Fibra óptica de manutenção da polarização - Polarization-maintaining optical fiber

Imagem da seção transversal de um patch cord de fibra óptica que mantém a polarização, tirada com um visor microscópico iluminado chamado fibroscópio . Os dois pequenos círculos em forma de olho são as barras de tensão e o minúsculo círculo entre eles é o núcleo. O círculo maior que os rodeia é o revestimento, geralmente com 125 mícrons de diâmetro.

Em fibra óptica , a fibra óptica de manutenção da polarização ( fibra PMF ou PM ) é uma fibra óptica monomodo em que a luz polarizada linearmente , se devidamente lançada na fibra, mantém uma polarização linear durante a propagação , saindo da fibra em uma polarização linear específica Estado; há pouco ou nenhum acoplamento cruzado de potência óptica entre os dois modos de polarização . Essa fibra é usada em aplicações especiais onde a preservação da polarização é essencial.

Diafonia de polarização

Em uma fibra comum (que mantém a não polarização), dois modos de polarização (digamos, polarização vertical e horizontal) têm a mesma velocidade de fase nominal devido à simetria circular da fibra. No entanto, pequenas quantidades de birrefringência aleatória em tal fibra, ou curvatura na fibra, causarão uma pequena quantidade de diafonia do modo de polarização vertical para o horizontal. E uma vez que mesmo uma pequena porção de fibra, sobre a qual um pequeno coeficiente de acoplamento pode ser aplicado, tem muitos milhares de comprimentos de onda de comprimento, mesmo aquele pequeno acoplamento entre os dois modos de polarização, aplicado de forma coerente, pode levar a uma grande transferência de energia para o modo horizontal, mudando completamente o estado líquido de polarização da onda. Uma vez que esse coeficiente de acoplamento não foi intencional e foi um resultado de tensão arbitrária ou flexão aplicada à fibra, o estado de saída da polarização será aleatório e variará conforme as tensões ou curvaturas variam; também variará com o comprimento de onda.

Princípio da Operação

As fibras que mantêm a polarização funcionam introduzindo intencionalmente uma birrefringência linear sistemática na fibra, de modo que há dois modos de polarização bem definidos que se propagam ao longo da fibra com velocidades de fase muito distintas. O comprimento de batimento L b de tal fibra (para um comprimento de onda específico) é a distância (normalmente alguns milímetros) ao longo da qual a onda em um modo experimentará um atraso adicional de um comprimento de onda em comparação com o outro modo de polarização. Assim, um comprimento L b / 2 de tal fibra é equivalente a uma placa de meia onda . Agora, considere que pode haver um acoplamento aleatório entre os dois estados de polarização em um comprimento significativo dessa fibra. No ponto 0 ao longo da fibra, a onda no modo de polarização 1 induz uma amplitude no modo 2 em alguma fase. No entanto, no ponto 1/2 L b ao longo da fibra, o mesmo coeficiente de acoplamento entre os modos de polarização induz uma amplitude no modo 2 que está agora 180 graus fora de fase com a onda acoplada no ponto zero, levando ao cancelamento . No ponto L b ao longo da fibra, o acoplamento está novamente na fase original, mas em 3/2 L b está novamente fora de fase e assim por diante. A possibilidade de adição coerente de amplitudes de onda por diafonia em distâncias muito maiores do que L b é, portanto, eliminada. A maior parte da energia da onda permanece no modo de polarização original e sai da fibra na polarização desse modo, uma vez que é orientada na extremidade da fibra. Os conectores de fibra ótica usados ​​para fibras PM são especialmente chaveados para que os dois modos de polarização fiquem alinhados e saiam em uma orientação específica.

Observe que uma fibra que mantém a polarização não polariza a luz como um polarizador . Em vez disso, a fibra PM mantém a polarização linear da luz polarizada linearmente, desde que seja lançada na fibra alinhada com um dos modos de polarização da fibra. Lançar luz polarizada linearmente na fibra em um ângulo diferente excitará ambos os modos de polarização, conduzindo a mesma onda em velocidades de fase ligeiramente diferentes. Na maioria dos pontos ao longo da fibra, a polarização líquida será um estado elipticamente polarizado , com um retorno ao estado de polarização original após um número inteiro de comprimentos de batida. Consequentemente, se a luz laser visível é lançada na fibra excitando ambos os modos de polarização, o espalhamento da luz em propagação visto de lado, é observado com um padrão claro e escuro periódico ao longo de cada comprimento de batimento, uma vez que o espalhamento é preferencialmente perpendicular à direção de polarização.

Desenhos

Seções transversais de três tipos de fibra PM.

Vários designs diferentes são usados ​​para criar birrefringência em uma fibra. A fibra pode ser geometricamente assimétrica ou ter um perfil de índice de refração que é assimétrico, como o projeto usando um revestimento elíptico, conforme mostrado no diagrama. Alternativamente, o estresse induzido permanentemente na fibra produzirá birrefringência de estresse ; isso pode ser feito usando hastes de outro material incluídas no revestimento. Vários formatos diferentes de haste são usados ​​e a fibra resultante é vendida com nomes de marcas como "PANDA" e "Gravata borboleta". ("PANDA" refere-se à semelhança da seção transversal da fibra com a face de um panda , e também é um acrônimo para "Polarização-mantendo AND Absorção-redução".)

É possível criar uma fibra óptica birrefringente circularmente usando apenas uma fibra monomodo comum (simétrica circularmente) e torcendo-a, criando assim uma tensão de torção interna. Isso faz com que a velocidade de fase das polarizações circulares direita e esquerda difiram significativamente. Assim, as duas polarizações circulares se propagam com pouca diafonia entre elas

Formulários

As fibras ópticas de manutenção da polarização são usadas em aplicações especiais, como sensoriamento de fibra óptica , interferometria e distribuição de chave quântica . Eles também são comumente usados ​​em telecomunicações para a conexão entre uma fonte de laser e um modulador , uma vez que o modulador requer luz polarizada como entrada. Eles raramente são usados ​​para transmissão de longa distância, porque a fibra PM é cara e tem maior atenuação do que a fibra monomodo . Outra aplicação importante são os giroscópios de fibra óptica , amplamente utilizados na indústria aeroespacial.

A saída de uma fibra PM é tipicamente caracterizada por sua razão de extinção de polarização (PER) - a razão de luz polarizada de forma correta e incorreta, expressa em decibéis . A qualidade dos patchcords e pigtails PM pode ser caracterizada com um medidor PER . Boas fibras de PM têm taxas de extinção superiores a 20 dB.

Referências

  1. ^ Carter, Adrian; Samson, Bryce (agosto de 2004). "As fibras do estilo PANDA vão além das telecomunicações". Laser Focus World .

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