利用高阶模式多样性合并探头的少模光纤光时域反射测量技术

《Optics & Laser Technology》：Few-mode fiber optical time domain reflectometry using high-order mode diversity merging probe

基于高阶空间模式多样性的光纤光时域反射仪研究，提出并实验验证了采用模式选择性光子 lantern 实现多模式合并检测的方法，显著提升动态范围（1.34-2.58 dB）和噪声抑制效率（2-4倍），实现高精度多模光纤故障检测。

　　近年来随着人工智能技术的迅猛发展，诸如DeepSeek和ChatGPT等大型模型的出现，使得计算需求呈指数级增长。这不仅推动了对高容量、高速度、低能耗的光纤通信网络的迫切需求，也促使传统单模光纤（SMF）通信系统的容量接近非线性香农极限。为突破这一瓶颈，少模光纤（FMF）通信技术应运而生，其基于模式复用（MDM）技术，为实现未来每秒数万亿（T）或甚至每秒数百万亿（P）的传输容量提供了新的解决方案。FMF和多芯光纤（MCF）等模式复用光纤已成为高容量传输媒介竞争中的创新焦点，并将在长距离、大容量传输以及数据中心高密度接入等领域迅速发展。因此，面对FMF通信工程在未来部署和大规模应用中的前景，研究适用于FMFL（少模光纤链路）故障检测的新技术显得尤为重要。

目前，FMF链路的故障检测主要沿用传统SMFL的方法。根据信号检测方式，主要分为光时域反射仪（ OTDR）和光频域反射仪（OFDR）。其中，OTDR是目前工程应用中最广泛使用的故障检测技术之一。其基本原理是通过向光纤链路中注入连续的光脉冲，测量并分析由基模LP01携带的瑞利散射和费涅尔反射的功率分布曲线，从而提取光纤长度、衰减、故障损耗及位置等信息。尽管OTDR在长距离测量中具有显著优势，但它在动态范围和空间分辨率之间存在不可调和的矛盾。当前，许多学者对优化传统SMFL OTDR和OFDR的性能参数进行了有益的探索，包括混沌 OTDR、光子计数 OTDR、脉冲编码调制、线性光学采样、相干 OTDR、多频检测技术以及信号处理算法等方法。这些技术在一定程度上提升了OTDR的性能，但仍无法满足支持多空间模式的FMFL故障检测的迫切需求，并且在某些方面仍存在局限。

传统的单模OTDR主要依赖于基模LP01的瑞利散射特性进行故障检测，然而在FMF链路中，基模LP01与高阶模式的传输特性存在显著差异。高阶模式的瑞利散射功率仅为入射光的10?1?至10??量级，导致在相同的检测脉冲条件下测量动态范围较小。此外，传统单模OTDR依赖于单频检测，使得测量效率较低。特别是在高精度测量中，由于平均次数增加，测量时间会相应延长。因此，现有技术在面对FMF链路故障检测时，表现出不准确和不完整的特性，且故障检测灵敏度相对较低。

针对上述问题，在本文中提出了一种基于高阶空间模式多样性合并探针的FMF-OTDR方法，旨在优化OTDR的性能。通过扩展新的空间模式检测维度，提取被测FMF中每个空间模式的瑞利散射信号，并利用模式多样性合并检测对每个空间模式的瑞利散射功率进行处理。本文以高阶空间模式LP11、LP21和LP02为例，进行了实验验证。实验结果表明，该方案能够显著提升FMF-OTDR的动态范围、故障检测灵敏度和噪声收敛速度，从而突破了传统时域/频域反射仪系统性能的限制因素。

本研究的核心在于利用空间模式多样性合并探针，对FMF链路的故障进行更精确和全面的检测。传统OTDR技术主要依赖于单模检测，而本文提出的方法则通过引入多个高阶模式的检测，实现对光纤链路中不同模式的综合分析。通过这种方式，可以更有效地识别由随机噪声和模式串扰引起的故障，同时提高故障检测的灵敏度。此外，高阶模式的引入也使得FMF链路的动态范围得以提升，从而更好地适应未来高容量通信系统的需求。

在实验设计方面，本文构建了一种基于模式选择光子灯笼的高阶空间模式多样性合并探针系统。该系统能够支持LP01、LP11（包括退化模式LP11a和LP11b）、LP21（包括退化模式LP21a和LP21b）以及LP02等多种高阶空间模式的检测。通过这种多模式检测方式，可以实现对不同模式散射信号的分离和整合，从而提高检测的准确性和效率。实验过程中，利用建立的系统对FMF-OTDR方案进行了验证，结果显示该方法在动态范围、故障检测灵敏度和噪声收敛速度等方面均表现出显著优势。

本文的研究成果不仅为FMF链路的故障检测提供了新的思路，也对高容量光纤通信网络的建设具有重要意义 。通过引入高阶空间模式的检测和合并技术，在传统单模检测的基础上，实现了对多模式链路的更全面和精确的故障识别。此外，该方法在提高检测效率的同时，也解决了传统OTDR在动态范围和空间分辨率之间难以兼顾的问题，并提升了故障检测的灵敏度和精度 。这些成果为未来高容量光纤通信网络的发展奠定了坚实的基础，也为相关技术的进一步研究提供了理论支持和实验依据。

综上所述，本文提出了一种基于高阶空间模式多样性合并探针的FMF-OTDR方法，通过优化传统OTDR的性能，实现了对FMF链路故障的更准确、更高效和更灵敏的检测。该方法在实验验证中表现出良好的性能，特别是在动态范围、噪声收敛速度和故障检测灵敏度等方面。这些改进不仅有助于提升FMF通信系统的可靠性，也为未来高容量、高速度、低能耗的光纤通信网络的发展提供了新的技术支持。此外，本文的研究成果为相关领域的进一步探索提供了理论依据和实验参考，有助于推动高阶模式检测技术在光纤通信中的广泛应用。