Что такое изгиб волокна?

Обзор изгиба волокна

Оптоволоконные датчики имеют небольшие размеры и могут быть согнуты. Их можно устанавливать выборочно в небольших помещениях. Слишком маленький радиус изгиба приведет к потере оптического сигнала и повлияет на точность измерений. Однако во многих сценариях практического применения волоконно-оптические датчики неизбежно имеют небольшой радиус изгиба во время установки. В центре внимания людей стало решение проблемы потерь, вызванных изгибом оптического волокна. Давайте посмотрим на неблагоприятные последствия изгиба обычного оптического волокна и принцип работы небольшого радиуса изгиба устойчивого к изгибу оптического волокна.

Почему оптические волокна не следует слишком сгибать?

Когда свет перемещается из одной среды в другую, он преломляется и отражается на границе раздела двух сред. По мере увеличения угла падения отраженный свет становится сильнее, а преломленный свет становится слабее. Когда угол падения достаточно велик, преломленный свет полностью исчезает, остается только отраженный свет. Это явление называется полным отражением.

Явление полного отражения

Оптическое волокно состоит из трехслойной структуры: сердцевины, оболочки и покрытия. Показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки. Свет может достичь передачи полного отражения в ядре.

 Полное отражение в оптических волокнах

Как правило, коэффициент потерь стандартного одномодового оптического волокна на длине волны 1550 нм составляет около 0.2 дБ/км, что является низкими потерями при передаче. Если оптическое волокно изогнуто (макроизгиб или микроизгиб), светопропускание не соответствует условию полного отражения, и часть света выходит за пределы оболочки, что приводит к снижению оптической мощности и потерям.

Состояние изгиба оптических волокон

Как уменьшить потери на изгибе

Основная причина потерь в волоконно-оптических линиях заключается в том, что во время их прокладки и прокладки в локальных местах оптических волокон возникают изгибы под большим углом, которые часто встречаются в стыках и поворотах оптических волокон. Этот тип потерь на изгибах обратим. Увеличение радиуса изгиба оптоволокно значительно улучшит потерю связи. Каков путь передачи света в оптоволокне?

Если мы используем оборудование OFDR для измерения волоконно-оптических линий, мы получим кривую распределения OFDR (интенсивность/отражательная способность на расстоянии). Кривая может отражать потери в каждой позиции оптоволоконного канала. Потери в основном представлены в виде ступенек, как показано на рисунке ниже. Пользователи могут использовать кривую OFDR для анализа и определения положения изгиба и внесения корректировок.

Кривая OFDR при изгибе оптического волокна

Пользователи также могут выбрать в качестве датчиков нечувствительные к изгибу (устойчивые к изгибу) оптические волокна, которые могут уменьшить влияние потерь на изгибе. Устойчивое к изгибу оптическое волокно может выдерживать меньший радиус изгиба. Например, минимальный радиус изгиба одномодового термостойкого оптического волокна (модель: Pl125) составляет около 5 мм. Минимальный радиус изгиба оптического кабеля с плотной оболочкой, чувствительного к деформации (модель: SS-0.9 мм), составляет около 8 мм.

Введение в устойчивые к изгибу оптические волокна

Рекомендуется, чтобы радиус изгиба обычного одномодового оптического волокна (типа G.652) был больше 5 мм (диаметр 1 см), в противном случае оптический сигнал будет значительно потерян, что приведет к снижению отношения сигнал/шум. сенсорные измерения и нестабильные результаты измерений. Что касается минимального радиуса изгиба, существует практическое правило: для длительного применения радиус изгиба должен превышать диаметр оболочки волокна в 150 раз; для кратковременного применения радиус должен превышать диаметр оболочки в 100 раз. Диаметр оболочки обычного одномодового оптического волокна составляет 125 мкм, а минимальные радиусы изгиба двух вышеуказанных типов составляют 19 мм и 13 мм соответственно.

Устойчивое к изгибу оптическое волокно (тип G.657) в основном улучшает сопротивление изгибу за счет изменения структурной конструкции оптического волокна. В отрасли существует общий индекс для оценки чувствительности к изгибу: значение MAC.

Формула MAC

Значение MAC — это отношение диаметра поля моды к длине волны отсечки в волноводном волокне с почти ступенчатым индексом. Чем ниже значение MAC, тем менее чувствительно волокно к изгибу. Некоторые основные подходы к проектированию волокон, нечувствительных к изгибу, включают уменьшение диаметра поля моды или увеличение длины волны отсечки, или и то, и другое. Конкретные методы включают:

(1) Уменьшите диаметр поля моды, чтобы улучшить управление освещением. Например, уменьшение диаметра ядра или увеличение показателя преломления ядра.

(2) Уменьшите диаметр оболочки волокна, чтобы увеличить сопротивление изгибу. Диаметр существующих устойчивых к изгибу оптических волокон будет уменьшен со 125 микрон до 80 микрон и даже появился внешний диаметр 60 микрон.

(3) Добавьте облицовочный слой из траншей с низким показателем преломления. Функция аналогична увеличению показателя преломления сердцевины волокна.

Все вышеперечисленные методы позволяют лучше контролировать передачу световых лучей в сердцевине волокна, тем самым уменьшая влияние изгиба волокна при сенсорных измерениях. На рынке обычно используется устойчивое к изгибу оптическое волокно G.657B3. Параметры радиуса изгиба и потерь на изгибе показаны в таблице ниже.

Параметры устойчивых к изгибу волокон