Потери при изгибе волокна Речь идёт о потере сигнала, которая происходит при изгибе оптического волокна за пределы определённого радиуса. Это явление обусловлено утечкой света из сердцевины волокна по мере его прохождения через оболочку. При изгибе волокна световые лучи подвергаются полному внутреннему отражению на границе сердцевина-оболочка. Однако, если радиус изгиба слишком мал, часть световых лучей может выйти через оболочку, что приводит к потерям.

Потери на изгиб волокна зависят от нескольких факторов:

Радиус изгиба: Чем меньше радиус изгиба, тем выше потери на изгибе. Это связано с тем, что меньший радиус изгиба приводит к большей кривизне световых лучей, увеличивая вероятность утечки через оболочку.

Тип волокна: Различные типы волокон имеют разные характеристики потерь на изгибе. Например, одномодовые волокна обычно имеют меньшие потери на изгибе по сравнению с многомодовыми волокнами.

Длина волны: Потери на изгибе могут варьироваться в зависимости от длины волны света, передаваемого по волокну. Для некоторых длин волн потери на изгибе могут быть выше, чем для других.

Проектирование волоконно-оптических кабелей: Конструкция волокна, включая профиль показателя преломления и используемые материалы, может влиять на потери при изгибе.

Покрытие: Тип и качество покрытия, нанесенного на волокно, могут влиять на его гибкость и устойчивость к изгибным потерям.

Для минимизации потерь при изгибе важно бережно обращаться с оптическими волокнами и избегать чрезмерных изгибов, особенно резких. Волоконно-оптические кабели часто проектируются с защитными слоями и усилениями для уменьшения потерь при изгибе и обеспечения надежной передачи сигналов.

В оптических волокнах более сложным типом оптических потерь являются потери от микроизгибов. С развитием устройств и оптических волокон потери от микроизгибов стали более важным фактором потерь. В устройствах все чаще используется прямое оптическое переключение вместо электрического, и волокно становится более восприимчивым к долговременным нагрузкам в очень малом пространстве. Для волокна, чем тоньше и меньше диаметр волокна, толщина покрытия или диаметр оболочки значительно уменьшаются; аналогично, для многожильных волокон эффективная толщина оболочки также значительно уменьшается, что увеличивает риск потерь от микроизгибов.

Потери при микроизгибе и потери при макроизгибе буквально связаны с изгибом, но между ними существуют очевидные различия с точки зрения механизма возникновения потерь. Поэтому в практических приложениях крайне важно различать потери при микроизгибе и макроизгибе в зависимости от их характера, что предполагает правильное определение места возникновения проблемы и способа ее решения.

1. С точки зрения геометрической деформации

Потери при микроизгибе — это фактически потери, вызванные незначительной деформацией волокна, тогда как потери при макроизгибе — это потери, вызванные реальным изгибом, при этом внешний диаметр волокна остается идеально постоянным. Это создает явное различие в геометрии. Небольшую деформацию волокна можно рассматривать как высокочастотное возмущение геометрической окружности в продольном направлении волокна. Это возмущение имеет два свойства: амплитуду и частоту. Сценарий микроизгиба возникает из-за высокой частоты и низкой амплитуды. Внешнее возмущение можно смоделировать, и его частота и амплитуда случайным образом изменяются со временем. Применяя преобразование Фурье к этому случайному изменению, величина эквивалентна мощности, и существует соответствующее соответствие между спектральной плотностью мощности и пространственной частотой.

Это также интуитивно легко понять и сделать качественный вывод: при очень высокой частоте возмущений деформация волокна равномерна, и влияние потерь на микроизгиб невелико. Однако при очень низкой частоте возмущений может образоваться реальный изгиб, и преобладают потери на макроизгиб.

2. Из механизма потерь

При макроизгибных потерях можно считать, что распределение модового поля основной моды (одномодового волокна) в волокне диффундирует к стороне изгиба, а часть, диффундирующая глубоко в оболочку, будет образовывать излучение и постепенно теряться. При микроизгибных потерях часть мощности основной моды, распространяющейся в идеальном волокне, связывается с различными модами более высокого порядка в условиях возмущения. По мере увеличения расстояния распространения мощность, переносимая этими модами более высокого порядка, излучается из десятиэлементного волокна Оран, и, конечно же, она может быть повторно связана с основной модой.

Анализ потерь при микроизгибе обычно основывается на теории связи мод, и базовое соотношение несколько сложное.

Где C — коэффициент связи между основной модой и одной из мод более высокого порядка, указывающий, какая мощность будет передаваться из направляемой моды в моду более высокого порядка или моду оболочки (в одномодовом сценарии). Qfiber — возмущение волокна под прямым воздействием напряжения, а Qenv — возмущение под косвенным воздействием при изменении окружающей среды. Точность данного моделирования затруднена, поскольку возмущения, вызывающие потери при микроизгибе, носят в значительной степени случайный характер, но цель анализа — предоставить надежные ориентиры, и в определенных сценариях для аппроксимации результатов моделирования можно использовать дополнительные коэффициенты.

Ольшанский изучал и предложил наблюдательную зависимость на ранней стадии.

радиус ядра

b - Радиус облицовки

Дельта — разница показателей преломления

Модуль упругости покрытия из EE-полимера

Например, модуль упругости оптического волокна из стекла.

В большинстве случаев такое соотношение оказывается более полезным.

3. Источник потерь при микроизгибе

Основным источником потерь при микроизгибе являются внешние факторы. Если волокно используется только в виде неизолированного волокна без формирования кабеля, и если в свободном пространстве нет внешних сил, то вероятность потерь при микроизгибе исключена. Хотя геометрическая неровность самого волокна может способствовать потерям при микроизгибе, влиянием этих потерь можно пренебречь, поскольку испытания на потери уже пройдены на заводе. Учитывается только влияние потерь при микроизгибе оптического волокна, связанных с внешней фиксацией в оптическом кабеле или устройстве.

Основные причины потерь при микроизгибе обусловлены тремя факторами.

Первый фактор — это конструкция самого волокна. Сама конструкция волокна не является источником потерь при микроизгибах, но чувствительность к микроизгибам определяется именно конструкцией волокна. На конструкцию сердцевины волокна в основном влияет значение MAC. Это согласуется с формулой характеристик Ольшанского.

Чем меньше значение MAC, тем меньше будут потери на микроизгиб при том же внешнем воздействии.

Это отражается на характеристиках конкретного волокна: как правило, волокно G657 имеет меньшие потери на микроизгибах, чем волокно G652.

Хотя уменьшение радиуса сердцевины и увеличение разницы показателей преломления могут снизить потери на микроизгибах, корреляция между параметрами волокна и его стандартизацией вряд ли будет существовать в случае изменения только одного параметра при неизменности остальных. Но тенденция сохраняется.

Улучшения могут быть достигнуты и за счет изменения конструкции оболочки волокна. Зависимость потерь при микроизгибах от длины волны значительно меняется при добавлении к оболочке определенной конструкции канавок.

Зависимость потерь на микроизгибах рифленого волокна от длины волны на рисунке значительно отличается от зависимости для стандартного волокна. Зависимость от длины волны для стандартного волокна на этом рисунке немного выходит за рамки общепринятых данных, главным образом для рифленого волокна, у которого потери на микроизгибах сглажены. Это означает, что при определении местоположения проблемы и анализе проблемы необходимо учитывать конструкцию волокна, иначе, основываясь только на опыте, можно получить неверные результаты. В итоге, конструкция волокна оптимизирует потери на микроизгибах, что выгодно в определенных сценариях.

Во-вторых, источник потерь при микроизгибе связан с фактором оптического волоконного кабеля, что является более сложной проблемой. Сложность заключается в том, что существует слишком много типов оптических волоконных кабелей и их конструкция сильно различается, но относительно легко определить конкретный тип. Типичным фактором является влияние покрытия. Интуитивно можно заключить, что покрытие, как первая линия защиты волокна, играет роль эффективного проводника напряжений. Если покрытие используется в качестве функции передачи напряжений, то чем меньше внутренний модуль упругости и чем больше внешний модуль упругости, тем меньше значение функции передачи напряжений, и тем меньше влияние соответствующих потерь при микроизгибе. Чем больше диаметр покрытия, тем меньше влияние потерь при микроизгибе, это хорошо известно.

Очевидно, что диаметр волокна 900 мкм значительно меньше потерь на микроизгибах волокна диаметром 250 мкм. Также можно отметить, что при одинаковой конструкции волоконно-оптического кабеля, несмотря на небольшое рабочее пространство волокна диаметром 900 мкм, в нормальных условиях потери на микроизгибах в кабеле действительно значительно меньше.

Третий фактор — влияние окружающей среды, в которой расположен кабель. Из-за сложности потерь при микроизгибах в настоящее время не существует стандартизированного метода испытаний, и обычно напрямую используется метод испытаний, предусмотренный стандартом IEC/TR62221. Определить степень возмущения сложно. Даже при использовании определенных методов испытаний, условий испытаний и оборудования, разные места размещения кабеля могут давать разные результаты. Результаты разных лабораторий и разных методов испытаний нельзя сравнивать напрямую, это лишь качественные сравнения. Результаты испытаний необходимо оценивать отдельно.