大功率激光入纤弯曲损耗机理研究

郑元伟龙诺亚张 猛

(贵州电网有限责任公司信息中心，贵州贵阳 550003)

自从1966 年华裔学者高琨发现可以用透明石英玻璃作为光通信媒介来进行信息传递以来，光纤通信技术有了飞速的发展。目前新兴的5G 技术正如火如荼地发展着，光纤通信传输系统朝着更高传输功率、更大传输容量和更远传输距离的方向发展着[1]。在通信系统实际排布线路过程中光纤难免会发生弯曲，尤其是光纤连接处等，对于普通G652 型光纤，临界曲率半径为15 mm，即当弯曲半径低于15 mm 时，光纤的弯曲对光纤传输系统造成的损耗就无法忽视[2-4]。而且在现有的传输系统中，在高功率激光的持续影响下光纤损耗可能会被放大[5-6]，这将对我们高功率长距离的光通信系统造成很大的影响。

对于光纤弯曲损耗，目前已经有很多研究成果可供参考。薛梦驰[2]介绍了光纤弯曲损耗(宏弯损耗)和微弯损耗的形成机理和理论计算公式，以及实验测量方法。吴昌，许立新等人[7]介绍了在常温、高温高湿、盐雾环境和硫化环境下，光纤弯曲损耗系数随着弯曲半径的变化以及发现了光纤弯曲损耗与缠绕圈数近似呈现线性关系。对于高功率激光对光纤造成损伤的现象，Ellen B 等人[8]介绍了高功率激光注入时光纤损伤的机理并给出提高光纤抗激光损伤能力的措施。赵兴海、高杨等人[9]介绍了光纤损伤对光纤传输性能的影响并发现了随着激光脉冲持续时间增大，光纤损伤也会随之增大的现象，但并未针对此现象给出明确的理论解释，而这个效应会在高功率长距离传输系统中造成很大的影响。针对这个现象，搭建系统进行实验，并通过理论分析建立仿真模型，通过数值仿真结果与实验结果进行对比验证，对这一现象作出理论解释。此外，还对比研究了在常温环境和高低温循环环境2 个不同环境下，高功率激光对光纤弯曲损伤的影响。

1 实验方法

实验测试系统如图1。

图1 实验系统示意图

实验中利用光电光(optical-electric-optical，OEO)转换模块产生信号光源，并经过光放大器(Optical Booster Amplifier，OBA)、一阶拉曼和二阶拉曼放大器级联使得入纤功率达到最大增益。实验测试用到的光纤型号为G654 型光纤，高低温循环箱为PARTNER 公司生产(型号为CL-021-021)。光纤分为测试光纤组和长距离传输光纤2 段，我们将测试光纤全部放入高低温循环箱内，400 km 的传输光纤置于高低温循环箱外且空置，防止高功率出纤激光对实验系统造成危害。常温测试环境下不开启高低温循环箱，温度保持室温为26 ℃。高低温循环测试环境下系统设置和测试方法与常温时相同，测试过程中高低温循环箱内温度循环变化，循环范围从-45 ℃到80 ℃，循环周期与升降温速度及保持时间如图2 所示。

图2 高低温循环温度变化

在测试光纤组中，每隔200 m 光纤距离施加弯曲(曲率半径分别为15 mm 和10 mm，均缠绕6圈)、压力(1 kg 重力压在1.6 cm 的光纤上，压强约为5×106Pa)、熔接和法兰连接等不同类型的损耗因素。高功率激光开启后，OBA 输出功率为27 dBm(500 mW)，一阶拉曼放大器输出676 mW，二阶拉曼输出1 278 mW，总输出功率即入纤激光功率估算为500+676+1 278 ＝2 454 mW ＝2.45 W。每隔一段时间我们关闭激光器，将光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)连接至光纤入口处，测量各个我们设置的损耗点的光纤损耗及其变化，我们实验中用到的OTDR 测量精度为±0.1 dB。

2 实验结果

在我们实验的测试条件下，熔接、曲率半径为15 mm 的弯曲，压力和法兰连接这几个损耗点在实验过程中一直没有出现OTDR 可测量到的损耗，因此，我们认为这几个损耗因素并没有给光纤造成明显损伤。重点讨论曲率半径为10 mm 的弯曲给光纤造成的损伤。

2.1 常温测试:

经过约6 天的长时间连续测试，实验结果显示在常温环境下122 h 高功率激光的影响下，曲率半径10 mm 的弯曲的损伤变化随着使时间逐渐变大。

常温条件下曲率半径10 mm 弯曲损伤随时间的变化曲线如图3。

图3 常温条件下曲率半径10 mm 弯曲损伤随时间变化曲线

2.2 高低温循环测试:

经过约15 天的长时间连续测试，实验结果显示在高低温循环环境中高功率激光的影响下，曲率半径10 mm 的弯曲的损伤变化随着使时间逐渐变大，且相较于常温测试更为明显。

高低温循环条件下曲率半径10 mm 的弯曲损伤随时间变化的曲线如图4。

图4 高低温循环条件下曲率半径10 mm 弯曲损伤随时间变化曲线

我们随后将常温测试和高低温循环测试的光纤弯曲损耗变化量随时间变化规律进行对比，如图5所示。可以清楚地看出高低温测试环境下，光纤弯曲损耗的变化速率要大于常温测试环境。说明高低温循环的外部环境会提升光纤内部老化作用，加速了高功率激光对光纤造成的损伤，使其随时间的变化速率比常温情况下更快。

图5 常温与高低温循环条件下弯曲损耗变化情况对比

3 理论研究

我们进一步分析大功率入纤激光对光纤造成损伤的物理机制，并建立对应的数值模型。首先考虑光纤的弯曲损耗。对于单模光纤，假设光纤曲率半径为R，则每单位长度的光纤损耗定义为α，其理论计算公式为[2]:

式中:R为光纤曲率半径；α为光纤损耗；a为纤芯半径；Δn为纤芯半径以及纤芯与包层之间的折射率差；λ为工作波长1 550.12 nm；截止波长λc的理论公式为式(2):

式中:Δ 为光纤相对折射率；Vc为阶跃型光纤归一化频率。光纤相关参数如下(光纤型号为G654):Vc＝2.404 83，a为4 μm～5 μm，纤芯折射率1.468 2，Δn约为0.005 3，Δ 为0.36%。通过以上公式可以计算出光纤弯曲损耗的大小。

而高功率激光对光纤的弯曲损耗需在上述理论基础上进一步修正。Setchell R E 等人[8]的实验证明了在高功率开启时，光纤被加持处或光纤弯曲处等应力产生部位容易出现损伤。这些部位由于应力作用会产生一些微小游离的粒子，这些粒子会吸收高功率激光的能量，使得局部温度升高，并产生光纤损伤。例如在激光能量密度20 J/cm2、脉宽30 ns 的激光作用下，典型金属粒子的温度可以超过104K，如此高的温度会对光纤中的内部结构造成破坏，造成热损伤，产生光纤损伤[10-11]。

当开启高功率激光时，从实验结果可以看到曲率半径为10 mm 的弯曲损伤数值随着时间逐渐增加。我们认为高功率激光在光纤弯曲处造成了热损伤，在光纤内部造成一些破坏，导致纤芯折射率的变化，从而影响弯曲损耗的大小。随着时间的增加，弯曲损耗慢慢增大。我们将热损伤对光纤造成的破坏等效成造成一条等效裂缝的破坏。

我们根据热损伤理论，认为等效裂缝宽度l 与热损伤作用距离L成正比，且时间t的平方根与成正比:[12]。

我们假设一个等效热损伤系数参数η来描述激光功率和环境因素对光纤损伤的影响，此系数需通过实验数据拟合得出。于是等效裂缝宽度度l与时间t的关系可表达为:

随后，进一步考虑光纤折射率的变化，主要分析高功率造成损伤导致纤芯折射率的变化:

式中:Δ(Δn)为纤芯折射率的变化；i为光纤缠绕圈数(该实验中为6 圈)；ncore为纤芯折射率；nair为空气折射率；nclade为包层折射率。

将式(3)代入截止波长的理论计算公式(2)得到:

然后将式(8)代入计算，得到光纤损耗随时间变化的理论公式:

通过调整参数η与实验数据进行拟合，同时利用R2值来衡量仿真曲线与实验数据之间的拟合程度，可考察不同环境温度条件下，高功率激光对光纤的弯曲损耗情况。

4 结果分析:

基于以上的理论分析，我们对常温和高低温循环2 种情况下的光纤弯曲损耗随时间变化进行了数值仿真，并将仿真结果与实验结果进行对比分析。

4.1 常温条件下的拟合情况:

在常温测试条件下，当系数η取值2.9×10-6时此时拟合程度最佳。而损耗的仿真结果与实验对比图如图6 所示。

图6 常温条件下光纤损耗随测试时间变化理论曲线与实验结果对比图

4.1 高低温循环条件下的拟合情况:

在高低温测试条件下，当系数η取值3.4×10-6时，此时拟合程度最佳。损耗的仿真结果与实验对比图如图7 所示。

图7 高低温循环条件下光纤损耗随测试时间变化理论曲线与实验结果对比图

通过对常温环境和高低温循环环境测试结果对比和数值仿真结果分析，我们认为当开启高功率激光时，光纤弯曲处由于高功率激光的连续入射造成了热损伤，并在光纤内部造成一些微小裂缝，导致纤芯折射率的变化，从而加剧了弯曲处的弯曲损耗，同时热损伤随着激光入射时间的增加在光纤弯曲处积累。因此，在曲率半径10 mm 处，随着时间的增加，弯曲损耗慢慢增大。从我们的仿真模型与实验结果对比来看，仿真结果和实验结果拟合程度较好，我们的仿真模型很好的解释了弯曲损耗随着高功率激光注入时间变化的物理机制。

从仿真结果可以看出，高低温循环情况下的系数η比常温情况下的η值要大一些。这说明高低温循环环境加速了光纤内部老化的过程，在长时间高功率激光注入的情况下，在光纤弯曲处对光纤内部结构造成的损伤比常温情况更加明显。通过图5中常温与高低温循环条件下弯曲损耗变化数据的比较，可得到高低温循环老化测试条件下的温度循环加速因子AF 约为2.4。

5 结束语

在此次实验条件下，施加压力、熔接、曲率半径15 mm 的弯曲和法兰连接这几种环境因素没有对光纤造成明显损伤，仅有曲率半径为10 mm 的弯曲处出现了光纤损伤并随高功率激光注入时间逐渐增大。针对这一现象进行了理论分析，并通过热损伤理论建立了在高功率激光注入情况下光纤弯曲损耗随时间缓慢变化的理论模型。通过与实验结果对比，较好地验证了弯曲损耗在高功率激光的影响下随时间缓慢增大的物理机制。我们还同时观察到了温度变化因素的影响，在高低温循环环境下弯曲损耗变化趋势因老化加速的影响，比常温情况下更加明显。

在实际光纤通信系统中，由于光纤局部弯曲无法避免，而且随着对入纤信号功率的需求越来越高，弯曲损耗对光纤的影响将将愈加显著。为减少弯曲损耗的影响，我们可以对入纤激光进行预处理或选择弯曲不敏感光纤等措施。