光纤损耗测量OTDR介绍

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()。
() 10 lg P1 (dB/ km) 10 lg P1 (dB/ km)
Z1 Z2 P2
L P2
光纤损耗基础知识回顾
光纤的损耗是与波长密切相关的，图8.1.1是一个典型的光纤 损耗谱图，从图中我们可以看出，一般光纤具有三个低损耗 窗口，分别为0.85um、1.31um和1.55um处。这三个窗 口也是光纤通信和光纤传感的常用工作波长区。
光纤测量 ——光时域反射仪（OTDR）
目录
一、概 述 二、剪断法 三、插入法 四、背向散射法
一、概 述
ITU-T光纤损耗测量标准 光纤损耗测量技术研究热点 未来发展趋势 光纤损耗基础知识回顾
ITU-T光纤损耗测量标准
项目
测量方法
基准法（RTM ）
替代法（ATM）
应用范围
衰减（损耗）
光源
光轴
o
e

光纤
在晶体胶合面，对于o光入射角大于临界角，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光被全反射而成为检测器接收。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
重要的特性。
激光器
接头 熔接点 弯曲 机械接头 裂痕 尾端
耦合器
图
相 对
检测器
功
率
(dB)
8.1.6
脉冲 分析电路 + 显示
距离(Km)
四、背向散射法----2、基本原理
标题
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。
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散射和反射回的信号返回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
四、背向散射法----2、基本原理
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， 如图所示。
A B
C
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。
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光纤损耗测量技术研究热点
BOTDR
提高分辨率和动态范围
在线监测方法
未来发展趋势 高速、高精度、集成化、小型 化、低成本、统一标准、接口、 模块化
光纤损耗基础知识回顾
损耗的原因主要是: (1)材料的吸收损耗，包括纤芯和包层的材料吸收 (2)材料散射，也包括纤芯和包层。 (3)波导散射，即交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射。 (4)波导弯曲所产生的辐射损耗。
A()

10 lg
P1() P2 ()

Cr

C1

C2

(dB)
(3)
式中：Cr ，C1 ，C2 分别为参考光 纤耦合接头的标称损耗值,两被测 光纤耦合接头的标称损耗值，进 而由(8.1.2)式可得损耗系数。
四、背向散射法
1、概述 2、基本原理 3、反射事件与非反射事件 4、尾端菲涅耳反射事件 5、动态范围 6、死区 7、分辨率 (Resolution) 8、精度 9、鬼影 10、瑞利散射和菲涅耳反射信号
Z ct 2ng
其中ｃ为光在真空中的速度 (--2、基本原理
方向耦合器
监测
方向耦合器就是光分路耦合
半反片
器。它把一束光分裂为两路 光作不同方向的耦合。光时
光源
被测光纤 域反射仪能在光纤的一端进
匹配液盒
行测量，就是利用了方向耦
探测器
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。
用背向散射法测量光纤衰减的仪器称为光时域反射计(又称OTDR)。 是基本的光纤链路安装和维护的测试工具.
光时域反射仪
光纤网
图8.1.4
背向散射
图8.1.5 背向散射是由于光纤的瑞利散射现象而引起的部分光信号返回 OTDR的现象
四、背向散射法---- 1、概述
现生产ＯＴＤＲ的厂家很多 ,如ＨＰ、安立、泰 克、ＰＫ、ＷＡＶＥＴＥＫ等
式中，S(z)是光纤在 Z点的背向散射系数,S(z)具有方向性 ;αb(x)是光纤 背向衰减系数。将 (1 )式代入 (2 )可得：
z
ps (z) P(0)s(z) exp[ 0 ( f (x) b (x))dx] (3 )
四、背向散射法----2、基本原理
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光功率为 PS(z1 )和 PS(z2 ),则由 (3)式得
注入 系统
光源
滤模 器
被测 光纤
此处 剪断
滤模 器
检测器
处理 放大
图8.1.2
偏置 电路
电平表
测量时，先测出不同波长λ情况下被测光纤的输出光功率P2(λ) ；然后在 离注入端2m处剪断光纤，再测出不同波长λ下的注入光功率P1(λ) ，这 样，由计算机便可得到损耗谱α(λ)。
三、插入法
三、插入法
插入法是ITU建议的光纤损耗替代测量方法，是在某种 意义上与给定特性的定义相一致的测量方法。当对测量 结果有争议时，应以基准法为准。插入法测试系统如下：
注入 系统
活动连 接器1
被测 光纤
活动连 接器2
检测器
图8.1.3
光源
偏置 电路
校准时1、2 直接相连
处理 放大
电平表
三、插入法
测量中，先采用与被测光纤同类型的短光纤（约2m）作为参考光 纤，对测量系统进行初始校准，获得基准电平P1(λ) ；然后，取 下参考光纤，代之插入被测光纤，调整耦合接头，以使耦合最佳， 即在功率计上获得最大电平，记下此值P2(λ)，于是被测光纤的总 衰减 为A(λ) ：
（3）衰减：链路中光信号的衰减。
（4）反射：事件的反射大小，例 如接头处的反射事件。
四、背向散射法----2、基本原理
OTDR工作原理：
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 P(0),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：
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αf(z) ≈ αb(z),并认为背向散射系数 也不随长度而变 [即 S(z1 )≈ (S(z2 )],则 Z1 和 Z2 两点间损耗系数为：
f
(x) b (x)

z2
1 z1
ln
损耗 (dB/km)
图8.1.1
6
第一窗口
5
4 3
第二窗口
第三窗口
2
瑞利极限
1
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
波长 (um)
二、剪断法
二、剪断法
剪断法概述
剪断法是ITU建议规定的损耗测量的 基准测试法。它能给出严格按照定义 的最精确的损耗测试结果。然而，此 方法也有缺点，即具有破坏性。剪断 法测试系统如下：
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。
四、背向散射法----3、反射事件与非反射事件
光纤中活接头、机械式连接点、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。
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PS(z1),PS(z2)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α。
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脉冲的时间差 ,利用 折射率ｎ值将这一时域信息转换成距离：
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。
它能测试整个网络链路的衰减并能提供和长度有 关的衰减细节；OTDR还可测试线路中接头损耗 并可定位故障点位置；OTDR测试方法具有非破 坏性且只需在一端测试的优点。
四、背向散射法----2、基本原理
ps (z1 ) ps (z2 )
(6 )
由于损耗为正向和反向之和 ,因此可用α =1 / 2 [αf(z)+αb(z)]表示 Z1 点到 Z2 点这段光纤的平均损耗系数 ,由 (6)式有：


1 2(z2
[ln z1 )
ps (z1 ) ln
ps (z2 )]
(7 )
四、背向散射法----2、基本原理
四、背向散射法----2、基本原理
另一种整体的方向耦合器是利用晶体双折射特性设计的。如图所示的是 利用格兰—汤姆生棱镜做成的方向耦合器。
光源
光轴
o
e

光纤
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），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）。
ps (z1 )
ps (z2 )

s(z1 ) exp[ s(z2 )
z2 z1
(
f
(x)

b
( x)) dx]
(4 )
对上式两边取对数得：
( z2
z1
f
(x) b (x))dx ln
ps (z1 ) ps (z2 )
ln
s(z1 ) s(z2 )
(5 )
四、背向散射法----2、基本原理
A() 10 lg P1() (dB) P2 ()
(1)
式中：P1() 、P2 () 分别表示传过光纤截面点Z1和Z2的光功率。
光纤损耗基础知识回顾
若光纤是均匀的，则还可以用单位长度的衰减即损耗系数来表示：
() A() (dB/ km)
(2)
L
为光纤的损耗系数，单位为 dB/ km
z
p(z) P(0) exp[ 0 f (x)dx]
(1 )
式中，αf(x)是光纤前向衰减系数。
四、背向散射法----2、基本原理
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：
z
ps (z) s(z) p(z) exp[ 0 b (x)dx]
(2 )
光纤损耗基础知识回顾

本征吸收

吸收损耗 杂质离子吸收

原子缺陷吸收
光纤损耗
散射损耗

线性散射


非线性散射
瑞利散射 波导散射 拉曼散射 布里渊散射

弯曲损耗
宏弯损耗 微弯损耗

光纤损耗(衰减)基础知识回顾
光纤衰减和波长密切相关。衰减系数随波长变化的函数α( λ)被称之为损 耗谱。人们最感兴趣的是特定工作波长下的衰减系数，如在λ =1310nm、 1550nm等波长下的衰减系数。 在光纤长度Z1和Z2之间，波长为λ 的损耗A (λ )可由下式定义：
剪断法
插入法、背向散射法 多模、单模光纤
单击添ITU-T光纤损耗测量标准 加标题
对光纤的特性参数，如几何特性参数、光学特性参数和传输特性参数进行 定量的测定。ITU（国际电信联盟）的G650建议规范了光纤相关参数的
定义和测量方法。下表所列基 准法（RTM）就是严格按照光 纤某一给定特性的定义进行的 测量方法，替代法（ATM）则 是在某种意义上与给定特性的 定义相一致的测量方法。当对 测量结果有争议时，应以基准 法为准。