葉伏秋

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首416000)

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單膜光纖彎曲損耗的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與分析

葉伏秋

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首416000)

摘要：測(cè)量了1 310 nm和1 550 nm波長(zhǎng)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(zhǎng)光和彎曲半徑對(duì)彎曲損耗的影響.測(cè)量結(jié)果表明，彎曲損耗系數(shù)會(huì)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(shí)，彎曲損耗的變化比較平緩，1 550 nm波長(zhǎng)較1 310 nm波長(zhǎng)彎曲損耗更易產(chǎn)生，在彎曲半徑較小時(shí)，彎曲損耗出現(xiàn)劇烈振蕩，2種光波長(zhǎng)對(duì)彎曲損耗的敏感程度交替變大.

關(guān)鍵詞：光纖；工作波長(zhǎng)；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(lái)越廣泛的使用，但在光纖成纜、光纜接頭的熱縮保護(hù)、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(guò)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(shí)，也需要彎曲光纖.光纖彎曲時(shí)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(duì)使用產(chǎn)生的影響.1990年代美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的Marcuse D.利用夫瑯和費(fèi)衍射理論推導(dǎo)了階躍折射率光纖LP01模的彎曲損耗計(jì)算公式和平板波導(dǎo)的彎曲損耗計(jì)算公式[1]，并且使用一致的計(jì)算公式計(jì)算了光纖的彎曲損耗.同時(shí)，Renner H.[2]和Haran F M.[3]從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)了單模光纖中的彎曲損耗與彎曲半徑和工作波長(zhǎng)的關(guān)系.

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量并分析研究了在1 310 nm和1 550 nm工作波長(zhǎng)光條件下光纖的彎曲半徑的變化對(duì)彎曲損耗的影響，然后又研究分析了不同工作波長(zhǎng)光和光纖的彎曲半徑對(duì)彎曲損耗的影響規(guī)律.

1理論計(jì)算

一般情況下，單模光纖的包層及覆層的厚度幾乎不會(huì)影響光的傳輸.光能的損耗僅僅只由純彎曲引起，此時(shí)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(zhǎng)和光纖的彎曲狀態(tài)有關(guān).

2實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)量光纖中的彎曲損耗的實(shí)驗(yàn)方法，通常將被測(cè)光纖經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)鸟詈掀骷詈系綔y(cè)試系統(tǒng)，然后將穩(wěn)定光源發(fā)出的不同工作波長(zhǎng)的光輸入其中，在保持工作波長(zhǎng)光的注入狀態(tài)和耦合狀態(tài)不變的情況下，分別測(cè)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(duì)損耗的公式為[5]

(1)

一般情況下，光纖的彎曲損耗不會(huì)太大，為了提高光纖彎曲損耗的實(shí)驗(yàn)測(cè)量效果，筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，首先利用1 310 nm工作波長(zhǎng)光測(cè)量光纖跳線沒(méi)有進(jìn)行纏繞時(shí)的輸出光功率Po，然后測(cè)量光纖跳線分別纏繞1～12個(gè)時(shí)的輸出光功率P1~P12，最后利用公式(1)計(jì)算得到工作波長(zhǎng)為1 310 nm光波時(shí)單模光纖中的相對(duì)損耗.然后，把工作波長(zhǎng)改為1 550 nm重復(fù)上述操作，得到工作波長(zhǎng)為1 550 nm光波時(shí)單模光纖中的相對(duì)損耗.

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圖2擾模器結(jié)構(gòu)

3實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量分析彎曲半徑對(duì)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(zhǎng)條件下的平均值.

表1　光纖彎曲損耗測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表1可知：

(1)對(duì)于2種工作波長(zhǎng)，其彎曲損耗系數(shù)A都會(huì)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(dāng)彎曲半徑逐漸增大時(shí)，2種工作波長(zhǎng)的彎曲損耗表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：1 550 nm波長(zhǎng)的彎曲損耗有比較大的起伏，而1 310 nm波長(zhǎng)的彎曲損耗變化則比較平緩.

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

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

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)的彎曲損耗都會(huì)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(shí)存在較大的差異.在彎曲半徑較大時(shí)，1 550 nm工作波長(zhǎng)光較1 310 nm工作波長(zhǎng)光更容易產(chǎn)生彎曲損耗，而在彎曲半徑較小時(shí)，2種工作波長(zhǎng)光的彎曲損耗均出現(xiàn)劇烈的振蕩，二者沒(méi)有規(guī)則的大小關(guān)系.

4結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了1 310 nm和1 550 nm這2種工作波長(zhǎng)在不同彎曲半徑時(shí)產(chǎn)生的彎曲損耗，從測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光纖的彎曲狀況以及傳輸工作波長(zhǎng)對(duì)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(shí)，為了避免出現(xiàn)所謂的“背扣”現(xiàn)象，安裝布放光纜時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格按照彎曲半徑要求進(jìn)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(xiàn)：

[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(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013：93-94.

[5] 祝寧華，閆連山，劉建國(guó).光纖光學(xué)前沿[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

(責(zé)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(jiǎn)介：葉伏秋(1967—)，男，湖南益陽(yáng)人，吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院副教授，碩士，主要從事物理學(xué)研究.

收稿日期：2014-12-26

中圖分類號(hào)：O436；TN818

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.007

文章編號(hào)：1007-2985(2015)03-0029-03