单膜光纤弯曲损耗的实验测量与分析

叶伏秋

(吉首大学物理与机电工程学院，湖南 吉首416000)



单膜光纤弯曲损耗的实验测量与分析

叶伏秋

(吉首大学物理与机电工程学院，湖南 吉首416000)

摘要：测量了1 310 nm和1 550 nm波长下单膜光纤弯曲半径变化引起的弯曲损耗，分析比较了2种不同波长光和弯曲半径对弯曲损耗的影响.测量结果表明，弯曲损耗系数会随着弯曲半径的增大而减小，并且出现振荡现象.在弯曲半径较大时，弯曲损耗的变化比较平缓，1 550 nm波长较1 310 nm波长弯曲损耗更易产生，在弯曲半径较小时，弯曲损耗出现剧烈振荡，2种光波长对弯曲损耗的敏感程度交替变大.

关键词：光纤；工作波长；弯曲半径；弯曲损耗

在通讯技术和互联网领域，光纤得到了越来越广泛的使用，但在光纤成缆、光缆接头的热缩保护、接头盒中余纤的收容盘放、尾纤的收容、光跳线的布放等使用过程中必需弯曲光纤，此外，在制作具有某些特殊性质的光电子器件(如光纤偏振器)时，也需要弯曲光纤.光纤弯曲时产生的损耗必然将影响到光纤的相关使用，因此人们必须重视光纤弯曲损耗对使用产生的影响.1990年代美国Bell实验室的Marcuse D.利用夫琅和费衍射理论推导了阶跃折射率光纤LP01模的弯曲损耗计算公式和平板波导的弯曲损耗计算公式[1]，并且使用一致的计算公式计算了光纤的弯曲损耗.同时，Renner H.[2]和Haran F M.[3]从数学上推导了单模光纤中的弯曲损耗与弯曲半径和工作波长的关系.

本文通过实验测量并分析研究了在1 310 nm和1 550 nm工作波长光条件下光纤的弯曲半径的变化对弯曲损耗的影响，然后又研究分析了不同工作波长光和光纤的弯曲半径对弯曲损耗的影响规律.

1理论计算

一般情况下，单模光纤的包层及覆层的厚度几乎不会影响光的传输.光能的损耗仅仅只由纯弯曲引起，此时光功率的变化可以表示为[4]：

由此可见，光纤中的弯曲损耗主要与光纤中传输光的工作波长和光纤的弯曲状态有关.

2实验方法

测量光纤中的弯曲损耗的实验方法，通常将被测光纤经过恰当的耦合器件耦合到测试系统，然后将稳定光源发出的不同工作波长的光输入其中，在保持工作波长光的注入状态和耦合状态不变的情况下，分别测量光纤弯绕若干圈前后的输出功率Pi和Po，光纤的弯曲相对损耗的公式为[5]

(1)

一般情况下，光纤的弯曲损耗不会太大，为了提高光纤弯曲损耗的实验测量效果，笔者设计了如图1所示的实验测试结构，其中扰模器结构如图2所示.

图1　单模光纤弯曲损耗测试实验结构

实验测量时，首先利用1 310 nm工作波长光测量光纤跳线没有进行缠绕时的输出光功率Po，然后测量光纤跳线分别缠绕1～12个时的输出光功率P1~P12，最后利用公式(1)计算得到工作波长为1 310 nm光波时单模光纤中的相对损耗.然后，把工作波长改为1 550 nm重复上述操作，得到工作波长为1 550 nm光波时单模光纤中的相对损耗.

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图2扰模器结构

3实验结果

在同一光纤的不同弯曲状态下，利用1 310 nm和1 550 nm这2种不同工作波长进行实验，测量分析弯曲半径对弯曲损耗的影响(表1).表1中所有数据为2种不同工作波长条件下的平均值.

表1　光纤弯曲损耗测试数据表

由表1可知：

(1)对于2种工作波长，其弯曲损耗系数A都会随着弯曲半径的增大而逐步减小，并且产生振荡现象.

(2)当弯曲半径逐渐增大时，2种工作波长的弯曲损耗表现出不同的变化规律：1 550 nm波长的弯曲损耗有比较大的起伏，而1 310 nm波长的弯曲损耗变化则比较平缓.

(3)当弯曲半径相同时，1 550 nm波长光比1 310 nm波长光产生弯曲损耗明显多，特别是在弯曲半径较大时，1 550 nm波长光对弯曲更加敏感，产生弯曲损耗也比1 310 nm波长光更容易.

(4)当较小的弯曲半径时，随弯曲半径的变化，2种工作波长的弯曲损耗急剧增大，并产生明显剧烈的振荡.

通过上述实验测量结果不难发现，随着弯曲半径的变化，2种工作波长的弯曲损耗都会表现出一种剧烈的振荡现象，而且二者的弯曲损耗的变化规律在不同弯曲半径时存在较大的差异.在弯曲半径较大时，1 550 nm工作波长光较1 310 nm工作波长光更容易产生弯曲损耗，而在弯曲半径较小时，2种工作波长光的弯曲损耗均出现剧烈的振荡，二者没有规则的大小关系.

4结语

实验测量了1 310 nm和1 550 nm这2种工作波长在不同弯曲半径时产生的弯曲损耗，从测量结果发现，光纤的弯曲状况以及传输工作波长对光纤中的弯曲损耗影响很大.弯曲半径越小，光纤中产生的弯曲损耗越大.因此，在使用光缆时，为了避免出现所谓的“背扣”现象，安装布放光缆时应该严格按照弯曲半径要求进行弯曲，避免出现小于弯曲半径要求的急弯现象.

参考文献：

[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.光纤光学[M].北京:清华大学出版社,2013：93-94.

[5] 祝宁华，闫连山，刘建国.光纤光学前沿[M].北京:科学出版社,2011.

(责任编辑陈炳权)

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

作者简介：叶伏秋(1967—)，男，湖南益阳人，吉首大学物理与机电工程学院副教授，硕士，主要从事物理学研究.

收稿日期：2014-12-26

中图分类号：O436；TN818

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.03.007

文章编号：1007-2985(2015)03-0029-03