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微彎曲引起的光學損耗 - 光纖基礎知識

發布時間：2024-02-23作者來源：金航標瀏覽：1497


在光纖的應用中，微彎損耗是一個比較復雜且值得關注的光學損耗類型。隨著器件和光纖技術的進步，引入了直接光交換代替電交換，使光纖容易受到長期應力的影響。更細的光纖直徑和多芯光纖的使用都增加了微彎損耗的風險，因為它們導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對應的損耗，但是從損耗發生的機理來看，兩者存在比較明顯的區別。而在實際應用中，根據損耗的性質區分損耗來自微彎還是宏彎是非常必要的，涉及到問題的定位和解決問題的途徑。
從幾何變形上看：
微彎損耗實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屬性，微彎的場景來自高頻和低幅度。
可以將外部擾動進行模擬，是一個隨著時間其頻率和幅度做隨機的變化。對這種隨機變化做傅里葉變化，幅度等效于功率，就有對應的功率譜密度和空間頻率的對應關系。

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這個從直覺上也比較容易理解和得出一個定性的結論，擾動頻率非常高的時候，光纖的變形則均勻化，微彎損耗影響并不大，而擾動頻率非常低的時候，真正的彎曲可能會形成，宏彎損耗則占主導地位。
從損耗機理上兩者也有差異。
宏彎損耗中，可以認為光纖中的基模(單模光纖)其模場分布向彎曲一側擴散，擴散到包層深處的部分會形成輻射，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，當然也可能重新耦合回基模。

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微彎損耗的分析比較典型是采用模式耦合理論，其基本的關系有點復雜。

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其中C為基模和某一高階模式的耦合系數，這個體現有多少功率會從導模耦合到高階模或者包層模(單模場景)。Qfiber為光纖在受到直接的應力下的擾動，Qenv為環境變化時，間接受到的應力下的擾動。
這種建模分析的準確性是很難的，因為造成微彎損耗的擾動是高度隨機的，但是分析的目的是提供很強的指導性，特點場景下，增加一些系數可以逼近模擬結果。
Olshansky在早期研究并提出一個觀察性質的關系式。

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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
對應大部分場景，這個關系式更有幫助。
產生微彎損耗的來源主要是外部因素，如果光纖只是作為裸纖應用，沒有成纜，如果在自由空間中沒有外力的影響，是不存在微彎損耗的可能。雖然光纖本身的幾何不規則可能有微彎損耗的可能，但是由于在出廠的測試中均通過損耗測試，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應光纖的微彎損耗影響。
微彎損耗的來源主要來自三個方面。
首先是光纖本身的設計，光纖本身的設計不是產生微彎損耗的來源，但是對于微彎敏感是光纖設計本身決定的。
纖芯的設計主要是MAC值的影響。這個和Olshansky的特征公式是吻合的。

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MAC越小，在相同的外部微擾下，其微彎損耗也越小。

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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。

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雖然纖芯半徑降低，增大折射率差均可以降低微彎損耗，但是光纖參數之間的相互關聯性，并且光纖的標準化，不太可能只存在一個參數的變化，而其他不變的場景。但是趨勢還是繼續保持不變。

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光纖中包層的設計也能帶來改善。在包層中增加特定的溝槽設計，其微彎損耗的波長依賴性有很大的變化。

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在圖示中的溝槽設計光纖的微彎損耗的波長依賴性和標準光纖有很大的不同。該圖中標準光纖的波長依賴性有點超出常規的數據，主要是溝槽設計光纖其微彎損耗則平坦化。這意味這平時的問題定位和問題分析需要考慮光纖的設計，否則只是根據經驗可能產生誤導。
總之，光纖的設計會優化微彎損耗，這對于特定場景帶來益處。
另外一個因素是光纜的因素，這個比較復雜，復雜在于光纜的類型太多，設計差異很大，但是具體到某一類型，則相對比較容易。
典型是涂層的微彎損耗的影響，直覺上也可以得出結論，涂層作為保護光纖的第一道防線，起著有效傳導應力的作用，如果作為一個應力傳遞函數，內部的彈性模量越小，外部的彈性模量越大，則應力傳遞函數的值越小，相應的微彎損耗的影響也越小。
而涂層的直徑越大，自覺上也知道其微彎損耗的影響也越小。

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顯然，900um的直徑遠遠比較250um光纖的微彎損耗要小很多。這也可以知道，在一般的相同設計的光纜中，雖然900um光纖的活動空間對小，但是一般情況下，其微彎損耗在成纜中確實要小很多。
第三個因素是光纜所處的環境帶來的影響。
由于微彎損耗的復雜性，目前尚無標準化的測試方法，通常使用IEC/TR 62221提供的測試方法。微彎損耗的測定具有一定的不確定性，即使使用確定的測試方法，在不同的測試環境和設備下，可能得到不同的結果。不同防止位置、實驗室以及測試方法的差異也會導致結果難以直接比較，主要是定性評估。因此，針對測試結果需要進行單獨的評價。


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