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(jù)之一。本文重點(diǎn)介紹光纖宏彎損耗的物理性質(zhì)，借助描述光纖的損耗特性來(lái)闡釋損耗的基本測(cè)量方法。通過(guò)對(duì)原理的理解和實(shí)驗(yàn)研究，明確了彎曲半徑對(duì)單模光纖宏彎損耗的作用，得出的結(jié)論是：彎曲半徑小對(duì)應(yīng)的宏彎損耗振蕩強(qiáng)烈，隨著彎曲半徑的增大，波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)。事實(shí)證明在光纖通信運(yùn)用中，了解并解決傳輸損耗問(wèn)題極其重要。

【關(guān)鍵詞】宏彎損耗；測(cè)量方法

中圖分類號(hào)： TN818 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(duì)于通信系統(tǒng)，光纖是具有強(qiáng)大運(yùn)送訊息本領(lǐng)的線纜傳輸載體。當(dāng)光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸時(shí)，接收、散射和波導(dǎo)缺陷等因素作用導(dǎo)致功率耗費(fèi)，進(jìn)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(wǎng)絡(luò)的重要組成部分——集成光學(xué)器件，在工作中，需要利用彎曲的光波導(dǎo)在小范圍內(nèi)改變光路。在宏彎損耗、過(guò)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(shí)際應(yīng)用中必需的盤繞、曲折等引起的宏觀彎曲導(dǎo)致的損耗[2]。可以說(shuō)，宏彎損耗是指當(dāng)光纖彎曲的曲率半徑小于某臨界值時(shí)，光能量會(huì)從光纖芯往外輻射、光信號(hào)減弱的征象。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)理論都假設(shè)光纖具有無(wú)限大的包層，得到彎曲損耗隨彎曲半徑或工作波長(zhǎng)單調(diào)的關(guān)系[3]。國(guó)外的研究人員從上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)光纖的彎曲損耗進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，但在國(guó)內(nèi)，這方面的研究工作開(kāi)展較少[3]。

Harris和Castle從射線理論的角度解釋宏彎損耗這一現(xiàn)象，認(rèn)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(diǎn)，在緊密彎曲的光纖中通過(guò)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(yuǎn)大于纖芯半徑α，且大于最小限度Rmin=α/N2A（NA即半徑的數(shù)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(rèn)為，如果彎曲半徑大于，彎曲損耗可忽略不計(jì)[6]。

2 光纖損耗的測(cè)量方法和原理

2.1 光纖損耗特性

指定波長(zhǎng)λ處的衰減數(shù)值衰減系數(shù)α（λ），是通過(guò)光纖作為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)傳輸?shù)闹饕獏?shù)之一，它被描述為每單位長(zhǎng)度光纖引起的光功率衰減。當(dāng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，有

2.2 光纖損耗測(cè)量方法

測(cè)量光纖衰減系數(shù)，為的是要求在穩(wěn)定狀態(tài)中，計(jì)算一根均勻光纖單位長(zhǎng)度上的衰減，再線性疊加以確定連接長(zhǎng)度的總衰減。依據(jù)相關(guān)指標(biāo)性文件：ITU-T G.650和ITU-T G.651中描述，建議截?cái)喾榛鶞?zhǔn)測(cè)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(shí)驗(yàn)原理

基膜的損耗測(cè)試一般采取類似平板波導(dǎo)的方法，通過(guò)探究TE模的傳輸損耗，推導(dǎo)光纖波導(dǎo)的損耗。

如圖3所示，需要假定：波導(dǎo)沿y方向無(wú)限延長(zhǎng)；滿足弱導(dǎo)的前提；曲率半徑R足夠大；功率永恒且固定等。

當(dāng)r≥r2時(shí)，場(chǎng)分布應(yīng)該是振蕩的。此時(shí)利用漢克爾函數(shù)變換及近似運(yùn)算可得

彎曲波導(dǎo)的場(chǎng)振幅系數(shù)B為

設(shè)彎曲波導(dǎo)沿軸向單位長(zhǎng)度向兩側(cè)輻射功率損耗系數(shù)為2αe，定義為

式中，Sr和L分別為r處單位長(zhǎng)度上的徑向輻射功率流（坡印亭矢量的徑向分量）及波導(dǎo)對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，且有

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

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)量系統(tǒng)儀器由光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)、發(fā)射—接收光纖組成。

光纖傳感系統(tǒng)的基本原理即光強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)等光纖光波參數(shù)隨著外部測(cè)量參數(shù)而改變，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)外界被測(cè)物理量。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）取出發(fā)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(cè)器的一端與PIN探測(cè)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(qū)動(dòng)電流更改至指定數(shù)值。

（3）將發(fā)射—接收光纖以每隔一定的半徑進(jìn)行彎曲，對(duì)應(yīng)記錄經(jīng)光電轉(zhuǎn)換放大后的輸出電壓值（單位：），該值對(duì)應(yīng)光纖損耗的大小。

（4）將所得的數(shù)據(jù)中以半徑為橫坐標(biāo)，輸出電壓為縱坐標(biāo)，得出彎曲半徑與探測(cè)到電壓信號(hào)的關(guān)系曲線。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)改變彎曲半徑，測(cè)量從光纖出射的光信號(hào)，得到以下數(shù)據(jù)：

記錄測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)，嘗試計(jì)算機(jī)軟件MATLAB實(shí)現(xiàn)函數(shù)擬合。得到圖像如圖3-4?？煽闯觯陱潛p耗隨著彎曲半徑變大而陡然增加，且當(dāng)半徑較大時(shí)，宏彎損耗相對(duì)穩(wěn)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(jì)算公式，即式（10）：

4 總結(jié)

本文從理論和實(shí)驗(yàn)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著半徑的改變，宏彎損耗具有單調(diào)變化的趨勢(shì)，且呈現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。以此分析關(guān)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

光纖在有效性和可靠性的通信系統(tǒng)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(wèn)題，對(duì)光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行改善和優(yōu)化，才能從根本上保證通信事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

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