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Möchte man eine polarisations-erhaltende Singlemode-Faser an einen Aufbau koppeln oder eine λ/4-Verzögerungsoptik im Labor jus tieren, ist es hilfreich, sowohl den linearen als auch den zirku-laren Anteil der Polarisation zu bestimmen. Dazu eignet sich ein Polarisations-Analysator hervor-ragend. Für die Qualitätskontrolle bei polarisationserhaltenden Fa-serkabeln, fasergekoppelten Laser-quellen oder Verzögerungsoptiken ist er geradezu unentbehrlich. Der Polarisations-Analysator SK010PA wurde speziell für die hohen An-forderungen von Anwendungen in der Faseroptik oder im Freistrahl für Wellenlängen bis hinunter zu 370 nm entwickelt.

D as elektromagnetische Feld einer Laserstrahlquelle lässt

sich aufgrund der transversalen Na-tur des Lichts als Superposition aus zwei orthogonalen ebenen Wellen ausdrücken []. Abhängig von Pha-senunterschied und Amplituden können alle Polarisations zustände von zirkular über elliptisch bis line-ar auftreten.

Zur vollständigen Beschrei-bung eines Polarisationszustandes werden die Stokes-Parameter (S0, S1, S2, S3) herangezogen. Der Pa-rameter S0 ist hierbei die Intensität der Strahlung, die Parameter S1 und S2 beschreiben die linearen Kompo-nenten der Polarisation und der Pa-rameter S3 deren zirkularen Anteil. In normierter, auf die Intensität der Strahlung bezogener Form lassen sich die Stokes-Parameter anschau-lich auf einer Poincaré-Kugel (Abb. ) darstellen [], die eine Einheitskugel ist. Dargestellt wird der Vektor

P = (S1/S0, S2/S0, S3/S0),

wobei S02 = S1

2 + S22 + S3

2 gilt.

Um die Stokes-Para meter S0 bis S3 zu messen, wird eine rotierende Viertelwellenoptik vor einem fest-stehenden Polarisator verwendet. Die von dieser Anordnung trans-mittierte Strahlung trifft auf eine Photodiode. Die Stokes-Parameter werden durch eine Frequenzanalyse des Signals der Photodiode gewon-nen (Abb. ). Die Bandbreiten der eingesetzten Verzögerungsoptiken und des Polarisators grenzen den Wellenlängenbereich ein, in dem eine präzise Polarisationsmessung möglich ist (Abb. 3).

Der Polarisations-Analysator ist ein universell einsetzbares Gerät – durch spezielle, in die Software integrierte Routinen ist er jedoch vor allem für faseroptische Anwen-dungen prädestiniert.

Ausrichtung von PM-Fasern

Singlemode-Fasern transportie-ren Strahlung in der transversalen Grundmode LP01. Beim Austritt aus der Faser liegt näherungsweise eine gaußförmige Intensitätsvertei-lung vor, ein so genanntes Moden-feld. Der emittierte Polarisations-zustand ist jedoch instabil: Er hängt von der Temperatur und der Lage der Faser im Raum ab.

Polarisationserhaltende Single-mode-Fasern (PM-Fasern) besitzen durch Aufbrechen der Rotations-symmetrie zwei unabhängige Achsen der Lichtführung: eine „schnelle“ (fast) und eine „lang-same“ (slow). Sie gewährleisten den Erhalt des Polarisationszu-standes eines linear polarisierten Eingangsstrahls, wenn dieser so eingekoppelt wird, dass seine Pola-risation genau zu einer der beiden Achsen ausgerichtet ist. Andern-

Polarisation analysieren und verstehenEin Polarisations-Analysator hilft beim Messen des linearen und zirkularen Polarisationsanteils für Freistrahl-Anwendungen und polarisationserhaltende Faseroptik.

Ulrich Oechsner, Michael Schulz, Anja Knigge, Christian Knothe und Gregor Federau

Dr. Ulrich Oechsner, Michael Schulz, Anja Knigge, Chris-tian Knothe und Gregor Federau, Schäfter+Kirchhoff GmbH, Kieler Str. 212, 22525 Hamburg, www.sukhamburg.de

Der Polarisations-Analysator SK010PA gehört zu den kompaktesten Geräten seiner Klasse. Zeitaufwändige Justier-aufgaben lassen sich für Freistrahl- und Faseroptikanwendungen mit hoher und

geringer Kohärenzlänge der Laserstrahl-quelle effizient erledigen. Das USB-Gerät steht in verschiedenen Versionen für Wellenlängenbereiche von 50 bis 1600 nm zur Verfügung.

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falls spaltet die Strahlung auf und wird anteilig in den beiden Achsen geführt. Unterschiedliche Ausbrei-tungsgeschwindigkeiten bewirken dabei einen zeitverschobenen Wie-deraustritt der Komponenten am Faserende. Abhängig von der Ko-härenzlänge der Quelle ist die aus-tretende Strahlung dann entweder instabil elliptisch polarisiert oder anteilig depolarisiert. Anteilige Depolarisierung tritt auf, falls der Gangunterschied in den Faserach-sen größer als die Kohärenzlänge der verwendeten Laserstrahlquelle ist, also eine geringe Kohärenz des Lasers vorliegt.

Im Fall kohärenter Strahlung be-schreiben die möglichen Ausgangs-zustände auf der Poincaré-Kugel einen Kreis, dessen Radius vom

Verhältnis der Leistungen abhängt, die in den beiden Faserachsen eingekoppelt werden. Temperatur-änderungen oder Lageänderungen des Faserkabels bewirken ein Wan-dern des Polarisationszustandes auf diesem Kreis (Abb. 4). Dieses Wandern ist der Grund für die bei ungenügender Polarisationsaus-richtung häufig beobachtete, mit der Temperatur zyklisch variieren-de Ausgangspolarisation.

Optimiert erhaltene Polarisation

Bei der Justierung einer Faser wird durch gezieltes Biegen der Faser und durch eine Reihe von Polarisa-tionsmessungen eine solche kreis-förmige Bahn erzielt und eine Ana-

lyse dieses Kreises durchgeführt (Abb. 4a). Dem Kreismittelpunkt entspricht das mittlere Extink-tions verhältnis der Faserkopplung. Das Extinktionsverhältnis, auch Polarization Extinction Ratio (PER) genannt, ist das Verhältnis der Leistungen, die aus den beiden Faserachsen austreten, und wird üblicherweise in dB angegeben.

Der Kreismittelpunkt sollte sich bei einer linear polarisierten Quelle und bei einer idealen PM-Faser auf dem Äquator befinden. Der Radius des Messkreises ist ein Maß für die Winkelabweichung der Faserkopplung. Je kleiner dieser Radius ist, desto besser sind die Fa-serachsen zur Polarisationsrichtung der Laser strahlquelle ausgerichtet. Das Drehen der Faser-Endfläche

Abb. 3 Spezifikationen und Wellenlän-genbereiche der verfügbaren Polarisa-tions-Analysatoren. Die spektrale Band-breite wird bestimmt durch die Band-

breiten der verwendeten optischen Komponenten. Aus prinzipiellen Grün-den sinkt die Bandbreite mit der mittle-ren Wellenlänge (SOP: State of Polari-

zation, PER: Polarization Extinction Ratio, DOP: Degree of Polarization).

Polarisationsanalysatoren für Freistrahl- und Faseranwendungen

InterfaceSpannungsversorgerFaserAdapterFreie AperturMessrateSOP-GenauigkeitPER-GenauigkeitDOP-Genauigkeit

USB 2.0 oder 1.1via USBFC-APC (Standard), optional: FC-PC, DIN AVIO und STmax. 4 mm15 Hz± 0,2° auf der Poincaré-Kugel0,5 dB5 %

Auswahl-Diagramm fürPolarisationsanalysatorenSK010PA

Well

enlän

ge in

nm

1600150014001300120011001000

900800700600500400300

SK010PA.... UV UVIS VIS NIR IR

Wellenlänge 370 –450 nm

400 –700 nm

450 –800 nm

700 –1100 nm

1100 –1600 nm

Abb. Die Poincaré-Kugel veranschaulicht die verschiedenen Polarisationszustände: Lineare Zustände liegen auf dem Äqua-tor. Der Nordpol repräsentiert rechtszirkulare und der Südpol linkszirkulare Polarisation. Der orange dargestellte Messpunkt markiert einen momentanen Polarisationszustand.

rechtszirkular

linear vertikal V

linear horizontal H

linear –45°

linear + 45°

linkszirkular

Abb. Beim Polarisations-Analysator trifft die zu untersuchen-de Strahlung durch eine rotierende Viertelwellenplatte (λ/4) und einen feststehenden Polarisator auf eine Photodiode. Die Stokes-Parameter ergeben sich aus der Frequenzanalyse des Signals der Photodiode.

λ/4-Platte

Polarisator

Photodiode

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relativ zur Strahlquelle minimiert den Messkreisradius (Abb. 4b). Als Justierhilfe dient der Kehrwert des Kreisradius in Form eines Bal-kendiagramms in logarithmischer Darstellung.

Im optimalen Fall schrumpft der Messkreis zu einem einzigen Punkt auf der Kugeloberfläche zusammen. Das Vertauschen von Ein- und Ausgang der Faser im Messsystem hilft dabei, in kon-fektionierten Kabeln Störungen zu finden, die sich lokal auf die Faserenden beschränken. In die-sem Fall beobachtet man, dass der ursprüngliche Abstand vom Äqua-tor – das mittlere Extinktionsver-hältnis – und der Kreisradius – die Winkelabweichung – mit jedem Vertauschen die Rollen wechseln.

Güte konfektionierter Kabel

Der selbst bei optimaler Einkopp-lung verbleibende Kreisradius und die Lage des Kreismittelpunkts sind ein bewährtes Mittel, um die Güte eines konfektionierten, d. h. mit Fasersteckern versehenen, PM-Fa-serkabels zu beschreiben. Zur Cha-rakterisierung des Faserkabels wird der minimale PER-Wert verwendet. Dieser berechnet sich aus der größ-ten Entfernung vom Äquator, die der Polarisationszustand auf seiner Kreisbahn einnimmt.

Auf der Poincaré-Kugel lässt sich dabei für den Fall eines zu geringen minimalen PER-Wertes mit einem Blick erkennen, ob der Eingangsstecker oder der Aus-gangsstecker für den geringen PER-Wert verantwortlich ist. Im Fall des Eingangssteckers ist der Radius auf der Poincaré-Kugel zu groß. Ist der Ausgangsstecker die

Ursache, so ist der Mittelpunkt des Kreises zu weit vom Äquator entfernt.

Dies ist ein deutlicher Vorteil im Vergleich zu einem alternativen Verfahren, bei dem zum Testen an-nähernd inkohärente Strahlquellen, z. B. Superlumineszenz-Dioden, und ein rotierender Polarisator ver-wendet werden. Dieses Verfahren bestimmt nur den linearen Anteil der Polariation und erlaubt keine Aussage über die Ursache einer eventuell ungenügenden Polarisa-tionserhaltung.

Ein weiterer Vorteil der vollstän-digen Bestimmung des Polarisati-onszustandes ist die Verfügbarkeit der Methode für kurze Wellenlän-gen bis 370 nm (Modell SK010PA-UV für 370 bis 450 nm, vgl. Abb. 3). In diesem Wellenlängenbereich gibt es keine ausreichend inkohärente Strahlquellen.

Verzögerungsoptik analysieren

Eine Freistrahlanwendung des Polarisations-Analysators ist das Ausrichten und Vermessen von Viertelwellenplatten. Eine solche

Abb. 4 Mit dem Polarisations-Analysator und einer kohärenten Quelle lässt sich eine polarisationserhaltende Faser jus-tieren. Ziel der Justierung ist es, den Messkreis zu minimieren. Bei schlechter Winkelausrichtung zwischen Faser-

hauptachsen und Strahlungsquelle än-dert sich der Polarisationszustand beim Biegen der Faser oder bei schwankender Temperatur. Je besser die Winkelausrich-tung ist, desto weniger verändert sich die Ausgangspolarisation.

a b

Abb. 5 Einstellen rechts- oder linkszirku-larer Polarisation bei einem Faserkolli-mator mit integrierter Viertelwellenplat-te: Die Viertelwellenplatte lässt sich von außen mit einem Werkzeug drehen. Bei

Rotation der Viertelwellenplatte be-schreibt der Polarisationszustand eine Art Acht auf der Poincaré-Kugel. Am Nordpol der Kugel ist der Strahl rechts-zirkular, am Südpol linkszirkular.

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Verzögerungsoptik kann sich dabei im Freistrahl befinden oder direkt in den Faserkollimator integriert sein (Abb. 5). Mit Hilfe des Polari-sations-Analysators lässt sich die Wellenplatte auf rechts- oder links-zirkulare Polarisation einstellen, indem die Wellenplatte rotiert wird. Bei dieser Rotation beschreibt der Polarisationszustand der emittier-ten Strahlung eine Art Acht auf der Poincaré-Kugel (Abb. 5 und Abb. 6). Die Extremwerte dieser Figur errei-

chen idealerweise die Pole. Weicht die tatsächliche Verzögerung der verwendeten Wellenplatte von λ/4 ab, erreichen die Extremwerte der Figur die Pole nicht.

So vielseitig wie die Einsatzmög-lichkeiten des Polarisations-Analy-sators ist das verfügbare Zubehör (Abb. 7). Für die Prüfung von pola-risationserhaltenden Single mode-Faserkabeln stehen Adapter für alle gängigen Steckertypen zur Verfü-gung. Mikrobankadapter und Auf-

Abb. 7 Um den Polarisations-Analysator für faseroptische und Freistrahlanwen-dungen zu nutzen, gibt es Faseradapter

für alle gängigen Fasersteckertypen, Mi-krobank-Komponenten und Adapter für Rundoptiken bis 55 mm Durchmesser.

nahmen für verschiedene gefasste Optiken erleichtern die Adaption für Freistrahlanwendungen.

Externe Programmierung und Fernsteuerung

Zum Einbinden des Polarisations-Analysators in automatisierte Mess- und Prüfabläufe steht eine Laufzeitbibliothek zur Verfügung, mit der sich sämtliche Funktionen der Gerätesoftware ansprechen lassen. Dazu zählen neben den Dialogfenstern für die Eingabe von Mess- und Anzeigeparametern die grafischen Anzeigen und die Routi-nen für PER-Messungen bei polari-sationserhaltenden Fasern.

Alternativ ist es möglich, den Polarisations-Analysator über das Netzwerk mittels TCP/IP fernzu-steuern (Client/Server-Applika-tion). Der PC, an dem das Polari-meter angeschlossen ist, fungiert hierbei als Server. Andere Rechner im Netzwerk können den Server ansprechen, um Messungen auszu-lösen und Messwerte abzurufen.

Zusammenfassung und Fazit

Mit dem Polarisations-Analysator SK010PA wurde ein kompaktes Mess- und Prüfgerät vorgestellt, mit dem ansonsten zeitaufwändige Jus-tieraufgaben effizient zu erledigen sind. Die Qualität von beispiels-weise polarisationserhaltenden Faserkabeln und Verzögerungs-optiken lässt sich quantitativ mes-sen und protokollieren.

Die Möglichkeit zur Einbindung in Anwendersoftware, entweder über eine Laufzeitbibliothek oder als Client/Server-Applikation, prädestinieren das Gerät für die Integration in automatische Pro-duktionsabläufe [3].

[1] M. Born und E. Wolf, Principle of Optics, 7. Aufl., Cambridge University Press, Cambridge (1999)

[2] D. S. Klinger, L. Hames und C. Einterz Randall, Polarized Light in Optics and Spectroscopy, Elsevier, Oxford (1990)

[3] Weitergehende In formationen und ein Videoclip finden sich auf www.sukham-burg.com/pa.html.

Abb. 6 Beim Justieren einer λ/4-Ver zö-ge rungsoptik beschreibt die Polarisation während der Rotation der Wellenplatte auf der Oberfläche der Poincaré-Kugel

eine Art Acht. Im Idealfall erreichen die Extremwerte den Nordpol bei rechts- zirkular polarisiertem Licht und den Südpol bei links-zirkular polarisiertem.