光时域反射仪实验

光时域反射仪(OTDR)实验

摘要：简述光时域反射仪的工作原理，使用光时域反射仪对未知光纤进行测量，分析图像，获得其基本工作参数，并进一步探究光时域反射仪参数对实验结果的影响。

一、光时域反射仪工作原理

光时域反射仪（optical

time-domain reflectometer;OTDR）

是一种通过对测量曲线的分析，了

解光纤的均匀性、缺陷、断裂、接

头耦合等若干性能的仪器。测量曲

线的获取原理如图1所示。

由激光器发出的光脉冲注入到

光纤后，在开始端接收到的光能量

可以分为两种类型：一种是光纤断

面或者连接界面的菲涅尔反射光；

另一种是瑞利散射光（背向散射）。

通过测量分析这些后向散射光的功

率,可以得到沿光纤长度分布的衰

减曲线。

其中瑞利散射是当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在分子级别大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会被改变其原有的传播方向而向四周散射的现象。其强度与波长的4次方成反比，其中有一部分散射光线与原来的传播方向相反，被称为背向散射，如图2：

图2瑞利散射与背向散射

二、实验用具

CMA4000i型OTDR、光纤连接器、适配器、光纤/光缆等。

三、实验记录与数据分析

1.熟悉仪器

阅读说明书，接入光纤，熟悉仪器。启用自动测量，仪器自动选择脉宽250ns的激光源，并设置测量距离为16km，中速测量，得出曲线为OTDR进行32000多次平均的结果。观察所得曲线，可见入射端口与出射端各有明显的峰值；放大入射端反射峰，可见辨认出为部分重叠的两峰。其余部分为一直线，可初步断定被测光纤只存在一个机械连接事件。

2.使用两种脉冲宽度对光纤事件进行测量

使用脉宽为10ns的脉冲，测量长度设为8km/1.0m，所得曲线如图3所示：

图1 OTDR工作原理图

图3脉宽10ns 下OTDR 测量曲线

如图3中A,B,C 所示，测量曲线有3个峰值， A 峰是入射端的菲涅尔反射峰，C 峰是出射端的菲涅尔反射峰，B 峰则便是光纤中机械连接产生的菲涅尔反射峰。曲线其余部分为一斜率基本均匀的直线，没有抬升或下沉，可知光纤是均匀的，光纤中并不存在耦合，缺陷，应力过大等情况。放大曲线开始部分对机械连接进行定位，如图4：

可从仪器读书得光纤机械连接位于0.0337km 处。

使用脉宽为250ns 的激光进行测量，测量长度选择8km/1.0m ，所得曲线如图5所示：

图5脉宽250ns 下OTDR 测量曲线

从图中可以看出，曲线特征与脉宽10ns 的测量曲线相仿。均有A,B,C 三个反射峰，其余部分是斜率均匀的直线。与10ns 脉宽的曲线的不同点在于，相同横坐标下，250ns 的曲线要位于10ns 的曲线之上，换句话说，250ns 脉宽下，OTDR 探测到的信号均比10ns

脉宽

图4图3局部放大图

下的要强。这是因为脉宽增大了，使光源总功率增大了，如图6：

其次是250ns 曲线的各个反射峰宽度变大了，也称作盲区变大了。这是由两部分原因造成的：

（1）脉冲宽度增加，脉冲起始点和终结点之间时间间隔增大，通过OTDR 的探测便转化为空间域上的宽度增加；

（2）OTDR 专门用于探测微弱的背向散射，机械连接处，耦合处等反射事件反射的光功率较大，会使探测器出现饱和，而脉宽增大会使光源功率增大，从而菲涅尔反射光的功率也会增大，使得探测器饱和程度更深，需要更长时间恢复，再经过OTDR 的处理，就造成了空间域上的宽度增加。

正因为250ns 脉宽的激光盲区较大，在实验中覆盖了机械连接点的反射峰的起点，因此无法用250ns 脉宽的光源测得机械连接点的位置。

3. 光纤长度测量

使用两种脉宽进行测量，量取零点至出射端菲涅尔反射峰的起点的距离作为光纤总长度，两种脉宽都有如下结果：

纤长 L=5.0119(km)

本次试验中，对于纤长的测量，不同脉宽的脉冲应该没有影响。因为测量的是零点到出端菲涅尔反射峰的起点的距离，脉宽不影响仪器零点设置，并且本实验中出端菲涅尔反射没有处在别的时间造成的盲区里，因此不会有影响。

4. 光纤全程损耗

光纤全程损耗不应包括输入端和光纤末端反射造成的损耗，所以应该在输入端菲涅尔反射峰以后，到末端菲涅尔反射峰的起点为测量范围。如前所述，250ns 脉宽的激光会导致机械连接处处在输入端的盲区里，故只选用10ns 的进行测量。

表格1光纤全程损耗记录表

脉宽 A 点/km B 点/km 光纤长度/km 损耗/dB 损耗系数α/dB/km

10ns

0.0235 5.0119 4.9884 1.412 0.283 0.0280 5.0119 4.9839 1.338 0.268 0.0309 5.0119 4.9809

1.300 0.261

测得的光纤全程损耗系数为：α̅=1

3∑αi 3i=1=0.271(dB/km) 标准偏差：σ=√1

3−1∑(αi −α̅)23i=1=0.011≈0.01(dB/km) 故全程损耗系数为：α=(0.27±0.01)dB/km

图6脉宽10ns 与250ns 所得曲线对比图

图 7 图6局部放大图

全程损耗系数测量误差主要来源于对入射段菲涅尔反射峰的结束点判断的不准确。从图中可以知道，与反射峰起点不同，反射峰终点附近，曲线斜率逐渐趋于衰减系数，难以正确选择测量起点。

5.光纤分段损耗系数测量

避开3处反射峰进行测量，选取2km左右光纤，记录损耗与损耗系数如表格2

表格2分段损耗系数测量表

脉宽光纤长度/km损耗/dB损耗系数α/dB/km

10ns 1.98880.3880.195 1.98880.3790.191 1.98880.3820.192

250ns 1.98880.3940.198 1.98880.4090.206

从前面的测量结果可知，被测光纤除了一处机械连接以外没有其他的非损耗衰减或增益，因此避开反射峰进行测量即测量光纤无故障时候的工作特性。如上表2测量结果所示，脉宽为10ns与250ns下测得的损耗系数均约为0.2(dB/km)，与实验室提供的数据相符合。理论上，不同脉宽下测得的损耗系数应该是相同的，而这次试验测得的结果不完全一致，这是测量误差造成的。

测量误差有两部分：

(1)仪器本身的误差，这是实验的固有误差。里面包括激光源功率的波动，光功率计响应的误差，以及平均次数的限制。

(2)取样误差。实验中光纤段的选取是靠人手进行操作选取，然后直接从机器读数得到的，取样数量不足、取样没有代表性等，都会引出一定的误差。

6.光纤连接处的损耗

从10ns的曲线中取连接处反射峰的两端进行测量，得下表：