Se ti stai avvicinando per la prima volta al mondo della fibra ottica, tutti i termini tecnici e le abbreviazioni possono sembrare un po’ opprimenti. Ecco perché ho creato questa guida serie di glossari sulle fibre — per aiutarti a capire cosa significano davvero questi termini, nel modo più semplice possibile.

Ti spiegherò tutto dal punto di vista di un addetto ai lavori, utilizzando foto reali ogni volta che sarà possibile (non solo rendering elaborati). Eviterò inoltre spiegazioni eccessivamente complesse, mantenendo un linguaggio chiaro e diretto, così potrai essere certo di aver compreso il vero significato di questi termini dopo la lettura.

Oggi parleremo di: Fibra a mantenimento della polarizzazione (PM)

INDICE

Risposta rapida: Che cos’è la fibra PM?

La fibra a mantenimento della polarizzazione, comunemente denominata fibra PM, è una fibra ottica speciale progettata per mantenere il segnale luminoso polarizzato linearmente allineato con uno dei due assi integrati durante il suo percorso.

Ordinario fibra monomodale trasporta una sola modalità spaziale, ma ciò non significa che mantenga un unico stato di polarizzazione stabile. Piccole curvature, pressione, variazioni di temperatura e difetti di fabbricazione possono alterare la polarizzazione. La fibra PM riduce questa miscelazione indesiderata creando una differenza marcata e controllata tra i due assi di polarizzazione.

Il punto più importante è semplice: La fibra PM mantiene uno stato di polarizzazione correttamente orientato. Non genera luce polarizzata a partire da luce non polarizzata.

Schema di una fibra a mantenimento di polarizzazione

Fonte dell'immagine: Vlink

Cosa significa “polarizzazione”?

La luce è un'onda elettromagnetica. Il suo campo elettrico si muove in una determinata direzione mentre la luce si propaga in avanti. La polarizzazione descrive il comportamento di tale direzione.

Nel caso della luce polarizzata linearmente, il campo elettrico si propaga principalmente lungo una direzione fissa. Alcuni sistemi ottici richiedono che questa direzione rimanga stabile. Tra gli esempi figurano i giroscopi a fibra ottica, gli interferometri, i sistemi di comunicazione coerenti, i laser e le apparecchiature di rilevamento.

Se la polarizzazione subisce delle variazioni, il sistema potrebbe perdere precisione di misurazione, potenza o stabilità. È per questo che esiste la fibra PM.

Perché la fibra monomodale standard non mantiene stabile la polarizzazione?

Il termine “fibra monomodale” può creare confusione. Significa che la fibra trasporta un unico modo spaziale principale. Non significa che al suo interno possa propagarsi una sola polarizzazione.

Due componenti di polarizzazione perpendicolari possono comunque propagarsi in una fibra monomodale standard. In una fibra ideale, perfettamente simmetrica, si comporterebbero quasi allo stesso modo. La fibra reale non è mai completamente priva di sollecitazioni. Piegature, compressioni, variazioni di temperatura, cablaggio e manipolazione dei connettori possono tutti alterarne le caratteristiche.

Questi disturbi modificano il rapporto tra le due componenti di polarizzazione. La polarizzazione in uscita può quindi variare anche se quella in ingresso rimane invariata.

Come funziona PM Fiber?

La fibra PM crea intenzionalmente una proprietà chiamata birifrangenza. In parole semplici, la fibra conferisce a due direzioni di polarizzazione perpendicolari condizioni ottiche leggermente diverse.

Queste due direzioni sono denominate “asse veloce” e “asse lento”.

  • La luce allineata con l'asse veloce presenta un indice di rifrazione effettivo leggermente inferiore.
  • La luce allineata con l'asse lento presenta un indice di rifrazione effettivo leggermente superiore.

Poiché i due assi si comportano in modo diverso, la luce emessa lungo un asse ha meno probabilità di accoppiarsi con l’altro asse. La polarizzazione risulta quindi più stabile.

Le parti che esercitano la sollecitazione definiscono i due assi

Il modello più noto è la fibra PANDA. Prevede il posizionamento di due aste di sollecitazione ai lati del nucleo. Man mano che il vetro si raffredda durante la produzione, queste aste generano una sollecitazione controllata attorno al nucleo. Tale sollecitazione determina la formazione degli assi veloce e lento.

Altri modelli, come la fibra a farfalla e quella con rivestimento ellittico, generano birifrangenza in modi diversi. Lo scopo fondamentale è lo stesso: mantenere i due assi di polarizzazione chiaramente separati.

L'allineamento degli input è fondamentale

La fibra PM funziona come previsto solo quando la luce polarizzata è allineata con uno degli assi principali in ingresso.

Se la luce entra con un angolo compreso tra gli assi, una parte dell’energia si propaga lungo ciascuno degli assi. Le due parti accumulano fase a velocità diverse. La polarizzazione in uscita può quindi diventare ellittica o variare in funzione della lunghezza d’onda, della temperatura e della lunghezza.

Ecco perché i connettori, le giunzioni e i gruppi PM richiedono un allineamento rotazionale. La chiavetta del connettore è normalmente riferita a un asse prestabilito, ma la convenzione esatta deve essere verificata sul disegno o sulla scheda tecnica. Una connessione a bassa perdita può comunque presentare prestazioni di polarizzazione scadenti se gli assi non sono allineati correttamente.

Schema che illustra l'iniezione assiale corretta e l'iniezione con sfalsamento di 45° per la fibra pm.

Tre semplici termini da conoscere

Birifrangenza

La birifrangenza è la differenza tra gli indici di rifrazione effettivi dei due assi:

B = |n_fast − n_slow|

In genere, una differenza maggiore riduce la probabilità che si verifichi un accoppiamento indesiderato tra gli assi.

Durata del battito

La lunghezza di battuta è la distanza lungo la quale le due componenti di polarizzazione accumulano una differenza di fase completa di 360 gradi:

L_b = λ / B

In questo contesto, λ indica la lunghezza d'onda e B la birifrangenza. Una lunghezza d'onda di battimento più corta indica una birifrangenza maggiore. La lunghezza d'onda di battimento deve sempre essere confrontata alla lunghezza d'onda specificata.

Rapporto di estinzione di polarizzazione

Il rapporto di estinzione di polarizzazione, o PER, mette a confronto la potenza sull'asse desiderato con quella sull'asse indesiderato:

PER (dB) = 10 log10(P_desiderata / P_indesiderata)

Un PER più elevato è migliore. Ad esempio, un valore di 20 dB indica che la potenza sull'asse desiderato è 100 volte superiore a quella sull'asse indesiderato. Il risultato della misurazione dipende dalla sorgente, dall'allineamento di immissione, dalla lunghezza della fibra, dai connettori, dalle giunzioni, dalla curvatura e dal metodo di prova.

I produttori possono anche specificare il crosstalk di polarizzazione come valore negativo. In tal caso, un valore più negativo è migliore. Verificare sempre quale misura viene utilizzata nella scheda tecnica.

Tipi comuni di fibra PM

Tipo Come si genera la birifrangenza Motivo tipico per cui lo si utilizza
PANDA
Accanto al nocciolo si trovano due barre di rinforzo
Ampiamente disponibili e comunemente utilizzati per la comunicazione, il rilevamento e i sistemi laser
Papillon
Aree di tensione a forma di papillon circondano il nucleo
Elevata birifrangenza indotta da sollecitazioni per applicazioni specialistiche
Con nucleo ellittico o con rivestimento ellittico
Un nucleo o un rivestimento asimmetrico crea due assi
Da utilizzare quando è richiesta una geometria diversa o un progetto specifico

PANDA è il nome che la maggior parte degli acquirenti vedrà, ma il tipo di fibra da solo non garantisce che sia adatta a una determinata applicazione. La lunghezza d'onda, il rivestimento, l'attenuazione, le dimensioni, il PER o il crosstalk e i requisiti ambientali continuano ad avere la loro importanza.

Fibra PM rispetto ad altri tipi di fibra

Tipo di fibra Scopo principale Mantiene la polarizzazione? Nota importante
Fibra monomodale standard
Trasportare una modalità spaziale su lunghe distanze
Non in modo affidabile
La polarizzazione può subire variazioni in funzione della sollecitazione e della temperatura
Fibra a mantenimento di polarizzazione
Mantenere la luce allineata all'asse scelto
Sì, se avviato e gestito correttamente
Non polarizza la luce non polarizzata
Fibra a polarizzazione singola
Indirizzare una polarizzazione sopprimendo fortemente l'altra
Sì, all'interno dell'intervallo di lunghezze d'onda previsto
Funziona in modo diverso dalla normale fibra PM

Non scegliere la fibra PM solo perché un sistema utilizza luce monomodale. Molti collegamenti di telecomunicazione standard non richiedono il mantenimento della polarizzazione.

Sezione trasversale della fibra PM rispetto a quella della Panda Fiebr

Come leggere una scheda tecnica delle fibre PM

1. Lunghezza d'onda operativa e lunghezza d'onda di taglio

Le fibre PM sono progettate per particolari intervalli di lunghezza d'onda, quali 850, 1060, 1310 o 1550 nm. Verificare che la lunghezza d'onda operativa rientri nell'intervallo specificato. Controllare inoltre la lunghezza d'onda di taglio, in modo che la fibra operi nella regione monomodale prevista.

2. Durata del battito

Una durata del battito più breve indica solitamente una birifrangenza più forte. Confrontare i valori solo quando la lunghezza d'onda e le condizioni di prova sono simili.

3. PER o diafonia di polarizzazione

Questo dato indica in che misura l'assemblaggio garantisce la trasmissione della potenza sull'asse selezionato. Il valore relativo alla fibra nuda non corrisponde automaticamente al risultato ottenuto con un cavo di collegamento finito. L'allineamento dei connettori, la giunzione, la flessione e la manipolazione possono ridurre le prestazioni.

4. Attenuazione

L'attenuazione indica la perdita ottica per unità di lunghezza, solitamente espressa in dB/km. Per i gruppi PM di breve lunghezza, le perdite nei connettori e nelle giunzioni possono incidere maggiormente rispetto all'attenuazione della fibra a livello di chilometro.

5. Diametro del campo modale e apertura numerica

Questi valori influiscono sull'accoppiamento e sulla compatibilità delle giunzioni. Una mancata corrispondenza tra due fibre può causare perdite aggiuntive, anche se entrambi i prodotti sono descritti come fibre PM.

6. Rivestimento, verniciatura e strato tampone

Verificare il diametro del vetro, il diametro del rivestimento, il materiale del rivestimento e l'intervallo di temperatura. I rivestimenti standard in acrilato, quelli per alte temperature e quelli metallici sono adatti a diversi ambienti.

7. Requisiti relativi alle curve

La piegatura può causare perdite e alterare la polarizzazione. Attenersi al raggio di curvatura minimo indicato dal fornitore e alle condizioni di prova specificate. Il nostro Guida al raggio di curvatura delle fibre spiega la differenza fondamentale tra macrobending e microbending.

Scheda tecnica delle fibre a mantenimento di polarizzazione – Scheda di riferimento rapido

Un esempio concreto di scheda tecnica

La scheda tecnica del PANDA PM 1550 di Corning, pubblicata nel gennaio 2019, riporta i seguenti valori relativi a quel prodotto specifico:

Parametro Valore e condizioni indicati
Lunghezza d'onda operativa
1550 nm
Attenuazione massima
0,5 dB/km a 1550 nm
Diametro del campo di modo
10,5 ± 0,5 µm a 1550 nm
Durata del battito
da 3,0 a 5,0 mm a 1550 nm
Diafonia massima
−30 dB a 100 m
Crosstalk tipico
−40 dB a 4 m

Questi valori relativi alla fibra PM non sono universali. Rappresentano un utile esempio di come le specifiche siano legate alla lunghezza d’onda e alla lunghezza di prova. L’acquirente dovrebbe consultare la scheda tecnica effettiva relativa alla fibra o all’assemblaggio di cavi specifico che intende acquistare.

In quali ambiti viene utilizzata la fibra PM?

Tra le applicazioni più comuni figurano:

  • Giroscopi a fibra ottica e sistemi di navigazione
  • Sensori interferometrici e di corrente
  • Comunicazione ottica coerente
  • Laser a fibra ottica e sistemi di trasmissione del raggio laser
  • Apparecchiature di prova sensibili alla polarizzazione
  • Ottica quantistica e strumenti di ricerca
  • Dispositivi fotonici integrati

In un sistema completo, la fibra rappresenta solo una parte del percorso di polarizzazione. Connettori in fibra ottica, i giunti, i raccordi e gli altri componenti devono inoltre garantire l'allineamento e le prestazioni richieste.

Come scegliere una fibra PM o un gruppo PM

Prima di acquistare, rispondi a queste domande:

  1. Quali sono esattamente la lunghezza d'onda operativa e la larghezza di banda?
  2. Quali specifiche PM e quale modello di fibra sono richiesti dall'apparecchiatura?
  3. Quale asse dovrebbe sostenere la luce: l’asse lento o quello veloce?
  4. Qual è il valore richiesto per il PER o il crosstalk e su quale lunghezza di prova?
  5. Quali sono il tipo di connettore, la lucidatura, l'orientamento della chiave e la tolleranza dell'asse richiesti?
  6. Quali sono i requisiti massimi relativi alla perdita di inserzione e alla perdita di ritorno?
  7. Quali sono le condizioni relative a temperatura, curvatura, rivestimento e caratteristiche meccaniche?
  8. L'articolo verrà fornito come fibra nuda, pigtail o finito? cavo di collegamento in fibra ottica?

Per i gruppi, richiedere un disegno che identifichi l'asse con chiavetta. Chiedere inoltre se il PER viene misurato sull'intero gruppo e se il risultato include il connettore.

Errori comuni

Errore n. 1: ritenere che la fibra PM generi luce polarizzata

Non è così. È comunque necessario un polarizzatore o una sorgente polarizzata quando il segnale in ingresso non è già polarizzato.

Errore n. 2: ignorare l'allineamento degli assi

Una buona perdita di inserzione non garantisce un buon PER. Gli assi devono essere allineati lungo i connettori e le giunzioni.

Errore n. 3: Confrontare le specifiche senza considerare le condizioni

Un valore di diafonia a 4 m non può essere confrontato direttamente con uno misurato a 100 m. Lo stesso vale per la lunghezza d'onda, lo stato di curvatura e la temperatura.

Errore n. 4: considerare tutte le fibre PANDA come intercambiabili

Possono presentare diametri del campo modale, rivestimenti, lunghezze d’onda di taglio, livelli di prova di resistenza e limiti ambientali diversi.

Errore n. 5: utilizzare fibra PM quando è sufficiente la fibra standard

Le fibre PM e i gruppi ottici PM hanno solitamente un costo maggiore e richiedono una manipolazione più accurata. È consigliabile utilizzarli quando la stabilità della polarizzazione è fondamentale per il funzionamento del sistema.

Domande frequenti sul CWDM

La fibra PM è la stessa cosa della fibra monomodale?

La fibra PM è solitamente un tipo di fibra monomodale, ma la fibra monomodale standard non mantiene la polarizzazione.

È in grado di trasportare luce non polarizzata, ma non la trasforma in una polarizzazione lineare stabile. Il vantaggio principale si manifesta quando la luce polarizzata viene immessa lungo un asse principale.

Molti sistemi utilizzano l’asse lento, ma non tutti. Attenersi alle indicazioni del produttore del laser, del componente o dello strumento e verificare la convenzione relativa alla chiave del connettore.

Sì, ma il giunto non garantisce più il mantenimento della polarizzazione oltre la sezione PM. Anche la disallineamento dei campi modali può causare perdite.

Sì. Un tecnico specializzato deve identificare e allineare le strutture o gli assi di sollecitazione. Il semplice allineamento dell’anima potrebbe garantire perdite ridotte, ma prestazioni di polarizzazione insoddisfacenti.

Un PER misurato più elevato indica una migliore separazione tra la potenza di polarizzazione desiderata e quella indesiderata. Tuttavia, tale valore deve essere valutato in base a condizioni realistiche relative a lunghezza, curvatura, lunghezza d’onda, temperatura, connettore e condizioni di prova.

Il concetto in breve

La fibra PM è progettata per mantenere la luce polarizzata allineata con un asse interno selezionato. Ciò avviene creando una forte birifrangenza tra un asse veloce e un asse lento.

Ricordate questi tre punti:

  1. La fibra PM mantiene la polarizzazione; non la crea.
  2. Il corretto allineamento degli assi è importante tanto quanto una bassa perdita ottica.
  3. I valori riportati nelle schede tecniche hanno senso solo se vengono specificati la lunghezza d'onda, la lunghezza, la curvatura e le condizioni di prova.

Con queste nozioni di base, diventa molto più facile comprendere e confrontare le schede tecniche delle fibre PM.

Fonte

  1. IEC 60793-2-70:2017 – Fibre ottiche, Parte 2-70: Fibre a mantenimento della polarizzazione
  2. Enciclopedia RP Photonics – Fibre a conservazione della polarizzazione
  3. Corning – Scheda tecnica della fibra ottica PANDA PM 1550
  4. FiberLabs – Glossario delle fibre a mantenimento di polarizzazione
  5. Optica / Journal of Lightwave Technology – Connessioni in fibra ottica con mantenimento della polarizzazione

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