光纤抗弯 - 现象、机理、减小弯曲损耗
文摘
科学
2024-11-04 16:00
湖北
光纤弯曲有两种基本类型：宏弯和微弯。顾名思义，微弯是光纤中非常小的弯曲或变形，而宏弯是较大的弯曲。光纤弯曲半径是影响光纤网络长期稳定性和性能的关键因素。在光纤通信系统中，光纤的弯曲必须严格控制在制造商规定的最小弯曲半径以内，以防止光纤因过度弯曲而断裂，进而引发服务中断，增加网络维护成本。光纤和光缆的最小弯曲半径因光纤的结构而异，通常应不小于光缆外径（OD）的十倍。例如，对于外径为3毫米的光缆，其弯曲半径不应小于30毫米。然而，根据Telcordia标准，对于3毫米的跳线，其最小弯曲半径建议为38毫米（参见《Fiber Distributing Frames的通用要求和设计考虑》，GR-449-CORE，1995年3月第1版，第3.8.14.4节）。这一标准主要适用于未受拉力或其他外部负载影响的光缆。当光缆受到拉力载荷，如因自重导致的长距离垂直拉伸或在两点间拉紧时，其最小弯曲半径会相应增加，以应对增加的应力。维持光纤的最小弯曲半径具有双重意义：一是提高光纤的长期可靠性，减少故障风险；二是降低信号衰减，保证通信质量。当光纤弯曲半径小于规定值时，随着应力的增加，光纤的长期故障概率会显著上升。此外，弯曲半径的减小也会导致应力增大，进而增加失效的可能性。另一方面，违反最小弯曲半径还会直接增加光纤的衰减量。随着弯曲半径的减小，光纤的衰减量会增大。尤其在1550纳米和1625纳米波长处，由弯曲引起的衰减更为显著，这会对光信号的传输质量产生严重影响。在半径为16毫米的弯曲处，衰减水平可能高达0.5dB。因此，光纤断裂和附加衰减都会对长期网络可靠性产生负面影响，同时增加网络运营成本。在光纤网络的设计和安装过程中，必须严格遵守最小弯曲半径的规定，以确保网络的稳定性和性能。在光纤通信领域，光纤表面的压力会导致微弯曲现象的产生，这是一种肉眼无法察觉的微小弯曲。当外部压力作用于光纤表面时，纤芯与包层界面的纤芯会发生变形，进而引发微弯曲损耗。即使光纤在宏观上呈现为直线铺设，当表面压力造成光纤表面出现众多微小的接触点压痕时，微弯曲损耗依然会发生。微弯曲现象通常源于外部机械应力的影响，这些应力可能源自温度变化、环境压力、安装过程中的不当操作等因素。此外，如果光纤的包层和涂层在设计和制造过程中存在缺陷，也可能加剧微弯曲现象的发生。微弯曲会导致光信号从光纤芯部泄漏，从而造成信号损失。这是由于微弯曲引起的芯部和包层折射率不匹配，使得部分光线逸出芯部，进入包层或外部环境。为了模拟微弯曲现象及其导致的衰减，研究人员常采用一种实验方法：将直光纤放置在两片砂纸之间，并将重物置于砂纸上方以施加压力。这种方法能够模拟实际光纤在受到外部压力时的微弯曲情况。微弯导致的衰减通常是在表面压力（如挤压）的条件下发生的，这种衰减与光纤的长度有关，而非局限于光纤上的单个点。在实际应用中，光时域反射仪（OTDR）常用于检测光纤中的损耗情况。对于微弯曲损耗，OTDR会观察到连续的高损耗反向散射迹，这种迹象有时被称为“尾部”（Tail off）。通过OTDR的分析，可以准确识别出光纤中的微弯曲损耗区域，为光纤网络的维护和优化提供重要依据。在光纤通信领域，为了降低微弯曲导致的光信号损失，对光纤设计的优化至关重要。这涉及选择适当的包层材料和涂层材料，以及优化光纤的几何结构。制造过程也很重要，精准控制包层材料的折射率，以及调整光纤的直径和芯层结构，可以显著减少微弯曲引起的光泄漏。同时，新型光纤结构的设计，如空气孔辅助光纤和光子晶体光纤，也能更有效地抵抗微弯曲，进一步提高光信号的传输效率。抗弯曲光纤的研发与应用
为应对光纤弯曲时产生的光损失问题，抗弯曲光纤的研发与应用逐渐受到关注。这类光纤通常采用深掺杂的纤芯和渐变折射率设计，使得光纤在弯曲时能够保持光信号的完整性。抗弯曲光纤不仅具有更高的弯曲半径容忍度，而且在弯曲状态下仍能维持较低的光损失，从而极大地提升了光纤网络的可靠性和性能。光纤保护涂层的创新与应用
在光纤表面应用保护涂层是减少微弯曲损失的另一种有效方法。保护涂层的选择和制备技术对于其性能至关重要。优质的保护涂层应具有良好的机械强度、热稳定性和化学稳定性，以抵抗外部环境对光纤的损伤。同时，涂层的厚度和弹性模量也需要精确控制，以确保在保护光纤的同时不引入额外的微弯曲损失。光纤安装技巧与规范
安装人员需要遵循一定的技巧和规范，如避免光纤过度弯曲、确保光纤在安装过程中不受过度压力或温度变化的影响。此外，使用合适的连接器和夹具，以及正确的安装顺序和方法，也能有效减少微弯曲损失。通过培训安装人员，提高其对光纤安装技巧的掌握，可以进一步降低光纤网络中的微弯曲损失，提升整体性能。
