Wenn Sie gerade erst in die Welt der Glasfaseroptik einsteigen, können die vielen Fachbegriffe und Abkürzungen überwältigend sein. Deshalb habe ich dieses Faser-Glossar-Serie - um Ihnen auf möglichst einfache Weise zu erklären, was diese Begriffe wirklich bedeuten.

Ich erkläre alles aus der Sicht eines Brancheninsiders und verwende, wann immer möglich, echte Fotos (nicht nur schicke Renderings). Außerdem vermeide ich übermäßig komplexe Erklärungen und halte die Sprache klar und direkt, damit Sie sicher sein können, dass Sie nach der Lektüre die wahre Bedeutung dieser Begriffe verstehen.

Heute werden wir darüber sprechen: Polarisationserhaltende (PM-)Faser

INHALTSVERZEICHNIS

Kurzantwort: Was ist PM-Faser?

Eine polarisationserhaltende Faser, meist als PM-Faser bezeichnet, ist eine spezielle optische Faser, die so ausgelegt ist, dass ein linear polarisiertes Lichtsignal während seiner Ausbreitung auf eine von zwei integrierten Achsen ausgerichtet bleibt.

Gewöhnlich Einmodenfaser Sie überträgt zwar einen räumlichen Modus, doch bedeutet dies nicht, dass sie einen stabilen Polarisationszustand beibehält. Geringfügige Biegungen, Druck, Temperaturschwankungen und Fertigungstoleranzen können die Polarisation verändern. PM-Fasern reduzieren diese unerwünschte Vermischung, indem sie einen starken und kontrollierten Unterschied zwischen zwei Polarisationsachsen erzeugen.

Der wichtigste Punkt ist ganz einfach: PM-Faser bewahrt den ursprünglichen Polarisationszustand bei. Sie erzeugt kein polarisiertes Licht aus unpolarisiertem Licht.

Schematische Darstellung einer polarisationserhaltenden Faser

Bildquelle: Vlink

Was bedeutet “Polarisierung”?

Licht ist eine elektromagnetische Welle. Sein elektrisches Feld bewegt sich in eine bestimmte Richtung, während sich das Licht vorwärts ausbreitet. Die Polarisation beschreibt, wie sich diese Richtung verhält.

Bei linear polarisiertem Licht verläuft das elektrische Feld hauptsächlich in einer festen Richtung. Bei einigen optischen Systemen ist es erforderlich, dass diese Richtung stabil bleibt. Beispiele hierfür sind Fasergyroskope, Interferometer, kohärente Kommunikationssysteme, Laser und Sensoren.

Wenn die Polarisation driftet, kann das System an Messgenauigkeit, Leistung oder Stabilität einbüßen. Aus diesem Grund gibt es PM-Fasern.

Warum bleibt die Polarisation bei gewöhnlichen Singlemode-Fasern nicht stabil?

Der Begriff “Einmodenfaser” kann verwirrend sein. Er bedeutet, dass die Faser einen einzigen räumlichen Hauptmodus überträgt. Er bedeutet jedoch nicht, dass nur eine Polarisation durch sie hindurchgeleitet werden kann.

In einer herkömmlichen Singlemode-Faser können sich weiterhin zwei senkrecht zueinander stehende Polarisationskomponenten ausbreiten. In einer idealen, vollkommen symmetrischen Faser würden sie sich nahezu identisch verhalten. Eine reale Faser ist jedoch niemals völlig spannungsfrei. Biegungen, Quetschungen, Temperaturschwankungen, die Verkabelung sowie die Handhabung der Steckverbinder können sie alle stören.

Diese Störungen verändern das Verhältnis zwischen den beiden Polarisationskomponenten. Die Ausgangspolarisation kann sich daher ändern, auch wenn der Eingangssignal unverändert bleibt.

Wie funktioniert PM Fiber?

Bei PM-Fasern wird bewusst eine Eigenschaft erzeugt, die als Doppelbrechung bezeichnet wird. Vereinfacht ausgedrückt bietet die Faser für zwei senkrecht zueinander stehende Polarisationsrichtungen leicht unterschiedliche optische Bedingungen.

Diese beiden Richtungen werden als schnelle Achse und langsame Achse bezeichnet.

  • Licht, das auf die schnelle Achse ausgerichtet ist, weist einen etwas niedrigeren effektiven Brechungsindex auf.
  • Licht, das auf die Langsachse ausgerichtet ist, weist einen etwas höheren effektiven Brechungsindex auf.

Da sich die beiden Achsen unterschiedlich verhalten, ist es weniger wahrscheinlich, dass Licht, das entlang einer Achse ausgestrahlt wird, in die andere Achse einkoppelt. Die Polarisation ist daher stabiler.

Die Kraft aufbringenden Teile bilden die beiden Achsen

Die bekannteste Bauweise ist die PANDA-Faser. Dabei werden zwei Spannstangen neben dem Kern angeordnet. Während das Glas im Herstellungsprozess abkühlt, erzeugen diese Stangen eine kontrollierte Spannung um den Kern herum. Diese Spannung führt zur Bildung der schnellen und der langsamen Achse.

Andere Konstruktionen, wie beispielsweise Bow-Tie- und elliptisch ummantelte Fasern, erzeugen Doppelbrechung auf unterschiedliche Weise. Der grundlegende Zweck ist derselbe: Die beiden Polarisationsachsen sollen klar voneinander getrennt bleiben.

Die Ausrichtung der Eingaben ist entscheidend

PM-Fasern funktionieren nur dann wie vorgesehen, wenn das polarisierte Licht am Eingang auf eine Hauptachse ausgerichtet ist.

Tritt das Licht in einem Winkel zwischen den Achsen ein, wird ein Teil der Leistung auf jede Achse geleitet. Die beiden Teile sammeln die Phase mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Die Polarisierung des Ausgangssignals kann dann elliptisch werden oder sich in Abhängigkeit von Wellenlänge, Temperatur und Länge ändern.

Aus diesem Grund müssen PM-Steckverbinder, Spleiße und Baugruppen rotationsausgerichtet werden. Die Steckverbinder-Keile werden normalerweise auf eine bestimmte Achse bezogen, doch die genaue Konvention muss in der Zeichnung oder im Datenblatt bestätigt werden. Eine verlustarme Verbindung kann dennoch ein schlechtes Polarisationsverhalten aufweisen, wenn die Achsen nicht richtig ausgerichtet sind.

Schematische Darstellung der korrekten axialen Injektion und der um 45° versetzten Injektion bei PM-Fasern.

Drei einfache Begriffe, die man kennen sollte

Doppelbrechung

Die Doppelbrechung ist die Differenz zwischen den effektiven Brechungsindizes der beiden Achsen:

B = |n_fast − n_slow|

Ein größerer Abstand verringert im Allgemeinen die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Kopplung zwischen den Achsen.

Taktlänge

Die Schwingungslänge ist die Strecke, über die die beiden Polarisationskomponenten eine Phasendifferenz von vollen 360 Grad aufbauen:

L_b = λ / B

Dabei ist λ die Wellenlänge und B die Doppelbrechung. Eine kürzere Schwebungslänge bedeutet eine stärkere Doppelbrechung. Die Schwebungslänge sollte stets bei der angegebenen Wellenlänge verglichen werden.

Polarisations-Extinktionsverhältnis

Das Polarisationsauslöschungsverhältnis (Polarization Extinction Ratio, PER) vergleicht die Leistung in der gewünschten Achse mit der Leistung in der unerwünschten Achse:

PER (dB) = 10 log10(P_gewünscht / P_unerwünscht)

Ein höherer PER-Wert ist besser. Ein Wert von beispielsweise 20 dB bedeutet, dass die Leistung auf der gewünschten Achse das 100-Fache der Leistung auf der unerwünschten Achse beträgt. Das Messergebnis hängt von der Quelle, der Einstrahlausrichtung, der Faserlänge, den Steckverbindern, den Spleißen, der Biegung und der Prüfmethode ab.

Hersteller geben das Polarisations-Übersprechen unter Umständen auch als negativen Wert an. In diesem Fall ist ein negativerer Wert besser. Prüfen Sie stets, welche Messung im Datenblatt zugrunde gelegt wird.

Gängige Arten von PM-Fasern

Typ Wie dabei Doppelbrechung entsteht Typische Gründe für den Einsatz
PANDA
Neben dem Kern befinden sich zwei Spannstangen
Weit verbreitet und häufig eingesetzt für Kommunikation, Sensorik und Laserbauteile
Fliege
Den Kern umgeben stressregionen in Form einer Fliege
Starke spannungsinduzierte Doppelbrechung für Spezialanwendungen
mit elliptischem Kern oder mit elliptischer Ummantelung
Ein asymmetrischer Kern oder eine asymmetrische Ummantelung erzeugt zwei Achsen
Wird verwendet, wenn eine andere Geometrie oder eine spezielle Konstruktion erforderlich ist

„PANDA“ ist der Name, den die meisten Käufer sehen werden, doch die Faserart allein reicht nicht aus, um zu belegen, dass sie für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Wellenlänge, Beschichtung, Dämpfung, Abmessungen, PER oder Übersprechen sowie die Umgebungsanforderungen spielen nach wie vor eine Rolle.

PM-Fasern im Vergleich zu anderen Fasertypen

Fasertyp Hauptzweck Bleibt die Polarisation erhalten? Wichtiger Hinweis
Standard-Singlemode-Faser
Einen räumlichen Modus über große Entfernungen übertragen
Nicht zuverlässig
Die Polarisation kann sich unter Einwirkung von Spannung und Temperatur verschieben
Polarisationserhaltende Faser
Das Licht auf eine gewählte Achse ausrichten
Ja, wenn es richtig gestartet und gehandhabt wird
Es polarisiert unpolarisiertes Licht nicht.
Einpolarisationsfaser
Die eine Polarisation leiten und die andere dabei stark unterdrücken
Ja, innerhalb des vorgesehenen Wellenlängenbereichs
Es funktioniert anders als gewöhnliche PM-Faser

Entscheiden Sie sich nicht allein deshalb für PM-Fasern, weil ein System Singlemode-Licht verwendet. Viele herkömmliche Telekommunikationsverbindungen benötigen keine Polarisationserhaltung.

Querschnitt von PM-Faser im Vergleich zu Panda-Fiebr

So lesen Sie ein PM-Fiber-Datenblatt

1. Betriebswellenlänge und Grenzfrequenz

PM-Fasern sind für bestimmte Wellenlängenbereiche ausgelegt, beispielsweise 850, 1060, 1310 oder 1550 nm. Vergewissern Sie sich, dass die Betriebswellenlänge innerhalb des angegebenen Bereichs liegt. Überprüfen Sie außerdem die Grenzwellenlänge, damit die Faser im vorgesehenen Single-Mode-Bereich betrieben wird.

2. Taktlänge

Eine kürzere Schwingungslänge deutet in der Regel auf eine stärkere Doppelbrechung hin. Vergleichen Sie die Werte nur, wenn Wellenlänge und Testbedingungen ähnlich sind.

3. PER oder Polarisationsübersprechen

Dies gibt Aufschluss darüber, wie gut die Baugruppe die Leistung auf der ausgewählten Achse aufrechterhält. Der Wert für eine blanke Faser entspricht nicht automatisch dem Ergebnis eines fertigen Patchkabels. Die Ausrichtung der Stecker, das Spleißen, Biegungen und die Handhabung können die Leistung beeinträchtigen.

4. Dämpfung

Die Dämpfung gibt den optischen Verlust pro Längeneinheit an, üblicherweise in dB/km. Bei kurzen PM-Baugruppen können Steckverbinder- und Spleißverluste eine größere Rolle spielen als die Dämpfung der Faser auf Kilometer-Ebene.

5. Durchmesser des Modenfeldes und numerische Apertur

Diese Werte beeinflussen die Kopplung und die Kompatibilität der Spleißverbindungen. Eine Fehlanpassung zwischen zwei Fasern kann zu zusätzlichen Verlusten führen, selbst wenn beide Produkte als PM-Fasern bezeichnet werden.

6. Ummantelung, Beschichtung und Puffer

Überprüfen Sie den Glasdurchmesser, den Beschichtungsdurchmesser, das Beschichtungsmaterial und den Temperaturbereich. Standard-Acrylatbeschichtungen, Hochtemperaturbeschichtungen und Metallbeschichtungen sind für unterschiedliche Umgebungen geeignet.

7. Anforderungen an Biegungen

Durch Biegen können Verluste entstehen und die Polarisation gestört werden. Halten Sie den vom Lieferanten angegebenen Mindestbiegeradius und die Prüfbedingungen ein. Unsere Leitfaden zum Biegeradius von Glasfasern erläutert den grundlegenden Unterschied zwischen Makrobiegung und Mikrobiegung.

Datenblatt zur polarisationserhaltenden Faser – Kurzübersichtskarte

Ein echtes Beispiel für ein Datenblatt

Im Datenblatt zu Corning PANDA PM 1550, das im Januar 2019 veröffentlicht wurde, sind diese Werte für dieses spezifische Produkt aufgeführt:

Parameter Angegebener Wert und Zustand
Betriebswellenlänge
1550 nm
Maximale Dämpfung
0,5 dB/km bei 1550 nm
Durchmesser des Modenfeldes
10,5 ± 0,5 µm bei 1550 nm
Taktlänge
3,0 bis 5,0 mm bei 1550 nm
Maximales Übersprechen
−30 dB bei 100 m
Typisches Übersprechen
−40 dB bei 4 m

Dies sind keine allgemeingültigen PM-Faserwerte. Sie dienen als anschauliches Beispiel dafür, wie Spezifikationen von der Wellenlänge und der Testlänge abhängen. Ein Käufer sollte das aktuelle Datenblatt für die jeweilige Faser oder Kabelkonfektion, die in Betracht gezogen wird, heranziehen.

Wo wird PM-Faser eingesetzt?

Zu den gängigen Anwendungsbereichen gehören:

  • Glasfasergyroskope und Navigationssysteme
  • Interferometrische Sensoren und Stromsensoren
  • Kohärente optische Kommunikation
  • Faserlaser und Laserübertragungssysteme
  • Polarisationsempfindliche Prüfgeräte
  • Quantenoptik und Forschungsgeräte
  • Integrierte photonische Bauelemente

In einem fertigen System ist die Faser nur ein Teil des Polarisationswegs. Faseroptische Steckverbinder, Spleißverbindungen, Koppler und andere Komponenten müssen ebenfalls die erforderliche Ausrichtung und Leistungsfähigkeit gewährleisten.

So wählen Sie eine PM-Faser oder eine PM-Baugruppe aus

Beantworten Sie vor dem Kauf folgende Fragen:

  1. Wie lauten die genaue Betriebswellenlänge und die Bandbreite?
  2. Welches PM-Design und welches Fasermodell benötigt das Gerät?
  3. Welche Achse sollte das Licht tragen: die langsame oder die schnelle Achse?
  4. Welcher PER-Wert bzw. welches Übersprechen ist erforderlich, und über welche Testlänge?
  5. Welcher Steckertyp, welche Politur, welche Schlüsselausrichtung und welche Achsentoleranz sind erforderlich?
  6. Wie lauten die Anforderungen hinsichtlich der maximalen Einfügungsdämpfung und der maximalen Rückflussdämpfung?
  7. Welche Temperatur-, Biege-, Beschichtungs- und mechanischen Bedingungen gelten?
  8. Wird der Artikel als Blankfaser, Pigtail oder konfektioniert geliefert? Glasfaser-Patchkabel?

Fordern Sie für Baugruppen eine Zeichnung an, in der die Passachse gekennzeichnet ist. Erkundigen Sie sich außerdem, ob der PER-Wert an der kompletten Baugruppe gemessen wird und ob der Stecker im Ergebnis enthalten ist.

Häufige Fehler

Fehler 1: Die Annahme, dass PM-Fasern polarisiertes Licht erzeugen

Das ist nicht der Fall. Ein Polarisator oder eine polarisierte Lichtquelle wird weiterhin benötigt, wenn das Eingangslicht noch nicht polarisiert ist.

Fehler 2: Die Ausrichtung der Achsen ignorieren

Ein guter Einfügedämpfungswert garantiert noch kein gutes PER. Die Achsen müssen über Steckverbinder und Spleiße aufeinander ausgerichtet sein.

Fehler 3: Vergleich von technischen Daten ohne Berücksichtigung der Einsatzbedingungen

Ein Übersprechwert bei 4 m lässt sich nicht direkt mit einem bei 100 m gemessenen Wert vergleichen. Dasselbe gilt für die Wellenlänge, den Biegezustand und die Temperatur.

Fehler 4: Alle PANDA-Fasern als austauschbar betrachten

Sie können unterschiedliche Modenfelddurchmesser, Beschichtungen, Grenzwellenlängen, Prüfpegel und Umgebungsgrenzwerte aufweisen.

Fehler 5: Einsatz von PM-Fasern, wo Standardfasern ausreichen

PM-Fasern und PM-Baugruppen sind in der Regel teurer und erfordern eine sorgfältigere Handhabung. Setzen Sie sie ein, wenn die Stabilität des Systems wirklich von der Polarisationsstabilität abhängt.

Häufig gestellte Fragen zu CWDM

Ist PM-Glasfaser dasselbe wie Singlemode-Glasfaser?

PM-Fasern gehören in der Regel zur Kategorie der Singlemode-Fasern, doch herkömmliche Singlemode-Fasern sind nicht polarisationserhaltend.

Es kann unpolarisiertes Licht leiten, wandelt dieses Licht jedoch nicht in eine stabile lineare Polarisation um. Der Hauptvorteil zeigt sich, wenn polarisiertes Licht entlang einer Hauptachse eingekoppelt wird.

Viele Systeme verwenden die langsame Achse, jedoch nicht alle. Befolgen Sie die Vorgaben des Herstellers des Lasers, der Komponente oder des Instruments und vergewissern Sie sich, welche Konvention für die Steckerform gilt.

Ja, aber die Verbindungsstelle gewährleistet keine Polarisationserhaltung mehr jenseits des PM-Abschnitts. Auch eine Fehlanpassung der Modenfelder kann zu Verlusten führen.

Ja. Ein geeigneter Spleißer muss die Spannungsstrukturen bzw. -achsen identifizieren und ausrichten. Eine bloße Ausrichtung des Kerns allein führt zwar zu geringen Verlusten, aber zu einer schlechten Polarisationsleistung.

Ein höherer gemessener PER-Wert bedeutet eine bessere Trennung zwischen gewünschter und unerwünschter Polarisationsleistung. Dies sollte jedoch unter realistischen Bedingungen hinsichtlich Länge, Biegung, Wellenlänge, Temperatur, Steckverbinder und Testbedingungen beurteilt werden.

Die einfache Erkenntnis

PM-Fasern sind so ausgelegt, dass sie polarisiertes Licht entlang einer ausgewählten inneren Achse ausrichten. Dies geschieht durch die Erzeugung einer starken Doppelbrechung zwischen einer schnellen und einer langsamen Achse.

Beachten Sie drei Punkte:

  1. PM-Fasern erhalten die Polarisation bei; sie erzeugen sie nicht.
  2. Die korrekte Ausrichtung der Achsen ist genauso wichtig wie ein geringer optischer Verlust.
  3. Die Werte in den Datenblättern sind nur dann aussagekräftig, wenn Wellenlänge, Länge, Biegung und Prüfbedingungen angegeben sind.

Mit diesen Grundlagen lassen sich Datenblätter zu PM-Fasern viel leichter verstehen und vergleichen.

Quelle

  1. IEC 60793-2-70:2017 – Lichtwellenleiter, Teil 2-70: polarisationserhaltende Lichtwellenleiter
  2. RP Photonics-Enzyklopädie – Polarisationserhaltende Fasern
  3. Corning – PANDA PM 1550 – Datenblatt zur optischen Faser
  4. FiberLabs – Glossar zu polarisationserhaltenden Fasern
  5. Optica / Journal of Lightwave Technology – Polarisationserhaltende Faserverbindungen

Haben Sie noch Fragen?

Wenn Sie noch unsicher sind, können Sie sich gerne an uns wenden.

Möchten Sie weitere Begriffe aus dem Bereich der Glasfasertechnik kennenlernen? Besuchen Sie unser Blog-Sektion.

Wenn der von Ihnen gesuchte Begriff noch nicht abgedeckt ist, lassen Sie es mich wissen - ich werde ihn auf die Prioritätenliste setzen!

Und zu guter Letzt: Wenn Sie ein Telekommunikationsanbieter oder Netzbetreiber sind oder im Bereich des Glasfaserinfrastrukturaufbaus tätig sind und einen zuverlässigen Partner für Glasfaserkomponenten suchen, können Sie sich gerne an uns wenden. Kontaktieren Sie uns.