淺析光纖的彎曲損耗的利用
光纖的彎曲損耗和微彎損耗都是由于光不滿足全內(nèi)反射的條件而造成的。下面我們來介紹一下光纖的彎曲損耗。
彎曲損耗的機(jī)理
現(xiàn)代光纖最重要的優(yōu)點(diǎn)之一就是它的易彎曲性，如果光纖彎曲的曲率半徑太小，將引起光的傳播途徑的改變，使光從纖芯滲透到包層，甚至有可能穿過包層向外滲漏。在正常情況下，光在光纖里沿軸向傳播的常數(shù)β應(yīng)滿足：n2k0＜β＜n1k0。
當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光在彎曲部分中進(jìn)行傳輸，要想保持同相位的電場和磁場在一個(gè)平面里，則越靠近外側(cè)，其速度就會(huì)越大。當(dāng)傳到某一位置時(shí)，其相速度就會(huì)超過光速，這意味著傳導(dǎo)模要變成輻射模，所以，光束功率的一部分會(huì)損耗掉，這也就意味著衰減將會(huì)增加。光纖成纜、現(xiàn)場敷設(shè)、光纜接頭等場合都會(huì)引起光纖的彎曲損耗。
彎曲損耗的理論計(jì)算
按照D.Marcuse的理論，當(dāng)彎曲半徑濰R時(shí)，彎曲損耗系數(shù)為：
- 2αb=πu2emW32V2Rkm-1(Wa)km+1(Wa)exp-23W3β2R(1)
其中，u,W分別為徑向歸一化相位常數(shù)和徑向歸一化衰減常數(shù)，β是軸向傳播常數(shù)，a是纖芯半徑，V是歸一化頻率，km是m階修正貝塞爾函數(shù)，em=2(m=0),em=1(m≠0)。式(1)對每種LPmn模都成立。單模光纖中只傳播LP01模，所以只考慮LP01模就可以了，即：
- 2αb=πu22W32V2Rk-1(Wa)k1(Wa)exp-23W3β2R(2)
Jeunhumme對單模光纖給出了如下的計(jì)算公式,假設(shè)半徑濰R，則每單位長度的損耗為：
- αc=AcR-12exp(-UR)(3)
- Ac=12πaW3uWk1(W)2(4)
- U=4ΔnW33aV2n2(5)
式中a和Δn分別是纖芯半徑和纖芯—包層的折射率差，u,W和V分別為徑向歸一化相位常數(shù)、徑向歸一化衰減常數(shù)、歸一化頻率。
由：
- V=ak0(n1-n2)12≈ak0(2n2Δn)12=ak0n2(2Δ)12
- V=2.405λcλ
- W≈1.142 8V-0.996≈2.748 4λcλ-0.996
- u=(V2-W2)12
可得分析近似公式：
- U≈0.705(Δn)32λ2.748-0.996λλc3(m-1)
另外，
- W-23u2W2K21(W)
可以簡化為
- 3.7λcλ2
則
- Ac=12πa123.7λcλ2(dB/m12)
以上的簡化式可在實(shí)際計(jì)算中使用。
一般，對于給定的折射率差、工作波長和截止波長，有一個(gè)臨界曲率半徑RC，當(dāng)實(shí)際曲率半徑接近RC時(shí)，彎曲損耗從可以忽略的數(shù)值急劇增加到不可容忍的數(shù)值。在通常波段（1 000 nm）處，有效的RC近似公式為：
- Rc=20λΔn322.748-0.996λλc-1(6)
彎曲損耗的利用
（1）模式過濾器：過濾就是對高級(jí)模式的去除，只要彎曲一下，光纖就可以作為模式過濾器。
（2）衰減器：衰減器是在控制狀態(tài)下減少傳輸功率的裝置。有一類衰減器只要將用于傳輸?shù)墓饫w轉(zhuǎn)幾圈就可以了，根本不需要引入外部器件，使用這種衰減器，可以通過控制光纖以給定的半徑所轉(zhuǎn)的圈數(shù)來控制衰減量。
（3）熔接機(jī)：使用彎曲損耗來控制熔接質(zhì)量。熔接是通過將光纖的端面熔化后將兩根光纖連接在一起的過程，這個(gè)過程與金屬焊接過程類似。
（4）光纖識(shí)別儀：光纖識(shí)別儀是一種利用光纖彎曲效果的儀器。當(dāng)將一根光纖彎曲時(shí),有些光會(huì)從光纖中輻射出來，這些光就會(huì)被光纖識(shí)別儀檢測到，在不切斷光纖、不中斷通信的條件下，技術(shù)人員根據(jù)這些光可以將多芯光纖或單根光纖從其他光纖中識(shí)別出來，并檢測光的狀態(tài)及方向。大多數(shù)的光纖識(shí)別儀用于波長為1 310 nm或1 550 nm的單模光纖光纜。
彎曲損耗的基本原理、理論計(jì)算及利用的介紹就結(jié)束了，了解彎曲損耗，可以在光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中加以充分利用。
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