1. 彎曲損耗的基本概念

在光波導(dǎo)和尤其是光纖領(lǐng)域中，彎曲損耗是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。光纖在彎曲時(shí)會(huì)通過(guò)從芯模式（導(dǎo)引模式）耦合光到包層模式，展現(xiàn)出額外的傳播損耗。本文將深入探討彎曲損耗的原理、影響因素以及在不同類(lèi)型光纖中的特點(diǎn)，并分析在光電集成電路中的應(yīng)用。

目錄1. 彎曲損耗的基本概念

光纖彎曲時(shí)，光從芯模式耦合到包層模式，導(dǎo)致額外的傳播損耗。這種損耗在達(dá)到某個(gè)臨界彎曲半徑時(shí)迅速增加。對(duì)于具有高數(shù)值孔徑的魯棒導(dǎo)光特性光纖，這個(gè)臨界半徑可能非常?。◣缀撩祝欢鴮?duì)于大模場(chǎng)單模光纖，這個(gè)半徑通常大得多（通常是數(shù)十厘米）。通常，長(zhǎng)波長(zhǎng)下的彎曲損耗增加得更為顯著，盡管由于與包層/涂層邊界反射的光干涉，波長(zhǎng)依賴(lài)性通常呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的振蕩性。長(zhǎng)波長(zhǎng)下增加的彎曲損耗常常限制了單模光纖的可用波長(zhǎng)范圍。例如，對(duì)于單模截止波長(zhǎng)為800納米的光纖，適合在1微米區(qū)域操作，可能在1500納米時(shí)無(wú)法使用，因?yàn)樗鼈儠?huì)展現(xiàn)出過(guò)高的彎曲損耗。值得注意的是，即使沒(méi)有宏觀上的光纖彎曲，由于微彎（即光纖中的微觀擾動(dòng)，可能由制造條件不佳引起）也可能發(fā)生彎曲損耗。

在多模光纖中，彎曲損耗通常強(qiáng)烈依賴(lài)于模式。對(duì)于高階橫向模式，臨界彎曲半徑通常較大。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整彎曲半徑，可以在不影響最低階模式的情況下，為高階模式引入顯著損耗。這對(duì)于設(shè)計(jì)高功率光纖放大器和光纖激光器非常有用，當(dāng)使用具有多個(gè)橫向模式的光纖時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更高的有效模式面積。

彎曲損耗的幅度在一定程度上取決于偏振。例如，這可以被用來(lái)從光纖激光器獲得穩(wěn)定的單偏振發(fā)射。光子晶體光纖即使在單模截止波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)之外，也能具有非常低的彎曲損耗。因此，它們可以是“無(wú)限單模”，即在非常寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)展現(xiàn)出可用的單模特性。

彎曲不僅引入損耗，還會(huì)減小有效模式面積。這對(duì)于大模場(chǎng)階躍折射率光纖尤其如此。此外，彎曲還會(huì)引入雙折射。

2. 估算彎曲損耗

為了估算彎曲損耗的大小，可以使用等效折射率方法。這種技術(shù)的基本思想是計(jì)算有效折射率的模式分布，有效折射率中包含了一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于考慮在不同橫向位置上的路徑長(zhǎng)度變化。彈光學(xué)校正項(xiàng)（考慮到由機(jī)械應(yīng)力引起的局部折射率變化）導(dǎo)致比僅考慮幾何效應(yīng)時(shí)更為弱的折射率輪廓“傾斜”。

這種計(jì)算彎曲損耗的方法方便且通常是一個(gè)很好的近似，前提是沒(méi)有光從外部包層表面反射回光纖芯。更復(fù)雜的模型可以包括這些效應(yīng)，從而預(yù)測(cè)完整的波長(zhǎng)依賴(lài)性，但處理起來(lái)較為復(fù)雜。

3. 抗彎曲光纖

在光纖的某些應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在光纖通信中，需要相對(duì)不敏感于彎曲的光纖。這在光纖到戶(hù)（FTTH）領(lǐng)域尤為重要，在光纖安裝中要求避免任何緊密彎曲是有問(wèn)題的。G.657標(biāo)準(zhǔn)定義了這些光纖的特性，主要分類(lèi)為A類(lèi)，用于接入網(wǎng)絡(luò)，以及B類(lèi)，用于短距離，但具有更強(qiáng)的彎曲容忍度——在B3類(lèi)別中允許彎曲半徑降至只有5毫米。相比之下，更通用的G.652類(lèi)別允許的彎曲半徑只能降至30毫米。

抗彎曲光纖可以通過(guò)不同的設(shè)計(jì)制造。常見(jiàn)的是采用溝槽輔助光纖設(shè)計(jì)，圍繞光纖芯有一個(gè)相對(duì)折射率較低的環(huán)（溝槽）。另一種可能性是光子晶體光纖的某些設(shè)計(jì)，這可能被稱(chēng)為孔輔助。

需要注意的是，抗彎曲性與其他屬性（例如在直線(xiàn)形態(tài)下的低傳播損耗）之間存在權(quán)衡。然而，對(duì)于FTTH來(lái)說(shuō)，最低的傳播損耗并不是必需的，因?yàn)橹恍枰獙?shí)現(xiàn)相對(duì)較短的傳輸距離。

4. 光電集成電路中的彎曲損耗

彎曲損耗不僅在光纖光學(xué)中很重要，也在光電集成電路中占有一席之地。緊湊的電路設(shè)計(jì)通常需要在這些芯片上強(qiáng)烈彎曲波導(dǎo)，希望彎曲半徑只有幾微米，但受到彎曲損耗問(wèn)題的限制。為了強(qiáng)烈彎曲從而實(shí)現(xiàn)特別緊湊的設(shè)計(jì)，需要具有較高數(shù)值孔徑的波導(dǎo)，即具有較大折射率對(duì)比（即高數(shù)值孔徑），例如基于硅基絕緣體（SOI）技術(shù)的波導(dǎo)。然而，這些波導(dǎo)傾向于對(duì)芯材與包層之間非完美邊界的散射更敏感。