CN105634588B - 基于相位共轭双子波的相干光时域反射仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相位共轭双子波的相干光时域反射仪，包括激光器、1*2光耦合器、声光调制器、光环形器、OTDR数据处理模块、偏振复用调制器、偏振复用相干检测器；偏振复用调制器将两路相位共轭的COTDR探测电信号分别调制到探测光脉冲上，再对两路调制后的两路正交的已调光信息进行偏振合束形成在光纤上传输的探测光信号；偏振复用相干检测器将来自于检测光输入端的光信号分解为两路正交信号后，分别与来自于本振光输入端的本振光混频进行相干检测，最后相干检测后的两路光信号叠加后输出。本发提高了相干光时域反射仪COTDR的动态范围，适用于长距离光纤传输的线路检测。

Description

基于相位共轭双子波的相干光时域反射仪

技术领域

本发明涉及光纤传感技术，特别涉及光检测技术。

背景技术

光时域反射仪OTDR是一种光纤检测仪器，主要用于光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。光时域反射仪OTDR探测光脉冲在光纤中传输时产生的瑞利散射和在光纤断裂处的菲涅尔反射，其中，背向散射光经散射及反射后返回发射端，从而被OTDR捕获。传统OTDR使用的探测脉冲一般为具有一定宽度的单脉冲，检测方式采用非相干的检测，一般用于短距离通信线路的测试。但是，在数千甚至上万公里的远程通信线路中，通常会使用如掺饵光纤放大器EDFA等光放大器对信号光进行功率放大，同时，也会产生比较强的自发辐射放大ASE噪声，直接探测使得ASE噪声功率与背向瑞利散射信号功率无法得以区分，造成系统测量的信噪比大大降低，从而导致了OTDR动态范围的大幅降低，严重限制了OTDR所能测量的距离。

不同于布里渊和拉曼散射，瑞利散射是一种弹性散射，其背向散射信号的频率和前向的探测信号相同，因此，检测方式可以采用相干检测，即使用相干光时域反射仪COTDR。COTDR将微弱的瑞利散射信号从较强的自发散射噪声中提取出来，提高OTDR的动态范围，使探测距离大大延长，为OTDR的远距离测试提供了可能。与传统直接探测的OTDR不同，COTDR中激光器不仅需要产生探测整条光纤的探测光信号，而且需要产生本地的参考光，即本振光，从而进行相干检测。

如图1所示，COTDR包括激光器、1*2光耦合器、声光调制器、2*1光耦合器、光环形器、平衡探测器、OTDR数据处理模块；

激光器的输出端与1*2光耦合器的输入端相连，1*2光耦合器的一个输出端与声光调制器的载波信号输入端相连，1*2光耦合器的另一个输出端与2*1光耦合器的一个输入端相连，声光调制器的调制信号输入端接收射频信号，声光调制器的已调信号输出端与光环形器的第1端口相连，光环形器的第2端口与被测光纤相连，光环形器的第3端口与2*1光耦合器的另一个输入端相连，2*1光耦合器的输出端与平衡探测器的输入端相连，平衡探测器的输出端与OTDR数据处理模块相连。

激光器产生的激光经1*2光耦合器分为两部分，其中一部分经声光调制器后作为探测光信号经光环形器耦合进光纤，另一部分作为本振光使用，从而实现相干检测。探测光信号在光纤中传输，瑞利背向散射光经散射及反射后返回发射端，经光环形器后与本振光经相干探测后，瑞利背向散射光与本振光进行拍频从而形成倍频、和频以及差频信号输入至平衡探测器，其中外差中频信号被平衡探测器响应，在OTDR数据处理模块中通过带通滤波滤除噪声，经模数转换和数字信号处理后显示出被测光纤的测量结果。

在图1所示的外差式相干检测系统中，声光调制器的作用是使得探测信号光相对于本振光有一个频移，平衡探测器输出的信号为探测信号光和本振光拍频后形成的中频信号，该中频信号的变化规律与探测信号光相同，所以可以通过解调该中频信号的功率从而得到背向瑞利散射光的功率。

由于中频信号的频率为探测信号光相对本振光的频移再加上激光器的线宽，所以，为了通过相干从而得到比较稳定的中频信号频率，需要激光器的线宽尽可能的窄，这样在进行带通滤波的时候，就能够尽可能保证中频信号的中心频率与带通滤波器的中心频率一致，从而最大程度的滤除噪声，保留有用信号。

当COTDR对长距离链路进行检测时，为了尽可能获得高的动态范围从而提高探测距离，常用的方法是增加探测光脉冲的光功率，但是当高功率的探测光脉冲经过系统中EDFA放大后，功率将会变得更大，此时，高功率的探测光脉冲在单模光纤中会引起光纤非线性效应，如自相位调制、交叉相位调制、四波混频以及受激拉曼散射和受激布里渊散射。这些非线性效应的存在导致了脉冲的变形，更重要的是传输信号频率的改变。由于利用相干探测的目的就是为了使探测光和参考光产生稳定的中频信号，通过对该中频信号进行带通滤波降低噪声，从而提高探测灵敏度。当探测光的频率发生变化，将导致它与参考光的外差中频发生改变，一旦外差中频信号落在系统的带通滤波器带宽以外，信号的功率将会丢失，使得探测曲线斜率增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种削弱甚至消除探测光在高速率，高功率的光纤链路传输中所受到的非线性影响的相干光时域反射仪COTDR。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于相位共轭双子波的相干光时域反射仪，包括激光器、1*2光耦合器、声光调制器、光环形器、OTDR数据处理模块；其特征在于，还包括：偏振复用调制器、偏振复用相干检测器；

激光器的输出端与1*2光耦合器的输入端相连，1*2光耦合器的一个输出端与声光调制器的载波信号输入端相连，1*2光耦合器的另一个输出端与偏振复用相干检测器的一个本振光输入端相连，声光调制器的已调信号输出端与偏振复用调制器的输入端相连，偏振复用调制器的输出端与光环形器的第1端口相连，光环形器的第2端口与被测光纤相连，光环形器的第3端口与偏振复用相干检测器的检测光输入端相连，偏振复用相干检测器的输出端与OTDR数据处理模块相连；

所述声光调制器用于，相对于激光器输出激光产生频移生成探测光脉冲；

所述偏振复用调制器用于，将两路相位共轭的COTDR探测电信号分别调制到探测光脉冲上，再对两路调制后的两路正交的已调光信息进行偏振合束形成在光纤上传输的探测光信号；

所述偏振复用相干检测器用于，将来自于检测光输入端的光信号分解为两路正交信号后，分别与来自于本振光输入端的本振光混频进行相干检测，最后相干检测后的两路光信号叠加后输出。

本发明提出的是一种新颖的相位共轭双子波PCTWs技术，是基于对马纳科夫方程Manakovequation的分析：

其中，z为传输距离变量和t为时间变量，_i是虚数单位，α和_g分别是光纤损耗系数和放大器增益系数函数，β₂为群速度色散函数，γ为非线性的克尔系数函数，E_x,y为偏振矢量，E_x和E_y分别为两个偏振方向上的电场分量。表示对z求偏导，表示对t求2阶段偏导；

基于马纳科夫方程，根据微扰理论在频域展开一阶微扰，在累积色散关于链路中心对称的条件下，发明人最终得到两个共轭子波非线性损伤的反相关性：

δE_y(L,t)＝-[δE_x(L,t)]^*

其中，*代表共轭，δE_y(L,t)和[δE_x(L,t)]^*分别代表两个偏振方向上的非线性失真。

由上式子看出，两个共轭双子波的一阶非线性损伤大小相等、符号相反。因此，在接收端把两个偏振方向的信号相干叠加后就可以消除一阶非线性效应的影响，从而提高系统对光纤非线性的容忍性。

因此，本发明的相干光时域反射仪在发射端的偏振复用调制器将两路相位共轭的COTDR探测电信号分别调制到探测光脉冲上，再对两路调制后的两路正交的已调光信息进行偏振合束形成在光纤上传输的探测光信号，该探测光信号为一对相位相互共轭的双子波PCTWs，探测光信号在非线性介质中传输形成背向瑞利散射光，然后在接收端的偏振复用相干检测器再把接收到的背向瑞利散射光相干叠加实现非线性的消除。

另外，本发明相干光时域反射仪发射基于的共轭双子波的方法与传统的相位共轭方法不同，传统的相位共轭是一种中间链路光相位共轭ML-PC法。本发明相位共轭的探测信号光是从光源处发射出，再按照原路径反射回光源处的光。ML-PC通过对传输链路中间的光信号电场进行相位共轭补偿信号失真，需要在传输链路中间插入一个特殊的相位共轭器，现实中实用率很低，这将增加技术层面的难度同时显著降低了光网络的灵活性。

本发明的有益效果是，提高了相干光时域反射仪COTDR的动态范围，适用于长距离光纤传输的线路检测。

附图说明

图1现有COTDR示意图；

图2本发明基于PCTWs的COTDR示意图；

图3运用PCTWs技术后的探测光信号示意图。

具体实施方式

图2所示为本发明提出的采用PCTWs技术的COTDR，包括基于相位共轭双子波的相干光时域反射仪，包括激光器、1*2光耦合器、声光调制器、光环形器、OTDR数据处理模块；其特征在于，还包括：偏振复用调制器、偏振复用相干检测器；

1*2光耦合器、偏振复用调制器、声光调制器为接收端部件；偏振复用相干检测器、OTDR数据处理模块为接收端部件；

激光器的输出端与1*2光耦合器的输入端相连，此处1*2光耦合器的分光率为90:10，1*2光耦合器的一个输出端(90)与声光调制器的载波信号输入端相连，1*2光耦合器的另一个输出端(10)与偏振复用相干检测器的一个本振光输入端相连，声光调制器的已调信号输出端与偏振复用调制器的输入端相连，偏振复用调制器的输出端与光环形器的第1端口相连，光环形器的第2端口与被测光纤相连，光环形器的第3端口与偏振复用相干检测器的检测光输入端相连，偏振复用相干检测器的输出端与OTDR数据处理模块相连。

激光器发出的激光分为两束，一路用于发送端的生成探测光信号，一路作为接收端的本振光。

激光器生成的一束激光输入至声光调制器的载波输入端，声光调制器的调制信号输入端接收射频信号，通过声光调制器内部的电声换能器，在介质内产生布拉格光栅，从而使输入光脉冲产生频移，产生频移的光脉冲即为本发明所需的探测光脉冲；

偏振复用调制器用于，将两路相位共轭的COTDR探测电信号分别调制到探测光脉冲上，再对两路调制后的两路正交的已调光信息进行偏振合束形成在光纤上传输的探测光信号；

偏振复用调制器包括偏振分束器、2个光调制器以及偏振合束器，偏振分束器的输入端与声光调制器的输出端相连，偏振分束器的两个输出端分别与2个光调制器的载波输入端相连，2个光调制器的调制信号输出端与偏振合束器的输入端相连；偏振分束器将输入的1路探测光脉冲分束为2路偏振态正交的光脉冲，2路偏振态正交的光脉冲输入至2个光调制器的载波输入端，再将探测电信号E以及其相位共轭信号E^*分别输入至2个光调制器的调制信号输入端，2个光调制器的已调信号输出经偏振合束器后，得到最终在链路上传输的探测光信号的形态如图3所示：

探测光信号在光纤传输过程中，因为瑞利散射形成背向瑞利散射光回到COTDR，经过光环形器输入至偏振复用相干检测器，由于背向散射信光的偏振态不会改变，所以在偏振复用相干检测器将输入的光信号先分解成两个正交信号,再让两个正交信号分别与本振光混频进行相干检测，最后再将检测后的两路信号叠加后输出至OTDR数据处理模块，从而抑制了在长距离传输中由于高功率光探测脉冲所带来的非线性效应，提取出了背向散射信号的功率，提高了COTDR系统的信噪比，从而得到比较高的动态范围和灵敏度。

Claims (1)

1.基于相位共轭双子波的相干光时域反射仪，包括激光器、1*2光耦合器、声光调制器、光环形器、OTDR数据处理模块；其特征在于，还包括：偏振复用调制器、偏振复用相干检测器；

激光器的输出端与1*2光耦合器的输入端相连，1*2光耦合器的一个输出端与声光调制器的载波信号输入端相连，1*2光耦合器的另一个输出端与偏振复用相干检测器的一个本振光输入端相连，声光调制器的已调信号输出端与偏振复用调制器的输入端相连，偏振复用调制器的输出端与光环形器的第1端口相连，光环形器的第2端口与被测光纤相连，光环形器的第3端口与偏振复用相干检测器的检测光输入端相连，偏振复用相干检测器的输出端与OTDR数据处理模块相连；

偏振复用调制器包括偏振分束器、2个光调制器以及偏振合束器，偏振分束器的输入端与声光调制器的输出端相连，偏振分束器的两个输出端分别与2个光调制器的载波输入端相连，2个光调制器的调制信号输出端与偏振合束器的输入端相连；偏振合束器的输出端与光环形器的第1端口相连；

所述声光调制器用于，相对于激光器输出激光产生频移生成探测光脉冲；

所述偏振复用调制器用于，将两路相位共轭的COTDR探测电信号分别调制到探测光脉冲上，再对两路调制后的两路正交的已调光信息进行偏振合束形成在光纤上传输的探测光信号；

所述偏振复用相干检测器用于，将来自于检测光输入端的光信号分解为两路正交信号后，分别与来自于本振光输入端的本振光混频进行相干检测，最后相干检测后的两路光信号叠加后输出。