1、實(shí)驗(yàn)名禰：自構(gòu)建光纖鏈路的OTDR測試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)日期：指導(dǎo)老師：林遠(yuǎn)芳學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：同組學(xué)生姓名 成績：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蠖?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理 三、主要儀器設(shè)備四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄與分析五、數(shù)據(jù)記錄和處理六、結(jié)果與分析七、討論、心得一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵罅私馊鹄⑸浼胺颇鶢柗瓷涞母拍罴疤攸c(diǎn)；熟練掌握裸纖端面切割、清潔、連接對(duì)準(zhǔn)方法及熔接技術(shù)；熟悉光時(shí)域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，以下簡稱OTDR）的工作原理、操 作方法和使用要點(diǎn)，能利用OTDR測試、判斷和分析光纖鏈路中的事件點(diǎn)位置及其產(chǎn)生原因，提 高工程應(yīng)用能力。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理1. OTDR測試基本理

2、論散射：光遇到微小粒子或不均勻結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生的一種光學(xué)現(xiàn)象，此時(shí)光傳輸不再具有良好的方 向性。瑞利散射：當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，由于光纖的基本結(jié)構(gòu)不完美（光纖本身的缺陷、制作工藝 和材料組分存在著分子級(jí)大小的結(jié)構(gòu)上的不均勻性），一部分光纖會(huì)改變其原有傳播方向而向四 周散射（圖1-3-1），引起光能量損失，其強(qiáng)度與波長的4次方成反比，隨著波長的增加，損耗 迅速下降。后向或背向散射：瑞利散射的方向是分布于整個(gè)立體角的，其中一部分散射光纖和原來的傳 播方向相反，返回到光纖的注入端，形成連續(xù)的后向散射回波。光纖中某一點(diǎn)的后向回波可以反 映出光纖中光功率的分布情況，據(jù)此可以測試出光纖的損耗。菲涅爾反射：當(dāng)光纖由

3、一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生的一種反射，其強(qiáng)度與兩種媒質(zhì)的 相對(duì)折射率的平方成正比。如圖1-3-2所示，一束能量為P0的光，由媒質(zhì)1 （折射率為nl）進(jìn) 入媒質(zhì)2 （折射率為n2）產(chǎn)生的反射信號(hào)為P1，則衰減：指信號(hào)沿鏈路傳輸過程中損失的量度，以dB表示。衰減是光纖中光功率減少量的一 種度量，光纖內(nèi)徑中的瑞利散射是引起光纖衰減的主要原因。通常，對(duì)于均勻光纖來說，可 用單位長度的衰減，即衰減系數(shù)來反映光纖的衰減性能的好壞。當(dāng)光脈沖通過光纖傳輸時(shí)，沿光纖長度上的每一點(diǎn)均會(huì)引起瑞利散射。這種散射向著四面八 方，其中總有一部分會(huì)沿著纖軸反向傳輸?shù)捷斎攵?。由于主要的散射是瑞利散射，并且瑞利散?光的波

4、長與入射光的波長相同，其光功率與該散射點(diǎn)的入射光功率成正比，光纖中散射光的強(qiáng)弱 反映了光纖長度上各點(diǎn)衰減大小，光纖長度上的某一點(diǎn)散射信號(hào)的變化，可以通過后向散射方法 獨(dú)立地探測出來，而不受其它點(diǎn)散射信號(hào)改變的影響，所以測量沿纖軸返回的后向瑞利散射光功 率就可以獲得光沿著光纖傳輸時(shí)的衰減及其它信息?；诤笙蛏⑸浞ㄔO(shè)計(jì)的測量儀器稱為OTDR，其突出優(yōu)點(diǎn)在于它是一種非破壞性的單端測量 方法，測量只需在光纖的一端進(jìn)行。它利用激光二極管產(chǎn)生光脈沖，經(jīng)定向耦合器注入被測光纖， 然后在同一端測量沿光纖軸向向后返回的散射光功率返回信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系，將時(shí)間值乘以光在 光纖中的傳播速度以計(jì)算出距離，在屏幕上顯示返

5、回信號(hào)的相對(duì)功率與距離之間的關(guān)系曲線和 測試結(jié)果。國內(nèi)廠家主要是中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，國外的品牌主要有安捷倫 （Agilent）、安立（ANRITSU） 、EXFO、WAVETEK 等。光纖的連接光纖連接時(shí)的耦合損耗因素基本上可分為兩大類：一類是固有的，是被連接光纖本身特性參 數(shù)的差異，比如纖芯直徑、模場直徑、數(shù)值孔徑差異、纖芯或模場的同心度偏差、纖芯橢圓度等。 這些因素所引起的光纖連接損耗一般無法通過連接技術(shù)來改善；另一類是光纖連接時(shí)光纖的端面 質(zhì)量、對(duì)中質(zhì)量和連接質(zhì)量等因素，比如光纖的端面切割質(zhì)量、端面間隙、纖軸的橫向錯(cuò)位、纖 軸的角度傾斜、纖芯形變等因素。這些因素所引起的連

6、接損耗可通過連接技術(shù)的改進(jìn)而得到改善。典型事件用OTDR測量光纖鏈路可識(shí)別出由于拼接、接頭、光纖破損或彎曲及鏈路中其他故障所造成 的光衰減的位置及大小。OTDR接收和顯示的不僅僅是來自各事件的信號(hào)，而且包括來自光纖本 身的信號(hào)。這種來自光纖本身的信號(hào)就是后向散射。當(dāng)光沿著光纖傳送時(shí)會(huì)由于瑞利散射效應(yīng)而 衰減，這是由于光纖折射率微小變化等引起的，并且它沿著整根光纖持續(xù)發(fā)生。后向散射強(qiáng)度的 變化決定了光纖鏈路沿線各事件的損耗值。非反射事件：光纖熔接頭和微彎會(huì)導(dǎo)致光纖中有一些光功率損耗，但不會(huì)引起反射。在OTDR測試曲線上， 這種事件會(huì)以“在后向散射電平上附加一個(gè)下降臺(tái)階”的形式表現(xiàn)出來，豎軸上后向

7、散射電平值 的改變量即為損耗的大小，如圖1-3-6所示。反射事件：在光纖鏈路中，光纖的幾何缺陷、斷裂面、故障點(diǎn)、活動(dòng)連接和固定連接等都會(huì)造成折射率 突變，使光在光纖中產(chǎn)生菲涅爾反射，稱之為反射事件。反射和散射的強(qiáng)弱都和通過的光功率成 正比，菲涅爾反射光功率遠(yuǎn)大于后向瑞利散射光功率，則在OTDR顯示的測試曲線上，對(duì)應(yīng)于光 纖菲涅爾反射點(diǎn)處有突變的峰值區(qū)（有一個(gè)急劇的上升和下降）。如圖1-3-7所示，光纖鏈 路中的活動(dòng)連接和固定連接的接頭以及光纖上的裂縫都會(huì)同時(shí)引起光的反射和損耗。反射值通常 以回波損耗的形式表示）是由后向散射曲線上反射峰的幅度所決定的，豎軸上后向散射電平值的 改變量即為損耗的大小

8、。光纖末端:如果光纖末端(尾端)是平整的端面或者在尾端接有平整、拋光了的活動(dòng)連接器，則尾端會(huì) 存在反射率為4%的菲涅爾反射，意味著OTDR測試曲線具有反射終端，如圖1-3-8 (a)所示。 如果尾端是破裂的端面或者被磨花了，則由于端面的不規(guī)則會(huì)使光纖漫射而不會(huì)引起反射，在這種 情況下，光纖末端的OTDR測試曲線會(huì)從后向反射電平簡單下降到OTDR噪聲電平下，如圖1 - 3 -8 (b)所示。雖然破裂的尾端也可能引起反射，但其反射峰不會(huì)像平整的光纖末端或活動(dòng)連接器 所帶來的反射峰值那么大。(a)(b)圖138光纖末端理想與否會(huì)影響OTDR測試曲線是否有反射終端4. OTDR主要性能參數(shù)(1)動(dòng)態(tài)范

9、圍OTDR的信號(hào)是通過對(duì)數(shù)放大器處理的，測試曲線的相對(duì)后向散射功率是對(duì)數(shù)標(biāo)度，讀 得的是電平值，而且是經(jīng)過往返兩次衰減的值。 后向散射電平初始值與噪聲電平的差值 (dB)定義為動(dòng)態(tài)范圍。如圖1-3-9所示，根據(jù)噪聲電平的取法，有兩種不同的動(dòng)態(tài)范圍表 示方式：-峰值：取噪聲電平的峰值，這是一種傳統(tǒng)的比較有意義的指標(biāo)表示方式。在后向散射 電平與噪聲電平相等時(shí)，后向散射信號(hào)就成了不可見信號(hào)。-信噪比SNR=1：取噪聲電平的均方根值。動(dòng)態(tài)范圍和被測光纖的衰減決定了 OTDR實(shí)際可以測量的光纖最長距離：a其中：D為OTDR的動(dòng)態(tài)范圍，a為被測光纖的衰減常數(shù)。由此可以分析得知：對(duì)衰減 一定的光纖而言，OT

10、DRa其中：D為OTDR的動(dòng)態(tài)范圍，a為被測光纖的衰減常數(shù)。由此可以分析得知：對(duì)衰減 一定的光纖而言，OTDR的動(dòng)態(tài)范圍越大，則可測量的光纖長度越長，反之越短；對(duì)同一動(dòng) 態(tài)范圍的OTDR而言，光纖衰減越小，則可測量的光纖長度越長，反之越短。max(2)盲區(qū)用OTDR測試光纖時(shí)，反映不出某段范圍內(nèi)光纖損耗等的測量情況，稱之為盲區(qū)。反射 會(huì)使OTDR的接收器進(jìn)入飽和狀態(tài)，接收器從飽和狀態(tài)逐漸恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“拖尾”。“托 尾”過后，OTDR就可以對(duì)光纖的后向散射進(jìn)行測量。事件盲區(qū)：從反射峰的起始點(diǎn)到接收器從飽和峰值恢復(fù)到1.5dB之間的距離。在這點(diǎn)上 緊接的第二個(gè)反射為可識(shí)別反射，但這時(shí)損耗和衰減仍

11、為不可測事件。衰減盲區(qū)：從反射峰的起始點(diǎn)到接收器從飽和狀態(tài)恢復(fù)到線性后向散射上0.5dB點(diǎn)之間 的距離。(貝爾實(shí)驗(yàn)室文件建議的指標(biāo)是0.1dB，但0.5dB是一個(gè)更常用的指標(biāo)值)。三、主要儀器設(shè)備跳纖；尾纖；裸纖；剝纖鉗；筆式光纖切割刀；AV33012光纖切割器；吹氣球、擦鏡紙、 無水乙醇、脫脂棉棒、光纖接頭清潔器等光纖端面處理與清潔工具；常規(guī)法蘭、5dB和10dB法蘭 式光衰減器；使用精密V槽實(shí)現(xiàn)光纖臨時(shí)耦合對(duì)接的AV87501光纖對(duì)接器；AV6471光纖熔接機(jī)； 具有32dB動(dòng)態(tài)范圍和0.1m測距分辨率的AV6413高性能微型OTDR，具有28dB動(dòng)態(tài)范圍和0.25m 測距分辨率、并且內(nèi)置

12、波長為650nm的肉眼可視紅光出射功能的AV6416掌上型OTDR。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄與分析（以下為示例，摘自08級(jí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果自行分析）無損/2dB/5dB/10dB圖1、自構(gòu)建的鏈路情況：法蘭盤+機(jī)械連接+熔接圖2、測試波形及事件表結(jié)果分析：此次實(shí)驗(yàn)得到了非常好的結(jié)果，把所有的事件都測試出來了，數(shù)值和長度都很合理。1）第一個(gè)35.1m的非反射損耗是意外出現(xiàn)的，在此后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也都存在，因此我們判定此 卷光纖在這個(gè)地方存在損傷2）第一個(gè)反射事件：發(fā)生在1.31km處，即為法蘭盤的連接位置，因此我們新接入的光纖長度 為1.3km，且法蘭盤的連接損耗為1.122dB，反射高

13、度為38.326dB。雖然標(biāo)稱是無損的法蘭 盤，其實(shí)還是存在“注意”中所說的機(jī)械壓力和空氣間隙的損耗3）第二個(gè)反射事件：發(fā)生在1.46km處，事件間隔一段150m左右的光纖，明顯是機(jī)械連接的 位置，因此我們獲得了機(jī)械損耗的數(shù)值，為1.631dB（第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中結(jié)果出現(xiàn)偽增益，應(yīng)該 是量程和平均次數(shù)設(shè)置出現(xiàn)問題，在增大量程和提高平均次數(shù)之后結(jié)果明顯合理很多，所以 在自動(dòng)測試出現(xiàn)bug時(shí)可以進(jìn)入手動(dòng)測試模式，注意量程變大之后要相應(yīng)的修改脈沖寬度， 因?yàn)镺TDR總的取點(diǎn)數(shù)目是一定的）4）非反射事件：在1.646km處，為明顯的“臺(tái)階式下降”損耗，是熔接損耗，大小為0.021dB， 且與機(jī)械連接相隔的光

14、纖長度為1.646-1.461=0.185km，也就是185m左右5）光纖末端：光纖總長度為2.93km，尾纖長度約為2.93-1.65=1.28km左右五、思考題1、動(dòng)態(tài)范圍和盲區(qū)的大小都與光脈沖寬度的設(shè)定值有關(guān)。當(dāng)分別需要對(duì)光纖遠(yuǎn)端、靠近OTDR附近 的光纖以及兩個(gè)緊鄰事件進(jìn)行觀測時(shí)，應(yīng)該分別選擇寬脈沖還是窄脈沖？2、測量損耗時(shí)選擇的算法（分為TPA和LSA兩種，前者表示用“兩點(diǎn)”法測量兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間的平 均損耗，只有這兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)參與計(jì)算，后者表示用最小二乘法計(jì)算兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間的平均損耗， 是利用兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)間的擬合曲線來進(jìn)行計(jì)算）不同，則測試值也不同。對(duì)于中間沒有任何事件點(diǎn) 的一段連續(xù)光纖來說，選擇上面哪種算法所得的測試值更準(zhǔn)確些？3、手動(dòng)測試時(shí)什么參數(shù)的設(shè)定會(huì)影響測試軌跡信噪比？如何合理設(shè)置量程、衰減和折射率？4、 實(shí)際測量時(shí)，為了避開近端盲區(qū)，通常在