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弯曲损耗(bend losses)

定义:
在光纤或者其它波导中,由于弯曲带来的传输损耗。

弯曲损耗是光纤光学中常见的问题:当光纤被弯曲的时候会有附加的传输损耗。通常情况下,一旦光纤达到某一个临界曲率半径后,损耗便会迅速上升。这个临界曲率半径对于不同的光纤差别很大:对于具有较好导波特性的光纤(即具有高数值孔径的光纤),这个临界值就很小(几毫米);但是对于普通模式面积很大的单模光纤,这个临界值通常很大(几十厘米)。 

通常情况下,尽管由于包层和涂覆层或者更外面的涂覆层表面的反射光干涉效应随波长是振荡变化的,但是弯曲损耗对于波长越长的分量的影响越大。在长波段高的弯曲损耗通常都会限制单模光纤的可传输光的波长范围。例如工作在1mm波段的单模光纤,其单模截止波长为800nm,但是它不能用于波长1500nm的光的传输,因为在该波长处具有很高的弯曲损耗。需要注意的是即便光纤不存在宏观维度的弯曲,它依然可能会有明显的弯折损耗,这部分弯折损耗很可能是由制造过程中的一些缺陷导致了微观维度的弯曲。 

图1:大模式面积光纤中的振幅分布,沿着右侧弯曲越来越大。光学模式变得越来越小并且损耗越来越大,光耦合出去变成包层模式。数值模拟采用了RP 光纤功率软件。 
光子晶体光纤的弯曲损耗可以非常低,即便在大于单模截止波长的情况下。因此在某种程度上可以称其为“无截止单模”,也就是说在一个很大的范围内都保持单模特性。 
在多模光纤中,相对于基模,高阶横模的临界曲率半径通常更小。通过调节曲率半径,可以对高阶模引入较高的损耗的同时不会显著影响基模。这在设计高功率光纤放大器和光纤激光器时采用多个横模的光纤可以实现更大的有效模场面积。 
可以采用等效折射率方法估测弯曲损耗的大小。其原理为在一定的有效折射率(考虑了横向不同位置处光程长度的改变量后)下计算模场分布。当外包层表面的反射光不会重新反射进入光纤纤芯的时候,该方法能够很方便的给出近似的弯曲损耗。一些更复杂的模型包含了以上效应,这样可以计算出随波长的变化情况,但是实际计算中比较复杂。 
弯曲损耗的大小有时与偏振有关。这个性质可以被用于从光纤激光器中获得一个稳定的单偏振态的输出。 
必须注意的是,弯曲不仅会引入额外的损耗,还会减小光纤的有效模场面积。这一性质对于大模场面积阶跃折射率光纤尤为显著。另外,弯曲还会导致双折射。