光纖宏彎損耗特性研究

曾曉靖

【摘 要】光纖損耗是決定光纖性能、判斷光纖有效完成傳輸使命的重要依據之一。本文重點介紹光纖宏彎損耗的物理性質，借助描述光纖的損耗特性來闡釋損耗的基本測量方法。通過對原理的理解和實驗研究，明確了彎曲半徑對單模光纖宏彎損耗的作用，得出的結論是：彎曲半徑小對應的宏彎損耗振蕩強烈，隨著彎曲半徑的增大，波動相對平穩。事實證明在光纖通信運用中，了解并解決傳輸損耗問題極其重要。

【關鍵詞】宏彎損耗；測量方法

中圖分類號： TN818 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0205-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.095

1 緒論

1.1 課題背景

對于通信系統，光纖是具有強大運送訊息本領的線纜傳輸載體。當光信號通過光纖傳輸時，接收、散射和波導缺陷等因素作用導致功率耗費，進而造成衰減。光纖損耗主要是由光纖自身的傳輸損耗和光纖接頭處的熔接損耗造成的[1]。

作為光纖網絡的重要組成部分——集成光學器件，在工作中，需要利用彎曲的光波導在小范圍內改變光路。在宏彎損耗、過渡彎曲損耗和微彎損耗三類不同的光纖彎曲損耗中，宏彎損耗是由光纖實際應用中必需的盤繞、曲折等引起的宏觀彎曲導致的損耗[2]。可以說，宏彎損耗是指當光纖彎曲的曲率半徑小于某臨界值時，光能量會從光纖芯往外輻射、光信號減弱的征象。

1.2 國內外研究現狀

傳統理論都假設光纖具有無限大的包層，得到彎曲損耗隨彎曲半徑或工作波長單調的關系[3]。國外的研究人員從上世紀80年代開始對光纖的彎曲損耗進行比較系統的研究，但在國內，這方面的研究工作開展較少[3]。

Harris和Castle從射線理論的角度解釋宏彎損耗這一現象，認為是由光纖中的基模和在包層和涂覆層中傳播的whispering gallery模之間的耦合引起的[4]。Lei Yao 等人提出基于耦合模特點，在緊密彎曲的光纖中通過絕熱彎曲傳輸可降低彎曲損耗[5]。彎曲損耗的大小即：

只有彎曲半徑遠大于纖芯半徑α，且大于最小限度Rmin=α/N2A（NA即半徑的數值孔徑），這兩種條件完全滿足的情況下，才能避免引起較大損耗。一般認為，如果彎曲半徑大于，彎曲損耗可忽略不計[6]。

2 光纖損耗的測量方法和原理

2.1 光纖損耗特性

指定波長λ處的衰減數值衰減系數α（λ），是通過光纖作為媒介進行數據和信號傳輸的主要參數之一，它被描述為每單位長度光纖引起的光功率衰減。當長度為L時，有

2.2 光纖損耗測量方法

測量光纖衰減系數，為的是要求在穩定狀態中，計算一根均勻光纖單位長度上的衰減，再線性疊加以確定連接長度的總衰減。依據相關指標性文件：ITU-T G.650和ITU-T G.651中描述，建議截斷法為基準測量方法，插入法、背向散射法為替代方法。

3 光纖宏彎損耗研究

3.1 實驗原理

基膜的損耗測試一般采取類似平板波導的方法，通過探究TE模的傳輸損耗，推導光纖波導的損耗。

如圖3所示，需要假定：波導沿y方向無限延長；滿足弱導的前提；曲率半徑R足夠大；功率永恒且固定等。

當r≥r2時，場分布應該是振蕩的。此時利用漢克爾函數變換及近似運算可得

彎曲波導的場振幅系數B為

設彎曲波導沿軸向單位長度向兩側輻射功率損耗系數為2αe，定義為

式中，Sr和L分別為r處單位長度上的徑向輻射功率流（坡印亭矢量的徑向分量）及波導對應的弧長，且有

由式（10）可見，彎曲光纖損耗的變化與R/a和W兩參數緊密相關。當R/a小到一定值，彎曲損耗驟然增大；當值很大，彎曲損耗可忽略不計[3]。

3.2 實驗儀器和實驗步驟

測量系統儀器由光纖傳感實驗儀主機、發射—接收光纖組成。

光纖傳感系統的基本原理即光強度、頻率、波長、相位、偏振態等光纖光波參數隨著外部測量參數而改變，從而實現檢測外界被測物理量。

實驗步驟如下：

（1）取出發射—接收光纖，將光纖光源的一端與LED光源插接座相連（作用是讓光從光纖的一端射入）、將探測器的一端與PIN探測器插接座相連（作用是讓光從光纖的另一端射出）。

（2）連接電源，將LED的驅動電流更改至指定數值。

（3）將發射—接收光纖以每隔一定的半徑進行彎曲，對應記錄經光電轉換放大后的輸出電壓值（單位：），該值對應光纖損耗的大小。

（4）將所得的數據中以半徑為橫坐標，輸出電壓為縱坐標，得出彎曲半徑與探測到電壓信號的關系曲線。

3.3 實驗結果與討論

通過改變彎曲半徑，測量從光纖出射的光信號，得到以下數據：

記錄測出來的數據，嘗試計算機軟件MATLAB實現函數擬合。得到圖像如圖3-4。可看出，宏彎損耗隨著彎曲半徑變大而陡然增加，且當半徑較大時，宏彎損耗相對穩定，變化平緩。得到的擬合方程為：

y=-181.6718exp（-x/14.5455）+157.1698。

而彎曲損耗的計算公式，即式（10）：

4 總結

本文從理論和實驗的角度分別探討了單模光纖宏彎損耗和彎曲半徑之間的關系，發現隨著半徑的改變，宏彎損耗具有單調變化的趨勢，且呈現振蕩的現象。以此分析關系曲線的特性并得出擬合公式，獲得了與理論分析基本一致的實驗結果。

光纖在有效性和可靠性的通信系統中，可以比喻為具有搭載信息能力的火箭。只有正視和解決光纖使用中的傳輸損耗問題，對光纖通信網絡傳輸性能進行改善和優化，才能從根本上保證通信事業高質量發展。

【參考文獻】

[1]張書林.光纖熔接損耗淺析[J].電力系統通信，2004，（7）：61-64.

[2]楊偉明，王英明，程淑玲，等. PBT緊套光纖微彎損耗分析[C].2004年光纜電纜學術年會論文集，2003： 51-54.

[3]紀運景，王雪珍，卞保民，等.單模光纖彎曲損耗的測量與分析[J].光學與光電技術，2003，1（5）： 59-61.

[4]江華，張靜.單模光纖的彎曲損耗分析[J].通信技術，2010，43（04）：67-69.

[5]Lei Yao， T. A. Birks and J. C. Knight. Low bend loss in tightly-bent fibers through adiabatic bend transitions， OPTICS EXPRESS， 2009， 17（4）： 2962-2967.

[6]劉繼賢.淺談光纖的損耗[J].中國有線電視，2000，（9）：17-19.