Polarisations-ANTRAGEN Fasern erklärt

In diesem Artikel, dem neuesten in der FOC-Serie über Spezialfasern und deren Herstellung, diskutieren wir die Fasern der Polarisation-Mainaining (PM) und die verschiedenen Ansätze, die verwendet werden, um sie herzustellen. Es gibt mehrere PM -Faserdesigns - alles ganz unterschiedlich und jeweils ihre eigene Komplexität in der Vorformung.

Der Zweck von PM -Faser

In einer einzelmodischen Faser wird ein Quelllaserausgang mit zwei linearen Polarisationsmodi übertragen, die sich im rechten Winkel zueinander ausbreiten. Stellen Sie sich für einen Moment vor, dass diese Faser ein idealer Einzelmodus-Wellenleiter ist:

• Der Kern und die Verkleidung sind vollkommen rund und konzentrisch;
• Es hat keine Biegungen und keinen Verlust (keine Absorption, keine Streuung);
• Das Kernmaterial ist vollkommen gleichmäßig (keine Verunreinigungen, Blasen, Hohlräume oder andere Mängel);
• Die Laserwellenlänge ist größer als die Grenzwellenlänge, und die gesamte Laserenergie ist im Kern eingesperrt (keine Modi höherer Ordnung);
• Die Faser- und Quelllasertemperaturen bleiben konstant;
• Es gibt keinen lateralen Stress (keine externe Spannung durch Verkabelung, Platzierung, Stützen usw. oder hypothetisch ohne Schwerkraft oder Luftdruck).

In diesem imaginären Fall würden beide Polarisationsmodi in der Phase und mit gleichmäßiger Leistung zum entfernten Ende der Faser gelangen. Entlang der Länge der Faser hätte es keine Leistung von einem Modus zum anderen gekoppelt. Wenn der Laserausgang ein moduliertes Signal enthält, würden die beiden Polarisationsmodi das Signal ohne Dispersion und ohne Übersprechen tragen.

Natürlich ist dieser imaginäre Fall nicht möglich. Die hergestellten Glasmaterialien und Wellenleiter sind nicht perfekt. Es gibt Sub-Micron-Asymmetrien und Ungleichmäßigkeiten. Außerdem erleben einzelne Modefasern laterale Belastungen, wenn sie in der Luft- oder unterirdische Netzwerke verkabelt und platziert werden. Das Kabel kann Biegungen erleben oder sogar Spulen von Schließungen, Handlöchern, Schränken und anderen Strukturen aufweisen. Diese Phänomene können dazu führen, dass sich die Polarisationsmodi mit unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten ausbreiten. Infolgedessen leidet das modulierte Signal am Empfangsende der Faser an Dispersion. Im schlimmsten Fall können die digitalen „Einen und Nullen“ oder die analogen Wellenformen nicht unterschieden werden.

Wenn nicht korrigiert, kann diese Polarisationsmodi-Dispersion die Entfernung oder die Bandbreite eines Glasfaserkommunikationssystems einschränken. Daher haben Faser-, Kabel- und Systemdesigner Techniken entwickelt, um diese Dispersion zu verringern oder auszugleichen. Faserhersteller haben Vorform- und Ziehprozesse optimiert, um die Asymmetrie, Nicht-konzentrische und laterale Belastungen zu minimieren. Außerdem sind Ziehtürme mit Geräten ausgestattet, die die Ballaststoffe während der Zeichnung drehen. Dies hilft, die Polarisationseigenschaften der Faser zu kontrollieren. Dann extrudieren Kabelhersteller die Röhrchen um die Fasern, um sie von externen Spannungen am Kabel zu isolieren. In Telekommunikationssystemen enthalten die digitale Elektronik dispergierungskompensierende Funktionen wie Chips mit Vorspänen mit Vorstärkekorrektionsalgorithmen in den Empfängern.

Die Polarisation kann also effektiv in Telekommunikationsfasern behandelt werden. jedoch viele Nicht-Telecom-Anwendungen, bei denen zwei Polarisationsmodi auf kontrollierte Weise propagiert werden müssen. In einigen interferometrischen Sensoren beispielsweise ist es das Ziel, die beiden Modi getrennt zu halten und sie dann zu rekombinieren, um ihr Phasen-Interferenzmuster zu analysieren. Dies bietet eine Möglichkeit, um genaue Messungen an Bewegungs-, Vibrations- oder andere Phänomene zu messen, die die Faser beeinflussen. Das Ziel in solchen Anwendungen ist es, die Menge an Leistung von einem Polarisationszustand zu einem anderen zu minimieren oder die beiden Polarisationsmodi in zwei getrennten Pfaden zu verbreiten-daher "Polarisations-Mainaining" -Fasern.

PM-Fasern befassen sich mit den gleichen Problemen wie Single-Mode-Kommunikationsfasern und minimieren den Effekt externer Belastungen und Biegungen auf die Polarisationsmodi in der Faser. PM -Fasern in Gyros und einigen Sensoren sind beispielsweise in kompakten Spulen verwundet, doch es besteht immer noch die Anforderung, die Stromkopplung von einem Polarisationsmodus zum anderen zu verhindern. Daher haben PM-Fasern integrierte geometrische Merkmale oder Spannungsanwendungen "Teile" (SAPS), um die beiden Polarisationsmodi getrennt zu halten und die Wirkung externer Spannungen zu minimieren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, asymmetrische geometrische Merkmale und SAPs in Ballaststoffe aufzubauen, was zu verschiedenen Arten von PM -Fasern führt.

PM -Fasertypen gehen mehr als 40 Jahre zurück

Die Forschung zu PM-Fasern stammt aus den 1970er Jahren, sodass diese Technologie ungefähr so ​​lange wie Single-Mode-Faser für Telekommunikation entwickelt wurde. Viele prominente Labors der Regierung, Militär, Unternehmen und Universität berichteten in den 1970er und 1980er Jahren. Beispiele sind Artikel und Patentanwendungen von Forschern der AT & T Bell Laboratories, Corning, Fujikura, Hitachi, NTT und der University of Southampton. Fujikuras Website sagt beispielsweise, dass das Unternehmen in den 1970er Jahren die Herstellung von Panda (Polarisation aufrechterhalten und reduziert) PM -Faser geführt hat.

Eine andere Firma, Fibercore, wurde 1982 aus der optischen Fasergruppe der University of Southampton ausgestattet. Das Unternehmen bot 1982 eine gesponnene Faserfaser an, gefolgt von dem hochgläubigen PM-Faser von Bogenkreis 1983. Bow-Tie "beschreibt das SAP-Muster grob in einem Faserquerschnitt.) Seit den frühen 1980er Jahren haben die Entwicklungen in vielen Labors zu einer reichen PM-Auswahl geführt Fasern mit unterschiedlichen SAP -Designs, Beschichtungen, Dotierstoffen und Wellenlängeneigenschaften, um verschiedene Anforderungen an Erfassungen, Telekommunikationskomponenten und Faserlaser zu erfüllen. Derzeit sind PM -Fasern weltweit von mehr als 20 Herstellern und Distributoren erhältlich, wobei viele Unternehmen mehr als einen Typ anbieten.

Schlüsselmerkmale

Wie bei anderen Fasern von Spezialitäten und Kommunikationsfasern müssen PM -Fasern kritische optische und mechanische Spezifikationen wie Dämpfung und Zugfestigkeit erfüllen. PM -Fasern haben auch zwei Spezifikationen - Beatlänge und Holding (H) -Parameter -, um ihre Doppelfassenzeigenschaften zu charakterisieren. Dies sind komplexe Messungen, aber sie sind wichtig, um zu charakterisieren, wie gut die Fasern die beiden Polarisationsmodi beibehalten.

Die beiden Achsen in einer PM -Faser werden manchmal als "langsame Achse" und "schnelle Achse" bezeichnet, weil sie unterschiedliche Brechungsindizes haben. Dies bedeutet, dass Lichtwellen in den beiden Polarisationsmodi unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten aufweisen. Die Beatlänge ist ein Maß für den Phasen-Geschwindigkeitsunterschied zwischen den beiden Polarisationsmodi. Eine kurze Schlaglänge bedeutet eine höhere Doppelbrechung und eine stärkere Trennung zwischen den beiden Modi.

PM-Fasermessungen reichen von weniger als einem Millimeter bis zu einigen Zentimetern. Eine 1-mm-Beatlänge wird als sehr kurz angesehen. Eine 2-mm-Beatlänge ist häufig verfügbar und häufig für Gyros verwendet. Standard-Single-Mode-Fasern für Telekommunikationsanwendungen haben die in Messgeräten gemessenen Schlägenlängen. Wie andere optische Parameter ist die Beatlänge wellenlängenabhängig, so dass die Messungen bei bestimmten Wellenlängen analysiert und angegeben werden.

H- Parameter ist das Polarisation-Extinction-Verhältnis pro Länge der Einheit. Es wird verwendet, um zu charakterisieren, wie gut eine Faser die Polarisation in einer Achse über der Länge der Faser hält. H -Parameter wird unter Verwendung von Standardtechniken zur Messung des Polarisations -Übersprechens gemessen. Die Messungen werden als Änderung der optischen Leistung ausgedrückt, die in einer Achse pro Faserlänge der Faser bei bestimmten Wellenlängen übertragen wird.

Preform -Konzepte - wie man Dokring erlangt

Biredringce resultiert aus speziellen Formen oder SAPs, die beim Vorformpunkt "eingebaut" sind. SAPS sind wie der Rest der Faser auf Siliciumdioxidglas, aber sie haben Dotierstoffe mit unterschiedlichen Koeffizienten der thermischen Expansion (CTEs). Wenn die Faser gezogen und abgekühlt ist, kühlt sich die SAPS mit unterschiedlichen Raten ab und verursachen dauerhafte Belastungen im Glas. Infolgedessen hat die Faser asymmetrische Spannungsregionen mit unterschiedlichen Brechungsindizes.

Drei kommerzielle PM-Fasertypen, die SAPs enthalten, sind: 1.) Panda, 2.) Bogen und 3.) Elliptische Stress-Schicht-Fasern. Ein vierter Typ, elliptische Kernfaser, wird eher als Formbirren als SAPs verwendet. Es gibt andere Möglichkeiten, um Dokrieren zu erreichen. Ein Beispiel ist die Verwendung von Längsluftlöchern oder Hohlräumen in photonischen Kristallfasern. Die Panda- und Bogen-Tie-Typen sind die am häufigsten verwendeten und werden von vielen Herstellern von Gyros, anderen Sensoren und Telekommunikationskomponenten bevorzugt.

Es gibt viele Kompromisse zwischen den drei Safttypen, einschließlich der folgenden:

• das Grad der Doppelbrechung, die erreicht werden kann, die teilweise von der Nähe der SAPs bis zum Kern sowie anderen Faktoren abhängt;
• die Größe der Spannungsregionen und das Ausmaß der Asymmetrie, die zur Erzielung einer hohen Doppelbrechung erforderlich sind, was die Komplexität und Festigkeit der Herstellung beeinflussen kann;
• die Fähigkeit, die Spannungsregionen gleichmäßig in der Faser zu fabrizieren;
• Die Preformgröße und die Faserlänge-PM-Fasern der elliptischen Stress-Layer-PM-Fasern basieren auf dem MCVD-Prozess, aber Panda kann einen Außenablagerungsprozess wie OVD oder VAD verwenden.
• die Festigkeit der Faser, der Risswiderstand und andere mechanische Eigenschaften;
• Die Komplexität der Verarbeitung des Preform, insbesondere bei SAPs nahe dem Kern, und die SAP -Formen während des Ziehprozesses beibehalten.

Panda Faser verfügt über zwei longitudinale Bor-dotierte Glaszylinder, die in der Verkleidung auf den gegenüberliegenden Seiten des Kerns positioniert sind. Im Vergleich zu den Kern- und Verkleidungsglaszusammensetzungen hat das Boro-Silicat-Glas einen niedrigeren Brechungsindex und einen höheren CTE, wodurch nach dem Zeichnen und Abkühlen die Spannungsregionen verursacht werden. Die Herstellung basiert auf dem Bohren von zwei Löchern in der Vorform, das Einfügen von Bor-dotierten Stäben und das Zeichnen der Vorform, um die parallelen und gleichmäßig verteilten Borosilikatzylinder auf beiden Seiten des Kerns zu erreichen. Das klingt nach einer kleinen Anzahl von Schritten, aber es ist eine Vereinfachung. In der Praxis gibt es viele komplexe Verfahren, darunter:

• Löcher genau richtig positioniert und dimensioniert werden, ohne Risse, Unvollkommenheiten oder Verunreinigungen,
• genaue dotierte, gleichmäßige Boro-Silikat-Stäbe erhalten oder genau in die Löcher passen.
• Verarbeitung der Preform -Enden, um die induzierten Spannungen zu behandeln;
• Halten Sie die SAPS während des Zeichnungsprozesses und viele andere detaillierte Schritte rund.

Bogenfaser verwendet auch Bordotiermittel in zwei Längsschalen. Und wie Panda Faser werden die SAPs in der Verkleidung auf beiden Seiten des Kerns hergestellt. Ein wesentlicher Unterschied zu Panda-Fasern besteht darin, dass die Bogen-Tie-SAPs keilförmige oder trapezische SAPs sind. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass sie während der Preform auf der MCVD -Drehmaschine hergestellt werden. Anstatt Stangen in die Verkleidung zu bohren und einzufügen, werden die SAPs der Bogenfassungen hergestellt, indem eine Schicht aus Boron-dotiertem Glas in der Verkleidung in der Nähe des Kerns abgelagert wird, dann selektiv einen Teil dieser Schicht in zwei Bereichen gegenüber dem Kern weg und dann selektiv wegschlägen, und dann selektiv wegschlägen Ablagerung von Glas mit anderen Dotierstoffen, um diese Bereiche neu zu füllen.

Mit diesem Ansatz kann der SAP näher am Kern abgelagert werden, was eine höhere Doppelbrechung mit weniger Stress ermöglicht. Aber wie der Panda-Prozess gibt es viele hochpräzise Schritte und "Tricks", um die SAPs zu machen. Grundsätzlich werden die Komplexität des Bohrens und des Einsetzens der Borstangen durch die Komplexität des Ätzens und Neuaufsetzens ersetzt, einschließlich:

• Kontrolle des Ätzmittelflusses (normalerweise einer Fluorverbindung) in Koordination mit der Größe und Position der Ätzbrenner;
• ätzen die beiden Regionen mit genauem Volumen und Positionierung und Gleichmäßigkeit entlang der Länge des Vorformens;
• Verwaltung der Position und dem Fluss von Dotierstoffen aus der Ablagerung durch mehrere Schritte, um den richtigen Kern- und Verkleidungsbrillen in den geätzten Bereichen abzulegen;
• Kontrolle des Zusammenbruchs des MCVD-Preforms, um die korrekte Saft-Saft-Form und -position zu erreichen;
• Richtige Verarbeitung der Enden der Vorformungen, um Probleme mit den Spannungsregionen zu vermeiden;

Der Bogen-Tie-Prozess ermöglicht Variationen der Größe, Position und Form des Spannungsbereichs. Dies gibt dem PM -Faserhersteller die Möglichkeit, den Grad der Doppelbrechung für verschiedene Anwendungen anzupassen und gleichzeitig optische und mechanische Eigenschaften auszugleichen. Da die Vorformgröße durch den MCVD-Ablagerungsrohrdurchmesser begrenzt wird, bietet der Bogen-Tie-Prozess keine Flexibilität in der Menge an Fasern, die aus einem Vorformpunkt gezogen werden kann.

Elliptische Stress-Layer-Faser- Preforms werden auf MCVD-Drehmaschinen wie Bogen-Tie-Preforms hergestellt. Und die elliptische Stress-Schicht-PM-Faser enthält auch einen Ring aus Bor-dotiertem Glas in der Verkleidung in der Nähe des Kerns. Die elliptische Stress-Schicht-Faser basiert jedoch auf einem Bearbeitungsvorgang, um einen Teil der Verkleidungsschicht zu entfernen, und nicht auf die chemische Radierung im Bogen-Tie-Prozess. In diesem Schritt wird das runde oder kreisförmige symmetrische Vorformpunkt bearbeitet, um zwei flache Seiten gegenüber dem Kern voneinander zu haben.

Diese flache Vorformung (ungefähr rechteckige Form) wird dann mit sorgfältiger Kontrolle der Temperatur und Zeichnen von Spannungen gezeichnet, so dass die resultierende Faser rund ist. Das heißt, die flachen Oberflächen verschwinden oder werden rund, wenn das Vorformpunkt erhitzt und gezogen wird. Gleichzeitig wird die Borosilikatschicht (zuvor ringförmig) elliptisch und bildet eine asymmetrische Spannungsregion in der Verkleidung. Wenn die Faser sorgfältig gezogen wird, kann der Kern seine runde Form behalten. Die Komplexität dieser Methode umfasst:

• sorgfältige Ablagerung und Bearbeitung vorformen, um Stressfehlanpassungen zu vermeiden;
• genaue Bearbeitung der flachen Seiten mit Gleichmäßigkeit entlang der Länge des Vorformulars;
• Vorbereitung des bearbeiteten Preforms zum Zeichnen, um Oberflächendefekte zu minimieren;
• Steuerung der Zeichentemperatur, um die richtige Viskosität und Faserform zu erhalten;

Elliptische Kernfaser verwendet auch eine MCVD-Vorform, aber es gibt keine bor-dotierten Spannungsregionen. Vielmehr wird das Kernglas mit Asymmetrie abgelagert, so dass die Faser, die die Faser rund ist, der Kern jedoch elliptisch ist. Um den Kern auf diese Weise abzulegen, wird die Drehdrehung gestoppt. Das Kernglas wird auf einer Seite des Rohrs abgelagert. Wenn das Vorformpunkt mit einem internen Vakuum zusammenbricht, bleibt die Außenkante der Verkleidung rund, aber das Kernglas wird asymmetrisch. Das Ergebnis ist eine PM -Faser mit niedrigerer Doppelbrechung als die Saftfasern, aber auch mit weniger internen mechanischen Spannungen.

Andere PM-Fasertypen umfassen Polarisierungsfaser, die nur einen Modus ausbreiten, kreisförmige Polarisierungsfaser, die einen Polarisationsmodus erzeugt, der sich im Rahmen der Faser, dotierte PM-Faser und PM-Fasern mit speziellen Beschichtungen dreht. Diese Typen haben ihre eigenen Komplexitäten der Fertigungskomplexe, wie das Drehen der Faser während des Ziehens, die Umgang mit den CTEs und die daraus resultierenden Stressprobleme verschiedener Dotierstoffe und das Arbeiten mit Beschichtungsmaterialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.

Anwendungen und kommerzielle Anforderungen

Viele Spezialfasern werden in sehr kurzen Längen verwendet - beispielsweise Meter oder Zehn Meter - zum Erkennen, Gewinn von Medien, Bragg -Gittern usw. PM -Fasern werden hingegen häufig in Anwendungen verwendet, die einen Kilometer oder mehr, normalerweise benötigen können Wunde in engen Spulen für Gyroskope, Beschleunigungsmesser und Hydrophone. Kürzere Längen der PM-Fasern werden auch in Telekommunikationszöpfen, optischen Kohärenz-Tomographie-Systemen, Hydrophonen, Faserlasern und anderen Sensoranwendungen verwendet.

Die in Gyros und anderen interferometrischen Sensoren verwendete PM -Faser ist normalerweise "bloß" - das ist, dass die Faser beschichtet ist, aber nicht in einem Kabel mit Festigkeitsmitgliedern und einer äußeren Jacke. In vielen Fällen ist die beschichtete Faser in Einheiten gewickelt, die einen Durchmesser von weniger als 20 mm haben kann. Darüber hinaus sind viele dieser PM-Faseranwendungen in Verteidigungs- und hochverträgliche Anwendungen mit kritischen Stärken und Lebensdauerspezifikationen. Beispielsweise werden einige interferometrische Sensoren mit PM-Faser in Tiefwasser-Unterwasseranwendungen verwendet.

Einige Gyro -Spulen können PM -Faser in Hunderten von Metern oder bis zu mehreren Kilometern erfordern. In Gyro -Anwendungen muss die Faser so hergestellt werden, dass diese Längen ohne Spleiße verfügbar sind. Für Telekommunikationskomponenten und andere Zopfanwendungen werden einige PM -Fasern mit verbundenen Enden ausgestattet, wobei einige Markierungen oder Tasten für die axiale Position verwendet werden. Andere PM-Faseranwendungen können Spleißen verwenden, und von mehreren Unternehmen sind spezielle Fusionsspendungsgeräte erhältlich.

Es richtig von Preform über Draw zu bekommen

Seit den 1980er Jahren sind PM -Fasern mindestens eine Größenordnung gesunken, als die Produktionsmengen gestiegen sind. Trotzdem sind PM -Fasern aufgrund der Komplexität der Produktion, der Einschränkungen der Vorformgröße, der geordneten Mengen und der Ertragsfaktoren immer noch deutlich teurer als Kommunikationsfasern. Eine Komplikation in der Produktion ist beispielsweise, dass Sie das Vorformpunkt beenden und zeichnen müssen, bevor Sie die wichtigsten Parameter der Beatlänge und des H-Parameters messen können.

Dies bedeutet, dass Sie das Rezept durch jeden Schritt sorgfältig befolgen müssen, von Brenner- und Gasströmungseinstellungen während der Ablagerung über Zeichnen, Beschichtung und Wickeln. Darüber hinaus variieren die detaillierten Rezepte für PM -Fasern von einer MCVD -Maschine zur anderen sowie von einer Art von PM -Faser zu einer anderen. Die Kalibrierung von Durchflusssteuerungen und anderen Maschineneinstellungen ist für die Einstellung und die Befolgung dieser Rezepte von entscheidender Bedeutung. Wie bei anderen Familien von Spezialfasern kann die Fähigkeit, hohe Erträge und gute Leistungsspezifikationen bei der Herstellung von PM -Fasern zu erzielen, von der Erfahrung der Ingenieure und Techniker abhängen. Das FOC -Beratungsteam steht zur Verfügung, um Fragen zu Faserdesign, Produktion und Anwendungen zu überprüfen.