大功率激光入纖彎曲損耗機理研究

鄭元偉龍諾亞張 猛

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息中心，貴州貴陽 550003)

自從1966 年華裔學(xué)者高琨發(fā)現(xiàn)可以用透明石英玻璃作為光通信媒介來進行信息傳遞以來，光纖通信技術(shù)有了飛速的發(fā)展。目前新興的5G 技術(shù)正如火如荼地發(fā)展著，光纖通信傳輸系統(tǒng)朝著更高傳輸功率、更大傳輸容量和更遠傳輸距離的方向發(fā)展著[1]。在通信系統(tǒng)實際排布線路過程中光纖難免會發(fā)生彎曲，尤其是光纖連接處等，對于普通G652 型光纖，臨界曲率半徑為15 mm，即當彎曲半徑低于15 mm 時，光纖的彎曲對光纖傳輸系統(tǒng)造成的損耗就無法忽視[2-4]。而且在現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)中，在高功率激光的持續(xù)影響下光纖損耗可能會被放大[5-6]，這將對我們高功率長距離的光通信系統(tǒng)造成很大的影響。

對于光纖彎曲損耗，目前已經(jīng)有很多研究成果可供參考。薛夢馳[2]介紹了光纖彎曲損耗(宏彎損耗)和微彎損耗的形成機理和理論計算公式，以及實驗測量方法。吳昌，許立新等人[7]介紹了在常溫、高溫高濕、鹽霧環(huán)境和硫化環(huán)境下，光纖彎曲損耗系數(shù)隨著彎曲半徑的變化以及發(fā)現(xiàn)了光纖彎曲損耗與纏繞圈數(shù)近似呈現(xiàn)線性關(guān)系。對于高功率激光對光纖造成損傷的現(xiàn)象，Ellen B 等人[8]介紹了高功率激光注入時光纖損傷的機理并給出提高光纖抗激光損傷能力的措施。趙興海、高楊等人[9]介紹了光纖損傷對光纖傳輸性能的影響并發(fā)現(xiàn)了隨著激光脈沖持續(xù)時間增大，光纖損傷也會隨之增大的現(xiàn)象，但并未針對此現(xiàn)象給出明確的理論解釋，而這個效應(yīng)會在高功率長距離傳輸系統(tǒng)中造成很大的影響。針對這個現(xiàn)象，搭建系統(tǒng)進行實驗，并通過理論分析建立仿真模型，通過數(shù)值仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比驗證，對這一現(xiàn)象作出理論解釋。此外，還對比研究了在常溫環(huán)境和高低溫循環(huán)環(huán)境2 個不同環(huán)境下，高功率激光對光纖彎曲損傷的影響。

1 實驗方法

實驗測試系統(tǒng)如圖1。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

實驗中利用光電光(optical-electric-optical，OEO)轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生信號光源，并經(jīng)過光放大器(Optical Booster Amplifier，OBA)、一階拉曼和二階拉曼放大器級聯(lián)使得入纖功率達到最大增益。實驗測試用到的光纖型號為G654 型光纖，高低溫循環(huán)箱為PARTNER 公司生產(chǎn)(型號為CL-021-021)。光纖分為測試光纖組和長距離傳輸光纖2 段，我們將測試光纖全部放入高低溫循環(huán)箱內(nèi)，400 km 的傳輸光纖置于高低溫循環(huán)箱外且空置，防止高功率出纖激光對實驗系統(tǒng)造成危害。常溫測試環(huán)境下不開啟高低溫循環(huán)箱，溫度保持室溫為26 ℃。高低溫循環(huán)測試環(huán)境下系統(tǒng)設(shè)置和測試方法與常溫時相同，測試過程中高低溫循環(huán)箱內(nèi)溫度循環(huán)變化，循環(huán)范圍從-45 ℃到80 ℃，循環(huán)周期與升降溫速度及保持時間如圖2 所示。

圖2 高低溫循環(huán)溫度變化

在測試光纖組中，每隔200 m 光纖距離施加彎曲(曲率半徑分別為15 mm 和10 mm，均纏繞6圈)、壓力(1 kg 重力壓在1.6 cm 的光纖上，壓強約為5×106Pa)、熔接和法蘭連接等不同類型的損耗因素。高功率激光開啟后，OBA 輸出功率為27 dBm(500 mW)，一階拉曼放大器輸出676 mW，二階拉曼輸出1 278 mW，總輸出功率即入纖激光功率估算為500+676+1 278 ＝2 454 mW ＝2.45 W。每隔一段時間我們關(guān)閉激光器，將光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)連接至光纖入口處，測量各個我們設(shè)置的損耗點的光纖損耗及其變化，我們實驗中用到的OTDR 測量精度為±0.1 dB。

2 實驗結(jié)果

在我們實驗的測試條件下，熔接、曲率半徑為15 mm 的彎曲，壓力和法蘭連接這幾個損耗點在實驗過程中一直沒有出現(xiàn)OTDR 可測量到的損耗，因此，我們認為這幾個損耗因素并沒有給光纖造成明顯損傷。重點討論曲率半徑為10 mm 的彎曲給光纖造成的損傷。

2.1 常溫測試:

經(jīng)過約6 天的長時間連續(xù)測試，實驗結(jié)果顯示在常溫環(huán)境下122 h 高功率激光的影響下，曲率半徑10 mm 的彎曲的損傷變化隨著使時間逐漸變大。

常溫條件下曲率半徑10 mm 彎曲損傷隨時間的變化曲線如圖3。

圖3 常溫條件下曲率半徑10 mm 彎曲損傷隨時間變化曲線

2.2 高低溫循環(huán)測試:

經(jīng)過約15 天的長時間連續(xù)測試，實驗結(jié)果顯示在高低溫循環(huán)環(huán)境中高功率激光的影響下，曲率半徑10 mm 的彎曲的損傷變化隨著使時間逐漸變大，且相較于常溫測試更為明顯。

高低溫循環(huán)條件下曲率半徑10 mm 的彎曲損傷隨時間變化的曲線如圖4。

圖4 高低溫循環(huán)條件下曲率半徑10 mm 彎曲損傷隨時間變化曲線

我們隨后將常溫測試和高低溫循環(huán)測試的光纖彎曲損耗變化量隨時間變化規(guī)律進行對比，如圖5所示?？梢郧宄乜闯龈叩蜏販y試環(huán)境下，光纖彎曲損耗的變化速率要大于常溫測試環(huán)境。說明高低溫循環(huán)的外部環(huán)境會提升光纖內(nèi)部老化作用，加速了高功率激光對光纖造成的損傷，使其隨時間的變化速率比常溫情況下更快。

圖5 常溫與高低溫循環(huán)條件下彎曲損耗變化情況對比

3 理論研究

我們進一步分析大功率入纖激光對光纖造成損傷的物理機制，并建立對應(yīng)的數(shù)值模型。首先考慮光纖的彎曲損耗。對于單模光纖，假設(shè)光纖曲率半徑為R，則每單位長度的光纖損耗定義為α，其理論計算公式為[2]:

式中:R為光纖曲率半徑；α為光纖損耗；a為纖芯半徑；Δn為纖芯半徑以及纖芯與包層之間的折射率差；λ為工作波長1 550.12 nm；截止波長λc的理論公式為式(2):

式中:Δ 為光纖相對折射率；Vc為階躍型光纖歸一化頻率。光纖相關(guān)參數(shù)如下(光纖型號為G654):Vc＝2.404 83，a為4 μm～5 μm，纖芯折射率1.468 2，Δn約為0.005 3，Δ 為0.36%。通過以上公式可以計算出光纖彎曲損耗的大小。

而高功率激光對光纖的彎曲損耗需在上述理論基礎(chǔ)上進一步修正。Setchell R E 等人[8]的實驗證明了在高功率開啟時，光纖被加持處或光纖彎曲處等應(yīng)力產(chǎn)生部位容易出現(xiàn)損傷。這些部位由于應(yīng)力作用會產(chǎn)生一些微小游離的粒子，這些粒子會吸收高功率激光的能量，使得局部溫度升高，并產(chǎn)生光纖損傷。例如在激光能量密度20 J/cm2、脈寬30 ns 的激光作用下，典型金屬粒子的溫度可以超過104K，如此高的溫度會對光纖中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，造成熱損傷，產(chǎn)生光纖損傷[10-11]。

當開啟高功率激光時，從實驗結(jié)果可以看到曲率半徑為10 mm 的彎曲損傷數(shù)值隨著時間逐漸增加。我們認為高功率激光在光纖彎曲處造成了熱損傷，在光纖內(nèi)部造成一些破壞，導(dǎo)致纖芯折射率的變化，從而影響彎曲損耗的大小。隨著時間的增加，彎曲損耗慢慢增大。我們將熱損傷對光纖造成的破壞等效成造成一條等效裂縫的破壞。

我們根據(jù)熱損傷理論，認為等效裂縫寬度l 與熱損傷作用距離L成正比，且時間t的平方根與成正比:[12]。

我們假設(shè)一個等效熱損傷系數(shù)參數(shù)η來描述激光功率和環(huán)境因素對光纖損傷的影響，此系數(shù)需通過實驗數(shù)據(jù)擬合得出。于是等效裂縫寬度度l與時間t的關(guān)系可表達為:

隨后，進一步考慮光纖折射率的變化，主要分析高功率造成損傷導(dǎo)致纖芯折射率的變化:

式中:Δ(Δn)為纖芯折射率的變化；i為光纖纏繞圈數(shù)(該實驗中為6 圈)；ncore為纖芯折射率；nair為空氣折射率；nclade為包層折射率。

將式(3)代入截止波長的理論計算公式(2)得到:

然后將式(8)代入計算，得到光纖損耗隨時間變化的理論公式:

通過調(diào)整參數(shù)η與實驗數(shù)據(jù)進行擬合，同時利用R2值來衡量仿真曲線與實驗數(shù)據(jù)之間的擬合程度，可考察不同環(huán)境溫度條件下，高功率激光對光纖的彎曲損耗情況。

4 結(jié)果分析:

基于以上的理論分析，我們對常溫和高低溫循環(huán)2 種情況下的光纖彎曲損耗隨時間變化進行了數(shù)值仿真，并將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析。

4.1 常溫條件下的擬合情況:

在常溫測試條件下，當系數(shù)η取值2.9×10-6時此時擬合程度最佳。而損耗的仿真結(jié)果與實驗對比圖如圖6 所示。

圖6 常溫條件下光纖損耗隨測試時間變化理論曲線與實驗結(jié)果對比圖

4.1 高低溫循環(huán)條件下的擬合情況:

在高低溫測試條件下，當系數(shù)η取值3.4×10-6時，此時擬合程度最佳。損耗的仿真結(jié)果與實驗對比圖如圖7 所示。

圖7 高低溫循環(huán)條件下光纖損耗隨測試時間變化理論曲線與實驗結(jié)果對比圖

通過對常溫環(huán)境和高低溫循環(huán)環(huán)境測試結(jié)果對比和數(shù)值仿真結(jié)果分析，我們認為當開啟高功率激光時，光纖彎曲處由于高功率激光的連續(xù)入射造成了熱損傷，并在光纖內(nèi)部造成一些微小裂縫，導(dǎo)致纖芯折射率的變化，從而加劇了彎曲處的彎曲損耗，同時熱損傷隨著激光入射時間的增加在光纖彎曲處積累。因此，在曲率半徑10 mm 處，隨著時間的增加，彎曲損耗慢慢增大。從我們的仿真模型與實驗結(jié)果對比來看，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果擬合程度較好，我們的仿真模型很好的解釋了彎曲損耗隨著高功率激光注入時間變化的物理機制。

從仿真結(jié)果可以看出，高低溫循環(huán)情況下的系數(shù)η比常溫情況下的η值要大一些。這說明高低溫循環(huán)環(huán)境加速了光纖內(nèi)部老化的過程，在長時間高功率激光注入的情況下，在光纖彎曲處對光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的損傷比常溫情況更加明顯。通過圖5中常溫與高低溫循環(huán)條件下彎曲損耗變化數(shù)據(jù)的比較，可得到高低溫循環(huán)老化測試條件下的溫度循環(huán)加速因子AF 約為2.4。

5 結(jié)束語

在此次實驗條件下，施加壓力、熔接、曲率半徑15 mm 的彎曲和法蘭連接這幾種環(huán)境因素沒有對光纖造成明顯損傷，僅有曲率半徑為10 mm 的彎曲處出現(xiàn)了光纖損傷并隨高功率激光注入時間逐漸增大。針對這一現(xiàn)象進行了理論分析，并通過熱損傷理論建立了在高功率激光注入情況下光纖彎曲損耗隨時間緩慢變化的理論模型。通過與實驗結(jié)果對比，較好地驗證了彎曲損耗在高功率激光的影響下隨時間緩慢增大的物理機制。我們還同時觀察到了溫度變化因素的影響，在高低溫循環(huán)環(huán)境下彎曲損耗變化趨勢因老化加速的影響，比常溫情況下更加明顯。

在實際光纖通信系統(tǒng)中，由于光纖局部彎曲無法避免，而且隨著對入纖信號功率的需求越來越高，彎曲損耗對光纖的影響將將愈加顯著。為減少彎曲損耗的影響，我們可以對入纖激光進行預(yù)處理或選擇彎曲不敏感光纖等措施。