Przedmowa

W konwencjonalnych systemach komunikacji światłowodowej inżynierowie optyczni koncentrują się głównie na przesyłaniu mocy optycznej i kierowaniu, przy jednoczesnym niewielkim uwzględnianiu stanu polaryzacji światła.w systemach optoelektronicznych o wysokiej precyzji, takich jak żyroskopy światłowodowe, spójna komunikacja optyczna, dystrybucja kluczy kwantowych, LiDAR i interferometryczne czujniki światłowodowe, stan polaryzacji bezpośrednio określa, czy cały sprzęt może prawidłowo działać.Po linijnym polaryzowaniu światła następuje rotacja polaryzacyjna lub połączenie energii między szybkimi i wolnymi ośmi podczas przełączania kanału optycznego, stosunek sygnału do hałasu systemu gwałtownie spadnie, a system może nawet całkowicie się zepsuć.

Konwencjonalne jednowarunkowe przełączniki optyczne realizują tylko włączanie i wyłączanie ścieżki optycznej i przełączanie kanału bez ograniczania zmienności polaryzacji,więc nie mogą spełniać wymogów wysokiej precyzji polaryzowanych systemów optycznychW tym kontekście w miarę potrzeb pojawiają się przełączniki optyczne podtrzymujące polaryzację (PM).Zapewnią, że polaryzacja światła wpadającego jest na minimum., stając się niezbędnym podstawowym pasywnym komponentem we wszystkich polaryzacji wrażliwych obwodów optycznych.

W wyniku szybkiego rozwoju krajowego przemysłu czujników światłowodowych, masowej produkcji 1,6 T spójnych nadajników optycznych i inżynieryjnego wdrożenia komunikacji kwantowej,Przełączniki optyczne PM ewoluowały z niszowych komponentów laboratoryjnych do masowych produktów przemysłowychTen artykuł kompleksowo analizuje to polaryzowane urządzenie kierujące światłem z wielu wymiarów, w tym zasady pracy, szlaki techniczne, parametry wydajności,różnice w stosunku do zwykłych przełączników jednorzędowych, kryteria wyboru, sektory zastosowań i trendy przemysłowe.

1Podstawowa definicja i zasada działania przełączników optycznych PM

1.1 Czym jest przełącznik optyczny PM

Przełącznik optyczny utrzymujący polaryzację jest specjalnym, sterowanym elektrycznie elementem przełącznika kanału wyposażonym w śruby PM na wszystkich portach wejściowych i wyjściowych.Może przełączać sygnały optyczne pomiędzy wieloma kanałami przy jednoczesnym ścisłym utrzymywaniu kierunku polaryzacji incydenta liniowo polaryzowanego światła niezmienionyOgranicza łączenie trybu między szybkimi i wolnymi ośmi i utrzymuje wysoki współczynnik polaryzacji (PER) na końcu wyjścia.

W zwykłym włóknie jednomodowym nie ma oczywistego dwustrumienia, więc dwa tryby polaryzacji ortogonalnej rozprzestrzeniają się z tą samą prędkością.Przypadkowe polaryzacja dryfu może być łatwo wywołana przez zewnętrzne gięciaNatomiast włókna PM wprowadzają silną sztuczną dwustrzewność za pośrednictwem prętów naprężeniowych obok rdzenia, oddzielając falę świetlną na oś szybką i oś wolną.Stabilna polaryzacja może być utrzymywana tylko wtedy, gdy światło wpadające rozprzestrzenia się ściśle wzdłuż głównej osi.

Podstawową wartością przełącznika optycznego PM jest rozszerzenie przewagi dwustronności włókna PM na węzeł przełączania i zapobieganie pogorszeniu polaryzacji spowodowanemu przełączaniem kanału.

Włókno PM w stylu PANDA jest głównym wyborem w produktach komercyjnych.Dwie pręty borosilikatowe po obu stronach rdzenia włókna wytwarzają trwałe napięcie wewnętrzne ze względu na różne współczynniki rozszerzenia termicznego i tworzą stabilne pola dwustrustrustronnościDo typowych rodzajów włókien należą PM1550, PM1310, PM980 i PM1064 dla różnych okien długości fali.

1.2 Realizacja utrzymania polaryzacji i przełączania optycznego

1. Routing optyczny: Mikroreflektory napędzane elektromagnetycznie, pryzmy lub kryształy magnetoptyczne przekierowują wiązkę światła do różnych portów wyjściowych, tworząc topologie portów, takie jak 1 × 2, 1 × 4 i 2 × 2.
2. Zablokowanie polaryzacyjne: wszystkie kollimatory i włókna PM wewnątrz elementu są precyzyjnie ustawione na głównej osi.Szybka i powolna oś każdej ścieżki optycznej pozostają spójne podczas splicingu włókna i kollimacji wiązkiW celu uniknięcia degradacji PER eliminuje się wyciek energii z osi powolnej do osi szybkiej.

Magnetooptyczny przełącznik PM nie ma ruchomych części mechanicznych.zewnętrzne pole magnetyczne obraca płaszczyznę polaryzacji światła przechodzącego przez kryształy YIG (Yttrium Iron Garnet)W połączeniu z splitterami wiązki polaryzacyjnej kanał optyczny można wybrać elektronicznie.

Główne zalety

1. Ultra-szybka prędkość przełączania poniżej 1 mikrosekundy, idealnie dopasowana do szybkiego lasera pulsowanego i szybkiego wyboru kanału fotonowego w komunikacji kwantowej.
2. Bez obrażeń mechanicznych, z żywotnością przekraczającą 10 miliardów cykli.stabilne działanie od -40°C do +85°CWzmocnione opakowania obsługują zastosowania lotnicze i satelitarne.
3. Wiązka optyczna pozostaje wolna od drgawek, z znacznie lepszą powtarzalnością niż urządzenia elektromechaniczne, a wahania stanu polaryzacji są niezwykle niskie.

Wady

Ograniczone przez materiały z kryształów magnetoptycznych, utrata wstawiania wzrasta do 1,2 ~ 2,0 dB. Duże szeregi powyżej 1 × 8 są trudne do zintegrowania ze względu na złożoną strukturę optyczną.Koszty materiałów i opakowań są 3~6 razy wyższe niż koszty produktów elektromechanicznych o tej samej liczbie kanałów, ograniczając szeroko zakrojone popularyzacje obywatelskie.

Przesyłki optyczne MEMS PM są nadal przedmiotem badań.układ kątowy osi polaryzacji nie jest wystarczająco dojrzały, aby zagwarantować stabilny PERObecnie są one testowane tylko w niewielkiej liczbie instrumentów badawczych bez dużej industrializacji.

2.3 Porównanie parametrów dwóch rozwiązań włącza PM

3Podstawowe różnice pomiędzy przełącznikami optycznymi PM a zwykłymi przełącznikami optycznymi jednowarunkowymi

3.1 Różnica w ścieżce optycznej i strukturze włókna

Zwykłe przełączniki jednomodowe przyjmują światło SMF-28 bez osi szybkich/powolnych.

Przełączniki PM są w pełni wyposażone w włókno PM PANDA.Złącza PM są zaprojektowane z kluczami pozycjonowania i nie mogą być skręcone arbitralniePo niewłaściwym ustawieniu osi głównej PER gwałtownie spadnie z 25 dB do poniżej 10 dB, a komponent całkowicie straci zdolność utrzymywania polaryzacji.

3.2 Różne kluczowe wskaźniki wydajności

Przełączniki optyczne jednowarunkowe są badane wyłącznie pod kątem utraty wstawienia, izolacji i powtarzalności, bez wymogów dotyczących wskaźników polaryzacji.

Trzy parametry polaryzacji są ściśle kontrolowane dla przełączników optycznych PM:

1. 
   
2. Polaryzacyjny współczynnik zaniku (PER): najważniejszy wskaźnik mierzący izolację energii między szybkimi i wolnymi ośmi, przy czym podstawowe wymagania są wyższe niż 20 dB.
3. Strata zależna od polaryzacji (PDL): różnica utraty mocy między różnymi stanami polaryzacji; urządzenia premium mogą osiągnąć PDL ≤0,05 dB.
4. Polaryzacyjne połączenie trybu: wyeliminowanie przepływu optycznego pomiędzy trybami polaryzacji ortogonalnych, aby uniknąć losowego odchylenia polaryzacji po wielokrotnym przełączeniu.

3.3 Różnica wrażliwości środowiskowej i progu eksploatacji

Zwykłe przełączniki jednorzędowe są łatwe do zainstalowania.

Drogi optyczne PM są niezwykle wrażliwe na naprężenie mechaniczne.Podczas debugowania pola, układ światłowodowy musi być ustawiony w celu uwolnienia naprężeń, co podnosi próg działania.

3.4 Koszty i granice zastosowania

Jednowarunkowe przełączniki optyczne są niedrogie i szeroko stosowane w przełączaniu ochrony PON, monitorowaniu mocy optycznej i ogólnym testowaniu komponentów biernego.Przełączniki optyczne PM wymagają skomplikowanych procesów kalibracji polaryzacjiWykorzystuje się je tylko w obrotach optycznych wrażliwych na polaryzację.

Krótka konkluzja: Zwykłe przełączniki zapewniają jedynie przepływ światła; przełączniki PM gwarantują zarówno płynną ścieżkę optyczną, jak i stabilny kierunek wibracji polaryzowanego światła.

4Kluczowe parametry optyczne i zasady wyboru inżynierii

4.1 Podstawowe wskaźniki optyczne

1. Długość fali operacyjnej: ściśle dopasować źródło lasera.Światło pompowe o długości 980 nm i okno jednofotonowe o długości 780 nm dla systemów kwantowychProdukty o różnych długościach fali nie mogą być wymieniane.
2. Polaryzacyjny współczynnik zaniku (PER): minimalna norma dla ścieżek optycznych laboratoryjnych wynosi 20 dB. Interferometryczne żyroskopy światłowodowe i macierze czujników wymagają PER ≥25 dB,podczas gdy systemy łączności kwantowej potrzebują wersji o wysokiej wygładności powyżej 28 dB.
3. Utrata wstawienia i PDL: Modele o niskim poziomie PDL są preferowane dla macierzy przełączania wielokanałowych, aby uniknąć niezrównoważonej utraty polaryzacji między różnymi portami.
4. Izolacja kanału (Crosstalk): W celu zapobiegania zakłóceniom sygnału między sąsiednimi kanałami wymagana jest izolacja wyższa niż 55 dB dla platform testowych wielokanali.
5. Wytrzymałość mocy optycznej: Konwencjonalne ścieżki optyczne zamknięte klejem obsługują tylko setki miliwatów ciągłego światła.W przypadku systemów laserowych o dużej mocy należy wybrać ścieżki optyczne wolnej przestrzeni bez kleju, aby uniknąć węglowania kleju i pogorszenia polaryzacji spowodowanego wysoką gęstością optyczną..

4.2 Topologia portu i wybór napędu elektrycznego

Najczęstsze konfiguracje portów:

1×2 do dwukierunkowego wyboru kanału i przełączania zabezpieczenia ścieżki optycznej; 2×2 wymiana dwukierunkowa; 1×4 / 1×8 wielopunktowa sondaż.W przypadku dużych automatycznych urządzeń badawczych stosuje się matryce przełączników 1×16 i 1×32 PM..

Domyślne napięcie napędowe wynosi 5 VDC. Typy zamykania utrzymują stan kanału po wyłączeniu zasilania w celu oszczędzania energii w systemach gotowości długoterminowej;w przypadku przełączania laboratoryjnego w krótkim czasie stosuje się konstrukcje relé niezamykające.

4.3 Specyfikacja złącza

Połączenia FC/APC PM z kluczem są obowiązkowe. Powierzchnia końcowa w kącie zmniejsza straty zwrotne i tłumi zakłócenia polaryzacji spowodowane odblaskiem światła. PC płaska końcowa twarz jest zabroniona.Kupujący powinni wyjaśnić, czy główne osi wszystkich portów są spójne, a przed dostarczeniem należy dostarczyć sprawozdanie z badania ustawienia osi głównej.

4.4 Sugestie wyboru oparte na scenariuszu

1. Badania wielokanali FBG i masowe badania złączy PM w laboratoriach: wybierz opłacalne elektromechaniczne przełączniki PM 1 × N.

2. Żyroskopy światłowodowe i interferometryczne urządzenia czujnikowe: Wybierz urządzenia elektromechaniczne o wysokim PER (≥ 25 dB) i ostrożnie uwalniaj naprężenie mechaniczne ścieżki optycznej.

3. Rozkład kluczy kwantowych i szybka selekcja optyczna LiDAR: Przyjąć solid state magnetoptyczne przełączniki PM do przełączania mikrosekund i długoterminowej stabilności drgań.

4. Systemy wzmocnione w powietrzu i satelitarnie: Wybierz przełączniki stałego stanu o dużej temperaturze z opakowaniami antywibracyjnymi i antypromieniowymi.

5. 
   

5Główne obszary zastosowań przełączników optycznych PM

Wraz z uprzemysłowieniem polaryzowanej technologii optoelektronicznej, przełączniki optyczne PM rozszerzyły się od sprzętu laboratoryjnego do masowych produktów przemysłowych, obejmujących zarówno rynki wojskowe, jak i cywilne.

5.1 Wskaźniki światłowodowe (największy rynek w dół)

Interferometryczne żyroskopy światłowodowe (FOG), rozproszone czujniki akustyczne (DAS), układy czujników FBG,wykrywanie otworów do ropy naftowej i gazu oraz monitorowanie stanu konstrukcji mostów opierają się na demodulacji interferencji linijnie spolaryzowanego światłaSieci czujników wielopunktowych potrzebują przełączników PM do badania różnych sond w kolejności, a wydajność polaryzacji bezpośrednio określa dokładność demodulacji.Automatyczne wielokanałowe platformy testowe zbudowane z przełącznikami PM znacznie poprawiły wydajność testowania krajowych producentów czujników włókien.

5.2 Spójna komunikacja optyczna i badania modułów optycznych dużych prędkości

Obecne 1,6-tonowe i 3,2-tonowe spójne nadajniki PM-QPSK przyjmują transmisję sygnału podwójnej polaryzacji.W przypadku stosowania zwykłych przełączników jednorzędowych, przypadkowe wahania polaryzacji doprowadzą do gwałtownego wzrostu BER po stronie odbiorcy, a badanie wydajności nie może zostać zakończone.Przełączniki optyczne PM stały się standardowymi komponentami w linii produkcyjnej szybkich spójnych urządzeń optycznych.

5.3 Komunikacja kwantowa i pomiary i sterowanie fotoniczne

Rozkład klucza kwantowego (QKD) koduje kluczowe informacje za pośrednictwem stanów polaryzacji fotonu.Przełączniki optyczne PM realizują dynamiczne sterowanie splątanymi fotonami i szybki wybór różnych kanałów kodowania polaryzacjiSzybko wygaszające się przełączniki PM są szeroko stosowane w naziemnych sieciach łączności kwantowej oraz w optycznych systemach stacji naziemnych dopasowanych do satelitów kwantowych w celu utrzymania stabilnej polaryzacji.

5.4 Ścieżka optyczna lasera i LiDAR

Lasery PM o wąskiej szerokości linii, układy łączące wiązki laserowe włókiennicze i powietrzne LiDAR przyjmują włókno PM do przesyłania liniowo spolaryzowanych wiązek laserowych.Przełączniki PM są używane do zapasowego przełączania ścieżki optycznej i podziału czasu wielu wiązek laserowychSolid-state magnetoptyczne przełączniki PM z zerowym drgawką wiązki stają się najlepszym wyborem dla wysokiej częstotliwości pulsowanego LiDAR.

5.5 Nadmierna ochrona polaryzowanych linii optycznych