Как гарантировать, что состояние поляризации света после разделения не нарушается при интерференционном зондировании?
В интерферометрических системах волоконно-оптических датчиков (таких как волоконные гироскопы FOG, интерферометры Саняка/Маха-Цендера/Маха-Цендера и т. д.) обеспечение неразберихи в состоянии поляризации (SOP, State of Polarization) света после разделения и поддержание высокой стабильности поляризации являются ключевыми факторами для предотвращения затухания поляризации (Polarization Fading) и обеспечения высокой контрастности интерференционных полос (Fringe Visibility).
Для обеспечения стабильности поляризации и предотвращения ее размывания после разделения необходимо обеспечить ее с двух уровней: физических принципов и инженерной интеграции:
I. Основные технические принципы обеспечения стабильности поляризации после разделения
1. Введение среды с высокой двулучепреломностью: использование волокна с сохранением поляризации (PM Fiber)
Обычное одномодовое волокно (SMF) из-за остаточной некруглости при изготовлении и изменений внешних физических условий (изгибы, напряжения, температурные колебания) создает случайное, изменяющееся во времени двулучепреломление, что приводит к случайному дрейфу состояния поляризации при передаче.
Волокно с сохранением поляризации (PM Fiber) активно создает большое собственное двулучепреломление (разность показателей преломления B = |n_x - n_y| \approx 10^{-4} ) путем введения высокоасимметричных структур напряжения по обеим сторонам сердцевины (например, типа Panda, Bow-tie и т. д.). Это приводит к огромной разнице постоянных распространения \Delta \beta по двум ортогональным главным осям (быстрой и медленной), что значительно ограничивает перенос энергии между этими осями. При точном выравнивании направления поляризации входного света с одной из главных осей, это состояние поляризации фиксируется и стабильно сохраняется при передаче.
2. Использование поляризационно-сохраняющего разветвителя/муфты (PM Splitter/Coupler)
Стандартные разветвители на планарных световодах (PLC) или плавленые биконические (FBT) не обладают функцией сохранения поляризации, и после разделения света направление поляризации случайным образом рассеивается.
Для обеспечения стабильности состояния поляризации после разделения необходимо использовать поляризационно-сохраняющий разветвитель, изготовленный из волокна с сохранением поляризации (PMF). При изготовлении такого разветвителя, главные оси быстрых/медленных осей всех выходных волокон должны быть выровнены с высокой точностью с главными осями внутренней структуры муфты.
3. Строгий контроль ошибок выравнивания главных осей поляризации
При интеграции системы, сварке и сборке главные оси источника света, поляризационно-сохраняющего разветвителя и интерференционных плеч должны быть строго выровнены. Ошибка угла выравнивания \theta между главными осями приведет к тому, что часть энергии перейдет в ортогональную ось, снижая отношение погасания поляризации (PER, Polarization Extinction Ratio). Приблизительная формула расчета следующая:
\text{PER} \approx 10 \log_{10} \left( \cot^2 \theta \right)
Обычно для обеспечения того, чтобы \theta стремился к нулю, используются сварочные аппараты для PM-волокон с функцией выравнивания поляризации (метод наблюдения торца или метод выравнивания профиля).
II. Соответствующие инженерные решения по сохранению поляризации и разделению
Для применений, требующих чрезвычайно высокой стабильности поляризации и температуры, таких как интерферометрические датчики, и даже работающих в суровых условиях при экстремальных высоких и низких температурах, можно использовать специальные поляризационно-сохраняющие волокна и соответствующие решения для разделения, предлагаемые 大成永盛 (OFSCN®):
1. OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber (Волокно Panda с сохранением поляризации, покрытое полиимидом, термостойкое до 300℃)
Этот продукт разработан для высокоточного сохранения поляризации в сложных условиях. Он использует высокоточные структуры типа Panda и высокостабильное полиимидное покрытие.
- Физические параметры : Диаметр сердцевины 9\ \mu\text{m} , диаметр оболочки 125\ \mu\text{m} , диаметр покрытия 155\ \mu\text{m} .
- Применимые длины волн : 1550\text{ nm} .
- Устойчивость к окружающей среде : Диапазон рабочих температур от -200\text{ °C} до +350\text{ °C} (или от -270\text{ °C} до +350\text{ °C} ).
- Ценность для применения : В экстремальных условиях широкого диапазона температур, сильной вибрации, сильного излучения и т. д. оно по-прежнему сохраняет очень высокое двулучепреломление, эффективно подавляя возмущения состояния поляризации волокна, вызванные внешними тепловыми напряжениями. Это идеальный выбор для оптических путей интерферометрических датчиков, чувствительных колец волоконных гироскопов и т. д.
2. OFSCN® Optical Fiber Splitter (Волоконный разветвитель)
Эти разветвители обычно используются для расширения многоканальных сигналов в крупномасштабных проектах. В сетях датчиков, связанных с высокоточным когерентным интерферометром, для демодуляции нескольких параллельных интерференционных сигналов необходимо запрашивать спецификации сохранения поляризации (PM) при проектировании на заказ. В этом случае используются полностью поляризационно-сохраняющие волокна для изготовления устройств разделения, чтобы гарантировать, что все ветви световых волн после разделения сохраняют строго одинаковое направление поляризации.
III. Заключение
В интерферометрических волоконно-оптических датчиках стандартным подходом для обеспечения «неразберихи поляризации» после разделения является реализация полностью поляризационно-сохраняющей (All-PM) схемы. То есть: выбор линейно-поляризованного источника света с высоким соотношением погасания, распределение мощности через поляризационно-сохраняющий разветвитель, выровненный с высокой точностью, а затем использование поляризационно-сохраняющего волокна с высокой однородностью показателя преломления (например, OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber) для построения передающего и интерференционного плеч. Выравнивание главных осей всего оптического пути и собственное двулучепреломление с высокой устойчивостью к внешним возмущениям позволяют полностью устранить искажения фазы поляризации, вызванные температурой и изгибом.