设计几种光纤结构降低光纤弯曲性能

(一)应用中出现弯曲的情况

光纤是重要的长距离信号传输媒介，柔性是光纤本身很大的优势，但是光纤真的“柔性”吗?

光纤足够细，只要不断，可以说它是“能够弯曲”，然而小弯曲半径(宏观弯曲损耗)会导致信号丢失，所以从性能角度来考量，光纤并不能弯曲到非常小的半径。安装光纤光缆就需要经验丰富的工程师，并且谨慎操作，避免沿光纤路径的小弯曲。

安装光纤时候可能遇到的弯曲情况

(二)光纤的宏弯衰耗

光纤的宏弯衰耗：宏弯损耗是指沿着光纤轴线的弯曲造成的损耗。光束在光纤轴线方向传播时，与芯/包的界面成临界角;当光束射到光纤弯曲部分的芯/包边界处所形成的传播角大于临界值，其结果就是在弯曲的光纤中不能满足全内反射条件，一部分光束会从光纤的纤芯中逃离出去。

所以，光纤弯曲后会产生光功率的损耗，传输到另一端的光功率比从光源发出进入光纤的光功率小(光在光纤中传播时所产生的总衰减的最主要原因之一)。

对光纤进行弯曲不仅改变了光纤的光传输特性，也改变了机械特性能。为了避免这种情况，安装人员在弯曲光纤的时候要采取一定的预防措施。关于最小弯曲半径的经验法则是：对于长期的应用，弯曲半径应超过光纤包层直径的150倍;对短期应用，应超过包层直径的100倍。二氧化硅光纤包层直径通常为125um，所以这两个数值分别为19mm和13mm。

(三)设计几种光纤结构降低光纤弯曲性能

对光纤操作需要谨慎，另外光纤的设计灵活是特种光纤(特种纤维 Specialty Optical Fibres)的一大特点。我们了解一下哪些截面设计可以减小弯曲对光纤的影响。

这张图覆盖了现在常见的几类抗弯光纤的设计

1. 减小模场直径(Reducing themode field diameter)：这一设计比较直观，纤芯减小同时提高纤芯的折射率，让光束可以更好的束缚在纤细中。

2. 减小包层直径：光纤的直径减小，可以抗弯曲的能力就增加。就像前边说的光纤安装操作过程中需要注意尺寸(对于长期的应用，弯曲半径应超过光纤包层直径的150倍;对短期应用，应超过包层直径的100倍)。现在抗弯光纤的直径已经从125微米减小到80微米，甚至出现60微米外径的光纤。

3. 降低包层折射率(Depressing the cladding)

4. 增加一圈低折射率沟槽的包层(Adding a low index trench)。其实和增加纤芯折射率有点类似。

这些设计是对现有工艺渐进式优化，可实现的抗宏弯能力有限。之后这一种没有利用化学掺杂技术，而是在纤芯周边增加了对称的小孔。

5. 在包层中添加对称的一圈小孔(Addinga ring of symmetric holes within the cladding)：小孔辅助光纤(Hole assisted fiber, HAF)与利用化学掺杂制造技术纤相比，具有非常不同的波导结构。虽然小孔辅助光纤(HAF)对弯曲不敏感，但长距离光纤的制造成本非常高，熔接也相对困难，还有就是与现有的常规标准器件并不兼容。

6. 纳米气泡辅助抗弯光纤：这种新型光纤设计(nano- structures)显示出优越的弯曲性能，满足光纤到户中安装的难度，也相对便于量产和熔接兼容。这种设计包括正常的锗掺杂的纤芯，包层内增加了一层纳米结构环(从几纳米到几百纳米的气泡)。

除了通讯应用，光纤的传感应用对弯曲要求更加苛刻，因为光纤往往缠绕成各种结构。另外抗弯光纤不仅仅是对称的单模光纤，保偏光纤(保偏光纤分个类)也有弯曲性能的要求(之后有机会再交流)。

审核编辑：汤梓红