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浅析光纤的微弯损耗的利用

2011-06-16 11:15 邢雪宁,张治辉,陈婷 中国有线电视 我要评论(0) 字号:T | T
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从我国情况来看,“十五”规划末我国光缆总长度将达到250万km,近两年,我国平均每年铺设光缆30万km左右,在今后5年中,国内光缆需求总量将达到250万km。本文将对光纤应用中的微弯损耗情况进行分析并简要说明其应用。

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光纤的弯曲损耗和微弯损耗都是由于光不满足全内反射的条件而造成的。下面我们来介绍一下光纤的微弯损耗。

微弯损耗的机理

所谓微弯损耗就是光纤受到不均匀应力的作用,例如受到侧压力或者套塑光纤受到温度变化时,光纤轴产生微小不规则弯曲,其结果是传导模变换为辐射模而导致光能损耗。微弯是一些随机的、曲率半径可以与光纤的横截面尺寸相比拟的畸变。

纤芯包层接口在几何上的不完善可能会造成在相应区域上微观的凸起或凹陷。尽管光是在光纤的直分段中传输,光束碰到这些不完善的地方会改变其方向。光束最初以临界传播角传输,经过在这些不完善点处的反射以后,传播角会发生变化,结果就是不再满足全内反射条件,部分光被折射掉,即泄露出纤芯,这就是微弯损耗的机制。

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,产生这种变化的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

微弯衰减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,其微弯衰减大小由下式求出:

  1. Am=N〈h2〉a4b6Δ3EEf32(7)  

式中:N是随机微弯的个数;h是微弯突起的高度;〈〉表示统计平均符号;E是涂层料的杨氏模量;Ef是光纤的杨氏模量;a为纤芯半径,b为光纤外半径;Δ为光纤的相对折射率差。

Jeunhumme对于单模光纤的微弯损耗给出了下述公式:

  1. asm=0.05ammk4w60(NA)4a2m(8)  

式中:NA为数值孔径,am为纤芯半径,amm为数值孔径为NA、纤芯半径为am的突变型多模光纤的微弯损耗。该突变型多模光纤与我们所关心的单模光纤有相同的外径,并处在相同的机械环境中。

光纤微弯损耗效应在检测与自控技术中的几种应用

(1)光纤微弯及多圈螺旋式传感器

光纤微弯可有多种弯曲变形形式,当被测物受到外界影响时,光纤发生弯曲变形,通过检测光纤内传输的光功率变化量而定出被测量。为了提高灵敏度,将微弯曲传感光纤做成多圈螺旋管状,图2所示是一种小位移微弯传感器结构,位移较小时,测量板的位移量与光纤传输的光功率变化基本上成线性关系。

(2)齿条式传感器

这种传感器结构的形式,可适当选择齿条式传感器的齿间周期δ,使之与光纤导波模间的传播系数相当,满足条件δ=2πΔβ。当外界因素使变形器产生位移时,嵌入其中的光纤因弯曲引起各相邻模式间的有效耦合,导波模不断转换成包层模,发生辐射损耗,导致光纤中传输的光功率明显下降。

(3)另外,结合OTDR,利用微弯损耗可以准确找出光纤接续点,确定光纤序号,判定高损耗点等。

微弯损耗的基本原理、理论计算及利用的介绍就结束了,了解微弯损耗,可以在光纤通信系统的设计中加以充分利用。

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