一种空间模式复用少模光时域反射仪及其实现方法

1.本发明涉及光纤故障检测技术领域，尤其涉及一种空间模式复用少模光时域反射仪及其实现方法。


背景技术：

2.随着通信业务的不断增多，人们对通信系统传输容量的需求日益增大，各种新技术不断涌现。目前，新一代基于模分复用(mode division multiplexing,mdm)的少模光纤(few-mode fiber,fmf)通信技术备受青睐。该技术利用少模光纤中有限的正交模式作为独立信道进行信息传输，可以成倍提升系统传输容量，突破传统单模光纤系统容量极限，成为实现低时延大带宽5g网络、接入网、数据中心等tbit/s甚至pbit/s传输容量最具竞争力的扩容方案。近年来，模分复用通信技术快速发展，使得光纤通信在“超大容量、超长距离、超高速率”领域迈上了新的台阶。因此，面对少模光纤研发、网络建设及应用的快速发展，确保长距离大容量少模光纤链路的可靠高效运行，研究新型少模光纤链路故障检测技术意义重大，发展前景广阔。
3.目前，少模光纤链路故障检测主要还是延续传统单模光纤的故障检测思想，主要是通过单模光时域反射仪(optical time-domain reflectometer，otdr)调节探测光脉冲宽度及峰值功率实现不同动态范围及空间分辨率的自适应测量。其中，通过采用大脉宽实现长距离少模光纤链路的故障检测，采用窄脉冲宽度实现高精度的故障定位。然而，对于少模光光纤链路而言，各空间模式损耗较单模光纤而言较大且非激发耦合模式功率较小，测量信噪比小，致使在相同脉冲参数条件下，动态范围较小。因此，为实现与单模光时域反射仪相同的测量动态范围，需要通过增加脉宽来提升测量的动态范围，势必造成注入被测少模光纤功率过大而产生非线性效应，进而影响测量结果。同时，考虑到线路正常运行对脉冲功率的限制，对于少模光时域反射仪来说，仅仅通过调整光脉冲宽度即峰值功率的方式是无法满足少模光反射仪多场景测量的实际需求，即针长距离少模光纤链路，测量时间很长，实时性差，尤其在高精度测量时平均次数更多，测量时间会更长。由此可见，如何有效提升少模光时域反射的动态范围、提升非激发耦合模式信噪比、改善测量速度是少模光时域反射仪的重要内容。
4.现有技术中，少模光时域反射仪采用以下方法来提升动态范围、降低噪声和提高故障检测速度，具体包括：(1)增加光脉冲宽度及峰值功率的方式，但该方式会导致少模光纤受激布里渊散射非线性效应的限制，该方式动态范围提升有限；(2)通过脉冲编码的方式，该方式虽然可以提升动态范围，但是系统数字信号处理复杂度提升，系统实时性较差。
5.因此，有必要提出一种新的少模光时域反射仪，能实现少模光纤链路实时高效、低成本、高动态范围及高空间分辨的故障检测和定位。


技术实现要素：

6.本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种空间模式复用少模光时域反射
仪及其实现方法，通过空间模式复用快速增加测量的次数，能更快地降低探测曲线噪声、优化高阶空间模式信噪比和提升测量的动态范围，从而能实现少模光纤链路实时高效、低成本、高动态范围及高空间分辨的故障检测和定位。
7.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种空间模式复用少模光时域反射仪，用于被测少模光纤链路上，包括依次连接的参数可调光脉冲输出模块、空间模式激发模块、空间模式分离模块、多路空间模式同步探测模块和多路空间模式背向瑞利散射信号处理合成模块；
8.所述参数可调光脉冲输出模块，用于产生重复频率、峰值功率及脉冲宽度特定参数的光脉冲；
9.所述空间模式激发模块，用于将承载所述光脉冲的基模lp
01
模式转换成为基模lp
01
模式和高阶空间模式，并注入所述被测少模光纤链路上；
10.所述空间模式分离模块，用于提取所述被测少模光纤链路上产生的背向瑞利散射信号，并将所述背向瑞利散射信号进行分离，输出多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信号；
11.所述多路空间模式同步探测模块，用于将多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信进行同步探测，得到多路空间模式背向瑞利散射电信号；
12.所述多路空间模式背向瑞利散射信号处理合成模块，用于对所述多路空间模式背向瑞利散射信号进行数字信号处理合成，得到所述被测少模光纤链路的损耗分布曲线，进一步根据所述损耗分布曲线，确定出所述被测少模光纤链路的故障事件类型及损耗大小。
13.其中，所述参数可调光脉冲输出模块是由单频光源、电光调制器、信号发生器及光纤放大器构成；其中，所述光脉冲是由光源经过由所述信号发生器驱动的电光调制器产生的。
14.其中，所述光脉冲为脉宽200ns、峰值功率40mw、重复频率2khz的脉冲光源。
15.本发明实施例还提供了一种空间模式复用少模光时域反射仪实现方法，其在前述的空间模式复用少模光时域反射仪上实现，所述方法包括以下步骤：
16.产生重复频率、峰值功率及脉冲宽度特定参数的光脉冲；
17.将承载所述光脉冲的基模lp
01
模式转换成为基模lp
01
模式和高阶空间模式，并注入被测少模光纤链路上；
18.提取所述被测少模光纤链路上产生的背向瑞利散射信号，并将所述背向瑞利散射信号进行分离，输出多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信号；
19.将多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信进行同步探测，得到多路空间模式背向瑞利散射电信号；
20.对所述多路空间模式背向瑞利散射信号进行数字信号处理合成，得到所述被测少模光纤链路的损耗分布曲线，进一步根据所述损耗分布曲线，确定出所述被测少模光纤链路的故障事件类型及损耗大小。
21.其中，所述将承载所述光脉冲的基模lp
01
模式转换成为基模lp
01
模式和高阶空间模式，并注入被测少模光纤链路上的具体步骤为，
22.将承载所述光脉冲的单模尾纤经过与少模光纤环形器端口少模尾纤偏芯熔接，激发出基模lp
01
模式和高阶空间模式，并由少模光纤环形器注入所述被测少模光纤链路上。
23.其中，所述将所述背向瑞利散射信号进行分离是通过模式复用器光子灯笼来实现的。
24.其中，所述对所述多路空间模式背向瑞利散射信号进行数字信号处理合成，得到所述被测少模光纤链路的损耗分布曲线的具体步骤包括：
25.对所述多路空间模式背向瑞利散射信号进行光电检测、放大；
26.对检测放大后的多路空间模式背向瑞利散射信号进行采样，通过数字信号处理获得每路空间模式；
27.对每路空间模式均进行幅值补偿、时序调整对齐、空间模式信号功率叠加及平均之后，合成所有的空间模式信号，以得到所述被测少模光纤链路的损耗分布曲线。
28.其中，所述光脉冲为脉宽200ns、峰值功率40mw、重复频率2khz的脉冲光源
29.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
30.本发明与传统单模光时域反射仪技术相比，使用多路空间模式复用，可以高效提升检测次数及测量样本数量，增加测量平均次数降低噪声功率，改善高阶空间模式低信噪比，提升动态范围，测量速度得到有效改善，并结合高阶空间模式对故障损耗的高灵敏度特性，提高故障检测精度。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
32.图1为本发明实施例提供的一种空间模式复用少模光时域反射仪的结构示意图；
33.图2为本发明实施例提供的一种空间模式复用少模光时域反射仪的应用场景图；
34.图3为本发明实施例提供的一种空间模式复用少模光时域反射仪的应用场景中光脉冲探测产生的多路空间模式背向瑞利散射信号示意图；
35.图4为图3的多路空间模式背向瑞利信号经幅值补偿与叠加平均产生的探测曲线图；
36.图5为本发明实施例提供的一种空间模式复用少模光时域反射方法的流程图。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
38.如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种空间模式复用少模光时域反射仪，用于被测少模光纤链路上，包括依次连接的参数可调光脉冲输出模块200、空间模式激发模块201、空间模式分离模块202、多路空间模式同步探测模块203和多路空间模式背向瑞利散射信号处理合成模块204；
39.参数可调光脉冲输出模块200，用于产生重复频率、峰值功率及脉冲宽度特定参数的光脉冲；其中，该参数可调光脉冲输出模块200是由单频光源、电光调制器、信号发生器及光纤放大器构成，且光脉冲是由光源经过由信号发生器驱动的电光调制器产生的；在一个
例子中，光脉冲为脉宽200ns、峰值功率40mw、重复频率2khz的脉冲光源；可以理解的是，光脉冲的脉宽、峰值功率及重复频率可以根据实际要求进行调整；
40.空间模式激发模块201，用于将承载光脉冲的基模lp
01
模式转换成为基模lp
01
模式和高阶空间模式lpi，并注入被测少模光纤链路上；在一个例子中，承载光脉冲的单模尾纤经过与少模光纤环形器端口少模尾纤偏芯熔接，激发出基模lp
01
模式和高阶空间模式lpi，并由少模光纤环形器注入被测少模光纤链路；
41.空间模式分离模块202，用于提取被测少模光纤链路上产生的背向瑞利散射信号，并将背向瑞利散射信号进行分离，输出多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信号；在一个例子中，被测少模光纤链路上产生的背向瑞利散射信号经模式复用器光子灯笼进行分离，由高阶空间模式lpi转换至基模lp
01
模式，从而得到多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信号；
42.多路空间模式同步探测模块203，用于将多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信进行同步探测，得到多路空间模式背向瑞利散射电信号；在一个例子中，将多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信进行光电探测，转化为相应的背向瑞利散射电信号为基模lp
01
模式和高阶空间模式lpi背向瑞利散射信号；
43.多路空间模式背向瑞利散射信号处理合成模块204，用于对多路空间模式背向瑞利散射信号进行数字信号处理合成，得到被测少模光纤链路的损耗分布曲线，进一步根据所述损耗分布曲线，确定出所述被测少模光纤链路的故障事件类型及损耗大小。在一个例子中，对基模lp
01
模式和高阶空间模式lpi背向瑞利散射信号进行数据采集、不同空间模式幅值补偿、时序调整对齐、空间模式信号功率叠加及平均，获得被测少模光纤链路损耗分布曲线，实现少模光纤链路故障检测
44.如图2至图4所示，对本发明实施例中，提供的一种空间模式复用少模光时域反射仪的应用场景做进一步说明，具体如下：
45.在图2中，单频激光器dfb-ld 1输出单频连续探测光源，进入电光调制器eom 2，在信号发生器sg 3的驱动下产生频率、脉冲宽度可调的探测光脉冲，电光调制器eom 2输出的探测光脉冲经掺铒光纤放大器edfa4放大后，注入少模光纤环形器6，其中edfa输出单模尾纤与少模光纤环形器a端口少模尾纤进行偏芯熔接5，实现高阶空间模式的激发；通过利用少模光纤环形器6的单向传输特性，由端口a注入少模光纤环形器6，并从端口b输出经连接器(apc\pc接口)7进入被测少模光纤链路9、10和11中，其中故障类型10一般为熔接故障、连接器失配及弯曲等。待测少模光纤9、10和11中产生的背向瑞利散射光通过少模光纤环形器6端口b返回并从端口c输出，然后进入空间模式解复用器光子灯笼pl 12进行多路混合空间模式分离，少模光纤环形器6端口c少模尾纤与光子灯笼pl 12少模尾纤进行中心熔接。又光子灯笼pl 12输出的各路空间模式分别进入光电探测pd 13进行光电转换，输出多路空间模式背向瑞利散射电信号。进入数据采集adc 14进行数据采集，最后进入数字信号处理15，进行不同空间模式幅值补偿、时序调整对齐、空间模式信号功率叠加及平均数字信号处理过程，最后合成所有的空间模式信号，得到最终的故障检测结果。
46.在图3中，是脉宽200ns、峰值功率40mw、重复频率2khz的探测脉冲产生的典型测试结果，此lp
01
、lp
11a
、lp
11b
、lp
21a
、lp
21b
及lp
02 6个空间模式背向瑞利散射信号分别经幅值补偿、时序调整对齐、空间模式信号功率合成与平均，得到最终的测试结果。
47.在图4中，为不同空间模式幅值补偿、时序调整对齐、空间模式信号功率叠加及平均，最后合成所有的空间模式信号后的少模光纤背向瑞利散损耗分布曲线，通过分析可知，此故障为熔接故障。
48.因此，相比单模光纤otdr，本发明实施例所采用的空间模式复用方案是可以高效提升检测次数及测量样本数量，测量速度得到有效改善，具有较小的衰落噪声，而且动态范围也有提升。同时，该方案结合高阶空间模式对故障损耗的高灵敏度特性，相比传统单模otdr具有更高故障检测及定位精度。
49.如图5所示，为本发明实施例中，提供的一种空间模式复用少模光时域反射仪实现方法，其在前述的空间模式复用少模光时域反射仪上实现，所述方法包括以下步骤：
50.步骤s1、产生重复频率、峰值功率及脉冲宽度特定参数的光脉冲；
51.步骤s2、将承载所述光脉冲的基模lp
01
模式转换成为基模lp
01
模式和高阶空间模式，并注入被测少模光纤链路上；
52.步骤s3、提取所述被测少模光纤链路上产生的背向瑞利散射信号，并将所述背向瑞利散射信号进行分离，输出多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信号；
53.步骤s4、将多路由基模lp
01
模式承载的背向瑞利散射信进行同步探测，得到多路空间模式背向瑞利散射电信号；
54.步骤s5、对所述多路空间模式背向瑞利散射信号进行数字信号处理合成，得到所述被测少模光纤链路的损耗分布曲线，进一步根据所述损耗分布曲线，确定出所述被测少模光纤链路的故障事件类型及损耗大小。
55.其中，所述将承载所述光脉冲的基模lp
01
模式转换成为基模lp
01
模式和高阶空间模式，并注入被测少模光纤链路上的具体步骤为，
56.将承载所述光脉冲的单模尾纤经过与少模光纤环形器端口少模尾纤偏芯熔接，激发出基模lp
01
模式和高阶空间模式，并由少模光纤环形器注入所述被测少模光纤链路上。
57.其中，所述将所述背向瑞利散射信号进行分离是通过模式复用器光子灯笼来实现的。
58.其中，所述对所述多路空间模式背向瑞利散射信号进行数字信号处理合成，得到所述被测少模光纤链路的损耗分布曲线的具体步骤包括：
59.对所述多路空间模式背向瑞利散射信号进行光电检测、放大；
60.对检测放大后的多路空间模式背向瑞利散射信号进行采样，通过数字信号处理获得每路空间模式；
61.对每路空间模式均进行幅值补偿、时序调整对齐、空间模式信号功率叠加及平均之后，合成所有的空间模式信号，以得到所述被测少模光纤链路的损耗分布曲线。
62.其中，所述光脉冲为脉宽200ns、峰值功率40mw、重复频率2khz的脉冲光源
63.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
64.本发明与传统单模光时域反射仪技术相比，使用多路空间模式复用，可以高效提升检测次数及测量样本数量，增加测量平均次数降低噪声功率，改善高阶空间模式低信噪比，提升动态范围，测量速度得到有效改善，并结合高阶空间模式对故障损耗的高灵敏度特性，提高故障检测精度。
65.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以
通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。
66.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。