基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，包括激光器、光纤环形器、超导纳米线单光子探测器和采集仪器，所述激光器产生的光脉冲通过光纤环形器耦合进入待测量光纤，所述光脉冲在待测量光纤中传输产生后向散射光，后向散射光通过光纤环形器的另一端口接入超导纳米线单光子探测器，超导纳米线单光子探测器输出的脉冲经过放大后被采集仪器读出。本实用新型能够提高探测距离，空间分辨率以及减少测量时间。
【专利说明】基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光时域反射计，具体是基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，主要应用于长距离和高精度的光纤诊断、监控和分布式光纤传感网络。
【背景技术】
[0002]光时域反射计(opticaltime-domain reflectometer, 0TDR)利用探测光在光纤中产生的后向散射与在不连续界面处的菲涅耳反射来获取信息，从而可用于测量铺设光纤的衰减系数、连接处的损耗及位置、光纤折断等故障点的定位等，同时由于OTDR使用单端口测量，测试人员在光纤一端即可以了解几十公里长光纤链路的基本情况，因此OTDR是光缆施工、维护及监测中必不可少的工具。通过滤波和相干检测等技术提取出后向散射中的布里渊散射信号或者拉曼散射信号，OTDR技术还可以实现对于温度和应力的分布式光纤传感。
[0003]在OTDR应用中，探测器的灵敏度和时间精度决定了系统的动态范围和空间分辨率。常用的OTDR系统使用模拟探测器，如半导体PIN管来探测微弱的反射信号。此类探测器将入射光的强度转化成为电流或者电压的幅度输出。为了更加灵敏的检测微弱信号，通常需要增加积分器的积分时间，但同时又会降低探测器的带宽从而影响空间分辨率。计数型的OTDR使用InGaAs材料的雪崩管，此探测器具有单光子探测能力，通过在时间上统计计数值来表征待探测光的强度。此种计数型的OTDR克服了计数器带宽的限制，并将探测器的灵敏度提高到单光子量级，因此可以实现长距离和高精度的光纤测量。但是，计数型的OTDR使用的雪崩管存在死时间(dead time)久，时间抖动(timing jitter)长，后脉冲(afterpulsing)效应强的问题，同时为了达到较低的噪声等效功率，需要工作在门控模式下限制暗计数，从而影响测量时间。
实用新型内容
[0004]实用新型目的:针对上述现有技术存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，能够提高探测距离，空间分辨率以及减少测量时间。
[0005]技术方案:为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为一种基于超导纳米线单光子探测器(简称“探测器”)的光时域反射计，包括激光器、光纤环形器(简称“环形器”)、超导纳米线单光子探测器和采集仪器，所述激光器产生的光脉冲通过光纤环形器耦合进入待测量光纤，所述光脉冲在待测量光纤中传输产生后向散射光，后向散射光通过光纤环形器的另一端口接入超导纳米线单光子探测器，超导纳米线单光子探测器输出的脉冲经过放大后被采集仪器读出。
[0006]进一步的，所述激光器为脉冲激光器。
[0007]进一步的，所述激光器为连续光激光器，还包括连接于所述连续光激光器和光纤环形器之间的声光调制器或者电光调制器，将连续光调制成为脉冲光。[0008]进一步的，还包括连接所述激光器的脉冲信号发生器。所述声光调制器或者电光调制器，其调制使用的电信号需要与测量系统时间同步，可以使用脉冲信号发生器等仪器对于系统全局时序进行控制。
[0009]进一步的，所述超导纳米线单光子探测器采用光纤耦合方式封装。
[0010]进一步的，还包括制冷装置，所述超导纳米线单光子探测器置于制冷装置中。更进一步的，所述制冷装置为吉福德-麦克马洪循环制冷机(Gifford-McMahon cyclerefrigerator)。
[0011]进一步的，还包括偏置电路和读出电路，所述偏置电路和读出电路分别通过宽带偏置器(简称“偏置器”)连接至超导纳米线单光子探测器。
[0012]进一步的，所述偏置电路选择恒流偏置方式或者门控偏置方式，其中恒流偏置方式使用恒压源串联电阻方式实现，门控偏置方式使用脉冲信号发生器串联电阻方式实现。更进一步的，当待测量光纤长度较长(大于50km)时，后向散射光的强度动态范围大，使用门控偏置方式，通过降低探测器的效率来保证探测器不饱和；当光纤长度较短时，由于探测器自身的动态范围已经足够宽，因此使用恒流偏置方式就可以实现基本测量。
[0013]进一步的，所述读出电路使用宽带射频放大器(简称“放大器”)将所述超导纳米线单光子探测器输出的脉冲放大。
[0014]进一步的，所述采集仪器为时间相关单光子计数器(简称“计数器”)或时间间隔分析仪或高速示波器或数据采集卡。
[0015]进一步的，所述采集仪器读出的脉冲处理后得到OTDR测试曲线(简称“0TDR曲线”)，所述OTDR曲线的横坐标为由计数脉冲相对起始时刻的时间量转换为相对起始位置的空间距离量，其纵坐标为由采集仪器获得的计数值转换为计数值的相对于起始时刻计数值的dB量。
[0016]有益效果:本实用新型通过使用超导纳米线单光子探测器(SNSPD)对计数型的OTDR进行改进，并采用光子计数的方式处理信号，提供了一种新的光时域反射计。相比之下，SNSF1D具有更低的噪声等效功率,暗计数低,死时间(dead time)小于10ns,时间抖动(timing jitter)小于50ps,基本无后脉冲(afterpulsing)效应，同时,探测器工作在常开模式。因此，本实用新型提出的基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计可以提高光纤测量距离，实现长距离(100km以上)的光纤测量，提升测量空间分辨率，具有毫米量级的空间分辨率，减少测量时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型实施例一的结构示意图；
[0018]图2为本实用新型实施例一的长距离测试结果图；
[0019]图3为本实用新型实施例二的结构示意图；
[0020]图4为本实用新型实施例二的高精度测试结果图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0022]本实用新型中，由激光器产生的光脉冲通过光纤环形器耦合进入待测量光纤，光脉冲在待测量光纤中传输产生后向散射光，后向散射光通过光纤环形器另一端口接入探测器。探测器使用SNSPD芯片，并使用光纤耦合模式封装，封装好的探测器被置于制冷装置中进行降温至其工作温度。SNSro芯片通过偏置电路调节其探测效率和暗计数至最低噪声等效功率处，其输出的脉冲经过放大器放大后被采集仪器读出，并处理成为OTDR曲线。与目前已有的OTDR系统不同之处在于，本实用新型采用了噪声等效功率低和时间抖动小的SNSro作为探测器(图1、图3中为“SNSH)探测系统”)，在数据采集和处理上采用了单光子时间相关计数技术。
[0023]进一步的，所述激光器可以采用多种形式，例如:使用脉冲激光器直接发出脉冲光，或者使用连续光激光器(图1中为“连续光源”)，经过声光调制器或者电光调制器，将输出的连续光调制成为脉宽可调的脉冲光。
[0024]进一步的，所述光脉冲的强度，脉冲宽度，以及脉冲的重复周期需要根据待测量光纤灵活调整，综合考虑OTDR探测距离，空间分辨率和测量时间，选择最优化的参数。
[0025]进一步的，所述待测量光纤通常为标准的单模光纤，但对于具体应用，也可以使用色散补偿光纤，色散位移光纤或者偏振保持光纤等其它类型的光纤以达到实际应用的目的。
[0026]进一步的，所述探测器安装在制冷装置(例如循环制冷机等)的内部。制冷装置具有光纤接口和同轴电缆接口，以耦合待测量光纤中的后向散射光至探测器并读出探测器的电脉冲信号。
[0027]进一步的，所述超探测器使用光纤耦合方式封装。光纤的一段为通用的FC/APC(Physical Contact/Angle Polished Contact)接口，光纤的另外一端具有超半球透镜，可以将光斑聚焦至SNsro芯片的敏感区域，以提高系统的探测效率。同时，光纤耦合方式也减少了外部辐射或者环境光所导致的暗计数。
[0028]进一步的，还包括偏置电路和读出电路两部分，两部分分别通过宽带偏置器连接至探测器，所述偏置器的典型参数为:带宽0.2MHf 12GHz，插入损耗0.6dB。
[0029]更进一步的，所述偏置电路视具体应用可以选择恒流偏置方式或门控偏置方式。恒流偏置方式使用恒压源串联电阻组成，串联电阻的典型值为IOOkQ ;使用门控偏置方式时，使用脉冲信号发生器串联电阻，构造合适的脉冲序列，达到门控偏置的目的。
[0030]更进一步的，所述读出电路使用宽带射频放大器将SNSro芯片的输出脉冲放大，所述宽带射频放大器的典型参数为:输入、输出阻抗为50 Ω，带宽lKHz-lGHz，增益41dB，输入驻波比小于2，噪声系数1.3dBil0MHzo
[0031]进一步的，所述采集仪器具有时间相关单光子技术功能，例如时间相关单光子计数器、时间间隔分析仪，或者高速示波器或者数据采集卡。
[0032]进一步的，所述OTDR曲线由采集仪器获得的数据处理得到。OTDR曲线的横坐标为由计数脉冲相对起始时刻的时间量转换为相对起始位置的空间距离量，其纵坐标为由采集仪器获得的计数值转换为计数值的相对于起始时刻计数值的dB量。
[0033]实施例一。
[0034]本实施例提供一种基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计以达到长距离探测目的。如图1所示，我们使用连续光源和声光调制器组合方案实现光脉冲序列。连续光源功率为20dBm，提高连续光源功率可以增加探测距离。声光调制器受脉冲信号发生器(简称“脉冲发生器”)0UT1端口控制。脉冲的宽度为?μ8，等效为IOOm的空间分辨率，减小脉冲宽度可以提高空间分辨率，但同时也会减弱后向散射光强从而缩减最大探测距离；脉冲的周期为1.2ms，其周期的设定需要保证长于脉冲在待测量光纤中的传输时间。光脉冲经过环形器入射进入待测量光纤，产生的后向散射光由环形器另一端口入射SNSH)检测系统的光纤输入端。SNSro探测系统由光纤耦合封装好的SNSDP芯片和吉福德-麦克马洪循环制冷机(Gifford-McMahon cycle refrigerator)系统构成，工作温度在 2.5K。SNSF1D 芯片的偏置电流Zb由脉冲发生器0UT2端口经过IOOkQ电阻至偏置器直流端口提供。此实例中，我们通过脉冲发生器在不同的时间区间给SNSH)芯片分别提供Jb=0.8/c和Jb=0.9/c两种偏置情况，此处Zc为探测器的临界电流，从而避免探测器饱和并提高光时域反射计的动态范围。SNSH)芯片的输出脉冲通过偏置器的RF端口，经过放大器放大至计数器，计数器将放大后的脉冲整形成为NIM(Nuclear Instrumentation Methods)标准电平输出至示波器。示波器的触发信号由脉冲发生器的SYNC端口提供，以获得固定基准时间从而对输入的脉冲序列进行直方图分析，并将结果转换为OTDR曲线。
[0035]测试所得的OTDR曲线如图2所示。待测量光纤由两段光纤构成，总长度约为124km，使用FC/APC接口连接。在测试所得到的OTDR曲线中，能够明显的看到由于光纤连接导致的衰减，并能准确的给出连接处的位置为24.9km;通过测量光纤最末端的反射，我们可以更加精确的定位待测量光纤的总长度为123.2km ;通过测量线性区域的斜率，我们可以计算出待测量光纤的衰减系数为0.2dB/km。
[0036]实施例二。
[0037]本实施例提供一种基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计以达到毫米量级空间分辨率的目的。如 图3所示，与实例一有所不同，为了达到毫米量级的空间分辨率，入射光脉冲宽度必须控制到皮秒量级，而一般的声光调制器或者电光调制器能够调制的光脉冲宽度通常为十几ns以上。因此，在此实例中，我们使用了模式锁定型的飞秒光纤激光器(简称“飞秒激光器”)，脉冲的宽度小于lOOfs，脉冲周期为20ns。输出的光脉冲经过光分束器，其中一路被快速光探测器转换成为电脉冲为示波器提供时间基准，另外一路经过光纤环形器至待测量光纤激发后向散射光。由于受到激光器脉冲周期以及光纤色散的影响，这里待测量光纤的长度控制在Im左右。待测量光纤的末端使用FC/APC接头连接一段IOcm左右长的短光纤。光脉冲在待测量光纤中产生的后向散射光通过环形器另外一端口入射进入SNSro探测系统，此SNSro探测系统同实例一类似。在此实例中，我们使用电压源经过IOOk Ω电阻为SNSro芯片提供恒流偏置。SNSro芯片输出的探测电脉冲经过偏置器RF端口经过放大器输入示波器。我们使用示波器测量快速光探测器和SNSro芯片输出电脉冲之间的时间间隔，并以此处理得到OTDR曲线。
[0038]光纤末端的反射是由于光纤端面同空气之间折射率不同所导致的菲涅尔反射，因此可以看成理想界面。为了表征基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计的空间分辨率，我们将探测距离的起始位置移至短光纤的接头处，并使用计数值的线性坐标表示反射峰的强度，同时使用高斯函数拟合测试点，如图4所示。通过测量拟合曲线的半高宽长度，我们得到此光时域反射计的空间分辨率为4mm。
【权利要求】
1.一种基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，包括激光器、光纤环形器、超导纳米线单光子探测器和采集仪器，所述激光器产生的光脉冲通过光纤环形器耦合进入待测量光纤，所述光脉冲在待测量光纤中传输产生后向散射光，后向散射光通过光纤环形器的另一端口接入超导纳米线单光子探测器，超导纳米线单光子探测器输出的脉冲经过放大后被采集仪器读出。
2.根据权利要求1所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，所述激光器为脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，所述激光器为连续光激光器，还包括连接于所述连续光激光器和光纤环形器之间的声光调制器或者电光调制器。
4.根据权利要求2或3所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，还包括连接所述激光器的脉冲信号发生器。
5.根据权利要求1所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，所述超导纳米线单光子探测器采用光纤耦合方式封装。
6.根据权利要求1所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，还包括制冷装置，所述超导纳米线单光子探测器置于制冷装置中。
7.根据权利要求1所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，还包括偏置电路和读出电路，所述偏置电路和读出电路分别通过宽带偏置器连接至超导纳米线单光子探测器。
8.根据权利要求7所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，所述偏置电路选择恒流偏置方式或者门控偏置方式，其中恒流偏置方式使用恒压源串联电阻方式实现，门控偏置方式使用脉冲信号发生器串联电阻方式实现。
9.根据权利要求7所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，所述读出电路使用宽带射频放大器将所述超导纳米线单光子探测器输出的脉冲放大。
10.根据权利要求1所述基于超导纳米线单光子探测器的光时域反射计，其特征在于，所述采集仪器为时间相关单光子计数器或时间间隔分析仪或高速示波器或数据采集卡。
【文档编号】G01M11/00GK203572631SQ201320754149
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】赵清源, 陈健, 张蜡宝, 康琳, 吴培亨 申请人:南京大学