Если вы только начинаете знакомиться с миром волоконной оптики, все технические термины и сокращения могут показаться вам непосильными. Именно поэтому я создал этот серия глоссариев по волокнам - поможет вам понять, что на самом деле означают эти термины, самым простым способом.

Я объясняю все с точки зрения инсайдера, используя реальные фотографии, когда это возможно (а не просто причудливые рендеры). Я также избегаю слишком сложных объяснений, сохраняя язык ясным и прямым, так что вы можете быть уверены, что после прочтения поймете реальное значение этих терминов.

Сегодня мы поговорим о: Оптическое волокно с сохранением поляризации (PM)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Краткий ответ: Что такое PM Fiber?

Поляризационно-стабилизированное волокно, обычно называемое PM-волокном, представляет собой специальное оптическое волокно, предназначенное для поддержания линейной поляризации светового сигнала в направлении одной из двух встроенных осей на протяжении всего пути прохождения.

Обычный одномодовое волокно передаёт одну пространственную моду, но это не означает, что оно сохраняет одно стабильное состояние поляризации. Незначительные изгибы, давление, изменения температуры и технологические отклонения могут привести к изменению поляризации. Поляризационно-модулированное (PM) волокно снижает степень этого нежелательного смешивания за счёт создания сильного и контролируемого различия между двумя осями поляризации.

Самое главное — это просто: Оптическое волокно типа PM сохраняет исходное состояние поляризации. Оно не преобразует неполяризованный свет в поляризованный.

Схематическое изображение волокна, сохраняющего поляризацию

Источник изображения: Vlink

Что означает термин “поляризация”?

Свет представляет собой электромагнитную волну. Его электрическое поле изменяет направление по мере продвижения света. Поляризация описывает характер изменения этого направления.

В случае линейно поляризованного света электрическое поле движется преимущественно в одном фиксированном направлении. Для некоторых оптических систем необходимо, чтобы это направление оставалось стабильным. К таким системам относятся волоконные гироскопы, интерферометры, системы когерентной связи, лазеры и измерительное оборудование.

Если происходит смещение поляризации, система может утратить точность измерений, мощность или стабильность. Именно поэтому и было разработано PM-волокно.

Почему в обычном одномодовом волокне поляризация не остается стабильной?

Название “одномодовое волокно” может ввести в заблуждение. Оно означает, что волокно передаёт одну основную пространственную моду. Это не означает, что по нему может распространяться только одна поляризация.

В стандартном одномодовом волокне могут распространяться две перпендикулярные компоненты поляризации. В идеальном, абсолютно симметричном волокне они вели бы себя практически одинаково. Реальное волокно никогда не бывает полностью свободным от напряжений. Изогнутость, сдавливание, перепады температуры, прокладка кабеля и манипуляции с разъемами — всё это может нарушить его состояние.

Эти возмущения изменяют соотношение между двумя компонентами поляризации. Поэтому поляризация выходного сигнала может изменяться даже при неизменности входного сигнала.

Как работает PM Fiber?

В волокне типа PM намеренно создается свойство, называемое двулучепреломлением. Проще говоря, в этом волокне для двух перпендикулярных направлений поляризации создаются слегка различающиеся оптические условия.

Эти два направления называются быстрой и медленной осями.

  • Свет, направленный вдоль быстрой оси, имеет несколько меньший эффективный показатель преломления.
  • Свет, направленный вдоль медленной оси, имеет несколько более высокий эффективный показатель преломления.

Поскольку эти две оси ведут себя по-разному, свет, излучаемый вдоль одной оси, с меньшей вероятностью будет переходить на другую ось. Поэтому поляризация оказывается более стабильной.

Детали, создающие напряжение, образуют две оси

Наиболее известной конструкцией является волокно PANDA. В ней два стержня, создающих напряжение, располагаются по бокам от сердцевины. По мере охлаждения стекла в процессе производства эти стержни создают контролируемое напряжение вокруг сердцевины. Это напряжение приводит к образованию быстрой и медленной осей.

Другие конструкции, такие как волокна типа «бабочка» и с эллиптической оболочкой, создают двойное лучепреломление по-разному. Основная цель остается той же: обеспечить четкое разделение двух осей поляризации.

Правильное выравнивание ввода имеет решающее значение

Волокно PM работает должным образом только в том случае, если поляризованный свет на входе совпадает с одной из главных осей.

Если свет попадает под углом между осями, часть энергии распространяется по каждой из осей. Эти две части накапливают фазу с разной скоростью. В результате поляризация на выходе может приобрести эллиптический характер или изменяться в зависимости от длины волны, температуры и длины.

Именно поэтому разъемы, соединения и узлы PM-типа требуют выравнивания по вращению. Ориентация шпонки разъема обычно определяется относительно выбранной оси, однако точные правила следует уточнять в чертеже или техническом паспорте. Даже соединение с низкими потерями может иметь неудовлетворительные поляризационные характеристики, если оси смещены.

Схематическое изображение правильного осевого впрыска и впрыска со смещением под углом 45° для волокна pm.

Три простых термина, которые стоит знать

Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление — это разность между эффективными показателями преломления по двум осям:

B = |n_fast − n_slow|

Как правило, чем больше это расхождение, тем меньше вероятность возникновения нежелательной взаимосвязи между осями.

Длина такта

Длина такта — это расстояние, на котором две компоненты поляризации образуют полную разность фаз в 360 градусов:

L_b = λ / B

Здесь λ — длина волны, а B — двулучепреломление. Меньшая длина биения означает более сильное двулучепреломление. Длину биения всегда следует сравнивать при указанной длине волны.

Коэффициент поляризационного экстинкции

Коэффициент поляризационного экстинкции (PER) представляет собой соотношение мощности в нужной оси к мощности в нежелательной оси:

PER (дБ) = 10 log10(P_желаемое / P_нежелаемое)

Чем выше показатель PER, тем лучше. Например, значение 20 дБ означает, что мощность в нужной оси в 100 раз превышает мощность в нежелательной оси. Результат измерения зависит от источника, ориентации ввода сигнала, длины волокна, разъемов, сращиваний, изгибов и метода испытания.

Производители могут также указывать перекрестные помехи, связанные с поляризацией, в виде отрицательного значения. В этом случае чем больше отрицательное значение, тем лучше. Всегда проверяйте, какой вариант измерения используется в техническом паспорте.

Распространённые типы волокон PM

Тип Как возникает двулучепреломление Типичная причина для его использования
PANDA
Рядом с активной зоной расположены два усилительных стержня
Широко доступны и повсеместно используются в системах связи, датчиках и лазерных узлах
Галстук-бабочка
Области напряжения в форме «бабочки» окружают ядро
Высокая стресс-индуцированная двулучепреломление для специальных применений
С эллиптическим сердечником или эллиптической оболочкой
Асимметричная сердцевина или оболочка образует две оси
Применяется в случаях, когда требуется иная геометрия или специальная конструкция

«PANDA» — это название, которое увидят большинство покупателей, однако один только тип волокна не гарантирует его пригодности для конкретного применения. Важную роль по-прежнему играют длина волны, покрытие, затухание, размеры, показатель PER или перекрестные помехи, а также требования к условиям эксплуатации.

PM-волокно по сравнению с другими типами волокон

Тип волокна Основная цель Сохраняется ли при этом поляризация? Важное примечание
Стандартное одномодовое волокно
Передача одного пространственного режима на большие расстояния
Ненадёжно
Поляризация может изменяться под воздействием напряжения и температуры
Волокно, сохраняющее поляризацию
Обеспечьте, чтобы свет был направлен по выбранной оси
Да, при правильном запуске и эксплуатации
Он не поляризует неполяризованный свет
Однополяризационное волокно
Пропускать одну поляризацию, при этом сильно подавляя другую
Да, в пределах предусмотренного диапазона длин волн
Оно работает иначе, чем обычное волокно PM

Не следует выбирать волокно с сохранением поляризации (PM) только потому, что в системе используется одномодовый свет. Во многих обычных телекоммуникационных линиях связи сохранение поляризации не требуется.

Сравнение поперечных сечений волокон PM и Panda Fiebr

Как читать техническое описание волокна PM

1. Рабочая длина волны и граничная длина волны

Оптические волокна типа PM рассчитаны на определенные диапазоны длин волн, такие как 850, 1060, 1310 или 1550 нм. Убедитесь, что рабочая длина волны находится в пределах указанного диапазона. Также проверьте граничную длину волны, чтобы волокно работало в предусмотренном одномодовом диапазоне.

2. Длина удара

Меньшая длина колебания обычно свидетельствует о более сильном двулучепреломлении. Сравнивать значения следует только при одинаковых длинах волн и условиях испытаний.

3. PER или перекрестные помехи, связанные с поляризацией

Этот показатель отражает, насколько хорошо сборка обеспечивает удержание мощности на выбранной оси. Значение для голого волокна не всегда совпадает с результатом для готового соединительного кабеля. Выравнивание разъемов, сращивание, изгиб и неправильное обращение могут снизить характеристики.

4. Затухание

Затухание характеризует оптические потери на единицу длины, обычно выражаемые в дБ/км. В случае коротких PM-узлов потери в разъемах и местах сращивания могут иметь большее значение, чем затухание волокна на километровом участке.

5. Диаметр поля режима и числовая апертура

Эти параметры влияют на совместимость соединений и сращиваний. Несоответствие характеристик двух волокон может привести к дополнительным потерям, даже если оба изделия указаны как волокна PM.

6. Облицовка, покрытие и буферный слой

Проверьте диаметр стекла, диаметр покрытия, материал покрытия и диапазон температур. Стандартные акрилатные, высокотемпературные и металлические покрытия предназначены для использования в различных условиях эксплуатации.

7. Требования к изгибу

Изгиб может привести к потере сигнала и нарушению поляризации. Соблюдайте указанный поставщиком минимальный радиус изгиба и условия тестирования. Наши Руководство по радиусу изгиба оптоволокна объясняет основное различие между макроизгибом и микроизгибом.

Краткое справочное руководство по техническим характеристикам волокон, сохраняющих поляризацию

Пример реального технического паспорта

В техническом паспорте продукта PANDA PM 1550 компании Corning, выпущенном в январе 2019 года, приведены следующие значения для данного конкретного продукта:

Параметр Указанная стоимость и состояние
Рабочая длина волны
1550 нм
Максимальное затухание
0,5 дБ/км при длине волны 1550 нм
Диаметр модного поля
10,5 ± 0,5 мкм при длине волны 1550 нм
Длина такта
от 3,0 до 5,0 мм при длине волны 1550 нм
Максимальные перекрестные помехи
−30 дБ на расстоянии 100 м
Типичные перекрестные помехи
−40 дБ на расстоянии 4 м

Эти значения не являются универсальными для волокон PM. Они служат полезным примером того, как технические характеристики зависят от длины волны и длины испытательного участка. Покупателю следует сопоставить данные с фактическим техническим паспортом конкретного волокна или кабельной сборки, которую он планирует приобрести.

Где применяется волокно PM?

К числу типичных областей применения относятся:

  • Волоконно-оптические гироскопы и навигационные системы
  • Интерферометрические датчики и датчики тока
  • Когерентная оптическая связь
  • Волоконные лазеры и системы доставки лазерного излучения
  • Оборудование для испытаний с учетом поляризации
  • Квантовая оптика и исследовательские приборы
  • Интегрированные фотонные устройства

В готовой системе волокно является лишь одной из составляющих поляризационного тракта. Оптоволоконные разъемы, соединители, муфты и другие компоненты также должны обеспечивать необходимое совмещение и рабочие характеристики.

Как выбрать волокно PM или узел PM

Перед покупкой ответьте на следующие вопросы:

  1. Каковы точные рабочая длина волны и полоса пропускания?
  2. Какая конструкция PM и какая модель волокна требуются для данного оборудования?
  3. По какой оси следует разместить источник света: по медленной или по быстрой оси?
  4. Какие показатели PER или перекрестных помех требуются и на какой длине тестового участка?
  5. Какой тип разъема, обработка контактов, ориентация ключа и допуск по оси требуются?
  6. Каковы максимальные требования к вносимым и обратным затуханиям?
  7. Какие требования предъявляются к температуре, изгибу, покрытию и механическим характеристикам?
  8. Будет ли изделие поставляться в виде голого волокна, пигтейла или в готовом виде? волоконно-оптический патч-корд?

Для сборок запрашивайте чертеж, на котором указана ось с шпоночным соединением. Также уточните, измеряется ли показатель PER на готовой сборке и включает ли результат разъем.

Распространенные ошибки

Ошибка № 1: Предположение, что волокно типа PM создает поляризованный свет

Нет. Поляризатор или поляризованный источник по-прежнему необходимы, если входной сигнал еще не поляризован.

Ошибка № 2: Игнорирование выравнивания осей

Хорошие вносимые потери не гарантируют хорошего коэффициента PER. Оси должны быть выровнены на протяжении всего участка, включающего разъемы и сращивания.

Ошибка № 3: Сравнение технических характеристик без учета условий

Значение перекрестных помех на расстоянии 4 м нельзя напрямую сравнивать со значением, измеренным на расстоянии 100 м. То же самое относится к длине волны, состоянию изгиба и температуре.

Ошибка № 4: Рассматривать все волокна PANDA как взаимозаменяемые

Они могут отличаться диаметром поля моды, типом покрытия, предельной длиной волны, уровнями испытаний на прочность и предельными значениями воздействия окружающей среды.

Ошибка № 5: Использование волокна PM там, где достаточно стандартного волокна

Оптические волокна и узлы с PM-поляризацией, как правило, стоят дороже и требуют более бережного обращения. Их следует использовать в тех случаях, когда стабильность поляризации действительно имеет решающее значение для работы системы.

Часто задаваемые вопросы о CWDM

Волокно PM — это то же самое, что и одномодовое волокно?

Волокно PM, как правило, относится к типу одномодовых волокон, однако стандартное одномодовое волокно не обеспечивает сохранение поляризации.

Он может пропускать неполяризованный свет, но не преобразует его в одну стабильную линейную поляризацию. Основное преимущество проявляется, когда поляризованный свет вводится вдоль главной оси.

Многие системы используют «медленную ось», но не все. Следуйте рекомендациям производителя лазера, компонента или прибора и уточните схему расположения штифтов разъема.

Да, но этот соединитель больше не гарантирует сохранение поляризации за пределами секции PM. Потери могут также возникать из-за несоответствия модовых полей.

Да. При использовании подходящего устройства для сращивания необходимо определить и совместить структуры или оси напряжений. Обычное совмещение сердечников само по себе может обеспечить низкие потери, но при этом привести к неудовлетворительным показателям поляризации.

Более высокое измеренное значение PER означает более эффективное разделение желаемой и нежелаемой поляризационной мощности. Однако эту характеристику следует оценивать с учетом реальных значений длины, изгиба, длины волны, температуры, типа разъема и условий испытаний.

Краткое резюме

Волокно типа PM предназначено для обеспечения выравнивания поляризованного света по выбранной внутренней оси. Это достигается за счет создания сильного двойного лучепреломления между быстрой и медленной осями.

Запомните три момента:

  1. PM-волокно сохраняет поляризацию, но не создаёт её.
  2. Правильное выравнивание осей не менее важно, чем низкие оптические потери.
  3. Значения, указанные в техническом паспорте, имеют смысл только при условии указания длины волны, длины кабеля, степени изгиба и условий испытаний.

С учетом этих основных сведений техническое описание оптоволокна PM становится гораздо проще понять и сравнить.

Источник

  1. IEC 60793-2-70:2017 — Оптические волокна. Часть 2-70: Волокна с сохранением поляризации
  2. Энциклопедия RP Photonics — Волокна с сохранением поляризации
  3. Corning — Технические характеристики оптического волокна PANDA PM 1550
  4. FiberLabs — Глоссарий по волокнам с сохранением поляризации
  5. Optica / Journal of Lightwave Technology — Соединения из волокон, сохраняющих поляризацию

У вас еще остались вопросы?

Если вы все еще сомневаетесь в чем-то, не стесняйтесь обращаться к нам.

Хотите узнать больше терминов по оптоволокну? Зайдите на наш сайт раздел блога.

Если нужный вам термин еще не охвачен, дайте мне знать - я добавлю его в список приоритетов!

И, наконец, если вы являетесь телекоммуникационным провайдером, оператором сети или занимаетесь развитием оптоволоконной инфраструктуры и ищете надежного партнера в сфере оптоволоконных компонентов — не стесняйтесь связаться с нами.