Prefazione

Nei sistemi di comunicazione in fibra ottica convenzionali, gli ingegneri ottici si concentrano principalmente sulla trasmissione e il routing della potenza ottica, prestando poca attenzione allo stato di polarizzazione della luce.con una lunghezza massima di 20 mm o più, ma non superiore a 30 mm, comunicazione ottica coerente, distribuzione delle chiavi quantistiche, LiDAR e sensori interferometrici a fibra ottica, lo stato di polarizzazione determina direttamente se l'intera attrezzatura può funzionare correttamente.Una volta che la luce linearmente polarizzata subisce una rotazione di polarizzazione o un accoppiamento di energia tra assi veloci e lenti durante il cambio di canale ottico, il rapporto segnale/rumore del sistema diminuirà drasticamente e il sistema potrebbe persino fallire completamente.

Gli interruttori ottici mono-modo convenzionali realizzano solo il collegamento tra il percorso ottico e il canale senza limitare la variazione di polarizzazione.quindi non possono soddisfare i requisiti dei sistemi ottici polarizzati ad alta precisioneSotto questo sfondo, gli interruttori ottici a mantenimento della polarizzazione (PM) emergono a seconda dei tempi.bloccano fermamente la direzione di polarizzazione della luce incidente e sopprimono il modo di accoppiamento di polarizzazione al minimo, diventando un componente passivo fondamentale indispensabile in tutti i circuiti ottici sensibili alla polarizzazione.

Spinto dalla rapida espansione dell'industria nazionale dei sensori a fibra ottica, dalla produzione in serie di transceiver ottici coerenti da 1,6 T e dall'implementazione ingegneristica della comunicazione quantistica,Gli interruttori ottici PM si sono evoluti da componenti di laboratorio di nicchia a prodotti industriali di massaQuesto articolo analizza in modo completo questo dispositivo di routing della luce polarizzata da più dimensioni, inclusi principi di funzionamento, vie tecniche, parametri di prestazione,differenze rispetto agli interruttori monomodo ordinari, criteri di selezione, settori di applicazione e tendenze industriali.

1Definizione di base e principio di funzionamento degli interruttori ottici PM

1.1 Che cos'è un interruttore ottico PM

Un interruttore ottico a mantenimento della polarizzazione è un componente speciale di commutazione dei canali a controllo elettrico dotato di pigtails PM su tutte le porte di ingresso e uscita.Può passare segnali ottici tra più canali mantenendo rigorosamente la direzione di polarizzazione della luce incidente linearmente polarizzata invariataEssa limita l'accoppiamento di modalità tra assi veloci e lenti e mantiene un elevato rapporto di estinzione di polarizzazione (PER) all'estremità di uscita.

Non esiste alcuna bifrangenza evidente all'interno di una fibra monomodo ordinaria, quindi due modalità di polarizzazione ortogonali si propagano alla stessa velocità.La deriva di polarizzazione casuale può essere facilmente innescata da piegatura esternaAl contrario, la fibra PM introduce una forte birefringenza artificiale attraverso barre di sforzo accanto al nucleo, separando l'onda luminosa in un asse veloce e un asse lento.La polarizzazione stabile può essere mantenuta solo quando la luce incidente si propaga strettamente lungo l'asse principale.

Il valore fondamentale di un interruttore ottico PM è estendere il vantaggio di birefringenza della fibra PM al nodo di commutazione e prevenire il deterioramento della polarizzazione causato dal commutazione del canale.

La fibra PM in stile PANDA è la scelta principale nei prodotti commerciali.Due barre di stress borosilicato su entrambi i lati del nucleo di fibra producono uno stress interno persistente a causa di diversi coefficienti di espansione termica e formano campi di birefringenza stabiliI tipi comuni di fibre includono PM1550, PM1310, PM980 e PM1064 per diverse finestre di lunghezza d'onda.

1.2 Realizzazione della manutenzione della polarizzazione e della commutazione ottica

1. Routing ottico: micro-riflettori, prismi o cristalli magneto-ottici a propulsione elettromagnetica reindirizzano il fascio luminoso verso diverse porte di uscita, formando topologie di porte come 1×2, 1×4 e 2×2.
2. Blocco di polarizzazione: tutti i collimatori e le fibre PM all'interno del componente sono allineati con precisione sull'asse principale.L'asse veloce e lenti di ogni percorso ottico rimangono costanti durante la fusione della fibra e la collimazione del fascioLa perdita di energia dall'asse lento all'asse veloce è eliminata per evitare il degrado PER.

L'interruttore PM magneto-ottico non ha parti meccaniche in movimento.un campo magnetico esterno ruota il piano di polarizzazione della luce che passa attraverso i cristalli YIG (Yttrium Iron Garnet)In combinazione con i splitter di fascio di polarizzazione, il canale ottico può essere selezionato elettronicamente.

Principali vantaggi

1. Velocità di commutazione ultra-veloce inferiore a 1 microsecondo, perfettamente abbinata al laser pulsato ad alta velocità e alla selezione rapida del canale fotonico nella comunicazione quantistica.
2. Nessuna abrasione meccanica, con una durata di servizio superiore a 10 miliardi di cicli.funzionamento stabile da -40°C a +85°CI packaging rinforzati supportano applicazioni aerospaziali e satellitari.
3. Il fascio ottico rimane privo di jitter, con una ripetibilità molto migliore rispetto ai dispositivi elettromeccanici, e la fluttuazione dello stato di polarizzazione è estremamente bassa.

Svantaggi

Limitato dai materiali cristallini magneto-ottici, la perdita di inserimento aumenta a 1,2 ~ 2,0 dB. Le matrici su larga scala su 1 × 8 sono difficili da integrare a causa della complessa struttura ottica.I costi di materiale e imballaggio sono 3~6 volte superiori a quelli dei prodotti elettromeccanici dello stesso numero di canali, limitando la divulgazione civile su larga scala.

Anche se le matrici a micro-specchi supportano l'integrazione ottica su larga scalal'allineamento angolare degli assi di polarizzazione non è sufficientemente maturo da garantire un PER stabileAttualmente, essi sono testati solo in un piccolo numero di strumenti di prova senza industrializzazione su larga scala.

2.3 Confronto dei parametri di due soluzioni di interruttore PM

3Differenze essenziali tra gli interruttori ottici PM e gli interruttori ottici ordinari monomodo

3.1 Differenza tra percorso ottico e struttura della fibra

Gli interruttori monomodo ordinari adottano fibra SMF-28 senza assi veloci/lenti.

Gli interruttori PM sono completamente dotati di fibra PM PANDA. Due allineamenti devono essere ottenuti simultaneamente: coassilità del nucleo e posizionamento angolare dell'asse principale.I connettori PM sono progettati con tasti di posizionamento e non possono essere torti arbitrariamenteUna volta che l'asse principale è disallineato, il PER scenderà bruscamente da 25 dB a meno di 10 dB e il componente perderà completamente la capacità di mantenere la polarizzazione.

3.2 Diversi indicatori chiave di prestazione

Gli interruttori ottici monomodo sono testati solo per perdita di inserimento, isolamento e ripetibilità, senza requisiti per gli indicatori di polarizzazione.

Tre parametri di polarizzazione sono rigorosamente controllati per gli interruttori ottici PM:

1. 
   
2. Relazione di estinzione di polarizzazione (PER): l'indicatore più critico per misurare l'isolamento energetico tra assi veloci e lenti, con il requisito di base superiore a 20 dB.
3. Perdite dipendenti dalla polarizzazione (PDL): la differenza di perdita di potenza tra i diversi stati di polarizzazione; i dispositivi premium possono raggiungere PDL ≤ 0,05 dB.
4. Accoppiamento di modalità di polarizzazione: sopprimere la crosstalk ottica tra le modalità di polarizzazione ortogonali per evitare la deriva di polarizzazione casuale dopo il ripetuto commutazione.

3.3 Differenza tra sensibilità ambientale e soglia di funzionamento

Gli interruttori monomodo ordinari sono facili da installare: la rotazione del connettore, la flessione della fibra e le vibrazioni minori hanno poca influenza sulle prestazioni.

I percorsi ottici PM sono estremamente sensibili allo stress meccanico.Durante il debug del campo, la struttura della fibra ottica deve essere fissata per rilasciare la tensione, che aumenta la soglia di funzionamento.

3.4 Limiti dei costi e delle applicazioni

Gli interruttori ottici monomodo sono a basso costo e ampiamente utilizzati nella commutazione di protezione PON, nel monitoraggio della potenza ottica e nella sperimentazione generale dei componenti passivi.Gli interruttori ottici PM richiedono processi di taratura di polarizzazione complicatiSono utilizzati solo nei circuiti ottici sensibili alla polarizzazione.

Breve conclusione: gli interruttori ordinari garantiscono solo la trasmissione della luce; gli interruttori PM garantiscono sia un percorso ottico liscio che una direzione di vibrazione stabile della luce polarizzata.

4Parametri ottici chiave e principi di selezione tecnica

4.1 Indicatori ottici di base

1. lunghezza d'onda operativa: corrisponde rigorosamente alla sorgente laser.Luce di pompa a 980 nm e finestra monofotonica a 780 nm per sistemi quantisticiI prodotti di lunghezze d'onda diverse non possono essere scambiati.
2. Relazione di estinzione di polarizzazione (PER): lo standard minimo per i percorsi ottici di laboratorio è di 20 dB.mentre i sistemi di comunicazione quantistica hanno bisogno di versioni ad alta estinzione superiori a 28 dB.
3. Perdita di inserimento e PDL: i modelli a bassa PDL sono preferiti per le matrici di commutazione multicanale per evitare perdite di polarizzazione squilibrate tra porte diverse.
4. Isolamento dei canali (crosstalk): per le piattaforme di prova multicanale è richiesto un isolamento superiore a 55 dB per evitare interferenze del segnale tra canali adiacenti.
5. Durabilità dell'energia ottica: i percorsi ottici convenzionali sigillati con colla supportano solo centinaia di miliwatt di luce continua.Per i sistemi laser ad alta potenza devono essere selezionati percorsi ottici in spazio libero senza colla per evitare la carbonizzazione della colla e il deterioramento della polarizzazione causati da un'elevata densità ottica.

4.2 Topologia delle porte e selezione della guida elettrica

Configurazioni delle porte più comuni:

1×2 per la selezione bidirezionale del canale e la commutazione per la protezione del percorso ottico; 2×2 per lo scambio bidirezionale; 1×4 / 1×8 per il sondaggio multipunto.Per le apparecchiature di prova automatiche su larga scala sono adottate matrici di interruttore 1×16 e 1×32 PM..

La tensione di azionamento predefinita è di 5 VDC. I tipi di bloccaggio mantengono lo stato del canale dopo il taglio di corrente per risparmiare energia per i sistemi di standby a lungo termine;le strutture di relè non chiuse vengono applicate per la commutazione di laboratorio a breve termine;.

4.3 Specifica del connettore

I connettori FC/APC PM con chiavi sono obbligatori. La faccia angolare riduce le perdite di ritorno e sopprime i disturbi di polarizzazione causati dalla luce riflessa.Gli acquirenti dovrebbero chiarire che gli assi principali di tutti i porti sono coerenti, e una relazione di prova sull'allineamento dell'asse principale deve essere fornita prima della consegna.

4.4 Suggerimenti di selezione basati su scenari

1. FBG polling multicanale e test di massa di accoppiatori PM nei laboratori: selezionare interruttori PM 1×N elettromeccanici convenienti.

2. Giroscopi a fibra ottica e apparecchi di rilevamento interferometrico: scegliere dispositivi elettromeccanici ad alto PER (≥ 25 dB) e rilasciare con attenzione lo stress meccanico del percorso ottico.

3. Distribuzione delle chiavi quantistiche e selezione ottica LiDAR ad alta velocità: adottare interruttori PM magneto-ottici a stato solido per la commutazione in microsecondi e la stabilità delle vibrazioni a lungo termine.

4. Sistemi rinforzati aerei e satellitari: selezionare interruttori a temperatura ampia a stato solido con imballaggi anti-vibrazione e anti-radiazione.

5. 
   

5Principali campi di applicazione degli interruttori ottici PM

Con l'industrializzazione della tecnologia optoelettronica polarizzata, gli interruttori ottici PM si sono estesi dalle attrezzature di laboratorio ai prodotti industriali di massa, coprendo sia i mercati militari che civili.

5.1 Sensori in fibra ottica (più grande mercato a valle)

Giroscopi interferometrici a fibra ottica (FOG), sensori acustici distribuiti (DAS), sensori FBG,Il rilevamento del pozzo di petrolio e gas e il monitoraggio della salute strutturale del ponte si basano tutti sulla demodulazione delle interferenze della luce polarizzata linearmenteLe reti di rilevamento multipunto hanno bisogno di interruttori PM per rilevare in sequenza diverse sonde e le prestazioni di polarizzazione determinano direttamente l'accuratezza della demodulazione.Le piattaforme di test automatiche multicanale costruite con interruttori PM hanno notevolmente migliorato l'efficienza dei test dei produttori nazionali di sensori a fibra.

5.2 Comunicazione ottica coerente e prova dei moduli ottici ad alta velocità

Gli attuali ricevitori coerenti PM-QPSK 1.6 T e 3.2 T adottano la trasmissione del segnale a doppia polarizzazione.Se vengono utilizzati interruttori monomodo ordinari, la fluttuazione di polarizzazione casuale porterà a un forte aumento del BER sul lato del ricevitore e la prova di prestazione non può essere completata.Gli interruttori ottici PM sono diventati componenti standard nella linea di produzione di dispositivi ottici coerenti ad alta velocità.

5.3 Comunicazione quantistica e misurazione e controllo fotonico

La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) codifica le informazioni chiave attraverso gli stati di polarizzazione dei fotoni.Gli interruttori ottici PM realizzano il routing dinamico dei fotoni intricati e la rapida selezione di diversi canali di codifica della polarizzazioneGli interruttori PM ad alta estinzione sono ampiamente utilizzati nelle reti di comunicazione quantistica a terra e nei sistemi ottici delle stazioni di terra abbinati ai satelliti quantistici per mantenere una polarizzazione stabile.

5.4 Percorso ottico laser e LiDAR

I laser PM a larghezza di linea stretta, i sis