OTDR的基本原理

2020-12-14 OFweek光通訊網

Jimmy Gagnon，光業務部產品專家


為了確保服務質量 (QoS)，網絡構建商、服務提供商和運營商需要精確地定位現有和潛在問題，這使得測試與測量設備至關重要。有許多測試工具可用於在網絡的不同階段，滿足不同的測試需求，比如光纖試運行。這些測試用於揭示總損耗、光回損 (ORL) 和光纖長度，可以在單根光纖上或在完整網絡上執行。此外，可能需要對組成被測鏈路的不同元素進行進一步檢查。不論是鑑定鏈路中每個元件的特性，定位光纖的潛在問題，還是查找網絡中的故障，都不可避免地要使用光時域反射儀 (OTDR) — 從光網絡試運行到故障診斷和維護，OTDR 都是理想之選。本文介紹了 OTDR 的基本原理，對於理解該儀器的規格非常重要。

 

什麼是 OTDR？

 


基礎

圖 1. OTDR 框圖

 


反射是關鍵
如前文所述，OTDR 通過讀取從所發送脈衝返回的光級別以顯示鏈路情況。請注意，有兩種類型的反射光：光纖產生的連續低級別光稱為 Rayleigh 背向散射，連接點處的高反射峰值稱為 Fresnel 反射。Rayleigh 背向散射用於作為距離的函數以計算光纖中的衰減級別（單位是 dB/km），在 OTDR 軌跡中顯示為直線斜率。該現象來源於光纖內部雜質固有的反射和吸收。當光照射到雜質上時，一些雜質顆粒將光重定向到不同的方向，同時產生了信號衰減和背向散射。波長越長，衰減越少，因此，在標準光纖上傳輸相同距離所需的功率越小。圖 2 說明了 Rayleigh 背向散射。

圖 2. Rayleigh 背向散射

 


OTDR 使用的第二種反射（Fresnel 反射）可檢測鏈路沿線的物理事件。當光到達折射率突變的位置（比如從玻璃到空氣）時，很大一部分光被反射回去，產生 Fresnel 反射，它可能比 Rayleigh 背向散射強上千倍。Fresnel 反射可通過 OTDR 軌跡的尖峰來識別。這樣的反射例子有連接器、機械接頭、光纖、光纖斷裂或打開的連接器。圖 3 說明了產生 Fresnel 反射的不同連接。

圖 3. 由 (1) 機械接頭、(2) 光纖適配器和 (3) 打開的連接產生的 Fresnel 反射

 


什麼是盲區？
Fresnel 反射引出一個重要的 OTDR 規格，即盲區。有兩類盲區：事件和衰減。兩種盲區都由 Fresnel 反射產生，用隨反射功率的不同而變化的距離（米）來表示。盲區定義為持續時間，在此期間檢測器受高強度反射光影響暫時「失明」，直到它恢復正常能夠重新讀取光信號為止，設想一下，當您夜間駕駛時與迎面而來的車相遇，您的眼睛會短期失明。在 OTDR 領域裡，時間轉換為距離，因此，反射越多，檢測器恢復正常的時間越長，導致的盲區越長。絕大多數製造商以最短的可用脈衝寬度以及單模光纖 -45 dB、多模光纖 -35 dB 反射來指定盲區。為此，閱讀規格表的腳註很重要，因為製造商使用不同的測試條件測量盲區，尤其要注意脈衝寬度和反射值。例如，單模光纖 -55 dB 反射提供的盲區規格比使用 -45 dB 得到的盲區更短，僅僅因為 -55 dB 是更低的反射，檢測器恢復更快。此外，使用不同的方法計算距離也會得到一個比實際值更短的盲區。

 

事件盲區
事件盲區是 Fresnel 反射後 OTDR 可在其中檢測到另一個事件的最小距離。換而言之，是兩個反射事件之間所需的最小光纖長度。仍然以之前提到的開車為例，當您的眼睛由於對面車的強光刺激睜不開時，過幾秒種後，您會發現路上有物體，但您不能正確識別它。轉過頭來說 OTDR，可以檢測到連續事件，但不能測量出損耗（如圖 4 所示）。OTDR 合併連續事件，並對所有合併的事件返回一個全局反射和損耗。為了建立規格，最通用的業界方法是測量反射峰的每一側 -1.5 dB 處之間的距離（見圖 5）。還可以使用另外一個方法，即測量從事件開始直到反射級別從其峰值下降到 -1.5 dB 處的距離。該方法返回一個更長的盲區，製造商較少使用。


圖 4. 合併長盲區事件


圖 5. 測量事件盲區

 

使得 OTDR 的事件盲區儘可能短是非常重要的，這樣才可以在鏈路上檢測相距很近的事件。例如，在建築物網絡中的測試要求 OTDR 的事件盲區很短，因為連接各種數據中心的光纖跳線非常短。如果盲區過長，一些連接器可能會被漏掉，技術人員無法識別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難。

 

衰減盲區
衰減盲區是 Fresnel 反射之後，OTDR 能在其中精確測量連續事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經過較長時間後，您的眼睛充分恢復，能夠識別並分析路上可能的物體的屬性。如圖 6 所示，檢測器有足夠的時間恢復，以使得其能夠檢測和測量連續事件損耗。所需的最小距離是從發生反射事件時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的 0.5 dB，如圖 7 所示。


圖 6. 衰減盲區

圖 7. 測量衰減盲區

 

盲區的重要性
短衰減盲區使得 OTDR 不僅可以檢測連續事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，現在就可以得知網絡內短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術人員清楚了解鏈路內的情況。

 

盲區也受其他因素影響：脈衝寬度。規格使用最短脈衝寬度是為了提供最短盲區。但是，盲區並不總是長度相同，隨著脈衝變寬，盲區也會拉伸。使用最長的可能的脈衝寬帶會導致特別長的盲區，然而這有不同的用途，下文會提到。

 

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