волокна включают:

• Миниатюризацию для компактных фотонных устройств
• Повышенную производительность за счет новых материалов
• Стратегии снижения затрат для более широкого внедрения
• Специализированные волокна для экстремальных условий
• Интегрированные фотонные модули, объединяющие несколько функций

Ведущие производители, такие как Corning, OFS и Fujikura, производят различные типы PM волокон, предлагая решения, адаптированные к различным требованиям применения. Специализированные волоконные компании продолжают внедрять инновации с помощью передовых конструкций и пользовательских возможностей.

По мере развития фотонных технологий волокна с сохранением поляризации будут играть все более важную роль в телекоммуникациях, сенсорике, квантовых системах и за их пределами. Постоянные инновации в области материалов и производства обещают расширить границы производительности при одновременном снижении затрат, гарантируя, что PM волокна останутся важными компонентами в оптических системах, требующих точного контроля поляризации.