自构建光纤链路的OTDR测试实验报告模板

实验名称：自构建光纤链路的OTDR 测试实验 实验日期： 指导老师： 林远芳 学生姓名： 学号： 同组学生姓名： 成绩：

一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备 四、实验结果记录与分析

五、数据记录和处理 六、结果与分析 七、讨论、心得

一、实验目的和要求

1. 了解瑞利散射及菲涅尔反射的概念及特点；

2. 熟练掌握裸纤端面切割、清洁、连接对准方法及熔接技术；

3. 熟悉光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer ，以下简称 OTDR ）的工作原理、操作方法和使用要点，能利用 OTDR 测试、判断和分析光纤链路中的事件点位置及其产生原因，提高工程应用能力。

二、实验内容和原理

1．OTDR 测试基本理论

散射：光遇到微小粒子或不均匀结构时发生的一种光学现象，此时光传输不再具有良好的方向性。

瑞利散射：当光在光纤中传播时，由于光纤的基本结构不完美（光纤本身的缺陷、制作工艺和材料组分存在着分子级大小的结构上的不均匀性），一部分光纤会改变其原有传播方向而向四周散射（图 1-3-1），引起光能量损失，其强度与波长的 4 次方成反比，随着波长的增加，损耗迅速下降。

后向或背向散射：瑞利散射的方向是分布于整个立体角的，其中一部分散射光纤和原来的传播方向相反，返回到光纤的注入端，形成连续的后向散射回波。光纤中某一点的后向回波可以反映出光纤中光功率的分布情况，椐此可以测试出光纤的损耗。

菲涅尔反射：当光纤由一种媒质进入另一种媒质时会产生的一种反射，其强度与两种媒质的相对折射率的平方成正比。如图1-3-2 所示，一束能量为P0 的光，由媒质 1（折射率为nl ）进入媒质 2（折射率为 n2）产生的反射信号为P1，则

2

21211???? ??+-∝n n n n P 衰减：指信号沿链路传输过程中损失的量度，以 dB 表示。衰减是光纤中光功率减少量的一种度量， 光纤内径中的瑞利散射是引起光纤衰减的主要原因。 通常， 对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，即衰减系数来反映光纤的衰减性能的好坏。

当光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散射。这种散射向着四面八方，其中总有一部分会沿着纤轴反向传输到输入端。由于主要的散射是瑞利散射，并且瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，其光功率与该散射点的入射光功率成正比，光纤中散射光的强弱反映了光纤长度上各点衰减大小，光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过后向散射方法独立地探测出来，而不受其它点散射信号改变的影响，所以测量沿纤轴返回的后向瑞利散射光功率就可以获得光沿着光纤传输时的衰减及其它信息。

基于后向散射法设计的测量仪器称为 OTDR ，其突出优点在于它是一种非破坏性的单端测量方法，测量只需在光纤的一端进行。它利用激光二极管产生光脉冲，经定向耦合器注入被测光纤，然后在同一端测量沿光纤轴向向后返回的散射光功率返回信号与时间的关系，将时间值乘以光在光纤中的传播速度以计算出距离， 在屏幕上显示返回信号的相对功率与距离之间的关系曲线和测试结果。国内厂家主要是中国电子科技集团公司第四十一研究所，国外的品牌主要有安捷伦（Agilent ） 、安立（ANRITSU ） 、EXFO 、WAVETEK 等。

2．光纤的连接

光纤连接时的耦合损耗因素基本上可分为两大类：一类是固有的，是被连接光纤本身特性参数的差异，比如纤芯直径、模场直径、数值孔径差异、纤芯或模场的同心度偏差、纤芯椭圆度等。这些因素所引起的光纤连接损耗一般无法通过连接技术来改善；另一类是光纤连接时光纤的端面质量、对中质量和连接质量等因素，比如光纤的端面切割质量、端面间隙、纤轴的横向错位、纤轴的角度倾斜、纤芯形变等因素。这些因素所引起的连接损耗可通过连接技术的改进而得到改善。

3. 典型事件

用OTDR 测量光纤链路可识别出由于拼接、接头、光纤破损或弯曲及链路中其他故障所造成的光衰减的位置及大小。OTDR 接收和显示的不仅仅是来自各事件的信号，而且包括来自光纤本身的信号。这种来自光纤本身的信号就是后向散射。当光沿着光纤传送时会由于瑞利散射效应而衰减，这是由于光纤折射率微小变化等引起的，并且它沿着整根光纤持续发生。后向散射强度的变化决定了光纤链路沿线各事件的损耗值。

非反射事件：

光纤熔接头和微弯会导致光纤中有一些光功率损耗，但不会引起反射。在OTDR 测试曲线上，这种事件会以“在后向散射电平上附加一个下降台阶”的形式表现出来，竖轴上后向散射电平值的改变量即为损耗的大小，如图1‐3‐6所示。

反射事件：

在光纤链路中，光纤的几何缺陷、断裂面、故障点、活动连接和固定连接等都会造成折射率突变，使光在光纤中产生菲涅尔反射，称之为反射事件。反射和散射的强弱都和通过的光功率成正比，菲涅尔反射光功率远大于后向瑞利散射光功率，则在OTDR 显示的测试曲线上，对应于光纤菲涅尔反射点处有突变的峰值区（有一个急剧的上升和下降）。如图1‐3‐7 所示，光纤链路中的活动连接和固定连接的接头以及光纤上的裂缝都会同时引起光的反射和损耗。反射值(通常以回波损耗的形式表示）是由后向散射曲线上反射峰的幅度所决定的，竖轴上后向散射电平值的改变量即为损耗的大小。

光纤末端：

如果光纤末端（尾端）是平整的端面或者在尾端接有平整、抛光了的活动连接器，则尾端会存在反射率为 4％的菲涅尔反射，意味着 OTDR 测试曲线具有反射终端，如图 1‐3‐8（a ）所示。如果尾端是破裂的端面或者被磨花了，则由于端面的不规则会使光纤漫射而不会引起反射，在这种情况下，光纤末端的 OTDR 测试曲线会从后向反射电平简单下降到 OTDR 噪声电平下，如图 1‐3‐8（b ）所示。虽然破裂的尾端也可能引起反射，但其反射峰不会像平整的光纤末端或活动连接器所带来的反射峰值那么大。

4．OTDR 主要性能参数

（1）动态范围

OTDR 的信号是通过对数放大器处理的，测试曲线的相对后向散射功率是对数标度，读

得的是电平值， 而且是经过往返两次衰减的值。 后向散射电平初始值与噪声电平的差值 （dB ）

定义为动态范围。如图 1‐3‐9 所示，根据噪声电平的取法，有两种不同的动态范围表

示方式：

‐‐峰值：取噪声电平的峰值，这是一种传统的比较有意义的指标表示方式。在后向散射

电平与噪声电平相等时，后向散射信号就成了不可见信号。

‐‐信噪比 SNR=1：取噪声电平的均方根值。

动态范围和被测光纤的衰减决定了 OTDR 实际可以测量的光纤最长距离：

α

D L =m ax 其中：D 为 OTDR 的动态范围，a 为被测光纤的衰减常数。由此可以分析得知：对衰减

一定的光纤而言，OTDR 的动态范围越大，则可测量的光纤长度越长，反之越短；对同一动态范围的 OTDR 而言，光纤衰减越小，则可测量的光纤长度越长，反之越短。

（2）盲区

用 OTDR 测试光纤时，反映不出某段范围内光纤损耗等的测量情况，称之为盲区。反射

会使 OTDR 的接收器进入饱和状态，接收器从饱和状态逐渐恢复会产生一个“拖尾”。“托尾”过后，OTDR 就可以对光纤的后向散射进行测量。

事件盲区：从反射峰的起始点到接收器从饱和峰值恢复到 1.5dB 之间的距离。在这点上

紧接的第二个反射为可识别反射，但这时损耗和衰减仍为不可测事件。

衰减盲区：从反射峰的起始点到接收器从饱和状态恢复到线性后向散射上 0.5dB 点之间

的距离。（贝尔实验室文件建议的指标是 0.1dB ，但 0.5dB 是一个更常用的指标值）。

三、主要仪器设备

跳纤；尾纤；裸纤；剥纤钳；笔式光纤切割刀；AV33012光纤切割器；吹气球、擦镜纸、无水乙醇、脱脂棉棒、光纤接头清洁器等光纤端面处理与清洁工具；常规法兰、5dB 和 10dB 法兰式光衰减器；使用精密 V 槽实现光纤临时耦合对接的AV87501 光纤对接器；AV6471 光纤熔接机；具有 32dB 动态范围和 0.1m 测距分辨率的AV6413高性能微型OTDR ， 具有28dB 动态范围和0.25m 测距分辨率、 并且内置波长为650nm 的肉眼可视红光出射功能的 AV6416 掌上型 OTDR 。

四、实验结果记录与分析（以下为示例，摘自08级学生实验报告，请同学们根据实验结果自行分析）

无损/2dB/5dB/10dB -3:

185m

1.28km

图1、自构建的链路情况：法兰盘+机械连接+熔接

图2、测试波形及事件表

结果分析：

此次实验得到了非常好的结果，把所有的事件都测试出来了，数值和长度都很合理。

1）第一个35.1m的非反射损耗是意外出现的，在此后的实验结果中也都存在，因此我们判定此卷光纤在这个地方存在损伤

2）第一个反射事件：发生在1.31km处，即为法兰盘的连接位置，因此我们新接入的光纤长度为1.3km，且法兰盘的连接损耗为1.122dB，反射高度为38.326dB。虽然标称是无损的法兰盘，其实还是存在“注意”中所说的机械压力和空气间隙的损耗

3）第二个反射事件：发生在1.46km处，事件间隔一段150m左右的光纤，明显是机械连接的位置，因此我们获得了机械损耗的数值，为1.631dB（第一个实验中结果出现伪增益，应该是量程和平均次数设置出现问题，在增大量程和提高平均次数之后结果明显合理很多，所以在自动测试出现bug时可以进入手动测试模式，注意量程变大之后要相应的修改脉冲宽度，因为OTDR总的取点数目是一定的）

4）非反射事件：在1.646km处，为明显的“台阶式下降”损耗，是熔接损耗，大小为0.021dB，且与机械连接相隔的光纤长度为1.646-1.461=0.185km，也就是185m左右5）光纤末端：光纤总长度为2.93km，尾纤长度约为2.93-1.65=1.28km左右

五、思考题

1、动态范围和盲区的大小都与光脉冲宽度的设定值有关。当分别需要对光纤远端、靠近OTDR 附近

的光纤以及两个紧邻事件进行观测时，应该分别选择宽脉冲还是窄脉冲？

2、测量损耗时选择的算法（分为TPA和LSA两种，前者表示用“两点”法测量两个标记点之间的平

均损耗，只有这两个标记点参与计算，后者表示用最小二乘法计算两个标记点之间的平均损耗，是利用两个标记点间的拟合曲线来进行计算）不同，则测试值也不同。对于中间没有任何事件点的一段连续光纤来说，选择上面哪种算法所得的测试值更准确些？

3、手动测试时什么参数的设定会影响测试轨迹信噪比？如何合理设置量程、衰减和折射率？

4、实际测量时，为了避开近端盲区，通常在OTDR 输出端引入一段“过渡光纤”，将OTDR光

输出连接器产生的盲区控制在过渡光纤上，以此减小盲区对测量结果的影响。那么，对过渡光纤的长度是如何要求的？它与被测光纤应以何种形式连接才能消除盲区？

5、采样间隔如何影响OTDR 测试曲线？如何才能减小因采样间隔带来的距离测量误差？

6、用OTDR 从两个方向分别测试光纤上的同一接续点，结果有时会不同甚至相差很多，为什么？

如何才能得到比较真实准确的接头损耗值？

7. 提出你对实验装置及实验内容的意见及建议。