光时域反射仪 Optical time-domain reflectometers

2022-11-03 11:39:35 浏览:251

定义

用于测量光纤中空间分辨反射率和损耗的仪器。

光时域反射仪是测量光纤中空间分辨反射率和损耗的仪器。 它们主要用于光纤通信技术,以测试光纤链路(例如在有线电视、LAN、城域网或长途互联网骨干网中)的分布式传播损耗、局部损耗(例如由于光组件或光纤熔接不良)。 下一节将介绍的测量方法称为光学时域反射法。 首字母缩略词 OTDR 用于仪器和方法。

请注意,网络功能也可以在更高级别进行测试,例如使用误码率测试仪(BERT)。 但是,在该级别上发现的问题不一定容易追踪;OTDR可用于在基本的物理层面上分析网络,它们通常也极大地帮助定位问题。

OTDR的工作原理

光学时域反射计的工作原理很容易理解。 该仪器发射短激光脉冲,例如脉冲持续时间约为数十纳秒,峰值功率为几百毫瓦,这可以通过单模半导体激光管获得。 这些脉冲通过发射电缆注入被测光纤,或者经常注入光纤链路,其中可能包含其他组件,如光纤熔接和光纤连接器、光学滤波器、光纤放大器、法拉第隔离器、光功率监视器和电信接收器的光电探测器。 任何反射光都用定向光纤耦合器提取并发送到快速灵敏的光电探测器。 这允许对反射光功率进行时间分辨测量,从而测量回波损耗。

光纤中的瑞利反向散射对OTDR系统的功能起着至关重要的作用。

至关重要的是,不仅要有局部反射,例如来自机械接头或连接器中的微小气隙,还要有由于光纤中的瑞利散射引起的分布式反射,这是由光纤中的微观波动引起的;由于玻璃的非晶结构,这些在某种程度上是不可避免的。 一小部分散射光被光纤向后引导,因此可以在输入端检测到。

在最简单的情况下,如果一个人有一根没有任何缺陷的长均匀光纤,一个人将有一个反射功率,随着时间的推移不断降低,因为在以后的时间测量的贡献来自光纤中更远的点,并且由于两个方向的传播损耗,这些点较弱。 图1显示了一根10公里长的光纤在测试波长下传播损耗为1 dB/m的仿真示例:

图1:计算出来自 10 km 长光纤的 OTDR 信号,在测试波长处的传播损耗为 1 dB/m。假设测试脉冲长度为10 ns。

仿真,信号在光纤结束的地方突然结束;实际上,人们可能经常对菲涅耳反射有一个高峰。

OTDR仪器通常会显示这样的曲线,但比例不同。 它使用空间轴代替时间轴,简单地将到达时间转换为位置,使用光纤中光群速度的已知值。

从得到的曲线的斜率中,可以很容易地得出光纤中的传播损耗系数。

例如,如果光纤包含机械熔接,其中发生了一定量的额外损耗,则获得的OTDR迹线将呈现一个步骤,如图2所示:

图2:与以前相同的光纤的 OTDR 迹线,但在 4 公里后故障接头损失为 3 dB。

请注意,阶跃的大小是熔接损耗的两倍,因为从接头后面的位置散射的光将经历持续两次 - 在向前和向后通过时。

在某些情况下,当还获得额外的反射。 例如,如果机械接头具有显着的气隙,则可以获得大量的菲涅耳反射。 准确地说,它们是气玻璃界面上的菲涅耳反射,如果气隙的宽度可以忽略不计,它们通过破坏性干涉相互抵消,但如果间隙变大,则不会更多。 在OTDR迹线中,这种反射将显示为峰值。

因此,使用光时域反射仪可以进行什么样的测量是显而易见的:

  • 可以测量光纤在测试波长处的传播损耗。 还可以检查损耗系数是否沿光纤恒定,或者由于弯曲损耗或不同纤维的串联而局部变化。
  • 可以定位和量化额外的局部损耗,例如由于光纤跳线的熔接或光纤连接器故障。 此外,如果光纤断裂,它仍可能传输一些光,但传输损耗很大。 此外,还可以测量光纤耦合器的特性和法拉第隔离器等组件的插入损耗。光纤放大器,即使在未泵浦状态下,通常也可以看到,因为在常见的准三电平激光增益介质中重吸收。
  • 如果光纤链路损坏,例如在建筑工程中,人们也可以快速找到问题。

为了使这些结果具有相关性,通常会选择测试脉冲的波长在也用于信号传输的范围内。 对于电信系统,波长可以处于不同的范围内,例如大约 850 nm、1.3 μm 或 1.55 μm。 然而,可以通过选择更短的波长来实现更好的测量灵敏度,其中瑞利反向散射相应地更强。 在某些情况下,这可能很有用,例如用于精确定位某些光纤故障。 一种可能性是执行略微超出电信信号波长范围的OTDR测量,以便于在信号传输期间进行测量。 请注意,测试波长也应位于任何光纤放大器增益的波长区域之外,因为这显然会影响测量。

多次反射导致信号更难解释!

在某些情况下,必须考虑到可能发生多次反射 - 例如,如果光纤包含两个具有大量反射率的不同点。 因此,OTDR迹线更难解释,因为失去了时间和空间之间的简单映射。

对于快速故障排除,OTDR 可能是必不可少的。

OTDR 测量对于识别问题特别有用。 例如,如果光纤链路的误码率太高,则可能有很多原因。 随后检查所有连接器可能相当繁琐,并且检查接头特别麻烦。 单个 OTDR 迹线可以立即揭示问题,即使它距离仪器数公里。

所需的检测灵敏度、动态范围和带宽

挑战在于同时具有更高带宽、高灵敏度和大动态范围的检测。

在我们的单模光纤示例中,反射信号从≈-60 dB的水平开始,表明只有大约百万分之一的注入脉冲能量从光纤的初始部分返回(其长度由脉冲持续时间决定)。 这表明使用的光电探测器需要具有高灵敏度。

此外,反射计的检测器需要具有较大的动态范围,即它必须能够检测宽功率水平范围内的信号。 实现的动态范围基本上限制了测量距离的最大可能范围。 电信领域的典型动态范围值约为 35 至 50 dB。

探测器还必须具有高带宽,因为这限制了可能的空间分辨率。 例如,为了分辨来自10厘米距离内两个离散点的反射,需要分辨时间距离为≈2 · 10 cm / 2 · 108 m/s = 1 ns 。 使用的脉冲持续时间显然也应该比这短。 然而,在实践中,人们经常使用持续时间为数十甚至数百纳秒的更长的脉冲来限制采集时间。

请注意,提高时态分辨率有两个负面影响:

  • 需要使用较短的测试脉冲,因此携带较少的光能量(假设峰值功率恒定)。
  • 由于所需的检测带宽较高,检测器噪声通常会更高。

因此,很难获得高时间分辨率 - 特别是对于需要检测非常微弱信号的长光纤。

从多模光纤可以获得更强的信号——这既是因为反向散射光的捕获率更高,也是因为通常更高的数值孔径有利于散射。 这种纤维的传播损耗通常要高得多,但通常也使用较短长度的纤维。 总体而言,OTDR方法通常更容易实现。 但是,单模长距离光纤链路也需要它。

所需的灵敏度和时间分辨率组合通常无法通过单个脉冲实现,但在一次测试中,可以平均许多脉冲的测量结果,具有足够低的脉冲重复率(低于整个光纤长度的反向往返时间)。 空间测量范围越长,所需的灵敏度就越高,最大允许脉冲重复率越低。 因此,随着空间范围的增加,所需的总测量时间将大大增加。 在某些情况下,需要数分钟的采集时间。 有时可能会牺牲空间分辨率(通过使用更长、因此更有能量的测试脉冲)来缩短采集时间。 显然,测量范围、空间分辨率和采集时间的最佳权衡取决于具体情况。

原则上可以使用光电倍增管进行脉冲检测,因为光电倍增管提供了高灵敏度和高带宽的组合。 然而,光电阴极需要对相关波长敏感,并且在1.5μm电信波长区域可实现的量子效率相当差。 此外,光电倍增管体积相对较大,需要非常高的工作电压。 由于这些原因,人们通常更喜欢使用雪崩光电二极管。

通常,随时间变化的检测器输出将连接到反射仪内的模数转换器(例如.part采样卡的模数转换器),该转换器根据所需的空间分辨率以一定的采样率对值进行数字化。 然后可以使用微处理器进行所需数量的采集,并提供平均OTDR迹线。 可以使用合适的软件应用其他数据处理。

还要应用屏蔽技术来提高信号质量。 例如,人们可以在预期有强信号的时候停用光电探测器,以便更准确地测量它后面的东西。

死区问题

光纤系统中的孤立反射点可能会在探测器信号中产生强烈的尖峰,远远高于瑞利散射的背景水平。 这通常会在此类事件发生后直接导致检测系统出现一些死区时间:然后探测器需要一些时间才能恢复到其完全灵敏度。 在空间域中,死区时间与死区有关。

盲区由仪器制造商量化。 引用的值在很大程度上取决于所做的假设。 例如,可以测试具有相同强度的两个孤立反射点之间的最小距离,从而可以单独检测这些反射点;这会导致事件死区。 但是,请注意,在单次孤立反射后,由于瑞利散射,检测低反向散射功率更具挑战性,因为探测器必须恢复到其全部灵敏度。 因此,对于同一仪器,这方面的盲区(衰减盲区)可能要长得多。

当然,盲区的大小可能取决于仪器设置,例如使用的脉冲持续时间。

OTDR 仪器的类型

虽然光时域反射仪都基于相同的工作原理,但反射仪有不同的变体,针对不同的应用领域进行了优化:

  • 有高性能的实验室仪器,为各种测试条件提供最长的测量范围、高空间分辨率和极大的灵活性。 具有相当大的彩色显示屏和方便的控件,它们也是最好使用的。 它们可以包含许多用于数据分析的有用功能,如下所述。 不幸的是,这种灵活的高性能设备有其价格。
  • 为了在现场使用,有手持式反射计,它们相对较轻且由电池供电。 但是,它们可能具有较低的性能,并且较小的显示屏(例如5英寸对角线,可能是触摸屏)可能会使它们的使用不太方便。 存储 OTDR 迹线的内存空间也可能更有限。 SD存储卡在这方面很常见。
  • 有远程OTDR设备,可以永久安装到光纤链路中,并通过以太网连接将数据传输到中央位置,以监控更大的系统。 它们可以定期操作以监控系统状态,或者在出现传输问题时按需运行。

也有混合的解决方案。 例如,实验室或手持式仪器也可能具有远程使用的功能,这些功能在某些情况下非常有用。

简单的入门级 OTDR 仪器可能只显示记录的 OTDR 迹线或其可变部分。 更先进的设备提供额外的操作。 一些例子:

  • 该器件可以根据 OTDR 走线的斜率计算光纤的空间分辨损耗效率。
  • 它可以计算局部损耗和反射,并在图形中以数字方式指示它们。
  • 通过比较两种不同波长的迹线,它可以识别弯曲的部分,因为弯曲损耗(与其他典型损耗相比)通常随着波长的增加而大幅上升。
  • 可以输入某些规范,例如对分布式和局部传播损耗的限制,合适的软件可以检查是否满足所有这些规范,并指出任何违规行为。 例如,即使整体链路丢失是可以容忍的,也可以识别单个质量较差的接头。
  • 可以删除来自多个反射的伪影。
  • 手持设备可以具有与个人计算机的WiFi或蓝牙连接,例如用于传输用于远程控制的痕迹。
  • 软件还可以生成链接的整体性能评级,以便快速评估其质量。
  • 设备可以提供不同光学波长的测试;这对于测试波分复用(WDM)系统至关重要。

显然,这种仪器的选择应由在该领域具有丰富经验的人员完成,了解性能要求以及哪些仪器功能对目的特别有用。 请注意,不同应用领域之间的所需性能可能会有很大差异,例如电信系统类型:光纤到户、有线电视、局域网、城域网或长途互联网骨干网。

一些器件主要用于定位故障,然后可能属于更简单的类型,例如仅显示故障位置而不是完整的OTDR迹线。

OTDR 数据格式

OTDR 数据格式有几种不同的突出特点,有助于组合来自不同供应商的设备。 例如,远程 OTDR 仪器可以提供这种标准化的 OTDR 迹线,然后可以使用其他供应商的软件对其进行处理。 OTDR 文件通常包含一长串整数值,例如以 1/1000 dB 为单位的对数值,此外还有一个指示范围和分辨率等参数的标头。 例如,可以使用专门的后处理软件来分析个人计算机上的OTDR迹线。

双向测试

在某些情况下,有必要在两个方向上测试光纤链路。 例如,可以对链路的每一端应用一次相同的 OTDR 仪器。 这可能导致不同的结果,特别是在多模系统中,两个方向的耦合损耗不一定相同。 当然,包含法拉第隔离器的系统只能在一个方向上进行测试,除非隔离度很差。

有时,从一端同时测试两根光纤,在另一端连接光纤是有意义的。 虽然两端可能仍然需要技术人员,但可以避免运输 OTDR 仪器(或使用其中两个)。

替代方法

瑞利反向散射和额外反射的空间分辨测量也可以通过其他方法实现。 特别是,可以使用光学相干断层扫描,这也可以称为低相干反射计。 该技术特别适用于具有非常高空间分辨率的非常短长度的测量,甚至远远优于1毫米。 例如,它可用于研究光子集成电路,这些集成电路对于OTDR的应用来说太小了。 使用的光源通常是超发光二极管。

参考文献

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光学测量

作          者: 泮桥成像光电商城

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