Πρόλογος

Στα συμβατικά συστήματα επικοινωνίας με οπτικές ίνες, οι οπτικοί μηχανικοί επικεντρώνονται κυρίως στη μετάδοση και τη δρομολόγηση οπτικής ισχύος, ενώ δίνουν λίγη προσοχή στην κατάσταση πόλωσης του φωτός. Ωστόσο, σε οπτοηλεκτρονικά συστήματα υψηλής ακρίβειας, όπως γυροσκόπια οπτικών ινών, συνεκτική οπτική επικοινωνία, διανομή κβαντικού κλειδιού, LiDAR και συμβολομετρικούς αισθητήρες οπτικών ινών, η κατάσταση πόλωσης καθορίζει άμεσα εάν ολόκληρος ο εξοπλισμός μπορεί να λειτουργήσει σωστά. Μόλις το γραμμικά πολωμένο φως υποστεί περιστροφή πόλωσης ή ενεργειακή σύζευξη μεταξύ γρήγορου και αργού άξονα κατά την εναλλαγή οπτικού καναλιού, η αναλογία σήματος προς θόρυβο του συστήματος θα πέσει απότομα και το σύστημα μπορεί ακόμη και να καταρρεύσει εντελώς.

Οι συμβατικοί οπτικοί διακόπτες μονής λειτουργίας πραγματοποιούν μόνο ενεργοποίηση-απενεργοποίηση οπτικής διαδρομής και εναλλαγή καναλιού χωρίς περιορισμό της διακύμανσης της πόλωσης, επομένως δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις πολωμένων οπτικών συστημάτων υψηλής ακρίβειας. Κάτω από αυτό το υπόβαθρο, οι οπτικοί διακόπτες διατήρησης πόλωσης (PM) εμφανίζονται όπως απαιτούν οι καιροί. Ενώ πραγματοποιούν δυναμική επιλογή καναλιών, κλειδώνουν σταθερά την κατεύθυνση πόλωσης του προσπίπτοντος φωτός και καταστέλλουν τη σύζευξη της λειτουργίας πόλωσης στο ελάχιστο, καθιστώντας ένα απαραίτητο παθητικό εξάρτημα πυρήνα σε όλα τα ευαίσθητα στην πόλωση οπτικά κυκλώματα.

Καθοδηγούμενοι από την ταχεία επέκταση της εγχώριας βιομηχανίας αισθητήρων οπτικών ινών, τη μαζική παραγωγή συνεκτικών οπτικών πομποδεκτών 1,6 Τ και τη μηχανική εφαρμογή της κβαντικής επικοινωνίας, οι οπτικοί διακόπτες PM έχουν εξελιχθεί από εξειδικευμένα εργαστηριακά εξαρτήματα σε μαζικά βιομηχανικά προϊόντα. Αυτό το άρθρο αναλύει διεξοδικά αυτήν τη συσκευή δρομολόγησης πολωμένου φωτός από πολλαπλές διαστάσεις, συμπεριλαμβανομένων των αρχών λειτουργίας, των τεχνικών διαδρομών, των παραμέτρων απόδοσης, των διαφορών από τους συνηθισμένους διακόπτες απλής λειτουργίας, των κριτηρίων επιλογής, των τομέων εφαρμογής και των βιομηχανικών τάσεων.

1. Βασικός ορισμός και αρχή λειτουργίας των οπτικών διακοπτών PM

1.1 Τι είναι ο οπτικός διακόπτης PM

Ένας οπτικός διακόπτης διατήρησης πόλωσης είναι ένα ειδικό ηλεκτρικά ελεγχόμενο εξάρτημα μεταγωγής καναλιών εξοπλισμένο με pigtails PM σε όλες τις θύρες εισόδου και εξόδου. Μπορεί να αλλάζει οπτικά σήματα μεταξύ πολλαπλών καναλιών, διατηρώντας αυστηρά την κατεύθυνση πόλωσης του προσπίπτοντος γραμμικά πολωμένου φωτός αμετάβλητη. Περιορίζει τη σύζευξη λειτουργίας μεταξύ ταχέων και αργών αξόνων και διατηρεί υψηλή αναλογία κατάσβεσης πόλωσης (PER) στο άκρο εξόδου.

Δεν υπάρχει εμφανής διπλή διάθλαση εντός της συνηθισμένης ίνας μονής λειτουργίας, επομένως δύο ορθογώνιες καταστάσεις πόλωσης διαδίδονται με την ίδια ταχύτητα. Η τυχαία μετατόπιση πόλωσης μπορεί εύκολα να ενεργοποιηθεί από εξωτερική κάμψη, κραδασμούς και διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Αντίθετα, η ίνα PM εισάγει ισχυρή τεχνητή διπλή διάθλαση μέσω ράβδων τάσης δίπλα στον πυρήνα, διαχωρίζοντας το κύμα φωτός σε έναν γρήγορο άξονα και έναν αργό άξονα. Η σταθερή πόλωση μπορεί να διατηρηθεί μόνο όταν το προσπίπτον φως διαδίδεται αυστηρά κατά μήκος του κύριου άξονα.

Η βασική τιμή ενός οπτικού διακόπτη PM επεκτείνει το πλεονέκτημα διπλής διάθλασης της ίνας PM στον κόμβο μεταγωγής και αποτρέπει την επιδείνωση της πόλωσης που προκαλείται από την εναλλαγή καναλιού.

Οι ίνες PM τύπου PANDA είναι η κύρια επιλογή στα εμπορικά προϊόντα. Δύο ράβδοι τάσης από βοριοπυριτικό και στις δύο πλευρές του πυρήνα της ίνας παράγουν επίμονη εσωτερική τάση λόγω διαφορετικών συντελεστών θερμικής διαστολής και σχηματίζουν σταθερά πεδία διπλής διάθλασης. Οι συνήθεις τύποι ινών περιλαμβάνουν PM1550, PM1310, PM980 και PM1064 για παράθυρα διαφορετικού μήκους κύματος.

1.2 Πραγματοποίηση Συντήρησης Πόλωσης και Οπτικής Εναλλαγής

1. Οπτική δρομολόγηση: Μικροανακλαστήρες, πρίσματα ή μαγνητοοπτικοί κρύσταλλοι με ηλεκτρομαγνητική κίνηση, ανακατευθύνουν τη δέσμη φωτός σε διαφορετικές θύρες εξόδου, σχηματίζοντας τοπολογίες θυρών όπως 1×2, 1×4 και 2×2.
2. Κλείδωμα πόλωσης: Όλοι οι ρυθμιστές και οι ίνες PM μέσα στο εξάρτημα ευθυγραμμίζονται με ακρίβεια στον κύριο άξονα. Ο γρήγορος άξονας και ο αργός άξονας κάθε οπτικής διαδρομής παραμένουν σταθεροί κατά τη συναρμογή ινών και την ευθυγράμμιση της δέσμης. Η διαρροή ενέργειας από τον αργό άξονα στον γρήγορο άξονα εξαλείφεται για να αποφευχθεί η υποβάθμιση του PER.

Ο μαγνητοοπτικός διακόπτης PM δεν έχει κινούμενα μηχανικά μέρη. Με βάση το μαγνητοοπτικό φαινόμενο Faraday, ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο περιστρέφει το επίπεδο πόλωσης του φωτός που διέρχεται από κρυστάλλους YIG (Yttrium Iron Garnet). Σε συνδυασμό με διαχωριστές δέσμης πόλωσης, το οπτικό κανάλι μπορεί να επιλεγεί ηλεκτρονικά. Είναι ένα καθαρό οπτοηλεκτρονικό εξάρτημα στερεάς κατάστασης.

Βασικά πλεονεκτήματα

1. Εξαιρετικά γρήγορη ταχύτητα μεταγωγής κάτω από 1 μικροδευτερόλεπτο, που ταιριάζει απόλυτα με παλμικό λέιζερ υψηλής ταχύτητας και ταχεία επιλογή καναλιού φωτονίων στην κβαντική επικοινωνία.
2. Χωρίς μηχανική τριβή, με διάρκεια ζωής που υπερβαίνει τα 10 δισεκατομμύρια κύκλους. Το εξάρτημα διαθέτει εξαιρετική αντοχή στους κραδασμούς και αντι-ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, λειτουργώντας σταθερά από -40℃ έως +85℃. Η ενισχυμένη συσκευασία υποστηρίζει αεροδιαστημικές και δορυφορικές εφαρμογές.
3. Η οπτική δέσμη παραμένει απαλλαγμένη από τρέμουλο, με πολύ καλύτερη επαναληψιμότητα από τις ηλεκτρομηχανικές συσκευές και η διακύμανση της κατάστασης πόλωσης είναι εξαιρετικά χαμηλή.

Μειονεκτήματα

Περιορίζεται από μαγνητοοπτικά κρυσταλλικά υλικά, η απώλεια εισαγωγής αυξάνεται σε 1,2~2,0 dB. Οι πίνακες μεγάλης κλίμακας πάνω από 1×8 είναι δύσκολο να ενσωματωθούν λόγω πολύπλοκης οπτικής δομής. Το κόστος υλικών και συσκευασίας είναι 3-6 φορές υψηλότερο από τα ηλεκτρομηχανολογικά προϊόντα του ίδιου αριθμού καναλιών, περιορίζοντας τη μεγάλης κλίμακας δημοτικότητα των πολιτών.

Οι οπτικοί διακόπτες MEMS PM βρίσκονται ακόμη υπό έρευνα. Αν και οι συστοιχίες μικροκατοπτρισμού υποστηρίζουν οπτική ολοκλήρωση μεγάλης κλίμακας, η γωνιακή ευθυγράμμιση των αξόνων πόλωσης δεν είναι αρκετά ώριμη ώστε να εγγυάται σταθερό PER. Προς το παρόν, δοκιμάζονται μόνο σε μικρό αριθμό οργάνων δοκιμής χωρίς εκβιομηχάνιση μεγάλης κλίμακας.

2.3 Σύγκριση παραμέτρων δύο λύσεων διακόπτη PM

3. Βασικές διαφορές μεταξύ των οπτικών διακοπτών PM και των συνηθισμένων οπτικών διακοπτών μίας λειτουργίας

3.1 Διαφορά στην οπτική διαδρομή και τη δομή ινών

Οι συνηθισμένοι διακόπτες μονής λειτουργίας υιοθετούν ίνα SMF-28 χωρίς γρήγορους/αργούς άξονες. Απαιτείται μόνο ευθυγράμμιση κεντραρίσματος του πυρήνα και η περιστροφή του βύσματος δεν θα προκαλέσει επιπλέον απώλεια.

Οι διακόπτες PM είναι πλήρως εξοπλισμένοι με ίνα PM PANDA. Πρέπει να επιτευχθούν δύο ευθυγραμμίσεις ταυτόχρονα: ομοαξονικότητα πυρήνα και γωνιακή τοποθέτηση του κύριου άξονα. Οι υποδοχές PM έχουν σχεδιαστεί με πλήκτρα τοποθέτησης και δεν μπορούν να στραφούν αυθαίρετα. Μόλις ο κύριος άξονας δεν ευθυγραμμιστεί σωστά, το PER θα πέσει απότομα από 25 dB σε λιγότερο από 10 dB και το εξάρτημα θα χάσει εντελώς την ικανότητα διατήρησης της πόλωσης.

3.2 Διαφορετικές βασικές μετρήσεις απόδοσης

Οι οπτικοί διακόπτες μονής λειτουργίας δοκιμάζονται μόνο για απώλεια εισαγωγής, απομόνωση και επαναληψιμότητα, χωρίς απαιτήσεις για δείκτες πόλωσης.

Τρεις παράμετροι πόλωσης ελέγχονται αυστηρά για τους οπτικούς διακόπτες PM:

1. 
   
2. Λόγος εξάλειψης πόλωσης (PER): Ο πιο κρίσιμος δείκτης μέτρησης της ενεργειακής απομόνωσης μεταξύ ταχέων και αργών αξόνων, με βασική απαίτηση μεγαλύτερη από 20 dB.
3. Απώλεια εξαρτώμενης από πόλωση (PDL): Η διαφορά απώλειας ισχύος μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων πόλωσης. Οι συσκευές premium μπορούν να επιτύχουν PDL ≤0,05 dB.
4. Σύζευξη λειτουργίας πόλωσης: Καταργήστε την οπτική αλληλεπίδραση μεταξύ των τρόπων ορθογώνιας πόλωσης για να αποφύγετε την τυχαία μετατόπιση πόλωσης μετά από επανειλημμένη εναλλαγή.

3.3 Διαφορά στην περιβαλλοντική ευαισθησία και στο όριο λειτουργίας

Οι συνηθισμένοι διακόπτες μίας λειτουργίας είναι εύκολο να εγκατασταθούν. Η περιστροφή του συνδετήρα, η κάμψη των ινών και οι μικρές δονήσεις έχουν μικρή επίδραση στην απόδοση.

Οι οπτικές διαδρομές PM είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στη μηχανική καταπόνηση. Η υπερβολική κάμψη των ινών, η στρέψη του συνδετήρα και η παραμόρφωση του κελύφους θα δημιουργήσουν επιπλέον διπλή διάθλαση και θα προκαλέσουν σύζευξη πόλωσης. Κατά τον εντοπισμό σφαλμάτων πεδίου, η διάταξη οπτικών ινών πρέπει να είναι σταθερή για να απελευθερώνεται η πίεση, η οποία αυξάνει το όριο λειτουργίας.

3.4 Όριο κόστους και εφαρμογής

Οι οπτικοί διακόπτες μονής λειτουργίας είναι χαμηλού κόστους και χρησιμοποιούνται ευρέως στην εναλλαγή προστασίας PON, στην παρακολούθηση οπτικής ισχύος και στη γενική δοκιμή παθητικών εξαρτημάτων. Οι οπτικοί διακόπτες PM απαιτούν περίπλοκες διαδικασίες βαθμονόμησης πόλωσης, με τιμή 2~5 φορές υψηλότερη. Αναπτύσσονται μόνο σε ευαίσθητα στην πόλωση οπτικά κυκλώματα.

Σύντομο συμπέρασμα: Οι συνηθισμένοι διακόπτες εξασφαλίζουν μόνο μετάδοση φωτός. Οι διακόπτες PM εγγυώνται τόσο ομαλή οπτική διαδρομή όσο και σταθερή κατεύθυνση δόνησης του πολωμένου φωτός.

4. Βασικές Οπτικές Παράμετροι και Αρχές Μηχανικής Επιλογής

4.1 Οπτικοί δείκτες πυρήνα

1. Μήκος κύματος λειτουργίας: Αντιστοιχίστε αυστηρά την πηγή λέιζερ. Οι τέσσερις κύριες ζώνες είναι ζώνη C 1550 nm για επικοινωνία, λέιζερ στερεάς κατάστασης 1064 nm, φως αντλίας 980 nm και παράθυρο μονοφωτονίου 780 nm για κβαντικά συστήματα. Τα προϊόντα διαφορετικών μηκών κύματος δεν μπορούν να ανταλλάσσονται.
2. Λόγος εξάλειψης πόλωσης (PER): Το ελάχιστο πρότυπο για εργαστηριακές οπτικές διαδρομές είναι 20 dB. Τα παρεμβολομετρικά γυροσκόπια οπτικών ινών και οι συστοιχίες ανίχνευσης απαιτούν PER ≥25 dB, ενώ τα κβαντικά συστήματα επικοινωνίας χρειάζονται εκδόσεις υψηλής απόσβεσης άνω των 28 dB.
3. Απώλει