คำนำ

ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงแบบเดิม วิศวกรด้านแสงมุ่งเน้นไปที่การส่งพลังงานแสงและการกำหนดเส้นทางเป็นหลัก โดยให้ความสนใจเพียงเล็กน้อยกับสถานะโพลาไรเซชันของแสง อย่างไรก็ตาม ในระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความแม่นยำสูง เช่น ไจโรสโคปแบบไฟเบอร์ออปติก การสื่อสารด้วยแสงที่สอดคล้องกัน การกระจายคีย์ควอนตัม LiDAR และเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกแบบอินเทอร์เฟอโรเมตริก สถานะโพลาไรเซชันจะกำหนดโดยตรงว่าอุปกรณ์ทั้งหมดสามารถทำงานได้อย่างถูกต้องหรือไม่ เมื่อแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นประสบปัญหาการหมุนของโพลาไรเซชันหรือการเชื่อมต่อพลังงานระหว่างแกนเร็วและแกนช้าในระหว่างการสลับช่องแสง อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนของระบบจะลดลงอย่างรวดเร็ว และระบบอาจพังทลายลงโดยสิ้นเชิง

สวิตช์ออปติคัลโหมดเดี่ยวแบบทั่วไปรับรู้เฉพาะเส้นทางออปติคอลและการสลับช่องสัญญาณเท่านั้น โดยไม่จำกัดความแปรผันของโพลาไรซ์ จึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการของระบบออปติคัลโพลาไรซ์ที่มีความแม่นยำสูงได้ ภายใต้พื้นหลังนี้ สวิตช์ออปติคัลที่รักษาโพลาไรเซชัน (PM) จะปรากฏขึ้นตามเวลาที่ต้องการ ในขณะที่ตระหนักถึงการเลือกช่องสัญญาณแบบไดนามิก พวกมันจะล็อคทิศทางโพลาไรเซชันของแสงตกกระทบอย่างแน่นหนา และระงับการเชื่อมต่อโหมดโพลาไรเซชันให้เหลือน้อยที่สุด กลายเป็นส่วนประกอบหลักแบบพาสซีฟที่ขาดไม่ได้ในวงจรออปติคัลที่ไวต่อโพลาไรเซชันทั้งหมด

ด้วยแรงผลักดันจากการขยายตัวอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมการตรวจจับไฟเบอร์ออปติกในประเทศ การผลิตจำนวนมากของตัวรับส่งสัญญาณแสงที่สอดคล้องกัน 1.6 T และการใช้งานทางวิศวกรรมของการสื่อสารควอนตัม สวิตช์ออปติคัล PM ได้พัฒนาจากส่วนประกอบในห้องปฏิบัติการเฉพาะไปสู่ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมขนาดใหญ่ บทความนี้จะวิเคราะห์อุปกรณ์กำหนดเส้นทางแสงแบบโพลาไรซ์อย่างครอบคลุมจากหลายมิติ รวมถึงหลักการทำงาน เส้นทางทางเทคนิค พารามิเตอร์ประสิทธิภาพ ความแตกต่างจากสวิตช์โหมดเดี่ยวทั่วไป เกณฑ์การเลือก ภาคการใช้งาน และแนวโน้มทางอุตสาหกรรม

1. คำจำกัดความพื้นฐานและหลักการทำงานของสวิตช์ออปติคัล PM

1.1 PM Optical Switch คืออะไร

ออปติคัลสวิตช์ที่รักษาโพลาไรเซชันเป็นส่วนประกอบการสลับช่องสัญญาณที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าแบบพิเศษ ซึ่งมาพร้อมกับผมเปีย PM บนพอร์ตอินพุตและเอาต์พุตทั้งหมด สามารถเปลี่ยนสัญญาณแสงระหว่างหลายช่องสัญญาณได้ โดยยังคงรักษาทิศทางโพลาไรเซชันของแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นที่ตกกระทบไว้อย่างเคร่งครัดไม่เปลี่ยนแปลง มันยับยั้งการเชื่อมต่อโหมดระหว่างแกนเร็วและแกนช้า และรักษาอัตราส่วนการสูญเสียโพลาไรเซชัน (PER) สูงที่ปลายเอาต์พุต

ไม่มีการรีฟริงก์ที่ชัดเจนภายในไฟเบอร์โหมดเดี่ยวธรรมดา ดังนั้นโหมดโพลาไรเซชันมุมฉากสองโหมดจึงแพร่กระจายด้วยความเร็วเท่ากัน การเคลื่อนตัวของโพลาไรเซชันแบบสุ่มสามารถกระตุ้นได้ง่ายโดยการโค้งงอภายนอก การสั่นสะเทือน และความผันผวนของอุณหภูมิ ในทางตรงกันข้าม ไฟเบอร์ PM นำเสนอการรีฟริงก์เทียมที่แข็งแกร่งผ่านแท่งความเครียดข้างแกนกลาง โดยแยกคลื่นแสงออกเป็นแกนเร็วและแกนช้า โพลาไรเซชันที่เสถียรสามารถรักษาไว้ได้เมื่อแสงตกกระทบแพร่กระจายไปตามแกนหลักอย่างเคร่งครัดเท่านั้น

ค่านิยมหลักของสวิตช์ออปติคอล PM คือการขยายข้อได้เปรียบของการรีฟริงเจนซ์ของไฟเบอร์ PM ไปยังโหนดสวิตชิ่ง และป้องกันการเสื่อมสภาพของโพลาไรเซชันที่เกิดจากการสลับช่องสัญญาณ

ไฟเบอร์ PM สไตล์ PANDA เป็นตัวเลือกกระแสหลักในผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ แท่งความเค้นบอโรซิลิเกตสองแท่งที่ทั้งสองด้านของแกนไฟเบอร์ทำให้เกิดความเค้นภายในอย่างต่อเนื่องเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน และสร้างสนามการรีฟริงเจนซ์ที่เสถียร ประเภทไฟเบอร์ทั่วไป ได้แก่ PM1550, PM1310, PM980 และ PM1064 สำหรับช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน

1.2 การดำเนินการบำรุงรักษาโพลาไรซ์และการสลับแสง

1. การกำหนดเส้นทางด้วยแสง: ตัวสะท้อนขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ปริซึมหรือคริสตัลแมกนีโตออปติกจะเปลี่ยนเส้นทางลำแสงไปยังพอร์ตเอาต์พุตที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดโครงสร้างพอร์ต เช่น 1×2, 1×4 และ 2×2
2. การล็อคโพลาไรเซชัน: เส้นคอลลิเมเตอร์และเส้นใย PM ทั้งหมดภายในส่วนประกอบได้รับการจัดตำแหน่งอย่างแม่นยำบนแกนหลัก แกนเร็วและแกนช้าของเส้นทางแสงทุกเส้นจะมีความสม่ำเสมอในระหว่างการต่อไฟเบอร์และการชนลำแสง การรั่วไหลของพลังงานจากแกนช้าไปยังแกนเร็วจะถูกกำจัดเพื่อหลีกเลี่ยงการย่อยสลาย PER

สวิตช์ PM แบบแมกนีโตออปติกไม่มีชิ้นส่วนกลไกที่เคลื่อนไหว จากผลของแมกนีโตออปติกของฟาราเดย์ สนามแม่เหล็กภายนอกจะหมุนระนาบโพลาไรเซชันของแสงที่ผ่านผลึก YIG (อิตเทรียมไอรอนโกเมน) เมื่อใช้ร่วมกับตัวแยกลำแสงโพลาไรซ์ สามารถเลือกช่องแสงแบบอิเล็กทรอนิกส์ได้ มันเป็นส่วนประกอบออปโตอิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตตบริสุทธิ์

ข้อดีหลัก

1. ความเร็วในการสลับที่รวดเร็วเป็นพิเศษต่ำกว่า 1 ไมโครวินาที เข้ากันได้อย่างลงตัวกับเลเซอร์พัลซิ่งความเร็วสูงและการเลือกช่องโฟตอนที่รวดเร็วในการสื่อสารควอนตัม
2. ไม่มีรอยขีดข่วนทางกล มีอายุการใช้งานเกิน 10 พันล้านรอบ ส่วนประกอบมีความต้านทานการสั่นสะเทือนและประสิทธิภาพการป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่โดดเด่น โดยทำงานได้อย่างเสถียรตั้งแต่ -40°C ถึง +85°C บรรจุภัณฑ์เสริมแรงรองรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศและดาวเทียม
3. ลำแสงออปติคัลปราศจากการกระวนกระวายใจ โดยมีความสามารถในการทำซ้ำได้ดีกว่าอุปกรณ์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า และความผันผวนของสถานะโพลาไรเซชันต่ำมาก

ข้อเสีย

จำกัดด้วยวัสดุคริสตัลแมกนีโตออปติก การสูญเสียการแทรกเพิ่มขึ้นเป็น 1.2~2.0 dB อาเรย์ขนาดใหญ่ที่มีขนาดเกิน 1 × 8 นั้นยากต่อการบูรณาการเนื่องจากมีโครงสร้างออปติคัลที่ซับซ้อน ต้นทุนวัสดุและบรรจุภัณฑ์สูงกว่าผลิตภัณฑ์เครื่องกลไฟฟ้าที่มีจำนวนช่องทางเดียวกัน 3~6 เท่า ซึ่งจำกัดการแพร่หลายของพลเรือนในวงกว้าง

สวิตช์ออปติคัล MEMS PM ยังอยู่ระหว่างการวิจัย แม้ว่าอาร์เรย์ไมโครมิเรอร์จะรองรับการรวมออปติคอลขนาดใหญ่ แต่การจัดตำแหน่งเชิงมุมของแกนโพลาไรเซชันยังไม่สมบูรณ์เพียงพอที่จะรับประกัน PER ที่เสถียร ในปัจจุบัน มีการทดสอบกับเครื่องมือทดสอบจำนวนเล็กน้อยเท่านั้นโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

2.3 การเปรียบเทียบพารามิเตอร์ของโซลูชันสวิตช์ PM สองตัว

3. ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสวิตช์ออปติคัล PM และสวิตช์ออปติคัลโหมดเดี่ยวทั่วไป

3.1 ความแตกต่างในเส้นทางแสงและโครงสร้างไฟเบอร์

สวิตช์โหมดเดี่ยวทั่วไปใช้ไฟเบอร์ SMF-28 โดยไม่ต้องใช้แกนเร็ว/ช้า จำเป็นต้องมีการจัดตำแหน่งศูนย์กลางแกนเท่านั้น และการหมุนตัวเชื่อมต่อจะไม่ทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มเติม

สวิตช์ PM มาพร้อมไฟเบอร์ PANDA PM ครบครัน การวางแนวสองแนวจะต้องทำได้พร้อมกัน: การวางตำแหน่งเชิงมุมของแกนหลักและการวางตำแหน่งเชิงมุมของแกนหลัก ขั้วต่อ PM ได้รับการออกแบบให้มีปุ่มระบุตำแหน่งและไม่สามารถบิดงอได้ตามอำเภอใจ เมื่อแกนหลักอยู่ในแนวที่ไม่ตรง PER จะลดลงอย่างรวดเร็วจาก 25 dB เหลือน้อยกว่า 10 dB และส่วนประกอบจะสูญเสียความสามารถในการรักษาโพลาไรเซชันโดยสิ้นเชิง

3.2 ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักที่แตกต่างกัน

สวิตช์ออปติคัลโหมดเดี่ยวได้รับการทดสอบเฉพาะกับการสูญเสียการแทรก การแยกตัว และความสามารถในการทำซ้ำเท่านั้น โดยไม่มีข้อกำหนดเกี่ยวกับตัวบ่งชี้โพลาไรซ์

พารามิเตอร์โพลาไรซ์สามตัวได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดสำหรับสวิตช์ออปติคอล PM:

1. 
   
2. อัตราส่วนการสูญเสียโพลาไรเซชัน (PER): ตัวบ่งชี้ที่สำคัญที่สุดในการวัดการแยกพลังงานระหว่างแกนเร็วและแกนช้า โดยมีข้อกำหนดพื้นฐานสูงกว่า 20 dB
3. การสูญเสียขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชัน (PDL): ความแตกต่างของการสูญเสียพลังงานระหว่างสถานะโพลาไรซ์ที่ต่างกัน อุปกรณ์ระดับพรีเมี่ยมสามารถรับ PDL ≤0.05 dB
4. การ