Technologie im Einsatz

Blitzschutz demonstriert unter Verwendung des Polarisationsverwürflers EPS1000

Der EPS1000 wurde auf der OFC2018-Ausstellung zur Demonstration von Blitzschutz https://www.infinera.com/ice5-innovation/ kohärenter optischer Datenübertragung eingesetzt.

Schematischer Aufbau des Polarisationsverwürflers EPS1000

Zwei oder drei elektrooptische rotierende Viertelwellenplatten (QWP0, QWP1, QWP2), eine Halbwellenplatte (HWP) und zwei oder drei weitere Viertelwellenplatten (QWP3, QWP4, QWP5) werden vom Licht durchlaufen. So wird jede beliebige Eingangspolarisation verwürfelt. In allen untenstehenden Poincarékugeldarstellungen dreht sich die HWP schnell gegenüber QWP1 bis QWP4, während QWP0 und QWP5 nicht implementiert sind.

Funktion der Wellenplatten im Polarisationsverwürfler EPS1000

Ein Polarisationstransformator aus LiNbO₃ ist so konfiguriert, daß er kaskadierte elektrooptische Wellenplatten enthält. Jede elektrische Periode von Wellenplattenspannungen entspricht einer halben mechanischen Umdrehung einer Wellenplatte. Als Verwürflungsgeschwindigkeit definieren wir diejenige Geschwindigkeit auf der Poincarékugel, welche bei rotierender linearer Polarisation am Ausgang einer Wellenplatte vorliegt.

QWP0 bis QWP2 verwürfeln die unbekannte Eingangspolarisation.

Abhängig davon erzeugt die schnelle HWP Poincarékugelkreise in parallelen Ebenen, mit Radien zwischen 0 und 1, im arithmetischen Mittel π/4. In jeder Periode der HWP-Spannungen wird ein solcher Kreis zweimal durchlaufen. Bei Kreisradius 1, entsprechend rotierender linearer Polarisation auf dem Poincarékugeläquator, entsteht demnach in jeder elektrischen Periode eine Trajektorie der Länge 4π. Auf diesen Fall ist die von -10.000 bis +10.000 krad/s in Schritten von 0,01 krad/s (6 Dekaden) einstellbare Polarisationsänderungsgeschwindigkeit der HWP bezogen. Bei gleichverteilter Eingangspolarisation ist die Effektivgeschwindigkeit √2/3 = 0,816 mal so groß.

QWP3 bis QWP5 verwürfeln anschließend die Orientierungen der Kreise und verteilen die Polarisationsänderungen und ihre Richtungen gleichmäßig über die Poincarékugel. Eine QWP kann ebenfalls rotierende lineare Polarisation erzeugen, aus zirkularer Eingangspolarisation. Dabei wird in jeder elektrischen Periode der QWP-Spannungen der Poincarékugeläquator einmal durchlaufen, entsprecheud einer Trajektorie der Länge 2π. Auf diesen Fall ist die individuell von -1.000.000 bis +1.000.000 rad/s in Schritten von 0,01 rad/s (8 Dekaden) einstellbare Polarisationsänderungsgeschwindigkeit der QWP bezogen. Bei Eingangspolarisationen mit Elliptizitätswinkelbeträgen <π/8 ist die Polarisationsänderungsgeschwindigkeit einer QWP bis zu √2 mal so groß. Bei gleichverteilter Eingangspolarisation ist die Effektivgeschwindigkeit 2/√3 = 1,15 mal so groß wie für zirkulare Eingangspolarisation.

Poincarékugeldarstellungen, aufgenommen hinter dem Polarisationsverwürfler EPS1000

				Alle Wellenplatten laufen: QWP1, QWP2, HWP, QWP3, QWP4. Ganz rechts: HWP rotiert schnell. Überall sonst, auch unten: HWP rotiert langsam. QWP0 und QWP5 sind hier nicht implementiert.

			Die vorderen QWP1, QWP2 transformieren die Eingangspolarisation der HWP, die deshalb Kreise verschiedener Größe in parallelen Ebenen erzeugt. Die hinteren QWP3, QWP4 sind ausgeschaltet.

Die vorderen QWP1, QWP2 sind ausgeschaltet. Die HWP erzeugt große (links) oder kleine (rechts) Kreise. Diese werden von den hinteren QWP3, QWP4 in verschiedene Orientierungen transformiert.

Elektrische Verwürflungsspektren, gemessen mit EPS1000 + Photodiode + Polarisator

Polarisationsverwürfler EPS1000 mit standardmäßigen 40-ns Taktzyklen.
Aufgenommen mit elektrischem Spektralanalysator. Horizontale Achse: Hz; Vertikale Achse: 10 dB/div.
Alle QWP laufen bei niedrigen teilefremden Geschwindkgkeiten, während die HWP schnell läuft, bei verschiedenen Geschwindigkeiten:

100 krad/s	1 Mrad/s	10 Mrad/s	20 Mrad/s

Die HWP und alle bis auf eine QWP laufen bei niedrigen teilerfremden Geschwindigkeiten, während die eine QWP schnell läuft, bei verschiedenen Geschwindigkeiten:

10 krad/s	100 krad/s	1 Mrad/s

Polarisationsverwürfler EPS1000 mit 20-ns Taktzyklen. Nur die HWP rotiert. Aufgenommen mit Polarimeter PM1000:

10 Mrad/s	20 Mrad/s

Zeitbereichsantwort eines Polarisationsverwürflers EPS1000

Oszillogram der Ausgangsspannung eines elektrischen Treiberverstärkers beim Erzeugen eines 60-V-Sprungs an der HWP. Die gesamte Einschwingzeit ist 50 ns, die Sprungantwort dauert 34 ns. Standardmäßig ist der EPS1000 optimiert bezüglich Großsignalantwort. Die Kleinsignalantwort dauert <20 ns. Horizontale Achse: 20 ns/div; vertikale Achse: unskaliert

Messung von polarisationsabhängigem Verlust (PDL)

Für Einzelheiten siehe Abschmitt IV. hier. PDL-Messung erfordert einen mit 1 oder 2 optischen Leistungsdetektoren ausgestatteten EPS1000. Bei verschiedenen erzeugten Polarisationszuständen wird die optische Leistung hinter dem Meßobjekt (DUT) gemessen. Die Mittelungszeit ist wählbar (80 ns, 160 ns, 320 ns, ... , 2,68 s). Mit Standardeinstellungen dauert eine Messreihe samt Datentransfer etwa 30 s. Referenzmessungen erlauben es, die Verluste des LiNbO₃-Polarisationtransformators innerhalb des EPS1000 mathematisch zu eliminieren. Minimale, mittlere und maximale Dämpfung und PDL des DUT werden so bestimmt. Es folgen typische Ergebnisse.

PDL-Reproduzierbarkeit Ein Lichtwellenleiter (LWL) wird als Referenz und als DUT verwendet.

< 0.003 dB

PDL-Werte und -Fehlerbereiche 6 DUT, und zwar 1 Verbindungskabel, 4 PDL-Komponenten und 1 Polarisator, werden gegen eine Referenz vermessen. Dies wird mindestens 10mal wiederholt, mit verschiedenen Eingangspolarisationen des EPS1000 und verschiedenen Polarisationstransformationen vor und hinter dem DUT. Für jedes DUT ist der PDL-Wert mit Fehlerbereich angegeben. Der maximale scheinbare PDL des Verbindungskabels (0.0276 dB) ist ein Maß für den gesamten Fehlerbereich bei kleinem PDL.

0.0186±0.009 dB 0.0799±0.018 dB 0.433±0.041 dB 1.59±0.087 dB 7.33±0.051 dB 50.4±1.5 dB