光時(shí)域反射儀OTDR專利技術(shù)綜述

胡文妤 楊操

摘 要：光時(shí)域反射儀OTDR是光纖故障測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)的重要設(shè)備。本文從專利的申請(qǐng)年代分布、申請(qǐng)區(qū)域及重點(diǎn)申請(qǐng)人等角度進(jìn)行了分析和研究，并以主要技術(shù)指標(biāo)為線索簡(jiǎn)述了OTDR的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：光時(shí)域反射儀；OTDR；專利；綜述

0 引言

根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究，預(yù)計(jì)到2020年，全球光纖測(cè)試設(shè)備的銷售營(yíng)業(yè)額會(huì)增加到8.8億美元。報(bào)告顯示，2013年全球光纖設(shè)備市場(chǎng)已達(dá)到6.038億美元。集成或基于平臺(tái)的測(cè)試儀器勢(shì)頭越來(lái)越猛，而光纖檢測(cè)設(shè)備表現(xiàn)也不錯(cuò)，其銷售額在2012年達(dá)到4500萬(wàn)美元。因此，對(duì)光時(shí)域反射儀OTDR的研究，是光纖故障測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)十分重要的技術(shù)問(wèn)題，具有廣泛的市場(chǎng)及不菲的商業(yè)價(jià)值。

1 光時(shí)域反射儀的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀

從光時(shí)域反射儀技術(shù)發(fā)展歷史來(lái)看，可以分為三個(gè)階段。

第一階段，從上世紀(jì)80年代起，當(dāng)時(shí)光纖開(kāi)始逐漸大規(guī)模應(yīng)用，人為故障和破壞是大部分光纜故障和隱患主因。因此，光纖網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)提出了理論，方式還比較簡(jiǎn)單原始，通常采用便攜式OTDR儀器檢測(cè)，或者采用OTDR巡檢的技術(shù)來(lái)進(jìn)行光纖網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。第二階段，從上世紀(jì)80年代末到90年代末，這段時(shí)間光纜用量平均以30%的速度遞增，而原來(lái)較早應(yīng)用的一部分光纖由于劣化、人為故障的原因，故障開(kāi)始頻發(fā)。第三階段，是從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初期，隨著全光絡(luò)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，尤其是當(dāng)今世界范圍內(nèi)的光纖通信和光電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，基于先進(jìn)的光電子器件和光信號(hào)處理技術(shù)的全光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與設(shè)備快速發(fā)展與應(yīng)用，已經(jīng)徹底改變了整個(gè)有線通信網(wǎng)絡(luò)的格局。這時(shí)，釆用波分復(fù)用WDM和密集波分復(fù)用DWDM等技術(shù)與OTDR技術(shù)相結(jié)合對(duì)光纖進(jìn)行監(jiān)控。

2 專利技術(shù)發(fā)展

2.1 基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的OTDR技術(shù)。在無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)PON中采用OTDR技術(shù)一般是對(duì)插入段處即分光器后的光纖鏈路處的測(cè)量，因而需要更大的動(dòng)態(tài)范圍。由于來(lái)自分光器之外的所有分支的所有反向散射和反射是疊加的，因此不可能檢查分光器之外的光纖鏈路屬性；而其他的信號(hào)部分地屏蔽了每個(gè)分支的OTDR信號(hào)，因此應(yīng)用于中心局端的傳統(tǒng)的光時(shí)域反射儀不能實(shí)現(xiàn)PON系統(tǒng)中的全監(jiān)視功能性。在發(fā)生故障的情況下，所接收的反向散射信號(hào)不能明確確定是某個(gè)單獨(dú)的光纖鏈路分支。

阿爾卡特公司在基于專利EP04291995.1的在先申請(qǐng)之上，于我國(guó)申請(qǐng)了《光配線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視方法和系統(tǒng)》（申請(qǐng)?zhí)朇N200510089916）。該申請(qǐng)中，利用由連接到光纖鏈路的最終用戶光網(wǎng)絡(luò)終端來(lái)監(jiān)視插入段的任何光纖鏈路，因此能在PON之類的點(diǎn)到多點(diǎn)配線系統(tǒng)中提供光纖鏈路監(jiān)視能力。因此，不會(huì)出現(xiàn)反射信號(hào)的疊加，使得PON之類的光配線網(wǎng)絡(luò)的嵌入光纖鏈路監(jiān)視成為可能。該發(fā)明可以從用戶端監(jiān)視光配線系統(tǒng)中的光鏈路性能，其中不需要增加動(dòng)態(tài)范圍以克服PON分光器的損失，增加了服務(wù)可用性，并且能為提供商節(jié)省大量成本。

之后，武漢光迅科技股份有限公司申請(qǐng)了《基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》（申請(qǐng)?zhí)朇N200810154327），該研發(fā)結(jié)合了傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，并且做了修改。發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)的點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)，在PON系統(tǒng)的ODN處引入一個(gè)1xN多路光開(kāi)關(guān)，將測(cè)試信號(hào)繞過(guò)ODN，通過(guò)多路光開(kāi)光后，再用WDM合路器與ODN后的每一個(gè)分支連接。由于1xN多路光開(kāi)關(guān)每一次只有一路連通，因此每次測(cè)試光只會(huì)到達(dá)一條支路，使得每次測(cè)試信號(hào)只能到達(dá)一個(gè)ONU/ONT，從而實(shí)現(xiàn)了將點(diǎn)到多點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)到點(diǎn)，使ODTR光路測(cè)試技術(shù)可以在點(diǎn)到多點(diǎn)的PON系統(tǒng)中測(cè)試每一條支路的狀態(tài)。

2.2 OTDR高空間分辨率。為了在OTDR中得到高空間分辨率，需要將監(jiān)視光的脈沖寬度變窄。此外，如果將監(jiān)視光的脈沖寬度變窄，則為了彌補(bǔ)因?yàn)楸O(jiān)視光的能量降低所導(dǎo)致的測(cè)定的信噪比的降低，而需要提高監(jiān)視光的功率。但是這樣可能因?yàn)樵诠饩€路中出現(xiàn)感應(yīng)布里淵散射等非線性光學(xué)現(xiàn)象而產(chǎn)生測(cè)定性能的降低或?qū)τ谕ㄐ判盘?hào)的干涉。因此，在OTDR中，空間分辨率被限制在幾米左右。

住友電氣工業(yè)株式會(huì)社基于其優(yōu)先權(quán)JP2008-144903和JP2009-021442，申請(qǐng)了《光線路監(jiān)視裝置及光線路監(jiān)視系統(tǒng)》（申請(qǐng)?zhí)朇N200980120440），可以以高空間分辨率在短時(shí)間內(nèi)測(cè)定光線路中的反射率分布?？刂撇炕谑筄CDR測(cè)定部進(jìn)行OCDR測(cè)定而取得的OCDR測(cè)定結(jié)果和使OTDR測(cè)定部進(jìn)行OTDR測(cè)定而取得的OTDR測(cè)定結(jié)果進(jìn)行規(guī)定的運(yùn)算。該裝置能以高空間分辨率在短時(shí)間測(cè)定反射率分布，可在光通信系統(tǒng)中檢測(cè)光纖線路斷裂及傳送損耗增加等故障。

而中科院半導(dǎo)體研究所的申請(qǐng)《波長(zhǎng)編碼的光時(shí)域反射測(cè)試裝置及其測(cè)量方法》（申請(qǐng)?zhí)朇N200810240937）需要提供一種測(cè)量方式方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的光時(shí)域反射測(cè)試裝置、動(dòng)態(tài)范圍大、分辨率高，主要用于解決傳統(tǒng)OTDR（光時(shí)域反射儀）分辨率與動(dòng)態(tài)范圍無(wú)法同時(shí)提高的問(wèn)題。該方法是將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光脈沖組成的編碼光脈沖信號(hào)分為探測(cè)光信號(hào)和參考光信號(hào)，探測(cè)光信號(hào)進(jìn)入待測(cè)光纖鏈路后遇到光纖斷點(diǎn)或損傷點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射光信號(hào)，反射光信號(hào)與參考光信號(hào)一起進(jìn)入光電探測(cè)器進(jìn)行拍頻，拍頻信號(hào)進(jìn)入拍頻信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行觀測(cè)和記錄；經(jīng)過(guò)調(diào)整，讓兩個(gè)光脈沖的時(shí)間相隔T1，并觀測(cè)記錄對(duì)應(yīng)拍頻信號(hào)的頻譜。

2.3 盲區(qū)和微弱光信號(hào)檢測(cè)。普通OTDR在動(dòng)態(tài)范圍和空間分辨率方面受限，尤其存在無(wú)法克服的大動(dòng)態(tài)光電信號(hào)接收盲區(qū)的瓶頸問(wèn)題；相干OTDR采用光脈沖的相干接收，能在不提高脈沖功率的情況下提高接收機(jī)的靈敏度，從而提高OTDR的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比，但是相干探測(cè)對(duì)光源頻率的穩(wěn)定性要求很高，而且距離分辨率較低。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所的《一種光時(shí)域反射測(cè)量裝置及方法》（申請(qǐng)?zhí)朇N201310187847）。光時(shí)域反射測(cè)量裝置含信號(hào)讀出模塊、單光子探測(cè)器等，嵌入式計(jì)算機(jī)根據(jù)程序控制時(shí)序控制模塊發(fā)出同步脈沖，觸發(fā)脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)脈沖信號(hào)，脈沖光源輸出的信號(hào)光經(jīng)過(guò)衰減器得到合適的光功率，衰減器的輸出光經(jīng)過(guò)光定向耦合器注入被測(cè)光纖，被測(cè)光纖中返回的菲涅爾反射和后向散射光經(jīng)過(guò)光定向耦合器進(jìn)入高速光采樣器。該發(fā)明解決OTDR存在大動(dòng)態(tài)光電信號(hào)接收盲區(qū)，相干探測(cè)對(duì)光源頻率的穩(wěn)定性要求高，OFDR系統(tǒng)需要的光源為線性掃頻窄線寬激光器，同時(shí)光源必須滿足光外差探測(cè)條件的問(wèn)題，本裝置可將空間分辨率精確到厘米量級(jí)而不受探測(cè)帶寬的限制，提高信噪比。