Tutorial: Passive Faseroptik

Dies ist Teil 9 eines Tutorials über passive Faseroptik von Dr. Paschotta.

Teil 9: Polarisationsaspekte

Doppelbrechung in nominell symmetrischen Fasern

Im Prinzip sollte eine Faser mit vollständig rotationssymmetrischem Design keine Doppelbrechung aufweisen. Sie sollte damit die Polarisation des Lichts vollständig erhalten. In der Realität ergibt sich jedoch stets eine gewisse Doppelbrechung aus Unvollkommenheiten der Faser (z. B. einer leichten Elliptizität des Faserkerns) oder aus Biegungen. Deshalb ändert sich der Polarisationszustand des Lichts schon innerhalb einer relativ kurzen Faserlänge – manchmal innerhalb weniger Meter, manchmal sehr viel schneller.

Man beachte, dass der Indexunterschied zwischen den Polarisationsrichtungen in Fasern nicht unbedingt größer ist als in anderen Bauelementen. Fasern sind aber tendenziell lang, so dass selbst schwache Indexunterschiede erhebliche Auswirkungen haben können.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die resultierenden Polarisationsänderungen nicht nur zufällig und unvorhersehbar sind, sondern auch stark von der Wellenlänge, von der Temperatur der Faser über ihre gesamte Länge und von jeder Biegung der Faser abhängen. Deshalb hilft es oft nicht viel, einen Polarisationszustand einzustellen, z. B. mit einem Faser-Polarisationssteller (siehe unten); geringfügige Änderungen der Umgebungsparameter oder der Wellenlänge können die Polarisation wieder verderben.

Faser-Polarisationssteller

Starkes Biegen einer Faser erzeugt Doppelbrechung. Das bedeutet, dass eine geeignete Faserlänge, die mit einem bestimmten Radius gebogen und auf einer Spule fixiert ist, zum Beispiel eine relative Phasenverzögerung von π oder π/2 zwischen den beiden Polarisationsrichtungen aufweisen kann. Sie kann somit wie eine λ/2-Verzögerungsplatte (Halbwellenplatte) oder eine λ/4-Verzögerungsplatte (Viertelwellenplatte) wirken. Dreht man die gesamte Spule um eine Achse, die mit der ein- und auslaufenden Faser zusammenfällt, so erhält man einen ähnlichen Effekt wie beim Drehen einer massiven Verzögerungsplatte in einem freilaufenden Laserstrahl. Häufig verwendet man eine Kombination aus einer als Viertelwellenplatte wirkenden Spule, einer Halbwellenplatten-Spule und einer weiteren Viertelwellenplatten-Spule in Reihe, um einen beliebigen Eingangspolarisationszustand in jeden gewünschten Polarisationszustand zu überführen. Ein solcher Faser-Polarisationssteller (Abbildung 1) kann über einen recht großen Wellenlängenbereich arbeiten.

Wie bereits erwähnt, kann das Problem bestehen bleiben, dass der Eingangspolarisationszustand mit sich ändernden Umgebungsbedingungen driftet, so dass der Faser-Polarisationssteller häufig nachjustiert werden müsste, um einen konstanten Ausgangspolarisationszustand zu erhalten.

Polarisationserhaltende Fasern

Fasern können polarisationserhaltend gemacht werden (PM-Faser) – aber nicht dadurch, dass man jegliche Doppelbrechung vermeidet! Im Gegenteil: Man führt absichtlich eine erhebliche Doppelbrechung ein. Solche Fasern sind also hochdoppelbrechende Fasern (HIBI-Fasern).

Dafür gibt es im Wesentlichen zwei übliche Wege:

• Eine Faser kann mit einem elliptischen Kern hergestellt werden. Das führt zu einem gewissen Maß an Formdoppelbrechung. Natürlich werden auch die Fasermoden durch die elliptische Form beeinflusst, und die Effizienz der Einkopplung von Licht in Fasern mit kreisrunden Kernen bzw. aus ihnen heraus ist etwas verringert.
• Man kann eine mechanische Spannung aufbringen, z. B. durch Einbringen von Spannungsstäben aus einem anderen Glas. Abbildung 2 zeigt zwei typische Realisierungen.

Hinweis: Eine polarisationserhaltende Faser erhält nicht jeden beliebigen Polarisationszustand des eingekoppelten Lichts! Sie tut dies nur für linear polarisiertes Licht, wobei die Polarisationsrichtung eine von zwei orthogonalen Richtungen sein muss, z. B. entlang einer Linie zwischen den Spannungsstäben oder senkrecht dazu. Der ($\beta$)-Wert (Phasenkonstante) für eine bestimmte Wellenlänge hängt deutlich von dieser Polarisationsrichtung ab.

Was geschieht, wenn wir monochromatisches Licht mit einer anderen linearen Polarisationsrichtung einkoppeln? Das lässt sich als Überlagerung der beiden grundlegenden Polarisationszustände auffassen. Nach einer kurzen Ausbreitungsstrecke werden diese Komponenten deutlich unterschiedliche Phasenverzögerungen erfahren haben (aufgrund ihrer unterschiedlichen ($\beta$)-Werte). Deshalb setzen sie sich nicht mehr zum ursprünglichen linearen Polarisationszustand zusammen, sondern im Allgemeinen zu einem elliptischen Zustand. Nach ganzzahligen Vielfachen der Polarisationsschwebungslänge erhält man jedoch wieder eine lineare Polarisation.

Bei nicht-monochromatischem Licht wird die Situation noch komplizierter. Über eine gewisse Faserlänge erfahren die verschiedenen Wellenlängenkomponenten unterschiedliche polarisationsabhängige Phasenverschiebungen, so dass der resultierende Polarisationszustand wellenlängenabhängig wird. Diesen wieder in einen linearen Zustand zurückzuverwandeln wäre eine schwierige Aufgabe – ein einfacher Polarisationssteller könnte das nicht leisten.

Die Notwendigkeit, den Eingangspolarisationszustand an einer Faserachse auszurichten, damit die Polarisation erhalten bleibt, ist natürlich ein erheblicher praktischer Nachteil von PM-Fasern. Der Aufbau faseroptischer PM-Anordnungen erfordert mehr Aufwand, wofür zusätzliche Ausrüstung nötig ist. Außerdem sind nicht alle Faserkomponenten als PM-Versionen erhältlich. Andererseits werden mit PM-Aufbauten die schädlichen Effekte driftender Polarisationszustände, die sonst andere Maßnahmen erfordern können, sicher vermieden.

Man beachte, dass die eingeführte Doppelbrechung die Wirkung einer kleinen zusätzlichen zufälligen Doppelbrechung, wie sie etwa durch mäßige Biegung entstehen kann, im Wesentlichen aufhebt. Solche zufälligen Einflüsse ändern die lokale Polarisation vielleicht nur sehr geringfügig, haben aber über größere Längen normalerweise keine nennenswerte Auswirkung. Verstehen lässt sich das anhand der Modenkopplung: Eine nennenswerte Modenkopplung erfordert eine Störung mit einer Periode, die gleich der Schwebungsperiode der beiden Polarisationszustände ist. Bei starker Doppelbrechung ist diese Schwebungsperiode (die Polarisationsschwebungslänge) recht kurz (zum Beispiel einige Millimeter), und die üblichen Störungen sind räumlich zu “langsam”, um eine nennenswerte Kopplung zu verursachen, oder besitzen zumindest keine starke räumliche Fourier-Komponente bei der Polarisationsschwebungslänge.

Polarisationsunempfindliche Designs

Eine andere Möglichkeit, Polarisationsprobleme zu beseitigen, besteht darin, Geräte so auszulegen, dass die Polarisation keine Rolle spielt. Dieser Ansatz wird beispielsweise in der optischen Nachrichtentechnik üblicherweise gewählt. Man sorgt einfach dafür, dass keine Komponenten verwendet werden, die erhebliche polarisationsabhängige Verluste verursachen könnten oder die auf einen bestimmten Polarisationszustand angewiesen wären. So kann man im Allgemeinen keine elektrooptischen Modulatoren einsetzen und muss alle Halbleiterbauelemente sorgfältig auf geringe Polarisationsabhängigkeit auslegen. Einige Polarisationseffekte bleiben dennoch bestehen, welche die Leistungsfähigkeit sehr schneller faseroptischer Strecken begrenzen können. Insbesondere gibt es das Phänomen der Polarisationsmodendispersion (PMD), die als differenzielle Gruppenlaufzeit (DGD) quantifiziert werden kann: Signalkomponenten mit unterschiedlichen Polarisationszuständen können für den Weg durch ein Faserkabel geringfügig unterschiedliche Zeiten benötigen, und das kann die Signalqualität verschlechtern. Für kurze Übertragungsstrecken und/oder mäßige Bitraten ist die PMD jedoch kein großes Problem.

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