基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪的制作方法

本发明涉及的是一种基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪系统，可用于电信及传感领域中光纤特性如物理缺陷，断裂位置，接头损耗和位置以及光纤长度的测量，属于光纤传感技术领域。

(二)

背景技术：

基于光学时域反射法(otdr)的光纤时域反射仪是一种常见的测量仪器，它利用光在光纤中的背向反射和散射原理，可以在不破坏光纤的情况下对光纤的物理缺陷，断裂位置，接头损耗和位置以及光纤长度进行测量。光纤时域反射仪是光纤通信以及光缆施工中必不可少的测量工具，被广泛应用于相关系统的检测与维护。经典的otdr系统的光探测系统是基于线性光电探测器，如pin光电二极管或线性雪崩光电二极管(linear-apds)。受制于所使用的光电探测器的灵敏度，响应度以及其本身较大的暗电流和热噪声，基于线性光电探测器的otdr系统的可测动态范围和测量精度受到局限。为了进一步提升性能，研究人员提出并验证了基于单光子探测器的otdr系统。相比基于线性光子探测器的otdr系统，得益于所用探测器的极高灵敏度(探测器内部增益相比传统探测器有着3-4个量级的提升)，基于单光子探测器的otdr系统有着更大的动态范围，更高的精度，可探测更远的距离，同时没有所谓的盲区。

现有的基于单光子探测器的otdr系统主要有三种:(1)基于超导纳米线单光子探测器(snspd)的otdr系统；(2)基于上转转换模块和硅基单光子探测器的otdr系统；(3)基于近红外单光子探测器(基于锗(germanium)，铟镓砷(ingaas)或者铟镓砷/磷化铟(ingaas/inp)的单光子雪崩二极管)的otdr系统。

超导纳米线单光子检测器(snspd)在过去的十年中得到一定的发展，基于超导纳米线单光子探测器(snspd)的otdr系统也被提出和设计，如公开专利201110314519.3，公开专利201310600853.4，以及文献“photon-countingopticaltime-domainreflectometryusingasuperconductingnanowiresingle-photondetector,journaloflightwavetechnology,30(16):2583-2588,(2012).”和文献“long-haulandhigh-resolutionopticaltimedomainreflectometryusingsuperconductingnanowiresingle-photondetectors，scientificreports,5:10441(2015).”所述。它的优点在于高灵敏度、高重复率、低暗计数率(dcr)以及高系统检测效率。然而超导纳米线光子探测器需要运行于超低温条件，一般在液态氦低温恒温器中运行以减少热噪声。其对于低温冷却和温度控制的需求大幅增加整体系统的体积，复杂程度以及成本，很大程度的限制了其在实际测量和探测工作中的应用。

硅基单光子探测器(si-spad)可实现低噪声，低后脉冲以及自由模式下的运行。然而，由于硅基单光子探测器对通信波长不敏感，设计人员需要设计一个频率上转转换器，将接近1550nm的光信号转换成可见光区域的光信号，然后用硅基单光子探测器来检测转换后的光信号，如公开专利201310380182.5以及文献“highresolutionopticaltimedomainreflectometerbasedon1.55μmup-conversionphoton-countingmodule,opticsexpress15,8237–8242(2007).”和文献“217kmlongdistancephoton-countingopticaltime-domainreflectometrybasedonultra-lownoiseup-conversionsinglephotondetector.opticsexpress,21：24674-24679(2013).”所述。由于光信号的上转转换器需要昂贵的高性能光学器件(如周期性极化的铌酸锂晶体(ppln)，布拉格光栅，光学带通滤波片等)，以及复杂的校准，这增加了整体系统的成本，不稳定性和复杂性。除此之外，上转转换器会降低光子探测效率，同时本身产生的噪声也会被探测器接收，造成系统的误差。

基于近红外单光子雪崩二极管的otdr系统是另一种单光子otdr系统，文献“photoncountingotdr:advantagesandlimitations,journaloflightwavetechnology.28,952–964(2010).”和文献“enhancedv-opticaltimedomainreflectometryusinggigahertzsinusoidallygatedingaas/inpsingle-photonavalanchedetector.opticalengineering,55(9)：094101，2016”提出了相关的设计和验证。相比其他两种单光子otdr系统，基于近红外单光子雪崩二极管的otdr系统不需要要求严苛的温度控制系统，也不需要复杂的光信号转换模块，设计相对简单，系统稳定，且易于被用在室外多变的测试环境中。但是由于近红外单光子雪崩二极管的有着较大的噪声(包括暗计数率以及后脉冲概率)，容易对otdr数据造成严重的失真，使得其无法在自由运行(freerunning)的条件下运行。现有的基于近红外单光子雪崩二极管的otdr系统中，设计人员使用时间门控电路来运行近红外单光子雪崩二极管。由于时间门控电路下运行近红外单光子雪崩二极管是针对光子到达时间已知的应用设计，然而，在otdr的相关应用中，信号光子到达时间未知，这使得现有的基于近红外单光子雪崩二极管的otdr系统只能一次测量一部分光纤，这造成了测量时间比基于自由运行条件下的探测器的otdr系统时间要长得多，超过3倍，同时光纤越长，所需的额外测试时间越长。

为了解决以上问题，本发明公开了一种基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪系统,系统中的近红外单光子探测系统可以在自由运行的状态下实现低暗计数率和低后脉冲率的低噪声运行。这提高了基于近红外单光子探测器的otdr系统的信噪比，降低了的数据失真。除此之外，系统无需对光纤进行分段检测，这大幅减少了系统所需的测试时间。

相比基于一般pin光电二极管以及线性雪崩二极管的经典otdr系统，本发明有着更大的动态范围，更高的精度，可探测更远的距离，同时没有所谓的盲区。

相比基于超导纳米线单光子检测器或者硅基单光子探测器的otdr系统，本发明不需要要求严苛的温度控制系统，也不需要复杂的光信号上转换模块，成本更低，设计简单，系统稳定，便携性更高，实用性更强。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪由脉冲发生器1、光源2、三端口光纤环行器3、分光器4、近红外单光子探测器阵列5、雪崩事件检测电路阵列6、逻辑与门电路7、信号处理模块8及被测光纤9组成。所述系统中脉冲发生器1产生一个脉冲信号，这个脉冲信号一方面触发信号处理模块8使其开始记录时间，另一方面使得光源2发出脉冲光。光源2与三端口光纤环行器3的a端口相连，将脉冲光入射到三端口光纤环行器3中，从三端口光纤环行器3的b端口输出的脉冲光信号入射到待测光纤9中，脉冲光信号经过待测光纤9后得到后向散射光输入至三端口光纤环行器3中，光纤环行器3将后向散射光通过c端口输入至分光器4中，分光器4将后向散射光分为多路功率相同的光信号，分别输出到近红外单光子探测器阵列5中的各个单光子探测器中。近红外单光子探测器阵列5的后端连接一个雪崩事件检测电路阵列6。雪崩事件检测电路阵列6将近红外单光子探测器阵列5中被触发的雪崩事件转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平(ttl)信号，并且输出至逻辑与门电路7中。逻辑与门电路7对雪崩事件检测电路阵列6输出的ttl信号进行逻辑运算，结果输出至信号处理模块8。信号处理模块8对脉冲发生器1产生的脉冲信号与逻辑与门电路7输出的ttl信号的时间间隔进行统计分析，处理后给出测量结果。

光源1可以选择近红外的led光源、激光二极管光源、ase光源中的一种。

分光器4的输出光信号数与近红外单光子雪崩二极管阵列5中探测器的数量相同。雪崩事件检测电路阵列6中雪崩事件检测电路的数量与近红外单光子探测器阵列5中雪崩二极管的数量相同。每一个单光子雪崩二极管后端连接一个雪崩事件检测电路，雪崩事件检测电路将单光子雪崩二极管中触发的雪崩事件转换为ttl信号并输出。雪崩事件检测电路可以是比较器或者反相器与被动淬灭电路或者主动淬灭电路的组合。单光子雪崩二极管的雪崩事件可被反向散射的光信号触发，也可能在无光的条件下受到自身的缺陷，热效应或者残留电荷的影响而触发。雪崩事件检测电路会将所有的雪崩事件转换为ttl信号进行输出。

近红外单光子探测器阵列5由多个结构，性能相同或近似的近红外单光子雪崩二极管组成，近红外单光子雪崩二极管可以是基于锗(germanium)，铟镓砷(ingaas)或者铟镓砷/磷化铟(ingaas/inp)的单光子雪崩二极管的任何一种，其在阵列中的数量可根据对于探测器性能与噪声的需求来选择。

逻辑与门电路7的输入端口数量与近红外单光子探测器阵列5中的单光子雪崩二极管数量一致。逻辑与门电路7接收雪崩事件检测电路阵列6输出的，被近红外单光子探测器阵列5中雪崩事件触发的ttl信号。只有当近红外单光子探测器阵列5中的所有雪崩二极管都触发了雪崩事件时，逻辑与门电路7才会输出一个ttl信号脉冲，信号处理模块8对此脉冲进行接收和信号处理。当有光信号入射到近红外单光子探测器阵列5时，所有的雪崩二极管都会被触发，逻辑与门电路7输出光子计数脉冲。而当没有光信号入射到近红外单光子探测器阵列5时，阵列中的雪崩二极管有可能被受到自身的缺陷，热效应或者残留电荷的影响而触发雪崩事件，产生如暗脉冲，后脉冲等噪声，由于这些雪崩事件的触发几率是随机的，近红外单光子探测器阵列5所有雪崩二极管同时被触发的几率较小。尤其是当阵列中近红外单光子探测器数量足够大时，近红外单光子探测器阵列5所有雪崩二极管同时被触发噪声相关脉冲的几率接近于0，此时，信号逻辑与门7不会输出光子计数脉冲。通过以上方式，信号处理模块8接收的与入射光信号无关的ttl信号的可能性被极大的降低，整个探测系统的噪声也随之降至极低，信噪比大幅提升。

在基于单光子探测系统的otdr系统中，超低噪声的单光子探测系统使得整体otdr系统的性能在动态范围，测量精度，测量速度等方面得以大幅提升。在基于近红外单光子探测器的otdr系统中，相比传统的门控信号结构，本发明可使近红外单光子探测系统在自由运行的状态下实现低暗计数率和低后脉冲率的低噪声运行。这提高了基于近红外单光子探测器的otdr系统的信噪比，降低了的数据失真。除此之外，系统无需对光纤进行分段检测，这大幅减少了系统所需的测试时间。

相比基于pin光电二极管以及线性雪崩二极管的经典otdr系统，本发明有着更大的动态范围，更高的精度，可探测更远的距离，同时没有所谓的盲区。

相比基于超导纳米线单光子检测器或者硅基单光子探测器的otdr系统，本发明不需要要求严苛的温度控制系统，也不需要复杂的光信号上转换模块，成本更低，设计简单，系统稳定，便携性更高，实用性更强。

(四)附图说明

图1是基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪系统的结构示意图。由脉冲发生器1、光源2、三端口光纤环行器3、分光器4、近红外单光子探测器阵列5、雪崩事件检测电路阵列6、逻辑与门电路7、信号处理模块8及被测光纤9组成。

图2是基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪系统实施例。所述系统是由脉冲发生器201，光源202、三端口光纤环行器203、分光器204、单光子探测系统205、信号处理模块206和被测光纤207组成。

图3是实施中所用单光子探测系统的结构示意图，其由三个结构相同，性能相近的近红外单光子探测器301、302和303、雪崩事件探测电路304、305和306、以及一个三端口输入的逻辑与门电路307组成。

图4是近红外单光子探测器中雪崩事件被雪崩事件探测电路转换为ttl信号(脉冲信号)的示意图。

图5是雪崩事件探测电路的输出信号经过逻辑与门电路，并且输出降噪后的信号的示意图。由于入射光信号产生的雪崩事件(光脉冲)的发生时间相同，因此在经过逻辑与门电路后，会在逻辑与门电路的输出产生ttl信号输出；而内部噪声所触发的雪崩事件(暗脉冲以及后脉冲)的发生时间是随机的(很可能不相同)，因此在经过逻辑与门电路后，基本不会在逻辑与门电路的输出产生ttl信号输出，通过这个方式，单光子探测系统的输出噪声被大幅降低。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图2给出了基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪系统实施例。系统是由脉冲发生器201，光源202、三端口光纤环行器203、传输光纤204、三端口连接的光纤耦合器205、单光子探测系统206、信号处理模块207和被测光纤208组成。

所述系统中脉冲发生器201产生一个脉冲信号，这个脉冲信号一方面触发信号处理模块206使其开始记录时间，另一方面使得光源202发出脉冲光入射到三端口光纤环行器203的a端口，从三端口光纤环行器203的b端口输出的脉冲光信号入射到待测光纤207中，脉冲光信号经过待测光纤207后得到后向散射光输入至三端口光纤环行器203，光纤环行器203将后向散射光输出至分光器204中。分光器204将后向散射光分为3路功率相同的光信号，输出到单光子探测系统205中，单光子探测系统205将光信号转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平(ttl)信号，并输出至信号处理模块206。信号处理模块206对脉冲发生器201产生的脉冲信号与单光子探测系统205输出的ttl信号的时间间隔进行统计分析，处理后给出测量结果。

由于单光子探测系统的噪声(包括暗脉冲和后脉冲)会使其输出与光信号无关的ttl信号，使得otdr系统产生误差以及限制测量范围，因此单光子探测系统的噪声需要尽可能的降低。为了实现单光子探测系统的降噪，所用单光子探测系统的结构如图3所示，其由三个结构相同，性能相近的近红外单光子探测器301、302和303、雪崩事件探测电路304、305和306、以及一个三端口输入的逻辑与门电路307组成。反射仪系统的被测光纤中的背向反射及散射的光信号被平均入射到单光子探测系统中的3个近红外单光子探测器中。近红外单光子探测器内部会产生若干雪崩事件，这些雪崩事件包括由光纤中的背向反射及散射的光信号引起的事件，内部暗脉冲以及后脉冲引发的雪崩事件。这些雪崩事件会被雪崩事件探测电路转换为ttl信号(脉冲信号)，如图4所示。由于入射光信号产生的雪崩事件(光相关脉冲)的发生时间相同，因此在经过逻辑与门电路后，会在逻辑与门电路的输出产生ttl信号输出；而内部噪声所触发的雪崩事件(暗脉冲以及后脉冲)的发生时间是随机的(很可能不相同)，因此在经过逻辑与门电路后，基本不会在逻辑与门电路的输出产生ttl信号输出，如图5所示。通过这个方式，单光子探测系统的输出噪声被大幅降低。理论上来说，当单光子探测系统中的单光子雪崩二极管达到一定多的数量时，整个单光子探测系统的噪声会被降低到趋近于0。

在基于单光子探测系统的otdr系统中，本发明所述的超低噪声的单光子探测系统使得整体otdr系统的性能在动态范围，测量精度，测量速度等方面得以大幅提升。在基于近红外单光子探测器的otdr系统中，相比传统的门控信号结构，本发明可使近红外单光子探测系统在自由运行的状态下实现低暗计数率和低后脉冲率的低噪声运行。这提高了基于近红外单光子探测器的otdr系统的信噪比，降低了的数据失真。除此之外，系统无需对光纤进行分段检测，这大幅减少了系统所需的测试时间。