Как волокно с сохранением поляризации сохраняет линейно поляризованный свет?

Существует значительная разница показателей преломления (двулучепреломление) между ортогональными «медленной» и «быстрой» осями волокна с сохранением поляризации (PM-волокна). Это двулучепреломление является причиной того, что PM-волокно эффективно сохраняет состояние поляризации входного линейно поляризованного света. Однако линейная поляризация может быть сохранена только в том случае, когда она распространяется параллельно одной из осей волокна.

Поскольку PM-волокна обладают двулучепреломлением, существуют различные требования к скорости или, точнее, постоянной распространения света, поляризованного параллельно медленной и быстрой осям волокна. Чтобы свет стал поляризованным параллельно ортогональной оси, он должен изменить свою скорость (постоянную распространения) и, таким образом, удовлетворить требованиям этой оси. Данный эффект создает такой барьер, при котором изменение поляризации маловероятно, если двулучепреломление волокна не уменьшено.

Напряжения в сердцевине волокна

Один из подходов к созданию PM-волокна заключается в приложении механического напряжения к сердцевине волокна, поскольку напряжение вызывает двулучепреломление (фотоэластичность). Два наиболее распространенных волокна с двулучепреломлением с элементами напряжения: PANDA и bow-tie.

В этом случае стеклянные конструкции, называемые стержнями напряжения, проходят по всей длине волокна параллельно его сердцевине. В поперечном сечении стержни напряжения и сердцевина волокна расположены линейно, как показано на рисунках 1 и 2. По мере охлаждения волокна, после изготовления, стекло в стержнях напряжения сжимается быстрее, чем стекло в окружающей оболочке. Тяговое усилие от сжатия стержней напряжения создает линию напряжения (медленная ось) поперек сердцевины со сравнительно небольшим напряжением, прикладываемым в ортогональном направлении (быстрая ось). Это создает разницу индексов между двумя осями.

Рисунок 1. PM-волокно PANDA, в котором используются два цилиндрических стержня, обеспечивающих напряжения в сердцевине, что приводит к двулучепреломлению. Напряжение, направленное вдоль медленной оси, возникает из-за того, что стержни напряжения сжимаются сильнее, чем оболочка, когда волокно охлаждается после изготовления

Рисунок 2. PM-волокно bow-tie, в котором, чтобы создать напряжения в сердцевине, и получить двулучепреломление, используются два клиновидных стержня. Напряжение направлено вдоль медленной оси, которое возникает из-за того, что стержни напряжения сжимаются сильнее, чем оболочка, когда волокно охлаждается после изготовления

Снятие напряжений – не всегда хорошо

Напряжения в сердцевине PM-волокна с двулучепреломлением зависят от температуры, поскольку напряжение возникает из-за того, что стекло в стержнях напряжения и стекло в оболочке имеют разные коэффициенты теплового расширения (КТР). Напряжение, создаваемое стержнями, уменьшается с увеличением рабочей температуры. Поскольку это снижает двулучепреломление и, следовательно, способность волокна сохранять поляризацию, это может привести к уменьшению коэффициента экстинкции (КЭ).

Напряжение в сердцевине также можно уменьшить за счет механических воздействий, например свертывания волокна в кольцо малого диаметра, прокладки его вокруг острых углов и фиксации на неровной поверхности. Микроизгибы в точках локализованного напряжения рассеивают свет в состояние ортогональной поляризации, что снижает КЭ. Намотка волокна на себя (рисунок 3) или прижатие голого волокна к поверхности может вызвать микроизгиб.

Рисунок 3. Чтобы избежать микроизгибы, волокно необходимо наматывать параллельными рядами (сверху). Микроизгибы возникают в результате наматывания волокна так, что оно пересекает неровную поверхность, образованную более глубокими слоями намотанного волокна (снизу)

Присоединение волоконных коннекторов обычно снижает КЭ, так как отвержденный герметизирующий компаунд, который закрепляет волокно, может вызывать асимметричное напряжение, затвердевшие пузырьки внутри компаунда могут вдавливаться в волокно, и может возникнуть контакт между волокном и отверстием наконечника. Чтобы увеличить максимальный КЭ, доступный для волокна, производители обычно принимают меры по подавлению этих источников напряжения, но устранить их полностью невозможно.

Форма и её функция

Если температурная зависимость в волокне с двулучепреломлением, созданным посредством напряжений, неприемлема, волокно с двулучепреломлением, созданным посредством изменения формы сердцевины, представляет собой достойную альтернативу, в значительной степени нечувствительную к температуре. Эти PM-волокна обладают двулучепредломлением из-за эллиптичности их сердцевины, а не напряжения, вызванного стержнями (рисунок 4).

Рисунок 4. PM-волокно с эллиптической формой сердечника

Волокна с двулучепреломлением, созданным посредством изменения формы сердцевины, которые включают в себя фотонно-кристаллические волокна с сохранением поляризации, не подходят для каждого применения. Их эллиптические сердечники, затухание и небольшие размеры мод недостаточно идеальны для телекоммуникационных приложений, в связи с чем наибольшее применение они находят в оптоволоконных датчиках.

© Thorlabs

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке лабораторного и научного оборудования производства Thorlabs на территории РФ