测量衰减的方法与技巧

衰减是光在光纤传输过程中功率减少量的一种度量，它与光纤的波长和长度有关，并受测量条件的影响，也是决定光纤通信中继距离的一个重要因素。

在波长λ处，一段光纤上相距距离为L的两点A和B之间的衰减R（λ）定义为：

式中，P1（λ）为在波长为λ时，通过A点时的光功率；P2（λ）为在波长为λ时，通过B点时的光功率。

在鉴别光纤性能和系统设计等实际应用中，人们最感兴趣的或方便应用的却是光纤在工作波长下的衰减系数，它与长度无关，如在工作波长850nm、1310nm和1550nm等处的衰减系数。衰减系数是光纤传输系统设计中的一项重要参数，也是决定光纤性能的重要参数之一。衰减系数随波长变化的函数α（λ）被称之为衰减谱，能直观且形象地反映出在一定波长范围内整个光纤长度上的衰减信息。

对于均匀光纤来说，单位长度的衰减，即衰减系数定义如下：

式中，L为光纤长度（km）。

α（λ）值与光纤长度L无关，这样使用起来就方便得多了。

通常所说的衰减系数仅是一个平均值，因为光纤结构或材料的纵向均匀度决定了衰减的大小，均匀度差将增大光纤衰减的不均匀性，也将无法用衰减系数对一定长度的损耗作精确评价。另外，衰减系数与被测光纤注入的模功率是否近似稳态分布有关，特别是多模光纤。

实验表明，如果将一段足够长的光纤或几段光纤连接起来时，即可达稳态模分布。一般有三种主要方法：

（1）对接一段合适长度（500～1000m）相同结构的光纤。

（2）使用带透镜的光学装置。

（3）滤模法。单模光纤可以通过把光纤绕成小环，做成滤模器，用来消除高次模；多模光纤则可以采用突变—渐变—突变光纤的顺序排列插入光源与被测光纤之间。

根据理论，可用以下三种方法来测量衰减。

1）截断法

截断法通常被当作衰减的基准测试法。图9.2.1展示了测量原理。在不改变注入条件下，分别测出通过光纤两个点的光功率P1（λ）和P2（λ），再按定义计算出光纤的衰减系数α（λ）。P2（λ）是长光纤末端测得的输出光功率；P1（λ）为截断光纤后留下2m短光纤末端测得的输出光功率，也被认为是长光纤的输入光功率。

截断法不可能获得整个光纤长度上的衰减变化情况，在变化条件下也很难测出光纤衰减变化。截断法的优点是测量精度高，可在一个或多个波长上进行，或者在某一波长范围内测量衰减谱特性，适用测量衰减或衰减谱。其缺点是在某些情况下是破坏性的，而且测量时间长。

图9.2.1　截断法测试光纤衰减装置原理图

图9.2.1测量衰减所用光源可以用LED或LD，如果需要使谱宽变窄，则使用滤光器，光功率计作检测器。用白光光源（如卤钨灯）和单色仪组成波长可变的光源，可以组成衰减谱测量系统，如图9.2.2所示。

图9.2.2　截断法测量光纤衰减谱原理图

2）后向散射法

后向散射测试法是目前光纤衰减测试最为普遍应用的方法，它与切断法和插入法有本质上的不同。切断法和插入法基本是按照衰减的定义进行的，而后向散射法则是通过光纤中的后向散射光信号来提取光纤的衰减信息，是一种间接测量衰减的方法。普遍使用的检测仪器就是人们非常熟悉的光时域反射仪（OTDR）。

后向散射法是基于光纤中双向后向散射光信号来提取光纤衰减或衰减系数、光纤长度、衰减均匀性、点不连续性、光学连续性、物理缺陷和接头损耗等信息。其测量原理是将大功率的窄脉冲注入被测光纤，然后在同一端检测光纤后向返回的散射光功率。由于主要的散射作用是瑞利散射，瑞利散射光的特征是它的波长与入射光波的波长相同，它的光功率与该点的入射光功率成正比，所以测量沿光纤返回的后向瑞利散射光功率就可以获得光沿光纤传输的衰减及其他信息。

入射到光纤的光信号在传播时被吸收和散射而被衰减，其中有一部分散射光会返回到入射端，通过分析返回的散射光强度及其返回入射端的时间可以算出光纤衰减。

假设入射光功率为P（0），以群速Vg在光纤中传播，其传送的光功率的变化由式（9.2.3）确定：

在光纤z至z＋dz的很小区间里产生的总散射光功率为：

式中：dPS——散射光功率；

αR——散射衰减系数。

假设返回到入射端的散射光的散射系数为S，通常称它为背向散射系数。在z处的背向散射光功率：

考虑到光由z处返回到入射端时的衰减，则可用下式表示在入射端检测到的z处来的散射光功率：

式中，dPd（z）为从z处返回到入射端的散射光功率。

将式（9.2.5）代入上式，可得：

光在光纤中的传输速度Vg与真空中的光速c和纤芯的有效折射率ηg之间的关系为Vg＝c／ng。在光信号到达z处再经散射返回到人射端时所需要的时间t＝2v／Vg，由式（9.2.7）可知经时间t后在入射端测出的光功率P（t）＝dPd（z），则可计算出光纤的衰减：

式中，T为入射光脉冲信号宽。

脉冲信号宽度对应的距离为d（z）＝VgT／2。

通常，后向散射的光脉冲信号小，且与噪声相当。为改善信噪比和测量动态范围，检测器的输出电功率经放大或均衡后被输出。另外，通过调节脉冲宽度来平衡分辨率与动态范围之间的关系，这也是后向散封法采用的光时域反射仪（Optical Time Domain Reflector meter，OTDR）构成原理，如图9.2.3所示。

图9.2.4所示为OTDR测试典型曲线示意图。图上的衰减曲线虽然反映的是衰减与长度的关系，但利用后向散射法测得的单向后向散射衰减曲线，还可以监测到许多现象，分别见图9.2.4中曲线的①至⑥段。曲线的斜率即为相应区间的衰减系数，台阶和不连续点为光纤缺陷，其相应位置为对应的横坐标长度。被测光纤的长度可由光纤输出端的反射信号确定，此信号很强，是因为它由反射信号造成，而不是光纤中微弱的反向散射信号造成。

图9.2.3　OTDR原理示意图

图9.2.4　OTDR测试曲线示意图

图9.2.4中曲线1①—⑥段表示的含义如下：

①表示在光纤输入端由光分路器耦合器产生的反射；

②是散射斜率恒定区，其斜率即为该区间的衰减系数；

③由于局部缺陷、连接或耦合造成的不连续性；(www.xing528.com)

④由光纤缺陷、二次反射余波等引起的反射；

⑤光纤输出端的信号反射；

⑥在光纤输出端的波动，例如室外光干扰信号以及衰减随温度的变化因素等造成。

因为后向散射法是一种非破坏性测试方法，所以这种方法被广泛应用在光纤光缆研究、生产、质量控制、工程施工、验收试验和安装维护时对光纤衰减和长度的测量。

虽然现在技术先进的OTDR测试已经做到非常的智能化，在实验室里能够很快判别出所需要的参量，但是在一些施工现场和工地并不一定有先进的仪表使用，需要有一定的基础知识和能力来判断曲线所表达的意思，并需要掌握解决问题的技能。

（1）光纤长度的测量

如何利用OTDR曲线测量光纤或光缆的长度？在如图9.2.5所示的曲线中，将光标置于试样末端反射脉冲上升边缘的一点或最低点（图中③），确定Z2；将同一光标或另一光标置于试样始端反射脉冲上升边缘的一点或最低点（图中①），确定Z0（如试样前无光纤段则Z0为零）。如果不易确定Z0的位置，可在起始处对光纤进行弯曲并改变弯曲半径，或适当加力以帮助光标定位；对Z2的定位如有困难，可切割试样的末端，使光纤端面产生强反射。Z2－Z0的距离即为区间光纤的长度。

有时在OTDR测试时，曲线图上既无始端反射峰，又无终端反射峰，或仅有一端存在反射峰，这时长度的测量定位应该选平滑直线的两端突变处。出现这种现象是因为端面处理太整齐，光脉冲几乎100%进入始端或射出终端，没有产生反射，这样可以通过端面“污染”发现。

如果从一端根本看不到曲线，而从另一端看得到，说明光纤芯断，而且断点有可能就在附件几米处，导致从始端看不到曲线。

图9.2.5　利用OTDR测量长度和衰减

（2）衰减和衰减系数的测定

如图9.2.5所示，将光标置于试样始端反射脉冲上升边缘的一点，确定Z0（如试样前无光纤或光缆段，则Z0为零）。将光标置于曲线平滑线段的始端（紧挨近端，图中②），确定Z1，P1；将同一光标或另一光标置于试样末端反射脉冲上升边缘的一点（图中③），确定Z2，P2。如果因不连续性极小而不易确定Z0的位置，可在该处对光纤进行弯曲，改变弯曲半径或施加力量以帮助光标定位；对于Z2的定位，可切割试样的末端，使光纤端面产生强反射。Z1和Z2之间，也就是②，③点相对应的P1，P2差值即为该区间衰减值：

该区间的衰减系数：

线路总的衰减：

通常，OTDR能直接给出A值和α值，该数据可以用两点法给出，也可以用最小二乘法（LSA）拟合曲线给出。LSA法得出的结果可能与两点法得出的结果不同，但LSA法的重复性更好。

（3）点不连续的测量

点不连续是连续的OTDR信号在朝上或朝下方向的暂时或永久性的局部偏移，偏移特征能够随试验条件（例如OTDR信号脉宽、波长和方向）变化。

点不连续的持续时间约为脉冲宽度。为了确定点不连续（而不是衰减不均匀性）的存在，应采用两种不同的脉宽观察有疑问的区域，如果损耗或增益的形状随脉宽而变，则该异常情况是点不连续，否则要按照测量光纤或光缆衰减的程序进行衰减不均匀性测量。

如图9.2.6所示，将光标置于不连续点处功率开始上升或下降的始端来确定点不连续的位置。一般仪器要求一对光标置于不连续点处的两侧，将两根最佳拟合直线（每一根分别由两点法或最小二乘法得到）外推到不连续点处的位置。两直线在不连续点处的垂直距离为点不连续的视在损耗或增益。

出现这种情况，应进行双向测量，将双向测量取得的数值进行平均（这样可消除视在增益），得出点不连续损耗。在实践中，光纤出厂都应该进行双向测量。在光缆制造和使用过程中，如果碰到的光纤两端均匀性好，可以进行单向测量；如果出现负值或单向衰减非常大，而曲线又显得非常平滑，这时通过双向测量得到的平均值即为真实的、精确的衰减值或衰减系数。

图9.2.6　OTDR不连续点曲线示意图

由于信号与取样脉冲之间具有时间相关性，而噪声则是随机性的，因此经过一定时间的统计平均后，噪声的平均值会越来越小，从而可使信噪比得到改善。统计平均的时间越长，信噪比改善就越大，所以OTDR是以花费统计平均时间来换取信噪比的改善。

（4）光纤测试量程、脉冲宽度选择

有时新人在OTDR测试时会遇到量程设置的问题。当光纤长度不好判断时，往往把量程设定短了，导致衰减或衰减系数大到明显不合理的程度，或者OTDR曲线上无尾端反射峰，这时基本可以判断测试区域的量程设置不合理。

OTDR的量程是指OTDR的横坐标能达到的最大距离。测试时应根据被测光纤的长度选择量程，量程是被测光纤长度的2倍以上比较好。量程选择过小时，光时域反射仪的显示屏上看不全面；量程选择过大时，光时域反射仪的显示屏上横坐标压缩看不清楚，根据实际经验，测试量程选择能使背向散射曲线大约占到OTDR显示屏的70%时，不管是长度测试还是损耗测试都能得到比较好的直视效果和准确的测试结果。合理选择OTDR的量程可以得到良好的测试效果。

设置的光脉冲宽度过大会产生较强的菲涅尔反射，会使盲区加大。较窄的测试光脉冲虽然有较小的盲区，但是测试光脉冲过窄时光功率肯定过弱，相应的背向散射信号也弱，背向散射信号曲线会起伏不平，测试误差大。设置的光脉冲宽度既要能保证没有过强的盲区效应，又要能保证背向散射信号曲线有足够的分辨率，能看清光纤沿线上每一点的情况。

一般是根据被测光纤长度，先选择一个适当的测试脉宽，预测试一两次后，从中确定一个最佳值。被测光纤的距离较短（小于5km）时，盲区可以在10 m以下；被测光纤的距离较长（小于50km）时，盲区可以在200m以下；被测光纤的距离很长时，盲区可高达2000m以上。在单盘测试时，恰当选择光脉冲宽度（50nm）可以使盲区在10m以下。通过双向测试或多次测试取平均值，盲区产生的影响会更小。

（5）盲区

由活动连接器和机械接头等特征点产生反射（菲涅尔反射）后，引起OTDR接收端饱和而带来的一系列“盲点”称为盲区。

·衰减盲区。衰减盲区是菲涅尔（Fresnel）反射之后，OTDR能在其中精确测量连续事件损耗的最小距离。所需的最小距离是从发生反射事件时开始，直到反射降低到光纤的背向散射级别的0.5dB。

·事件盲区。事件盲区是菲涅尔反射后OTDR可在其中检测到另一个事件的最小距离。换而言之，是两个反射事件之间所需的最小光纤长度。为了建立规格，业界最通用的方法是测量反射峰的每一侧－1.5dB处之间的距离。

一般来说，OTDR与待测光纤间的连接器引起的盲区最大。在光纤实际测量中，在OTDR与待测光纤间加接一段过渡光纤，使前端盲区落在过渡光纤内，而待测光纤始端落在OTDR曲线的线性稳定区（图9.2.7）。

图9.2.7　OTDR盲区内反射峰示意图

盲区内的缺陷点会影响熔接损耗和熔接质量。

（6）常见异常曲线分析

·光纤连接OTDR后接不上，无曲线。清洁过渡尾纤及被测光纤并重新切割端面，如果还是没反应，更换连接另一端面，碰触或弯折末端光纤，如果反射峰无变化，则可能是该端几米或几十米有断纤（断芯），可去除一段后重新测试。

·OTDR曲线无反射峰，衰减正常，无法确认光纤长度，重新切割端面或清洁末端面。

·OTDR曲线成弧形，衰减明显偏大或偏小，无反射峰，检查并确认测试量程是否满足被测光纤长度2倍。

·OTDR曲线上出现台阶，如果1550nm有台阶，1310nm没有台阶，或1310nm与1550nm台阶数值相差较远，为排线原因，可通过复绕消除；若两个波长的台阶值接近，则需分切去除该台阶点；如果1310nm有台阶，而1550nm没有，且台阶的线为斜线，需去除。

·OTDR曲线呈波纹状，可改变测试脉宽，通过双端测试进行确认。

·OTDR曲线上有尖峰出现，原因1：光纤预制棒本身质量原因（如小裂纹、气泡或杂质等）。原因2：由于离入射端较近且强的反射引起的回音，这种尖峰被称之为“鬼影”。判断真假尖峰，曲线上鬼影处未引起明显损耗；沿曲线鬼影与始端的距离是强反射事件与始端距离的倍数，成对称状。通过改变光纤测试量程、脉宽、重新做端面，如果尖峰消失则为“鬼影”。

3）插入损耗法

插入损耗法测量原理类似于截断法。只不过插入损耗法用带活接头的连接软线代替短光纤进行参考测量，计算在预先相互连接的注入系统和接收系统之间（参考条件因插入被测光纤引起的功率衰减。因此，功率P1、P2的测量没有截断法那么直接，而且由于光源和光纤间的连接衰减计入光纤总衰减中给测量带来了误差，所以插入损耗法不适用于工厂来测量光纤和光缆的制造长度的衰减，并且要用某种方法将连接衰减校正，以便获得准确的光纤衰减。

图9.2.8给出了这样的一个测量系统。首先，测量光源的输出功率P1。此值定为光纤入射功率。然后，将要测量的光纤置于测量系统中。调节图9.2.8中光源和光纤间的接头S1，使光纤的光输出功率变得最大，并测量输出光功率P2。用式（9.2.1）计算出衰减。

插入损耗法的缺点是测量精度低于截断法，但是它具有非破坏性、不需剪断被测光纤、被测光纤两端各带一个连接器以及操作简单等优点。插入损耗法测量可在一个或多个波长上进行，而衰减谱的测量则是在一个波长范围内进行的。

图9.2.8　插入法测量衰减得设备示意图