光頻域反射

1、光纖通信由于其具有的傳輸頻帶寬、損耗小等特性。自20世紀(jì)70年代以來(lái)發(fā)展迅猛，我國(guó)于90年代初期進(jìn)行的大規(guī)模商用光纖通信系統(tǒng)建設(shè)。目前已成為承載巨大信息容量的光纜傳輸網(wǎng)。為保證安全全暢需要有能夠準(zhǔn)確測(cè)量光纖傳輸特性的儀器。目前使用較多的是光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)。OTDR是通過(guò)分析后向散射光的時(shí)問(wèn)差和光程差進(jìn)行檢測(cè)。探測(cè)分辨率的提高依賴于探測(cè)脈沖寬度的減小，但是，在激光功率一定的條件下。會(huì)造成探測(cè)脈沖能量的降低和噪聲電平的增加，從而引起

2、動(dòng)態(tài)范圍的減小。為了解決這個(gè)問(wèn)題。其他的時(shí)域反射方法也在不斷地研究中。如偽隨機(jī)探測(cè)信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)、互補(bǔ)格雷碼檢測(cè)等。光頻域反射計(jì)(OFDR)是20世紀(jì)90年代以來(lái)的一個(gè)新技術(shù)因能應(yīng)用于各種范圍的高精度測(cè)量和具有大的動(dòng)態(tài)范圍而吸引了研究者的興趣。1光頻域反射計(jì)測(cè)量的基本原理光頻域反射計(jì)測(cè)量的基本原理光頻域反射計(jì)結(jié)構(gòu)包括線性掃頻光源、邁克爾遜干涉儀、光電探測(cè)器和頻譜儀(或信號(hào)處理單元)等，基于光外差探測(cè)，其原理可用下圖進(jìn)行分析。以頻率為中心

3、進(jìn)行線性掃頻的連續(xù)光。經(jīng)耦合器進(jìn)入邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)分0?成兩束。一束經(jīng)反射鏡返回，其光程是固定的，稱為參考光，另一束則進(jìn)入待測(cè)光纖。由于光纖存在折射率的微觀不均勻性，會(huì)產(chǎn)生瑞利散射。其中部分后向散射光滿足光纖數(shù)值孔徑而朝注入端返回，稱為信號(hào)光。如果傳播長(zhǎng)度滿足光的相干條件，則信號(hào)光和參考光就會(huì)在光電探測(cè)器的光敏面上發(fā)生混頻。為便于分析，設(shè)單模測(cè)試光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，耦合進(jìn)入光纖x=O處光波的電場(chǎng)強(qiáng)度為，0E光功率衰減系數(shù)為，后向瑞利散射系數(shù)

4、為，傳播常數(shù)為()ax()x?，參考臂的反射系數(shù)為r，則信號(hào)光和參考光的電場(chǎng)可以0()()gttvt???????分別表示為：（1）000(0)()()exp[()]LEtExaxitxdx?????相關(guān)。很明顯，接收機(jī)帶寬越小，則辨別兩個(gè)不同頻率信號(hào)的能力越強(qiáng)，同時(shí)引入的噪聲電平也小，信噪比提高，故OFDR系統(tǒng)在得到高空間分辨率的同時(shí)也能得到很大的動(dòng)態(tài)范圍。3OFDROFDR的限制因素與發(fā)展現(xiàn)狀的限制因素與發(fā)展現(xiàn)狀3.13.1光源相位

5、噪聲和相干性的限制光源相位噪聲和相干性的限制以上分析都是假定光源是單色的，而實(shí)際的信號(hào)源都會(huì)產(chǎn)生較大的相位噪聲并通過(guò)有限的頻譜寬度表現(xiàn)出來(lái)。該相位噪聲會(huì)減小空間分辨率并縮短光纖能夠可靠測(cè)量的長(zhǎng)度，即光纖在一定長(zhǎng)度之后測(cè)量到的數(shù)據(jù)就不能準(zhǔn)確反映出散射信號(hào)的大小，從而不能正確分析光纖的傳輸特性。為便于分析相位噪聲和光源相干時(shí)間的影響，這里僅考慮兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是參考端的菲涅耳()t?c?反射信號(hào)(設(shè)其反射系數(shù)r為1)，另一個(gè)是待測(cè)光纖端面的菲

6、涅耳反射信號(hào)(其反射系數(shù)為R)，則光電探測(cè)電流式(3)可表示為，其中20()()titEREt????，光源的電場(chǎng)強(qiáng)度為，得到單邊功率譜密02gLv??00()exp[()()]EtEitt???????度為：式（5）中第一表示探測(cè)信號(hào)的直流成分；第二項(xiàng)是由探測(cè)光纖末端菲涅耳反射引起的差頻信號(hào)；第三項(xiàng)是一個(gè)類似抽樣函數(shù)式。表現(xiàn)為相位噪聲對(duì)bf稱分布在的兩側(cè)，在靠近兩側(cè)，相位噪聲引起的功率可能會(huì)超過(guò)后向散射bfbf信號(hào)值而成為探測(cè)信號(hào)中的

7、主要成分，引起測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。從而限制了光纖能可靠測(cè)量的長(zhǎng)度。3.23.2光源掃頻非線性的限制光源掃頻非線性的限制實(shí)際使用的激光器由于受到溫度變化、器件的振動(dòng)、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)等條件的影響，會(huì)引起光源諧振腔位置的變化從而影響輸出光波譜線的變化，引起掃頻的非線性，會(huì)展寬OFDR測(cè)量系統(tǒng)中差頻信號(hào)的范圍，這限制了OFDR方式的空間分辨率的大小。3.33.3光波的極化限制光波的極化限制由于OFDR方式采用的是相干檢測(cè)方案，很明顯，假如信號(hào)光和參

8、考光在光電探測(cè)器的光敏面上的極化方向是正交的，則該信號(hào)光所對(duì)應(yīng)的光纖測(cè)量點(diǎn)的信息就會(huì)丟失。因此，必須保證光波極化的穩(wěn)定性。3.43.4發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀為尋求OFDR系統(tǒng)的商業(yè)化，國(guó)外對(duì)采用半導(dǎo)體激光器作為光源的OFDR系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探討。1990年Sin等人用波長(zhǎng)為1.32的ND：YAG激光器作為m?20220002()(1)()2exp[2()]()1()sin2()1exp[2()][cos2()](5)()cicbcbbcbcb