Vorwort

In herkömmlichen Glasfaserkommunikationssystemen konzentrieren sich Optikingenieure hauptsächlich auf die Übertragung und Routing der optischen Leistung, wobei sie dem Polarisierungszustand des Lichts wenig Aufmerksamkeit schenken.mit einer Breite von mehr als 20 mm, jedoch nicht mehr als 30 mm, kohärente optische Kommunikation, Quanten-Schlüsselverteilung, LiDAR und interferometrische Glasfasersensoren, bestimmt der Polarisationszustand direkt, ob die gesamte Ausrüstung ordnungsgemäß funktionieren kann.Einmal linear polarisiertes Licht erleidet Polarisierung Rotation oder Energie Kopplung zwischen schnellen und langsamen Achsen während der optischen Kanalwechsel, wird das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems stark sinken, und das System kann sogar vollständig ausfallen.

Herkömmliche einmodische optische Schalter erkennen nur optische Pfad-On-Off- und Kanalwechsel, ohne die Polarisierungsvariation einzuschränken,so können sie die Anforderungen von hochpräzisen polarisierten optischen Systemen nicht erfüllenIn diesem Hintergrund entstehen nach Bedarf der Zeit polarisierungshaltende (PM) optische Schalter.Sie sperren fest die Polarisierungsrichtung des eingehenden Lichts und unterdrücken die Polarisierungsmoduskopplung auf ein Minimum., wird zu einem unverzichtbaren passiven Kernkomponenten in allen polarisierungsempfindlichen optischen Schaltkreisen.

Angetrieben durch den rasanten Ausbau der heimischen Glasfaser-Sensing-Industrie, die Massenproduktion von 1,6 T-koherenten optischen Transceivern und die technische Umsetzung der Quantenkommunikation,PM-optische Schalter haben sich von Nischen-Laborkomponenten zu Massenprodukten entwickeltDieser Artikel analysiert dieses Polarisierte Licht-Route-Gerät aus mehreren Dimensionen, einschließlich Arbeitsprinzipien, technischen Routen, Leistungsparametern,Unterschiede zu gewöhnlichen Ein-Modus-Schaltern, Auswahlkriterien, Anwendungsbereiche und industrielle Entwicklungen.

1Grundlegende Definition und Arbeitsprinzip von PM-optischen Schaltern

1.1 Was ist ein PM-Optischer Schalter?

Ein polarisierungshaltender optischer Schalter ist eine spezielle elektrisch gesteuerte Kanalschaltkomponente, die an allen Eingangs- und Ausgangsportstellen mit PM-Schlägern ausgestattet ist.Es kann optische Signale zwischen mehreren Kanälen wechseln, während streng die Polarisierungsrichtung des eingehenden linear polarisierten Lichts unverändertEs beschränkt die Moduskopplung zwischen schnellen und langsamen Achsen und behält am Ausgangsende ein hohes Polarisierungsverhältnis (PER) bei.

Es gibt keine offensichtliche Doppelbrechung innerhalb der gewöhnlichen Einzelmodusfaser, so dass sich zwei orthogonale Polarisierungsmodi mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten.Zufällige Polarisationsdrift kann leicht durch äußere Biegung ausgelöst werdenIm Gegensatz dazu führt die PM-Faser durch Spannungsstäbe neben dem Kern eine starke künstliche Zweibrückung ein und trennt die Lichtwelle in eine schnelle und eine langsame Achse.Eine stabile Polarisierung kann nur aufrechterhalten werden, wenn sich das eingehende Licht streng entlang der Hauptachse ausbreitet.

Der Kernwert eines PM-optischen Schalters besteht darin, den Vorteil der Doppelbrechung von PM-Fasern auf den Schaltknoten zu erweitern und die durch den Kanalwechsel verursachte Polarisierungsverschlechterung zu verhindern.

PM-Fasern im PANDA-Stil sind in kommerziellen Produkten die gängige Wahl.Zwei Borosilikat-Spannungsstangen auf beiden Seiten des Faserkerns erzeugen aufgrund unterschiedlicher thermischer Expansionskoeffizienten eine anhaltende innere Spannung und bilden stabile ZweibrückungsfelderZu den gängigen Fasertypen gehören PM1550, PM1310, PM980 und PM1064 für verschiedene Wellenlängen.

1.2 Realisierung der Polarisationspflege und der optischen Schaltung

1. Optische Routing: Elektromagnetisch angetriebene Mikroreflektoren, Prismen oder magnetooptische Kristalle leiten den Lichtstrahl zu verschiedenen Ausgangsanschlüssen um und bilden Porttopologien wie 1×2, 1×4 und 2×2.
2. Polarisierungsverriegelung: Alle Kollimatoren und PM-Fasern innerhalb des Bauteils sind genau auf der Hauptachse ausgerichtet.Die schnelle und langsame Achse jedes optischen Weges bleiben während der Faserspleißung und Strahlkollimation gleich. Energieverlust von der langsamen Achse zur schnellen Achse wird beseitigt, um eine PER-Degradation zu vermeiden.

Der magnetoptische PM-Schalter hat keine beweglichen mechanischen Teile.ein externes Magnetfeld dreht die Polarisierungsebene des Lichts, das durch YIG-Kristalle (Yttrium-Eisengarnet) geht. In Kombination mit Polarisationsstrahlsplittern kann der optische Kanal elektronisch ausgewählt werden.

Hauptvorteile

1. Ultra-schnelle Schaltgeschwindigkeit unter 1 Mikrosekunde, perfekt für Hochgeschwindigkeits-Pulslaser und schnelle Photon-Kanalwahl in der Quantenkommunikation.
2. Keine mechanische Abrieb, mit einer Lebensdauer von mehr als 10 Milliarden Zyklen.mit einem stabilen Betrieb von -40°C bis +85°CVerstärkte Verpackungen unterstützen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Satelliten.
3. Der optische Strahl bleibt frei von Jitter, mit viel besserer Wiederholbarkeit als elektromechanische Geräte, und die Schwankung des Polarisierungszustands ist extrem gering.

Nachteile

Durch die Einschränkung durch magnetoptische Kristallmaterialien steigt der Einsatzverlust auf 1,2 bis 2,0 dB. Größere Arrays über 1 × 8 sind aufgrund der komplexen optischen Struktur schwer zu integrieren.Material- und Verpackungskosten sind 3~6mal höher als bei elektromechanischen Produkten derselben Kanalzahl, was eine breit angelegte zivile Popularisierung einschränkt.

Obwohl Mikro-Spiegel-Arrays die optische Integration in großem Maßstab unterstützen, ist die Technologie noch in der Forschung.die Winkelrichtung der Polarisationsachsen ist nicht ausreichend ausgereift, um eine stabile PER zu gewährleistenDerzeit werden sie nur in einer kleinen Anzahl von Prüfgeräten ohne große Industrialisierung getestet.

2.3 Parametervergleich zweier PM-Schalterlösungen

3Wesentliche Unterschiede zwischen PM-Optischen Schaltern und gewöhnlichen Ein-Modus-Optischen Schaltern

3.1 Unterschied in der optischen Strecke und der Faserstruktur

Normaler Ein-Modus-Switch verwendet SMF-28-Fasern ohne schnelle/langsame Achsen. Nur die Ausrichtung des Kerns ist erforderlich und das Drehen des Steckers verursacht keinen zusätzlichen Verlust.

PM-Schalter sind vollständig mit PANDA-PM-Fasern ausgestattet.PM-Anschlüsse sind mit Positionsschlüsseln ausgelegt und können nicht willkürlich verdreht werdenWenn die Hauptachse falsch ausgerichtet ist, fällt die PER von 25 dB auf weniger als 10 dB und das Bauteil verliert die Polarisierungskapazität vollständig.

3.2 Verschiedene Leistungsindikatoren

Einmodische optische Schalter werden nur auf Einsatzverlust, Isolation und Wiederholbarkeit geprüft, ohne dass Polarisierungsindikatoren erforderlich sind.

Drei Polarisationsparameter werden für PM-optische Schalter streng kontrolliert:

1. 
   
2. Polarisierungs-Extinktions-Verhältnis (PER): Der kritischste Indikator zur Messung der Energieisolation zwischen schnellen und langsamen Achsen, wobei der Grundbedarf höher als 20 dB ist.
3. Polarisierungsabhängiger Verlust (PDL): Der Leistungsverlustunterschied zwischen verschiedenen Polarisierungszuständen; Premiumgeräte können PDL ≤0,05 dB erreichen.
4. Polarisierungsmoduskopplung: Unterdrückung des optischen Überspannens zwischen den orthogonalen Polarisierungsmodi, um nach wiederholtem Schalten zu vermeiden, dass zufällige Polarisierungsverschiebungen auftreten.

3.3 Unterschied zwischen Umweltempfindlichkeit und Betriebsschwelle

Die Installation von gewöhnlichen Ein-Modus-Schaltern ist einfach, wobei die Drehung des Steckers, die Biegung der Faser und geringe Vibrationen wenig Einfluss auf die Leistung haben.

PM-optische Pfade sind äußerst empfindlich gegenüber mechanischer Belastung. Übermäßige Faserbiegung, Steckverknüpfung und Schaleverformung führen zu zusätzlicher Zweibriechbarkeit und induzieren eine Polarisierungskopplung.Während des Felddebugs, muss die Anordnung der optischen Faser so fixiert sein, daß die Spannung entfällt, wodurch die Betriebsschwelle erhöht wird.

3.4 Kosten- und Anwendungsgrenze

Einmodische optische Schalter sind kostengünstig und werden in der PON-Schutzschaltung, in der Überwachung der optischen Leistung und in der allgemeinen Prüfung passiver Bauteile weit verbreitet.PM-optische Schalter erfordern komplizierte Kalibrierprozesse zur PolarisierungSie werden nur in polarisierungsempfindlichen optischen Schaltkreisen eingesetzt.

Kurze Schlußfolgerung: Durch gewöhnliche Schalter wird nur die Lichtübertragung gewährleistet; durch PM-Schalter wird sowohl ein reibungsloser optischer Weg als auch eine stabile Schwingungsrichtung des polarisierten Lichts gewährleistet.

4Schlüsseloptische Parameter und Auswahlprinzipien für die Technik

4.1 Kernoptische Indikatoren

1. Betriebswellenlänge: Die vier Hauptbands sind 1550 nm C-Band für die Kommunikation, 1064 nm Festkörperlaser,980 nm Pumpenlicht und 780 nm Ein-Photonen-Fenster für QuantensystemeProdukte mit unterschiedlichen Wellenlängen können nicht ausgetauscht werden.
2. Polarisierungsverlustquote (PER): Der Mindeststandard für optische Laborwege beträgt 20 dB. Interferometrische Glasfaser-Gyroskope und Sensor-Arrays erfordern PER ≥25 dB,Während Quantenkommunikationssysteme eine hohe Auslöschung über 28 dB benötigen.
3. Einfügungsverlust und PDL: Modelle mit niedrigem PDL werden bei mehrkanaligen Schaltmatrizen bevorzugt, um einen unausgewogenen Polarisierungsverlust zwischen verschiedenen Ports zu vermeiden.
4. Kanalisolation (Crosstalk): Eine Isolation von mehr als 55 dB ist für Mehrkanal-Prüfplattformen erforderlich, um Signalstörungen zwischen benachbarten Kanälen zu vermeiden.
5. Optische Leistungsbeständigkeit: Herkömmliche mit Klebstoff versiegelte optische Bahnen unterstützen nur Hunderte von Milliwatt kontinuierliches Licht.Für Hochleistungslasersysteme sind klebefreie Freiraumoptikbahnen auszuwählen, um eine Verkarbonierung des Klebers und eine Verschlechterung der Polarisierung durch hohe optische Dichte zu vermeiden..

4.2 Porttopologie und Elektroantriebsauswahl

Häufigste Portkonfigurationen:

1 × 2 für die Zweijährige Kanalwahl und die Schaltung des optischen Pfadschutzes; 2 × 2 für den bidirektionalen Austausch; 1 × 4 / 1 × 8 für die Mehrpunktsteuerung.Für große automatische Prüfgeräte werden 1×16- und 1×32-PM-Schaltmatrizen verwendet..

Die Standardantriebsspannung beträgt 5 VDC. Schließvorrichtungen bewahren den Kanalstatus nach Stromausfall bei, um Energie für langfristige Standby-Systeme zu sparen.bei kurzfristiger Laborschalterung werden nicht schließbare Relaisstrukturen angewendet..

4.3 Spezifikation der Steckverbinder

Schlüsselfeste FC/APC-PM-Anschlüsse sind obligatorisch. Die gewinkelte Endfläche reduziert den Rücklaufverlust und unterdrückt die durch reflektiertes Licht verursachten Polarisierungsstörungen. PC-Flachfläche ist verboten.Die Käufer sollten klarstellen, dass die Hauptachsen aller Häfen einheitlich sind, und vor der Lieferung ein Prüfbericht über die Ausrichtung der Hauptachse vorzulegen.

4.4 Szenarioorientierte Auswahlvorschläge

1. FBG-Mehrkanal-Befragung und Massenprüfung von PM-Kopplern in Laboren: Kostenwirksame elektromechanische 1×N-PM-Schalter auswählen.

2. Glasfaser-Gyroskope und interferometrische Sensoren: Wählen Sie elektromechanische Geräte mit hohem PER (≥ 25 dB) und entlasten Sie vorsichtig die mechanische Belastung des optischen Weges.

3. Quanten-Schlüsselverteilung und LiDAR-optische Auswahl mit hoher Geschwindigkeit: Für Mikrosekunden-Switching und langfristige Vibrationsstabilität werden festgefahrene magnetoptische PM-Switches verwendet.

4. Luft- und Satellitenverstärkte Systeme: Wählen Sie hochtemperaturfähige Festkörperschalter mit Antivibrations- und Antistrahlungsverpackungen aus.

5. 
   

5. Hauptanwendungsbereiche von PM-Optischen Schaltern

Mit der Industrialisierung der polarisierten optoelektronischen Technologie haben sich PM-optische Schalter von Laborgeräten zu Massenindustrieprodukten erweitert, die sowohl militärische als auch zivile Märkte abdecken.

5.1 Glasfaser-Sensing (größter nachgelagerter Markt)

Interferometrische Glasfaser-Gyroskope (FOG), verteilte akustische Sensorik (DAS), FBG-Sensoranlagen,Öl- und Gas-Abgrubenerkennung und Brücke-Struktur-Gesundheitsüberwachung beruhen alle auf der Interferenzdemodulation von linear polarisiertem Licht. Mehrpunktsensornetze benötigen PM-Schalter, um verschiedene Sonden nacheinander zu befragen, und die Polarisierungsleistung bestimmt direkt die Demodulationsgenauigkeit.Automatische Mehrkanal-Prüfplattformen mit PM-Switches haben die Testeffizienz der inländischen Hersteller von Fasersensoren erheblich verbessert.

5.2 Kohärente optische Kommunikation und Prüfung von Hochgeschwindigkeitsoptischen Modulen

Aktuelle 1,6-T- und 3,2-T-PM-QPSK-koherente Transceiver übernehmen eine dual-polarisierte Signalübertragung.Wenn gewöhnliche Ein-Modus-Schalter verwendet werden, wird eine zufällige Polarisierungsfluktuation auf der Empfängerseite zu einem starken BER-Anstieg führen, und der Leistungstest kann nicht abgeschlossen werden.PM-optische Schalter sind Standardkomponenten in der Produktionslinie von schnellen kohärenten optischen Geräten geworden.

5.3 Quantenkommunikation und photonische Messung und Steuerung

Die Quanten-Schlüsselverteilung (QKD) kodiert Schlüsselinformationen über Photonen-Polarisierungszustände.PM-optische Schalter ermöglichen die dynamische Routing von verflochtenen Photonen und die schnelle Auswahl verschiedener PolarisierungskodierungskanäleHigh-Extinction-PM-Switches werden in bodengestützten Quantenkommunikationsnetzwerken und optischen Systemen von Bodenstationen eingesetzt, die mit Quantensatelliten kombiniert werden, um eine stabile Polarisierung aufrechtzuerhalten.

5.4 Laseroptischer Weg und LiDAR

PM-Laser mit enger Linienbreite, Faserlaserstrahlkombinationssysteme und luftgestützte LiDAR verwenden PM-Faser, um line