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、υAOM是声光调制的声波频率；τRT为光子在腔内的往返时间；γ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1533nm~1574nm,扫频速率达到0.01nm/μs。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