自構建光纖鏈路的otdr測試實驗報告

時間：2020-10-11 11:47:38 報告我要投稿

自構建光纖鏈路的otdr測試實驗報告模板

　　實驗名稱：自構建光纖鏈路的otdr測試實驗實驗日期：指導老師：林遠芳學生姓名：同組學生姓名：成績：

　　一、實驗目的和要求二、實驗內容和原理三、主要儀器設備四、實驗結果記錄與分析

　　五、數據記錄和處理六、結果與分析七、討論、心得

　　一、實驗目的和要求

　　1. 了解瑞利散射及菲涅爾反射的概念及特點；

　　2. 熟練掌握裸纖端面切割、清潔、連接對準方法及熔接技術；

　　3. 熟悉光時域反射儀（optical time domain reflectometer，以下簡稱 otdr）的工作原理、操作方法和使用要點，能利用 otdr 測試、判斷和分析光纖鏈路中的事件點位置及其產生原因，提高工程應用能力。

　　二、實驗內容和原理

　　1．otdr 測試基本理論

　　散射：光遇到微小粒子或不均勻結構時發生的一種光學現象，此時光傳輸不再具有良好的方向性。

　　瑞利散射：當光在光纖中傳播時，由于光纖的基本結構不完美（光纖本身的缺陷、制作工藝和材料組分存在著分子級大小的結構上的不均勻性），一部分光纖會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，形成連續的后向散射回波。光纖中某一點的后向回波可以反映出光纖中光功率的分布情況，椐此可以測試出光纖的損耗。

　　菲涅爾反射：當光纖由一種媒質進入另一種媒質時會產生的一種反射，其強度與兩種媒質的相對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 1（折射率為nl）進入媒質 2（折射率為 n2）產生的反射信號為p1，則

　　n1n2p1nn21 2

　　衰減：指信號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，光纖內徑中的瑞利散射是引起光纖衰減的主要原因。通常，對于均勻光纖來說，可用單位長度的衰減，即衰減系數來反映光纖的衰減性能的好壞。

　　當光脈沖通過光纖傳輸時，沿光纖長度上的每一點均會引起瑞利散射。這種散射向著四面八方，其中總有一部分會沿著纖軸反向傳輸到輸入端。由于主要的散射是瑞利散射，并且瑞利散射光的波長與入射光的波長相同，其光功率與該散射點的入射光功率成正比，光纖中散射光的強弱反映了光纖長度上各點衰減大小，光纖長度上的某一點散射信號的變化，可以通過后向散射方法獨立地探測出來，而不受其它點散射信號改變的影響，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的衰減及其它信息。

　　基于后向散射法設計的測量儀器稱為 otdr，其突出優點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行。它利用激光二極管產生光脈沖，經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與時間的關系，將時間值乘以光在光纖中的傳播速度以計算出距離，在屏幕上顯示返回信號的相對功率與距離之間的關系曲線和測試結果。國內廠家主要是中國電子科技集團公司第四十一研究所，國外的品牌主要有安捷倫（agilent）、安立（aitsu）、exfo、wavetek 等。2．光纖的連接

　　光纖連接時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的差異，比如纖芯直徑、模場直徑、數值孔徑差異、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來改善；另一類是光纖連接時

　　光纖的端面質量、對中質量和連接質量等因素，比如光纖的端面切割質量、端面間隙、纖軸的橫向錯位、纖軸的角度傾斜、纖芯形變等因素。這些因素所引起的連接損耗可通過連接技術的改進而得到改善。

　　3. 典型事件

　　用 otdr 測量光纖鏈路可識別出由于拼接、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，而且包括來自光纖本身的信號。這種來自光纖本身的信號就是后向散射。當光沿著光纖傳送時會由于瑞利散射效應而衰減，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發生。后向散射強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導致光纖中有一些光功率損耗，但不會引起反射。在otdr 測試曲線上，這種事件會以“在后向散射電平上附加一個下降臺階”的形式表現出來，豎軸上后向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、活動連接和固定連接等都會造成折射率突變，使光在光纖中產生菲涅爾反射，稱之為反射事件。反射和散射的強弱都和通過的光功率成正比，菲涅爾反射光功率遠大于后向瑞利散射光功率，則在 otdr 顯示的測試曲線上，對應于光纖菲涅爾反射點處有突變的峰值區（有一個急劇的上升和下降）。如圖 1‐3‐7 所示，光纖鏈路中的活動連接和固定連接的接頭以及光纖上的裂縫都會同時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。

　　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、拋光了的活動連接器，則尾端會存在反射率為 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，則由于端面的不規則會使光纖漫射而不會引起反射，在這種情況下，光纖末端的 otdr 測試曲線會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，但其反射峰不會像平整的光纖末端或活動連接器所帶來的反射峰值那么大。

　　4．otdr 主要性能參數

　　（1）動態范圍

　　otdr 的信號是通過對數放大器處理的，測試曲線的相對后向散射功率是對數標度，讀

　　得的是電平值，而且是經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）定義為動態范圍。如圖 1‐3‐9 所示，根據噪聲電平的取法，有兩種不同的動態范圍表示方式：

　　‐‐峰值：取噪聲電平的峰值，這是一種傳統的比較有意義的指標表示方式。在后向散射電平與噪聲電平相等時，后向散射信號就成了不可見信號。

　　‐‐信噪比 s=1：取噪聲電平的均方根值。

　　動態范圍和被測光纖的衰減決定了 otdr 實際可以測量的光纖最長距離：

　　d lmax

　　其中：d 為 otdr 的動態范圍，a 為被測光纖的衰減常數。由此可以分析得知：對衰減一定的光纖而言，otdr 的動態范圍越大，則可測量的光纖長度越長，反之越短；對同一動態范圍的 otdr 而言，光纖衰減越小，則可測量的光纖長度越長，反之越短。

　　（2）盲區

　　用 otdr 測試光纖時，反映不出某段范圍內光纖損耗等的測量情況，稱之為盲區。反射會使 otdr 的接收器進入飽和狀態，接收器從飽和狀態逐漸恢復會產生一個“拖尾”。“托尾”

　　過后，otdr就可以對光纖的后向散射進行測量。

　　事件盲區：從反射峰的起始點到接收器從飽和峰值恢復到 1.5db 之間的距離。在這點上緊接的第二個反射為可識別反射，但這時損耗和衰減仍為不可測事件。

　　衰減盲區：從反射峰的起始點到接收器從飽和狀態恢復到線性后向散射上 0.5db 點之間的距離。（貝爾實驗室文件建議的指標是 0.1db，但 0.5db 是一個更常用的指標值）。三、主要儀器設備

　　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；常規法蘭、5db和 10db 法蘭式光衰減器；使用精密 v槽實現光纖臨時耦合對接的.av87501 光纖對接器；av6471 光纖熔接機；具有 32db 動態范圍和 0.1m測距分辨率的av6413高性能微型otdr，具有28db動態范圍和0.25m測距分辨率、并且內置波長為650nm的肉眼可視紅光出射功能的 av6416 掌上型 otdr。

　　四、實驗結果記錄與分析（以下為示例，摘自08級學生實驗報告，請同學們根據實驗結果自行分析）無損/2db/5db/10db -3:

　　185m

　　1.28km

　　圖1、自構建的鏈路情況：法蘭盤+機械連接+熔接圖2、測試波形及事件表

　　結果分析：

　　此次實驗得到了非常好的結果，把所有的事件都測試出來了，數值和長度都很合理。

　　1）第一個35.1m的非反射損耗是意外出現的，在此后的實驗結果中也都存在，因此我們判定此

　　卷光纖在這個地方存在損傷

　　2）第一個反射事件：發生在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，反射高度為38.326db。雖然標稱是無損的法蘭盤，其實還是存在“注意”中所說的機械壓力和空氣間隙的損耗

　　3）第二個反射事件：發生在1.46km處，事件間隔一段150m左右的光纖，明顯是機械連接的

　　4）非反射事件：在1.646km處，為明顯的“臺階式下降”損耗，是熔接損耗，大小為0.021db，且與機械連接相隔的光纖長度為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、動態范圍和盲區的大小都與光脈沖寬度的設定值有關。當分別需要對光纖遠端、靠近otdr 附近的光纖以及兩個緊鄰事件進行觀測時，應該分別選擇寬脈沖還是窄脈沖？

　　2、測量損耗時選擇的算法（分為tpa和lsa兩種，前者表示用“兩點”法測量兩個標記點之間的平均損耗，只有這兩個標記點參與計算，后

　　者表示用最小二乘法計算兩個標記點之間的平均損耗，是利用兩個標記點間的擬合曲線來進行計算）不同，則測試值也不同。對于中間沒有任何事件點的一段連續光纖來說，選擇上面哪種算法所得的測試值更準確些？

　　3、手動測試時什么參數的設定會影響測試軌跡信噪比？如何合理設置量程、衰減和折射率？

　　4、實際測量時，為了避開近端盲區，通常在 otdr 輸出端引入一段 “過渡光纖”，將 otdr光輸出連接器產生的盲區控制在過渡光纖上，以此減小盲區對測量結果的影響。那么，對過渡光纖的長度是如何要求的？它與被測光纖應以何種形式連接才能消除盲區？

　　5、采樣間隔如何影響 otdr 測試曲線？如何才能減小因采樣間隔帶來的距離測量誤差？

　　6、用 otdr 從兩個方向分別測試光纖上的同一接續點，結果有時會不同甚至相差很多，為什

　　么？如何才能得到比較真實準確的接頭損耗值？

　　7. 提出你對實驗裝置及實驗內容的意見及建議。篇二：8李唐軍實驗報告單模光纖損耗測試實驗

　　實驗八單模光纖損耗測試實驗

　　光時域反射儀（otdr）是一種相當復雜的儀表，它廣泛地應用于實驗室和現場。它所采用的測試技術也常稱為后向散射測試技術。它能測試整個光纖網絡鏈路的衰減并能提供和光纖長度有關的衰減細節；otdr還可測試光纖線路中接頭損耗并可定位故障點位置；otdr這種后向散射測試具有非破壞性且只需在一端測試的優點。

　　一、實驗目的

　　（1）掌握otdr工作原理；

　　（2）熟悉otdr測試方法。

　　二、實驗內容

　　（1）利用otdr測量一盤光纖的衰減系數和光纖總長度；

　　（2）測量兩盤光纖連接處的接頭損耗。

　　三、基本原理

　　otdr由激光發射一束脈沖到被測光纖中。脈沖寬度可以選擇，由于被測光纖鏈路特性及光纖本身特性反射回的信號返回otdr。信號通過一耦合器到接收機，在那里光信號被轉換為電信號。最后經分析并顯示在屏幕上。

　　由于時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光功率對距離的關系。有了這個信息，就可得出有關鏈路的非常重要的特性。可以從otdr得出的光路信息有：

　　（1）距離：鏈路上特征點（如接頭、彎曲）的位置，鏈路的長度等。

　　（2）損耗：單個光纖接頭的損耗。

　　（3）衰減：鏈路中光信號的衰減。

　　（4）反射：一事件的反射大小，如活動連接器。

　　圖1為otdr測試的一般原理。它顯示了otdr測試鏈路上可能出現的各類事件。衰減及其測試方法：

　　光纖衰減和波長密切相關。衰減系數隨波長變化的函數()被稱之為損耗譜。人們最感興趣的是工作波長下的衰減系數，如在=1310nm、1550nm等波長下的衰減系數。在光纖長度z1和z2之間，波長為的損耗r ()可由下式定義：

　　r()10logp1(db)p2

　　p1和p2分別表示傳過光纖截面點z1和z2的光功率。如果p1和p2之間的距離為l，可用下式計算出每單位距離的損耗，即衰減系數()。

　　()

　　p10log1(db/km)z1z2p2p10log1(db/km)lp2 圖1 用otdr測試的一般原理

　　入射到光纖的光脈沖隨著在光纖中傳播時被吸收和散射而被衰減。一部分散射光返回入射端。通過分析后向散射光的強度及其返回入射端的時間，可以算得光纖損耗。假設入射光脈沖寬度為t、功率為p(0)，這束光脈沖以群速度vg在光纖中傳播，假設耦合進光纖中的光功率為 p0 ,考慮沿光纖軸線上任一點 z,設該點距入射端的距離為 z ,那么

　　該點的光功率為：

　　p(z)p(0)exp[f(x)dx](1 ) 0z

　　式中，f(x)是光纖前向衰減系數。若光在 z點被散射 ,那么該點的背向散射光返回到達入射端時的光功率為：

　　ps(z)s(z)p(z)exp[b(x)dx] (2 ) 0z

　　式中，s(z)是光纖在 z點的背向散射系數 , s(z)具有方向性 ; b(x)是光纖背向衰減系數。

　　將 (1 )式代入 (2 )可得：

　　ps(z)p(0)s(z)exp[(f(x)b(x))dx](3) 0z

　　考慮光纖中有 2點 z1 和 z2 ,其距入射端的距離分別為 z1 和 z2 (z2 >z1 ),這 2點的背向散射光到達輸入端時為 ps(z1)和 ps(z2),則由 (3)式得

　　z2ps(z1)s(z1)exp[(f(x)b(x))dx] （4） z1ps(z2)s(z2)

　　對上式兩邊去對數得：

　　z1(f(x)b(x))dxlnps(z1)s(z)ln1（5） ps(z2)s(z2)

　　一般認為光纖的損耗和光纖的結構參數沿軸向近似均勻 ,即認為前向衰減系數和背向衰減系數不隨長度 z而變 ,有f(z),b(z),并認為背向散射系數也不隨長度而變 [即s(z1)s(z2)],則 z1 和 z2 兩點間損耗系數為：

　　f(x)b(x)p(z)1lns1 (6) z2z1ps(z2)

　　由于損耗為正向和反向之和 ,因此可用=1/2[f(z)+b(z)]表示 z1 點到 z2 點這段光纖的平均損耗系數 ,由 (6)式有：

　　1[lnps(z1)lnps(z2)] （7） 2(z2z1)

　　由上式原理可通過otdr的測試測定一段光纖的平均損耗系數，式中的ps(z1)、ps(z2)的值可以從otdr顯示屏上的連續背向散射軌跡的幅度得到 ,進而可求出平均損耗系數。

　　與距離有關的信息是通過時間信息而得到的（此即光時域反射計中時域的由來），otdr測量發出脈沖與接收后向散射光的時間差 ,利用折射率ｎ值將這一時域信息轉換成距離： zct （8） 2ng其中ｃ為光在真空中的速度 (3×1 0 8ｍ/ｓ)

　　方向耦合器：

　　方向耦合器就是光分路耦合器。它把一束光分裂為兩路光作不同方向的耦合。光時域反射儀能在光纖的一端進行測量，就是利用了方向耦合器來實現的。這種方向耦合器要能把光分路耦合，同時還要能消除或減少前端的菲涅耳反射。最簡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（實線）一路透過半反射片注入光纖，一路經過半反射片反射，用作入射光功率監測。背向瑞利散射光（虛線），一路透過半反射片到光源，另外一路經過半反射片反射耦合到檢測器。這樣就把入射光和背向散射光分離開來，光源和檢測器都在光纖的同一端，測量能在同一端進行。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。

　　這種由半反片和匹配液盒組成的方向耦合器，光路調整困難，而且要用匹配液，不適于現場應用。目前較廣泛使用的是整體的方向耦合器——y分路器，其三端通過尾纖分別與光源a、待測光纖b和檢測器c直接耦合。

　　這種y型整體的耦合器比上述組合式插入損耗小，穩定可靠，調節對準方便，還有體積小、重量輕、價格低廉等特點，所以得到廣泛使用。

　　另一種整體的方向耦合器是利用晶體雙折射特性設計的。如圖4所示的是利用格蘭—湯姆生棱鏡做成的方向耦合器。

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