Pengantar

Dalam sistem komunikasi serat optik konvensional, insinyur optik terutama berfokus pada transmisi daya optik dan perutean, sementara sedikit memperhatikan keadaan polarisasi cahaya.dalam sistem optoelektronik presisi tinggi seperti giroskop serat optik, komunikasi optik koheren, distribusi kunci kuantum, LiDAR dan sensor serat optik interferometrik, keadaan polarisasi secara langsung menentukan apakah seluruh peralatan dapat bekerja dengan baik.Setelah cahaya terpolarisasi secara linier mengalami rotasi polarisasi atau kopling energi antara sumbu cepat dan lambat selama beralih saluran optik, rasio sinyal ke kebisingan dari sistem akan turun tajam, dan sistem bahkan mungkin rusak sepenuhnya.

Switch optik mode tunggal konvensional hanya mewujudkan jalur optik on-off dan channel switching tanpa membatasi variasi polarisasi,sehingga mereka tidak dapat memenuhi persyaratan sistem optik polarisasi presisi tinggiDi bawah latar belakang ini, polarisasi-mempertahankan (PM) switch optik muncul sebagai waktu membutuhkan.Mereka dengan tegas mengunci arah polarisasi cahaya yang jatuh dan menekan mode polarisasi kopling ke minimum, menjadi komponen pasif inti yang sangat diperlukan dalam semua sirkuit optik sensitif polarisasi.

Didorong oleh ekspansi pesat industri sensing serat optik domestik, produksi massal dari transceiver optik koheren 1.6 T dan implementasi teknik komunikasi kuantum,Switch optik PM telah berkembang dari komponen laboratorium niche untuk produk industri massalArtikel ini secara komprehensif menganalisis perangkat penunjuk cahaya terpolarisasi ini dari berbagai dimensi termasuk prinsip kerja, rute teknis, parameter kinerja,perbedaan dari saklar mode tunggal biasa, kriteria seleksi, sektor aplikasi dan tren industri.

1Definisi dasar dan prinsip kerja dari switch optik PM

1.1 Apa itu PM Optical Switch

Switch optik yang mempertahankan polarisasi adalah komponen khusus yang dikendalikan secara listrik untuk mengubah saluran yang dilengkapi dengan pigtail PM di semua port input dan output.Hal ini dapat beralih sinyal optik di antara beberapa saluran sementara ketat menjaga arah polarisasi dari cahaya linier terpolarisasi insiden tidak berubahHal ini membatasi mode kopling antara sumbu cepat dan lambat dan mempertahankan tinggi polarisasi kepunahan rasio (PER) pada ujung output.

Tidak ada birefringensi yang jelas yang ada di dalam serat mode tunggal biasa, sehingga dua mode polarisasi orthogonal menyebar dengan kecepatan yang sama.Kepolarisasi acak drift dapat dengan mudah dipicu oleh lenturan eksternalSebaliknya, serat PM memperkenalkan birefringensi buatan yang kuat melalui batang tegangan di samping inti, memisahkan gelombang cahaya menjadi sumbu cepat dan sumbu lambat.Polarizasi yang stabil hanya dapat dipertahankan ketika cahaya yang jatuh menyebar secara ketat di sepanjang sumbu utama.

Nilai inti dari switch optik PM adalah memperluas keuntungan birefringensi serat PM ke node switching dan mencegah kerusakan polarisasi yang disebabkan oleh switching channel.

Serat PM gaya PANDA adalah pilihan utama dalam produk komersial.Dua batang tegangan borosilikat di kedua sisi inti serat menghasilkan tegangan internal yang persisten karena koefisien ekspansi termal yang berbeda dan membentuk medan birefringensi yang stabilJenis serat umum termasuk PM1550, PM1310, PM980 dan PM1064 untuk jendela panjang gelombang yang berbeda.

1.2 Realisasi pemeliharaan polarisasi dan switching optik

1. Optical routing: Mikro reflektor, prisma atau kristal magneto-optik yang digerakkan secara elektromagnetik mengarahkan kembali sinar cahaya ke port output yang berbeda, membentuk topologi port seperti 1×2, 1×4 dan 2×2.
2. Polarization Locking: Semua kolimator dan serat PM di dalam komponen secara tepat sejajar pada sumbu utama.Poros cepat dan poros lambat dari setiap jalur optik tetap konsisten selama splicing serat dan kolimasi sinarKebocoran energi dari sumbu lambat ke sumbu cepat dihilangkan untuk menghindari degradasi PER.

Saklar PM magneto-optik tidak memiliki bagian mekanik yang bergerak.medan magnet eksternal memutar bidang polarisasi cahaya yang melewati kristal YIG (Yttrium Iron Garnet). Dikombinasikan dengan splitter sinar polarisasi, saluran optik dapat dipilih secara elektronik.

Keuntungan Utama

1. Kecepatan switching ultra cepat di bawah 1 mikrodetik, cocok dengan laser berdenyut kecepatan tinggi dan pemilihan saluran foton cepat dalam komunikasi kuantum.
2. Tidak ada abrasi mekanik, dengan umur layanan melebihi 10 miliar siklus. komponen ini memiliki ketahanan getaran yang luar biasa dan kinerja anti interferensi elektromagnetik,bekerja stabil dari -40°C sampai +85°CKemasan diperkuat mendukung aplikasi aerospace dan satelit.
3. Sinar optik tetap bebas dari getaran, dengan pengulangan yang jauh lebih baik daripada perangkat elektromekanik, dan fluktuasi keadaan polarisasi sangat rendah.

Kelemahan

Dibatasi oleh bahan kristal magneto-optik, kehilangan sisipan meningkat menjadi 1,2 ~ 2,0 dB. Array skala besar lebih dari 1 × 8 sulit untuk diintegrasikan karena struktur optik yang kompleks.Biaya bahan dan kemasan 3 ~ 6 kali lebih tinggi daripada produk elektromekanik dari jumlah saluran yang sama, membatasi popularisasi sipil berskala besar.

Switch optik MEMS PM masih dalam penelitian. Meskipun array cermin mikro mendukung integrasi optik skala besar,keselarasan sudut sumbu polarisasi tidak cukup matang untuk menjamin PER yang stabilSaat ini, mereka hanya diuji dalam sejumlah kecil instrumen uji tanpa industrialisasi skala besar.

2.3 Perbandingan parameter dari dua solusi switch PM

3Perbedaan penting antara switch optik PM dan switch optik mode tunggal biasa

3.1 Perbedaan jalur optik dan struktur serat

Switch mode tunggal biasa mengadopsi serat SMF-28 tanpa sumbu cepat / lambat. Hanya keselarasan pusat inti yang diperlukan, dan memutar konektor tidak akan menyebabkan kerugian tambahan.

Switch PM dilengkapi dengan serat PM PANDA. Dua penyelarasan harus dicapai secara bersamaan: koaksialitas inti dan posisi sudut sumbu utama.Konektor PM dirancang dengan tombol posisi dan tidak dapat diputar sewenang-wenangSetelah sumbu utama tidak selaras, PER akan turun tajam dari 25 dB menjadi kurang dari 10 dB, dan komponen akan benar-benar kehilangan kapasitas pemeliharaan polarisasi.

3.2 Metrik Kinerja Kunci yang Berbeda

Switch optik mode tunggal hanya diuji pada kehilangan penyisipan, isolasi dan repeatability, tanpa persyaratan pada indikator polarisasi.

Tiga parameter polarisasi dikontrol ketat untuk saklar optik PM:

1. 
   
2. Polarization Extinction Ratio (PER): Indikator yang paling penting untuk mengukur isolasi energi antara sumbu cepat dan lambat, dengan persyaratan dasar lebih tinggi dari 20 dB.
3. Polarization Dependent Loss (PDL): Perbedaan kerugian daya antara berbagai keadaan polarisasi; perangkat premium dapat mencapai PDL ≤0,05 dB.
4. Kopling modus polarisasi: Menghapuskan crosstalk optik antara modus polarisasi orthogonal untuk menghindari drift polarisasi acak setelah beralih berulang kali.

3.3 Perbedaan Sensitivitas Lingkungan dan Batas Operasi

Switch mode tunggal biasa mudah dipasang. rotasi konektor, lenturan serat dan getaran kecil memiliki sedikit pengaruh pada kinerja.

Jalur optik PM sangat sensitif terhadap tegangan mekanik. kelengkungan serat yang berlebihan, torsi konektor dan deformasi cangkang akan memperkenalkan birefringensi ekstra dan menginduksi kopling polarisasi.Selama debugging lapangan, tata letak serat optik harus diperbaiki untuk melepaskan tegangan, yang meningkatkan ambang operasi.

3.4 Batas Biaya dan Aplikasi

Switch optik mode tunggal murah dan banyak digunakan dalam switching perlindungan PON, pemantauan daya optik dan pengujian komponen pasif umum.Saklar optik PM membutuhkan proses kalibrasi polarisasi yang rumitMereka hanya digunakan dalam sirkuit optik sensitif polarisasi.

Kesimpulan singkat: Saklar biasa hanya memastikan transmisi cahaya; saklar PM menjamin jalur optik yang halus dan arah getaran yang stabil dari cahaya terpolarisasi.

4Parameter Optik Kunci dan Prinsip Pilihan Teknik

4.1 Indikator optik inti

1. Operating Wavelength: Cocok dengan sumber laser secara ketat. Empat band utama adalah 1550 nm C-band untuk komunikasi, 1064 nm solid-state laser,Lampu pompa 980 nm dan jendela foton tunggal 780 nm untuk sistem kuantumProduk dari panjang gelombang yang berbeda tidak dapat ditukar.
2. Polarization Extinction Ratio (PER): Standar minimum untuk jalur optik laboratorium adalah 20 dB.sementara sistem komunikasi kuantum membutuhkan versi punah tinggi di atas 28 dB.
3. Insertion Loss dan PDL: Model PDL rendah lebih disukai untuk matriks switching multi-channel untuk menghindari kehilangan polarisasi yang tidak seimbang antara port yang berbeda.
4. Isolasi Saluran (Crosstalk): Isolasi lebih tinggi dari 55 dB diperlukan untuk platform uji multi-saluran untuk mencegah gangguan sinyal antara saluran yang berdekatan.
5. Daya tahan daya optik: Jalur optik konvensional yang disegel dengan lem hanya mendukung ratusan miliwatt cahaya terus menerus.Jalur optik ruang bebas tanpa perekat harus dipilih untuk sistem laser bertenaga tinggi untuk menghindari karbonisasi lem dan kerusakan polarisasi yang disebabkan oleh kepadatan optik yang tinggi.

4.2 Topologi port dan pemilihan penggerak listrik

Konfigurasi port yang paling umum:

1×2 untuk pemilihan saluran dua arah dan switching perlindungan jalur optik; 2×2 pertukaran bidirectional; 1×4 / 1×8 polling multi-point.Matriks switch 1×16 dan 1×32 PM diadopsi untuk peralatan uji otomatis skala besar.

Tegangan penggerak default adalah 5 VDC. Jenis mengunci mempertahankan status saluran setelah pemadaman untuk menghemat energi untuk sistem siaga jangka panjang;struktur relay non-latching digunakan untuk switching laboratorium jangka pendek.

4.3 Spesifikasi konektor

Konektor PM FC/APC dengan kunci adalah wajib. Bagian ujung yang miring mengurangi kerugian pengembalian dan menekan gangguan polarisasi yang disebabkan oleh cahaya yang dipantulkan. Bagian ujung PC yang rata dilarang.Pembeli harus menjelaskan bahwa sumbu utama dari semua pelabuhan konsisten, dan laporan uji keselarasan sumbu utama harus diberikan sebelum pengiriman.

4.4 Saran Seleksi Berdasarkan Skenario

1. FBG polling multi-channel dan pengujian massal dari pasangan PM di laboratorium: Pilih switch 1 × N PM elektromekanis yang hemat biaya.

2. Giroskop serat optik dan array sensor interferometrik: Pilih perangkat elektromekanik dengan PER tinggi (≥ 25 dB) dan lepaskan tegangan mekanik jalur optik dengan hati-hati.

3. Distribusi kunci kuantum dan pemilihan optik LiDAR berkecepatan tinggi: Mengadopsi saklar PM magneto-optik solid-state untuk saklar mikrosekund dan stabilitas getaran jangka panjang.

4. Sistem penguat udara dan satelit: Pilih switch solid-state suhu tinggi dengan kemasan anti-getaran dan anti-radiasi.

5. 
   

5. Bidang Aplikasi Utama dari Switch Optik PM

Dengan industrialisasi teknologi optoelektronik terpolarisasi, switch optik PM telah berkembang dari peralatan laboratorium ke produk industri massal, yang mencakup pasar militer dan sipil.

5.1 Sensing Serat Optik (Pasar Downstream Terbesar)

Giroskop serat optik interferometrik (FOG), sensor akustik terdistribusi (DAS), array sensor FBG,Deteksi lubang bawah minyak & gas dan pemantauan kesehatan struktur jembatan semuanya bergantung pada demodulasi interferensi cahaya terpolarisasi linier. Jaringan penginderaan multi-titik membutuhkan saklar PM untuk memilih probe yang berbeda secara berurutan, dan kinerja polarisasi secara langsung menentukan akurasi demodulasi.Platform pengujian multi-saluran otomatis yang dibangun dengan saklar PM telah sangat meningkatkan efisiensi pengujian produsen sensor serat domestik.

5.2 Komunikasi optik koheren dan pengujian modul optik berkecepatan tinggi

Transceiver koheren 1.6 T dan 3.2 T PM-QPSK saat ini mengadopsi transmisi sinyal polarisasi ganda.Jika switch mode tunggal biasa digunakan, fluktuasi polarisasi acak akan menyebabkan peningkatan BER yang tajam di sisi penerima, dan tes kinerja tidak dapat diselesaikan.Switch optik PM telah menjadi komponen standar dalam lini produksi perangkat optik koheren berkecepatan tinggi.

5.3 Komunikasi Kuantum dan Pengukuran & Kontrol Fotonik

Distribusi kunci kuantum (QKD) mengkodekan informasi kunci melalui keadaan polarisasi foton.Switch optik PM mewujudkan routing dinamis foton yang terjerat dan pemilihan cepat saluran pengkodean polarisasi yang berbedaHigh-extinction PM switch banyak digunakan di jaringan komunikasi kuantum darat dan sistem optik stasiun darat yang cocok dengan satelit kuantum untuk menjaga polarisasi yang stabil.

5.4 Jalur optik laser dan LiDAR

Laser PM garis lebar sempit, sistem penggabungan sinar laser serat dan LiDAR udara mengadopsi serat PM untuk mentransmisikan sinar laser terpolarisasi secara linier.Saklar PM digunakan untuk switching jalur optik cadangan dan pembagian waktu pemilihan beberapa sinar laser. Solid-state magneto-optic PM switch dengan zero beam jitter menjadi pilihan utama untuk LiDAR pulsa frekuensi tinggi.

5.5 Perlindungan redundant dari garis optik terpolarisasi

2×2 PM switch optik menyadari 1 + 1 otomatis beralih untuk panjang-di