Оптическое волокно для сохранения поляризации света

Введение

Однорежимное оптическое волокно для линейно поляризованного света.

В волоконной оптике поляризационно-поддерживающее оптическое волокно (PMF или PM-волокно) — это однорежимное оптическое волокно, в котором линейно поляризованный свет, при правильном вводе в волокно, сохраняет линейную поляризацию при распространении, выходя из волокна в определенном состоянии линейной поляризации. Перекрестная связь оптической мощности между двумя поляризационными модами в таком волокне минимальна или отсутствует. Такие волокна используются в специализированных приложениях, где сохранение поляризации имеет решающее значение.

Перехождение поляризации

В обычном (не поддерживающем поляризацию) волокне два режима поляризации, например, вертикальная и горизонтальная, имеют одинаковую номинальную фазовую скорость из-за круговой симметрии волокна. Однако даже незначительное случайное двулучепреломление в таком волокне или его изгиб вызовут небольшую перекрёстную интерференцию между вертикальным и горизонтальным режимами поляризации. И поскольку даже короткий отрезок волокна, на который может действовать малый коэффициент связи, имеет длину во много тысяч длин волн, даже такое небольшое связывание между двумя поляризационными режимами, действующее когерентно, может привести к значительному переносу мощности в горизонтальный режим, полностью изменяя результирующее состояние поляризации волны. Поскольку этот коэффициент связи является непреднамеренным и обусловлен случайными напряжениями или изгибами волокна, выходное состояние поляризации будет случайным и изменяться при изменении этих напряжений или изгибов; оно также будет зависеть от длины волны.

Принцип действия

Волокна, сохраняющие поляризацию, работают путем намеренного введения систематической линейной двулучепреломляемости в волокно, так что существуют два четко определенных режима поляризации, которые распространяются вдоль волокна с существенно различающимися фазовыми скоростями. Длина биения Lb такого волокна (для определенной длины волны) – это расстояние (обычно несколько миллиметров), на котором волна в одном режиме испытывает дополнительную задержку в одну длину волны по сравнению с другим режимом поляризации. Таким образом, длина Lb/2 такого волокна эквивалентна четвертьволновой пластине. Теперь рассмотрим, что может существовать случайная связь между двумя состояниями поляризации на значительной длине такого волокна. В точке 0 вдоль волокна волна в режиме поляризации 1 индуцирует амплитуду в режиме 2 с определенной фазой. Однако в точке 1/2 Lb вдоль волокна тот же коэффициент связи между режимами поляризации индуцирует амплитуду в режиме 2, которая теперь сдвинута по фазе на 180 градусов относительно волны, связанной в точке нуля, что приводит к взаимному уничтожению. В точке Lb вдоль волокна связь снова находится в исходной фазе, но в точке 3/2 Lb она снова выходит из фазы и так далее. Таким образом, исключается возможность когерентного сложения амплитуд волн из-за перекрестных помех на расстояниях, значительно превышающих Lb. Большая часть энергии волны остается в исходном режиме поляризации и выходит из волокна в поляризации этого режима, поскольку она ориентирована на конце волокна. Оптические коннекторы, используемые для волокон, сохраняющих поляризацию, имеют специальную маркировку, чтобы два режима поляризации были выровнены и выходили в определенной ориентации. Важно отметить, что волокно, сохраняющее поляризацию, не поляризует свет, как это делает поляризатор. Скорее, оно поддерживает линейную поляризацию линейно поляризованного света при условии, что он входит в волокно, выровненный с одним из режимов поляризации волокна. Ввод линейно поляризованного света в волокно под другим углом возбудит оба режима поляризации, проводя одну и ту же волну с немного разными фазовыми скоростями. В большинстве точек вдоль волокна результирующая поляризация будет эллиптически поляризованным состоянием, с возвратом к исходному состоянию поляризации после целого числа длин биения. Следовательно, если видимый лазерный свет вводится в волокно, возбуждая оба режима поляризации, рассеяние распространяющегося света, наблюдаемое сбоку, будет выглядеть как периодический светлый и темный рисунок с периодом, равным длине биения, поскольку рассеяние преимущественно перпендикулярно направлению поляризации.

Polarization maintaining fibers work by intentionally introducing a systematic linear birefringence in the fiber, so that there are two well defined polarization modes which propagate along the fiber with very distinct phase velocities. The beat length Lb of such a fiber (for a particular wavelength) is the distance (typically a few millimeters) over which the wave in one mode will experience an additional delay of one wavelength compared to the other polarization mode. Thus a length Lb /2 of such fiber is equivalent to a half wave plate. Now consider that there might be a random coupling between the two polarization states over a significant length of such fiber. At point 0 along the fiber, the wave in polarization mode 1 induces an amplitude into mode 2 at some phase. However at point 1/2 Lb along the fiber, the same coupling coefficient between the polarization modes induces an amplitude into mode 2 which is now 180 degrees out of phase with the wave coupled at point zero, leading to cancellation. At point Lb along the fiber the coupling is again in the original phase, but at 3/2 Lb it is again out of phase and so on. The possibility of coherent addition of wave amplitudes through crosstalk over distances much larger than Lb is thus eliminated. Most of the wave's power remains in the original polarization mode, and exits the fiber in that mode's polarization as it is oriented at the fiber end. Optical fiber connectors used for PM fibers are specially keyed so that the two polarization modes are aligned and exit in a specific orientation. Note that a polarization maintaining fiber does not polarize light as a polarizer does. Rather, PM fiber maintains the linear polarization of linearly polarized light provided that it is launched into the fiber aligned with one of the fiber's polarization modes. Launching linearly polarized light into the fiber at a different angle will excite both polarization modes, conducting the same wave at slightly different phase velocities. At most points along the fiber the net polarization will be an elliptically polarized state, with a return to the original polarization state after an integer number of beat lengths. Consequently, if visible laser light is launched into the fiber exciting both polarization modes, scattering of propagating light viewed from the side, is observed with a light and dark pattern periodic over each beat length, since scattering is preferentially perpendicular to the polarization direction.

Конструкции

Для создания двулучепреломления в волокне используется несколько различных конструкций. Волокно может быть геометрически асимметричным или иметь асимметричный профиль показателя преломления, например, конструкция с использованием эллиптической оболочки, как показано на диаграмме. В качестве альтернативы, постоянное напряжение, индуцированное в волокне, создает напряженное двулучепреломление; этого можно достичь, используя стержни из другого материала, включенные в оболочку. Используются различные формы стержней, и полученное волокно продается под такими торговыми марками, как "PANDA" и "Bow tie". ("PANDA" отсылает к сходству поперечного сечения волокна с мордой панды, а также является акронимом для "Polarization maintaining AND Absorption reducing" – поддержание поляризации и снижение поглощения). Возможно создание циркулярно двулучепреломленного оптического волокна, просто используя обычное (циркулярно-симметричное) одномодовое волокно и скручивая его, тем самым создавая внутреннее крутильное напряжение. Это приводит к значительному различию фазовых скоростей правой и левой круговой поляризаций. Таким образом, эти две круговые поляризации распространяются с минимальным перекрестными помехами.

Приложения

Поляризующие оптические волокна используются в специализированных приложениях, таких как волоконно-оптические датчики, интерферометрия и квантовое распределение ключей. Они также широко применяются в телекоммуникациях для соединения лазерного источника и модулятора, поскольку модулятор требует поляризованный свет на входе. Для передачи на большие расстояния они используются редко, так как поляризующее волокно дорогостоящее и имеет более высокие потери, чем одномодовое волокно. Важным применением также являются волоконно-оптические гироскопы, которые широко используются в аэрокосмической отрасли. Характеристика выхода поляризующего волокна обычно производится по коэффициенту степени поляризации (PER) – отношению мощности правильно поляризованного света к мощности неправильно поляризованного света, выраженному в децибелах. Качество поляризующих патчкордов и косичек можно оценить с помощью измерителя PER. Качественные поляризующие волокна имеют коэффициент затухания поляризации более 20 дБ.