鐵咪咪，劉銘，趙靜祎，閆興

（北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

0 引言

光纖由于傳導(dǎo)損耗低、可長(zhǎng)距離信息傳遞等原因，成為現(xiàn)代通信以及信息傳遞的最佳媒介。在光纖實(shí)驗(yàn)以及工程應(yīng)用中，需要已知光纖長(zhǎng)度，所以，準(zhǔn)確的光纖長(zhǎng)度測(cè)量在大部分的光纖通信以及光纖傳感系統(tǒng)中都十分重要。光纖長(zhǎng)度測(cè)量中較重要的方法有：光時(shí)域反射法[1]、高斯光脈沖延時(shí)方法[2]、全光纖干涉法[3]、調(diào)制相移法[4]、激光相位法[5]以及鎖模法[6]等。

光時(shí)域反射法[7-8]通過(guò)被測(cè)光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)來(lái)工作；高斯光脈沖延時(shí)方法利用高斯型脈沖替代矩形脈沖，將脈沖時(shí)延測(cè)量轉(zhuǎn)換為幅度極值的測(cè)量，避免在辨別脈沖重合的過(guò)程中人為因素給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響；激光相位法是利用強(qiáng)度調(diào)制的光波在被測(cè)光纖傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的相移與被測(cè)光纖長(zhǎng)度間的比例關(guān)系進(jìn)行測(cè)量光纖長(zhǎng)度，鎖模法[6]是利用被動(dòng)鎖模光纖激光器測(cè)量光纖長(zhǎng)度。全光纖的被動(dòng)鎖模摻餌光纖激光器具有基于非線性光纖環(huán)境（NOLM）的穩(wěn)定脈沖輸出。依據(jù)脈沖輸出周期與光纖長(zhǎng)度的相關(guān)性測(cè)量光纖長(zhǎng)度。本文主要對(duì)激光相位法和鎖模法兩種測(cè)量光纖長(zhǎng)度的方法進(jìn)行比較。

1 測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.1 激光相位法測(cè)量光纖長(zhǎng)度

激光相位法[5]測(cè)量光纖長(zhǎng)度是通過(guò)測(cè)定強(qiáng)度調(diào)制光波經(jīng)過(guò)待測(cè)光纖后所產(chǎn)生的相位移大小，根據(jù)相移與光纖長(zhǎng)度的線性關(guān)系得到光纖長(zhǎng)度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。發(fā)射單元包括調(diào)制信號(hào)發(fā)生器和激光驅(qū)動(dòng)電路；回光接收單元主要是信號(hào)接收電路；鑒相單元采用模擬鑒相；數(shù)據(jù)處理單元主要有AD采集電路及控制顯示電路組成。激光經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制，強(qiáng)度調(diào)制后的光波在待測(cè)光纖中傳輸并產(chǎn)生相位延遲，通過(guò)光電探測(cè)器接收后放大，接收光信號(hào)將按照一定比例轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即測(cè)量信號(hào)，測(cè)量信號(hào)與調(diào)制信號(hào)發(fā)生器[6]產(chǎn)生的參考信號(hào)進(jìn)行鑒相，獲得相位延遲信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到光纖長(zhǎng)度。

激光調(diào)制及光纖長(zhǎng)度測(cè)量理論分析如下：

若設(shè)激光器光波強(qiáng)度[11]為：

式中Ac為光波振幅，ωc為光波的角頻率，φc為光波的初始相位。

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制電信號(hào)為：

式中Am為調(diào)制信號(hào)的振幅，ωm為調(diào)制信號(hào)角頻率，φm為調(diào)制信號(hào)的初相位。

激光器光載波經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制后光波強(qiáng)度為：

式中mp=kpAm?1，kp為比例系數(shù)，mp為強(qiáng)度市制系數(shù)。

由探測(cè)器接收的調(diào)制光波，轉(zhuǎn)化的電信號(hào)為：

式中B為接收電信號(hào)的振幅，Φ為調(diào)制光經(jīng)過(guò)時(shí)間t后所產(chǎn)生的相位移。

如圖2所示[5],A表示調(diào)制光波的入射點(diǎn)，B表示調(diào)制光波的出射點(diǎn)，則AB的長(zhǎng)度就光波傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)待測(cè)光纖的長(zhǎng)度[12]，圖中的Φ就是延遲時(shí)間t產(chǎn)生的相移。

圖1 激光相位法測(cè)量光纖長(zhǎng)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 激光相位法測(cè)量光纖長(zhǎng)度原理圖

光波的相移量Φ與調(diào)制光波在待測(cè)光纖中傳播時(shí)間τ呈線性關(guān)系，所以由圖1及式（4）可得它們的關(guān)系式為：

式中為光的傳播速度，為調(diào)制頻率，是相移中不足的部分，N是相位變化量中整數(shù)周期。由式（6）可知，通過(guò)測(cè)量激光經(jīng)過(guò)光纖產(chǎn)生的相移獲得光纖長(zhǎng)度。

1.2 鎖模法測(cè)量光纖長(zhǎng)度

鎖模法[6]是利用被動(dòng)鎖模光纖激光器測(cè)量光纖長(zhǎng)度。全光纖的被動(dòng)鎖模摻餌光纖激光器具有基于非線性光纖環(huán)境（NOLM）的穩(wěn)定脈沖輸出。依據(jù)脈沖輸出周期與光纖長(zhǎng)度的相關(guān)性測(cè)量光纖長(zhǎng)度。

圖3 鎖模法測(cè)量光纖長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)圖

式中，q是一個(gè)整數(shù)，n為光纖的折射率，c為真空中的光速，L為激光器的腔長(zhǎng)。

由式（7）可得，脈沖周期為：

鎖模法測(cè)量光纖長(zhǎng)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[6]如下圖3所示。980nm泵浦光耦合到摻餌光纖內(nèi)，隔離器確保光波單向振蕩，防止損壞激光器，非線性光纖環(huán)境NOLM中具有隨機(jī)雙折射的單模光纖，若達(dá)到一定長(zhǎng)度，可以利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使NOLM內(nèi)反向傳輸?shù)墓獠ㄩg產(chǎn)生較大的相移。當(dāng)相移等于π時(shí)，具有強(qiáng)度相關(guān)的透射特性，可當(dāng)作鎖模激光器的飽和吸收體使用。若NOLM中的光纖長(zhǎng)度足夠產(chǎn)生非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，且泵浦光功率大于閾值功率時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)PC改變光纖中光波的偏振態(tài)使其產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖，且工作在諧波頻率上，泵浦功率降低在閾值附近時(shí)，激光脈沖穩(wěn)定在基頻上，且穩(wěn)定性較好。通過(guò)測(cè)量脈沖的頻率，以此來(lái)測(cè)量光纖長(zhǎng)度。

對(duì)于鎖模激光器，其脈沖的重復(fù)頻率ν可表達(dá)為:

因此，激光器的腔長(zhǎng)即是激光器中光纖的長(zhǎng)度為：

若能獲得穩(wěn)定的脈沖周期，即可準(zhǔn)確推算出光纖長(zhǎng)度。

2 測(cè)量范圍與精度對(duì)比

2.1 激光相位法測(cè)量范圍

調(diào)制光波可作為相位式激光測(cè)量長(zhǎng)度的一把度量標(biāo)準(zhǔn)，稱之為“光尺”。如果被測(cè)光纖長(zhǎng)度的概略值精確在光尺長(zhǎng)度內(nèi)，即已經(jīng)知道式（6）中N的具體數(shù)值，則被測(cè)光纖長(zhǎng)度的精確值就可根據(jù)?φ來(lái)確定。然而若是不知道被測(cè)距離的概略值，則無(wú)法確定整數(shù)周期N，所以系統(tǒng)測(cè)量光纖長(zhǎng)度有一定范圍。不過(guò)可以使用多個(gè)“光尺”確定數(shù)整周期N，使測(cè)量光纖長(zhǎng)度范圍增大。也可通過(guò)改變調(diào)制頻率的大小，改變光纖長(zhǎng)度的測(cè)量范圍，但測(cè)量精度會(huì)下降。

若采用單“光尺”測(cè)量光纖長(zhǎng)度，則測(cè)量距離為：

從式（10）中可知，測(cè)量光纖長(zhǎng)度范圍與調(diào)制頻率及鑒相范圍有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中，選擇調(diào)制頻率 fm=1MHz，在鑒相電路中，鑒相芯片采用AD8302，鑒相范圍為（-π～0或0～π），所以光纖長(zhǎng)度測(cè)量范圍為 0～100m 。

若提高光纖長(zhǎng)度的測(cè)量范圍，可通過(guò)兩種頻率共同調(diào)制激光光波，既可以增加測(cè)量長(zhǎng)度范圍，也可以提高測(cè)量精度。

2.2 激光相位法測(cè)量精度

測(cè)量精度為：

若提高測(cè)量范圍及精度，可通過(guò)兩種頻率共同調(diào)制激光光波，或選擇較高精度的鑒相電路以提高測(cè)量精度。

2.3 鎖模法測(cè)量長(zhǎng)度范圍

腔長(zhǎng)L是與激光脈沖周期T呈線性關(guān)系的，若取，當(dāng)q=1時(shí)，對(duì)應(yīng)基頻下的脈沖周期T。當(dāng)ΔL=1m時(shí)，ΔT=5ns。也就是說(shuō)，只要脈沖周期可以穩(wěn)定達(dá)到ns量級(jí)，則該長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x就可以達(dá)到米的量級(jí)。再精確一些，當(dāng)ΔT=0.1ns時(shí)，ΔL=0.02m=2cm，若示波器可識(shí)別0.1ns的脈沖周期變化，測(cè)量長(zhǎng)度的精度可達(dá)到厘米級(jí)。。

在用鎖模法測(cè)量短光纖，可以提前接入一段大于500m的已知光纖長(zhǎng)度，將此光纖作為基準(zhǔn)，測(cè)量接入被測(cè)光纖后的變化量，就可精確測(cè)量短光纖的長(zhǎng)度。

2.4 鎖模法測(cè)量精度

分析可知，當(dāng)光纖長(zhǎng)度小于500m時(shí)，NOLM中不能夠產(chǎn)生非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，不能產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖，系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量光纖長(zhǎng)度，被動(dòng)鎖模光纖激光器對(duì)光纖長(zhǎng)度的變化非常靈敏，可達(dá)到厘米級(jí)，且光纖越長(zhǎng)，測(cè)量光纖長(zhǎng)度的準(zhǔn)確度和靈敏度就越高，由式（9）可知，

在式（9）中，光纖長(zhǎng)度與脈沖輸出周期呈線性關(guān)系，且光纖越長(zhǎng)時(shí)，輸出激光脈沖越穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)可用來(lái)測(cè)量上百千米的光纖長(zhǎng)度，但由于系統(tǒng)是利用單模光纖的隨機(jī)雙折射獲得非線性偏振旋轉(zhuǎn)，若單模光纖較短，NOLM內(nèi)光波間不能產(chǎn)生較大的相移，使其不能充當(dāng)飽和吸收體使鎖模脈沖產(chǎn)生，若要獲得足夠的相移，所以需要足夠的單模光纖長(zhǎng)度。本實(shí)驗(yàn)在已知光纖長(zhǎng)度為100km，30km，10km，5km，1km，500m和450m的情況下用鎖模法測(cè)量光纖長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)光纖長(zhǎng)度小于500m時(shí)，由于輸出不能得到穩(wěn)定的脈沖，系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量光纖長(zhǎng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

比較這兩種不同的測(cè)量光纖長(zhǎng)度的方法，前者使用的是傳統(tǒng)的相移特性，通過(guò)相位差測(cè)量光纖長(zhǎng)度，后者采用了新型鎖模激光器進(jìn)行光纖長(zhǎng)度測(cè)量。在精度方面，兩者都可以達(dá)到厘米級(jí)。在測(cè)量長(zhǎng)度方面，基于激光相位法適應(yīng)于短光纖長(zhǎng)度的測(cè)量，鎖模法能夠測(cè)量的光纖長(zhǎng)度可以達(dá)到上千米，在進(jìn)行大型光纖長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，采用后者比較方便。在系統(tǒng)裝置方面，兩種方法都具有實(shí)用簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)，前者成本比后者會(huì)小一些。在穩(wěn)定性方面，前者受外界干擾性可能會(huì)更大，信號(hào)接收不是很穩(wěn)定。在應(yīng)用方面，激光相位法由于操作簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低，適用于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)合，后者在工業(yè)中有潛在的應(yīng)用前景；鎖模法測(cè)量長(zhǎng)度較短的光纖時(shí)，精度不高，而實(shí)驗(yàn)室很少用到上千米的光纖，因此鎖模法不適用于實(shí)驗(yàn)室，大型工業(yè)生產(chǎn)方面會(huì)用到上千米的光纖所以鎖模法更加適用于工業(yè)生產(chǎn)方面。

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