Преамбула

В традиционных системах связи из волоконного оптика, оптические инженеры в основном сосредоточены на передаче оптической энергии и маршрутизации, при этом не уделяют особого внимания состоянию поляризации света.в высокоточных оптоэлектронных системах, таких как гироскопы из волокон-оптиков, когерентная оптическая связь, распределение квантовых ключей, LiDAR и интерферометрические волоконно-оптические датчики, состояние поляризации напрямую определяет, может ли все оборудование работать должным образом.Как только линейно поляризованный свет подвергается вращению поляризации или энергетическому соединению между быстрыми и медленными осьми во время переключения оптического канала, соотношение сигнала к шуму системы резко снизится, и система может даже полностью сломаться.

Обычные одномодные оптические коммутаторы реализуют только включение и выключение оптического пути и переключение канала без ограничения колебаний поляризации,так что они не могут удовлетворить требованиям высокоточных поляризованных оптических системВ этом контексте по мере необходимости появляются оптические коммутаторы с поддержкой поляризации (PM).Они твердо блокируют направление поляризации падающего света и подавляют поляризацию режима сцепления до минимума, становясь незаменимым пассивным компонентом в всех оптических схемах, чувствительных к поляризации.

В результате быстрого развития отечественной индустрии оптико-волоконного зондирования, массового производства 1,6 Т когерентных оптических приемопередатчиков и инженерного внедрения квантовой связи,Оптические коммутаторы ПМ превратились из нишевых лабораторных компонентов в массовые промышленные продуктыЭта статья подробно анализирует это устройство полярного света с нескольких измерений, включая принципы работы, технические пути, параметры производительности,отличия от обычных однорежимных коммутаторов, критерии отбора, отрасли применения и тенденции в промышленности.

1Основное определение и принцип работы оптических коммутаторов PM

1.1 Что такое оптический коммутатор PM

Оптический переключатель, поддерживающий поляризацию, представляет собой специальный электрически управляемый компонент переключения канала, оборудованный на всех входных и выходных портах ПМ-колючками.Он может переключать оптические сигналы между несколькими каналами, при этом строго сохраняя направление поляризации падающего линейно поляризованного света неизменнымОн ограничивает режим сцепления между быстрыми и медленными осьми и поддерживает высокое соотношение поляризации (PER) на исходном конце.

Внутри обычного одномодового волокна нет очевидной двускорчивости, поэтому два режима ортогональной поляризации распространяются с одинаковой скоростью.Случайный поляризационный дрейф может быть легко вызван внешним изгибомВ отличие от этого, волокно ПМ вводит сильную искусственную двойную преломляемость через напряженные стержни рядом с ядром, разделяя световую волну на быструю и медленную оси.Стабильная поляризация может поддерживаться только тогда, когда падающий свет распространяется строго вдоль главной оси.

Основное значение оптического коммутатора PM заключается в расширении преимущества двусмывки волокна PM на коммутационный узел и предотвращении ухудшения поляризации, вызванного переключением канала.

PM-волокно в стиле PANDA является основным выбором в коммерческих продуктах.Два боросиликатных напряжения с обеих сторон клетчатки производят постоянное внутреннее напряжение из-за различных коэффициентов теплового расширения и формируют стабильные поля двусширимостиОбщие типы волокон включают PM1550, PM1310, PM980 и PM1064 для различных окон длины волны.

1.2 Реализация поддержки поляризации и оптического переключения

1. Оптическое направление: электромагнитно управляемые микрорефлекторы, призмы или магнитооптические кристаллы перенаправляют световой луч на разные выходное порты, образуя топологии портов, такие как 1 × 2, 1 × 4 и 2 × 2.
2. Поляризационная блокировка: все коллиматоры и волокна ПМ внутри компонента точно выровнены по главной оси.Быстрая ось и медленная ось каждого оптического пути остаются неизменными во время сцепления волокон и коллимации лучаУдаление энергии от медленной оси к быстрой оси исключается, чтобы избежать деградации PER.

В магнитооптическом коммутаторе нет движущихся механических частей.внешнее магнитное поле вращает поляризационную плоскость света, проходящего через кристаллы YIG (итриевого железного граната)В сочетании с поляризационными разделителями луча оптический канал может быть выбран электронным способом.

Основные преимущества

1. Сверхбыстрая скорость переключения ниже 1 микросекунды, идеально соответствующая высокоскоростному импульсному лазеру и быстрому выбору фотонового канала в квантовой связи.
2. Без механического износа, с сроком службы, превышающим 10 миллиардов циклов.работают стабильно от -40°C до +85°CУкрепленная упаковка поддерживает аэрокосмические и спутниковые приложения.
3. Оптический луч остается свободным от джитра, с гораздо лучшей повторяемостью, чем электромеханические устройства, и колебания состояния поляризации чрезвычайно низки.

Недостатки

Ограниченные магнито-оптическими кристаллическими материалами, потери вставки увеличиваются до 1,2 ~ 2,0 дБ. Большие массивы с диапазоном более 1 × 8 трудно интегрировать из-за сложной оптической структуры.Стоимость материала и упаковки в 3-6 раз выше, чем у электромеханических изделий того же количества каналов, ограничивая масштабную гражданскую популяризацию.

Хотя микрозеркальные массивы поддерживают широкомасштабную оптическую интеграцию,угловое выравнивание осей поляризации недостаточно зрело для обеспечения стабильной PERВ настоящее время они испытываются только в небольшом количестве испытательных приборов без крупномасштабной индустриализации.

2.3 Сравнение параметров двух решений для выключателей ПМ

3Основные различия между оптическими коммутаторами PM и обычными одномодными оптическими коммутаторами

3.1 Разница в оптическом пути и структуре волокон

Обычные одномодные коммутаторы используют волокно SMF-28 без быстрых/медленных осей.

PM-ключи полностью оснащены PANDA PM-волокном.PM соединители спроектированы с клавишами позиционирования и не могут быть искривлены произвольноКак только основная ось будет вывернута, PER резко снизится с 25 дБ до менее 10 дБ, и компонент полностью потеряет способность поддерживать поляризацию.

3.2 Различные ключевые показатели производительности

Оптические переключатели одномода испытываются только на потерю вставки, изоляцию и повторяемость, без требований к показателям поляризации.

Три параметра поляризации строго контролируются для оптических коммутаторов PM:

1. 
   
2. Коэффициент вымирания поляризации (PER): наиболее важный показатель, измеряющий энергетическую изоляцию между быстрой и медленной осьми, причем базовое требование выше 20 дБ.
3. Потеря зависимости от поляризации (PDL): разница потери мощности между различными состояниями поляризации; устройства премиум-класса могут достигать PDL ≤ 0,05 дБ.
4. Сцепление режима поляризации: подавление оптического пересечения между режимами ортогональной поляризации, чтобы избежать случайного дрейфа поляризации после повторного переключения.

3.3 Разница в чувствительности к окружающей среде и пороге эксплуатации

Обычные однорежимные коммутаторы легко устанавливаются.

Оптические пути ПМ чрезвычайно чувствительны к механическому напряжению. Чрезмерное изгибание волокон, искривление соединителя и деформация оболочки приведут к дополнительному двусмыванию и индуцируют поляризационную связь.Во время отладки поля, устройство оптического волокна должно быть зафиксировано для высвобождения напряжения, что повышает порог работы.

3.4 Стоимость и границы применения

Оптические переключатели одномода недорогие и широко используются в переключении защиты PON, мониторинге оптической мощности и общем тестировании пассивных компонентов.Оптические коммутаторы PM требуют сложных процессов калибровки поляризацииОни используются только в оптических схемах, чувствительных к поляризации.

Краткий вывод: обычные переключатели обеспечивают только передачу света; PM переключатели гарантируют как плавный оптический путь, так и стабильное направление вибрации поляризованного света.

4Ключевые оптические параметры и принципы инженерного отбора

4.1 Основные оптические индикаторы

1. Рабочая длина волны: строго совпадает с источником лазера.980 нм насосный свет и 780 нм однофотонное окно для квантовых системПродукты различных длин волн не могут быть взаимозаменяемы.
2. Коэффициент поляризации (PER): минимальный стандарт для лабораторных оптических путей составляет 20 дБ. Для интерферометрических гироскопов из оптических волокон и сенсорных массивов требуется PER ≥25 дБ,в то время как квантовые системы связи нуждаются в версиях с высоким уровнем вымирания выше 28 дБ.
3. Потеря вставки и PDL: модели с низким уровнем PDL предпочтительнее для многоканальных переключающих матриц, чтобы избежать несбалансированной потери поляризации между различными портами.
4. Изоляция канала (прослушка): для многоканальных испытательных платформ требуется изоляция более 55 дБ, чтобы предотвратить помехи сигнала между соседними каналами.
5. Оптическая выносливость: обычные оптические пути с клеем поддерживают только сотни милливатт непрерывного света.Для высокомощных лазерных систем необходимо выбрать оптические пути свободного пространства без клея, чтобы избежать угарения клея и ухудшения поляризации, вызванного высокой оптической плотностью..

4.2 Топология порта и выбор электрического привода

Наиболее распространенн