logo
ngọn cờ ngọn cờ

Chi tiết blog

Created with Pixso. Nhà Created with Pixso. Blog Created with Pixso.

Trung tâm phân cực cho đường quang chính xác: Phân tích sâu về các công tắc quang học PM, lựa chọn và ứng dụng công nghiệp

Trung tâm phân cực cho đường quang chính xác: Phân tích sâu về các công tắc quang học PM, lựa chọn và ứng dụng công nghiệp

2026-06-29

Lời giới thiệu


Trong các hệ thống truyền thông sợi quang thông thường, các kỹ sư quang học chủ yếu tập trung vào truyền tải và định tuyến năng lượng quang học, trong khi ít chú ý đến trạng thái phân cực của ánh sáng.trong các hệ thống quang điện tử chính xác cao như kính quay sợi quang, liên lạc quang hợp, phân phối khóa lượng tử, LiDAR và cảm biến sợi quang can thiệp, trạng thái phân cực trực tiếp quyết định liệu toàn bộ thiết bị có thể hoạt động đúng cách hay không.Một khi ánh sáng phân cực tuyến tính bị xoay phân cực hoặc kết nối năng lượng giữa trục nhanh và chậm trong quá trình chuyển kênh quang học, tỷ lệ tín hiệu-tầm ồn của hệ thống sẽ giảm mạnh, và hệ thống thậm chí có thể bị hỏng hoàn toàn.


Các công tắc quang đơn chế độ thông thường chỉ nhận ra đường dẫn quang bật-tắt và chuyển kênh mà không hạn chế biến đổi phân cực,vì vậy chúng không thể đáp ứng các yêu cầu của các hệ thống quang cực chính xác caoTrong bối cảnh này, chuyển đổi quang học duy trì phân cực (PM) xuất hiện khi thời gian yêu cầu.chúng chặt chẽ khóa hướng phân cực của ánh sáng rơi và ức chế kết nối chế độ phân cực đến mức tối thiểu, trở thành một thành phần thụ động cốt lõi không thể thiếu trong tất cả các mạch quang nhạy cảm với phân cực.


Được thúc đẩy bởi sự mở rộng nhanh chóng của ngành công nghiệp cảm biến sợi quang trong nước, sản xuất hàng loạt các bộ thu quang kết hợp 1,6 T và thực hiện kỹ thuật truyền thông lượng tử,Chuyển đổi quang học PM đã phát triển từ các thành phần phòng thí nghiệm thích hợp đến các sản phẩm công nghiệp hàng loạtBài viết này phân tích toàn diện thiết bị định tuyến ánh sáng phân cực này từ nhiều chiều bao gồm nguyên tắc hoạt động, đường kỹ thuật, thông số hiệu suất,sự khác biệt so với các công tắc đơn chế độ thông thường, các tiêu chí lựa chọn, các lĩnh vực ứng dụng và xu hướng công nghiệp.


1Định nghĩa cơ bản và nguyên tắc hoạt động của các công tắc quang PM

1.1 Bộ chuyển đổi quang PM là gì

Một công tắc quang duy trì phân cực là một thành phần chuyển đổi kênh được điều khiển bằng điện đặc biệt được trang bị các đường dẫn PM trên tất cả các cổng đầu vào và đầu ra.Nó có thể chuyển tín hiệu quang học giữa nhiều kênh trong khi giữ nghiêm ngặt hướng phân cực của ánh sáng trực tuyến phân cực không thay đổiNó hạn chế kết nối chế độ giữa trục nhanh và chậm và duy trì tỷ lệ tiêu cực cao (PER) ở đầu đầu ra.


Không có sự bẻ gãy rõ ràng nào tồn tại bên trong sợi một chế độ thông thường, vì vậy hai chế độ phân cực thẳng đứng lan truyền với cùng tốc độ.Sự trượt phân cực ngẫu nhiên có thể dễ dàng được kích hoạt bởi uốn cong bên ngoàiNgược lại, sợi PM đưa ra sự bẻ gãy nhân tạo mạnh mẽ thông qua các thanh căng cạnh lõi, tách sóng ánh sáng thành trục nhanh và trục chậm.Sự phân cực ổn định chỉ có thể được duy trì khi ánh sáng rơi lan truyền chặt chẽ dọc theo trục chính.


Giá trị cốt lõi của một công tắc quang học PM là mở rộng lợi thế hai phân hạch của sợi PM đến nút chuyển đổi và ngăn ngừa sự suy giảm phân cực do chuyển đổi kênh.


Sợi PM kiểu PANDA là lựa chọn chính trong các sản phẩm thương mại.Hai thanh căng borosilicate ở cả hai bên của lõi sợi tạo ra căng thẳng nội bộ liên tục do hệ số mở rộng nhiệt khác nhau và tạo thành các trường hai phân rã ổn địnhCác loại sợi phổ biến bao gồm PM1550, PM1310, PM980 và PM1064 cho các cửa sổ bước sóng khác nhau.


Trung tâm phân cực cho đường quang chính xác: Phân tích sâu về các công tắc quang học PM, lựa chọn và ứng dụng công nghiệp


1.2 Thực hiện bảo trì phân cực và chuyển đổi quang học


Một công tắc quang học PM bao gồm hai mô-đun chính: cơ chế chuyển đổi kênh và đường quang phân cực chính xác cao.

 

  1. Đường dẫn quang học: Máy phản xạ vi mô, ống kính hoặc tinh thể quang học từ tính điện từ hướng lại chùm tia ánh sáng đến các cổng đầu ra khác nhau, tạo thành các cấu trúc cổng như 1 × 2, 1 × 4 và 2 × 2.
  2. Chốt phân cực: Tất cả các collimator và sợi PM bên trong thành phần được sắp xếp chính xác trên trục chính.Trục nhanh và trục chậm của mỗi đường quang duy trì phù hợp trong quá trình ghép sợi và kết hợp chùm tiaSự rò rỉ năng lượng từ trục chậm đến trục nhanh được loại bỏ để tránh sự suy giảm PER.

 

Các công tắc quang thông thường chỉ yêu cầu sự sắp xếp đồng trục của lõi sợi. Đối với các thiết bị PM, cả sự đồng trục của lõi và sự sắp xếp góc của trục chính phân cực phải được đảm bảo.Một độ lệch góc trên 1 độ sẽ dẫn đến một sự sụt giảm mạnh trong tỷ lệ tuyệt chủng phân cực, đó là thách thức kỹ thuật lớn nhất trong việc lắp ráp và hiệu chuẩn.


2. Hai giải pháp kỹ thuật chính: Chuyển đổi PM điện cơ học so với tất cả các chuyển đổi PM Magneto-optic

Hai con đường kỹ thuật thương mại trưởng thành được áp dụng rộng rãi, với các kịch bản áp dụng hoàn toàn khác nhau, nên được ưu tiên trong quá trình lựa chọn mô hình.


2.1 Bộ chuyển đổi quang PM điện cơ học (Điều chính cho thị trường dân sự)

Loại này sử dụng các rơle điện từ thu nhỏ để điều khiển các yếu tố quang học.Nó chiếm thị phần lớn nhất nhờ chi phí và hiệu suất cân bằng.


Ưu điểm chính

  1. Hiệu suất quang học tuyệt vời: Mất tích nhập dao động từ 0,8 dB đến 1,5 dB; cách ly kênh vượt quá 55 dB với tiếng xuyên qua thấp giữa các cổng liền kề.và các phiên bản cao cấp tùy chỉnh có thể đạt 30 dB.

  2. Quy trình sản xuất trưởng thành và chi phí có thể kiểm soát được. Các mảng đa kênh như 1 × 16 và 1 × 32 có sẵn để xây dựng ma trận thử nghiệm tự động cho các thành phần PM.

  3. Đường quang không keo có thể được tùy chỉnh để xử lý hàng trăm miliwatt của tia laser sóng liên tục và ánh sáng xung mạnh.đảm bảo ổn định phân cực lâu dài.

Những hạn chế


Các bộ phận chuyển động cơ học dẫn đến thời gian chuyển đổi cấp độ millisecond (3 ~ 10 ms), không thể đáp ứng các yêu cầu lựa chọn tốc độ cao microsecond hoặc nanosecond.Sự mệt mỏi cơ học sẽ xảy ra sau hàng tỷ chu kỳ chuyển đổi, dẫn đến sự ổn định suy giảm dưới sự rung động mạnh liên tục, chẳng hạn như môi trường trên không.

 

Hai chế độ lái xe có sẵn: khóa và không khóa.Các loại không khóa đòi hỏi nguồn điện liên tục và chủ yếu được sử dụng cho thiết bị thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.


2.2 All-solid-state Magneto-optic PM Optical Switch (Lựa chọn đầu tiên cho các kịch bản quân sự và tốc độ cao)




Chuyển đổi PM từ quang không có bộ phận cơ học chuyển động dựa trên hiệu ứng từ quang Faradaymột từ trường bên ngoài xoay mặt phẳng phân cực của ánh sáng đi qua YIG (Yttrium Iron Garnet) tinh thểKết hợp với các bộ chia chùm phân cực, kênh quang có thể được chọn bằng điện tử.


Ưu điểm chính

  1. Tốc độ chuyển đổi cực nhanh dưới 1 microsecond, hoàn hảo phù hợp với laser xung tốc độ cao và lựa chọn kênh photon nhanh trong truyền thông lượng tử.
  2. Không có mài mòn cơ học, với tuổi thọ hoạt động vượt quá 10 tỷ chu kỳ.hoạt động ổn định từ -40°C đến +85°CBao bì tăng cường hỗ trợ các ứng dụng không gian và vệ tinh.
  3. chùm quang không bị rung động, với khả năng lặp lại tốt hơn nhiều so với các thiết bị điện cơ, và sự biến động của trạng thái phân cực là cực kỳ thấp.

Nhược điểm


Được hạn chế bởi các vật liệu tinh thể quang học từ, mất tích chèn tăng lên 1,2 ~ 2,0 dB. Các mảng quy mô lớn trên 1 × 8 rất khó tích hợp do cấu trúc quang học phức tạp.Chi phí vật liệu và bao bì cao hơn 3 ~ 6 lần so với các sản phẩm điện cơ của cùng một số kênh, hạn chế phổ biến dân sự quy mô lớn.

 

Các công tắc quang học MEMS PM vẫn đang được nghiên cứu. Mặc dù các mảng gương nhỏ hỗ trợ tích hợp quang học quy mô lớn,sự sắp xếp góc của trục phân cực không đủ trưởng thành để đảm bảo PER ổn địnhHiện tại, chúng chỉ được thử nghiệm trong một số ít các thiết bị thử nghiệm mà không có công nghiệp hóa quy mô lớn.


2.3 So sánh tham số của hai giải pháp chuyển đổi PM

Chỉ số hiệu suất Chuyển đổi PM điện cơ học Chuyển đổi PM Magneto-optic trạng thái rắn
Thời gian chuyển đổi 3 ~ 10 ms < 1 μs
Tỷ lệ tuyệt chủng phân cực (PER) 20 ~ 28 dB 18 ~ 25 dB
Mất tích nhập (IL) 0.8 ~ 1.5 dB 1.2 ~ 2.0 dB
Chu kỳ chuyển đổi Trong vòng 100 triệu Hơn 10 tỷ
Chống rung động Trung bình, không phù hợp với rung động liên tục Tuyệt vời, ổn định để sử dụng trên không
Kích thước kênh tối đa Tối đa là ma trận 1 × 64 Giới hạn trong phạm vi 1 × 8
Chi phí Trung bình, phù hợp với mua hàng loạt Cao, chủ yếu cho nghiên cứu khoa học và các dự án quân sự

3Sự khác biệt thiết yếu giữa các công tắc quang PM và các công tắc quang đơn chế độ thông thường


Nhiều kỹ sư quang học trẻ nhầm lẫn hai sản phẩm này và thậm chí thay thế các công tắc PM bằng các công tắc đơn chế độ thông thường, dẫn đến sự sụp đổ của toàn bộ hệ thống quang phân cực.Mặc dù cả hai đều nhận ra chuyển kênh, các yêu cầu kỹ thuật của họ khác nhau về cơ bản.


3.1 Sự khác biệt trong đường dẫn quang và cấu trúc sợi


Chuyển đổi chế độ đơn thông thường áp dụng sợi SMF-28 không có trục nhanh / chậm. Chỉ cần căn cứ trung tâm, và xoay đầu nối sẽ không gây ra tổn thất bổ sung.


Các công tắc PM được trang bị đầy đủ bằng sợi PM PANDA. Hai sự sắp xếp phải được đạt được đồng thời: đồng trục lõi và định vị góc trục chính.Các đầu nối PM được thiết kế với phím định vị và không thể bị xoắn tùy ýMột khi trục chính bị sai trật, PER sẽ giảm mạnh từ 25 dB xuống dưới 10 dB, và thành phần sẽ hoàn toàn mất khả năng duy trì phân cực.


3.2 Các chỉ số hiệu suất chính khác nhau



Các công tắc quang đơn chế độ chỉ được thử nghiệm về mất tích chèn, cô lập và lặp lại, không có yêu cầu về chỉ số phân cực.



Ba thông số phân cực được kiểm soát chặt chẽ cho các công tắc quang PM:


  1. Tỷ lệ tuyệt chủng phân cực (PER): Chỉ số quan trọng nhất đo cách ly năng lượng giữa trục nhanh và trục chậm, với yêu cầu cơ bản cao hơn 20 dB.
  2. Mất phụ thuộc phân cực (PDL): Sự khác biệt mất điện giữa các trạng thái phân cực khác nhau; các thiết bị cao cấp có thể đạt được PDL ≤0,05 dB.
  3. Kết nối chế độ phân cực: ức chế giao tiếp quang học giữa các chế độ phân cực thẳng đứng để tránh trục trặc phân cực ngẫu nhiên sau khi chuyển đổi nhiều lần.

3.3 Sự khác biệt về độ nhạy cảm môi trường và ngưỡng hoạt động


Các công tắc chế độ đơn thông thường dễ dàng lắp đặt.


Đường quang PM cực kỳ nhạy cảm với căng thẳng cơ học.Trong quá trình gỡ lỗi trường, bố trí sợi quang phải được cố định để giải phóng căng thẳng, làm tăng ngưỡng hoạt động.


3.4 Chi phí và ranh giới ứng dụng

Các công tắc quang đơn chế độ là chi phí thấp và được sử dụng rộng rãi trong chuyển đổi bảo vệ PON, giám sát điện năng quang học và thử nghiệm thành phần thụ động chung.Các công tắc quang PM đòi hỏi các quy trình hiệu chuẩn phân cực phức tạpChúng chỉ được triển khai trong các mạch quang nhạy cảm với phân cực.


Kết luận ngắn gọn: Các công tắc thông thường chỉ đảm bảo truyền ánh sáng; các công tắc PM đảm bảo cả đường quang mượt mà và hướng rung ổn định của ánh sáng phân cực.


4Các thông số quang học chính và các nguyên tắc lựa chọn kỹ thuật


4.1 Các chỉ số quang học cốt lõi

  1. Dài sóng hoạt động: Khớp với nguồn laser một cách nghiêm ngặt.Ánh sáng bơm 980 nm và cửa sổ một photon 780 nm cho các hệ thống lượng tửCác sản phẩm có bước sóng khác nhau không thể được trao đổi.
  2. Tỷ lệ biến mất phân cực (PER): Tiêu chuẩn tối thiểu cho các đường dẫn quang phòng thí nghiệm là 20 dB. Các máy quay quang sợi can thiệp và các mảng cảm biến yêu cầu PER ≥25 dB,trong khi các hệ thống truyền thông lượng tử cần các phiên bản tuyệt chủng cao trên 28 dB.
  3. Mất nhập và PDL: Các mô hình PDL thấp được ưa thích cho ma trận chuyển đổi đa kênh để tránh mất phân cực không cân bằng giữa các cổng khác nhau.
  4. Khai độc kênh (Crosstalk): Khai độc cao hơn 55 dB được yêu cầu cho các nền tảng thử nghiệm đa kênh để ngăn chặn nhiễu tín hiệu giữa các kênh liền kề.
  5. Độ bền năng lượng quang học: Các đường quang thông thường được niêm phong bằng keo chỉ hỗ trợ hàng trăm miliwatt ánh sáng liên tục.Các đường quang không có keo phải được chọn cho các hệ thống laser công suất cao để tránh carbon hóa keo và suy giảm phân cực do mật độ quang cao.

4.2 Địa hình cổng và lựa chọn ổ điện

Cấu hình cổng phổ biến nhất:


1 × 2 cho lựa chọn kênh hai chiều và chuyển đổi bảo vệ đường quang; trao đổi hai chiều 2 × 2; thăm dò đa điểm 1 × 4 / 1 × 8.Các ma trận chuyển đổi PM 1 × 16 và 1 × 32 được áp dụng cho thiết bị thử nghiệm tự động quy mô lớn.


Điện áp lái mặc định là 5 VDC. Các loại khóa giữ trạng thái kênh sau khi cắt điện để tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chờ lâu dài;các cấu trúc rơle không bị khóa được áp dụng để chuyển đổi phòng thí nghiệm ngắn hạn.

4.3 Thông số kỹ thuật của bộ kết nối

Các đầu nối FC / APC PM được khóa là bắt buộc. Mặt cuối góc làm giảm tổn thất trở lại và ngăn chặn sự xáo trộn phân cực do ánh sáng phản xạ. Mặt cuối PC phẳng bị cấm.Người mua nên làm rõ rằng các trục chính của tất cả các cảng đều phù hợp, và báo cáo thử nghiệm sắp xếp trục chính nên được cung cấp trước khi giao hàng.

4.4 Các đề xuất lựa chọn dựa trên kịch bản

  1. FBG thăm dò đa kênh và thử nghiệm hàng loạt các bộ ghép PM trong phòng thí nghiệm: Chọn các công tắc PM điện cơ 1 × N hiệu quả chi phí.

  2. Máy quay sợi quang và các mảng cảm biến can thiệp: Chọn các thiết bị điện cơ với PER cao (≥ 25 dB) và giải phóng căng thẳng cơ học của đường quang một cách cẩn thận.

  3. Phân phối chìa khóa lượng tử và lựa chọn quang LiDAR tốc độ cao: Sử dụng các công tắc PM từ quang hợp chất rắn để chuyển đổi microsecond và ổn định rung động lâu dài.

  4. Hệ thống củng cố trên không và vệ tinh: Chọn các công tắc trạng thái rắn nhiệt độ cao với bao bì chống rung động và chống bức xạ.


5Các lĩnh vực ứng dụng chính của các công tắc quang PM

Với sự công nghiệp hóa công nghệ quang điện tử phân cực, các công tắc quang PM đã mở rộng từ thiết bị phòng thí nghiệm đến các sản phẩm công nghiệp hàng loạt, bao gồm cả thị trường quân sự và dân sự.


5.1 Kích thước bằng sợi quang (thị trường hạ lưu lớn nhất)

Các máy quay gyroscopic bằng sợi quang (FOG), cảm biến âm thanh phân tán (DAS), mảng cảm biến FBG,Khám phá hố dầu và khí và giám sát sức khỏe cấu trúc cầu tất cả đều dựa trên sự nhiễu nhiễu của ánh sáng phân cực tuyến tính. Mạng cảm biến đa điểm cần các công tắc PM để thăm dò các đầu dò khác nhau theo trình tự, và hiệu suất phân cực trực tiếp xác định độ chính xác demodulation.Các nền tảng thử nghiệm đa kênh tự động được xây dựng với các công tắc PM đã cải thiện đáng kể hiệu quả thử nghiệm của các nhà sản xuất cảm biến sợi trong nước.

ngọn cờ
Chi tiết blog
Created with Pixso. Nhà Created with Pixso. Blog Created with Pixso.

Trung tâm phân cực cho đường quang chính xác: Phân tích sâu về các công tắc quang học PM, lựa chọn và ứng dụng công nghiệp

Trung tâm phân cực cho đường quang chính xác: Phân tích sâu về các công tắc quang học PM, lựa chọn và ứng dụng công nghiệp

Lời giới thiệu


Trong các hệ thống truyền thông sợi quang thông thường, các kỹ sư quang học chủ yếu tập trung vào truyền tải và định tuyến năng lượng quang học, trong khi ít chú ý đến trạng thái phân cực của ánh sáng.trong các hệ thống quang điện tử chính xác cao như kính quay sợi quang, liên lạc quang hợp, phân phối khóa lượng tử, LiDAR và cảm biến sợi quang can thiệp, trạng thái phân cực trực tiếp quyết định liệu toàn bộ thiết bị có thể hoạt động đúng cách hay không.Một khi ánh sáng phân cực tuyến tính bị xoay phân cực hoặc kết nối năng lượng giữa trục nhanh và chậm trong quá trình chuyển kênh quang học, tỷ lệ tín hiệu-tầm ồn của hệ thống sẽ giảm mạnh, và hệ thống thậm chí có thể bị hỏng hoàn toàn.


Các công tắc quang đơn chế độ thông thường chỉ nhận ra đường dẫn quang bật-tắt và chuyển kênh mà không hạn chế biến đổi phân cực,vì vậy chúng không thể đáp ứng các yêu cầu của các hệ thống quang cực chính xác caoTrong bối cảnh này, chuyển đổi quang học duy trì phân cực (PM) xuất hiện khi thời gian yêu cầu.chúng chặt chẽ khóa hướng phân cực của ánh sáng rơi và ức chế kết nối chế độ phân cực đến mức tối thiểu, trở thành một thành phần thụ động cốt lõi không thể thiếu trong tất cả các mạch quang nhạy cảm với phân cực.


Được thúc đẩy bởi sự mở rộng nhanh chóng của ngành công nghiệp cảm biến sợi quang trong nước, sản xuất hàng loạt các bộ thu quang kết hợp 1,6 T và thực hiện kỹ thuật truyền thông lượng tử,Chuyển đổi quang học PM đã phát triển từ các thành phần phòng thí nghiệm thích hợp đến các sản phẩm công nghiệp hàng loạtBài viết này phân tích toàn diện thiết bị định tuyến ánh sáng phân cực này từ nhiều chiều bao gồm nguyên tắc hoạt động, đường kỹ thuật, thông số hiệu suất,sự khác biệt so với các công tắc đơn chế độ thông thường, các tiêu chí lựa chọn, các lĩnh vực ứng dụng và xu hướng công nghiệp.


1Định nghĩa cơ bản và nguyên tắc hoạt động của các công tắc quang PM

1.1 Bộ chuyển đổi quang PM là gì

Một công tắc quang duy trì phân cực là một thành phần chuyển đổi kênh được điều khiển bằng điện đặc biệt được trang bị các đường dẫn PM trên tất cả các cổng đầu vào và đầu ra.Nó có thể chuyển tín hiệu quang học giữa nhiều kênh trong khi giữ nghiêm ngặt hướng phân cực của ánh sáng trực tuyến phân cực không thay đổiNó hạn chế kết nối chế độ giữa trục nhanh và chậm và duy trì tỷ lệ tiêu cực cao (PER) ở đầu đầu ra.


Không có sự bẻ gãy rõ ràng nào tồn tại bên trong sợi một chế độ thông thường, vì vậy hai chế độ phân cực thẳng đứng lan truyền với cùng tốc độ.Sự trượt phân cực ngẫu nhiên có thể dễ dàng được kích hoạt bởi uốn cong bên ngoàiNgược lại, sợi PM đưa ra sự bẻ gãy nhân tạo mạnh mẽ thông qua các thanh căng cạnh lõi, tách sóng ánh sáng thành trục nhanh và trục chậm.Sự phân cực ổn định chỉ có thể được duy trì khi ánh sáng rơi lan truyền chặt chẽ dọc theo trục chính.


Giá trị cốt lõi của một công tắc quang học PM là mở rộng lợi thế hai phân hạch của sợi PM đến nút chuyển đổi và ngăn ngừa sự suy giảm phân cực do chuyển đổi kênh.


Sợi PM kiểu PANDA là lựa chọn chính trong các sản phẩm thương mại.Hai thanh căng borosilicate ở cả hai bên của lõi sợi tạo ra căng thẳng nội bộ liên tục do hệ số mở rộng nhiệt khác nhau và tạo thành các trường hai phân rã ổn địnhCác loại sợi phổ biến bao gồm PM1550, PM1310, PM980 và PM1064 cho các cửa sổ bước sóng khác nhau.


Trung tâm phân cực cho đường quang chính xác: Phân tích sâu về các công tắc quang học PM, lựa chọn và ứng dụng công nghiệp


1.2 Thực hiện bảo trì phân cực và chuyển đổi quang học


Một công tắc quang học PM bao gồm hai mô-đun chính: cơ chế chuyển đổi kênh và đường quang phân cực chính xác cao.

 

  1. Đường dẫn quang học: Máy phản xạ vi mô, ống kính hoặc tinh thể quang học từ tính điện từ hướng lại chùm tia ánh sáng đến các cổng đầu ra khác nhau, tạo thành các cấu trúc cổng như 1 × 2, 1 × 4 và 2 × 2.
  2. Chốt phân cực: Tất cả các collimator và sợi PM bên trong thành phần được sắp xếp chính xác trên trục chính.Trục nhanh và trục chậm của mỗi đường quang duy trì phù hợp trong quá trình ghép sợi và kết hợp chùm tiaSự rò rỉ năng lượng từ trục chậm đến trục nhanh được loại bỏ để tránh sự suy giảm PER.

 

Các công tắc quang thông thường chỉ yêu cầu sự sắp xếp đồng trục của lõi sợi. Đối với các thiết bị PM, cả sự đồng trục của lõi và sự sắp xếp góc của trục chính phân cực phải được đảm bảo.Một độ lệch góc trên 1 độ sẽ dẫn đến một sự sụt giảm mạnh trong tỷ lệ tuyệt chủng phân cực, đó là thách thức kỹ thuật lớn nhất trong việc lắp ráp và hiệu chuẩn.


2. Hai giải pháp kỹ thuật chính: Chuyển đổi PM điện cơ học so với tất cả các chuyển đổi PM Magneto-optic

Hai con đường kỹ thuật thương mại trưởng thành được áp dụng rộng rãi, với các kịch bản áp dụng hoàn toàn khác nhau, nên được ưu tiên trong quá trình lựa chọn mô hình.


2.1 Bộ chuyển đổi quang PM điện cơ học (Điều chính cho thị trường dân sự)

Loại này sử dụng các rơle điện từ thu nhỏ để điều khiển các yếu tố quang học.Nó chiếm thị phần lớn nhất nhờ chi phí và hiệu suất cân bằng.


Ưu điểm chính

  1. Hiệu suất quang học tuyệt vời: Mất tích nhập dao động từ 0,8 dB đến 1,5 dB; cách ly kênh vượt quá 55 dB với tiếng xuyên qua thấp giữa các cổng liền kề.và các phiên bản cao cấp tùy chỉnh có thể đạt 30 dB.

  2. Quy trình sản xuất trưởng thành và chi phí có thể kiểm soát được. Các mảng đa kênh như 1 × 16 và 1 × 32 có sẵn để xây dựng ma trận thử nghiệm tự động cho các thành phần PM.

  3. Đường quang không keo có thể được tùy chỉnh để xử lý hàng trăm miliwatt của tia laser sóng liên tục và ánh sáng xung mạnh.đảm bảo ổn định phân cực lâu dài.

Những hạn chế


Các bộ phận chuyển động cơ học dẫn đến thời gian chuyển đổi cấp độ millisecond (3 ~ 10 ms), không thể đáp ứng các yêu cầu lựa chọn tốc độ cao microsecond hoặc nanosecond.Sự mệt mỏi cơ học sẽ xảy ra sau hàng tỷ chu kỳ chuyển đổi, dẫn đến sự ổn định suy giảm dưới sự rung động mạnh liên tục, chẳng hạn như môi trường trên không.

 

Hai chế độ lái xe có sẵn: khóa và không khóa.Các loại không khóa đòi hỏi nguồn điện liên tục và chủ yếu được sử dụng cho thiết bị thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.


2.2 All-solid-state Magneto-optic PM Optical Switch (Lựa chọn đầu tiên cho các kịch bản quân sự và tốc độ cao)




Chuyển đổi PM từ quang không có bộ phận cơ học chuyển động dựa trên hiệu ứng từ quang Faradaymột từ trường bên ngoài xoay mặt phẳng phân cực của ánh sáng đi qua YIG (Yttrium Iron Garnet) tinh thểKết hợp với các bộ chia chùm phân cực, kênh quang có thể được chọn bằng điện tử.


Ưu điểm chính

  1. Tốc độ chuyển đổi cực nhanh dưới 1 microsecond, hoàn hảo phù hợp với laser xung tốc độ cao và lựa chọn kênh photon nhanh trong truyền thông lượng tử.
  2. Không có mài mòn cơ học, với tuổi thọ hoạt động vượt quá 10 tỷ chu kỳ.hoạt động ổn định từ -40°C đến +85°CBao bì tăng cường hỗ trợ các ứng dụng không gian và vệ tinh.
  3. chùm quang không bị rung động, với khả năng lặp lại tốt hơn nhiều so với các thiết bị điện cơ, và sự biến động của trạng thái phân cực là cực kỳ thấp.

Nhược điểm


Được hạn chế bởi các vật liệu tinh thể quang học từ, mất tích chèn tăng lên 1,2 ~ 2,0 dB. Các mảng quy mô lớn trên 1 × 8 rất khó tích hợp do cấu trúc quang học phức tạp.Chi phí vật liệu và bao bì cao hơn 3 ~ 6 lần so với các sản phẩm điện cơ của cùng một số kênh, hạn chế phổ biến dân sự quy mô lớn.

 

Các công tắc quang học MEMS PM vẫn đang được nghiên cứu. Mặc dù các mảng gương nhỏ hỗ trợ tích hợp quang học quy mô lớn,sự sắp xếp góc của trục phân cực không đủ trưởng thành để đảm bảo PER ổn địnhHiện tại, chúng chỉ được thử nghiệm trong một số ít các thiết bị thử nghiệm mà không có công nghiệp hóa quy mô lớn.


2.3 So sánh tham số của hai giải pháp chuyển đổi PM

Chỉ số hiệu suất Chuyển đổi PM điện cơ học Chuyển đổi PM Magneto-optic trạng thái rắn
Thời gian chuyển đổi 3 ~ 10 ms < 1 μs
Tỷ lệ tuyệt chủng phân cực (PER) 20 ~ 28 dB 18 ~ 25 dB
Mất tích nhập (IL) 0.8 ~ 1.5 dB 1.2 ~ 2.0 dB
Chu kỳ chuyển đổi Trong vòng 100 triệu Hơn 10 tỷ
Chống rung động Trung bình, không phù hợp với rung động liên tục Tuyệt vời, ổn định để sử dụng trên không
Kích thước kênh tối đa Tối đa là ma trận 1 × 64 Giới hạn trong phạm vi 1 × 8
Chi phí Trung bình, phù hợp với mua hàng loạt Cao, chủ yếu cho nghiên cứu khoa học và các dự án quân sự

3Sự khác biệt thiết yếu giữa các công tắc quang PM và các công tắc quang đơn chế độ thông thường


Nhiều kỹ sư quang học trẻ nhầm lẫn hai sản phẩm này và thậm chí thay thế các công tắc PM bằng các công tắc đơn chế độ thông thường, dẫn đến sự sụp đổ của toàn bộ hệ thống quang phân cực.Mặc dù cả hai đều nhận ra chuyển kênh, các yêu cầu kỹ thuật của họ khác nhau về cơ bản.


3.1 Sự khác biệt trong đường dẫn quang và cấu trúc sợi


Chuyển đổi chế độ đơn thông thường áp dụng sợi SMF-28 không có trục nhanh / chậm. Chỉ cần căn cứ trung tâm, và xoay đầu nối sẽ không gây ra tổn thất bổ sung.


Các công tắc PM được trang bị đầy đủ bằng sợi PM PANDA. Hai sự sắp xếp phải được đạt được đồng thời: đồng trục lõi và định vị góc trục chính.Các đầu nối PM được thiết kế với phím định vị và không thể bị xoắn tùy ýMột khi trục chính bị sai trật, PER sẽ giảm mạnh từ 25 dB xuống dưới 10 dB, và thành phần sẽ hoàn toàn mất khả năng duy trì phân cực.


3.2 Các chỉ số hiệu suất chính khác nhau



Các công tắc quang đơn chế độ chỉ được thử nghiệm về mất tích chèn, cô lập và lặp lại, không có yêu cầu về chỉ số phân cực.



Ba thông số phân cực được kiểm soát chặt chẽ cho các công tắc quang PM:


  1. Tỷ lệ tuyệt chủng phân cực (PER): Chỉ số quan trọng nhất đo cách ly năng lượng giữa trục nhanh và trục chậm, với yêu cầu cơ bản cao hơn 20 dB.
  2. Mất phụ thuộc phân cực (PDL): Sự khác biệt mất điện giữa các trạng thái phân cực khác nhau; các thiết bị cao cấp có thể đạt được PDL ≤0,05 dB.
  3. Kết nối chế độ phân cực: ức chế giao tiếp quang học giữa các chế độ phân cực thẳng đứng để tránh trục trặc phân cực ngẫu nhiên sau khi chuyển đổi nhiều lần.

3.3 Sự khác biệt về độ nhạy cảm môi trường và ngưỡng hoạt động


Các công tắc chế độ đơn thông thường dễ dàng lắp đặt.


Đường quang PM cực kỳ nhạy cảm với căng thẳng cơ học.Trong quá trình gỡ lỗi trường, bố trí sợi quang phải được cố định để giải phóng căng thẳng, làm tăng ngưỡng hoạt động.


3.4 Chi phí và ranh giới ứng dụng

Các công tắc quang đơn chế độ là chi phí thấp và được sử dụng rộng rãi trong chuyển đổi bảo vệ PON, giám sát điện năng quang học và thử nghiệm thành phần thụ động chung.Các công tắc quang PM đòi hỏi các quy trình hiệu chuẩn phân cực phức tạpChúng chỉ được triển khai trong các mạch quang nhạy cảm với phân cực.


Kết luận ngắn gọn: Các công tắc thông thường chỉ đảm bảo truyền ánh sáng; các công tắc PM đảm bảo cả đường quang mượt mà và hướng rung ổn định của ánh sáng phân cực.


4Các thông số quang học chính và các nguyên tắc lựa chọn kỹ thuật


4.1 Các chỉ số quang học cốt lõi

  1. Dài sóng hoạt động: Khớp với nguồn laser một cách nghiêm ngặt.Ánh sáng bơm 980 nm và cửa sổ một photon 780 nm cho các hệ thống lượng tửCác sản phẩm có bước sóng khác nhau không thể được trao đổi.
  2. Tỷ lệ biến mất phân cực (PER): Tiêu chuẩn tối thiểu cho các đường dẫn quang phòng thí nghiệm là 20 dB. Các máy quay quang sợi can thiệp và các mảng cảm biến yêu cầu PER ≥25 dB,trong khi các hệ thống truyền thông lượng tử cần các phiên bản tuyệt chủng cao trên 28 dB.
  3. Mất nhập và PDL: Các mô hình PDL thấp được ưa thích cho ma trận chuyển đổi đa kênh để tránh mất phân cực không cân bằng giữa các cổng khác nhau.
  4. Khai độc kênh (Crosstalk): Khai độc cao hơn 55 dB được yêu cầu cho các nền tảng thử nghiệm đa kênh để ngăn chặn nhiễu tín hiệu giữa các kênh liền kề.
  5. Độ bền năng lượng quang học: Các đường quang thông thường được niêm phong bằng keo chỉ hỗ trợ hàng trăm miliwatt ánh sáng liên tục.Các đường quang không có keo phải được chọn cho các hệ thống laser công suất cao để tránh carbon hóa keo và suy giảm phân cực do mật độ quang cao.

4.2 Địa hình cổng và lựa chọn ổ điện

Cấu hình cổng phổ biến nhất:


1 × 2 cho lựa chọn kênh hai chiều và chuyển đổi bảo vệ đường quang; trao đổi hai chiều 2 × 2; thăm dò đa điểm 1 × 4 / 1 × 8.Các ma trận chuyển đổi PM 1 × 16 và 1 × 32 được áp dụng cho thiết bị thử nghiệm tự động quy mô lớn.


Điện áp lái mặc định là 5 VDC. Các loại khóa giữ trạng thái kênh sau khi cắt điện để tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chờ lâu dài;các cấu trúc rơle không bị khóa được áp dụng để chuyển đổi phòng thí nghiệm ngắn hạn.

4.3 Thông số kỹ thuật của bộ kết nối

Các đầu nối FC / APC PM được khóa là bắt buộc. Mặt cuối góc làm giảm tổn thất trở lại và ngăn chặn sự xáo trộn phân cực do ánh sáng phản xạ. Mặt cuối PC phẳng bị cấm.Người mua nên làm rõ rằng các trục chính của tất cả các cảng đều phù hợp, và báo cáo thử nghiệm sắp xếp trục chính nên được cung cấp trước khi giao hàng.

4.4 Các đề xuất lựa chọn dựa trên kịch bản

  1. FBG thăm dò đa kênh và thử nghiệm hàng loạt các bộ ghép PM trong phòng thí nghiệm: Chọn các công tắc PM điện cơ 1 × N hiệu quả chi phí.

  2. Máy quay sợi quang và các mảng cảm biến can thiệp: Chọn các thiết bị điện cơ với PER cao (≥ 25 dB) và giải phóng căng thẳng cơ học của đường quang một cách cẩn thận.

  3. Phân phối chìa khóa lượng tử và lựa chọn quang LiDAR tốc độ cao: Sử dụng các công tắc PM từ quang hợp chất rắn để chuyển đổi microsecond và ổn định rung động lâu dài.

  4. Hệ thống củng cố trên không và vệ tinh: Chọn các công tắc trạng thái rắn nhiệt độ cao với bao bì chống rung động và chống bức xạ.


5Các lĩnh vực ứng dụng chính của các công tắc quang PM

Với sự công nghiệp hóa công nghệ quang điện tử phân cực, các công tắc quang PM đã mở rộng từ thiết bị phòng thí nghiệm đến các sản phẩm công nghiệp hàng loạt, bao gồm cả thị trường quân sự và dân sự.


5.1 Kích thước bằng sợi quang (thị trường hạ lưu lớn nhất)

Các máy quay gyroscopic bằng sợi quang (FOG), cảm biến âm thanh phân tán (DAS), mảng cảm biến FBG,Khám phá hố dầu và khí và giám sát sức khỏe cấu trúc cầu tất cả đều dựa trên sự nhiễu nhiễu của ánh sáng phân cực tuyến tính. Mạng cảm biến đa điểm cần các công tắc PM để thăm dò các đầu dò khác nhau theo trình tự, và hiệu suất phân cực trực tiếp xác định độ chính xác demodulation.Các nền tảng thử nghiệm đa kênh tự động được xây dựng với các công tắc PM đã cải thiện đáng kể hiệu quả thử nghiệm của các nhà sản xuất cảm biến sợi trong nước.

" "