适用于宽温工作环境的厘米级精度光时域反射测试装置的制作方法

本实用新型涉及光纤检测领域，尤其是涉及一种适用于宽温工作环境的厘米级精度光时域反射测试装置。

背景技术：

当前广泛使用的光时域反射(OTDR)测试装置采用连续波长激光器，仅适用于长距离光缆，不能满足目前广泛使用的机载、舰载、车载的光纤通道应用中光纤检测的精度需求。

现行达到厘米级精度的光时域反射测试装置使用的光源多采用850nm的脉冲激光器。由于激光器工作温度范围的限制，光时域反射(OTDR)测试装置工作温度范围为0℃～30℃，无法满足-20℃～40℃的工作温度要求。

使用1550nm波长的亚纳秒脉冲产生的激光器工作温度范围和分辨精度能满足短距离FC应用的光纤检测需求，但是使用的激光器价格昂贵。

因此有必要设计一种能满足FC应用短距离光纤检测中厘米级分辨率的需求，且工作温度范围宽，成本相对较低且能灵活地控制和选择OTDR系统的距离分辨率动态范围的测试装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种适用于宽温工作环境的厘米级精度光时域反射测试装置，解决现有激光器不能满足目前广泛使用的机载、舰载、车载的光纤通道应用中光纤检测的精度需求的问题。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种适用于宽温工作环境的厘米级精度光时域反射测试装置，该装置包括脉冲发生器、计数器、SPDA检测器、激光驱动器和光纤耦合器，所述脉冲发生器通过激光驱动器与光纤耦合器连接，所述光纤耦合器通过SPDA检测器与计数器连接，所述脉冲发生器分别与计数器和SPDA检测器连接，所述脉冲发生器为1550nm脉冲光源，所述SPDA检测器为1550nm单光子探测器。

进一步的，所述脉冲发生器包括1550nm的连续波长激光器、第一调制器、第二调制器和控制器，所述1550nm的连续波长激光器依次连接第一调制器和第二调制器，所述控制器分别发送驱动信号给第一调制器、第二调制器。

进一步的，计数器通过信号发生器与显示器连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、由于光源采用1550nm的连续波长激光器，设计OTDR产品适用的工作温度范围更宽，能满足车载、舰载、机载FC光纤链路检测时严苛的环境条件限制；

2、采用连续激光器加外调制的方案，相较直接使用窄脉冲激光器的OTDR设备，能有效降低产品成本；

3、设计采用的两级调制器级联的方式可有效实现较高的消光比，相较单级调制器成本更低；

4、通过可调节的脉冲宽度的OTDR激光源设计，可以实现灵活控制脉冲宽度，实现最优的测量精度和发射功率的配置，适配多样的应用需求。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为脉冲发生器的结构示意图；

图3为1550nm波段OTDR系统初步测试结果；

图4为不同脉冲消光比的对比测试结果；

图5为利用同一脉冲信号进行三次OTDR测量的结果；

图6为利用1550nm锁模激光器进行OTDR测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

本实用新型提供一种适用于宽温工作环境的厘米级精度光时域反射测试装置，如图1、图2所示，该装置包括脉冲发生器、计数器、SPDA检测器、激光驱动器和光纤耦合器。脉冲发生器通过激光驱动器与光纤耦合器连接，光纤耦合器通过SPDA检测器与计数器连接，脉冲发生器分别与计数器和SPDA检测器连接，脉冲发生器为1550nm脉冲光源，SPDA检测器为1550nm单光子探测器。计数器通过信号发生器与显示器连接。脉冲发生器包括1550nm的连续波长激光器、第一调制器、第二调制器和控制器。1550nm的连续波长激光器依次连接第一调制器和第二调制器，控制器分别发送驱动信号给第一调制器、第二调制器。

以下详细对本装置进行描述：

本装置的原理是：对于1550nm波段激光，采用连续光激光器加外调制器的方法产生脉冲，在满足工作温度要求的同时，还可以极大地提高OTDR的灵活性。具体地说，利用带宽10GHz的1550nm强度调制器，可以产生脉冲宽度大于0.1ns的任意宽度、任意重复频率的激光脉冲，从而灵活地控制和选择OTDR系统的距离分辨率动态范围，以适用于不同的应用场景。

本实用新型设计的OTDR系统包含近红外单光子探测器、单光子计数板、1550nm激光器、1550nm外调制器耦合器、衰减器、光开关和电源模块等，实验原理框图与图1一致，只是将其中的SPAD更换为1550nm的单光子探测器。在实验中，利用10GHz的MZ型外调制器产生了脉冲宽度为0.2ns的激光脉冲，重复频率10MHz，平均功率0dBm左右。在待测光纤中，人为的制造了插入损耗(光纤打结)，端面(光纤折断)等光纤故障事件，利用OTDR系统进行测试。

由于采用了0.2ns的脉冲，OTDR的距离分辨率达到了3cm左右。采用1550nm波段OTDR系统初步测试结果如图3所示，其表现出一些需要解决的问题。具体地说，在上述实验中脉冲信号的消光比(脉冲与连续光底座之间的比值)为20dB左右，而脉冲重复频率为10MHz，即：脉冲占空比为499：1。根据瑞利散射的基本原理，对于上述条件，由脉冲产生的散射信号比底座产生的散射信号小7dB左右。在OTDR系统中对损耗事件的测试，脉冲产生的瑞利散射信号是有用信号，而连续光底座产生的瑞利散射信号是干扰信号。也就是说，对于消光比为20dB，占空比为499：1的脉冲，干扰信号比有用信号还大得多，导致OTDR动态范围过小，并且无法检测损耗时间。

为了验证上述分析，我们利用具有不同消光比的脉冲进行OTDR测试，如图4所示。图中标注的脉冲消光比ER值为示波器的读数。注意，由于脉冲零电平(底座)受到探测器噪声的影响表现出一定的抖动，从而使得测试的ER值比真实的ER值更小，故图中ER值仅作对比参考。尽管如此，从图中可以清晰地看出，具有更高消光比的脉冲的确拥有更大的动态范围，验证了上述分析。与此同时，在实验过程中我们发现在在反射点之前(0m-2m)产生了类似随机振荡的波形，但是这些波形是具有可重复性的(图5所示为利用同一脉冲信号进行三次OTDR测量的结果)，说明该波形确实反映了光纤的某些特性。目前考虑该振荡信号为脉冲反射信号与连续光底座反射和散射信号的相干叠加，其产生的具体机制还有待进一步分析。为了进一步验证脉冲消光比对OTDR系统的影响，我们利用1550nm锁模激光器产生了宽度为10ps，重复频率为5GHz的激光脉冲。与连续光光源相比，在相同的强度调制条件下，可将脉冲消光比再提高10dB以上，结果如图5所示。利用锁模激光器进行OTDR测试，动态范围达到6dB左右，0m--2.5m之间的振荡波形也明显减弱。同时，由于脉冲宽度很窄，距离分别率仅受到单光子探测器时间抖动以及光子计数板时间分辨率的影响。从图6可见，在实验中已经可实现<2cm的距离分辨率。

上述系统实验测试表明，对于采用1550nm脉冲光源和近红外单光子探测器实现OTDR的方案中，利用外调制方式产生激光脉冲的消光比对系统性能具有较大的影响。为了达到项目参数指标中动态范围大于10dB的要求，我们对脉冲消光比进行了测算。

若测试100米的光纤，采用1ns的脉冲，则脉冲重复频率为1MHz，占空比为1:1000；若要求动态范围大于10dB,则不考虑暗计数条件下，脉冲的消光比大于40dB，计数方法如下。根据瑞利散射公式：

从上式中可以看出，光纤中反向瑞利散射信号功率与入射信号功率及入射信号宽度成正比。对于占空比为1：1000的脉冲串，脉冲的宽度与底座的宽度相差30dB，因此若要求脉冲产生的散射信号比底座产生的散射信号大10dB(即动态范围大于10dB)，那么脉冲信号的功率需要比底座功率大40dB(即脉冲的消光比大于40dB)。对于如何实现大于40dB的脉冲消光比，我们制定了如下解决方案：采用两个普通MZ强度调制器级联的方案，有望实现50dB以上的消光比。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，应当指出的是，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。