光纤中弯曲损耗的控制因素-网络电信

1970年
1979年
2005年
光纤的弯曲特性
光纤的弯曲特性
宏观弯曲：光纤
轴心弯成环形，其直 径远大于光纤的本身 直径，约几个毫米， 光功率就在环形弯曲 处从光纤内部向外辐 射，以致光纤传输损 耗加大。
微观弯曲：光纤
轴心发生偏移，其直 径小于光纤本身的直 径。偏移的间隔为几 个微米，光功率沿光 纤长度间断地从光纤 内部向外辐射，引起 的损耗。
光纤中弯曲损耗的控制因素(1)
MAC对弯曲损耗的控制因素
阶跃式折射率单模光纤的弯曲性能也可以用模场
直径（MFD）与截止波长（λc）之间的特性表示，这
个著名的无量纲参数被称为MAC，其表征了光纤的弯 曲性能，函数关系表示为： MAC=MFD/λc
通过理论分析，光纤的弯曲敏感性随着MAC值的减
小而降低，损耗随MAC增加而增加。即降低MFD或增加 截止波长来降低MAC值，达到减小弯曲敏感性。但是 模场直径MFD过小，在抗弯曲敏感性光纤与常规光纤
然而，这些不同类型的抗弯曲光纤在熔接与连接损耗和性能一致性方面有着很大的差异。
光纤中弯曲损耗的控制因素(3)
涂层设计对弯曲损耗的控制因素
光纤的微弯损耗与涂层的设计工艺有关。适合的
涂覆压力与温度能够明显释放涂层应力，降低衰减，
也即降低光纤的微弯损耗。同样，涂料的本身特征 对光纤的损耗具有重要的影响。通常，外涂层的玻 璃转化温度（Tg）高于60℃，内涂层的玻璃转化温 度（Tg）远低于0℃，当内涂层处于弹性状态时， 外涂层仍处于玻璃状态，此时两者的膨胀系数相差 十倍左右，在裸光纤与内涂层的界面上产生拉应力， 增加了光纤的衰减及微弯损耗。
Asm=0.05amm*k4*w06(NA)4/a2m amm=(K/4)*(kn1w0)2*(kn1w0)2p (5) (6)
其中，NA为数值孔径，am为纤芯半径， amm为数值孔径NA与纤芯半径am的突变型多模光纤的微弯损耗，K
为常数，k为自由波数，p为弯曲功率光谱因子，w0为模场半径。
从上式中可见，弯曲损耗几乎取决于模场直径，当光纤微弯时，其损耗值增加，一般1550nm时比1210nm时高 3~5倍。
高强度耐弯单模光纤 的研究与应用
沈一春 博士
主要内容
光纤的弯曲特性
光纤的弯曲损耗机理及理论计算
光纤中弯曲损耗的控制因素
光纤的使用寿命——机械性能可靠性
高强度抗弯曲单模光纤的应用
光纤的发展历程
1966年 1966-华裔科学家“光纤之父” 高锟 预言光纤将用于通信； 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤； 1977-首次实际安装电话光纤网路； 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”； 1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤； 2000-到屋边光纤=>到桌边光纤； 2005-FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭。
光纤弯曲损耗理论计算——宏弯损耗
纯弯曲损耗也就是宏弯损耗，即在恒定曲率半径光纤中的损耗，Jeunhumme单模光纤给出了如下公式，假设 半径R，则每单位长度的损耗为： αc =AcR-1/2exp(-UR) (1) Ac=(1/2)( π/aW3)1/2{U/[WK1(W)]}2 (2) U=4＆n W3/(3aV2n2) (3) 式中a和＆n分别是纤芯半径和纤芯/包层的折射率差，αc，U，W和V分别为弯曲损耗系数、径向归一化相位常 数、径向归一化衰减常数、归一化频率。 一般，对于给定的折射率差、工作波长和截止波长，有一个临界曲率半径Rc，当实际曲率半径接近Rc时，弯 曲损耗从可以忽略的数值急剧增加到不可容忍的数值，如图1所示。在通常波段（1000nm）处，有效的Rc近似公 式为： Rc=20λ(＆n)-3/2(2.748-0.996λ/λc)-1 (4)
光纤弯曲损耗机理
当光纤弯曲的曲率半径太小，将引起光的传播途径的改变，使光从纤芯渗透 到包层，甚至有可能穿过包层向外渗漏。在正常情况下，光在光纤里沿轴向传播的 常数β应满足：
n2k0< β<n1k0
当光纤弯曲时，光在弯曲部分中传输，为了要保持同相位的电场和磁场在同一 平面里，则越靠近外侧，速度就越大；而当距纤芯的距离达到某一个临界距离时， 其运动速率必须大于光速才能跟上纤芯中的场，这显然是不可能的。因而这个临 界距离以外的场就丢失损耗。
单模光纤中的微弯损耗是依赖于波长的，即单模光纤对微弯损耗的敏感性随着波长的增加会有少量的增长，
产生这种物理原因是因为较长的波长会使MFD增加，从而使更多的功率辐射到纤芯外。 微弯损耗的理论计算 微弯损耗是光纤随机畸变而产生的高次模与辐射模之间的模耦合所引起的光功率损失，Jeunhumme对于单模
光纤的微弯损耗给出如下公式：
通过下陷包层包裹在芯层外围，可以有效降低弯曲损耗，同时，在很大程度上改变了模场传输 性能如MFD和色散等。这在降低截止波长的同时提高了光纤的抗弯性能。
除了以上光纤折射率剖面结构外，还有以下几种结构的抗弯曲光纤，达到约束光线的作用。
纤芯折射率最高，光信号在其中传输； 实心玻璃中的环结构，进一步将光线限制在纤芯中； 较低折射率氟修正包层，帮助将光线限制在纤芯中； 包层中含有较低折射率的气泡或空洞，帮助将光线限制在纤芯中； 包层中含有较低折射率的孔，帮助将光线限制在纤芯中； 包层，较低的折射率将光纤限制在纤芯中。
左图为 光纤弯曲损耗和弯曲半径的关系。从图中可以看出，随着弯曲半径的减
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小，其弯曲损耗不断的增大。而且在减小到某一值后，由于弯曲带来的损耗将会突
然急剧的增大。
光纤弯曲损耗理论计算——微弯损耗
光纤受到不均匀应力的作用，例如受到侧压力或者温度变化时，光纤轴产生微小不规则弯曲，其结果是传导 模变为辐射模 而导致光能损耗。
熔接时会引起较大的熔接损耗，同时考虑全波段进行
传输时，光缆截止波长需小于1260nm，因此在两者之 间寻求一个最佳平衡点。
光纤中弯曲损耗的控制因素(2)
波导结构设计对弯曲损耗的控制因素
光纤的结构与性能按其应用场合的差异而不同。在实际使用中的光缆线路中，光缆中的光纤不 可避免地受到弯曲应力的作用。研究证明，光纤的弯曲损耗与光纤的折射率分布结构参数（相对折 射率△n、纤芯半径a）有关。因此，对于一个特定的光通信系统，选择合适的光纤参数是非常重要 的，设计合理的光纤剖面折射率分布结构及材料组成，实现粘度匹配和功能梯度材料组成及结构组 成，这有利于从本质上提高光纤的抗弯曲性能和可靠的机械性能。