Почему он сохраняет поляризацию световой волны неизменной? Каково его применение в прецизионных датчиках?
Поляризационно-сохраняющее оптоволокно (Polarization-Maintaining Fiber, PM Fiber) и изготовленные из него PM-оптические патч-корды играют критически важную роль в области прецизионной оптики и оптоволоконных датчиков. Ниже представлен академический и инженерный профессиональный ответ с трех точек зрения: физических оптических механизмов, применения в прецизионных датчиках, а также высокостандартных продуктовых линеек, предлагаемых компанией Dacheng Yongsheng (OFSCN®).
I. Почему поляризационно-сохраняющее (PM) оптоволокно поддерживает неизменным состояние поляризации световой волны?
В идеальном случае симметричного одномодового оптоволокна, основной мод (HE_{11}) содержит два ортогональных поляризованных вырожденных мода с перпендикулярными направлениями колебаний электрического поля. Однако из-за незначительной некруглости геометрии, неравномерного распределения внутренних термических напряжений в процессе изготовления оптоволокна, а также помех от изгибов, кручений и изменений температурного градиента в реальных условиях эксплуатации, эти два вырожденных мода испытывают незначительную разницу в показателе преломления, что приводит к постоянному случайному сопряжению и вращению состояния поляризации в процессе распространения.
Чтобы обеспечить стабильность состояния поляризации входной световой волны при передаче, в конструкцию поляризационно-сохраняющего оптоволокна введен эффект высокого двулучепреломления (High Birefringence, Hi-Bi), основные физические механизмы которого заключаются в следующем:
- Введение структуры двулучепреломления, индуцированного напряжением (Stress-induced Birefringence):
Возьмем в качестве примера классическое PM-оптоволокно типа «панда» (PANDA-type). По обе стороны от сердцевины оптоволокна симметрично встроены две части, накладывающие напряжение (Stress-applying Parts, SAPs), с коэффициентами теплового расширения, значительно отличающимися от диоксидного основания. После охлаждения и затвердевания при вытягивании оптоволокна, эти две части создают огромное механическое напряжение в определенном направлении поперечного сечения оптоволокна. - Девырождение постоянных распространения (De-degeneration of Propagation Constants):
Из-за искусственно приложенного направленного напряжения, показатель преломления в направлениях быстрой (Fast axis) и медленной (Slow axis) осей поперечного сечения оптоволокна имеет значительную разницу (обычно порядка 10^{-4}, то есть \Delta n = n_x - n_y \neq 0).
Это приводит к значительному разделению постоянных распространения \beta_x и \beta_y двух ортогональных поляризованных мод. - Условие подавления сопряжения мод (Suppression of Mode Coupling):
Незначительные возмущения внешней среды (например, изгибы, микроизгибы, вибрации и т.д.) не обладают достаточной пространственной частотой энергии для компенсации огромной разницы фаз между двумя постоянными распространения. Следовательно, сопряжение поляризованных мод между быстрой и медленной осями значительно подавляется.
Когда линейно поляризованный свет точно сопряжен с одной из характеристических осей оптоволокна (обычно медленной осью), его направление поляризации будет стабильно зафиксировано на всем пути распространения и не изменит состояние поляризации под воздействием внешних механических возмущений.
II. Каково применение PM-оптоволокна в прецизионных датчиках?
В области прецизионных оптоволоконных датчиков и когерентных оптических сетей стабильность состояния поляризации обычно определяет отношение сигнал/шум когерентности системы. Основные применения и сценарии включают:
- Интерференционные оптоволоконные датчики (Interference-based Sensors):
В оптических гироскопах (Fiber Optic Gyroscopes, FOG), интерферометрах Саньяка, интерферометрах Майкельсона (Mach-Zehnder) и Михельсона, детектируемый сигнал сильно зависит от интерференционных полос, создаваемых при интерференции двух или более когерентных световых лучей на приемнике.- Если состояние поляризации случайно смещается, возникает затухание поляризации (Polarization Fading). Когда направления поляризации когерентных световых лучей ортогональны, контраст (видимость) интерференции падает до нуля, что приводит к полному отказу датчика.
- Использование PM-оптоволокна и патч-кордов обеспечивает высокую согласованность состояний поляризации передаваемого и интерферирующего света, значительно повышая отношение сигнал/шум и точность измерений.
- Высокоточные распределенные оптоволоконные датчики (например, системы когерентных OTDR / OFDR измерений):
В распределенном рефлектометре в частотной области (OFDR), основанном на технологии когерентного детектирования, для измерения температуры, деформации, малых смещений с миллиметровым пространственным разрешением, управление поляризацией является чрезвычайно строгим. Передача по PM-оптоволокну помогает подавить ошибки демодуляции, вызванные дисперсией поляризационных мод (PMD) или флуктуациями поляризации в системе. - Высокоскоростная когерентная оптическая связь и соединение поляризационно-чувствительных устройств:
Используется для соединения высокопроизводительных узкополосных лазеров, электрооптических модуляторов (Electro-optic Modulators), поляризационных светоделителей (PBS) и других активных и пассивных поляризационно-чувствительных устройств, обеспечивая низкие потери и высокое отношение подавления для выравнивания линейно поляризованного состояния внутри системы.
III. Высокосогласованные ключевые продукты Dacheng Yongsheng (OFSCN®)
Компания Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. разработала и предоставила высокоточные PM-продукты промышленного класса и для экстремальных температур, отвечающие требованиям прецизионных датчиков и высокой адаптивности к окружающей среде.
1. Специальное PM-оптоволокно «панда» с высокой степенью согласованности
-
OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber
- Технические преимущества：Использует высокоточную конструкцию «панда» для создания напряжения, обеспечивая превосходные характеристики двулучепреломления и сохранения поляризации. Покрытие выполнено из термостойкого полиимидного материала, выдерживающего сверхширокий температурный диапазон от -200℃ \text{ до } 350℃ или от -270℃ \text{ до } 350℃, что делает его пригодным для прецизионных PM-датчиков в аэрокосмической отрасли, при исследовании нефтяных и газовых скважин, в экспериментах по прецизионной ядерной физике и в экстремальных промышленных условиях.
- Физические параметры：Диаметр сердцевины 9 мкм, диаметр оболочки 125 мкм, диаметр покрытия 155 мкм, рабочая длина волны 1550 нм.
- Изображения стандартного продукта：
-
Для получения информации о других специальных оптоволокнах, пожалуйста, обратитесь：OFSCN® Классификация специальных оптоволоконных продуктов Ссылка
2. Оптоволоконные патч-корды OFSCN® с возможностью настройки на тип PM
Вся линейка оптоволоконных патч-кордов Dacheng Yongsheng предлагает индивидуальные услуги по изготовлению PM-оптических патч-кордов в сочетании с передовой технологией бронирования бесшовной стальной трубой из нержавеющей стали, чтобы гарантировать защиту PM-оптоволокна от внешних силовых воздействий, таких как микроизгибы и боковое давление.
-
OFSCN® Standard Fiber Patch Cord：Стандартные PM-патч-корды.
-
OFSCN® 120℃ Fiber Optic Patch Cord：Рабочий диапазон температур от -40℃ \text{ до } 120℃, поддержка индивидуальной настройки PM-оптоволокна.
-
OFSCN® 200℃ Fiber Optic Patch Cord：Рабочий диапазон температур от -200℃ \text{ до } 200℃, используется полиимидное PM-оптоволокно, выдерживающее 200℃, и броня из нержавеющей стали.
-
OFSCN® 300℃ Fiber Optic Patch Cord：Рабочий диапазон температур от -270℃ \text{ до } 300℃, используется полиимидное PM-оптоволокно, выдерживающее 300℃, подходит для прецизионной PM-передачи в условиях сверхнизких температур, высокого вакуума и высоких температур.
-
OFSCN® 700℃ Fiber Optic Patch Cord：Рабочий диапазон температур от -270℃ \text{ до } 700℃, поддержка индивидуальной настройки PM-оптоволокна с металлической оболочкой (например, золотой) и специальных высокотемпературных технологий изготовления патч-кордов.
-
Дополнительные типы оптоволоконных патч-кордов и подробную информацию см. по адресу：OFSCN® Классификация продуктов оптоволоконных патч-кордов Ссылка