实验二十八、光时域反射实验（OTDR ）
一、实验目的
1、光时域反射仪的原理和使用操作。
2、掌握OTDR 的实验系统中光路、电路的调节方法。
3、光纤传输长度的测量。
二、实验原理
光时域反射仪OTDR 工作原理图如图1。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。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。
通过分析衰减曲线，可以知道光纤对光信号的衰减程度，光纤中的联结点、耦合点和断点的位置，以及光纤弯曲和受压过大的情况也可以容易测到(如图2所示)。
图1 OTDR 工作原理图
图2 OTDR 测量图像 对于菲涅耳反射光，设入射光功率为fin P ，反射光功率为fre P ，则由菲涅耳公式可得：
2
22112
211fin fre cos n cos n cos n cos n P P ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-=θθθθ （24.1）
上式中21θθ、分别为入射角和折射角，其反射率（用dB 表示）
为：
⎥⎥
⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⋅==2
22112211fin fre
f f cos n cos n cos n cos n P P 10l
g R 10lg dB R θθθθ)()( （24.2）
至于瑞利散射，它是由介质材料的随机分子结构相联系的本征介质常数分布的微观不均匀性所引起的电磁波的散射损耗。在微观分子尺度上来看，当电磁波沿介质传播时，可以从单个分子产生散射，这种散射使波的传播受到阻碍，从而使速度减慢，产生相位滞后。偏离出原来波的传播方向的散射光有随机的相位，这些随机相位的散射子波大部分能相互抵消，而沿传播方向的散射光则相干叠加继续向前传
播，其速度为/c 或c/n 。与此同时，尚有少量由分子散射的不相干光没有完全抵消，这些子波逸出传输光束从而形成瑞利散射损耗，其中部分散射功率朝反向传播，此后向散射光功率即为OTDR 的物理基础。
当激光不断射入光纤中时，光纤本身会不断产生反向的瑞利散射，通过测量分析瑞利散射光的功率，可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线。
入射光功率为0P ，频率为ν。当光纤中l 处的反向散射光传播到光纤初始端时的功率为s P ，光纤l 处的损耗为)(l α，则有：
)(l 2P P ln dz d 0s α=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ （24.3） 由上式知一根好的光纤的OTDR 曲线应该趋于一条斜率不变的直线。根据上式，光纤中1l 和2l 之间的平均衰减系数为：
⎪⎪⎭⎫
⎝⎛=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=211202011212P P ln 2l 1P P ln P P ln 2l 1
α (24.4) 上式的量纲为1/km ，将其化为dB/km 后，衰减系数公式变为：
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=211212P P lg 2l 10α （24.5） 利用OTDR 进行光纤线路的测试，一般有三种方式：自动方式、手动方式、实时方式。当需要概览整条线路的状况是，采用自动方式，它只需要设置折射率、波长最基本的参数，其它由仪表在测试中自动设定，按下自动测试键，整条曲线和事件表都会被显示，测试时间短、速度快、操作简单，宜在查找故障的段落和部位时使用。手动方式需要对几个主要的参数全部进行设置，主要用于对测试曲线上的时间进行详细分析，一般通过变换、移动游标、放大曲线的某一段落等功能对事件进行准确定位，提高测试的分辨率。增加测试的精度，在光纤线路的实际测试中常被采用。实时方式是对曲线不断的扫描刷新，可以对光纤网路进行实时监测。
OTDR 可测试的主要参数有：（1）纤长和事件点的位置；（2）光纤的衰减和衰减分布情况；（3）光纤的接头损耗；（4）光纤全回损的测量。光纤距离的测量是以激光进入光纤到它遇到故障点返回光时域反射仪的时间间隔来计量纤长的。为了提高测量的精确度，应根据被测纤的长度设置合适的“距离范围”和“脉冲宽度”，距离一般选被测纤长的1.5倍，使曲线占满屏的2/3为宜。脉冲宽度直接影响着OTDR 的动态范围，随着被测光纤长度的增加，脉冲宽度也应逐渐加大，脉冲越大，功率越大，可测的距离越长，但分辨率变低。脉宽越窄，分辨率越高，测量也就越精确。一般根据所测纤长选择一个适当大小的脉冲宽度，经常是测试两次后，确定一个最佳值。
图8
光纤的衰减是客观的反映光纤制作质量的一个参数，是光纤固有的损耗，它代表着光在光纤中传输光功率损耗的情况，相同长度的光纤衰减越小，光可传输的距离就越远。衰减还包括光纤接头、连接器、光纤弯曲度断裂等引起的损耗。
衰减测试有两点法和五点法，前者适合于图线的线性较好，噪声较小的情况，在测量整条光纤或某两点间的衰减值时一般也采用此方式。后者适用于光纤的一致性较差，噪声较大的情况，测接头损耗，连接器等反射引起的损耗也常用此方法，其测量精度较高。
三、实验设备
示波器，激光器驱动调制电路，带准直的半导体激光器，多模光纤，耦合透镜，光电接收器，光纤耦
合系统，偏振分束镜，光学调节支架若干
四、实验内容与步骤
光路的登高、准直、共轴的调节
1. 电路调整
调整激光器的驱动电流I 使得I th 2. 测量未知光纤的长度
五、实验数据及处理
附页：
计算未知光纤的长度：
由输入尖脉冲的波形分析可知：n 1=1.4682
①光纤前后端面反射脉冲的时间差t c =7.88us 则光纤长度m 6743.8051.4682
2107.88s /m 103n 2Ct L -6
81c =⨯⨯⨯⨯== 六、误差分析
测量过程中，对于结果影响最重要的参数是探测信号的脉宽。对于脉宽较窄的探测信号，它引起的菲涅尔反射较小，输出能量较少，因此能够更加精确的测量出光纤的故障点。其缺点是，能量如果太小，在一定的衰减情况下，很容易彻底消失，所以其适用于短光纤。如果光纤过长，短脉宽信号将引起很大误差。常脉宽信号则正好相反，优点在于能量比较大，能够传输的距离就相对远很多。但是 由于脉宽较大，也将会引起较大的菲涅尔反射，导致定位的不精确。实际操作中，应该根据具体需要，选择适当的脉宽。
实验中可能引起误差的机制还有以下几个：
1. 仪器固有的误差。这是在仪器设计和制作的过程中所固有的，一旦仪器确定，就无法再改变。
