光纤为何不能过度弯曲？如何减小弯曲损耗？

 光纤弯曲概述

光纤传感器具有体积小、可曲绕的特点，可在狭小空间样品中安装，过小的弯曲半径会带来光信号损耗，影响传感测量的准确性。但在很多实际应用场景中，光纤传感器安装不可避免有小弯曲半径，如何解决光纤弯曲带来的损耗成为大家关注重点。  

下面我们一起来看看，普通光纤弯曲会带来什么不好以及耐弯曲光纤小弯曲半径的工作原理。

 光纤为何不能过度弯曲

光从一种介质射向另一种介质时，在两种介质的交界面会产生折射和反射。随着入射角的增大，反射光越来越强，折射光越来越弱；当入射角足够大时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。



图1 全反射现象

光纤由纤芯、包层和涂覆层三层结构组成，纤芯折射率大于包层折射率，光在纤芯中可以实现全反射传输，可参考光纤通信小知识。



图2 光纤中全反射

一般标准单模光纤在1550nm波长时的损耗系数约为0.2dB/km，传输损耗很低。如果光纤出现弯曲（宏观弯曲或微观弯曲），光传输不满足全反射条件，部分光从包层中泄漏出去，导致光功率下降，造成损耗。

图3 光纤弯曲状态

 如何减小弯曲损耗

光纤链路中出现损耗，主要原因是光纤安装布设过程中光纤局部位置存在有大角度的弯曲，常见于光纤接头和光纤转弯处。此类弯曲损耗是可逆的，增加光纤的弯曲半径，链路损耗会有较大改善。光在光纤中的传输路径是怎样的。

使用OFDR设备测量光纤链路，可获得一条OFDR分布曲线（距离-强度/反射率），曲线可以反映光纤链路中各位置的损耗，损耗主要以台阶的方式呈现，如图4所示。用户可以借助OFDR曲线，分析查找弯曲位置，并进行调整。

图4 光纤弯曲时的OFDR曲线

另外，用户还可以选用弯曲不敏感（耐弯曲）光纤作传感器，可以减少弯曲损耗带来的影响。耐弯曲光纤能容许更小的弯曲半径，比如单模耐高温应变光纤（型号:PI125）最小弯曲半径约5mm；紧护套应变感测光缆(型号：SS-0.9mm)最小弯曲半径约8mm。

 耐弯曲光线介绍

常规单模光纤（G.652型）建议弯曲半径大于5mm（直径1cm)，否则光信号会有明显损耗，导致传感测量信噪比下降，测量结果会出现不稳定现象。关于最小弯曲半径，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。常规单模光纤包层直径为125 μm，上述两种最小弯曲半径分别为19 mm和13 mm，光纤通信：模场直径和截止波长是什么？

耐弯曲光纤（G.657型）主要是通过改变光纤结构设计，提升抗弯能力。行业内有一个比较通用的评价弯曲灵敏度的指标：MAC值。

MAC值是近阶跃折射率波导光纤中模场直径和截止波长的比值。MAC值减小，光纤对弯曲的敏感越低。一些设计弯曲不敏感光纤的基本方法，简单来说，是通过降低模场直径，或者增大截止波长，或者同时降低模场直径和增大截止波长来制作弯曲不敏感光纤。具体方法有：

(1) 减小模场直径以改善光控制。比如减小纤芯直径或增加纤芯折射率。

(2) 减小光纤包层直径来增加抗弯曲特性。现有抗弯光纤的直径从125微米减小到80微米，甚至出现了60微米外径的光纤。

(3) 增加一圈低折射率沟槽的包层。功能类似增加纤芯折射率。

  以上方法都可以使光束更好地控制在纤芯中传输，从而减少传感测量中光纤弯曲带来的影响。市场上常用的耐弯曲光纤类型为G.657B3，其弯曲半径和弯曲损耗参数下见表，仅供参考。

审核编辑：刘清