فقدان انحناء الألياف يشير مصطلح فقدان الإشارة إلى فقدان الإشارة الذي يحدث عند ثني الألياف الضوئية إلى ما بعد نصف قطر معين. وتعود هذه الظاهرة إلى تسرب الضوء من لب الألياف أثناء مروره عبر الغلاف. فعند ثني الألياف، تخضع أشعة الضوء لانعكاس داخلي كلي عند سطح التماس بين اللب والغلاف. ولكن، إذا كان نصف قطر الانحناء صغيرًا جدًا، فقد يتسرب جزء من أشعة الضوء عبر الغلاف، مما يؤدي إلى فقدان الإشارة.

يعتمد فقدان انحناء الألياف على عدة عوامل:

نصف قطر الانحناء: كلما صغر نصف قطر الانحناء، زادت خسائر الانحناء. وذلك لأن صغر نصف قطر الانحناء يؤدي إلى زيادة انحناء أشعة الضوء، مما يزيد من احتمالية التسرب عبر الغلاف.

نوع الألياف: تختلف أنواع الألياف في خصائص فقد الانحناء. فعلى سبيل المثال، تتميز الألياف أحادية النمط عادةً بفقد انحناء أقل مقارنةً بالألياف متعددة الأنماط.

الطول الموجي: يمكن أن يختلف فقدان الانحناء باختلاف طول موجة الضوء المنقول عبر الألياف. قد تتعرض بعض الأطوال الموجية لفقدان انحناء أعلى من غيرها.

تصميم الألياف: يمكن أن يؤثر تصميم الألياف، بما في ذلك شكل معامل الانكسار والمواد المستخدمة، على فقدان الانحناء.

الطلاء: يمكن أن يؤثر نوع وجودة الطلاء المطبق على الألياف على مرونتها ومقاومتها لفقدان الانحناء.

لتقليل فقد الإشارة الناتج عن الانحناء، من المهم التعامل مع الألياف الضوئية بعناية وتجنب الانحناء المفرط، وخاصة الانحناءات الحادة. غالبًا ما تُصمم كابلات الألياف الضوئية بطبقات واقية ودعامات لتقليل فقد الإشارة الناتج عن الانحناء وضمان نقل الإشارات بشكل موثوق.

في تطبيقات الألياف الضوئية، يُعدّ فقد الانحناء الدقيق نوعًا أكثر تعقيدًا من الفقد الضوئي. ومع تطور الأجهزة والألياف الضوئية، أصبح فقد الانحناء الدقيق عاملًا مهمًا في الفقد. فمع إدخال التبديل الضوئي المباشر في الجهاز بدلًا من التبديل الكهربائي، تصبح الألياف أكثر عرضة للإجهاد طويل الأمد في حيز صغير جدًا. بالنسبة للألياف، كلما كانت أرقّ وأصغر قطرًا، كان ذلك ممكنًا إما بتقليل سُمك الغلاف الخارجي أو بتقليل قطر الغلاف الداخلي. وبالمثل، بالنسبة للألياف متعددة النوى، سيقل سُمك الغلاف الداخلي الفعال بشكل كبير، مما يزيد من خطر فقد الانحناء الدقيق.

يرتبط فقدان الانحناء الدقيق وفقدان الانحناء الكلي بالانحناء نفسه، لكن ثمة اختلافات واضحة بينهما من حيث آلية حدوث الفقد. لذا، في التطبيقات العملية، من الضروري التمييز بين فقدان الانحناء الدقيق وفقدان الانحناء الكلي وفقًا لطبيعة الفقد، ما يستلزم تحديد موقع المشكلة بدقة وطريقة حلها.

1. من حيث التشوه الهندسي

إن فقد الانحناء الدقيق هو في الواقع فقد ناتج عن تشوه طفيف في الليف، بينما فقد الانحناء الكلي هو الفقد الناتج عن الانحناء الحقيقي، مع بقاء القطر الخارجي لليف ثابتًا. وهذا يُحدث فرقًا واضحًا في الهندسة. يمكن اعتبار التشوه الطفيف لليف بمثابة اضطراب عالي التردد في محيطه الهندسي في الاتجاه الطولي لليف. لهذا الاضطراب سمتان: السعة والتردد. ينشأ مشهد الانحناء الدقيق من تردد عالٍ وسعة منخفضة. يمكن محاكاة الاضطراب الخارجي، ويتغير تردده وسعته عشوائيًا مع الزمن. عند إجراء تحويل فورييه لهذا التغير العشوائي، يكون المقدار مكافئًا للقدرة، وهناك توافق بين كثافة طيف القدرة والتردد المكاني.

يسهل فهم هذا الأمر بديهيًا، ويمكن استخلاص استنتاج نوعي منه: عندما يكون تردد الاضطراب مرتفعًا جدًا، يكون تشوه الألياف منتظمًا، ويكون تأثير فقدان الانحناء الدقيق ضئيلًا. أما عندما يكون تردد الاضطراب منخفضًا جدًا، فقد يتشكل انحناء حقيقي، ويكون فقدان الانحناء الكلي هو السائد.

2. من آلية الخسارة

في فقدان الانحناء الكلي، يمكن اعتبار أن توزيع مجال النمط الأساسي (في الألياف أحادية النمط) ينتشر في الألياف باتجاه جانب الانحناء، وأن الجزء الذي ينتشر عميقًا في الغلاف يُشعّ ويفقد تدريجيًا. أما في فقدان الانحناء الجزئي، فإن جزءًا من طاقة النمط الأساسي المنتشر في الألياف المثالية يقترن بأنماط مختلفة ذات رتب أعلى في حالة الاضطراب. ومع ازدياد مسافة الانتشار، تُشعّ الطاقة التي تحملها هذه الأنماط ذات الرتب الأعلى خارج ألياف أوران ذات العشرة عناصر، وبالطبع قد تعود مقترنة بالنمط الأساسي.

يعتمد تحليل فقدان الانحناء الدقيق عادةً على نظرية اقتران الأنماط، والعلاقة الأساسية معقدة بعض الشيء.

حيث يُمثل C معامل الاقتران بين النمط الأساسي وأحد الأنماط ذات الرتبة الأعلى، والذي يُشير إلى مقدار الطاقة التي ستنتقل من النمط الموجه إلى النمط ذي الرتبة الأعلى أو نمط الغلاف (في حالة النمط الأحادي). أما Qfiber فهو اضطراب الألياف تحت تأثير الإجهاد المباشر، بينما Qenv هو الاضطراب تحت تأثير الإجهاد غير المباشر عند تغير البيئة. يصعب تحديد دقة هذا التحليل النمذجي نظرًا للعشوائية الكبيرة للاضطرابات التي تُسبب خسائر الانحناء الدقيق، ولكن الغرض من التحليل هو توفير دليل قوي، وفي بعض الحالات، يُمكن استخدام معاملات إضافية لتقريب نتائج المحاكاة.

قام أولشانسكي بدراسة واقتراح علاقة رصدية في المرحلة المبكرة.

نصف قطر النواة أ

ب - نصف قطر التكسية

دلتا - فرق معامل الانكسار

معامل المرونة لطلاء البوليمر EE

Eg - معامل المرونة للألياف الزجاجية البصرية

في معظم حالات الاستخدام، تكون هذه العلاقة أكثر فائدة.

3. مصدر فقدان الانحناء الدقيق

يعود مصدر فقدان الانحناء الدقيق بشكل رئيسي إلى عوامل خارجية. فإذا استُخدمت الألياف كألياف عارية دون تشكيل كابل، وفي غياب أي قوة خارجية في الفضاء الحر، فلا مجال لفقدان الانحناء الدقيق. ورغم أن عدم انتظام الشكل الهندسي للألياف نفسها قد يُسهم في فقدان الانحناء الدقيق، إلا أنه يمكن إهمال تأثير هذا الفقدان لأن اختبار الفقدان قد اجتاز بنجاح في المصنع. ولا يُؤخذ في الاعتبار سوى تأثير فقدان الانحناء الدقيق للألياف الضوئية الناتج عن التثبيت الخارجي في الكابل أو الجهاز الضوئي.

تأتي مصادر فقدان الانحناء الدقيق بشكل رئيسي من ثلاثة جوانب

أولًا، تصميم الألياف نفسه. لا يُعدّ تصميم الألياف نفسه مصدرًا لفقدان الإشارة الناتج عن الانحناء الدقيق، ولكن حساسية الألياف لهذا الانحناء هي التي تحددها. ويتأثر تصميم لب الألياف بشكل رئيسي بقيمة MAC. وهذا يتوافق مع صيغة أولشانسكي المميزة.

كلما كان معامل امتصاص التشويش (MAC) أصغر، كلما كان فقدان الانحناء الدقيق أصغر تحت نفس الاضطراب الخارجي.

وينعكس هذا في الألياف المحددة، حيث تتميز ألياف G657 عموماً بفقدان أقل في الانحناء الدقيق مقارنة بألياف G652.

على الرغم من أن تقليل نصف قطر اللب وزيادة فرق معامل الانكسار قد يقللان من فقدان الانحناء الدقيق، إلا أنه من غير المرجح وجود علاقة بين خصائص الألياف وتوحيدها في حالة تغيير خاصية واحدة فقط مع بقاء الخصائص الأخرى ثابتة. لكن هذا الاتجاه مستمر.

يمكن أن يُسهم تصميم الغلاف الداخلي للألياف في تحسين الأداء. إذ يختلف اعتماد فقد الانحناء الدقيق على الطول الموجي اختلافًا كبيرًا عند إضافة تصميم أخدود محدد إلى الغلاف.

يختلف اعتماد فقد الانحناء الدقيق للألياف المحززة على الطول الموجي في الشكل اختلافًا كبيرًا عن اعتماده في الألياف القياسية. ويتجاوز اعتماد فقد الانحناء الدقيق للألياف القياسية في هذا الشكل البيانات التقليدية قليلًا، لا سيما بالنسبة للألياف المحززة التي يكون فقد الانحناء الدقيق فيها أقل. وهذا يعني أن تحديد المشكلة وتحليلها يتطلبان مراعاة تصميم الألياف، وإلا فإن الاعتماد على الخبرة وحدها قد يكون مضللًا. باختصار، يُحسّن تصميم الألياف فقد الانحناء الدقيق، وهو أمر مفيد في بعض الحالات.

ثانيًا، يرتبط مصدر فقدان الانحناء الدقيق بعامل كابل الألياف الضوئية، وهو عامل أكثر تعقيدًا. يكمن هذا التعقيد في كثرة أنواع كابلات الألياف الضوئية واختلاف تصميماتها، ولكن من السهل نسبيًا تحديد نوع معين. أحد العوامل الرئيسية هو تأثير الغلاف. يمكن استنتاج أن الغلاف، باعتباره خط الدفاع الأول لحماية الألياف، يؤدي دور توصيل الإجهاد بفعالية. إذا استُخدم الغلاف كدالة لنقل الإجهاد، فكلما قلّ معامل المرونة الداخلي وزاد معامل المرونة الخارجي، قلت قيمة دالة نقل الإجهاد، وبالتالي قلّ تأثير فقدان الانحناء الدقيق. كلما زاد قطر الغلاف، قلّ تأثير فقدان الانحناء الدقيق بشكل ملحوظ.

من الواضح أن قطر الألياف الضوئية 900 ميكرومتر أصغر بكثير من فقد الانحناء الدقيق للألياف ذات قطر 250 ميكرومتر. ويمكن أيضًا ملاحظة أنه في نفس تصميم كابل الألياف الضوئية، على الرغم من صغر مساحة النشاط للألياف ذات قطر 900 ميكرومتر، إلا أن فقد الانحناء الدقيق فيها يكون في الظروف العادية أقل بكثير داخل الكابل.

العامل الثالث هو تأثير البيئة المحيطة بالكابل. نظرًا لتعقيد فقدان الإشارة الناتج عن الانحناءات الدقيقة، لا توجد حاليًا طريقة اختبار موحدة، وعادةً ما تُستخدم طريقة الاختبار المُقدمة في معيار IEC/TR62221 بشكل مباشر. يصعب تحديد الاضطراب بدقة. حتى مع استخدام طرق اختبار وبيئات ومعدات اختبار مُحددة، قد تختلف النتائج باختلاف مواقع وضع الكابل. لا يمكن مقارنة نتائج المختبرات المختلفة وطرق الاختبار المختلفة بشكل مباشر، بل هي مقارنات نوعية فقط. لذا، يجب تقييم كل نتيجة اختبار على حدة.