光纤宏弯损耗特性研究

曾晓靖

【摘 要】光纤损耗是决定光纤性能、判断光纤有效完成传输使命的重要依据之一。本文重点介绍光纤宏弯损耗的物理性质，借助描述光纤的损耗特性来阐释损耗的基本测量方法。通过对原理的理解和实验研究，明确了弯曲半径对单模光纤宏弯损耗的作用，得出的结论是：弯曲半径小对应的宏弯损耗振荡强烈，随着弯曲半径的增大，波动相对平稳。事实证明在光纤通信运用中，了解并解决传输损耗问题极其重要。

【关键词】宏弯损耗；测量方法

中图分类号： TN818 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0205-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.095

1 绪论

1.1 课题背景

对于通信系统，光纤是具有强大运送讯息本领的线缆传输载体。当光信号通过光纤传输时，接收、散射和波导缺陷等因素作用导致功率耗费，进而造成衰减。光纤损耗主要是由光纤自身的传输损耗和光纤接头处的熔接损耗造成的[1]。

作为光纤网络的重要组成部分——集成光学器件，在工作中，需要利用弯曲的光波导在小范围内改变光路。在宏弯损耗、过渡弯曲损耗和微弯损耗三类不同的光纤弯曲损耗中，宏弯损耗是由光纤实际应用中必需的盘绕、曲折等引起的宏观弯曲导致的损耗[2]。可以说，宏弯损耗是指当光纤弯曲的曲率半径小于某临界值时，光能量会从光纤芯往外辐射、光信号减弱的征象。

1.2 国内外研究现状

传统理论都假设光纤具有无限大的包层，得到弯曲损耗随弯曲半径或工作波长单调的关系[3]。国外的研究人员从上世纪80年代开始对光纤的弯曲损耗进行比较系统的研究，但在国内，这方面的研究工作开展较少[3]。

Harris和Castle从射线理论的角度解释宏弯损耗这一现象，认为是由光纤中的基模和在包层和涂覆层中传播的whispering gallery模之间的耦合引起的[4]。Lei Yao 等人提出基于耦合模特点，在紧密弯曲的光纤中通过绝热弯曲传输可降低弯曲损耗[5]。弯曲损耗的大小即：

只有弯曲半径远大于纤芯半径α，且大于最小限度Rmin=α/N2A（NA即半径的数值孔径），这两种条件完全满足的情况下，才能避免引起较大损耗。一般认为，如果弯曲半径大于，弯曲损耗可忽略不计[6]。

2 光纤损耗的测量方法和原理

2.1 光纤损耗特性

指定波长λ处的衰减数值衰减系数α（λ），是通过光纤作为媒介进行数据和信号传输的主要参数之一，它被描述为每单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为L时，有

2.2 光纤损耗测量方法

测量光纤衰减系数，为的是要求在稳定状态中，计算一根均匀光纤单位长度上的衰减，再线性叠加以确定连接长度的总衰减。依据相关指标性文件：ITU-T G.650和ITU-T G.651中描述，建议截断法为基准测量方法，插入法、背向散射法为替代方法。

3 光纤宏弯损耗研究

3.1 实验原理

基膜的损耗测试一般采取类似平板波导的方法，通过探究TE模的传输损耗，推导光纤波导的损耗。

如图3所示，需要假定：波导沿y方向无限延长；满足弱导的前提；曲率半径R足够大；功率永恒且固定等。

当r≥r2时，场分布应该是振荡的。此时利用汉克尔函数变换及近似运算可得

弯曲波导的场振幅系数B为

设弯曲波导沿轴向单位长度向两侧辐射功率损耗系数为2αe，定义为

式中，Sr和L分别为r处单位长度上的径向辐射功率流（坡印亭矢量的径向分量）及波导对应的弧长，且有

由式（10）可见，弯曲光纤损耗的变化与R/a和W两参数紧密相关。当R/a小到一定值，弯曲损耗骤然增大；当值很大，弯曲损耗可忽略不计[3]。

3.2 实验仪器和实验步骤

测量系统仪器由光纖传感实验仪主机、发射—接收光纤组成。

光纤传感系统的基本原理即光强度、频率、波长、相位、偏振态等光纤光波参数随着外部测量参数而改变，从而实现检测外界被测物理量。

实验步骤如下：

（1）取出发射—接收光纤，将光纤光源的一端与LED光源插接座相连（作用是让光从光纤的一端射入）、将探测器的一端与PIN探测器插接座相连（作用是让光从光纤的另一端射出）。

（2）连接电源，将LED的驱动电流更改至指定数值。

（3）将发射—接收光纤以每隔一定的半径进行弯曲，对应记录经光电转换放大后的输出电压值（单位：），该值对应光纤损耗的大小。

（4）将所得的数据中以半径为横坐标，输出电压为纵坐标，得出弯曲半径与探测到电压信号的关系曲线。

3.3 实验结果与讨论

通过改变弯曲半径，测量从光纤出射的光信号，得到以下数据：

记录测出来的数据，尝试计算机软件MATLAB实现函数拟合。得到图像如图3-4。可看出，宏弯损耗随着弯曲半径变大而陡然增加，且当半径较大时，宏弯损耗相对稳定，变化平缓。得到的拟合方程为：

y=-181.6718exp（-x/14.5455）+157.1698。

而弯曲损耗的计算公式，即式（10）：

4 总结

本文从理论和实验的角度分别探讨了单模光纤宏弯损耗和弯曲半径之间的关系，发现随着半径的改变，宏弯损耗具有单调变化的趋势，且呈现振荡的现象。以此分析关系曲线的特性并得出拟合公式，获得了与理论分析基本一致的实验结果。

光纤在有效性和可靠性的通信系统中，可以比喻为具有搭载信息能力的火箭。只有正视和解决光纤使用中的传输损耗问题，对光纤通信网络传输性能进行改善和优化，才能从根本上保证通信事业高质量发展。

【参考文献】

[1]张书林.光纤熔接损耗浅析[J].电力系统通信，2004，（7）：61-64.

[2]杨伟明，王英明，程淑玲，等. PBT紧套光纤微弯损耗分析[C].2004年光缆电缆学术年会论文集，2003： 51-54.

[3]纪运景，王雪珍，卞保民，等.单模光纤弯曲损耗的测量与分析[J].光学与光电技术，2003，1（5）： 59-61.

[4]江华，张静.单模光纤的弯曲损耗分析[J].通信技术，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]刘继贤.浅谈光纤的损耗[J].中国有线电视，2000，（9）：17-19.