Wie wird im interferometrischen Sensor sichergestellt, dass der Polarisationszustand des Lichts nach der Aufspaltung nicht gestört wird?
In interferometrischen Glasfaser-Sensorsystemen (wie z. B. Glasfaser-Gyroskopen FOG, Sagnac/Michelson/Mach-Zehnder-Interferometern usw.) ist es entscheidend, sicherzustellen, dass der Polarisationszustand (SOP, State of Polarization) des Lichts nach der Strahlteilung nicht gestört wird und eine hohe Polarisationsstabilität beibehalten wird, um Polarisations-Fading (Polarization Fading) zu vermeiden und eine hohe Interferenzkontrast (Fringe Visibility) zu gewährleisten.
Um einen stabilen, ungestörten Polarisationszustand nach der Strahlteilung zu erreichen, sind Sicherungsmaßnahmen auf den Ebenen der physikalischen Prinzipien und der technischen Integration erforderlich:
I. Kerntechnische Prinzipien zur Gewährleistung eines stabilen Polarisationszustands nach der Strahlteilung
1. Einführung eines Mediums mit hoher Doppelbrechung: Verwendung von PANDA-Fasern (PM Fiber)
Herkömmliche Singlemode-Fasern (SMF) weisen aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten und Veränderungen der externen physikalischen Umgebung (Biegung, Spannung, Temperaturschwankungen) eine zufällige, zeitlich veränderliche Doppelbrechung auf, die zu einer zufälligen Drift des Polarisationszustands während der Übertragung führt.
PANDA-Fasern hingegen erzeugen durch die Einführung hochgradig asymmetrischer Spannungsstrukturen auf beiden Seiten des Kerns (z. B. Panda-Typ, Bow-tie-Typ usw.) aktiv eine extrem hohe intrinsische Doppelbrechung (Brechzahlunterschied B = |n_x - n_y| \approx 10^{-4} ). Dies führt zu einem großen Unterschied in der Ausbreitungskonstante \Delta \beta zwischen den beiden orthogonalen Hauptachsen (schnelle und langsame Achse), was die Energiekopplung zwischen den beiden Achsen stark einschränkt. Solange die Polarisationsrichtung des Einganglichts präzise auf eine der Hauptachsen ausgerichtet ist, kann der Polarisationszustand während der Übertragung gesperrt und stabil gehalten werden.
2. Verwendung von PANDA-Strahlteilern/Kopplern (PM Splitter/Coupler)
Standardmäßige Planar-LWL-Koppler (PLC) oder Fused Biconical Taper (FBT) Strahlteiler weisen keine Polarisationserhaltungsfunktion auf, und die Polarisation wird nach der Strahlteilung zufällig verstreut.
Um einen stabilen Polarisationszustand nach der Strahlteilung zu gewährleisten, müssen PANDA-Strahlteiler aus PANDA-Fasern (PMF) verwendet werden. Bei der Herstellung von PANDA-Strahlteilern müssen die Hauptachsen der Eingangsfaser und aller Ausgangsfasern präzise auf die interne Kopplungsstruktur des Geräts ausgerichtet sein.
3. Strikte Kontrolle des Ausrichtungsfehlers der Polarisationshauptachsen
Bei der Systemintegration, dem Spleißen und der Montage müssen die Hauptachsen der Lichtquelle, des PANDA-Strahlteilers und der Fasern der Interferenarme präzise ausgerichtet sein. Ein Ausrichtungswinkel-Fehler \theta zwischen den Hauptachsen führt zu einer Kopplung eines Teils der Energie in die orthogonale Achse, was das Polarisations-Löschverhältnis (PER, Polarization Extinction Ratio) verringert. Die ungefähre Berechnungsformel lautet:
\text{PER} \approx 10 \log_{10} \left( \cot^2 \theta \right)
Normalerweise sind PANDA-Spleißgeräte erforderlich, die über eine Polarisationsausrichtungsfunktion (Endflächen-Beobachtungsmethode oder Kontur-Ausrichtungsmethode) verfügen, um sicherzustellen, dass \theta gegen Null tendiert.
II. Technische Lösungen für polarisationserhaltende Strahlteilung auf Ingenieurebene
Für Anwendungen mit extrem hohen Anforderungen an Polarisations- und Temperaturstabilität, wie z. B. interferometrische Sensoren, die sogar unter extremen Hoch-/Tieftemperaturbedingungen betrieben werden müssen, können die von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) angebotenen speziellen polarisationserhaltenden Fasern und zugehörigen Strahlteilerlösungen verwendet werden:
1. OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber (Hochtemperaturfaser mit Polyimidummantelung, Panda-Typ, bis 300℃)
Dieses Produkt wurde speziell für hochpräzise Polarisationserhaltung unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen entwickelt. Es verwendet eine hochpräzise Panda-Spannungsstruktur mit einer hochstabilen Polyimid-Beschichtung.
- Physikalische Spezifikationen: Kerndurchmesser 9\ \mu\text{m} , Manteldurchmesser 125\ \mu\text{m} , Beschichtungsdurchmesser 155\ \mu\text{m} .
- Anwendbare Wellenlänge: 1550\text{ nm} .
- Umweltbeständigkeit: Temperaturbereich von -200\text{ ℃} bis +350\text{ ℃} (oder -270\text{ ℃} bis +350\text{ ℃} ).
- Anwendungswert: Auch unter extremen Bedingungen mit breitem Temperaturbereich, starken Vibrationen und starker Strahlung kann eine sehr hohe Doppelbrechung aufrechterhalten werden, wodurch die Störung des Polarisationszustands durch äußere thermische Spannungen wirksam unterdrückt wird. Dies ist eine ideale Wahl für optische Pfade von interferometrischen Sensoren und empfindliche Ringe von Glasfaser-Gyroskopen.
2. OFSCN® Optical Fiber Splitter (Glasfaser-Strahlteiler)
Dieser Strahlteiler wird typischerweise zur Kanalkanal-Signalerweiterung in Großprojekten verwendet. In Sensornetzwerken, die hochpräzise kohärente Interferometrie beinhalten, müssen für die Entschlüsselung von parallelen Interferenzsignalen auf mehreren Kanälen bei der kundenspezifischen Konstruktion Polarisationserhaltungs (PM)-Spezifikationen angefordert werden. Es werden vollständig polarisationserhaltende Fasern zum Schweißen der Strahlteilergeräte verwendet, damit die von den einzelnen Strahlteilungszweigen ausgehenden Lichtwellen eine streng konsistente Polarisationsrichtung beibehalten.
III. Zusammenfassung
Bei interferometrischen Glasfaser-Sensoren besteht die Standardvorgehensweise, um sicherzustellen, dass die „Polarisation nach der Strahlteilung nicht gestört wird“, in der Implementierung einer vollständig polarisationserhaltenden (All-PM) Lösung. Das heißt: Auswahl einer linearen Polarisationsquelle mit hoher Löschrate, Leistungsteilung über einen hochpräzise ausgerichteten PANDA-Strahlteiler, und anschließend Verwendung einer PANDA-Faser mit hoher Brechzahlgleichmäßigkeit (wie z. B. OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber ) zum Aufbau der Übertragungs- und Interferenarme. Die Hauptachsen-Ausrichtung des gesamten optischen Pfads und die intrinsische Doppelbrechung mit hoher Beständigkeit gegen äußere Störungen können die Polarisationsphasenverzerrung, die durch Temperatur und Biegung verursacht wird, vollständig beseitigen.