高分辨率光频域反射计的发展和应用.docx

高分辨率光频域反射计的发展和应用狄亮 2016/7/29摘要: 光频域反射计 (OFDR)是一种高分辨率测量仪器,其动态范围大,可应用于各种范围的测量.目前,在国外,OFDR技术已被广泛应用于各个领域,而国内关于这方面的研究和文章还不多.本文介绍了OFDR的基本原理和关键技术.同时,介绍了OFDR在国外的应用和发展现状. 关键词:光频域反射计;频率凋啾;光时域反射计;声光调制Abstract: An Optical Frequency Domain Reflectometer (OFDR) is a high resolution measurement apparatus with a large dynamic range. It can be used in various areas. At present, the OFDR technology is used in a wide variety of fields at abroad and the research on this technology in our country is rarely reported. In this paper, the basic principle and key techniques of an OFDR are described and the application and development status of OFDRs at abroad are presented.Keywords: OFDR ; frequency chirp ;OTDR;AOM1引言光频域反射计(OFDR)、光时域反射计(OTDR)和光学相干域反射计(OCDR)作为精确的测量方法已被广泛应用于从工程学到医学的各个领域。OTDR是通过分析后向反射光的时间差和光程差之间的关系来进行测量的，它的分辨率依赖于光源的脉冲宽度。OCDR和OFDR都是通过用宽带光源进行层析而得到非常高的分辨率的。其中，OFDR因能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围而吸引了研究者的兴趣。OTDR是目前较为普遍的测量方法，但由于它的分辨率依赖于光源的脉冲宽度，因此只适合于较长距离的测量。同时它的分辨率也比OFDR的差。比如,MW9076型OTDR在用于测量10km左右的光纤时,所需要的脉冲宽度为100ns，空间分辨率为0.1m。而在2000年,Koichiro Nakamura用FSF激光器作为光源，得到了分辨率为20mm、测量量程为18.5km的OFDR系统.由此可见，OFDR技术的分辨率达到了cm量级,比OTDR的精确.因此OFDR技术的发展和应用前景相当广阔。2基本原理OFDR系统(结构见图1)是基于光源扫频和光外差探测等原理建立的高分辨率测量系统。它的分辨率和测量量程主要取决于光源的调频调制方式和光外差探测的分辨率下面主要介绍光源调制方式和光外差探测的原理和方法。2.1光源的调制方式OFDR系统的光源需要一定的频率啁啾。但为了方便OFDR系统的商业化应用，大部分实验系统都是采用半导体激光器作为光源，然后再运用各种方法对光源进行频域调制的。光源频域调制结果的好坏会直接影响整个系统的分辨率和测量范围。因此光源的调制是OFDR系统中最重要的一个环节。图2所示为众多方法中一种较为成功的光源调制方式,该调制方式采用声光调制技术。光源扫频后的输出特性如图3所示,其中、AOM是声光调制的声波频率；RT为光子在腔内的往返时间；为斜率。运用这种调制方式，能够得到较高的分辨率和较大的测量范围。较为常用的光源为DBR激光器(分布式布拉格反射激光器)。其中最具代表性的是SSG-DBR激光器(见图4)。Takuji Amano等采用这种光源做出了高分辨率的OFDR系统,他们采用的激光器的调制波长范围为1533nm1574nm,扫频速率达到0.01nm/s。OFDR技术的光频域探测也是影响整体分辨率的一个关键部分。其探测部分采用的是光外差探测方法。光外差探测是一种全息探测技术，具有转换增益高、分辨率高和滤波性能好等优点。光频外差探测所用的探测器，只要光谱响应和频率响应合适，原则上和直接探测所用的光电探测器相同。因为光频外差探测基于两束光波在光电探测器光敏面上的相干效应，所以光频外差探测也常常被称为光波的相干探测。3发展现状和应用OFDR主要有三种应用:光通信网络诊断、集成光路诊断和层析技术。这些应用的差别在于它们对OFDR系统的要求不同。而其技术差别主要在于光源部分的调制方式不同。在层析技术中应用时,要求测量量程为几个毫米,测量精度为几十个微米。Gofubovic等用高速波长可调掺Cr4+镁橄榄石晶体激光器作为光源，组建了一个高分辨率的OFDR系统，它的分辨率为15m，测量量程为毫米量级。为寻求OFDR系统的商业化，国外许多研究单位对采用半导体激光器作为光源的OFDR系统进行了研究和探讨。他们尝试用各种方法对半导体激光器光源进行频域调制，以达到OFDR系统的要求，比如采用电流注入法、温度调制法、腔外光栅调制法或者腔外电光相位调制法等。集成光路诊断需要比层析技术更大的测量量程。Glomhizta等用磷化铟光波导结构得到了分辨率为50m、测量范围为25mm的OFDR系统。当调制光源时,注入电流的变化、残余振幅调制和非线性频率调啾会使系统的分辨率变差。用频率均衡器可以使频率惆啾线性化，优化系统的分辨率,使系统的分辨率达到1mm,并使测量量程达到1m。光通信网络的诊断需要使用波长为1.3m或1.55m的光源，OFDR系统的测量量程必须大很多。Sorin等人用波长为1.32m的ND: YAG激光器作为光源，得到了较长的相干长度，使测量范围达到了50km,实验中的分辨率达到了380m。Tsuji等人用波长为1.55cm的Er-Yb激光器作为光源，并使用了掺Er光纤放大器，得到了50m的分辨率,测量量程则达到了30km。随着光源调频技术的日益成熟， OFDR的分辨率得到了很大的提高。Y.Koshikiya等人运用SSB调制技术在量程大于5km时成功地得到cm量级的分辨率.4.光频域反射计优点在光通信网络检测中包括了集成光路的诊断和光通信网络故障的检测等。前者一般只有厘米量级甚至毫米量级，后者的诊断一般使用波长为1.3m或 1.55m的光源，量程则达到了公里级，大的量程就需要大的动态范围和高的光源光功率。显然。OTDR分辨率与动态范围之间的矛盾不能很好地解决这个问题，而OFDR却可以满足它具有高灵敏度和高的空间分辨率优点。4.1 高的灵敏度由于参考光的光功率比较大，一般能达到几十毫瓦。而光纤的背向瑞利散射光信号的功率很小。大约只是入射光的-45dB，从而可以得出结论。OFDR探测方式的灵敏度要远高于OTDR的探测方式。也就是说，在相同动态范围的条件下，OFDR需要的光源光功率要小得多。4.2高的空间分辨率空间分辨率是指测量系统能辨别待测光纤上两个相邻测量点的能力。空间分辨率高意味着能辨别的测量点间距短，即光纤上能测量的信息点就多，更能反映整条待测光纤的特性。在OTDR系统中分辨率受探测光脉冲宽度的限制，探测光脉冲宽度窄，则分辨率高，同时光脉冲能量变小，信噪比减小。OFDR系统中的空间分辨率可以对应为辨别待测光纤两个相邻测量点所对应的中频信号的能力，而辨别中频信号的能力与系统中所使用的频谱仪的接收机带宽密切相关。很明显，接收机带宽越小，则辨别两个不同频率信号的能力越强，同时引入的噪声电平也小，信噪比提高，故OFDR系统在得到高空间分辨率的同时也能得到很大的动态范围。5.OFDR的限制因素与发展现状5.1光源相位噪声和相干性的限制 以上分析都是假定光源是单色的，而实际上的信号源都会产生较大的相位噪声并通过有限的频谱宽度表现出来。该相位噪声会减小空间分辨率并缩短光纤能够可靠测量的长度即光纤在一定长度之后测量到的数据就不能准确反映出散射信号的大小，从而不能准确分析光纤的传输特性。5.2光源扫频非线性的限制实际使用的激光器由于受到温度变化、器件的振动、电网电压的波动等条件的影响，会引起光源谐振腔位置的变化从而影响输出光波谱线的变化，引起扫频的非线性，会展宽OFDR测量系统中差频信号的范围，这限制了OFDR方式的空间分辨率的大小。5.3光波的极化限制由于OFDR方式采用的是相干检测方案，很明显，假如信号光和参考光在光电探测器的光敏面上的极化方向是正交的，则该信号光所对应的光纤测量点的信息就会丢失。因此，必须保证光波极化的稳定性6结束语在OFDR系统中，最为关键的部分是光源的线性调频和光频域探测。OFDR系统要求光源的频率以线性方式调制，光源频率的非线性会严重影响OFDR的空间分辨率。目前，OFDR系统的光频域探测大多采用的是光外差探测法。正是基于这两个关键部分，OFDR系统才有了较高的空间分辨率。光通信、层析技术和集成光学的发展，越来越需要具有高空间分辨率的测量技术。OFDR作为一种具有广泛应用前景的高空间分辨率测量技术，正越来越受到研究者的重视。虽然国内这方面的研究还很缺乏，但随着国内科学技术的发展，有关OFDR的研究必将会广泛地被引起人们的重视并得以开展。参考文献1Koichiro Nakmura, Takefumi Hara, Masato Yoshida. Optical Frequency Domain Ranging by a Frequency-Shifted Feedback LaserJ.IEEE Journal of Quan-turn,Electronics,2000,36(3).2 Takuji Amato, Hideaki Hiro-Oka, DongHak Choi. OFDR with an SSG-DBR laser J.Proc. SPIE,2004,5531:375.3 B Golubovic, B E Bouma, G J Tearney, et al. Optical frequency-domain reflectometry using rapid tuning of a Cr4+:forssterite laserJ.Opt,Lett.,1997,22:1704-1706.4 S H Yun, G J Tearney ,J F de Boer, et al. High-speed Optical