Straty na zgięciu włókna Odnosi się do utraty sygnału, która występuje, gdy światłowód jest zginany poza określony promień. Zjawisko to jest spowodowane wyciekiem światła z rdzenia światłowodu podczas jego przechodzenia przez płaszcz. Gdy światłowód jest zginany, promienie świetlne ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na styku rdzeń-płaszcz. Jednakże, jeśli promień zgięcia jest zbyt mały, część promieni świetlnych może przedostać się przez płaszcz, powodując straty.

Straty na zgięciu włókna zależą od kilku czynników:

Promień gięcia: Im mniejszy promień gięcia, tym większe straty na zgięciu. Dzieje się tak, ponieważ mniejszy promień gięcia powoduje, że promienie świetlne mają większą krzywiznę, co zwiększa prawdopodobieństwo przecieku przez obudowę.

Typ włókna: Różne rodzaje włókien mają różne charakterystyki strat zgięciowych. Na przykład włókna jednomodowe zazwyczaj charakteryzują się niższymi stratami zgięciowymi w porównaniu ze włóknami wielomodowymi.

Długość fali: Straty zgięciowe mogą się zmieniać w zależności od długości fali światła przesyłanego przez światłowód. Niektóre długości fali mogą charakteryzować się większymi stratami zgięciowymi niż inne.

Projektowanie włókien: Konstrukcja włókna, w tym profil współczynnika załamania światła i wykorzystane materiały, mogą mieć wpływ na straty na zgięciu.

Powłoka: Rodzaj i jakość powłoki nałożonej na włókno mogą mieć wpływ na jego elastyczność i odporność na straty zginania.

Aby zminimalizować straty na zgięciach, należy ostrożnie obchodzić się z włóknami optycznymi i unikać nadmiernego zginania, zwłaszcza ostrych zagięć. Kable światłowodowe są często projektowane z warstwami ochronnymi i wzmocnieniami, aby zminimalizować straty na zgięciach i zapewnić niezawodną transmisję sygnałów.

W zastosowaniach światłowodów, bardziej złożonym rodzajem strat optycznych są straty mikrozgięciowe. Wraz z rozwojem urządzeń i światłowodów, straty mikrozgięciowe stały się bardziej istotnym współczynnikiem strat. W urządzeniu zastosowano bardziej bezpośrednie przełączanie optyczne zamiast przełączania elektrycznego, a światłowód jest podatny na długotrwałe naprężenia w bardzo małej przestrzeni. W przypadku światłowodu, im cieńsze jest włókno, tym mniejsza jest jego średnica, poprzez zmniejszenie grubości powłoki lub średnicy płaszcza. Podobnie w przypadku włókien wielordzeniowych, efektywna grubość płaszcza również ulegnie znacznemu zmniejszeniu, co zwiększa ryzyko strat mikrozgięciowych.

Straty mikrozgięciowe i makrozgięciowe są dosłownie powiązane z gięciem, ale istnieją między nimi oczywiste różnice z punktu widzenia mechanizmu powstawania strat. Dlatego w zastosowaniach praktycznych niezwykle istotne jest rozróżnienie strat od mikrozgięć i makrozgięć, w zależności od ich charakteru, co wiąże się z prawidłową lokalizacją problemu i sposobem jego rozwiązania.

1. Pod względem deformacji geometrycznej

Straty mikrozgięciowe to w rzeczywistości straty wprowadzane przez niewielkie odkształcenie włókna, podczas gdy straty makrozgięciowe to straty wprowadzane przez rzeczywiste zginanie, a średnica zewnętrzna włókna pozostaje idealnie stała. To powoduje wyraźną różnicę w geometrii. Niewielkie odkształcenie włókna można traktować jako zaburzenie o wysokiej częstotliwości obwodu geometrycznego w kierunku podłużnym włókna. To zaburzenie ma dwa atrybuty: amplitudę i częstotliwość. Scena mikrozgięć pochodzi z wysokiej częstotliwości i niskiej amplitudy. Zaburzenie zewnętrzne można symulować, a jego częstotliwość i amplituda zmieniają się losowo w czasie. Biorąc transformatę Fouriera tej losowej zmiany, wielkość jest równa mocy, a istnieje odpowiednia zgodność między gęstością widmową mocy a częstotliwością przestrzenną.

To również jest intuicyjnie łatwe do zrozumienia i wyciągnięcia jakościowego wniosku: przy bardzo wysokiej częstotliwości zakłóceń odkształcenie włókna jest równomierne, a wpływ strat mikrozgięciowych jest niewielki. Jednakże, gdy częstotliwość zakłóceń jest bardzo niska, mogą wystąpić rzeczywiste zgięcia, a straty makrozgięciowe są dominujące.

2. Z mechanizmu strat

W przypadku strat makrozgięciowych można założyć, że rozkład pola modów modu podstawowego (światłowód jednomodowy) w światłowodzie dyfunduje w stronę zgięcia, a część, która dyfunduje głęboko w płaszcz, będzie tworzyć promieniowanie i stopniowo tracić. W przypadku strat mikrozgięciowych część mocy modu podstawowego propagującego w idealnym światłowodzie jest sprzężona z różnymi modami wyższego rzędu w warunkach zaburzeń. Wraz ze wzrostem odległości propagacji, moc przenoszona przez te mody wyższego rzędu jest wypromieniowywana z dziesięcioelementowego światłowodu Orana i oczywiście może być ponownie sprzężona z powrotem z modiem podstawowym.

Analiza strat spowodowanych mikrozgięciami opiera się zwykle na teorii sprzężenia modów, a podstawowa zależność jest nieco skomplikowana.

Gdzie C to współczynnik sprzężenia między modami podstawowymi a jednym z modów wyższego rzędu, który wskazuje, ile mocy zostanie sprzężone z modu prowadzonego do modu wyższego rzędu lub modu płaszcza (scenariusz jednomodowy). Qfiber to zaburzenie włókna pod wpływem naprężenia bezpośredniego, a Qenv to zaburzenie pod wpływem naprężenia pośredniego, gdy zmienia się otoczenie. Dokładność tej analizy modelowania jest trudna do uzyskania, ponieważ zaburzenia powodujące straty mikrozgięciowe są wysoce losowe. Celem analizy jest jednak zapewnienie solidnego przewodnika, a w niektórych scenariuszach można użyć dodatkowych współczynników do aproksymacji wyników symulacji.

Olshansky badał i zaproponował relację obserwacyjną na wczesnym etapie.

a - promień rdzenia

b - Promień okładziny

Delta - różnica współczynnika załamania światła

Moduł sprężystości powłoki polimerowej EE

Np. - Moduł sprężystości włókna szklanego optycznego

W większości przypadków ta relacja jest bardziej pomocna

3. Źródło strat mikrozgięciowych

Źródłem strat mikrozgięciowych są głównie czynniki zewnętrzne. Jeśli światłowód jest używany wyłącznie jako światłowód goły, bez formowania kabla, i nie występuje siła zewnętrzna w wolnej przestrzeni, nie ma możliwości wystąpienia strat mikrozgięciowych. Chociaż nieregularność geometryczna samego włókna może powodować straty mikrozgięciowe, wpływ strat mikrozgięciowych samego włókna można zignorować, ponieważ test stratności został pomyślnie przeprowadzony w fabryce. Uwzględnia on jedynie wpływ strat mikrozgięciowych włókna światłowodowego odpowiadający zewnętrznemu zamocowaniu w kablu optycznym lub urządzeniu.

Źródła strat mikrozgięciowych wynikają głównie z trzech aspektów

Pierwszym z nich jest konstrukcja samego włókna. Sama konstrukcja włókna nie jest źródłem strat spowodowanych mikrozgięciami, ale wrażliwość na mikrozgięcia jest determinowana przez samą konstrukcję włókna. Konstrukcja rdzenia włókna jest w dużej mierze zależna od wartości MAC. Jest to zgodne ze wzorem Olshansky'ego.

Im mniejsza wartość MAC, tym mniejsze będą straty mikrozgięciowe przy tych samych zaburzeniach zewnętrznych.

Odzwierciedla się to w konkretnym włóknie, ogólnie włókno G657 ma mniejsze straty spowodowane mikrozgięciami niż włókno G652.

Chociaż zmniejszenie promienia rdzenia i zwiększenie różnicy współczynników załamania światła może zmniejszyć straty mikrozgięciowe, korelacja między parametrami światłowodu a jego standaryzacją jest mało prawdopodobna w scenariuszu zmiany tylko jednego parametru, podczas gdy pozostałe pozostają niezmienione. Jednak ten trend się utrzymuje.

Konstrukcja płaszcza światłowodu również może przynieść poprawę. Zależność długości fali od strat mikrozgięciowych znacznie się zmienia po dodaniu do płaszcza rowka o określonej konstrukcji.

Zależność długości fali od strat mikrozgięciowych włókna rowkowanego na rysunku znacznie różni się od zależności dla włókna standardowego. Zależność długości fali dla włókna standardowego na tym rysunku nieznacznie przekracza dane konwencjonalne, głównie dla włókna rowkowanego, którego strata mikrozgięciowa jest spłaszczona. Oznacza to, że typowa lokalizacja problemu i analiza problemu muszą uwzględniać konstrukcję włókna, w przeciwnym razie opieranie się wyłącznie na doświadczeniu może być mylące. Podsumowując, konstrukcja włókna optymalizuje stratę mikrozgięciową, co jest korzystne w niektórych scenariuszach.

Po drugie, źródło strat mikrozgięciowych jest związane z czynnikiem kabla światłowodowego, który jest bardziej złożony. Złożoność polega na tym, że istnieje zbyt wiele rodzajów kabli światłowodowych, a ich konstrukcja jest bardzo zróżnicowana, ale stosunkowo łatwo jest określić konkretny typ. Typowym czynnikiem jest wpływ powłoki. Intuicyjnie można również wnioskować, że powłoka, jako pierwsza linia obrony chroniąca światłowód, odgrywa rolę efektywnego przewodzenia naprężeń. Jeśli powłoka jest wykorzystywana jako funkcja przenoszenia naprężeń, im mniejszy jest wewnętrzny moduł sprężystości i im większy jest zewnętrzny moduł sprężystości, tym mniejsza jest wartość funkcji przenoszenia naprężeń, a wpływ odpowiadających jej strat mikrozgięciowych jest również mniejszy. Im większa jest średnica powłoki, tym mniejszy jest świadomy wpływ strat mikrozgięciowych.

Oczywiście, średnica 900 um jest znacznie mniejsza niż strata mikrozgięciowa włókna 250 um. Można również zauważyć, że w tej samej konstrukcji kabla światłowodowego, mimo że przestrzeń aktywności włókna 900 um jest niewielka, w normalnych warunkach jego strata mikrozgięciowa jest rzeczywiście znacznie mniejsza.

Trzecim czynnikiem jest wpływ środowiska, w którym znajduje się kabel. Ze względu na złożoność strat na mikrozgięciach, obecnie nie ma znormalizowanej metody badań, a metoda badań określona w normie IEC/TR62221 jest zazwyczaj stosowana bezpośrednio. Trudno jest określić zaburzenia. Nawet w przypadku niektórych metod badań, środowisk badawczych i sprzętu pomiarowego, różne miejsca umieszczenia kabla mogą dawać różne wyniki. Wyników różnych laboratoriów i różnych metod badawczych nie można bezpośrednio porównywać, lecz stanowią one porównania jakościowe. Wyniki badań należy oceniać oddzielnie.