浅谈光纤通信中的测试仪表OTDR

1、第21卷󰀁第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2005年6月󰀁󰀁󰀁甘肃科技Vol.21󰀁No.6󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Jun.󰀁2005GansuScienceandTechnology浅谈光纤通信中的测试仪表OTDR史彬哲(中国联

2、通兰州分公司,甘肃兰州󰀁730030)摘󰀁要:本文对光纤通信中的测试仪表OTDR进行了简单的描述,从OTDR的工作原理、使用方法、经验技巧等方面进行了逐一介绍。关键词:OTDR;测试;原理;方法;经验中图分类号:TN818󰀁TN929.11󰀁󰀁2.1󰀁测试原理首先在激光器中加脉冲调制,经过可以分离发射光与接收光的光方向耦合器,将测试光送往测量对象的光传输线路。由于瑞利散射的作用,从光纤各部分(包括光纤的不均匀性、光连接器、光纤接头、光纤的故障或断点)返回的后向散射光就会在屏幕的时基上显示出连续的信号

3、,即近处先而远处后,其强度与各点传输光功率成比例。显然,经光耦合器将反向散射光进行分离接收,令横轴以距离的形式与后向散射光到达的时间顺序相对应,令纵轴以dB表示散射光的强度并在屏幕上显示出来,这样就可以在横轴上将光脉冲往返时间换成光纤长度的刻度,直接用于观察沿整个光纤线路传输光功率的变化状态。(图2.1)1󰀁引言在现代光纤通信的测量技术中,OTDR(光时域反射仪OpticalTimeDomainReflectometer)是一个非常重要的测试仪表,是光纤链路安装和维护的基本测试工具。它可以测试光纤传输系统中的接头损耗、光纤长度、链路损耗、光纤衰减,定位光纤断点和端点,测试反射值

4、和回波损耗,建立事件点与地标的相对关系,建立数据文件、数据存档并打印。它对光纤的测试具有非破坏性、单端接入及直观快速的独特优点。2󰀁OTDR测试原理图2.1󰀁2.2󰀁OTDR各组成部分的作用激光器:将符合规定要求的稳定的光信号发送到被测光纤。脉冲发生器:控制光源发送的时间,控制数据分析电路与激光器同步工作。定向耦合器:将光源发出的光耦合到被测光纤,并将光纤反射回的光信号耦合到光监测器。光监测󰀁󰀁58󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁ϗ

5、041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁甘󰀁肃󰀁科󰀁技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第21卷器:将被测光纤反射回的光信号转换为电信号。数据分析及显

6、示:将反射回的信号与发送脉冲比较,计算出响应数据并在屏幕上显示出相关曲线。2.3󰀁瑞利散射及菲涅尔反射OTDR使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成。OTDR就测量回到OTDR端口的一部分散射光。这些背向散射信号就表明了由光纤而导致的衰减(损耗/距离)程度。形成的轨迹是一条向下的曲线,它说明了背向散射的功率不断减小,这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗。给定了光纤参数后,瑞利散射的功率就可以标明出来,如果波长已知,它就与信号的脉冲条光纤中的个别点而引起的,这些点是由造成反向系数改变的因素组成,例如玻璃与

7、空气的间隙。在这些点上,会有很强的背向散射光被反射回来。因此,OTDR就是利用菲涅尔反射的信息来定位连接点,光纤终端或断点。2.4󰀁基本术语(1)背向散射(Backscattering)(图2.2)光信号在延光纤进行传送的过程中会受到瑞利散射的作用产生衰减,这种瑞利散射是由于光纤芯子中反射折射率的微小不同引起的,散射会作用于整根光纤,瑞利散射将光信号散射向四面八方,我们将其中沿原路散射回OTDR的散射称为背向散射。OT󰀁DR正是利用其接收到的背向散射光强度的变化来宽度成比例:脉冲宽度越长,背向散射功率就越强。衡量被测光纤上事件损耗的大小;OTDR不仅能对各瑞利散

8、射的功率还与发射信号的波长有关,波长较短事件点上的反向光信号进行测量,同时也可以对光纤则功率较强。另一方面,菲涅尔反射是离散的反射,它是由整本身的反向光信号进行测量。因此我们可以在OT󰀁DR上观察到光纤沿线各点上的曲线状态。图2.2󰀁(2)非反射事件(Non-reflectevent)光纤中的熔接头或微曲都会引起背向散射产生损耗,但它不会引起反射。在背向散射曲线上反映为突然下降的台阶,损耗大小由背向电平值的改变量决定。(3)反射事件(Reflectevent)光纤链路中的活动连接器、机械接头和光纤中的断裂引起背向散射的同时产生损耗和反射。在背向散射曲线上反映为反

9、射峰,损耗大小同样由背向电平值的改变量决定,反射值(通常以回波损耗的形式表示)是由背向散射上的反射峰的幅度所决定的。(4)光纤末端(Endofopticalfiber)光纤末端通常有两种情况:󰀁如果光纤末端是平整的端面或在尾端接有活动连接器(平整、抛光),在光纤末端就会存在反射率为4%的菲涅耳反射。󰀁如果光纤末端是破裂的端面,由于不规则的端面会使光信号漫射而不会引起反射,在这种情况下,光纤末端曲线从背向散射电平降到OTDR噪声电平。虽然破裂端面也有可能会引起反射,但反射峰值没有第一种情况那么大。2.5󰀁性能参数描述(1)动态范围(图2.3)图2.

10、3󰀁初始背向散射电平与噪声电平的dB差值定义为OTDR的动态范围,动态范围的大小决定了OT󰀁DR可测光纤的最大长度及可见的特征点。动态范第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁史彬哲:浅谈光纤通信中的测试仪表OTDR围有两种表示方式:󰀁峰值:动态范围取噪声电平的峰值。󰀁SNR=1:动态范围取噪声电平的均方根值。󰀁+2.0dB󰀁󰀂(2)盲区由

11、于近端菲涅尔反射回的光功率较大时,光监测器测到的电流也增大,过大的电流导致信号处理器的三极管等放大元件由线性区进入饱和区,而放大元件在饱和区将不能正常工作,同时它们从饱和区恢复到线性区也要一段时间,所以在这段时间内OTDR将不能进行光功率检测,在示波器上显示为一尖峰,它所对应的长度称为盲区󰀁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形背向散射上0.5dB点之间的距离。󰀁事件盲区:从反射峰的起始点到接收器从饱和峰值恢复1.5dB之间的距离。59OTDR测量范围是指OTDR获取数据抽样的最大距离,此参数的选择决定了取样分辨率的大小。最佳测量范围为待测光纤长

12、度1.52倍距离之间。(5)平均时间TOTDR向被测光纤反复发送光脉冲,将每次扫描的曲线进行统计平均后得到最终测试曲线,这样接收器的随机噪声就会随平均时间的加长得到抑制,平均时间越长,平均次数越多,信噪比越高,就越接近实际结果。例如,3min的获得取将比1min的获得取提高0.8dB的动态。但超过10min的获得取时间对信噪比的改善并不大。一般平均时间不超过3min。(6)接续阈值此值规定接续损耗的阈值,有损耗相等或大于此阈值损耗容限的接续则显示于屏幕上,建议采用0.05dB适宜。3.2󰀁光纤特性测试1)衰减系数aa=(10/L)󰀁log(Pin/Pout)=A

13、累积/L(dB/km)A累积为光纤累积损耗3󰀁OTDR使用方法3.1󰀁测试参数设置(1)波长选择󰀁一般情况下,在1310nm波长上,光纤最大衰减因不同的波长对应不同的光纤特性(包括衰减、系数为0.36dB/km,在12851330nm波长范围内,微弯等),测试波长一般遵循与系统传输通道波长相任一波长上光纤的衰减系数与1310nm波长上衰减对应的原则选择1310nm或1550nm,若系统采用1310nm波长,测试用1550nm波长则所测损耗值偏小。但对于光纤接续损耗的测试,由于光纤微弯等对于1550nm波长影响更大,因此采用1550nm进行测试,更

14、能反映光纤接续质量。(2)折射率IORIOR=c/v其中,c=真空中的光速=3󰀁108米/秒;v=给定媒介中的光速。折射率由光缆生产厂家给定。计算故障或事件点在光纤上的位置L=vT/2或L=cT/(2󰀁IOR),L=到故障或事件点的距离;T=反射脉冲在双路由上的总时延。在日常测试中,折射率一般在1.47左右,折射率越大,光纤测试长度越短;反之,折射率越小,光纤测试长度越长。(3)脉冲宽度(PulseWidth)脉冲宽度越大,发射功率更大,OTDR动态范围更大,测试距离更长,但OTDR曲线波形的盲区增大,分辨率更差,抽样点间的距离增大。脉冲宽度越小,发射功率越小,

15、OTDR动态范围减小,测试距离减短,但有更好的分辨率。系数相比,其差值不超过0.03dB/km;在1550nm波长上,光纤最大衰减系数为0.22dB/km,在14801580nm波长范围内,任一波长上光纤的衰减系数与1550nm波长上衰减系数相比,其差值不超过0.05dB/km。当用OTDR测试衰减系数时,从光纤两端测得的衰减值之差不超过0.03dB/km。检测光纤时,在1310nm和1550nm处500m光纤的衰减值应不大于(amean+0.1)/2,amean是光纤的平均衰减系数。2)累积损耗(图3.1)测试方法为两点近似法。3.3󰀁接续损耗(图3.2)测试方法为五点法。3

16、.4󰀁连接器损耗及回波损耗(图3.3)倒三角处不选点(共五点),测试为连接器损耗值倒三角处选一点(共六点),测试为连接器回损值4󰀁OTDR测试经验技巧4.1󰀁光纤质量的简单判别正常情况下,OTDR测试的光纤曲线主体(单盘或几盘光缆)斜率基本一致,若某一段斜率较大,则表󰀁󰀁60󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁ϗ

17、041;󰀁󰀁󰀁甘󰀁肃󰀁科󰀁技󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第21卷伏较大,弯曲或呈弧状,则表明光纤质量严重劣化,不符合通信要求。图3.1󰀁图3.2󰀁󰀁󰀁4.2󰀁波长的

18、选择和单双向测试1550波长测试距离更远,1550nm比1310nm光纤对弯曲更敏感,1550nm比1310nm单位长度衰减更小、1310nm比1550nm测的熔接或连接器损耗更高。在实际的光缆维护工作中一般对两种波长都进行测试、比较。对于正增益现象和超过距离线路均须进行双向测试分析计算,才能获得良好的测试结论。在OTDR曲线上的尖峰有时是由于离入射端较近且强的反射引起的回音,这种尖峰被称之为鬼影。识别鬼影:曲线上鬼影处未引起明显损耗;沿曲线鬼影与始端的距离是强反射事件与始端距离的倍数,成对称状。消除鬼影:选择短脉冲宽度、在强反射前端(如OTDR输出端)中增加衰减。若引起鬼影的事件位于光纤终结,可󰀁打小弯󰀁以衰减反射回始端的光或涂抹黄油。4.6󰀁正增益现象处理在OTDR曲线上可能会产生正增益现象。正增益是由于在熔接点之后的光纤比熔接点之前的光纤产生更多的后向散光而形成的。事实上,光纤在这一熔