tổn thất uốn cong sợi Thuật ngữ này đề cập đến sự suy giảm tín hiệu xảy ra khi sợi quang bị uốn cong vượt quá một bán kính nhất định. Hiện tượng này là do sự rò rỉ ánh sáng từ lõi của sợi quang khi nó truyền qua lớp vỏ bọc. Khi sợi quang bị uốn cong, các tia sáng trải qua hiện tượng phản xạ toàn phần tại giao diện lõi-vỏ bọc. Tuy nhiên, nếu bán kính uốn cong quá nhỏ, một số tia sáng có thể thoát ra ngoài qua lớp vỏ bọc, dẫn đến sự suy giảm tín hiệu.

Tổn thất do uốn cong sợi quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

Bán kính uốn cong: Bán kính uốn cong càng nhỏ, tổn thất do uốn cong càng cao. Điều này là do bán kính uốn cong nhỏ hơn khiến các tia sáng bị uốn cong nhiều hơn, làm tăng khả năng rò rỉ qua lớp phủ.

Loại sợi: Các loại sợi quang khác nhau có đặc tính suy hao uốn khác nhau. Ví dụ, sợi đơn mode thường có suy hao uốn thấp hơn so với sợi đa mode.

Bước sóng: Tổn hao do uốn cong có thể thay đổi tùy thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền qua sợi quang. Một số bước sóng có thể chịu tổn hao do uốn cong cao hơn so với các bước sóng khác.

Thiết kế sợi: Thiết kế của sợi quang, bao gồm cả cấu hình chỉ số khúc xạ và vật liệu sử dụng, có thể ảnh hưởng đến tổn hao do uốn cong.

Lớp phủ: Loại và chất lượng lớp phủ được áp dụng cho sợi có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai và khả năng chống biến dạng do uốn cong của nó.

Để giảm thiểu tổn hao do uốn cong, điều quan trọng là phải xử lý sợi quang cẩn thận và tránh uốn cong quá mức, đặc biệt là các đoạn uốn cong gấp khúc. Cáp quang thường được thiết kế với các lớp bảo vệ và gia cố để giảm thiểu tổn hao do uốn cong và đảm bảo truyền tín hiệu đáng tin cậy.

Trong ứng dụng cáp quang, một loại tổn hao quang phức tạp hơn là tổn hao do uốn cong vi mô. Với sự phát triển của các thiết bị và cáp quang, tổn hao do uốn cong vi mô trở thành một yếu tố tổn hao được quan tâm nhiều hơn. Việc chuyển mạch quang trực tiếp được đưa vào thiết bị thay vì chuyển mạch điện, khiến cáp quang dễ bị ứng suất lâu dài trong không gian rất nhỏ. Đối với cáp quang càng mỏng, đường kính càng nhỏ, thì độ dày lớp phủ càng giảm, hoặc giảm đường kính lớp vỏ bọc; tương tự đối với cáp quang đa lõi, độ dày lớp vỏ bọc hiệu dụng cũng giảm đáng kể, làm tăng nguy cơ tổn hao do uốn cong vi mô.

Tổn thất do uốn cong vi mô và tổn thất do uốn cong vĩ mô đều liên quan đến hiện tượng uốn cong, nhưng giữa chúng có những khác biệt rõ rệt về cơ chế gây ra tổn thất. Do đó, trong các ứng dụng thực tế, việc phân biệt tổn thất do uốn cong vi mô hay uốn cong vĩ mô dựa trên bản chất của tổn thất là rất cần thiết, điều này liên quan đến việc xác định chính xác vị trí vấn đề và cách giải quyết vấn đề.

1. Về mặt biến dạng hình học

Tổn thất do uốn cong vi mô thực chất là tổn thất gây ra bởi sự biến dạng nhẹ của sợi, trong khi tổn thất do uốn cong vĩ mô là tổn thất gây ra bởi sự uốn cong thực sự, và đường kính ngoài của sợi vẫn giữ nguyên không đổi lý tưởng. Điều này tạo ra sự khác biệt rõ ràng về hình học. Sự biến dạng nhỏ của sợi có thể được coi là nhiễu loạn tần số cao của chu vi hình học theo hướng dọc của sợi. Nhiễu loạn này có hai thuộc tính: biên độ và tần số. Hiện tượng uốn cong vi mô xuất phát từ tần số cao và biên độ thấp. Có thể mô phỏng nhiễu loạn bên ngoài, và tần số và biên độ của nó thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Lấy biến đổi Fourier của sự biến đổi ngẫu nhiên này, độ lớn tương đương với công suất, và có sự tương ứng giữa mật độ phổ công suất và tần số không gian.

Điều này cũng dễ hiểu và dễ đưa ra kết luận định tính một cách trực quan: khi tần số nhiễu loạn rất cao, sự biến dạng của sợi đồng đều và ảnh hưởng của tổn thất do uốn cong vi mô không lớn. Tuy nhiên, khi tần số nhiễu loạn rất thấp, hiện tượng uốn cong thực sự có thể xảy ra và tổn thất do uốn cong vĩ mô chiếm ưu thế.

2. Từ cơ chế tổn thất

Trong tổn hao do uốn cong vĩ mô, có thể coi sự phân bố trường mode của mode cơ bản (sợi đơn mode) trong sợi khuếch tán về phía uốn cong, và phần khuếch tán sâu vào lớp vỏ sẽ tạo ra bức xạ và dần dần bị mất. Trong tổn hao do uốn cong vi mô, một phần công suất của mode cơ bản truyền trong sợi lý tưởng được ghép nối với các mode bậc cao hơn trong điều kiện nhiễu loạn. Khi khoảng cách truyền tăng lên, công suất do các mode bậc cao hơn này mang theo sẽ bị bức xạ ra khỏi sợi quang mười phần tử Oran, và tất nhiên nó có thể được ghép nối trở lại với mode cơ bản.

Việc phân tích tổn hao do uốn cong vi mô thường dựa trên lý thuyết ghép nối chế độ, và mối quan hệ cơ bản khá phức tạp.

Trong đó, C là hệ số ghép nối giữa chế độ cơ bản và một trong các chế độ bậc cao hơn, cho biết lượng công suất sẽ được ghép nối từ chế độ dẫn hướng sang chế độ bậc cao hơn hoặc chế độ lớp phủ (trường hợp đơn mode). Qfiber là sự nhiễu loạn của sợi quang dưới tác động trực tiếp, và Qenv là sự nhiễu loạn dưới tác động gián tiếp khi môi trường thay đổi. Độ chính xác của phân tích mô hình này rất khó đạt được vì các nhiễu loạn gây ra tổn thất uốn cong vi mô rất ngẫu nhiên, nhưng mục đích của phân tích là cung cấp một hướng dẫn mạnh mẽ, và trong một số trường hợp nhất định, các hệ số bổ sung có thể được sử dụng để xấp xỉ kết quả mô phỏng.

Olshansky đã nghiên cứu và đề xuất một mối quan hệ quan sát ở giai đoạn đầu.

bán kính lõi a

b - Bán kính ốp lát

Delta - sự khác biệt về chiết suất

Mô đun đàn hồi của lớp phủ polyme EE

Ví dụ - Mô đun đàn hồi của sợi quang thủy tinh

Trong hầu hết các trường hợp sử dụng, mối quan hệ này sẽ hữu ích hơn.

3. Nguồn gốc của tổn thất do uốn cong vi mô

Nguồn gốc của tổn hao do uốn cong vi mô chủ yếu là các yếu tố bên ngoài. Nếu sợi quang chỉ được sử dụng như một sợi trần mà không được tạo thành cáp, nếu không có lực tác động bên ngoài trong không gian tự do, thì không có khả năng xảy ra tổn hao do uốn cong vi mô. Mặc dù sự không đều về hình học của bản thân sợi quang có thể gây ra tổn hao do uốn cong vi mô, nhưng ảnh hưởng của tổn hao do uốn cong vi mô của chính sợi quang có thể bỏ qua vì bài kiểm tra tổn hao đã được thực hiện thành công tại nhà máy. Nó chỉ xem xét ảnh hưởng của tổn hao do uốn cong vi mô của sợi quang tương ứng với sự cố định bên ngoài trong cáp quang hoặc thiết bị.

Nguyên nhân gây ra tổn thất do uốn cong vi mô chủ yếu đến từ ba khía cạnh.

Thứ nhất là thiết kế của chính sợi quang. Thiết kế của sợi quang không phải là nguồn gốc của tổn thất do uốn cong vi mô, nhưng độ nhạy cảm với uốn cong vi mô lại được quyết định bởi chính thiết kế sợi quang. Thiết kế lõi sợi quang chủ yếu bị ảnh hưởng bởi giá trị MAC. Điều này phù hợp với công thức đặc trưng của Olshansky.

MAC càng nhỏ thì tổn thất do uốn cong vi mô càng nhỏ dưới cùng một tác động bên ngoài.

Điều này được phản ánh trong đặc tính cụ thể của sợi quang, nói chung sợi G657 có tổn hao do uốn cong vi mô ít hơn so với sợi G652.

Mặc dù việc giảm bán kính lõi và tăng chênh lệch chiết suất có thể làm giảm tổn thất do uốn cong vi mô, nhưng mối tương quan giữa các thông số sợi quang và việc tiêu chuẩn hóa sợi quang khó có thể tồn tại trong trường hợp chỉ thay đổi một thông số trong khi các thông số khác không thay đổi. Nhưng xu hướng này vẫn tiếp diễn.

Thiết kế lớp vỏ bọc trong sợi quang cũng có thể mang lại những cải tiến. Sự phụ thuộc bước sóng của tổn hao uốn cong nhỏ thay đổi rất nhiều khi thêm một thiết kế rãnh cụ thể vào lớp vỏ bọc.

Sự phụ thuộc bước sóng của tổn hao uốn cong nhỏ của sợi quang có rãnh trong hình vẽ rất khác so với sợi quang tiêu chuẩn. Sự phụ thuộc bước sóng của sợi quang tiêu chuẩn trong hình này hơi vượt ra ngoài dữ liệu thông thường, chủ yếu là do thiết kế sợi quang có rãnh giúp làm phẳng tổn hao uốn cong nhỏ. Điều này có nghĩa là việc xác định vị trí vấn đề và phân tích vấn đề thông thường cần phải xem xét thiết kế của sợi quang, nếu không chỉ dựa vào kinh nghiệm có thể dẫn đến sai lầm. Tóm lại, thiết kế sợi quang tối ưu hóa tổn hao uốn cong nhỏ, có lợi trong một số trường hợp nhất định.

Thứ hai, nguồn gốc của tổn thất do uốn cong vi mô liên quan đến yếu tố cáp quang, điều này phức tạp hơn. Sự phức tạp nằm ở chỗ có quá nhiều loại cáp quang và thiết kế rất khác nhau, nhưng việc xác định cụ thể một loại nào đó lại tương đối dễ dàng. Một yếu tố điển hình là ảnh hưởng của lớp phủ. Theo trực giác, cũng có thể kết luận rằng lớp phủ, với vai trò là tuyến phòng thủ đầu tiên để bảo vệ sợi quang, đóng vai trò dẫn truyền ứng suất hiệu quả. Nếu sử dụng lớp phủ như một hàm truyền ứng suất, thì mô đun đàn hồi bên trong càng nhỏ và mô đun đàn hồi bên ngoài càng lớn, giá trị của hàm truyền ứng suất càng nhỏ, và ảnh hưởng của tổn thất do uốn cong vi mô tương ứng cũng càng nhỏ. Đường kính của lớp phủ càng lớn, ảnh hưởng của tổn thất do uốn cong vi mô càng nhỏ, điều này đã được biết đến một cách rõ ràng.

Rõ ràng, đường kính 900µm nhỏ hơn nhiều so với tổn hao do uốn cong siêu nhỏ của sợi quang 250µm. Cũng có thể biết rằng trong cùng một thiết kế cáp quang, mặc dù không gian hoạt động của sợi 900µm nhỏ, nhưng trong điều kiện bình thường, tổn hao do uốn cong siêu nhỏ của nó thực sự nhỏ hơn nhiều trong cáp.

Yếu tố thứ ba là tác động của môi trường xung quanh vị trí đặt cáp. Do tính phức tạp của tổn hao do uốn cong vi mô, hiện nay chưa có phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn hóa, và phương pháp thử nghiệm do IEC/TR62221 cung cấp thường được sử dụng trực tiếp. Điều này gây khó khăn trong việc xác định sự nhiễu loạn. Ngay cả với cùng một phương pháp thử nghiệm, môi trường thử nghiệm và thiết bị thử nghiệm, các vị trí đặt khác nhau cũng có thể cho kết quả khác nhau. Kết quả của các phòng thí nghiệm khác nhau và các phương pháp thử nghiệm khác nhau không thể so sánh trực tiếp mà chỉ là so sánh định tính. Do đó, cần phải đánh giá riêng biệt kết quả thử nghiệm.