高分辨率光頻域反射計的發(fā)展和應(yīng)用.doc

高分辨率光頻域反射計的發(fā)展和應(yīng)用1引言光頻域反射計(OFDR)、光時域反射計(OTDR)和光學(xué)相干域反射計(OCDR)作為精確的測量方法已被廣泛應(yīng)用于從工程學(xué)到醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域。OTDR是通過分析后向反射光的時間差和光程差之間的關(guān)系來進行測量的，它的分辨率依賴于光源的脈沖寬度。OCDR和OFDR都是通過用寬帶光源進行層析而得到非常高的分辨率的。其中，OFDR因能應(yīng)用于各種范圍的高精度測量和具有大的動態(tài)范圍而吸引了研究者的興趣。OTDR是目前較為普遍的測量方法，但由于它的分辨率依賴于光源的脈沖寬度，因此只適合于較長距離的測量，同時它的分辨率也比OFDR的差。比如，MW9076型OTDR在用于測量10 km左右的光纖時，所需要的脈沖寬度為l0 ns，空間分辨率為=0.1 m。而在2000年，KoichiroNakamura用FSF激光器作為光源，得到了分辨率為20mm、測量量程為18.5km的OFDR系統(tǒng).由此可見，OFDR技術(shù)的分辨率達到了cm量級，比OTDR的精確。因此OFDR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景相當廣闊。2基本原理OFDR系統(tǒng)(結(jié)構(gòu)見圖l)是基于光源掃頻和光外差探測等原理建立的高分辨率測量系統(tǒng)。它的分辨率和測量量程主要取決于光源的調(diào)頻調(diào)制方式和光外差探測的分辨率。下面主要介紹光源調(diào)制方式和光外差探測的原理和方法。2.1光源的調(diào)制方式OFDR系統(tǒng)的光源需要一定的頻率啁啾，但為了方便OFDR系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用，大部分實驗系統(tǒng)都是采用半導(dǎo)體激光器作為光源，然后再運用各種方法對光源進行頻域調(diào)制的。光源頻域調(diào)制結(jié)果的好壞會直接影響整個系統(tǒng)的分辨率和測量范圍，因此光源的調(diào)制是OFDR系統(tǒng)中最重要的一個環(huán)節(jié)。圖2所示為眾多方法中一種較為成功的光源調(diào)制方式，該調(diào)制方式采用聲光調(diào)制技術(shù)。光源掃頻后的輸出特性如圖3所示，其中是聲光調(diào)制的聲波頻率；為光子在腔內(nèi)的往返時間；為斜率。運用這種調(diào)制方式，能夠得到較高的分辨率和較大的測量范圍。較為常用的光源為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。Takuji Amano等采用這種光源做出了高分辨率的OFDR系統(tǒng)，他們采用的激光器的調(diào)制波長范圍為1533nm-1574nm，掃頻速率達到0.01nm/us。OFDR技術(shù)的光頻域探測也是影響整體分辨率的一個關(guān)鍵部分，其探測部分采用的是光外差探測方法。光外差探測是一種全息探測技術(shù)，具有轉(zhuǎn)換增益高、分辨率高和濾波性能好等優(yōu)點。光頻外差探測所用的探測器，只要光譜響應(yīng)和頻率響應(yīng)合適，原則上和直接探測所用的光電探測器相同。因為光頻外差探測基于兩束光波在光電探測器光敏面上的相干效應(yīng)，所以光頻外差探測也常常被稱為光波的相干探測。2.2光外檫探測如圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，光外差探測是基于邁克爾遜干涉原理的一種探測方法，光源輸出的線性調(diào)頻光束被分光鏡分為兩束光，其中一束光經(jīng)固定反射器之后，再經(jīng)分光器射向光電探測器，其頻率為，稱為參考光；另一束光經(jīng)藕合器注人光纖，再經(jīng)反射或散射返回，其頻率為，稱為信號光。信號光經(jīng)分光鏡射向光電探測器.兩束光在光敏面上發(fā)生干涉，光電探測器只響應(yīng)差頻(-)分量，亦稱為中頻。于是輸出差頻分量的光電流，經(jīng)過信號處理，便可測出中頻的值。以FSF激光器為例，根據(jù)激光器的輸出特性(見圖3)，可以知道信號光和參考光的路程差為式中，n為光纖的折射率，為聲光調(diào)制的聲波頻率，為光子在腔內(nèi)的往返時間。知道了路程差，則所要探測的距離即可得到。而該系統(tǒng)的空間分辨率為該系統(tǒng)的最大量程為式中，為光源頻率啁啾。由上式可知，當增大光源頻率調(diào)啾時，可以提高系統(tǒng)的分辨率，測量量程也將增大。正是因為這樣，OFDR技術(shù)吸引了越來越多學(xué)者的關(guān)注.3發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用OFDR主要有三種應(yīng)用：光通信網(wǎng)絡(luò)診斷、集成光路診斷和層析技術(shù).這些應(yīng)用的差別在于它們對OFDR系統(tǒng)的要求不同，而其技術(shù)差別主要在于光源部分的調(diào)制方式不同。在層析技術(shù)中應(yīng)用時，要求測量量程為幾個毫米，測量精度為幾十個微米。Gofubovic等用高速波長可調(diào)摻鎂橄欖石晶體激光器作為光源，組建了一個高分辨率的OFDR系統(tǒng)，它的分辨率為15，測量量程為毫米量級。S.H.Yun等人驗證了一種分辨率達到13.5的OFDR系統(tǒng)。為尋求OFDR系統(tǒng)的商業(yè)化，國外許多研究單位對采用半導(dǎo)體激光器作為光源的OFDR系統(tǒng)進行了研究和探討。他們嘗試用各種方法對半導(dǎo)體激光器光源進行頻域調(diào)制，以達到OFDR系統(tǒng)的要求，比如采用電流注入法、溫度調(diào)制法、腔外光柵調(diào)制法或者腔外電光相位調(diào)制法等。H.Hiratsuka等人通過用光柵調(diào)制光源，使OFDR的分辨率達到了47，測量量程達到了1mm。集成光路診斷需要比層析技術(shù)更大的測量量程。Glomhitza等用磷化錮光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)得到了分辨率為50、測量范圍為25mm的OFDR系統(tǒng)。當調(diào)制光源時，注入電流的變化、殘余振幅調(diào)制和非線性頻率調(diào)啾會使系統(tǒng)的分辨率變差。用頻率均衡器可以使頻率惆啾線性化，優(yōu)化系統(tǒng)的分辨率，使系統(tǒng)的分辨率達到1mm，并使測量量程達到lm。光通信網(wǎng)絡(luò)的診斷需要使用波長為1.3或1.55的光源，OFDR系統(tǒng)的測量量程必須大很多。Sorin等人用波長為1.32的ND:YAG激光器作為光源，得到了較長的相干長度，使測量范圍達到了50km，實驗中的分辨率達到了380m。Tsuji等人用波長為1.55的Er-Yb激光器作為光源，并使用了摻Er光纖放大器，得到了50m的分辨率，測量量程則達到了30km。隨著光源調(diào)頻技術(shù)的日益成熟，OFDR的分辨率得到了很大的提高。Y.Koshikiya等人運用SSB調(diào)制技術(shù)在量程大于5km時成功地得到cm量級的分辨率。4結(jié)束語在oFDR系統(tǒng)中，最為