第二章 研究背景
2.4 OTDR 原理
光時域反射儀(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)顧名思義是以時 間定義域來量測光纖傳輸狀態之儀器。利用的技術是藉由雷射二極體發光元件 產 生 的 週 期 性 脈 波 入 射 至 待 測 光 纖 ， 光 脈 衝 在 光 纖 中 產 生 的 背 向 散 射 光
(Backscattering)，產生回返信號，藉由回返信號之時間決定光纖發生事件或故障
的位置。
背向散射光就是光脈衝在光纖中行進時會有一些光向後反射，而折回到光 纖輸入端的光。發生背向散射光的原因是光纖之雷利散射(Rayleigh scattering)和
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弗瑞奈反射(Fresnel reflections)所造成的。雷利散射的發生是由於光纖內的密度 及組成不均勻所產生折射率的微小變動，造成散射現象(大約有 0.0001%沿脈衝 相反的方向被散射回來)；而弗瑞奈反射是由於在連接點、接續及光纖端面的折 射率改變所造成的(許正榮，2007)。
2.4.1 雷利散射損失(Rayleigh scattering loss)
光纖製造過程中分子在玻璃熔解狀態下隨機移動，熱提供了分子運動所需
2.4.2 光纖線路上之佛瑞奈反射(Fresnel reflections)
當光從一種折射率的介質傳輸至另一折射率的材質時，有一部分光經常返 回原介質，這種反射稱為佛瑞奈反射(Fresnel reflections)。如光纖裂痕、連接器 斷裂，造成一邊為光纖折射率 n1，一邊為空氣折射率 n2，兩者折射率不同，產
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其中 Pr 為反射功率、Pi 入射功率。大多數情況下在光纖內光傳播路 n1 與 n2 均相差甚小，其不連續所引起之反射功率甚不顯著，所以在光纖發生反射型 事件會出現佛瑞奈反射(Fresnel reflections) (王萬易，1996；吳彥然，2006)。
2.4.3 OTDR 量測原理
OTDR 量測原理如圖 2. 5 所示，主要由光源、分光器、檢光器及顯示器所 組成(Derickson，1998)。其操作原理是利用訊號處理單元(Signal Processing Unit) 觸發一個短且高功率的光脈衝經由分光器耦合到光纖，光脈衝在光纖中行進時 會有部份的光向後散射而折回，這折回的散射光會經由分光器而被反射到檢光 器，經由檢光器轉為電訊號並將其放大輸出，再由類比數位轉換器(Analog Digital
Converter)經過訊號處理單元處理過後做為顯示器的垂直輸入端。因為到達檢光
器的光功率相當微弱，所以 OTDR 必須作重複的量測以達精確的數值，因此我 們可以將螢幕顯示的測量值加以平均處理，以改善SNR值(許正榮，2007)。
2.4.4 OTDR 的軌跡圖
當偵測光纖時光脈衝沿著光纖傳播，儀器接收到背向散射脈衝的結果造成 OTDR 的軌跡顯示在螢幕上並且提供有關被偵測光纖的訊息，橫軸座標相當於 偵測光纖的位置，縱軸為光功率(dB)，如圖 2. 6是典型的 OTDR軌跡(Derickson，
1998)。由OTDR 軌跡依據光功率大小可以知道光纖沿線上所有事件的發生以及
對應的位置。在一條 OTDR 的軌跡上面可以有很多事件出現，每一個事件都有
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它的意義。
OTDR 軌跡由四大部分組成，第一部份是丁狀突起，由光纖最前端接頭因 為折射率不同產生弗瑞奈反射的現象，一般發生在光纖接頭、接頭對接處、光 纖出現裂縫和光纖尾端；第二部份是下降的斜直線，在軌跡中直線隨著距離而 衰減代表每公里光纖的衰減(dB/km)為雷利散射現象產生，一般發生在光纖線 內；第三部份是階梯形的下降，光纖熔接處因為光能量的損失而造成曲線的突 然下降，一般出現在熔接點、光纖受壓變形或彎曲處，這是因為光反射離開纖 心造成光損耗；第四部份是雜訊層，光纖的尾端沒有光訊號可以被偵測，曲線 將下降到雜訊層。
光纖熔接處和彎曲稱為非反射事件因為他們是內部損耗不是反射訊號。接 頭、機械熔接和缺陷都有微小缺口，空氣與玻璃接處產生折射率不同而造成弗 瑞奈反射稱為反射事件。比較大的反射發生在光纖終端，光纖終端的反射的強 度依照光纖尾端表面的狀況而定，有 4%的光功率可以被反射回 OTDR。 (Sterling，1993；崔志龍，2003；吳彥然，2006)。
2.4.5 回返信號之產生與距離之關係
週期光脈波進入光纖後，因為雷利散射和弗瑞奈反射而造成背向回返信號
經2.4.3 所述各項步驟處理後表達於顯示螢幕上，OTDR的螢幕顯示縱軸為光功
率值與橫軸為距離之對應關係。信號往返之時間 t 與距離 D 之關係(王萬易，
1996；張安華，2005；許正榮，2007)
32 (Dynamic Range)和測量範圍(Measurement Range)、盲區(Dead Zone)、空間解析
度(Spatial Resolution)等重要參數需要被瞭解，以下將針對這幾種參數各做介紹
(吳彥然，2006)。