8李唐军实验报告单模光纤损耗测试实验

实验八单模光纤损耗测试实验

光时域反射仪（OTDR）是一种相当复杂的仪表，它广泛地应用于实验室和现场。它所采用的测试技术也常称为后向散射测试技术。它能测试整个光纤网络链路的衰减并能提供和光纤长度有关的衰减细节；OTDR还可测试光纤线路中接头损耗并可定位故障点位置；OTDR这种后向散射测试具有非破坏性且只需在一端测试的优点。

一、实验目的

（1）掌握OTDR工作原理；

（2）熟悉OTDR测试方法。

二、实验内容

（1）利用OTDR测量一盘光纤的衰减系数和光纤总长度；

（2）测量两盘光纤连接处的接头损耗。

三、基本原理

OTDR由激光发射一束脉冲到被测光纤中。脉冲宽度可以选择，由于被测光纤链路特性及光纤本身特性反射回的信号返回OTDR。信号通过一耦合器到接收机，在那里光信号被转换为电信号。最后经分析并显示在屏幕上。

由于时间乘以光在光纤中的速度即得到距离，这样，OTDR可以显示返回的相对光功率对距离的关系。有了这个信息，就可得出有关链路的非常重要的特性。可以从OTDR得出的光路信息有：

（1）距离：链路上特征点（如接头、弯曲）的位置，链路的长度等。

（2）损耗：单个光纤接头的损耗。

（3）衰减：链路中光信号的衰减。

（4）反射：一事件的反射大小，如活动连接器。

图1为OTDR测试的一般原理。它显示了OTDR测试链路上可能出现的各类事件。

衰减及其测试方法：

光纤衰减和波长密切相关。衰减系数随波长变化的函数a(l)被称之为损耗谱。人们最感兴趣的是工作波长下的衰减系数，如在l=1310nm、1550nm等波长下的衰减系数。

在光纤长度Z1和Z2之间，波长为l的损耗R (l)可由下式定义：

P1和P2分别表示传过光纤截面点Z1和Z2的光功率。如果P1和P2之间的距离为L，可用下式计算出每单位距离的损耗，即衰减系数a(l)。

图1 用OTDR测试的一般原理

入射到光纤的光脉冲随着在光纤中传播时被吸收和散射而被衰减。一部分散射光返回入射端。通过分析后向散射光的强度及其返回入射端的时间，可以算得光纤损耗。假设入射光脉冲宽度为T、功率为P(0)，这束光脉冲以群速度Vg在光纤中传播，假设耦合进光纤中的光功率为 P0 ,考虑沿光纤轴线上任一点 Z,设该点距入射端的距离为 z ,那么

该点的光功率为：

(1 )

式中，是光纤前向衰减系数。若光在 Z点被散射 ,那么该点的背向散射光返回到达入射端时的光功率为：

(2 )

式中，是光纤在 Z点的背向散射系数 , 具有方向性 ; 是光纤背向衰减系数。

将 (1 )式代入 (2 )可得：

(3)

考虑光纤中有 2点 Z1 和 Z2 ,其距入射端的距离分别为 z1 和 z2 (z2 >z1 ),这 2点的背向散射光到达输入端时为和 ,则由 (3)式得

（4）

对上式两边去对数得：

（5）

一般认为光纤的损耗和光纤的结构参数沿轴向近似均匀 ,即认为前向衰减系数和背向衰减系数不随长度 z而变 ,有,,并认为背向散射系数也不随长度而变 [即],则 Z1 和 Z2 两点间损耗系数为：

(6)

由于损耗为正向和反向之和 ,因此可用=1/2[+]表示 Z1 点到 Z2 点这段光纤的平均损耗系数 ,由 (6)式有：

（7）

由上式原理可通过OTDR的测试测定一段光纤的平均损耗系数，式中的、的值可以从OTDR显示屏上的连续背向散射轨迹的幅度得到 ,进而可求出平均损耗系数。

与距离有关的信息是通过时间信息而得到的（此即光时域反射计中时域的由来），OTDR测量发出脉冲与接收后向散射光的时间差 ,利用折射率ｎ值将这一时域信息转换成距离：

（8）

其中ｃ为光在真空中的速度 (3×1 0 ⁸ｍ/ｓ)

方向耦合器：

方向耦合器就是光分路耦合器。它把一束光分裂为两路光作不同方向的耦合。光时域反射仪能在光纤的一端进行测量，就是利用了方向耦合器来实现的。这种方向耦合器要能把光分路耦合，同时还要能消除或减少前端的菲涅耳反射。最简单的方向耦合器如图2所示。它是由一块半反射镜（或者叫半反射片）和匹配液盒组成。入射光（实线）一路透过半反射片注入光纤，一路经过半反射片反射，用作入射光功率监测。背向瑞利散射光（虚线），一路透过半反射片到光源，另外一路经过半反射片反射耦合到检测器。这样就把入射光和背向散射光分离开来，光源和检测器都在光纤的同一端，测量能在同一端进行。为了减弱从光纤前端面来的反射光和杂散光的影响，可把光纤的前端面和半反片放置在盛满匹配液的盒里。

图2 半反片和匹配液盒组成的方向耦合器

这种由半反片和匹配液盒组成的方向耦合器，光路调整困难，而且要用匹配液，不适于现场应用。目前较广泛使用的是整体的方向耦合器——Y分路器，其三端通过尾纤分别与光源A、待测光纤B和检测器C直接耦合，如图3所示。

图3 熔锥型光纤耦合器

这种Y型整体的耦合器比上述组合式插入损耗小，稳定可靠，调节对准方便，还有体积小、重量轻、价格低廉等特点，所以得到广泛使用。

另一种整体的方向耦合器是利用晶体双折射特性设计的。如图4所示的是利用格兰—汤姆生棱镜做成的方向耦合器。

图4 晶体型方向耦合器

如图所示，当具有两个互相垂直偏振方向的激光入射到晶体棱镜时（实线），由于入射光与光轴垂直，被分为o光（遵守菲涅耳折射定理）和e光（不遵守菲涅耳折射定理）。在晶体胶合面，对于o光入射角f大于临界角，因此o光发生全反射，而e光则透过树胶层注入被测光纤。

因为普通光纤不具有保偏特性，经光纤传输出来的背向散射光变成部分偏振光。背向散射光（虚线）进入棱镜，同样分为o光和e光，e光透过棱镜，o光被全反射而被检测器接收。至于前端菲涅耳反射光，因为是线偏振光e光入射到端面，端面反射的仍然是e光，因此沿原路透过树胶层而不能为检测器所接收。这样，采用晶体方向耦合器就完全消除了前端强烈的菲涅耳反射。

晶体方向耦合器用于OTDR，虽然具有很好的效果，但其缺点是加工困难，价格昂贵。

反射事件与非反射事件：

图2中显示出非反射事件的例子。光纤熔接点与弯曲点会引起损耗但通常不会引起明显反射。

光纤中活接头、机械式熔接点、裂缝等将会引起损耗与反射。损耗可由后向散射的强度值之差来决定。总的反射（通常称为回损）由叠加在后向散射之上的反射幅度决定。图3显示的是两种反射事件的情况。

尾端菲涅耳反射事件

在光纤中，尾端有两种情况。

（1）假如尾端为垂直切面或配了活接头（切过并已抛光），那么将有4%左右的反射光信号。通常称之为菲涅尔反射。

（2）假如尾端为断裂型，那么断点的不规则性把光线散射掉，从而不引起反射。在这种情况下，信号将从后向反射电平掉到OTDR噪声水平下。当然，断裂断点也可能引起反射，但相比于规则断点要小得多。图6显示了尾端的这两种情况。

图5 反射事件与非反射事件

图6 尾端反射类型

动态范围:

动态范围是OTDR主要性能指标之一，它决定光纤的最大可测量长度。OTDR的动态范围定义为：始端后向散射电平与噪声之间的dB差。动态范围越大，曲线线型越好，可测距离也越长。动态范围目前还没有一个统一的标准计算方法，常用的动态范围计算方法主要有以下四种：

（1）峰值法

它是IEC（Bellcore）的标准定义，这是最保守但很有用的指标。它测到噪声的峰值。一旦后向散射电平小于噪声即认为不可见。这样动态范围实质就是始端后向散射电平与噪声峰值之间的dB差。测量条件为取OTDR最大脉冲宽度、180秒的测量时间。

（2）SNR=1法

这种动态范围是测量噪声的RMS电平，取始端后向散射电平与RMS噪声电平间的dB差。这样对于同样性能的OTDR来说，用这种指标测出的动态范围比用峰值定义IEC法所测出的动态范围高出约2.5dB。

（3）N=0.1dB定义

最实用的定义方法。取可以测量损耗为0.1dB事件时的最大允许衰减值。N=0.1dB定义值比信噪比SNR=1的RMS定义值小大约6.6dB，这意味着若OTDR有30dB的RMS动态范围，则N=0.1dB定义的动态范围只有23.4dB，即只能在23.4dB衰减范围内测量损耗为0.1dB的事件。

（4）端探测（End detection）

光纤始端的4%菲涅耳反射峰与RMS噪声电平的dB差，此值比IEC定义值高约12dB。

上述四种动态范围定义可用图7表示。除以上四种常用的定义外，还有其它的定义方法。需要注意的是，对同样性能OTDR，不同的定义方法，动态范围值不同，在检查OTDR动态范围指标时必须清楚动态范围值是以哪种定义给出。

图7 动态范围定义方法

利用上述定义，动态范围R由光纤近端接收到的瑞利散射信号与接收机的灵敏度P_n比值确定。由前面分析知，在时刻t从均匀光纤接收到的后向散射光功率Ps由下式给出：

(9)

式中P₀是注入光功率，是后向散射系数，是光脉冲宽度，a是光纤衰减系数，V_g是群速度，则动态范围为：

(10)

P_s(0)是t=0时刻的后向散射光功率，后向散射系数与被测光纤有关，但对典型的单模光纤，当l=1.3um时，=10W/s，如：P₀=0.1mW，P_n=4nW，则代入式（10）得R=27.5dB。从式（10）中可以看出，增大脉冲宽度、提高入射光功率P₀和接收机的灵敏度是扩大动态范围的根本途径。

死区:

死区决定了OTDR所能测到的最短距离及最接近距离。死区也称为“盲点”，它是由于活动接头的反射引起OTDR接收机饱和所致。死区通常发生在OTDR面板前的活动接头反射上，但也可在光纤的其他地方发生。美国贝尔通讯研究中心定义了两种死区。

（1）衰减死区

从反射点开始到接收机恢复到后向散射电平约0.5dB的范围内的这段距离。也就是OTDR能再次测试损耗和衰减的点。

（2）事件死区

从OTDR接收到的反射点开始，到OTDR恢复到最高反射点1.5dB以下这段距离。在这以后才能发现是否还有地二个反射点，但还不能测试损耗和衰减。

死区也被认为是OTDR的两点的分别率。图8显示了这两种死区定义之间的区别。

图8 死区的定义

盲区的大小与脉冲宽度、反身系数、损耗等因素有关。脉宽越短 ,盲区越小 ,但短脉冲同时又减小了动态范围 ,因此要在盲区和动态范围之间折衷选择脉宽。

分辨率 (Resolution)：

OTDR有四种主要分辨率指标：取样分辨率、显示分辨率（又叫读出分辨率）、事件分辨率和距离分辨率。

取样分辨率是两取样点之间最小距离，此指标决定了OTDR定位事件的能力。取样分辨率与脉宽和距离范围大小的选取有关。

显示分辨率是仪器可显示的最小值。OTDR通过微处理系统将每个取样间隔细分，使光标可在取样间隔内移动，光标移动的最短距离为水平显示分辨率、所显示的最小衰减量垂直显示分辨率。

事件分辨率是指OTDR对被测链路中事件点的分辨门限，也就是事件域值（探测阈），OTDR把小于这个阈值的事件变化当作曲线中斜率均匀变化点来处理。事件分辨率由光电二极管的分辨阈决定，根据两接近的功率电平，指定可被测量的最小衰减。

距离分辨率指仪器所能分辨的两个相邻事件点间的最短距离，此指标类似与事件盲区，与脉宽、折射率参数有关。用OTDR测量光纤中任意两点的距离，可表示如下：

（11）

C是真空中光速，n是光纤折射率。、是光脉冲到达被测点的时间，当时，式（11）变为：

（12）

式（12）即为OTDR空间分别率表达式，由式（12）可知，OTDR动态范围与分别率之间存在着矛盾，测量距离越长，分别率越低。

精度：

精度是OTDR的测量值与参考值的接近程度，包括衰减精度和距离精度。衰减精度主要是由光电二极管的线性度决定的，目前大多数OTDR的线性度可达0.02dB/dB。距离精度依赖于折射率误差、时基误差（10^-4 ~ 10^-5范围内变动）以及取样分辨率，在不考虑折射率误差时，距离精度可用下式表达：

距离精度 = ±1ｍ±5×10^{- 5}×距离±取样分辨率

鬼影：

在OTDR曲线上的尖峰有时并不是有真正的连接器或断点引起的菲涅耳反射峰，而是由于离入射端较近且强的反射引起的回音，这种尖峰被称为鬼影。如图7所示，入射光脉冲在两个连接器1、2之间来回反射，使得在OTDR曲线的G1处产生一个尖峰（鬼影），图7中尾端强反射还可以引起鬼影G2。

有两个特征可用于识别鬼影：

（1）曲线上鬼影处未引起明显损耗；

（2）沿曲线鬼影与始端的距离是强反射事件与始端距离的倍数。

可通过以下方法消除鬼影：在强反射处使用折射率匹配液以减小反射、选择短脉冲宽度以减小注入功率、在强反射之前的光纤中增加衰减。如果引起鬼影的事件位于光纤尾端，可将光纤绕在合适的工具（如铅笔）几圈以衰减反射回始端的光而得到消除鬼影的目的。

图9 鬼影的形成

瑞利散射和菲涅耳反射信号：

瑞利散射是由于光纤材料密度起伏或组分不均匀，其分子（散射粒子）的线度比光波波长小，即2pa/l<1时引起的。这里a使散射粒子的半径，l是光波波长。如果2pa/l>2时则引起漫散射，漫散射是较大的悬浮粒子（如杂质、气泡）的散射。

瑞利散射是分子弹性散射的一种，光与物质分子不发生能量交换；散射波的频率（波长）与入射波的频率（波长）相同；散射的强度与入射光波波长的四次方成反比，即：

根据理论的分析研究，无论是多模光纤或单模光纤都可得到同样的结果，从光纤Z点来的背向瑞利散射功率为：

（13）

式中：

是距光纤注入端的距离

是光在光纤中的传播速度

是在时间t=0时光纤注入端（z=0）的脉冲功率

是脉冲宽度；l p为脉宽空间

是瑞利散射衰减系数； PTS为总的瑞利散射功率

是光纤的衰减系数

是背向瑞利散射功率与总瑞利散射功率之比，称为背向散射系数。

对于多模阶跃光纤；对于多模渐变光纤；而对于单模光纤而言。将单模光纤归一化频率和归一化光斑尺寸带入可得：

（14）

比较公式，多模阶跃光纤、多模渐变光纤以及单模光纤的背向散射系数S似乎相同的。实际上，一般单模光纤的数值孔径NA约小7dB，而且单模光纤的光耦合效率比多模光纤的几乎小3~8dB。因此在同样的光源功率下，单模光纤中背向散射功率比多模光纤中的小10~15dB。

设光纤Z处的功率反射系数为R，则自Z点来的菲涅耳反射功率Pr为：

（15）

则背向瑞利散射功率和菲涅耳反射功率之比为：

（16）

光纤理想断面的反射系数R=0.04，如果as=2.3´10^-4/m，i=200ns，C=2´10⁸m/s。在这种条件下可以算得光纤中背向瑞利散射功率比菲涅耳反射功率低30~40dB，即背向瑞利散射功率比传输功率低45~55dB。

这就是说，背向瑞利散射功率很弱，再加上光路系统的耦合损耗，接收到的散射信号就更弱，常常被背景噪声和光电转换电路、放大电路产生的噪声所淹没。因此要把淹没在噪声中微弱信号检测出来，就需要对接收信号进行必要的处理。

从前面的数值分析可知，光纤背向散射信号很微弱，比入射光功率低数十分贝，并常常被噪声所淹没。要把携带衰减信息且被噪声所淹没的背向散射信号精确地检测出来，普通的测量仪器是办不到的，必须对信号进行处理以改善信噪比（SNR）。在OTDR中主要用到的数字处理技术就是取样积分和数字平均技术。

取样积分器：

取样积分器或者叫做BOXCAR平均器，是检测微弱信号的有力工具。它要求被检测的信号是周期信号。简单的说，就是将淹没在噪声中的周期信号通过取样方式进行离散化处理，然后送入积分器进行积累、平均和保持，由于信号和取样脉冲之间具有相关性，而噪声是随机的，因此，经过一定时间的迭加平均后，噪声的平均值越来越小，而周期信号却得到指数率的增长，所以信噪比得到改善，使得微弱信号能够从噪声中检测出来。