实验二、光纤损耗及断点的检测

实验二光纤损耗及断点的检测
一、实验目的：
了解光纤损耗的检测手段，认识光时域反射计，熟悉使用方法，利用光时域反射计检测光纤的损耗和断点。

二、实验仪器：
1.光时域反射计OTDR 一台
2.1550 nm波长的单模光纤若干
3.打印机Epson5700 一台
4.跳线两根
5.法兰盘两个
三、实验原理：
检测光纤损耗的基准方法是剪断法，剪断法的精度较高，但是这种方法属于破坏性测量，不适合现场使用，为了克服这一弱点，提出了两种替代方法插入法、背向散射法，其中背向散射法只需要光纤的一端测试，方法十分简单，很适合现场测量，特别是可用来测光纤的长度及确定故障点位置，所以这种方法应用广泛。

用这种方法测量光纤损耗的仪器称为光时域反射计（Optical time domain reflectometer），本实验即介绍利用OTDR对光纤损耗及断点的检测。

光时域反射计利用反射测量技术测量光波导（如光纤）特性的一种仪器，光纤中反射光造成光反射的原因有光缆的端部、光纤的断裂处、接头、连接器界面、裂纹、碎裂，或传输媒质的其它各向异性特点和不连续性。

从理论上分析主要是瑞利散射和菲涅尔反射。

1.瑞利散射
在光纤中存瑞利散射，瑞利散射是由于光纤自身的缺陷和掺杂成分的不均匀性所产生的。

瑞利散射光的特点是散射光波长与入射光波长相同，散射光功率与该点入射光功率成正比。

散射光沿各方向皆有，但只有小部分在光纤数值孔径内的光会沿光纤轴向传播。

如在光纤输入端注入大功率窄脉冲光信号，在光脉冲沿着光纤传播时，各点的散射光部分将被返回到光纤的输入端。

离光纤输入端近的地方散射回来的光较强，而离输入端远的地方散射回来的光较弱。

离光纤输入端近的地方散射回来的光先返回至光脉冲输入端。

2.菲涅耳反射
光在传输过程中通过折射率不同的介质的界面产生的反射称为菲涅耳反射。

根据菲涅耳定理，功率为in P 的光垂直入射时，反射功率T P 与in P 有如下关系：
)(
1
212n n n n P P in T +-=
其中21n n 、分别为不连续处两侧折射率。

从公式中可以看出只要折射率发生变化就会产生菲涅尔反射。

菲涅耳反射发生在连接器、机械接头、光缆的不匹配、光纤的末端以及光纤中断裂处。

在光纤与空气之间的界面、有气隙存在的接头、垂直于光纤的明显的断裂处和光纤的末端处，也就是21n n 、相差较大时，反射光较强。

对于一些不是很明显断裂处或与光轴成某个角度的光纤末端，那么反射光功率就要小得多。

光时域反射计利用下图所示的工作原理。

图1 工作原理图
把窄的光脉冲注入光纤端面作为探测信号，在光脉冲沿着光纤传播时，各处瑞利散射的背向散射部分将不断返回光纤的入射端，当光信号遇到光纤中的几何缺陷或光纤末端时，就会产生菲涅耳反射，背向反射光也会返回光纤的入射端。

图2为OTDR 测量曲线。

被测光纤由两根光纤焊接而成，中间凸起显示了接头处的反射。

图2 OTDR 测量曲线
连接器
lg P
B A
光纤的衰减系数为
)lg(
10
21)(B
A A
B P P z z L -=
α
α为衰减系数，包含光纤中所有原因产生的损耗，通过测量光脉冲行进至
不连续点并返回所用的时间，来确定到反射界面或其他不连续点的距离。

就能定量的测量出光纤的传输特性、长度及故障点。

在光纤的入射端把光脉冲耦合到光纤中，并测量后向散射或反射回输入端的光与时间的函数关系。

此法能用于：估算光纤的衰减率（即光衰减系数）随距离的变化；识别故障的性质和位置；测定其他局部损耗（如光纤连接器、耦合器和接头引起的插入损耗）和测量光纤及其它元件的其它参数。

通过测量光脉冲行进至不连续点并返回所用的时间，来确定到反射面的距离。

造成光反射的原因有光缆的端部、光纤的断裂处、接头、连接器界面、裂纹、碎裂，或传输媒质的其它各向异性特点和不连续性。

它在时间轴上显示反射波，或通过显示精确读出传输的光脉冲的前沿及通常在下一个脉冲发射前出现的各种反射。

只要探测到背向反射回来的光就可以看到前后端面的回波脉冲，它们之间的时间间隔就是光走了两倍纤长的时间，据此可以测量出光纤长度。

同理，如光纤内部断裂或有缺陷也会在光纤的输入端检测到回波脉冲。

根据回波脉冲情况可进行故障定位。

假设功率为in P 的窄脉冲，在t ＝0的时刻注入到光纤端面，光信号沿光纤传输过程中没有吸收，在距输入端Ｌ处有：
L
in e
P L P α-=)(
其中α为光纤的衰减系数，近似的：
n
ct L =
光时域反射计注意事项：
光时域反射计在使用时若某个参数选择不当，或在某些方面疏忽大意便会 影响测量的精度与准确度。

正确使用OTDR ，必须注意以下几点：
1、根据OTDR 的特点，测量光纤时在始端有一段盲区，因此，为准确地测量光纤衰减，最好先连接一段大于盲区的光纤，然后再进行测试。

2、光纤的末端出现了一个反射脉冲信号(说明尾端的端面比较平整，则菲涅尔反射系数不为零，从而出现这样一个反射脉冲信号)，将该位置进行展宽放大即可准确定位光标；如果光纤尾端的菲涅尔反射不明显时，则光标的设置位置就不明确(说明尾端端面为粉碎性不规则端面，菲涅尔反射系数很小甚至为零，则反射信号很弱甚至无明显的反射脉冲)，这样就会影响光纤测量的准确度。

此时需要对光纤尾端进行端面处理(通常用光纤切割刀切割端面)，使之与光纤中心轴相垂直(最多不超过4度的偏差)，就可精确地测量光纤衰减和长度。

3、OTDR有一个重要参数即脉冲宽度。

它必须根据测量的目的进行选择。

脉冲选择较宽，虽然提高了信噪比，但距离信息会变的模糊；脉冲选择较窄，信噪比将降低，但同时提高了距离信息的清晰度。

另外，宽脉冲增加了测量距离但降低了距离分辨率，这是由于宽脉冲输入光纤的能量大，所以反射信号就强，因此从噪声中分辨信号就相对容易些。

实验测试结果如图2所示：
图2 实验结果示意图
四、实验内容及操作要点：
1.熟悉OTDR结构，认识OTDR面板上各个按键旋钮。

如图3所示。

图3 OTDR面板示意图
2.打开OTDR电源，系统预热，而后自检。

3.连接光纤至OTDR，首先用酒精棉清洁光纤FC接头，将光纤与OTDR上
的连接器连接。

连接图如图4所示。

图3 光纤与OTDR的连接
4.在Setup mode（1/3 ）界面中利用Select键和上下左右键对OTDR参
数进行设定（上下左右键移动光标，按一次Select键进入菜单，再用
上下左右键移动光标，Select键再按一次确定）。

模式设为自动，事件
设为自动搜索，光源选择1550 nm，衰减设为自动，折射率选择1.4682，
平均值设为次数，测量次数自选（不小于12次）。

5.按Strat键开始测量，等待测量结束，屏幕显示图1界面。

6.读出实验测试图，记录实验条件、事件结果。

7.对实验结果进行打印。

按Menu键/文件/打印输出。

8.按功能键F1两次回到Setup mode（1/3 ）界面。

五、实验数据及数据处理
将所得数据图表打印，并进行分析。

六、思考题
1．OTDR在工程上有哪些应用？
2．在脉冲宽度设定上，选择宽脉冲和窄脉冲有什么区别？。