Voorwoord

In conventionele glasvezelcommunicatiesystemen concentreren optische ingenieurs zich voornamelijk op optische energietransmissie en -routering, terwijl ze weinig aandacht besteden aan de polarisatietoestand van licht. In opto-elektronische systemen met hoge precisie, zoals glasvezelgyroscopen, coherente optische communicatie, kwantumsleuteldistributie, LiDAR en interferometrische glasvezelsensoren, bepaalt de polarisatietoestand echter direct of de hele apparatuur goed kan werken. Zodra lineair gepolariseerd licht te maken krijgt met polarisatierotatie of energiekoppeling tussen snelle en langzame assen tijdens het schakelen tussen optische kanalen, zal de signaal-ruisverhouding van het systeem scherp dalen en kan het systeem zelfs volledig kapot gaan.

Conventionele single-mode optische schakelaars realiseren alleen optische pad-aan-uit- en kanaalschakeling zonder de polarisatievariatie te beperken, zodat ze niet kunnen voldoen aan de eisen van zeer nauwkeurige gepolariseerde optische systemen. Tegen deze achtergrond ontstaan ​​er polarisatie-handhavende (PM) optische schakelaars naarmate de tijd dit vereist. Terwijl ze dynamische kanaalselectie realiseren, vergrendelen ze stevig de polarisatierichting van invallend licht en onderdrukken ze de polarisatiemoduskoppeling tot het minimum, waardoor ze een onmisbare passieve kerncomponent worden in alle polarisatiegevoelige optische circuits.

Gedreven door de snelle expansie van de binnenlandse glasvezeldetectie-industrie, de massaproductie van 1,6 T coherente optische transceivers en de technische implementatie van kwantumcommunicatie, zijn PM optische schakelaars geëvolueerd van niche-laboratoriumcomponenten naar massa-industriële producten. Dit artikel analyseert dit gepolariseerde lichtrouteringsapparaat uitgebreid vanuit meerdere dimensies, waaronder werkingsprincipes, technische routes, prestatieparameters, verschillen met gewone single-mode schakelaars, selectiecriteria, toepassingssectoren en industriële trends.

1. Basisdefinitie en werkingsprincipe van PM optische schakelaars

1.1 Wat is een PM optische schakelaar

Een optische schakelaar die de polarisatie in stand houdt, is een speciaal elektrisch bestuurde component voor kanaalschakeling, uitgerust met PM-pigtails op alle in- en uitgangspoorten. Het kan optische signalen schakelen tussen meerdere kanalen, terwijl de polarisatierichting van invallend lineair gepolariseerd licht strikt onveranderd blijft. Het beperkt de moduskoppeling tussen snelle en langzame assen en handhaaft een hoge polarisatie-uitdovingsratio (PER) aan de uitgangszijde.

Er bestaat geen duidelijke dubbele breking binnen gewone single-mode glasvezel, dus twee orthogonale polarisatiemodi planten zich met dezelfde snelheid voort. Willekeurige polarisatiedrift kan gemakkelijk worden veroorzaakt door externe buiging, trillingen en temperatuurschommelingen. PM-vezels introduceren daarentegen sterke kunstmatige dubbele breking via spanningsstaven naast de kern, waardoor de lichtgolf wordt gescheiden in een snelle as en een langzame as. Stabiele polarisatie kan alleen worden gehandhaafd als invallend licht zich strikt langs de hoofdas voortplant.

De kernwaarde van een optische PM-schakelaar is het uitbreiden van het dubbele brekingsvoordeel van PM-vezels naar het schakelknooppunt en het voorkomen van verslechtering van de polarisatie veroorzaakt door kanaalschakeling.

PM-vezels in PANDA-stijl zijn de belangrijkste keuze in commerciële producten. Twee borosilicaatspanningsstaven aan beide zijden van de vezelkern produceren aanhoudende interne spanningen als gevolg van verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten en vormen stabiele dubbele brekingsvelden. Veel voorkomende vezeltypen zijn PM1550, PM1310, PM980 en PM1064 voor verschillende golflengtevensters.

1.2 Realisatie van polarisatiebehoud en optisch schakelen

1. Optische routering: Elektromagnetisch aangedreven microreflectoren, prisma's of magneto-optische kristallen leiden de lichtbundel om naar verschillende uitgangspoorten en vormen poorttopologieën zoals 1×2, 1×4 en 2×2.
2. Polarisatievergrendeling: Alle collimatoren en PM-vezels in het onderdeel zijn nauwkeurig uitgelijnd op de hoofdas. De snelle en langzame as van elk optisch pad blijven consistent tijdens het splitsen van vezels en bundelcollimatie. Energielekkage van de langzame as naar de snelle as wordt geëlimineerd om PER-degradatie te voorkomen.

De magneto-optische PM-schakelaar heeft geen bewegende mechanische onderdelen. Gebaseerd op het magneto-optische effect van Faraday, roteert een extern magnetisch veld het polarisatievlak van licht dat door YIG-kristallen (Yttrium Iron Garnet) gaat. Gecombineerd met polarisatiebundelsplitters kan het optische kanaal elektronisch worden geselecteerd. Het is een pure opto-elektronische component in vaste toestand.

Kernvoordelen

1. Ultrasnelle schakelsnelheid van minder dan 1 microseconde, perfect passend bij snelle gepulseerde laser en snelle fotonkanaalselectie in kwantumcommunicatie.
2. Geen mechanische slijtage, met een levensduur van meer dan 10 miljard cycli. Het onderdeel beschikt over uitstekende trillingsbestendigheid en anti-elektromagnetische interferentieprestaties en werkt stabiel van -40 ℃ tot +85 ℃. Versterkte verpakkingen ondersteunen ruimtevaart- en satelliettoepassingen.
3. De optische straal blijft vrij van jitter, met een veel betere herhaalbaarheid dan elektromechanische apparaten, en de fluctuatie van de polarisatietoestand is extreem laag.

Nadelen

Beperkt door magneto-optische kristalmaterialen, neemt het invoegverlies toe tot 1,2 ~ 2,0 dB. Grootschalige arrays groter dan 1×8 zijn moeilijk te integreren vanwege de complexe optische structuur. De materiaal- en verpakkingskosten zijn 3 tot 6 keer hoger dan die van elektromechanische producten met hetzelfde kanaalaantal, waardoor grootschalige civiele popularisering wordt beperkt.

MEMS PM optische schakelaars worden nog onderzocht. Hoewel microspiegelarrays grootschalige optische integratie ondersteunen, is de hoekuitlijning van polarisatie-assen nog niet volwassen genoeg om stabiele PER te garanderen. Momenteel worden ze alleen getest in een klein aantal testinstrumenten zonder grootschalige industrialisatie.

2.3 Parametervergelijking van twee PM-switchoplossingen

3. Essentiële verschillen tussen optische PM-schakelaars en gewone single-mode optische schakelaars

3.1 Verschil in optisch pad en vezelstructuur

Gewone single-mode switches maken gebruik van SMF-28-glasvezel zonder snelle/langzame assen. Er is alleen uitlijning van de kerncentrering vereist, en het draaien van de connector zal geen extra verlies veroorzaken.

PM-schakelaars zijn volledig uitgerust met PANDA PM-vezel. Twee uitlijningen moeten tegelijkertijd worden bereikt: coaxialiteit van de kern en hoekpositionering van de hoofdas. PM-connectoren zijn ontworpen met positioneringssleutels en kunnen niet willekeurig worden gedraaid. Zodra de hoofdas verkeerd is uitgelijnd, zal de PER scherp dalen van 25 dB naar minder dan 10 dB, en zal de component zijn polarisatiehandhavingsvermogen volledig verliezen.

3.2 Verschillende belangrijke prestatiestatistieken

Single-mode optische schakelaars worden alleen getest op invoegverlies, isolatie en herhaalbaarheid, zonder eisen aan polarisatie-indicatoren.

Drie polarisatieparameters worden strikt gecontroleerd voor optische PM-schakelaars:

1. 
   
2. Polarisatie Extinction Ratio (PER): De meest kritische indicator die de energie-isolatie meet tussen snelle en langzame assen, waarbij de basisvereiste hoger is dan 20 dB.
3. Polarisatie-afhankelijk verlies (PDL): het verschil in vermogensverlies tussen verschillende polarisatietoestanden; premium-apparaten kunnen PDL ≤0,05 dB bereiken.
4. Koppeling van polarisatiemodus: Onderdruk optische overspraak tussen orthogonale polarisatiemodi om willekeurige polarisatiedrift na herhaaldelijk schakelen te voorkomen.

3.3 Verschil in omgevingsgevoeligheid en bedrijfsdrempel

Gewone single-mode schakelaars zijn eenvoudig te installeren. Connectorrotatie, vezelbuiging en kleine trillingen hebben weinig invloed op de prestaties.

PM optische paden zijn extreem gevoelig voor mechanische belasting. Overmatige buiging van de vezels, torsie van de connector en vervorming van de schaal zullen extra dubbele breking introduceren en polarisatiekoppeling veroorzaken. Tijdens het opsporen van fouten in het veld moet de lay-out van de optische vezels worden vastgesteld om spanning te verminderen, waardoor de werkingsdrempel wordt verhoogd.

3.4 Kosten en toepassingsgrens

Single-mode optische schakelaars zijn goedkoop en worden veel gebruikt bij PON-beveiligingsschakelingen, optische stroombewaking en algemene passieve componenttests. Optische PM-schakelaars vereisen ingewikkelde polarisatiekalibratieprocessen, waarvan de prijs 2 tot 5 keer hoger is. Ze worden alleen ingezet in polarisatiegevoelige optische circuits.

Korte conclusie: Gewone schakelaars zorgen alleen voor lichttransmissie; PM-schakelaars garanderen zowel een soepel optisch pad als een stabiele trillingsrichting van gepolariseerd licht.

4. Belangrijke optische parameters en principes voor technische selectie

4.1 Kern optische indicatoren

1. Bedrijfsgolflengte: Pas de laserbron strikt aan. De vier reguliere banden zijn de 1550 nm C-band voor communicatie, 1064 nm vaste-stoflaser, 980 nm pomplicht en 780 nm enkel-fotonvenster voor kwantumsystemen. Producten met verschillende golflengten kunnen niet worden uitgewisseld.
2. Polarisatie Extinction Ratio (PER): De minimumnorm voor optische paden in laboratoria is 20 dB. Interferometrische glasvezelgyroscopen en detectiearrays vereisen PER ≥25 dB, terwijl kwantumcommunicatiesystemen versies met hoge uitdoving boven 28 dB nodig hebben.
3. Insertion Loss en PDL: Low-PDL-modellen hebben de voorkeur voor meerkanaals schakelmatrices om onevenwichtig polarisatieverlies tussen verschillende poorten te voorkomen.
4. Kanaalisolatie (overspraak): Isolatie van meer dan 55 dB is vereist voor meerkanaals testplatforms om signaalinterferentie tussen aangrenzende kanalen te voorkomen.
5. Optisch vermogen: conventionele, met lijm afgedichte optische paden ondersteunen slechts honderden milliwatt continu licht. Voor lasersystemen met hoog vermogen moeten lijmvrije optische paden in de vrije ruimte worden geselecteerd om lijmcarbonisatie en verslechtering van de polarisatie veroorzaakt door hoge optische dichtheid te voorkomen.

4.2 Haventopologie en selectie van elektrische aandrijving

Meest voorkomende poortconfiguraties:

1×2 voor tweewegkanaalselectie en schakelen tussen optische padbeveiliging; 2×2 bidirectionele uitwisseling; 1×4 / 1×8 meerpuntspolling. 1×16 en 1×32 PM-schakelmatrices worden gebruikt voor grootschalige automatische testapparatuur.

De standaard stuurspanning is 5 VDC. Vergrendelingstypes behouden de kanaalstatus na stroomuitval om energie te besparen voor langdurige stand-bysystemen; Voor kortstondige laboratoriumschakelingen worden niet-vergrendelende relaisstructuren toegepast.

4.3 Connectorspecificatie

FC/APC PM-connectoren met sleutel zijn verplicht. Het schuine eindvlak vermindert retourverlies en onderdrukt polarisatieverstoring veroorzaakt door gereflecteerd licht. Het platte uiteinde van de pc is verboden. Kopers moeten duidelijk maken dat de hoofdassen van alle havens consistent zijn en dat vóór de levering een testrapport voor de uitlijning van de hoofdas moet worden verstrekt.

4.4 Scenariogebaseerde selectiesuggesties

1. FBG meerkanaals polling en massatesten van PM-koppelingen in laboratoria: Selecteer kosteneffectieve elektromechanische 1×N PM-schakelaars.

2. Glasvezelgyroscopen en interferometrische detectiearrays: Kies elektromechanische apparaten met een hoge PER (≥25 dB) en laat de mechanische spanning van het optische pad zorgvuldig los.

3. Kwantumsleuteldistributie en snelle optische LiDAR-selectie: gebruik solid-state magneto-optische PM-schakelaars voor microsecondenschakeling en langdurige trillingsstabiliteit.

4. Versterkte systemen in de lucht en in satellieten: Selecteer solid-state-schakelaars voor brede temperaturen met anti-vibratie- en anti-stralingsverpakkingen.

5. 
   

5. Belangrijkste toepassingsgebieden van PM optische schakelaars

Met de industrialisatie van gepolariseerde opto-elektronische technologie zijn de optische PM-schakelaars uitgebreid van laboratoriumapparatuur naar massa-industriële producten, die zowel de militaire als de civiele markt bestrijken.

5.1 Glasvezeldetectie (grootste downstream-markt)

Interferometrische glasvezelgyroscopen (FOG), gedistribueerde akoestische detectie (DAS), FBG-sensorarrays, olie- en gas-downhole-detectie en structurele gezondheidsmonitoring van bruggen zijn allemaal afhankelijk van interferentiedemodulatie van lineair gepolariseerd licht. Multi-point detectienetwerken hebben PM-schakelaars nodig om achtereenvolgens verschillende sondes te ondervragen, en de polarisatieprestaties bepalen rechtstreeks de demodulatienauwkeurigheid. Automatische meerkanaalstestplatforms gebouwd met PM-schakelaars hebben de testefficiëntie van binnenlandse glasvezelsensorfabrikanten aanzienlijk verbeterd.

5.2 Coherente optische communicatie en testen van optische modules met hoge snelheid

De huidige 1,6 T en 3,2 T PM-QPSK coherente zendontvangers maken gebruik van signaaloverdracht met dubbele polarisatie. Optische PM-schakelaars zijn essentieel voor het schakelen van polarisatiekanalen tijdens productietests. Als gewone single-mode schakelaars worden gebruikt, zal willekeurige polarisatiefluctuatie leiden tot een scherpe BER-stijging aan de ontvangerzijde, en kan de prestatietest niet worden voltooid. Optische PM-schakelaars zijn standaardcomponenten geworden in de productielijn van coherente optische apparaten met hoge snelheid.

5.3 Kwantumcommunicatie en fotonische metingen en controle

Quantum Key Distribution (QKD) codeert sleutelinformatie via fotonpolarisatietoestanden. Elke polarisatieverstoring in het optische pad zal resulteren in hoge bitfoutpercentages. Optische PM-schakelaars realiseren dynamische routering van verstrengelde fotonen en snelle selectie van verschill