Fibra óptica que mantiene la polarización

Imagen de la sección transversal de un cordón de parche de fibra óptica que mantiene la polarización, tomada con un visor microscópico iluminado llamado fibrascopio. Los dos pequeños círculos oculares son las barras de estrés y el pequeño círculo entre ellos es el núcleo. El círculo más grande que los rodea es el revestimiento, generalmente 125 micrones de diámetro.

En fibra óptica, la fibra óptica que mantiene la polarización (PMF o fibra PM) es una fibra óptica monomodo en la que se polariza linealmente la luz, si se lanza adecuadamente a la fibra, mantiene una polarización lineal durante la propagación, saliendo de la fibra en un estado de polarización lineal específico; hay poco o ningún acoplamiento cruzado de potencia óptica entre los dos modos de polarización. Dicha fibra se utiliza en aplicaciones especiales donde es esencial preservar la polarización.

Diafonía de polarización

En una fibra normal (que no mantiene la polarización), dos modos de polarización (por ejemplo, polarización vertical y horizontal) tienen la misma velocidad de fase nominal debido a la simetría circular de la fibra. Sin embargo, pequeñas cantidades de birrefringencia aleatoria en dicha fibra, o la flexión de la fibra, provocarán una pequeña cantidad de diafonía del modo de polarización vertical al horizontal. Y dado que incluso una pequeña porción de fibra, sobre la que se puede aplicar un pequeño coeficiente de acoplamiento, tiene muchos miles de longitudes de onda, incluso ese pequeño acoplamiento entre los dos modos de polarización, aplicado de manera coherente, puede conducir a una gran transferencia de energía al modo horizontal. cambiando completamente el estado neto de polarización de la onda. Dado que ese coeficiente de acoplamiento no fue intencionado y fue el resultado de una tensión o flexión arbitrarias aplicadas a la fibra, el estado de salida de la polarización será aleatorio y variará a medida que varíen esas tensiones o flexión; también variará con la longitud de onda.

Principio de funcionamiento

Las fibras que mantienen la polarización funcionan intencionadamente introduciendo una birrefringencia lineal sistemática en la fibra, de modo que hay dos modos de polarización bien definidos que se propagan a lo largo de la fibra con velocidades de fase muy distintas. La longitud de pulso L_b de una fibra de este tipo (para una longitud de onda particular) es la distancia (normalmente unos pocos milímetros) sobre la cual la onda en un modo experimentará un retraso adicional de una longitud de onda en comparación con el otro modo de polarización. Así, una longitud L_b /2 de dicha fibra equivale a una placa de media onda. Ahora considere que podría haber un acoplamiento aleatorio entre los dos estados de polarización en una longitud significativa de dicha fibra. En el punto 0 a lo largo de la fibra, la onda en el modo de polarización 1 induce una amplitud en el modo 2 en alguna fase. Sin embargo, en el punto 1/2 L_b a lo largo de la fibra, el mismo coeficiente de acoplamiento entre los modos de polarización induce una amplitud en el modo 2 que ahora está 180 grados desfasado con el onda acoplada en el punto cero, lo que lleva a la cancelación. En el punto L_b a lo largo de la fibra, el acoplamiento vuelve a estar en la fase original, pero en 3/2 L_b vuelve a estar desfasado y así sucesivamente. De este modo, se elimina la posibilidad de una adición coherente de amplitudes de onda a través de la diafonía en distancias mucho mayores que L_b. La mayor parte de la potencia de la onda permanece en el modo de polarización original y sale de la fibra en la polarización de ese modo a medida que se orienta en el extremo de la fibra. Los conectores de fibra óptica que se utilizan para las fibras PM están especialmente codificados para que los dos modos de polarización estén alineados y salgan en una orientación específica.

Tenga en cuenta que una fibra que mantiene la polarización no polariza la luz como lo hace un polarizador. Más bien, la fibra PM mantiene la polarización lineal de la luz polarizada linealmente siempre que se lance a la fibra alineada con uno de los modos de polarización de la fibra. Lanzar luz polarizada linealmente en la fibra en un ángulo diferente excitará ambos modos de polarización, conduciendo la misma onda a velocidades de fase ligeramente diferentes. En la mayoría de los puntos a lo largo de la fibra, la polarización neta será un estado de polarización elíptica, con un retorno al estado de polarización original después de un número entero de longitudes de batido. En consecuencia, si se lanza luz láser visible en la fibra que excita ambos modos de polarización, se observa la dispersión de la luz que se propaga vista desde un lado con un patrón de luz y oscuridad periódico sobre cada longitud de pulso, ya que la dispersión es preferentemente perpendicular a la dirección de polarización.

Diseños

Secciones transversales de tres tipos de fibra PM.

Se utilizan varios diseños diferentes para crear birrefringencia en una fibra. La fibra puede ser geométricamente asimétrica o tener un perfil de índice de refracción asimétrico, como el diseño que usa un revestimiento elíptico como se muestra en el diagrama. Alternativamente, la tensión inducida permanentemente en la fibra producirá birrefringencia de la tensión; esto se puede lograr utilizando varillas de otro material incluidas dentro del revestimiento. Se utilizan varias formas diferentes de varilla, y la fibra resultante se vende bajo marcas como "PANDA" y "Corbata de moño". ("PANDA" se refiere a la semejanza de la sección transversal de la fibra con la cara de un panda, y también es un acrónimo de "Mantenimiento de la polarización Y Reducción de la absorción".)

Es posible crear una fibra óptica con birrefringencia circular simplemente usando una fibra monomodo ordinaria (simétrica circularmente) y retorciéndola, creando así una tensión de torsión interna. Eso hace que la velocidad de fase de las polarizaciones circulares derecha e izquierda difieran significativamente. Por lo tanto, las dos polarizaciones circulares se propagan con poca diafonía entre ellas.

Aplicaciones

Las fibras ópticas que mantienen la polarización se utilizan en aplicaciones especiales, como la detección de fibra óptica, la interferometría y la distribución de clave cuántica. También se utilizan comúnmente en telecomunicaciones para la conexión entre una fuente láser y un modulador, ya que el modulador requiere luz polarizada como entrada. Rara vez se utilizan para la transmisión a larga distancia, porque la fibra PM es costosa y tiene una atenuación más alta que la fibra monomodo. Otra aplicación importante son los giroscopios de fibra óptica, que se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial.

La salida de una fibra PM generalmente se caracteriza por su relación de extinción de polarización (PER), la relación entre la luz polarizada correctamente y la incorrecta, expresada en decibelios. La calidad de los latiguillos y latiguillos de PM se puede caracterizar con un medidor PER. Las buenas fibras PM tienen relaciones de extinción superiores a 20 dB.