微彎曲引起的光學(xué)損耗 - 光纖基礎(chǔ)知識(shí)

發(fā)布時(shí)間：2024-02-23作者來(lái)源：金航標(biāo)瀏覽：1507

在光纖的應(yīng)用中，微彎損耗是一個(gè)比較復(fù)雜且值得關(guān)注的光學(xué)損耗類(lèi)型。隨著器件和光纖技術(shù)的進(jìn)步，引入了直接光交換代替電交換，使光纖容易受到長(zhǎng)期應(yīng)力的影響。更細(xì)的光纖直徑和多芯光纖的使用都增加了微彎損耗的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儗?dǎo)致了涂層厚度和包層直徑的減少。

微彎損耗和宏彎損耗是一對(duì)對(duì)應(yīng)的損耗，但是從損耗發(fā)生的機(jī)理來(lái)看，兩者存在比較明顯的區(qū)別。而在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)損耗的性質(zhì)區(qū)分損耗來(lái)自微彎還是宏彎是非常必要的，涉及到問(wèn)題的定位和解決問(wèn)題的途徑。

從幾何變形上看：

微彎損耗實(shí)際上是一種光纖微小的變形引入的損耗，而宏彎損耗是真正的彎曲引入的損耗，其光纖的外徑保持理想的不變。這在幾何上就有明顯的不同。光纖微小的變形可以處理為光纖縱向的幾何圓周的高頻微擾。這種微擾有幅度和頻率兩個(gè)屬性，微彎的場(chǎng)景來(lái)自高頻和低幅度。

可以將外部擾動(dòng)進(jìn)行模擬，是一個(gè)隨著時(shí)間其頻率和幅度做隨機(jī)的變化。對(duì)這種隨機(jī)變化做傅里葉變化，幅度等效于功率，就有對(duì)應(yīng)的功率譜密度和空間頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

這個(gè)從直覺(jué)上也比較容易理解和得出一個(gè)定性的結(jié)論，擾動(dòng)頻率非常高的時(shí)候，光纖的變形則均勻化，微彎損耗影響并不大，而擾動(dòng)頻率非常低的時(shí)候，真正的彎曲可能會(huì)形成，宏彎損耗則占主導(dǎo)地位。

從損耗機(jī)理上兩者也有差異。

宏彎損耗中，可以認(rèn)為光纖中的基模(單模光纖)其模場(chǎng)分布向彎曲一側(cè)擴(kuò)散，擴(kuò)散到包層深處的部分會(huì)形成輻射，而逐漸損耗。微彎損耗中，理想光纖中傳播的基模在受到微擾的情況下部分功率被耦合到各種的高階模式中。這部分高階模式攜帶的功率隨著傳播距離的增大而被輻射出光纖，當(dāng)然也可能重新耦合回基模。

微彎損耗的分析比較典型是采用模式耦合理論，其基本的關(guān)系有點(diǎn)復(fù)雜。

其中C為基模和某一高階模式的耦合系數(shù)，這個(gè)體現(xiàn)有多少功率會(huì)從導(dǎo)模耦合到高階模或者包層模(單模場(chǎng)景)。Qfiber為光纖在受到直接的應(yīng)力下的擾動(dòng)，Qenv為環(huán)境變化時(shí)，間接受到的應(yīng)力下的擾動(dòng)。

這種建模分析的準(zhǔn)確性是很難的，因?yàn)樵斐晌潛p耗的擾動(dòng)是高度隨機(jī)的，但是分析的目的是提供很強(qiáng)的指導(dǎo)性，特點(diǎn)場(chǎng)景下，增加一些系數(shù)可以逼近模擬結(jié)果。

Olshansky在早期研究并提出一個(gè)觀察性質(zhì)的關(guān)系式。

a - 纖芯半徑

b - 包層半徑

Delta - 折射率差值

Ee - 高分子涂層的彈性模量

Eg - 光纖玻璃的彈性模量

對(duì)應(yīng)大部分場(chǎng)景，這個(gè)關(guān)系式更有幫助。

產(chǎn)生微彎損耗的來(lái)源主要是外部因素，如果光纖只是作為裸纖應(yīng)用，沒(méi)有成纜，如果在自由空間中沒(méi)有外力的影響，是不存在微彎損耗的可能。雖然光纖本身的幾何不規(guī)則可能有微彎損耗的可能，但是由于在出廠的測(cè)試中均通過(guò)損耗測(cè)試，所以光纖自身的微彎損耗影響是彎曲可以忽略的。只是考慮光纜或者器件中外部的固定對(duì)應(yīng)光纖的微彎損耗影響。

微彎損耗的來(lái)源主要來(lái)自三個(gè)方面。

首先是光纖本身的設(shè)計(jì)，光纖本身的設(shè)計(jì)不是產(chǎn)生微彎損耗的來(lái)源，但是對(duì)于微彎敏感是光纖設(shè)計(jì)本身決定的。

纖芯的設(shè)計(jì)主要是MAC值的影響。這個(gè)和Olshansky的特征公式是吻合的。

MAC越小，在相同的外部微擾下，其微彎損耗也越小。

這反映到具體的光纖上，一般G657光纖的微彎損耗比G652光纖要小。

雖然纖芯半徑降低，增大折射率差均可以降低微彎損耗，但是光纖參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)性，并且光纖的標(biāo)準(zhǔn)化，不太可能只存在一個(gè)參數(shù)的變化，而其他不變的場(chǎng)景。但是趨勢(shì)還是繼續(xù)保持不變。

光纖中包層的設(shè)計(jì)也能帶來(lái)改善。在包層中增加特定的溝槽設(shè)計(jì)，其微彎損耗的波長(zhǎng)依賴(lài)性有很大的變化。

在圖示中的溝槽設(shè)計(jì)光纖的微彎損耗的波長(zhǎng)依賴(lài)性和標(biāo)準(zhǔn)光纖有很大的不同。該圖中標(biāo)準(zhǔn)光纖的波長(zhǎng)依賴(lài)性有點(diǎn)超出常規(guī)的數(shù)據(jù)，主要是溝槽設(shè)計(jì)光纖其微彎損耗則平坦化。這意味這平時(shí)的問(wèn)題定位和問(wèn)題分析需要考慮光纖的設(shè)計(jì)，否則只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。

總之，光纖的設(shè)計(jì)會(huì)優(yōu)化微彎損耗，這對(duì)于特定場(chǎng)景帶來(lái)益處。

另外一個(gè)因素是光纜的因素，這個(gè)比較復(fù)雜，復(fù)雜在于光纜的類(lèi)型太多，設(shè)計(jì)差異很大，但是具體到某一類(lèi)型，則相對(duì)比較容易。

典型是涂層的微彎損耗的影響，直覺(jué)上也可以得出結(jié)論，涂層作為保護(hù)光纖的第一道防線，起著有效傳導(dǎo)應(yīng)力的作用，如果作為一個(gè)應(yīng)力傳遞函數(shù)，內(nèi)部的彈性模量越小，外部的彈性模量越大，則應(yīng)力傳遞函數(shù)的值越小，相應(yīng)的微彎損耗的影響也越小。

而涂層的直徑越大，自覺(jué)上也知道其微彎損耗的影響也越小。

顯然，900um的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)比較250um光纖的微彎損耗要小很多。這也可以知道，在一般的相同設(shè)計(jì)的光纜中，雖然900um光纖的活動(dòng)空間對(duì)小，但是一般情況下，其微彎損耗在成纜中確實(shí)要小很多。

第三個(gè)因素是光纜所處的環(huán)境帶來(lái)的影響。

由于微彎損耗的復(fù)雜性，目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法，通常使用IEC/TR 62221提供的測(cè)試方法。微彎損耗的測(cè)定具有一定的不確定性，即使使用確定的測(cè)試方法，在不同的測(cè)試環(huán)境和設(shè)備下，可能得到不同的結(jié)果。不同防止位置、實(shí)驗(yàn)室以及測(cè)試方法的差異也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果難以直接比較，主要是定性評(píng)估。因此，針對(duì)測(cè)試結(jié)果需要進(jìn)行單獨(dú)的評(píng)價(jià)。

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