PDF《OTDR 测试原理及曲线分析》

资料条款的最终解释权属于长飞公司 YOFC_10007_WP OTDR 测试原理及曲线分析 李龙孙 杨晨 1.

引言 光时域反射仪(OTDR : Optical Time-Domain Reflectometer ) ,是光纤测试,特别是在网络建设 的实际施工布线中经常使用的仪器.OTDR 可以测试 (成缆前后)光纤的衰减系数、光纤长度、衰减均匀 性、点不连续性、物理缺陷和接头损耗等参数,特别 适合于对通信网络中的光纤光缆链路进行检测,它既 可以定位光纤链路中的连接点(含热熔接、机械冷连 接、活动连接等)的位置并测试其损耗,又可以在链 路发生故障时,迅速查找原因并定位故障位置. 2. 测试原理 OTDR 通过采集和测量因瑞利散射而被光纤自身 背向散射回来的光功率来进行相关的测试. OTDR 将光 脉冲注入到待测光纤中后,因为瑞利散射,注入的光 脉冲在光纤长度方向上的每一点上都被散射(所有方 向) ,其中一部分光会背向返回到 OTDR 的探测单元, OTDR 会采集和测量此背向散射光. 在光纤链路上的某一点,其背向散射的光功率 P(z)可以通过公式(1) [1] 计算:

2 2

10 2 ( )

10 ( ( )) z i w P z C P MFD z ? ? ? ? ? (1) 其中,λ为注入光的波长,C 为比例系数(与多 种因素有关,比如光纤的玻璃材料) ,z 为此点距离原 点的距离,MFD(z)为光纤在此点处的模场直径,Pi 为OTDR 的脉冲功率,τw 为脉冲的宽度,α为光纤的衰 减系数. 从公式(1)可以看出,P(z)的大小是受到光纤模 场直径的影响的. 一般情况下,P(z)采用对数坐标表示,所以 OTDR 的测试曲线一般为直线,其斜率反映了光纤的衰减系 数. 2.1 衰减系数的测试 [2] 使用 OTDR 测试光纤或光缆的衰减系数的步骤如 下: 2.1.1 光纤连接 将被试光纤连接到 OTDR 上,或连接到盲区光纤 的一端(盲区光纤也可称为尾纤,在测试过程中用于 避免 OTDR 盲区的影响) ,盲区光纤的另一端连接到 OTDR 上. 2.1.2 参数设置 在OTDR 中设置光源波长、脉宽、测距范围(包 括长度分辨率) 、有效群折射率以及信号平均时间等 参数. 在选择脉宽、脉冲重复频率和光源光功率时应注 意,对于短距离测量,应选用短脉宽以提供足够高的 分辨率,但这又将限制测量时的动态范围和可测量的 最大长度.对于长距离测量,可以将入射的峰值功率 增加到可能产生足够大非线性影响的功率水平之下, 也可通过选用长脉宽以增加动态范围,但这又将减小 测量时的分辨率. 2.1.3 曲线显示 启动 OTDR 进行取样,调整仪器显示的背向散射 信号,使曲线尽可能全屏显示,如需增加分辨率,应 调整图形的显示刻度,并尽量放大感兴趣的图形区域 资料条款的最终解释权属于长飞公司 (在此过程中,应注意正确的区分真实的信号和噪声 信号) .图1是测量衰减时的完整 OTDR 曲线图. 图1. 均匀 样品的 OTDR 测试曲线

1 2.1.4 衰减系数的测试 将光标置于试样曲线线性区段始端(紧挨近端) , 确定 Z1,P1;

将同一光标或另一光标置于试样末端反射脉冲 上升边缘的一点,确定 Z2,P2.对于 Z2 的定位,如可 能,切割试样远端,在曲线尾端产生明显的反射. 光纤或光缆段的单向后向散射衰减系数α为: α=(P1-P2)/(Z2-Z1) (dB/km) (2) 该数据可以用两点法给出,也可以用最小二乘近 似(LSA)法拟合曲线给出.LSA 法得出的结果可能与 两点法得出的结果不同,该方法由于减小了噪声的影 响而具有更好的重复性,但当光纤衰减不均匀时会给 出错误的结果. 进行双向测试,将双向测试的数值进行平均以消 除后向散射特性随光纤长度变化的影响,取双向测量 的平均值作为该波长上衰减系数的最后结果. 如需要,可切换到另一波长重复上述过程. 2.2 光纤长度的测试 [3] 如图

2 所示,将光标置于试样末端反射脉冲上升 边缘的一点,确定 Z2;

将同一光标或另一光标置于试 样始端反射脉冲上升边缘的一点确定 Z1 (如试样前无 光纤或光缆段则 Z1 为零, 如试样前有已知长度 ZD 的光 纤或光缆段,则Z1 为ZD) .如果由于不连续性极小而 不易确定 Z2 和Z1 的位置, 就在该处加一个绷紧的弯曲 并改变弯曲半径以帮助光标定位, 对于 Z2 的定位如有 可能,切割试样远端,在曲线尾端产生明显的反射. 光纤的长度为: L= Z2-Z1 (3) 图2 均匀 样品的 OTDR 测试曲线 2(试样前连接 了盲区光纤) 2.3 点不连续的测试 点不连续是连续的 OTDR 信号在朝上或朝下方向 的暂时或永久性的局部偏移,偏移特征能够随试验条 件(例如 OTDR 信号脉宽、波长和方向)变化.点不 连续的持续时间约为脉冲宽度.为了确定不连续(而 不是衰减不均匀性)的存在,应采用两种不同的脉宽 观察有疑问的区域.如果损耗或增益的形状随脉宽而 变,则该异常情况是点不连续;

否则要按照测量光纤 或光缆衰减的程序进行衰减不均匀性测量. 如图

3 所示,将光标置于不连续点处功率开始上 升或下降的始端来确定点不连续的位置.一般仪器要 求一对光标置于不连续点处的两侧,将两根最佳拟合 直线(每一根分别由两点法或最小二乘法得到)外推 到不连续点处的位置,两直线在不连续点处的垂直距 离为点不连续的视在损耗或增益. 单向 OTDR 测试一般只用于检查链路中是否存在 点不连续,以及确定点不连续的位置,不应用作实际 损耗的测定评估.由于 MFD 公差和其他光纤固有参数 的差异会导致错误.应进行双向测量,将双向测量取 得的数值进行平均(这样可消除视在增益)得出点不 资料条款的最终解释权属于长飞公司 连续损耗. 图3. OTDR 测试曲线上的不连续点 3. 熔接损耗 光纤的熔接损耗属于 OTDR 点不连续的一种.由 于光纤光缆的工程施工中广泛应用到光纤的熔接技 术,在此专门对熔接损耗的测试进行解释. 一般的,熔接损耗的大小与下面几个因素有关: 1) 两端光纤的纤芯对准 2) 两端光纤的端面是否平行(即纤轴是否同 轴) 3) 模场直径的匹配 随着熔接机厂商的制造工艺不断发展,光纤的熔 接损耗受前面两项的影响已降至很低的程度,然而由 于两端光纤的模场直径失配,会造成熔接损耗在一定 程度上的增大. 3.1 模场直径失配的影响 由于模场直径的失配造成的熔接损耗LossMFD-mismatch,可以通过公式(4) [1] 来进行理论计算:

1 2

2 2

1 2

2 20log[ ] ( ) MFD mismatch MFD MFD Loss dB MFD MFD ? ? ? ? (4) 模场直径的失配程度可以由 FMFD 来描述,FMFD 的大 小由公式(5) [5] 决定:

1 2

1 2

1 ( )

2 MFD MFD MFD F MFD MFD ? ? ? (5) 当FMFD 的绝对值小于 0.8 时,LossMFD-mismatch 可 以按公式(6) [5] 计算

2 4.343 MFD MFD mismatch Loss F dB ? ? (6) 根据上述公式,计算了不同模场直径差异情况下 由模场直径失配造成的熔接损耗的大小.计算时,假 设熔接点两端的光纤在 1310nm 处的模场直径的分布 范围为 8.4?m 至9.6?m.计算结果如图

4 所示: 图4.模场直径失配造成的熔接损耗 图4为根据公式(6)计算得到的由于模场直径失 配造成的熔接损耗.如果熔接点两端光纤的模场直径 的差值在 1.2?m 以下,由模场直径失配造成的熔接损 耗小于 0.08dB.ITU-T G.652 建议 [6] 中,对于光纤模 场直径的公差要求是±0.6?m,ITU-T G.657 建议 [7] 中,此要求更为严格,为±0.4?m,所以对于同类型 的光纤而言,其模场直径的差异不会超过 1.2?m. 3.2 单向测试时的 OTDR 曲线 因为 OTDR 特殊的测试原理,使得其测试结果对 模场直径十分敏感,从公式(1)可以看出,OTDT 探测 到某点的背向散射功率 P(z)是反比于此点的模场直 径的,也就是说模场直径越大,反射的光功率越小, 而模场直径越小,反射的光功率越大.假设两段模场 直径具有一定差异的光纤通过熔接机热熔接,则在熔 资料条款的最终解释权属于长飞公司 接点前后,P(z)的区别是明显的.如果光从小模场直 径的光纤进入大模场直径的光纤,则OTDR 曲线会出 现一个明显的负台阶(衰减) ,而光从大模场直径的 光纤进入小模场直径的光纤时, OTDR 曲线上会出现一 个明显的正台阶(视在增益) .单向测试时出现的明 显的正负台阶都无法正确的反映此熔接点的实际熔 接损耗,甚至会给施工人员提供错误的信息而造成不 必要的返工. 图5为用 OTDR 单向测试模场直径失配的两段光 纤的熔接损耗时的典型曲线的示意图. 从图

5 中可以看出,当光从大模场直径的光纤进 入小模场直径的光纤时, OTDR 曲线上出现了一个明显 的正台阶,而当光从小模场直径的光纤进入大模场直 径的光纤时,OTDR 曲线上出现了一个明显的负台阶. 熔接点两端的光纤的模场直径差异越大,则 台阶越明显. 即为我们常说的 大正大负 问题. 因OTDR 的测试原理所造成的误差损耗αOTDR 可以通过公式(7) [1] 进行计算: 10log( 2/ 1) OTDR MFD MFD ? ? (7) 当FMFD 的绝对值小于 0.35 时, αOTDR 可以按公 式(8) [5] 计算 4.343 OTDR MFD F dB ? ?? (8) 图5.模场直径差异造成的 OTDR 曲线的正负台阶 [1] (ω1,ω2 代表光纤的模场直径,ω1>

ω2,z0 为熔接点的位置) 根据上述公式,计算了不同模场直径差异情 况下由模场直径失配造成的 OTDR 误差损耗的大 小.计算时,假设熔接点两端的光纤在 1310nm 处的模场直径的分布范围为 8.4?m 至9.6?m.计 算结果如图

6 所示: 图6. 模场直径失配造成的 OTDR 误差损耗 图6为根据公式(8)计算得到的由于模场直径失 配造成的 OTDR 误差损耗. 将图

4 和图

6 进行比较,可以发现在相同的模场 直径差值下,αOTDR 明显大于 LossMFD-mismatch,例如模场 直径差值为 0.6?m 时,αOTDR 的值约为 0.3dB,而LossMFD-mismatch 的值仅为 0.03dB. 上述分析说明, 使用 OTDR 进行单向测试时, OTDR 显示的台阶的 高度 不能真实反映熔接点的损耗值. 假设台阶的 高度 为G(单位 dB) ,真实的熔接损 资料条款的最终解释权属于长飞公司 耗值为 Lture,则: G=Lture+αOTDR (9) 而, Lture =LossMFD-mismatch+Lossothers (10) 其中,Lossothers 指因偏芯、偏轴等其它机理造成 的熔接损耗. 根据公式(9)和公式(10),可以推出真实的熔接 损耗值 Lture 的计算公式为: Lture=(G1+G2)/2 (11) 其中

1 和2代表了光传输的方向性. 因此,要准确的测试熔接点的熔接损耗,必须使 用OTDR 进行双向测试,取双向测试结果的平均值来 评价熔接损耗的大小. 参考文献 [1] IEC TR 62316(2007):Guidance for the interpretation of OTDR backscattering traces [2] GB/T 15972-40(2008): 光纤试验方法规范 第40 部分:传输特性和光学特性的测量方法 和试验程序 C 衰减 [3] GB/T 15972-22(2008): 光纤试验方法规范 第22 部分:尺寸参数的测量方法和试验程序 C 长度 [4] ITU-T L.12 (200803):Optical fibre splices [5] Draka Application Note : SM OTDRs, Apparent Gain, Loss and other surprises [6] ITU-T G.652 (2009): Characteristics of a single-mode optical fibre cable [7] ITU-T G.657 (2009): Characteristics of a Bending Loss Insensitive Single Mode Optical Fibre and Cable for the Access Network ........