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光回损(ORL)和背向反射测试指导

发布时间:2020-09-17人气:140

简介

光回波损耗(ORL)或背反射可能会影响具有以下一项或多项特性的光纤系统:

•激光发射器。

•模拟传输。

•链接中的许多连接器。

 

什么是背向反射或回波损耗?

 

它是在光路中特定点上相对于前向功率反射回来的功率的百分比。

光学回波损耗仪和后向反射仪进行相同的测量。

 

光学回波损耗和背向反射之间有区别吗?

从科学上讲,光学回波损耗(ORL)是反射率的倒数,并且具有相反的符号,例如, -50dB的反射率就是50dB的回波损耗。但是,这些术语和相关术语的通用用法存在广泛冲突,因此不幸的是,没有安全的假设来确定哪个是什么,因此最好查找上下文。

我们对回波损耗的定义是在一点(通常在ORL测试仪器上)相对于总正向功率的反射功率累计百分比。

由于沿光路在两个方向上的衰减,通常这通常不完全是所有单个反射的总和。

例如,如果沿着光纤链路的某个点的反射为-20 dB,并且该点的光纤衰减为10 dB,则由于该点而测得的回波损耗贡献将为-40 dB。(例如,背反射+ 2 x衰减)

如果损耗点与ORL测量仪之间的损耗可忽略不计,并且该损耗点是反射光的主要来源,则特定点的背反射和测得的回波损耗可能相似。

 

ORL与系统性能之间的关系

与反射相关的系统问题可能令人莫名其妙,因为损耗和功率水平检查正常,但是数据传输显示出过多的错误或降级。

反射的灵敏度通常在传输单元之间变化很大,这令人沮丧。因此,在ORL性能不佳或平均水平的情况下,只需更换设备即可解决问题。这实际上是一个真正的实用解决方案,但是可能需要记录和标记。

这也提供了一个线索:ORL和系统性能之间的关系可能很模糊。最好进行光学裕度和BER测试。

 

测量单位

按照惯例,测试仪器通常显示负的ORL号。 0 dB回波损耗意味着一个完美的反射系统。较大的负数表示反射功率很小。

理论

入射角为法线的简化反射的菲涅尔公式为(dB单位)R = 10 x log((((n1-n2/n1 + n2))2

例如

在标准温度和压力下,空气的折射率= n1 =大约1.00029

在大多数光纤中,玻璃芯的折射率= n2 =1.476

 

原因

•玻璃中的固有材料散射(称为瑞利散射)会产生少量的背反射。由于反向散射,链接将产生依赖于长度的固有反射(忽略末端反射),如下表所示。

•光线穿过的材料的折射率突然变化。这是最常见的玻璃/空气接口,在状况良好的情况下,例如未配对的PC连接器端会产生约-14.3 dB的背反射。

•一些波长选择设备反射被拒绝的波长。这可能会导致重大问题。

最常见的玻璃/空气接口是连接器端或光电设备内部。对于具有较小气隙的配对平面抛光连接器,有两个玻璃/空气界面,导致反射大约是两倍,例如大约11 dB。我们已经看到了具有高连接器密度的系统,其回波损耗约为6 dB,这足以破坏LED产生的简单1 MHz模拟信号的传输。

接合纤维的效果取决于接合方法。熔接往往会产生可忽略的反射。但是,机械拼接会导致高反射率,具体取决于所使用的精确拼接和方法。这是为什么熔接机是首选的连接方法的众多原因之一。

 

本征纤维背反射

瑞利散射引起的本征光纤背向反射大约为:

Link length

Return loss due to   Rayleigh Backscatter

1 meter

70 dB

10 meters

60 dB

100 meters

50 dB

1Km

40 dB

Infinite

32 dB

这限制了典型的回波损耗测试装置的灵敏度,具体取决于所连接光纤的长度。

例如,使用灵敏度为-70 dB的回波损耗计将要求光纤总长度小于1米,如果仪器具有“零偏移”功能,则光纤总长度应为10米。

非常敏感的测量的另一个问题是,低水平的杂散环境光可能会泄漏并产生错误的读数。

 

纤维类型的影响

传统上,单模光纤应用与ORL灵敏度问题相关联,因为它们一直使用激光器,通常具有较高的数据速率,并且可能具有更长的链路而几乎没有性能裕度。

相比之下,旧的多模应用使用LED光源(对ORL问题不敏感),较低的数据速率和通常较短的链接。但是,近年来,多模系统已经过渡到VCSEL激光器,高数据速率,并且可能在接近其长度极限的范围内工作,因此ORL成为一个问题。通常,为了降低这些激光对反射的敏感性,输出激光与光纤的耦合比保持非常低的效率,但是,ORL导致性能问题的情况仍然越来越多。

从技术上讲,两种类型光纤中反射的总体原因相似,但是连接器ORL性能却不同。

光学连接器ORL性能

单模物理接触式PC抛光(蓝色)连接器具有非常可变的光学回波性能。很大程度上由于这个原因,在许多情况下,成角度的物理接触APC抛光(绿色)连接器已成为首选。

PC连接器的性能在配对和未配对状态之间有很大差异,并且还严重依赖于少量的污垢,尽管光学损耗仍然很小,但它们可以阻止光纤的两端相互接触。良好配合时,各种质量的PC抛光连接器通常可达到-50 dB-30 dB,未配合时可达到-14.3 dB,而配合不良则可达到-11.3 dB

APC连接器的整体性能要好得多,未配合或配对的回波损耗优于-60 dB。如果配合正确,回波损耗的确会改善。

多模式连接器(米色)通常是PC抛光剂,与单模式连接器相比,ORL性能不佳。在多模式系统上很少使用APC连接器。这些连接器的问题在于物理接触区域可能无法覆盖整个连接器核心,因此良好的配对ORL性能可能约为-20 dB。未配合或配合不良的性能类似于SMF,例如-14.3-11.3 dB

请注意,连接器有多种样式。上面的数字适用于带有陶瓷密封垫圈的常见类型。根据精确的抛光程序,ORL性能可能也会降低 

系统性能影响

•由于反射在传输线周围反弹然后进入接收器,导致接收器噪声增加。

•由于反射导致激光器中产生不必要的共振,导致发射器功率和波长噪声增加。

•在典型的数字系统中,它将导致眼图关闭一点,或者可以表示为dB传输损伤。

•效果可能对偏振非常敏感。因此,为了执行适当的表征,可能需要某种偏振控制器。对于激光器不稳定的问题尤其如此。

DFB激光器特别容易受到反射的影响,并且可能需要低至-50 dBORL才能达到规格要求。由于本征链路反向散射通常高于此值,因此将隔离器放置在激光器附近或内置在激光器封装中,以减少激光器看到的反射级别。

•在许多情况下,反射是一个问题,所安装系统和发射器的限制可能会有所不同。电缆系统规格可能在-30 dB的范围内,以防止由于链路周围的信号反弹而引起的过多接收器噪声。发射器规格可能在-50 dB的范围内,以防止激光器的杂散操作。

•由材料散射引起的反射可能与由点事件引起的反射具有不同的影响。点反射将引起反射光的突然脉冲,而反向散射光是非常低的水平分布反射。因此,在某些关键应用中,可能会在具有-32 dB固有反向散射的链路中指定-60 dB的连接器反射,以减少突然脉冲反射的影响。

 

如何测试ORL

使用光学回波损耗仪(或ORL计或背反射仪或光学连续波反射仪或OCWR)测量回波损耗很方便。

有时可以使用OTDR测量各个组件的背反射,但是,其精度通常有限,并且在某些情况下,背反射可能会导致仪器输入放大器饱和,从而无法进行测量。因此回波损耗计通常用于验收工作。

某些ORL仪表可以使用自动化功能来成对工作,并在执行系统双向衰减测量的同时测量系统两端的回波损耗,从而无需花费额外精力即可实现总体分析。

更好的ORL仪表具有几个标准功能,它们都非常有用:

•将残余ORL电平“归零”的能力将线性测量范围提高了约14 dB。例如,如果测量设置的残余电平为50 dB,则如果将该50 dB残余电平“置零”,则仪表可以准确地读取到大约-60 dB 46-50 dB附近的线性度也得到改善。

•对测量应用偏移的能力。例如,由于连接等原因,测量设置的损耗为0.5 dB。这将导致读数偏移1 dB,因此用户可以应用1 dB的偏移量来进行校正。

连接器回波损耗的测量挑战通常取决于连接器端部抛光剂。性能约为-40 dBPC抛光连接器比APC连接器更容易测量,而APC连接器通常很小。

紧密的心轴(直径约5毫米的棒)可能是非常有用的ORL测试附件,用于创建临时的额外损耗/隔离,以确定反射来自何处。


背反射解决方案

为减少背反射:

•使用低反射连接器(最好是APC抛光)和低反射(融合)接头将其光源拆下。

•不要忘记接收器,它可能需要低反射检测器。

•通过安装隔离器来控制反射。

•现在有便宜的带有内置隔离器的变送器,因此使系统的其余部分不再那么重要,并且易于安装和维护。

实际回波损耗测试和问题

任何使用ORL测量仪的人都可能需要能够发现ORL问题。

•回波损耗测量往往具有较低的置信度,因此测量过程必须尽可能简单可靠,以便至少可以使用显示的数字。

•您应该知道是否要评估-20-30 dB范围内回波损耗的一般水平的链路,或隔离器和激光器之间的短链路,一般评估为-50 dB的水平。每个项目对系统的影响是完全不同的。

•您将需要了解由连接器,接头等引起的反射效果,以及由于瑞利散射引起的固有反射水平。

•您将需要知道如何隔离链接的各个部分(例如,使用心轴或其他工具弯曲损失),并创建低反射终端(折射率匹配凝胶,成角度的劈裂,压扁的末端,潮湿的手指)。这有助于进行测量,并确定哪个部分有问题。

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