8李唐軍試驗(yàn)報(bào)告單模光纖損耗測(cè)試試驗(yàn)要點(diǎn)

1、實(shí)驗(yàn)八單模光纖損耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)光時(shí)域反射儀(OTDR)是一種相當(dāng)復(fù)雜的儀表，它廣泛地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和 現(xiàn)場(chǎng)。它所采用的測(cè)試技術(shù)也常稱為后向散射測(cè)試技術(shù)。它能測(cè)試整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò) 鏈路的衰減并能提供和光纖長(zhǎng)度有關(guān)的衰減細(xì)節(jié)；OTDR還可測(cè)試光纖線路中接頭損耗并可定位故障點(diǎn)位置；OTDR這種后向散射測(cè)試具有非破壞性且只需在一 端測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握OTDR工作原理；(2)熟悉OTDR測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)利用OTDR測(cè)量一盤光纖的衰減系數(shù)和光纖總長(zhǎng)度；(2)測(cè)量?jī)杀P光纖連接處的接頭損耗。三、基本原理OTDR由激光發(fā)射一束脈沖到被測(cè)光纖中。脈沖寬度可以選擇，由于被測(cè)光纖鏈路特性及光纖本身

2、特性反射回的信號(hào)返回OTDR。信號(hào)通過一耦合器到接收機(jī)，在那里光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。最后經(jīng)分析并顯示在屏幕上。由于時(shí)間乘以光在光纖中的速度即得到距離，這樣，OTDR可以顯示返回的相對(duì)光功率對(duì)距離的關(guān)系。有了這個(gè)信息，就可得出有關(guān)鏈路的非常重要的特性?？梢詮腛TDR得出的光路信息有：(1)距離：鏈路上特征點(diǎn)(如接頭、彎曲)的位置，鏈路的長(zhǎng)度等。(2)損耗：?jiǎn)蝹€(gè)光纖接頭的損耗。(3)衰減：鏈路中光信號(hào)的衰減。(4)反射：一事件的反射大小，如活動(dòng)連接器。圖1為OTDR測(cè)試的一般原理。它顯示了 OTDR測(cè)試鏈路上可能出現(xiàn)的各類 事件。衰減及其測(cè)試方法：光纖衰減和波長(zhǎng)密切相關(guān)。衰減系數(shù)隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)

3、u(K)被稱之為損耗譜。人們最感興趣的是工作波長(zhǎng)下的衰減系數(shù)， 如在九二1310nm、1550nm等波長(zhǎng)下的衰 減系數(shù)。在光纖長(zhǎng)度Z1和Z2之間，波長(zhǎng)為九的損耗R (九)可由下式定義:P1R() =10log(dB)P2P1和P2分別表示傳過光纖截面點(diǎn) Z1和Z2的光功率。如果P1和P2之間的距離 為L(zhǎng),可用下式計(jì)算出每單位距離的損耗，即衰減系數(shù)aQ)。10P1：(1) =log(dB/ Km)Z1 -Z2P2三 log-P1(dB/Km)LP2(d接頭熔接點(diǎn) 彎曲機(jī)械接頭裂痕尾端-mmm距離(Km)圖1用OTDR測(cè)試的一般原理入射到光纖的光脈沖隨著在光纖中傳播時(shí)被吸收和散射而被衰減。一部分散

4、 射光返回入射端。通過分析后向散射光的強(qiáng)度及其返回入射端的時(shí)間，可以算得 光纖損耗。假設(shè)入射光脈沖寬度為 T、功率為P(0),這束光脈沖以群速度 Vg在光 纖中傳播，假設(shè)耦合進(jìn)光纖中的光功率為P0考慮沿光纖軸線上任一點(diǎn) Z,設(shè)該點(diǎn)距入射端的距離為z，那么該點(diǎn)的光功率為：zp(z) = P(0)exp- .0 1 f(x)dx(1 )式中，a f(x)是光纖前向衰減系數(shù)。若光在Z點(diǎn)被散射，那么該點(diǎn)的背向散射光返 回到達(dá)入射端時(shí)的光功率為： zPs(z) = s(z) p(z)exp- 0 1 b (x)dx(2 )式中，s(z)是光纖在Z點(diǎn)的背向散射系數(shù)，s(z)具有方向性；b(x)是光纖背向衰

5、減系數(shù)。將(1 )式代入(2 )可得：zPs(z) =P(0)s(z)exp-o (： f(x) ： b(x)dx(3)考慮光纖中有2點(diǎn)Z1和Z2，其距入射端的距離分別為z1和z2 (z2 z1 ),這2點(diǎn)的背向散射光到達(dá)輸入端時(shí)為Ps(zJ和PsG),則由(3)式得Ps(z1)Ps (z2)s(乙)z2=-4exP(： f(x) ： b(x)dxs(z2)z1(4)對(duì)上式兩邊去對(duì)數(shù)得:4Ps (乙)$(乙)/ 、;(%(x)+o(b(x)dx = ln 旦詈-In(5)zPs(z2)s(z2)般認(rèn)為光纖的損耗和光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)沿軸向近似均勻，即認(rèn)為前向衰減系數(shù)和背向衰減系數(shù)不隨長(zhǎng)度z而變，有

6、(z)b(z),并認(rèn)為背向散射系數(shù)也不隨長(zhǎng)度而變即s(z)定s(z2),則Z1和Z2兩點(diǎn)間損耗系數(shù)為:; f(x): b(x) =In-PyzL)(6)z2-zPs(z2)由于損耗為正向和反向之和，因此可用U =1/2af (z)+ab(z)表示Z1點(diǎn)到Z2點(diǎn)這段光纖的平均損耗系數(shù)，由(6)式有：1 汽=-In Ps(。)In Ps(z2)(7)2S -4)由上式原理可通過OTDR的測(cè)試測(cè)定一段光纖的平均損耗系數(shù)，式中的Ps(z,)、Ps(z2)的值可以從OTDR顯示屏上的連續(xù)背向散射軌跡的幅度得到，進(jìn)而可求出平均損耗系數(shù) 豆。與距離有關(guān)的信息是通過時(shí)間信息而得到的(此即光時(shí)域反射計(jì)中時(shí)域的由

7、來)，OTDR測(cè)量發(fā)出脈沖與接收后向散射光的時(shí)間差，利用折射率n值將這一時(shí)域信息轉(zhuǎn)換成距離：(8) 其中c為光在真空中的速度 （3X 1 0 8m/ s ）方向耦合器：方向耦合器就是光分路耦合器。它把一束光分裂為兩路光作不同方向的耦合。 光時(shí)域反射儀能在光纖的一端進(jìn)行測(cè)量，就是利用了方向耦合器來實(shí)現(xiàn)的。這種 方向耦合器要能把光分路耦合，同時(shí)還要能消除或減少前端的菲涅耳反射。最簡(jiǎn) 單的方向耦合器如圖2所示。它是由一塊半反射鏡（或者叫半反射片）和匹配液 盒組成。入射光（實(shí)線）一路透過半反射片注入光纖，一路經(jīng)過半反射片反射， 用作入射光功率監(jiān)測(cè)。背向瑞利散射光（虛線），一路透過半反射片到光源，另外

8、一路經(jīng)過半反射片反射耦合到檢測(cè)器。這樣就把入射光和背向散射光分離開來， 光源和檢測(cè)器都在光纖的同一端，測(cè)量能在同一端進(jìn)行。為了減弱從光纖前端面 來的反射光和雜散光的影響，可把光纖的前端面和半反片放置在盛滿匹配液的盒 里。圖2半反片和匹配液盒組成的方向耦合器這種由半反片和匹配液盒組成的方向耦合器，光路調(diào)整困難，而且要用匹配液，不適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。目前較廣泛使用的是整體的方向耦合器一一Y分路器，其三端通過尾纖分別與光源 A、待測(cè)光纖B和檢測(cè)器C直接耦合，如圖3所示。C圖3熔錐型光纖耦合器這種Y型整體的耦合器比上述組合式插入損耗小， 穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)方便,還有體積小、重量輕、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，所以得到廣

9、泛使用。另一種整體的方向耦合器是利用晶體雙折射特性設(shè)計(jì)的。如圖4所示的是利用格蘭一湯姆生棱鏡做成的方向耦合器。圖4晶體型方向耦合器如圖所示，當(dāng)具有兩個(gè)互相垂直偏振方向的激光入射到晶體棱鏡時(shí)（實(shí)線） ， 由于入射光與光軸垂直，被分為 o光（遵守菲涅耳折射定理）和 e光（不遵守菲 涅耳折射定理）。在晶體膠合面，對(duì)于。光入射角巾大于臨界角，因此。光發(fā)生全 反射，而e光則透過樹膠層注入被測(cè)光纖。因?yàn)槠胀ü饫w不具有保偏特性，經(jīng)光纖傳輸出來的背向散射光變成部分偏振 光。背向散射光（虛線）進(jìn)入棱鏡，同樣分為 o光和e光，e光透過棱鏡，o光被 全反射而被檢測(cè)器接收。至于前端菲涅耳反射光，因?yàn)槭蔷€偏振光e光入射

10、到端面，端面反射的仍然是 e光，因此沿原路透過樹膠層而不能為檢測(cè)器所接收。這 樣，采用晶體方向耦合器就完全消除了前端強(qiáng)烈的菲涅耳反射。晶體方向耦合器用于 OTDR,雖然具有很好的效果，但其缺點(diǎn)是加工困難， 價(jià)格昂貴。反射事件與非反射事件：圖2中顯示出非反射事件的例子。光纖熔接點(diǎn)與彎曲點(diǎn)會(huì)引起損耗但通常不 會(huì)引起明顯反射。光纖中活接頭、機(jī)械式熔接點(diǎn)、裂縫等將會(huì)引起損耗與反射。損耗可由后向 散射的強(qiáng)度值之差來決定。總的反射（通常稱為回?fù)p）由疊加在后向散射之上的 反射幅度決定。圖3顯示的是兩種反射事件的情況。尾端菲涅耳反射事件在光纖中，尾端有兩種情況。(1)假如尾端為垂直切面或配了活接頭(切過并已拋

11、光)，那么將有4%左右的 反射光信號(hào)。通常稱之為菲涅爾反射。(2)假如尾端為斷裂型，那么斷點(diǎn)的不規(guī)則性把光線散射掉， 從而不引起反射。 在這種情況下，信號(hào)將從后向反射電平掉到 OTDR噪聲水平下。當(dāng)然,斷裂斷點(diǎn) 也可能引起反射，但相比于規(guī)則斷點(diǎn)要小得多。圖 6顯示了尾端的這兩種情況。=OTDR圖5反射事件與非反射事件接頭 熔接點(diǎn) 彎曲機(jī)械接頭裂痕尾端拋光端點(diǎn)斷裂端點(diǎn)圖6尾端反射類型動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍是OTDR主要性能指標(biāo)之一，它決定光纖的最大可測(cè)量長(zhǎng)度。OTDR 的動(dòng)態(tài)范圍定義為：始端后向散射電平與噪聲之間的 dB差。動(dòng)態(tài)范圍越大，曲線 線型越好，可測(cè)距離也越長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)范圍目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)

12、準(zhǔn)計(jì)算方法，常 用的動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算方法主要有以下四種：(1)峰值法它是IEC (Bellcore)的標(biāo)準(zhǔn)定義，這是最保守但很有用的指標(biāo)。它測(cè)到噪聲的峰值。一旦后向散射電平小于噪聲即認(rèn)為不可見。這樣動(dòng)態(tài)范圍實(shí)質(zhì)就是始端后向散射電平與噪聲峰值之間的dB差。測(cè)量條件為取OTDR最大脈沖寬度、180 秒的測(cè)量時(shí)間。(2) SNR=1 法這種動(dòng)態(tài)范圍是測(cè)量噪聲的 RMS電平，取始端后向散射電平與 RMS噪聲電 平間的dB差。這樣對(duì)于同樣性能的OTDR來說，用這種指標(biāo)測(cè)出的動(dòng)態(tài)范圍比用 峰值定義IEC法所測(cè)出的動(dòng)態(tài)范圍高出約2.5dB。(3) N=0.1dB 定義最實(shí)用的定義方法。取可以測(cè)量損耗為0.1dB

13、事件時(shí)的最大允許衰減值。N=0.1dB定義值比信噪比SNR=1的RMS定義值小大約6.6dB,這意味著若 OTDR 有30dB的RMS動(dòng)態(tài)范圍，則N=0.1dB定義的動(dòng)態(tài)范圍只有 23.4dB,即只能在 23.4dB衰減范圍內(nèi)測(cè)量損耗為0.1dB的事件。(4)端探測(cè)(End detection)光纖始端的4%菲涅耳反射峰與RMS噪聲電平的dB差，此值比IEC定義值 高約12dB。上述四種動(dòng)態(tài)范圍定義可用圖 7表示。除以上四種常用的定義外，還有其它 的定義方法。需要注意的是，對(duì)同樣性能 OTDR,不同的定義方法，動(dòng)態(tài)范圍值 不同，在檢查OTDR動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)時(shí)必須清楚動(dòng)態(tài)范圍值是以哪種定義給出。與

14、接收機(jī)的靈敏度Pn比值確定。由前面分析知，在時(shí)刻 t從均勻光纖接收到的后向散射光功率Ps由下式給出:R(t) = Po - bs exp(-： Vgt)式中P0是注入光功率，O(bs是后向散射系數(shù)，T是光脈沖寬度，口是光纖衰減系數(shù)， Vg是群速度，則動(dòng)態(tài)范圍為：1 P(0)% bsRT101g曾=51g笠(10)PnPnPs(0)是t=0時(shí)刻的后向散射光功率，后向散射系數(shù)與被測(cè)光纖有關(guān)，但對(duì)典型 的單模光纖，當(dāng)九 =1.3um 時(shí)，0tbs=10W/s,如：P0=0.1mW, Pn=4nW, WJ代入式(10) 得R=27.5dB。從式(10)中可以看出，增大脈沖寬度、提高入射光功率 P0和接

15、收 機(jī)的靈敏度是擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的根本途徑。死區(qū)：死區(qū)決定了 OTDR所能測(cè)到的最短距離及最接近距離。死區(qū)也稱為“盲點(diǎn)”， 它是由于活動(dòng)接頭的反射引起 OTDR接收機(jī)飽和所致。死區(qū)通常發(fā)生在 OTDR面 板前的活動(dòng)接頭反射上，但也可在光纖的其他地方發(fā)生。美國(guó)貝爾通訊研究中心 定義了兩種死區(qū)。(1)衰減死區(qū)從反射點(diǎn)開始到接收機(jī)恢復(fù)到后向散射電平約0.5dB的范圍內(nèi)的這段距離。也就是OTDR能再次測(cè)試損耗和衰減的點(diǎn)。(2)事件死區(qū)從OTDR接收到的反射點(diǎn)開始，至ij OTDR恢復(fù)到最高反射點(diǎn)1.5dB以下這段 距離。在這以后才能發(fā)現(xiàn)是否還有地二個(gè)反射點(diǎn)，但還不能測(cè)試損耗和衰減。死區(qū)也被認(rèn)為是OTDR的

16、兩點(diǎn)的分別率。圖8顯示了這兩種死區(qū)定義之間的 區(qū)別。圖8死區(qū)的定義盲區(qū)的大小與脈沖寬度、反身系數(shù)、損耗等因素有關(guān)。脈寬越短，盲區(qū)越小，但短脈沖同時(shí)又減小了動(dòng)態(tài)范圍，因此要在盲區(qū)和動(dòng)態(tài)范圍之間折衷選擇脈寬。分辨率(Resolution)：OTDR有四種主要分辨率指標(biāo)：取樣分辨率、顯示分辨率(又叫讀出分辨率)、 事件分辨率和距離分辨率。取樣分辨率是兩取樣點(diǎn)之間最小距離， 此指標(biāo)決定了 OTDR定位事件的能力。 取樣分辨率與脈寬和距離范圍大小的選取有關(guān)。顯示分辨率是儀器可顯示的最小值。OTDR通過微處理系統(tǒng)將每個(gè)取樣間隔 細(xì)分，使光標(biāo)可在取樣間隔內(nèi)移動(dòng)，光標(biāo)移動(dòng)的最短距離為水平顯示分辨率、所 顯示的

17、最小衰減量垂直顯示分辨率。事件分辨率是指OTDR對(duì)被測(cè)鏈路中事件點(diǎn)的分辨門限，也就是事件域值(探 測(cè)閾)，OTDR把小于這個(gè)閾值的事件變化當(dāng)作曲線中斜率均勻變化點(diǎn)來處理。事 件分辨率由光電二極管的分辨閾決定，根據(jù)兩接近的功率電平，指定可被測(cè)量的 最小衰減。距離分辨率指儀器所能分辨的兩個(gè)相鄰事件點(diǎn)間的最短距離，此指標(biāo)類似與 事件盲區(qū)，與脈寬、折射率參數(shù)有關(guān)。用OTDR測(cè)量光纖中任意兩點(diǎn)的距離，可表小如下：1cL=(t2-ti)(11)2 nC是真空中光速，n是光纖折射率。ti、t2是光脈沖到達(dá)被測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，當(dāng) (t2 ti) =7 時(shí)，式(11)變?yōu)?1 cL =1-T(12)2 n式(12)即

18、為OTDR空間分別率表達(dá)式，由式(12)可知，OTDR動(dòng)態(tài)范圍 與分別率之間存在著矛盾，測(cè)量距離越長(zhǎng)，分別率越低。精度：精度是OTDR的測(cè)量值與參考值的接近程度，包括衰減精度和距離精度。衰 減精度主要是由光電二極管的線性度決定的，目前大多數(shù)OTDR的線性度可達(dá)0.02dB/dBo距離精度依賴于折射率誤差、時(shí)基誤差（10-4 10-5范圍內(nèi)變動(dòng)）以及 取樣分辨率，在不考慮折射率誤差時(shí)，距離精度可用下式表達(dá)：距離精度= 1m 5X10 - 5X距離土取樣分辨率鬼影：在OTDR曲線上的尖峰有時(shí)并不是有真正的連接器或斷點(diǎn)引起的菲涅耳反射峰，而是由于離入射端較近且強(qiáng)的反射引起的回音，這種尖峰被稱為鬼影。

19、如圖 7 所示，入射光脈沖在兩個(gè)連接器1、2之間來回反射，使得在 OTDR曲線的G1處 產(chǎn)生一個(gè)尖峰（鬼影），圖7中尾端強(qiáng)反射還可以引起鬼影 G2。有兩個(gè)特征可用于識(shí)別鬼影：（1）曲線上鬼影處未引起明顯損耗；（2）沿曲線鬼影與始端的距離是強(qiáng)反射事件與始端距離的倍數(shù)?？赏ㄟ^以下方法消除鬼影：在強(qiáng)反射處使用折射率匹配液以減小反射、選擇 短脈沖寬度以減小注入功率、在強(qiáng)反射之前的光纖中增加衰減。如果引起鬼影的 事件位于光纖尾端，可將光纖繞在合適的工具（如鉛筆）幾圈以衰減反射回始端 的光而得到消除鬼影的目的。瑞利散射和菲涅耳反射信號(hào)：瑞利散射是由于光纖材料密度起伏或組分不均勻，其分子（散射粒子）的線 度

20、比光波波長(zhǎng)小，即2皿/2時(shí)則引起漫散射，漫散射是較大的懸浮粒子（如雜質(zhì)、氣泡）的散 射。瑞利散射是分子彈性散射的一種，光與物質(zhì)分子不發(fā)生能量交換；散射波的10頻率（波長(zhǎng)）與入射波的頻率（波長(zhǎng)）相同；散射的強(qiáng)度與入射光波波長(zhǎng)的四次 方成反比，即:根據(jù)理論的分析研究，無論是多模光纖或單模光纖都可得到同樣的結(jié)果，從 光纖Z點(diǎn)來的背向瑞利散射功率為:(13)PbSz) =；S： s c Po exp-2： z式中:z = ct/2是距光纖注入端的距離是光在光纖中的傳播速度是在時(shí)間t=0時(shí)光纖注入端（z=0）的脈沖功率Pts是脈沖寬度；l p為脈寬空間弧/2是瑞利散射衰減系數(shù)；pts為總的瑞利散射功率是

21、光纖的衰減系數(shù) 是背向瑞利散射功率與總?cè)鹄⑸涔β手?，稱為背向放射系數(shù)。對(duì)于多模階躍光纖:3守；對(duì)于多模漸變光纖SG1 , NA、2=-()4 n1；而對(duì)于單_3/2Ssm2模光纖而言 (w0/a) V2（。將單模光”化頻率1.5 WVW 2.4 和歸一化光斑尺寸W0/a=0.65 + 1.619V/2+2.879V上帶入可得:NA 2NA 20.21()2 Ssm 0.24()2nini(14)比較公式，多模階躍光纖、多模漸變光纖以及單模光纖的背向散射系數(shù)S似乎相同的。實(shí)際上，一般單模光纖的數(shù)值孔徑 NA約小7dB,而且單模光纖的光耦合效率比多模光纖的幾乎小 38dB0因此在同樣的光源功率

22、下，單模光纖中背向散射功率比多模光纖中的小1015dB。11設(shè)光纖Z處的功率反射系數(shù)為R,則自Z點(diǎn)來的菲涅耳反射功率Pr為:P尸=RPexp-2a z（15）則背向瑞利散射功率和菲涅耳反射功率之比為：Pbs _ S- sC（16）光纖理想斷面的反射系數(shù) R=0.04,如果o（s=2.310-4/m, i=200ns, C=2x 108m/s 在這種條件下可以算得光纖中背向瑞利散射功率比菲涅耳反射功率低3040dB,即背向瑞利散射功率比傳輸功率低 4555dB。這就是說，背向瑞利散射功率很弱，再加上光路系統(tǒng)的耦合損耗，接收到的 散射信號(hào)就更弱，常常被背景噪聲和光電轉(zhuǎn)換電路、放大電路產(chǎn)生的噪聲所淹沒。 因此要把淹沒在噪聲中微弱信號(hào)檢測(cè)出來，就需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行必要的處理。從前面的數(shù)值分析可知，光纖背向散射信號(hào)很微弱，比入射光功率低數(shù)十分 貝，并常常被噪聲所淹沒。要把攜帶衰減信息且被噪聲所淹沒的背向散射信號(hào)精 確地檢測(cè)出來，普通的測(cè)量?jī)x器是辦不到的，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以改善信噪比（SNR）。在OTDR中主要用到的數(shù)字處理技術(shù)就是取樣積分和數(shù)字平均技術(shù)。取樣積分器：取樣積分器或者叫做BOXCAR平均器，是檢測(cè)微弱信號(hào)的有力工具。它要求 被檢測(cè)的信號(hào)是周期信號(hào)。簡(jiǎn)單的說，就是將淹沒在噪聲中的周期信號(hào)通過取樣 方式進(jìn)行離