Was ist Fiber Bend?

Übersicht über Fiber Bend

Faseroptische Sensoren sind klein und können gebogen werden. Sie können in Proben auf kleinem Raum installiert werden. Ein zu kleiner Biegeradius führt zu optischen Signalverlusten und beeinträchtigt die Genauigkeit der Erfassungsmessungen. In vielen praktischen Anwendungsszenarien weisen optische Fasersensoren jedoch bei der Installation zwangsläufig einen kleinen Biegeradius auf. Die Lösung des durch die Biegung von Glasfasern verursachten Verlusts steht im Fokus der Menschen. Werfen wir einen Blick auf die nachteiligen Auswirkungen einer gewöhnlichen Lichtwellenleiterbiegung und auf das Funktionsprinzip des kleinen Biegeradius einer biegefesten Lichtwellenleiterfaser.

Warum sollten optische Fasern nicht übermäßig gebogen werden?

Wenn Licht von einem Medium in ein anderes wandert, wird es an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien gebrochen und reflektiert. Mit zunehmendem Einfallswinkel wird das reflektierte Licht stärker und das gebrochene Licht schwächer. Wenn der Einfallswinkel groß genug ist, verschwindet das gebrochene Licht vollständig und es bleibt nur reflektiertes Licht übrig. Dieses Phänomen wird Totalreflexion genannt.

Phänomen der Totalreflexion

Lichtwellenleiter bestehen aus einem dreischichtigen Aufbau aus Kern, Mantel und Mantel. Der Brechungsindex des Kerns ist größer als der Brechungsindex des Mantels. Licht kann im Kern eine Totalreflexionsübertragung erreichen.

 Totalreflexion in optischen Fasern

Im Allgemeinen beträgt der Verlustkoeffizient einer Standard-Singlemode-Glasfaser bei einer Wellenlänge von 1550 nm etwa 0.2 dB/km, was einem geringen Übertragungsverlust entspricht. Wenn die optische Faser gebogen ist (Makrobiegung oder Mikrobiegung), erfüllt die Lichtübertragung nicht die Bedingungen der Totalreflexion und ein Teil des Lichts tritt aus der Ummantelung aus, was zu einer Verringerung der optischen Leistung und zu Verlusten führt.

Der Biegezustand optischer Fasern

So reduzieren Sie Biegeverluste

Die Hauptursache für Verluste bei Glasfaserverbindungen sind große Biegungen an lokalen Stellen der Glasfasern während ihrer Installation und Anordnung, die häufig bei Glasfaserverbindungen und -windungen auftreten. Diese Art von Biegeverlust ist reversibel. Vergrößerung des Biegeradius der Lichtleitfaser wird den Verbindungsverlust erheblich verbessern. Was ist der Übertragungsweg von Licht in Glasfasern?

Wenn wir OFDR-Geräte zur Messung von Glasfaserverbindungen verwenden, erhalten wir eine OFDR-Verteilungskurve (Entfernungsintensität/Reflexionsvermögen). Die Kurve kann den Verlust an jeder Position in der Glasfaserverbindung widerspiegeln. Der Verlust wird hauptsächlich in Form von Schritten dargestellt, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Benutzer können die OFDR-Kurve verwenden, um die Biegeposition zu analysieren, zu finden und Anpassungen vorzunehmen.

OFDR-Kurve bei gebogener Glasfaser

Anwender können auch biegeunempfindliche (biegefeste) optische Fasern als Sensoren wählen, wodurch die Auswirkungen von Biegeverlusten reduziert werden können. Biegefeste Lichtwellenleiter können einen kleineren Biegeradius tolerieren. Beispielsweise beträgt der minimale Biegeradius einer hochtemperaturbeständigen Singlemode-Glasfaser (Modell: Pl125) etwa 5 mm. Der minimale Biegeradius eines optischen Kabels mit enger Ummantelung zur Dehnungserkennung (Modell: SS-0.9 mm) beträgt etwa 8 mm.

Einführung in biegefeste optische Fasern

Es wird empfohlen, dass der Biegeradius herkömmlicher Singlemode-Lichtwellenleiter (Typ G.652) größer als 5 mm (Durchmesser 1 cm) ist, da sonst das optische Signal erheblich verloren geht, was zu einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses führt die sensorische Messung und instabile Messergebnisse. Bezüglich des minimalen Biegeradius gilt als Faustregel: Für Langzeitanwendungen sollte der Biegeradius das 150-fache des Fasermanteldurchmessers überschreiten; Für kurzfristige Anwendungen sollte der Radius das 100-fache des Manteldurchmessers überschreiten. Der Manteldurchmesser herkömmlicher Singlemode-Lichtwellenleiter beträgt 125 μm und die minimalen Biegeradien der beiden oben genannten Typen betragen 19 mm bzw. 13 mm.

Biegebeständige optische Fasern (Typ G.657) verbessern hauptsächlich die Biegefestigkeit, indem sie das strukturelle Design der optischen Fasern ändern. Zur Bewertung der Biegeempfindlichkeit gibt es in der Branche einen gemeinsamen Index: den MAC-Wert.

MAC-Formel

Der MAC-Wert ist das Verhältnis aus Modenfelddurchmesser und Schnitt-off Wellenlänge in einer Wellenleiterfaser mit nahezu stufenförmigem Index. Je niedriger der MAC-Wert ist, desto weniger empfindlich reagiert die Faser auf Biegungen. Einige grundlegende Ansätze zur Gestaltung biegeunempfindlicher Fasern umfassen die Reduzierung des Modenfelddurchmessers oder die Vergrößerung des Schnittsoff Wellenlänge oder beides. Zu den spezifischen Methoden gehören:

(1) Reduzieren Sie den Modusfelddurchmesser, um die Lichtsteuerung zu verbessern. Zum Beispiel die Reduzierung des Kerndurchmessers oder die Erhöhung des Kernbrechungsindex.

(2) Reduzieren Sie den Durchmesser des Fasermantels, um die Biegefestigkeit zu erhöhen. Der Durchmesser bestehender biegefester optischer Fasern wird von 125 Mikrometer auf 80 Mikrometer reduziert, und sogar ein Außendurchmesser von 60 Mikrometer ist erschienen.

(3) Fügen Sie eine Mantelschicht aus Gräben mit niedrigem Brechungsindex hinzu. Die Funktion ähnelt der Erhöhung des Brechungsindex des Faserkerns.

Alle oben genannten Methoden können die Übertragung von Lichtstrahlen im Faserkern besser steuern und so den Einfluss der Faserbiegung auf Sensormessungen verringern. Der am häufigsten verwendete Typ biegefester optischer Fasern auf dem Markt ist G.657B3. Die Parameter Biegeradius und Biegeverlust sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Parameter biegefester Fasern