Ist die Phasenbeziehung des von verschiedenen Ports ausgegebenen Lichts fest?
I. Theorie und internes Wellenleiter-Level: Phasenbeziehung ist theoretisch fixiert
Gemäß den Prinzipien der Wellenoptik und der Lichtfeldinterferenz wird ein kohärenter Lichtstrahl (z.B. ein Laserlichtstrahl) beim Eintritt in einen optischen Splitter kohärent aufgeteilt, während er sich durch die Kopplungsregion oder die verzweigten Wellenleiter im Splitter bewegt.
Bei Splittern, die auf der Planar-Lightwave-Circuit (PLC)-Technologie basieren, wird die interne Mikro- und Nanostruktur der Wellenleiter präzise mittels Halbleiter-Lithografie auf einem Siliziumsubstrat gefertigt:
- Geometrische Symmetrie: Die internen verzweigten Pfade des Splitterchips weisen eine hohe geometrische Symmetrie auf.
- Festgelegte optische Wegdifferenz: Der physische Wegunterschied (geometrischer Längenunterschied) und die Brechungsindexverteilung zwischen zwei (oder mehreren) Ausgangsanschlüssen sind konstant, was zu einer extrem stabilen optischen Wegdifferenz \Delta L_{opd} führt.
- Konstante Phasendifferenz: Folglich ist die Phasendifferenz \Delta \phi = \frac{2 \pi}{\lambda} \Delta L_{opd} zwischen den beiden Ausgangslichtwellen am Übergang der physikalischen Ausgänge des Chips theoretisch konstant und weist eine sehr hohe intrinsische Phasenübereinstimmung auf.
II. Externes Ausgangsfaser-Level: Phasenbeziehung ist oft zufällig driftend
Obwohl die Phasenbeziehung innerhalb des Splitterchips fixiert ist, werden in praktischen technischen Anwendungen externe Glasfaser-Pigtails (Pigtails) an die verschiedenen Ausgangsanschlüsse des Splitters angeschlossen. Am Ende der externen Faser-Pigtails ist die Phasenbeziehung zwischen den beiden Lichtwellen normalerweise nicht mehr fixiert. Dies liegt hauptsächlich an folgenden physikalischen Faktoren:
- Minimale Längendifferenzen (Einfluss der geometrischen Abmessungen): Für Licht im Kommunikationsband (z. B. Wellenlängen im Nahen Infrarot, \lambda = 1550\text{ nm} ) beträgt die räumliche Wellenlänge nur etwa 1,55\ \mu\text{m} . Selbst ein winziger Längenunterschied von nur 1\ \mu\text{m} zwischen zwei Faser-Pigtails während des Schneidens und Spleißens führt zu einer großen Phasendifferenz (nahezu 240^{\circ} Phasenverschiebung) zwischen den beiden Lichtwellen.
- Umgebungstemperaturschwankungen (Thermo-optische und thermische Ausdehnungseffekte): Der Brechungsindex und die physikalische Länge von Glasfasern reagieren sehr empfindlich auf Temperaturänderungen. Wenn die beiden Faser-Pigtails einem geringen Temperaturunterschied ausgesetzt sind (z. B. einem lokalen Temperaturunterschied von 0,01\ ^{\circ}\text{C} ), ändern sich die äquivalenten optischen Wege der beiden Lichtwellen während der Übertragung aufgrund thermo-optischer und thermischer Elastizitätseffekte, was zu einer erheblichen zeitlichen Drift der relativen Phasendifferenz am Ausgang führt.
- Mechanische Spannungen und Vibrationen (Elasto-optische Effekte): Äußere Mikrovibrationen, Biegungen oder Dehnungen können die Brechungsindexverteilung innerhalb der Glasfaser ändern (d.h. Doppelbrechung und Elasto-optische Effekte), was ebenfalls zu zufälligen dynamischen Phasenfluktuationen führt.
Daher, es sei denn, spezielle phasenadaptive Fasern (Phase-matched Fibers) werden verwendet und eine extrem strenge, vibrationsfreie thermische Kapselung durchgeführt wird, ist die Phasenbeziehung des Ausgangslichts an den Enden von normalen Splitter-Pigtails ständig zufälligen Umgebungsdrift unterworfen. In verteilten Glasfasersensoranwendungen (wie kohärente OTDR oder Glasfaser-Hydrophone) werden typischerweise aktive Phasenmodulatoren oder Algorithmen zur Phasenkompensation verwendet, um dieses Problem zu überwinden.
III. OFSCN®-bezogene Produktvorstellung
Im Bereich der Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorik bietet Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) spezielle Hochleistungs-Lichtleitungs-Splitter für den Einsatz mit Mehrkanal-Demodulationssystemen an.
OFSCN® Optical Fiber Splitter
Hauptparameter und Anwendungsindikatoren:
- Produkttyp: Faser-Splitter, Licht-Splitter, Faser-Bragg-Gitter-Splitter.
- Modellnummern: Gängige Modelle umfassen 16x32 Splitter, 8x16 Splitter, 4x8 Splitter, 32x64 Splitter usw., und spezielle Kanalanpassungen werden unterstützt.
- Systemanwendung: Einsatz in großen Ingenieurprojekten in Verbindung mit OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (FBG-Demodulator). Indem ein physischer Kanal des Demodulators logisch in mehrere physikalische Kanäle erweitert wird, können die Hardwarekosten pro Kanal für große Sensorsysteme erheblich gesenkt werden.
- Konstruktionshinweise: Diese Anwendung basiert nicht auf Phaseninterferenz, sondern nutzt Wellenlängen-Multiplexing (WDM) und räumliche Erweiterung. Bei der Verwendung muss eine sorgfältige Wellenlängenplanung der Gitter erfolgen, um Kanalinterferenzen zu vermeiden, die durch überlappende FBG-Reflexionsspektren auf verschiedenen physikalischen Zweigen entstehen könnten.