光纖彎曲概述

光纖傳感器具有體積小、可曲繞的特點，可在狹小空間樣品中安裝，過小的彎曲半徑會帶來光信號損耗，影響傳感測量的準確性。但在很多實際應用場景中，光纖傳感器安裝不可避免有小彎曲半徑，如何解決光纖彎曲帶來的損耗成為大家關注重點。

下面我們一起來看看，普通光纖彎曲會帶來什么不好以及耐彎曲光纖小彎曲半徑的工作原理。

光纖為何不能過度彎曲

光從一種介質射向另一種介質時，在兩種介質的交界面會產生折射和反射。隨著入射角的增大，反射光越來越強，折射光越來越弱；當入射角足夠大時，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現象叫做全反射。



圖1全反射現象

光纖由纖芯、包層和涂覆層三層結構組成，纖芯折射率大于包層折射率，光在纖芯中可以實現全反射傳輸，可參考光纖通信小知識。



圖2 光纖中全反射

一般標準單模光纖在1550nm波長時的損耗系數約為0.2dB/km，傳輸損耗很低。如果光纖出現彎曲（宏觀彎曲或微觀彎曲），光傳輸不滿足全反射條件，部分光從包層中泄漏出去，導致光功率下降，造成損耗。

圖3 光纖彎曲狀態

如何減小彎曲損耗

光纖鏈路中出現損耗，主要原因是光纖安裝布設過程中光纖局部位置存在有大角度的彎曲，常見于光纖接頭和光纖轉彎處。此類彎曲損耗是可逆的，增加光纖的彎曲半徑，鏈路損耗會有較大改善。光在光纖中的傳輸路徑是怎樣的。

使用OFDR設備測量光纖鏈路，可獲得一條OFDR分布曲線（距離-強度/反射率），曲線可以反映光纖鏈路中各位置的損耗，損耗主要以臺階的方式呈現，如圖4所示。用戶可以借助OFDR曲線，分析查找彎曲位置，并進行調整。

圖4光纖彎曲時的OFDR曲線

另外，用戶還可以選用彎曲不敏感（耐彎曲）光纖作傳感器，可以減少彎曲損耗帶來的影響。耐彎曲光纖能容許更小的彎曲半徑，比如單模耐高溫應變光纖（型號:PI125）最小彎曲半徑約5mm；緊護套應變感測光纜(型號：SS-0.9mm)最小彎曲半徑約8mm。

耐彎曲光線介紹

常規單模光纖（G.652型）建議彎曲半徑大于5mm（直徑1cm)，否則光信號會有明顯損耗，導致傳感測量信噪比下降，測量結果會出現不穩定現象。關于最小彎曲半徑，經驗法則是：對于長期的應用，彎曲半徑應超過光纖包層直徑的150倍；對短期應用，應超過包層直徑的100倍。常規單模光纖包層直徑為125 μm，上述兩種最小彎曲半徑分別為19 mm和13 mm，光纖通信：模場直徑和截止波長是什么？

耐彎曲光纖（G.657型）主要是通過改變光纖結構設計，提升抗彎能力。行業內有一個比較通用的評價彎曲靈敏度的指標：MAC值。

MAC值是近階躍折射率波導光纖中模場直徑和截止波長的比值。MAC值減小，光纖對彎曲的敏感越低。一些設計彎曲不敏感光纖的基本方法，簡單來說，是通過降低模場直徑，或者增大截止波長，或者同時降低模場直徑和增大截止波長來制作彎曲不敏感光纖。具體方法有：

(1) 減小模場直徑以改善光控制。比如減小纖芯直徑或增加纖芯折射率。

(2) 減小光纖包層直徑來增加抗彎曲特性。現有抗彎光纖的直徑從125微米減小到80微米，甚至出現了60微米外徑的光纖。

(3) 增加一圈低折射率溝槽的包層。功能類似增加纖芯折射率。

以上方法都可以使光束更好地控制在纖芯中傳輸，從而減少傳感測量中光纖彎曲帶來的影響。市場上常用的耐彎曲光纖類型為G.657B3，其彎曲半徑和彎曲損耗參數下見表，僅供參考。

審核編輯：劉清