基于光時域反射儀的光纖損耗測試實驗

常葆榮，封 洋，任 亮

（1.大連理工大學 物理與光電工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

本實驗目的在于使學生加深對光纖基礎知識、光纖連接及測試理論的理解，掌握光纖的熔接技術、光時域反射儀（optical time domain reflect meter，OTDR）的操作方法和使用要點，了解菲涅爾反射和瑞利散射的原因及特點，能夠根據OTDR測試曲線得出事件點位置及其產生原因，提高工程應用能力。

1 實驗原理

光波在光纖內部傳輸的過程中，吸收損耗和散射損耗是光波能量降低的主要原因［1］。吸收損耗主要由于光纖自身材料原因及制作缺陷所致，在探測光沿光纖傳輸時，存在瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射，探測光的能量也將不斷損耗，同時在光纖中存在一種背向瑞利散射光，這都是產生散射損耗的原因［2－4］。

OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射而制成的用于光纖測試的光電一體化儀表，這種背向瑞利散射技術主要是通過測定脈沖光波在光纖中傳輸所需要的時間來對發生散射損耗部位進行定位［5－6］，它被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中，還可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。

OTDR的工作原理［7－8］類似于一個雷達。它先對光纖發出一個信號，然后觀察從某一點上返回來的信息。整個過程重復進行，并將測試結果取平均值以軌跡的形式顯示，這個軌跡就描繪了在整段光纖內信號的強弱［9］。因此，只要通過觀察示波器上的信號圖形，就能對光纖線路中的事件點進行迅速定位。

在實際測量操作中，由于光纖纖芯部位的折射率與空氣間隙部位的折射率不同，會出現很強的菲涅爾反射，主要出現在被測光纖傳輸線路中相鄰兩端光纖的連接部位、光纖線路的初始部位以及末端部位［10］。

2 實驗系統設計與實現

本實驗通過熔接和法蘭連接的方式將不同長度的光纖連接起來，并根據OTDR來測試線路的事件點位置和損耗特征。主要器材包括光纖、尾纖、剝線鉗、光纖切割器、光纖熔接機、常規法蘭及固定衰減法蘭、自主設計的實驗臺和具有0.1m測距分辨率的AE3 0 0 0型OTDR，如圖1所示。測量前對OTDR進行測試設置及門限設置，設置參數見表1。

圖1 實驗系統實物

表1 OTDR測試設置及門限設置參數

2.1 熔接

在實際工程中，光纖線路往往是通過熔接將不同長度的光纖連接在一起，熔接質量直接影響到整個線路的質量。盡管實驗中用到的熔接機具有全自動操作功能，能夠自動完成清潔、調整間隙、調芯和放電熔接等一系列操作，但為了對比熔接質量對線路中光損耗的影響，在實驗中采用手動操作方式進行熔接。

光纖端面在垂直于纖軸的情況下才能熔接，因此在熔接前需要對光纖端面進行切割。光纖端面差、纖芯軸線錯位、兩側光纖間隙大都將影響熔接效果，甚至導致熔接失敗，如圖2所示。使用剝纖鉗剝去光纖保護層后，光纖周圍殘留的涂覆材料和灰塵未能徹底清潔或切割不當將導致光纖端面差；在調節左右光纖時，操作不當會引起軸線錯位、間隙大等情況。

圖2 熔接過程中影響熔接效果的情況圖示

將2盤長度分別約為2km和1km的光纖熔接在一起。切割并清潔后，將兩段光纖纖芯微小錯位放入光纖熔接機，使得光纖熔接后產生微彎，如圖2（d）所示，經過OTDR測試得到曲線如圖3所示，圖3中事件點①處出現明顯臺階，光損耗達到0.773dB，距離為2.083km，經過判斷可知此處為光纖熔接點。測試曲線能夠直觀地觀察到熔接質量對整個鏈路中光損耗的影響。為了避免由于熔接失誤而導致實驗誤差甚至實驗失敗，在熔接過程中遇到熔接效果較差的情況時，應當重新熔接，直到熔接成功。

圖3 光纖熔接產生微彎后的OTDR測試曲線

2.2 法蘭連接

將2盤長度約為1km的光纖通過不同法蘭連接，經過OTDR測試得到的測試曲線如圖4所示。圖中的藍色、紅色曲線分別為光纖通過常規法蘭和3dB衰減法蘭連接后的測試所得曲線，兩條曲線在連接處分別產生0.580dB、3.005dB光損耗，測試結果與實驗預期相符。并且法蘭接頭處出現反射峰，這是由接頭處連接間隙發生菲尼爾反射而導致的。通過比較可知，使用衰減法蘭形成的曲線（紅色）在連接處的光損耗及反射峰均明顯大于使用常規法蘭形成的曲線（藍色）。

圖4 光纖通過法蘭連接時的OTDR測試曲線

2.3 彎折

為了控制光纖的彎折方向及彎折程度，實驗中設計了一種實驗臺，如圖5所示。該實驗臺的固定結構可以確保整個系統的穩定，并為上部系統提供一個可以沿水平方向運動的軌道，當系統左右兩部分滑動到指定位置時，可以通過圖5中2號固定螺母進行固定。兩塊鋼板通過圖5中7號夾持塊固定，調節圖5中3號水平調節螺母，在兩塊鋼板間留有一定距離，將2盤長約1km的光纖熔接，然后用膠帶將光纖粘接在實驗臺的鋼板上。

圖5 控制光纖彎折方向及彎折程度的實驗臺示意圖

調節4號水平調節螺母，使兩塊鋼板在水平方向上產生錯動，粘貼在鋼板上的光纖發生橫向彎折，如圖6（a）所示。圖7（a）為2塊鋼板縫隙為3mm、水平錯動為6mm時OTDR的測試曲線。調節圖5中5號垂直調節螺母，使2塊鋼板在豎直方向上產生錯動，粘貼在鋼板上的光纖發生縱向彎折，如圖6（b）所示。圖7（b）為兩塊鋼板縫隙為3mm、垂直錯動為3mm時OTDR的測試曲線。

圖6 光纖彎折示意圖

圖7 光纖通過彎折時的OTDR測試曲線

傳感光纖發生彎折時，光纖核心處傳輸的光信號向周圍擴散，引起背向瑞利散射導致光功率降低，從OTDR的測試曲線上可以看出，光信號在彎折點發生衰減，曲線出現明顯臺階，彎折點前后曲線斜率相同。

隨著兩塊鋼板錯動距離的不斷增大，光纖彎折程度變大，測得的光損耗也隨之增大。實驗中，在鋼板縫隙為3mm、錯動距離不同的情況下進行了多組實驗，通過OTDR得到的數據能夠描繪出鋼板錯動距離與光信號衰減大小的關系曲線如圖8所示。

圖8 光纖彎折實驗曲線

觀察實驗數據曲線可以發現：實驗測得的光損耗量都隨著鋼板錯動距離的增加而增大；兩組實驗中，縱向彎折首次測得光損耗所對應的彎折程度較低；在錯動距離相同的情況下，橫向彎折引起的光損耗量比縱向彎折引起的光損耗量低，并且變化比較緩慢；兩個方向的錯動實驗曲線在開始部分和終止部分的光損耗量變化比實驗中間部分緩慢，并且在終止部分都表現出變化變緩的趨勢。

3 實驗結果與分析

將一盤長度約為1km的光纖，一盤長度約為2 km的光纖熔接后，再通過2dB固定衰減法蘭連接一盤長度約為1km的光纖，將2km光纖中間約1km處粘貼在彎折實驗臺上，組成一個光纖線路，經過OTDR測試得到測試曲線如圖9所示。

實驗得到的測試曲線與經典曲線［11］相同。圖9中1點位置為熔接節點，2點為彎折點，兩點均發生光信號衰減，曲線出現明顯臺階；3點為法蘭連接點，測試曲線中該點處出現明顯反射峰，并且光信號在峰后出現衰減；4點處為光纖末端。由于光信號通過法蘭連接處時出現強烈的菲涅爾反射，并且后向散射衰減很大，但是在光纖末端并沒有出現明顯反射峰，而是直接降到噪聲電平，這是因為光信號通過法蘭后衰減到較低水平，OTDR將3點處（3km）法蘭連接處誤認為是光纖末端，而實際上4點處（4.5km）附近的小反射峰才是真正的末端反射峰。

圖9 兩盤1km光纖與一盤2km光纖通過熔接和2dB法蘭連接后的OTDR測試曲線

4 結束語

實驗教學是理論教學與具體實踐相結合，鞏固理論教學、培養學生綜合運用所學理論知識進行實際操作能力的重要環節［12］。本實驗基于工程實際中的常用器材，針對熔接、法蘭連接及彎折3種工程狀況通過OTDR進行了實驗，得到OTDR測試曲線，總結出3種不同工況下測試曲線的反應。通過實驗幫助學生把理論和實踐聯系起來，使學生更好地理解傳感光纖在實際應用中的工作原理。通過實驗激發學生對光纖傳感的興趣和積極性，幫助學生理解課堂所學理論知識的實際含義，提高工程應用能力。

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