光纖彎曲概述

光纖傳感器具有體積小、可曲繞的特點(diǎn)，可在狹小空間樣品中安裝，過(guò)小的彎曲半徑會(huì)帶來(lái)光信號(hào)損耗，影響傳感測(cè)量的準(zhǔn)確性。但在很多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，光纖傳感器安裝不可避免有小彎曲半徑，如何解決光纖彎曲帶來(lái)的損耗成為大家關(guān)注重點(diǎn)。

下面我們一起來(lái)看看，普通光纖彎曲會(huì)帶來(lái)什么不好以及耐彎曲光纖小彎曲半徑的工作原理。

光纖為何不能過(guò)度彎曲

光從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的交界面會(huì)產(chǎn)生折射和反射。隨著入射角的增大，反射光越來(lái)越強(qiáng)，折射光越來(lái)越弱；當(dāng)入射角足夠大時(shí)，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射。



圖1全反射現(xiàn)象

光纖由纖芯、包層和涂覆層三層結(jié)構(gòu)組成，纖芯折射率大于包層折射率，光在纖芯中可以實(shí)現(xiàn)全反射傳輸，可參考光纖通信小知識(shí)。



圖2 光纖中全反射

一般標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm波長(zhǎng)時(shí)的損耗系數(shù)約為0.2dB/km，傳輸損耗很低。如果光纖出現(xiàn)彎曲（宏觀彎曲或微觀彎曲），光傳輸不滿足全反射條件，部分光從包層中泄漏出去，導(dǎo)致光功率下降，造成損耗。

圖3 光纖彎曲狀態(tài)

如何減小彎曲損耗

光纖鏈路中出現(xiàn)損耗，主要原因是光纖安裝布設(shè)過(guò)程中光纖局部位置存在有大角度的彎曲，常見(jiàn)于光纖接頭和光纖轉(zhuǎn)彎處。此類彎曲損耗是可逆的，增加光纖的彎曲半徑，鏈路損耗會(huì)有較大改善。光在光纖中的傳輸路徑是怎樣的。

使用OFDR設(shè)備測(cè)量光纖鏈路，可獲得一條OFDR分布曲線（距離-強(qiáng)度/反射率），曲線可以反映光纖鏈路中各位置的損耗，損耗主要以臺(tái)階的方式呈現(xiàn)，如圖4所示。用戶可以借助OFDR曲線，分析查找彎曲位置，并進(jìn)行調(diào)整。

圖4光纖彎曲時(shí)的OFDR曲線

另外，用戶還可以選用彎曲不敏感（耐彎曲）光纖作傳感器，可以減少?gòu)澢鷵p耗帶來(lái)的影響。耐彎曲光纖能容許更小的彎曲半徑，比如單模耐高溫應(yīng)變光纖（型號(hào):PI125）最小彎曲半徑約5mm；緊護(hù)套應(yīng)變感測(cè)光纜(型號(hào)：SS-0.9mm)最小彎曲半徑約8mm。

耐彎曲光線介紹

常規(guī)單模光纖（G.652型）建議彎曲半徑大于5mm（直徑1cm)，否則光信號(hào)會(huì)有明顯損耗，導(dǎo)致傳感測(cè)量信噪比下降，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。關(guān)于最小彎曲半徑，經(jīng)驗(yàn)法則是：對(duì)于長(zhǎng)期的應(yīng)用，彎曲半徑應(yīng)超過(guò)光纖包層直徑的150倍；對(duì)短期應(yīng)用，應(yīng)超過(guò)包層直徑的100倍。常規(guī)單模光纖包層直徑為125 μm，上述兩種最小彎曲半徑分別為19 mm和13 mm，光纖通信：模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)是什么？

耐彎曲光纖（G.657型）主要是通過(guò)改變光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升抗彎能力。行業(yè)內(nèi)有一個(gè)比較通用的評(píng)價(jià)彎曲靈敏度的指標(biāo)：MAC值。

MAC值是近階躍折射率波導(dǎo)光纖中模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)的比值。MAC值減小，光纖對(duì)彎曲的敏感越低。一些設(shè)計(jì)彎曲不敏感光纖的基本方法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是通過(guò)降低模場(chǎng)直徑，或者增大截止波長(zhǎng)，或者同時(shí)降低模場(chǎng)直徑和增大截止波長(zhǎng)來(lái)制作彎曲不敏感光纖。具體方法有：

(1) 減小模場(chǎng)直徑以改善光控制。比如減小纖芯直徑或增加纖芯折射率。

(2) 減小光纖包層直徑來(lái)增加抗彎曲特性?，F(xiàn)有抗彎光纖的直徑從125微米減小到80微米，甚至出現(xiàn)了60微米外徑的光纖。

(3) 增加一圈低折射率溝槽的包層。功能類似增加纖芯折射率。

以上方法都可以使光束更好地控制在纖芯中傳輸，從而減少傳感測(cè)量中光纖彎曲帶來(lái)的影響。市場(chǎng)上常用的耐彎曲光纖類型為G.657B3，其彎曲半徑和彎曲損耗參數(shù)下見(jiàn)表，僅供參考。

審核編輯：劉清