新一代FTTX用弯曲不敏感单模光纤的研究与应用

一、引言
        近年来接入网的发展引起了人们极大的关注，接入网是用户网进入城域/骨干网的桥梁。目前，随着社会信息化进程的加快，接入网已经成为网络向宽带化发展的瓶颈。为了满足用户的需求，新技术不断涌现。电信运营商为了有效利用现有的电话线资源，提高接入网的速度和带宽，满足用户对高速数据和宽带业务的需求，开发了数字用户线(xDSL)技术。xDSL有高速数字用户线（HDSL）、非对称数字用户线（ADSL）和甚高频数字用户线（VDSL）之分。但现有的这些接入技术如xDSL，HFC等远不能满足未来的高质量图象业务的传输要求。要为每个家庭提供超过100兆的带宽，光纤到家（FTTH）被广泛认为是一种理想的综合接入方案。
        FTTH顾名思义光纤需要铺设到每个用户的家庭，甚至光纤到桌面。这就要求进入家庭后光缆要易安装，小型化等。常规的标准单模光纤已无法满足要求。本文从理论分析了光纤弯曲损耗与弯曲半径，以及弯曲损耗和模场直径MFD的关系，并介绍涂层设计对抗弯曲性能的相关特性。
 
二、光纤弯曲损耗原理
        当光纤弯曲时，光纤中的传导模泄漏到包层内变换为辐射模而导致光功率损失，这种效应就是弯曲损耗。理论分析和实验研究均表明：光纤弯曲（宏弯）时，弯曲半径R大于一个临界值Rc，因弯曲引起的附加损耗很小，以致可以忽略不计，而弯曲半径小于临界值Rc时，附加损耗按指数规律迅速增加。
        Jeunhumme对单模光纤给出了如下公式，假设半径R，则每单位长度的损耗为：
        α_c =A_cR^-1/2exp(-UR)                                          （1）
        A_c=(1/2)( π/aW³)^1/2{U/[WK₁(W)]}²                  （2）
        U=4＆n W³/(3aV²n₂)                                          （3）
        式中a和＆n分别是纤芯半径和纤芯/包层的折射率差，α_c，U，W和V分别为弯曲损耗系数、径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率。
        一般，对于给定的折射率差、工作波长和截止波长，有一个临界曲率半径Rc，当实际曲率半径接近Rc时，弯曲损耗从可以忽略的数值急剧增加到不可容忍的数值，如图1所示。在通常波段（1000nm）处，有效的Rc近似公式为：
        Rc=20λ(＆n)^-3/2(2.748-0.996λ/λc)^-1               （4）
        从图中可以看出，随着弯曲半径的减小，其弯曲损耗不断的增大。而且在减小到某一值后，由于弯曲带来的损耗将会突然急剧的增大。
 
三、与弯曲损耗相关因素
        1、MFD
        无论是宏观弯曲还是微观弯曲，其损耗均与模场直径MFD相关。在考虑和测量MFD模型上，有很多方法，其中最主要的因素是如何近似描述电场的分布。假设电场分布是高斯型，即：
        E(r)=exp(-r²/w₀²)                                             （5）
        式中r是半径，E₀是r=0处的场量值，W₀是电场分布的半宽度，2W₀ 称为MFD，如图2示。         模场直径直接反映了场强在空间的分布，因此减小模场直径是有效降低弯曲损耗的途径，提高光纤的抗弯曲能力。
        2、MAC
        阶跃式折射率单模光纤的弯曲性能也可以用模场直径（MFD）与截止波长（λc）之间的特性表示，这个著名的无量纲参数被称为MAC，其表征了光纤的弯曲性能，函数关系表示为：
        MAC=MFD/λc                                                     （6）
        图3表明，光纤的弯曲敏感性随着MAC值的减小而降低，损耗随MAC增加而增加。         文献表明，专门为1550nm窗口设计的抗弯曲光纤的MFD为5um。但模场直径如果过小，在熔接时会引起较大的熔接损耗，同时考虑全波段进行传输时，光缆截止波长需小于1260nm，因此对于两者之间存在着一个最佳平衡点。
        3、芯/包折射率
        光纤的结构与性能按其应用场合的差异而不同。在实际使用中的光缆线路中，光缆中的光纤不可避免地受到弯曲应力的作用。研究证明，光纤的弯曲损耗与光纤的折射率分布结构参数（相对折射率△n、纤芯半径a）有关。因此，对于一个特定的光通信系统，选择合适的光纤参数是非常重要的，设计合理的光纤剖面折射率分布结构及材料组成，实现粘度匹配和功能梯度材料组成及结构组成，这有利于从本质上提高光纤的抗弯曲性能和可靠的机械性能，图4表示了典型的光纤剖面折射率结构。
        4、光纤涂层设计
        涂料的本身特征对光纤的损耗具有重要的影响。通常，外涂层的玻璃转化温度（Tg）高于80℃，内涂层的玻璃转化温度（Tg）接近于于-60℃，当内涂层处于弹性状态时，外涂层仍处于玻璃状态，此时两者的膨胀系数相差十倍左右，在裸光纤与内涂层的界面上产生拉应力，增加了光纤的衰减及弯曲损耗。由图5可见，涂料的性质不同，对光纤附加衰减影响有很大的区别。
四、应用
        随着带宽业务的持续增长，“光进铜出”已经是各大运营商的共识，FTTX在未来几年内，必然成为网络建设的重点。FTTH的终端是千家万户，无论在农村或是城镇小区，复杂的布线系统及超大的分支系统都需要便利的施工条件。因此，业内急需一种弯曲半径更小的光纤，抗弯曲光纤也将逐渐受各大运营商、制造商的关注，这给抗弯曲光纤提供了广泛的发展空间。
 
五、结论
        本文着重介绍了弯曲损耗的原理及其他影响因素，通过了解弯曲半径、模场直径、截止波长以及涂层设计等与光纤的弯曲损耗的关系，可以在光纤通信设计中进行充分利用，设计制造抗弯曲性及机械性能良好的光纤，满足日益发展的具有高带宽、低成本特点的FTTH网络工程需求。