实验名称：自构建光纤链路的otdr测试实验 实验日期：指导老师： 林远芳学生姓名：同组学生姓名： 成绩：
一、实验目的和要求二、实验内容和原理三、主要仪器设备四、实验结果记录与分析
五、数据记录和处理 六、结果与分析 七、讨论、心得
一、实验目的和要求
1. 了解瑞利散射及菲涅尔反射的概念及特点；
2. 熟练掌握裸纤端面切割、清洁、连接对准方法及熔接技术；
3. 熟悉光时域反射仪（optical time domain reflectometer，以下简称 otdr）的工作原理、操作方法和使用要点，能利用 otdr 测试、判断和分析光纤链路中的事件点位置及其产生原因，提高工程应用能力。
二、实验内容和原理
1.otdr 测试基本理论
散射：光遇到微小粒子或不均匀结构时发生的一种光学现象，此时光传输不再具有良好的方向性。
瑞利散射：当光在光纤中传播时，由于光纤的基本结构不完美（光纤本身的缺陷、制作工艺和材料组分存在着分子级大小的结构上的不均匀性），一部分光纤会改变其原有传播方向而向四周散射（图 1-3-1），引起光能量损失，其强度与波长的 4 次方成反比，随着波长的增加，损耗迅速下降。
后向或背向散射：瑞利散射的方向是分布于整个立体角的，其中一部分散射光纤和原来的传播方向相反，返回到光纤的注入端，形成连续的后向散射回波。光纤中某一点的后向回波可以反映出光纤中光功率的分布情况，椐此可以测试出光纤的损耗。
菲涅尔反射：当光纤由一种媒质进入另一种媒质时会产生的一种反射，其强度与两种媒质的相对折射率的平方成正比。如图1-3-2 所示，一束能量为p0 的光，由媒质 1（折射率为nl）进入媒质 2（折射率为 n2）产生的反射信号为p1，则
n1n2p1nn21 2
衰减：指信号沿链路传输过程中损失的量度，以 db 表示。衰减是光纤中光功率减少量的一种度量， 光纤内径中的瑞利散射是引起光纤衰减的主要原因。 通常， 对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，即衰减系数来反映光纤的衰减性能的好坏。
当光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散射。这种散射向着四面八方，其中总有一部分会沿着纤轴反向传输到输入端。由于主要的散射是瑞利散射，并且瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，其光功率与该散射点的入射光功率成正比，光纤中散射光的强弱反映了光纤长度上各点衰减大小，光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过后向散射方法独立地探测出来，而不受其它点散射信号改变的影响，所以测量沿纤轴返回的后向瑞利散射光功率就可以获得光沿着光纤传输时的衰减及其它信息。
基于后向散射法设计的测量仪器称为 otdr，其突出优点在于它是一种非破坏性的单端测量方法，测量只需在光纤的一端进行。它利用激光二极管产生光脉冲，经定向耦合器注入被测光纤，然后在同一端测量沿光纤轴向向后返回的散射光功率返回信号与时间的关系，将时间值乘以光在光纤中的传播速度以计算出距离， 在屏幕上显示返回信号的相对功率与距离之间的关系曲线和测试结果。国内厂家主要是中国电子科技集团公司第四十一研究所，国外的品牌主要有安捷伦（agilent） 、安立（aitsu） 、exfo、wavetek 等。2.光纤的连接
光纤连接时的耦合损耗因素基本上可分为两大类：一类是固有的，是被连接光纤本身特性参数的差异，比如纤芯直径、模场直径、数值孔径差异、纤芯或模场的同心度偏差、纤芯椭圆度等。这些因素所引起的光纤连接损耗一般无法通过连接技术来改善；另一类是光纤连接时
光纤的端面质量、对中质量和连接质量等因素，比如光纤的端面切割质量、端面间隙、纤轴的横向错位、纤轴的角度倾斜、纤芯形变等因素。这些因素所引起的连接损耗可通过连接技术的改进而得到改善。
3. 典型事件
用 otdr 测量光纤链路可识别出由于拼接、接头、光纤破损或弯曲及链路中其他故障所造成的光衰减的位置及大小。otdr 接收和显示的不仅仅是来自各事件的信号，而且包括来自光纤本身的信号。这种来自光纤本身的信号就是后向散射。当光沿着光纤传送时会由于瑞利散射效应而衰减，这是由于光纤折射率微小变化等引起的，并且它沿着整根光纤持续发生。后向散射强度的变化决定了光纤链路沿线各事件的损耗值。
非反射事件：
光纤熔接头和微弯会导致光纤中有一些光功率损耗，但不会引起反射。在otdr 测试曲线上，这种事件会以“在后向散射电平上附加一个下降台阶”的形式表现出来，竖轴上后向散射电平值的改变量即为损耗的大小，如图 1‐3‐6所示。
反射事件：
在光纤链路中，光纤的几何缺陷、断裂面、故障点、活动连接和固定连接等都会造成折射率突变，使光在光纤中产生菲涅尔反射，称之为反射事件。反射和散射的强弱都和通过的光功率成正比，菲涅尔反射光功率远大于后向瑞利散射光功率，则在 otdr 显示的测试曲线上，对应于光纤菲涅尔反射点处有突变的峰值区（有一个急剧的上升和下降） 。如图 1‐3‐7 所示，光纤链路中的活动连接和固定连接的接头以及光纤上的裂缝都会同时引起光的反射和损耗。反射值(通常以回波损耗的形式表示）是由后向散射曲线上反射峰的幅度所决定的，竖轴上后向散射电平值的改变量即为损耗的大小。
光纤末端：如果光纤末端（尾端）是平整的端面或者在尾端接有平整、抛光了的活动连接器，则尾端会存在反射率为 4％的菲涅尔反射，意味着 otdr 测试曲线具有反射终端，如图 1‐3‐8（a）所示。如果尾端是破裂的端面或者被磨花了，则由于端面的不规则会使光纤漫射而不会引起反射，在这种情况下，光纤末端的 otdr 测试曲线会从后向反射电平简单下降到 otdr 噪声电平下，如图 1‐3‐8（b）所示。虽然破裂的尾端也可能引起反射，但其反射峰不会像平整的光纤末端或活动连接器所带来的反射峰值那么大。
4.otdr 主要性能参数
（1）动态范围
otdr 的信号是通过对数放大器处理的，测试曲线的相对后向散射功率是对数标度，读
得的是电平值， 而且是经过往返两次衰减的值。 后向散射电平初始值与噪声电平的差值 （db） 定义为动态范围。如图 1‐3‐9 所示，根据噪声电平的取法，有两种不同的动态范围表 示方式：
‐‐峰值：取噪声电平的峰值，这是一种传统的比较有意义的指标表示方式。在后向散射 电平与噪声电平相等时，后向散射信号就成了不可见信号。
‐‐信噪比 s=1：取噪声电平的均方根值。
动态范围和被测光纤的衰减决定了 otdr 实际可以测量的光纤最长距离：
d lmax
其中：d 为 otdr 的动态范围，a 为被测光纤的衰减常数。由此可以分析得知：对衰减 一定的光纤而言，otdr 的动态范围越大，则可测量的光纤长度越长，反之越短；对同一动态范围的 otdr 而言，光纤衰减越小，则可测量的光纤长度越长，反之越短。
（2）盲区
用 otdr 测试光纤时，反映不出某段范围内光纤损耗等的测量情况，称之为盲区。反射 会使 otdr 的接收器进入饱和状态，接收器从饱和状态逐渐恢复会产生一个“拖尾”。“托尾”
过后，otdr就可以对光纤的后向散射进行测量。
事件盲区：从反射峰的起始点到接收器从饱和峰值恢复到 1.5db 之间的距离。在这点上 紧接的第二个反射为可识别反射，但这时损耗和衰减仍为不可测事件。
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性后向散射上 0.5db 点之间 的距离。（贝尔实验室文件建议的指标是 0.1db，但 0.5db 是一个更常用的指标值）。三、主要仪器设备
跳纤；尾纤；裸纤；剥纤钳；笔式光纤切割刀；av33012光纤切割器；吹气球、擦镜纸、无水乙醇、脱脂棉棒、光纤接头清洁器等光纤端面处理与清洁工具；常规法兰、5db和 10db 法兰式光衰减器；使用精密 v槽实现光纤临时耦合对接的av87501 光纤对接器；av6471 光纤熔接机；具有 32db 动态范围和 0.1m测距分辨率的av6413高性能微型otdr， 具有28db动态范围和0.25m测距分辨率、 并且内置波长为650nm的肉眼可视红光出射功能的 av6416 掌上型 otdr。
四、实验结果记录与分析（以下为示例，摘自08级学生实验报告，请同学们根据实验结果自行分析）无损/2db/5db/10db -3:
185m
1.28km
图1、自构建的链路情况：法兰盘+机械连接+熔接图2、测试波形及事件表
结果分析：
此次实验得到了非常好的结果，把所有的事件都测试出来了，数值和长度都很合理。
1） 第一个35.1m的非反射损耗是意外出现的，在此后的实验结果中也都存在，因此我们判定此
卷光纤在这个地方存在损伤
2） 第一个反射事件：发生在1.31km处，即为法兰盘的连接位置，因此我们新接入的光纤长度
为1.3km，且法兰盘的连接损耗为1.122db，反射高度为38.326db。虽然标称是无损的法兰盘，其实还是存在“注意”中所说的机械压力和空气间隙的损耗
3） 第二个反射事件：发生在1.46km处，事件间隔一段150m左右的光纤，明显是机械连接的
4） 非反射事件：在1.646km处，为明显的“台阶式下降”损耗，是熔接损耗，大小为0.021db， 且与机械连接相隔的光纤长度为1.646-1.461=0.185km，也就是185m左右
5） 光纤末端：光纤总长度为2.93km，尾纤长度约为2.93-1.65=1.28km左右
五、思考题
1、动态范围和盲区的大小都与光脉冲宽度的设定值有关。当分别需要对光纤远端、靠近otdr 附近的光纤以及两个紧邻事件进行观测时，应该分别选择宽脉冲还是窄脉冲？
2、测量损耗时选择的算法（分为tpa和lsa两种，前者表示用“两点”法测量两个标记点之间的平均损耗，只有这两个标记点参与计算，后
者表示用最小二乘法计算两个标记点之间的平均损耗，是利用两个标记点间的拟合曲线来进行计算）不同，则测试值也不同。对于中间没有任何事件点的一段连续光纤来说，选择上面哪种算法所得的测试值更准确些？
3、手动测试时什么参数的设定会影响测试轨迹信噪比？如何合理设置量程、衰减和折射率？
4、实际测量时，为了避开近端盲区， 通常在 otdr 输出端引入一段 “过渡光纤”， 将 otdr光输出连接器产生的盲区控制在过渡光纤上，以此减小盲区对测量结果的影响。那么，对过渡光纤的长度是如何要求的？它与被测光纤应以何种形式连接才能消除盲区？
5、采样间隔如何影响 otdr 测试曲线？如何才能减小因采样间隔带来的距离测量误差？
6、用 otdr 从两个方向分别测试光纤上的同一接续点，结果有时会不同甚至相差很多，为什
么？如何才能得到比较真实准确的接头损耗值？
7. 提出你对实验装置及实验内容的意见及建议。篇二：8李唐军实验报告单模光纤损耗测试实验
实验八 单模光纤损耗测试实验
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。它能测试整个光纤网络链路的衰减并能提供和光纤长度有关的衰减细节；otdr还可测试光纤线路中接头损耗并可定位故障点位置；otdr这种后向散射测试具有非破坏性且只需在一端测试的优点。
一、 实验目的
（1）掌握otdr工作原理；
（2）熟悉otdr测试方法。
二、 实验内容
（1）利用otdr测量一盘光纤的衰减系数和光纤总长度；
（2）测量两盘光纤连接处的接头损耗。
三、 基本原理
otdr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重要的特性。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。
（3）衰减：链路中光信号的衰减。
（4）反射：一事件的反射大小，如活动连接器。
图1为otdr测试的一般原理。它显示了otdr测试链路上可能出现的各类事件。 衰减及其测试方法：
光纤衰减和波长密切相关。衰减系数随波长变化的函数被称之为损耗谱。人们最感兴趣的是工作波长下的衰减系数，如在=1310nm、1550nm等波长下的衰减系数。在光纤长度z1和z2之间，波长为的损耗r 可由下式定义：
r10logp1(db)p2
p1和p2分别表示传过光纤截面点z1和z2的光功率。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。
p10log1(db/km)z1z2p2p10log1(db/km)lp2 图1 用otdr测试的一般原理
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 p0 ,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：
p(z)p(0)exp[f(x)dx](1 ) 0z
式中，f(x)是光纤前向衰减系数。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：
ps(z)s(z)p(z)exp[b(x)dx] (2 ) 0z
式中，s(z)是光纤在 z点的背向散射系数 , s(z)具有方向性 ; b(x)是光纤背向 衰减系数。
将 (1 )式代入 (2 )可得：
ps(z)p(0)s(z)exp[(f(x)b(x))dx](3) 0z
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为 ps(z1)和 ps(z2),则由 (3)式得
z2ps(z1)s(z1)exp[(f(x)b(x))dx] （4） z1ps(z2)s(z2)
对上式两边去对数得：
z2
z1(f(x)b(x))dxlnps(z1)s(z)ln1（5） ps(z2)s(z2)
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f(z),b(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)p(z)1lns1 (6) z2z1ps(z2)
由于损耗为正向和反向之和 ,因此可用=1/2[f(z)+b(z)]表示 z1 点到 z2 点这段光纤的平均损耗系数 ,由 (6)式有：
1[lnps(z1)lnps(z2)] （7） 2(z2z1)
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。
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的时间差 ,利用折射率n值将这一时域信息转换成距离： zct （8） 2ng其中c为光在真空中的速度 (3×1 0 8m/s)
方向耦合器：
方向耦合器就是光分路耦合器。它把一束光分裂为两路光作不同方向的耦合。光时域反射仪能在光纤的一端进行测量，就是利用了方向耦合器来实现的。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2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。
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。
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。
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4所示的是利用格兰—汤姆生棱镜做成的方向耦合器。