設(shè)計幾種光纖結(jié)構(gòu)降低光纖彎曲性能

(一)應(yīng)用中出現(xiàn)彎曲的情況

光纖是重要的長距離信號傳輸媒介，柔性是光纖本身很大的優(yōu)勢，但是光纖真的“柔性”嗎?

光纖足夠細(xì)，只要不斷，可以說它是“能夠彎曲”，然而小彎曲半徑(宏觀彎曲損耗)會導(dǎo)致信號丟失，所以從性能角度來考量，光纖并不能彎曲到非常小的半徑。安裝光纖光纜就需要經(jīng)驗豐富的工程師，并且謹(jǐn)慎操作，避免沿光纖路徑的小彎曲。

安裝光纖時候可能遇到的彎曲情況

(二)光纖的宏彎衰耗

光纖的宏彎衰耗：宏彎損耗是指沿著光纖軸線的彎曲造成的損耗。光束在光纖軸線方向傳播時，與芯/包的界面成臨界角;當(dāng)光束射到光纖彎曲部分的芯/包邊界處所形成的傳播角大于臨界值，其結(jié)果就是在彎曲的光纖中不能滿足全內(nèi)反射條件，一部分光束會從光纖的纖芯中逃離出去。

所以，光纖彎曲后會產(chǎn)生光功率的損耗，傳輸?shù)搅硪欢说墓夤β时葟墓庠窗l(fā)出進(jìn)入光纖的光功率小(光在光纖中傳播時所產(chǎn)生的總衰減的最主要原因之一)。

對光纖進(jìn)行彎曲不僅改變了光纖的光傳輸特性，也改變了機(jī)械特性能。為了避免這種情況，安裝人員在彎曲光纖的時候要采取一定的預(yù)防措施。關(guān)于最小彎曲半徑的經(jīng)驗法則是：對于長期的應(yīng)用，彎曲半徑應(yīng)超過光纖包層直徑的150倍;對短期應(yīng)用，應(yīng)超過包層直徑的100倍。二氧化硅光纖包層直徑通常為125um，所以這兩個數(shù)值分別為19mm和13mm。

(三)設(shè)計幾種光纖結(jié)構(gòu)降低光纖彎曲性能

對光纖操作需要謹(jǐn)慎，另外光纖的設(shè)計靈活是特種光纖(特種纖維 Specialty Optical Fibres)的一大特點。我們了解一下哪些截面設(shè)計可以減小彎曲對光纖的影響。

這張圖覆蓋了現(xiàn)在常見的幾類抗彎光纖的設(shè)計

1. 減小模場直徑(Reducing themode field diameter)：這一設(shè)計比較直觀，纖芯減小同時提高纖芯的折射率，讓光束可以更好的束縛在纖細(xì)中。

2. 減小包層直徑：光纖的直徑減小，可以抗彎曲的能力就增加。就像前邊說的光纖安裝操作過程中需要注意尺寸(對于長期的應(yīng)用，彎曲半徑應(yīng)超過光纖包層直徑的150倍;對短期應(yīng)用，應(yīng)超過包層直徑的100倍)?，F(xiàn)在抗彎光纖的直徑已經(jīng)從125微米減小到80微米，甚至出現(xiàn)60微米外徑的光纖。

3. 降低包層折射率(Depressing the cladding)

4. 增加一圈低折射率溝槽的包層(Adding a low index trench)。其實和增加纖芯折射率有點類似。

這些設(shè)計是對現(xiàn)有工藝漸進(jìn)式優(yōu)化，可實現(xiàn)的抗宏彎能力有限。之后這一種沒有利用化學(xué)摻雜技術(shù)，而是在纖芯周邊增加了對稱的小孔。

5. 在包層中添加對稱的一圈小孔(Addinga ring of symmetric holes within the cladding)：小孔輔助光纖(Hole assisted fiber, HAF)與利用化學(xué)摻雜制造技術(shù)纖相比，具有非常不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。雖然小孔輔助光纖(HAF)對彎曲不敏感，但長距離光纖的制造成本非常高，熔接也相對困難，還有就是與現(xiàn)有的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)器件并不兼容。

6. 納米氣泡輔助抗彎光纖：這種新型光纖設(shè)計(nano- structures)顯示出優(yōu)越的彎曲性能，滿足光纖到戶中安裝的難度，也相對便于量產(chǎn)和熔接兼容。這種設(shè)計包括正常的鍺摻雜的纖芯，包層內(nèi)增加了一層納米結(jié)構(gòu)環(huán)(從幾納米到幾百納米的氣泡)。

除了通訊應(yīng)用，光纖的傳感應(yīng)用對彎曲要求更加苛刻，因為光纖往往纏繞成各種結(jié)構(gòu)。另外抗彎光纖不僅僅是對稱的單模光纖，保偏光纖(保偏光纖分個類)也有彎曲性能的要求(之后有機(jī)會再交流)。

審核編輯：湯梓紅