單膜光纖彎曲損耗的實驗測量與分析

葉伏秋

(吉首大學物理與機電工程學院，湖南 吉首416000)

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單膜光纖彎曲損耗的實驗測量與分析

葉伏秋

(吉首大學物理與機電工程學院，湖南 吉首416000)

摘要：測量了1 310 nm和1 550 nm波長下單膜光纖彎曲半徑變化引起的彎曲損耗，分析比較了2種不同波長光和彎曲半徑對彎曲損耗的影響.測量結(jié)果表明，彎曲損耗系數(shù)會隨著彎曲半徑的增大而減小，并且出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象.在彎曲半徑較大時，彎曲損耗的變化比較平緩，1 550 nm波長較1 310 nm波長彎曲損耗更易產(chǎn)生，在彎曲半徑較小時，彎曲損耗出現(xiàn)劇烈振蕩，2種光波長對彎曲損耗的敏感程度交替變大.

關(guān)鍵詞：光纖；工作波長；彎曲半徑；彎曲損耗

在通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，光纖得到了越來越廣泛的使用，但在光纖成纜、光纜接頭的熱縮保護、接頭盒中余纖的收容盤放、尾纖的收容、光跳線的布放等使用過程中必需彎曲光纖，此外，在制作具有某些特殊性質(zhì)的光電子器件(如光纖偏振器)時，也需要彎曲光纖.光纖彎曲時產(chǎn)生的損耗必然將影響到光纖的相關(guān)使用，因此人們必須重視光纖彎曲損耗對使用產(chǎn)生的影響.1990年代美國Bell實驗室的Marcuse D.利用夫瑯和費衍射理論推導了階躍折射率光纖LP01模的彎曲損耗計算公式和平板波導的彎曲損耗計算公式[1]，并且使用一致的計算公式計算了光纖的彎曲損耗.同時，Renner H.[2]和Haran F M.[3]從數(shù)學上推導了單模光纖中的彎曲損耗與彎曲半徑和工作波長的關(guān)系.

本文通過實驗測量并分析研究了在1 310 nm和1 550 nm工作波長光條件下光纖的彎曲半徑的變化對彎曲損耗的影響，然后又研究分析了不同工作波長光和光纖的彎曲半徑對彎曲損耗的影響規(guī)律.

1理論計算

一般情況下，單模光纖的包層及覆層的厚度幾乎不會影響光的傳輸.光能的損耗僅僅只由純彎曲引起，此時光功率的變化可以表示為[4]：

由此可見，光纖中的彎曲損耗主要與光纖中傳輸光的工作波長和光纖的彎曲狀態(tài)有關(guān).

2實驗方法

測量光纖中的彎曲損耗的實驗方法，通常將被測光纖經(jīng)過恰當?shù)鸟詈掀骷詈系綔y試系統(tǒng)，然后將穩(wěn)定光源發(fā)出的不同工作波長的光輸入其中，在保持工作波長光的注入狀態(tài)和耦合狀態(tài)不變的情況下，分別測量光纖彎繞若干圈前后的輸出功率Pi和Po，光纖的彎曲相對損耗的公式為[5]

(1)

一般情況下，光纖的彎曲損耗不會太大，為了提高光纖彎曲損耗的實驗測量效果，筆者設(shè)計了如圖1所示的實驗測試結(jié)構(gòu)，其中擾模器結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1　單模光纖彎曲損耗測試實驗結(jié)構(gòu)

實驗測量時，首先利用1 310 nm工作波長光測量光纖跳線沒有進行纏繞時的輸出光功率Po，然后測量光纖跳線分別纏繞1～12個時的輸出光功率P1~P12，最后利用公式(1)計算得到工作波長為1 310 nm光波時單模光纖中的相對損耗.然后，把工作波長改為1 550 nm重復(fù)上述操作，得到工作波長為1 550 nm光波時單模光纖中的相對損耗.

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圖2擾模器結(jié)構(gòu)

3實驗結(jié)果

在同一光纖的不同彎曲狀態(tài)下，利用1 310 nm和1 550 nm這2種不同工作波長進行實驗，測量分析彎曲半徑對彎曲損耗的影響(表1).表1中所有數(shù)據(jù)為2種不同工作波長條件下的平均值.

表1　光纖彎曲損耗測試數(shù)據(jù)表

由表1可知：

(1)對于2種工作波長，其彎曲損耗系數(shù)A都會隨著彎曲半徑的增大而逐步減小，并且產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象.

(2)當彎曲半徑逐漸增大時，2種工作波長的彎曲損耗表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：1 550 nm波長的彎曲損耗有比較大的起伏，而1 310 nm波長的彎曲損耗變化則比較平緩.

(3)當彎曲半徑相同時，1 550 nm波長光比1 310 nm波長光產(chǎn)生彎曲損耗明顯多，特別是在彎曲半徑較大時，1 550 nm波長光對彎曲更加敏感，產(chǎn)生彎曲損耗也比1 310 nm波長光更容易.

(4)當較小的彎曲半徑時，隨彎曲半徑的變化，2種工作波長的彎曲損耗急劇增大，并產(chǎn)生明顯劇烈的振蕩.

通過上述實驗測量結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，隨著彎曲半徑的變化，2種工作波長的彎曲損耗都會表現(xiàn)出一種劇烈的振蕩現(xiàn)象，而且二者的彎曲損耗的變化規(guī)律在不同彎曲半徑時存在較大的差異.在彎曲半徑較大時，1 550 nm工作波長光較1 310 nm工作波長光更容易產(chǎn)生彎曲損耗，而在彎曲半徑較小時，2種工作波長光的彎曲損耗均出現(xiàn)劇烈的振蕩，二者沒有規(guī)則的大小關(guān)系.

4結(jié)語

實驗測量了1 310 nm和1 550 nm這2種工作波長在不同彎曲半徑時產(chǎn)生的彎曲損耗，從測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光纖的彎曲狀況以及傳輸工作波長對光纖中的彎曲損耗影響很大.彎曲半徑越小，光纖中產(chǎn)生的彎曲損耗越大.因此，在使用光纜時，為了避免出現(xiàn)所謂的“背扣”現(xiàn)象，安裝布放光纜時應(yīng)該嚴格按照彎曲半徑要求進行彎曲，避免出現(xiàn)小于彎曲半徑要求的急彎現(xiàn)象.

參考文獻：

[1] MARCUSE D.Bend Loss of Slab and Fiber Mode Computed with Diffraction Theory[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1994,29(1):2 957-2 961.

[2] RENNER H.Bending Losses of Coated Single￣Mode Fibers:A Simple Approach[J].Journal Lightwave Technology,1992,10(6):544-551.

[3] HARAN F M,ONO’K,BARTON J S,et al.Bend Loss Oscillations in Single Mode Optical Fiber[J].Optical Communications,1994,10(8):55-59.

[4] 廖延彪.光纖光學[M].北京:清華大學出版社,2013：93-94.

[5] 祝寧華，閆連山，劉建國.光纖光學前沿[M].北京:科學出版社,2011.

(責任編輯陳炳權(quán))

Experimental Measurement and Analysis of Monofilm

Optical Fiber Bend Loss

YE Fuqiu

(College of Physics and Mechanical Electrical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)

Abstract:The changes of bending loss in 1 310 nm wavelength and 1 550 nm wavelength with different bending radius of optical fiber is measured,and the effect of different working wavelength light and bending radius in optical fiber on bending loss is compared.The result shows that the bending loss coefficient decreases with the increase of bending radius,withthe oscillation phenomenon appearing；in large bending radius,bending loss changes gently,but the bending loss is more likely to occurin 1 550 nm wavelength than in 1 310 nm wavelength.The bending loss show sharp oscillation with small bending radius.At this time,the sensitivity of two optical wavelengths to the bending loss become large alternately.

Key words:optical fiber；working wavelength；bending radius；bending loss

作者簡介：葉伏秋(1967—)，男，湖南益陽人，吉首大學物理與機電工程學院副教授，碩士，主要從事物理學研究.

收稿日期：2014-12-26

中圖分類號：O436；TN818

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.007

文章編號：1007-2985(2015)03-0029-03