淺析光纖的彎曲損耗的利用
光纖的彎曲損耗和微彎損耗都是由于光不滿足全內反射的條件而造成的。下面我們來介紹一下光纖的彎曲損耗。
彎曲損耗的機理
現代光纖最重要的優點之一就是它的易彎曲性，如果光纖彎曲的曲率半徑太小，將引起光的傳播途徑的改變，使光從纖芯滲透到包層，甚至有可能穿過包層向外滲漏。在正常情況下，光在光纖里沿軸向傳播的常數β應滿足：n2k0＜β＜n1k0。
當光纖彎曲時，光在彎曲部分中進行傳輸，要想保持同相位的電場和磁場在一個平面里，則越靠近外側，其速度就會越大。當傳到某一位置時，其相速度就會超過光速，這意味著傳導模要變成輻射模，所以，光束功率的一部分會損耗掉，這也就意味著衰減將會增加。光纖成纜、現場敷設、光纜接頭等場合都會引起光纖的彎曲損耗。
彎曲損耗的理論計算
按照D.Marcuse的理論，當彎曲半徑濰R時，彎曲損耗系數為：
- 2αb=πu2emW32V2Rkm-1(Wa)km+1(Wa)exp-23W3β2R(1)
其中，u,W分別為徑向歸一化相位常數和徑向歸一化衰減常數，β是軸向傳播常數，a是纖芯半徑，V是歸一化頻率，km是m階修正貝塞爾函數，em=2(m=0),em=1(m≠0)。式(1)對每種LPmn模都成立。單模光纖中只傳播LP01模，所以只考慮LP01模就可以了，即：
- 2αb=πu22W32V2Rk-1(Wa)k1(Wa)exp-23W3β2R(2)
Jeunhumme對單模光纖給出了如下的計算公式,假設半徑濰R，則每單位長度的損耗為：
- αc=AcR-12exp(-UR)(3)
- Ac=12πaW3uWk1(W)2(4)
- U=4ΔnW33aV2n2(5)
式中a和Δn分別是纖芯半徑和纖芯—包層的折射率差，u,W和V分別為徑向歸一化相位常數、徑向歸一化衰減常數、歸一化頻率。
由：
- V=ak0(n1-n2)12≈ak0(2n2Δn)12=ak0n2(2Δ)12
- V=2.405λcλ
- W≈1.142 8V-0.996≈2.748 4λcλ-0.996
- u=(V2-W2)12
可得分析近似公式：
- U≈0.705(Δn)32λ2.748-0.996λλc3(m-1)
另外，
- W-23u2W2K21(W)
可以簡化為
- 3.7λcλ2
則
- Ac=12πa123.7λcλ2(dB/m12)
以上的簡化式可在實際計算中使用。
一般，對于給定的折射率差、工作波長和截止波長，有一個臨界曲率半徑RC，當實際曲率半徑接近RC時，彎曲損耗從可以忽略的數值急劇增加到不可容忍的數值。在通常波段（1 000 nm）處，有效的RC近似公式為：
- Rc=20λΔn322.748-0.996λλc-1(6)
彎曲損耗的利用
（1）模式過濾器：過濾就是對高級模式的去除，只要彎曲一下，光纖就可以作為模式過濾器。
（2）衰減器：衰減器是在控制狀態下減少傳輸功率的裝置。有一類衰減器只要將用于傳輸的光纖轉幾圈就可以了，根本不需要引入外部器件，使用這種衰減器，可以通過控制光纖以給定的半徑所轉的圈數來控制衰減量。
（3）熔接機：使用彎曲損耗來控制熔接質量。熔接是通過將光纖的端面熔化后將兩根光纖連接在一起的過程，這個過程與金屬焊接過程類似。
（4）光纖識別儀：光纖識別儀是一種利用光纖彎曲效果的儀器。當將一根光纖彎曲時,有些光會從光纖中輻射出來，這些光就會被光纖識別儀檢測到，在不切斷光纖、不中斷通信的條件下，技術人員根據這些光可以將多芯光纖或單根光纖從其他光纖中識別出來，并檢測光的狀態及方向。大多數的光纖識別儀用于波長為1 310 nm或1 550 nm的單模光纖光纜。
彎曲損耗的基本原理、理論計算及利用的介紹就結束了，了解彎曲損耗，可以在光纖通信系統的設計中加以充分利用。
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