利用偏振态控制的光相关域反射测量识别间距较近的反射点

《Optical Fiber Technology》：Identification of closely spaced reflection points by polarization-state-controlled optical correlation-domain reflectometry

　　

•偏振态控制可识别 OCDR 中的重叠反射事件。
•识别了间距小至 1.3 厘米的反射贡献。
•该方法在 AOM 辅助、无 AOM 以及 PPRM-OCDR 中得到了验证。
•尽管峰值宽度超过了反射器间距，但仍实现了识别。

1. 引言
随着高速、大容量光通信网络的扩展，对光纤链路可靠健康监测和诊断的需求持续增加。在实际网络运行中，由连接不完善、连接器接口、熔接点、光纤弯曲或光纤断裂引起的局部反射或损耗事件必须被准确识别，因为它们会降低传输性能并指示潜在的故障点。光反射测量法是实现这一目的的基本方法，因为它能够通过测量沿光纤分布的反射或背散射光功率来定位被测光纤（FUT）中的故障或损坏。代表性的光反射测量技术包括光时域反射计（OTDR）[1], [2], [3], [4], [5], [6]、光频域反射计（OFDR）[7], [8], [9], [10], [11] 和光相干域反射计（OCDR）[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]，它们根据其操作原理进行分类。报道的代表性性能说明了它们不同的操作模式。一种长途光子计数 OTDR 在 209.47 公里范围内实现了 20 米的双点分辨率 [6]，而偏振敏感 OFDR 在 35 米的光学长度上实现了 22 微米的双点分辨率 [9]。对于 OCDR，沿 32 米光纤演示了 6.3 厘米的空间分辨率 [20]，而最近基于周期伪随机调制（PPRM）的 OCDR 实现在约 100 公里范围内实现了约 19 厘米的空间分辨率 [21]。这些数值表明，在实际的 OCDR 测量中，根据测量范围和系统配置，厘米级的反射事件可能无法分辨。
OTDR 广泛用于长距离光纤链路诊断，并能在极长距离上进行测量；然而，它通常需要广泛的平均来提高信噪比，且其空间分辨率通常与频域或相干域技术相比有限。相比之下，OFDR 可以在相对较短的测量范围内提供非常高的空间分辨率，使其适用于光纤组件和分布式反射剖面的精确表征。然而，其性能受光源的相 coherent 性和线宽强烈影响，这对激光系统提出了严格要求。虽然已经提出了几种方法来放松这些要求 [10]，但它们通常需要额外的干涉仪配置，增加了系统复杂性和成本。在本研究中，我们重点关注 OCDR 作为 OTDR 和 OFDR 的替代反射测量技术。OCDR 基于光相 coherent 函数合成（SOCF）[16], [17]，并具有实时操作、相对简单且成本效益高的配置以及对 FUT 沿任意位置的随机访问等吸引人的特性。
在 OCDR 中，激光源的光频被调制以沿 FUT 生成和扫描相关峰，从而定位来自特定位置的反射信号。空间分辨率由相关峰的宽度决定，而测量范围由相邻相关峰之间的间距控制。因此，在标准正弦调制 OCDR 中，这两个特性不是独立的，较长的测量范围可能导致空间分辨率下降 [[22], [23]]。当多个反射点彼此靠近时，这种限制变得至关重要：它们的反射峰可能重叠，弱反射事件可能被强反射峰周围产生的噪声基底所掩盖。因此，仅仅通过调整调制波形并不总能区分紧密间隔的反射点。
在标准正弦调制 OCDR 中，通常使用声光调制器（AOM）将拍频移离低频噪声区域。然而，当应用零跨度信号处理时，除原始拍频谱外，沿频率轴折叠的频谱分量可能会出现，在没有物理反射点的位置产生鬼峰 [24]。移除 AOM 可以消除这种鬼峰 [[20], [25]]，但它并不能从根本上解决紧密间隔反射点的问题，因为空间分辨率可能仍然不足且噪声基底的影响仍然存在。PPRM-OCDR 可以缓解测量范围与空间分辨率之间的权衡，并且即使使用 AOM 也能避免鬼峰的产生 [[21], [26]]，但在分辨率受限的情况下仍可能发生峰重叠。
在本研究中，我们提出了一种利用观测到的拍频信号波形的偏振态依赖性来识别 OCDR 中紧密间隔反射点的方法。当两个相邻反射点的反射信号因空间分辨率不足而重叠时，适当控制偏振态可以选择性地增强或抑制每个反射点的贡献，从而实现它们的单独检测。我们使用间距为 1.3 至 5.0 厘米的两个反射点通过实验演示了这一概念，并在三种 OCDR 配置中验证了其有效性：带 AOM 的标准正弦调制 OCDR、无 AOM 的正弦调制 OCDR 以及 PPRM-OCDR。结果表明，所提出的偏振态控制提供了一种实际手段，即使峰值宽度超过其物理间距，也能区分紧密间隔的反射点。

2. 原理与实验设置
图 1 展示了本研究中使用的 OCDR 系统的实验设置 [[16], [17], [22]]。来自频率调制激光源的光被分为信号臂和参考臂。来自 FUT 的反射光与参考光重新组合并由光电探测器（PD）检测，产生的拍频信号使用电频谱分析仪（ESA）在零跨度模式下进行分析。随后使用示波器（OSC）记录对应于相关峰扫描的时间波形。为了补偿光损耗并保持足够的信噪比，在输入、反射信号和参考光路径中插入了掺铒光纤放大器（EDFA）。参考臂中还集成了偏振控制器和偏振扰模器（PSCR），允许控制或平均干涉信号的偏振态。在 AOM 辅助配置中，AOM 放置在参考臂中以将拍频移离低频噪声区域；在不改变光路布局的情况下移除该 AOM 使得能够与无 AOM 的 OCDR 配置进行直接比较。
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图 1. OCDR 系统的实验设置。AOM：声光调制器，EDFA：掺铒光纤放大器，ESA：电频谱分析仪，FG：函数发生器，LD：激光二极管，OSC：示波器，PD：光电探测器，PSCR：偏振扰模器。
OCDR 基于 SOCF，其中激光源的频率调制用于定制光场的功率谱和相干函数 [16], [17]。合成的相干函数沿 FUT 生成离散的相关峰，其中信号臂和参考臂之间的光程差满足特定条件。起源于相关峰位置的反射光在 PD 处产生比其他位置反射光强得多的拍频信号，从而实现对反射事件的位置选择性检测。相关峰相对于信号臂和参考臂之间的等距点周期性地出现，其间距由激光源的调制频率 f_m 决定，如 [16], [17] 中所表达的
(1) d_m = c / (2 n f_m),
其中 c 是光速，n 是 FUT 的有效折射率。因此，当 FUT 内存在多个相关峰时，反射事件的位置无法唯一识别，OCDR 的可测量范围受限于相邻相关峰之间的间隔。
OCDR 的空间分辨率由相关峰的半高全宽定义。对于带 AOM 的正 sin 调制 OCDR，理论空间分辨率通常表示为 [[15], [22]]
(2) Δz = 0.76 c / (π n Δf),
其中 Δf 是激光源的调制幅度。虽然该表达式表明空间分辨率与调制频率 f_m 无关，但最近的实验结果表明，实际空间分辨率取决于调制频率 [23]。因此，在实际的正 sin 调制 OCDR 中，测量范围和空间分辨率通过调制条件耦合在一起。这种耦合在长距离测量中特别成问题，其中使用较低的调制频率来扩展可测量范围可能会展宽有效相关峰并降低区分紧密间隔反射点的能力。
当从 OCDR 配置中移除 AOM 时，理论空间分辨率由 [22] 给出
(3) Δz = (2 f_z c) / (π n f_m Δf),
其中 f_z 是零跨度频率。虽然这种无 AOM 配置防止了与频率轴折叠相关的鬼峰产生，但它要求将零跨度频率设置在兆赫兹范围内以避免低频噪声。这一要求可能会降低空间分辨率，并在某些情况下导致反射峰分裂 [[22], [24]]。因此，消除 AOM 并不一定能提高区分紧密间隔反射点的能力；相反，相邻峰的分离仍然受限于有效峰宽和周围的噪声基底。
除了正弦调制外，OCDR 也可以使用激光频率的 PPRM 来实现。在 PPRM-OCDR 中，相关特性由设计的伪随机调制波形决定，而不是由单一的正弦调制频率决定。PPRM-OCDR 的名义空间分辨率表示为 [21]
(4) Δz = (c ln 2) / (2 π n Δν),
其中 Δν 是调制光源的占用带宽。该表达式表明，空间分辨率可以独立于定义测量范围的相关峰间隔进行设计，允许 PPRM-OCDR 缓解空间分辨率与测量范围之间的权衡。PPRM-OCDR 的另一个优点是，即使使用 AOM 也不会产生鬼峰，因为其相关结构与正弦调制 OCDR 不同。然而，公式（4）应被视为名义估计值，因为实际空间分辨率也可能取决于未包含在表达式中的调制参数，例如用于生成伪随机波形的样本数 [26]。在本研究中，PPRM-OCDR 与带和不带 AOM 的正弦调制 OCDR 一起被检查，以评估偏振态控制是否能在不同的 OCDR 配置中区分紧密间隔的反射点。
检测到的拍频信号的偏振依赖性可以使用琼斯矢量来描述。设 p_r 表示参考光的归一化琼斯矢量，设 p_i 表示来自反射点（i）的光的琼斯矢量，其中 i = A 或 B。返回的状态可以表示为 p_i ∝ J_i p_0，其中 p_0 是入射偏振态，J_i 是包括沿光路到反射点（i）的传输、反射和耦合的有效往返琼斯矩阵。在相关峰位置附近，光电探测器电流的拍频分量可以写为
(5) i_beat(z,t) ∝ 2 Re[∑_{i=A,B} a_i h(z-z_i) (p_r? p_i) exp{j(Ω t+φ_i)}]
其中 a_i, z_i, 和 φ_i 分别是点（i）反射的振幅、位置和相位；h(z-z_i) 是相关峰响应；Ω 是检测到的拍频。这里，上标 ? 表示厄米转置，p_r? p_i 表示参考光与来自反射点（i）的返回光之间的复杂偏振重叠。因此，来自反射点（i）的检测贡献被加权为
(6) W_i = |p_r? p_i|^2.
调整偏振控制器会改变 p_r，从而改变相对权重 W_A 和 W_B。当 p_A 和 p_B 不平行时，即使它们的空间响应重叠，一个反射贡献也可以相对于另一个被增强。相反，如果两个返回的偏振态相同或平行，它们的相对权重不能通过控制参考偏振来改变。当偏振扰模器操作时，这种偏振选择性被平均，产生偏振平均波形。

3. 实验条件
为了确保实验的可重复性，这里指定了 OCDR 系统的主要组件。该系统使用激光二极管（LD；Optilab, DFB-1550.00）、AOM（Coherent, 80FA）、PD 模块（Thorlabs, RXM10AF）、ESA（Advantest, R3273）、OSC（Yokogawa, DL9240L）、函数发生器（NF Corporation, WF1968）、偏振控制器（Optoquest, PCUA-15-S/F(15Q/15H/15A)）和 PSCR（General Photonics, PCD-104）。LD 在 1550 纳米波长下工作，光输出功率为 13.0 dBm，线宽约为 2 兆赫兹。AOM 引入 80 兆赫兹的频率偏移，PD 具有 10 吉赫兹带宽。
图 2 展示了实验中使用的 FUT 配置。FUT 通过连接到 1 米光纤尾纤的斜面物理接触（APC）连接器连接到光环行器的端口 2，随后是 15 米单模光纤。

由于该 APC 连接器仅产生弱反射，本分析主要关注位于被测光纤 (FUT) 末端的两个主要反射点：一个物理接触 (PC) 连接器，以下简称反射点 A；以及一个切割开口端，以下简称反射点 B。在单独进行的测量中，反射点 A 和 B 之间的间距分别设置为 5.0、3.0 和 1.3 厘米。5.0 厘米的条件用于峰值宽度的初步评估和定量分析，而 3.0 厘米和 1.3 厘米的条件用于评估所提出方法的间距依赖性。除了反射点之间的物理间距外，测量程序和 OCDR 条件保持不变。下载：下载高清图像 (40KB) 下载：下载全尺寸图像 图 2. 包含两个紧密排列的反射点 A 和 B 的 FUT 配置。

为了评估观测波形的偏振态依赖性，在三种不同的偏振条件下进行了测量。首先，开启 PSCR（偏振扰码器）以平均偏振态，导致两个反射点被观测为单个重叠峰。其次，调整偏振控制器，使对应于反射点 A 的峰被选择性增强。第三，调整偏振控制器，使对应于反射点 B 的峰被选择性增强。通过比较这三种条件，我们考察了在偏振平均波形中无法分辨时，是否可以通过偏振态控制将两个紧密排列的反射点分离。

测量使用三种 OCDR 配置进行：带 AOM 的标准正弦调制 OCDR、不带 AOM 的正弦调制 OCDR 以及 PPRM-OCDR，分别简称为实验 a、b 和 c。在所有配置中，反射信号均使用 ESA 的零跨度功能进行测量，相应的时域波形使用 OSC 记录。在实验 a 和 c 中，零跨度频率设置为 80 MHz，等于 AOM 引入的频率偏移。在移除了 AOM 的实验 b 中，零跨度频率设置为 1 MHz 以避免低频噪声区域。实验 a 和 c 的 ESA 分辨带宽设置为 3 MHz，实验 b 设置为 300 kHz，而所有实验的视频带宽固定为 30 kHz。

所有实验中的延迟线长度均为 25 公里。对于正弦调制 OCDR，扫频频率设置在 813 kHz 左右：实验 a 中从 813.418 到 813.268 kHz，实验 b 中从 813.32 到 813.16 kHz。在这两种情况下，测量均使用第 100 阶相关峰。在实验 c 中，对激光频率应用了 PPRM，扫频频率设置为从 8.1341 到 8.1326 kHz。选择该较低频率范围是综合考虑了伪随机波形中包含的高频分量和函数发生器的性能极限。实验 c 中使用了一阶相关峰，激光使用由 1000 个随机点组成的伪随机波形进行调制，调制光源的占用带宽约为 85 MHz。

在这些实验条件下，在评估测量波形之前，估计了三种 OCDR 配置的理论或标称空间分辨率。对于带 AOM 的标准正弦调制 OCDR，通过应用先前报告的考虑其对扫频频率依赖性的校正，估计有效理论空间分辨率为 9.5 厘米 [23]。该值大于考察的所有三种物理间距 (5.0、3.0 和 1.3 厘米)，表明预计两个反射响应之间会有显著重叠。对于不带 AOM 的正态调制 OCDR，使用公式 (3) 计算的理论空间分辨率为 4.1 厘米。3.0 厘米和 1.3 厘米的间距小于该值，而 5.0 厘米的间距仅略大。因此，即使在 5.0 厘米处，也不能保证对两个反射点进行清晰区分，特别是在存在实验峰值展宽和周围噪声底的情况下。对于 PPRM-OCDR，使用公式 (4) 根据调制光源的占用带宽估计的标称空间分辨率约为 27 厘米，远大于所有三种间距。由于公式 (4) 仅提供标称估计，如前所述，实际可分辨性是根据测量波形进一步评估的。总体而言，测量是在预计两个反射响应重叠的条件下进行的，这使其适合评估基于偏振态的紧密排列反射点识别。

4. 结果与讨论

图 3 显示了在反射点 A 和 B 之间物理间距为 5.0 厘米时，开启 PSCR 获得的三种 OCDR 配置的测量波形：(a) 带 AOM 的正弦调制 OCDR，(b) 不带 AOM 的正弦调制 OCDR，(c) PPRM-OCDR。在所有三种情况下，在偏振扰码条件下，反射点 A 和 B 都被观测为单个重叠峰，表明无法从偏振平均强度波形中清晰区分这两个反射点。在图 3(a) 中，主峰两侧出现了鬼峰，正如 AOM 辅助的正弦调制配置中由零跨度信号处理引起的频率轴折叠所预期的那样。相比之下，在图 3(b) 或图 3(c) 中未观测到鬼峰，它们分别对应于无 AOM 配置和 PPRM-OCDR 配置。这些结果证实，移除 AOM 或采用 PPRM 对于抑制鬼峰是有效的，但它们也表明，仅抑制鬼峰不足以分辨紧密排列的反射点。下载：下载高清图像 (129KB) 下载：下载全尺寸图像 图 3. 在反射点 A 和 B 之间物理间距为 5.0 厘米时，开启 PSCR 获得的测量波形。(a) 带 AOM 的正弦调制 OCDR。(b) 不带 AOM 的正态调制 OCDR。(c) PPRM-OCDR。

图 4 显示了调整偏振控制器以选择性增强来自反射点 A 或 B 的反射信号后获得的测量波形 (间距：5.0 厘米)。图 4(a)、(b) 和 (c) 分别对应于带 AOM 的正弦调制 OCDR、不带 AOM 的正弦调制 OCDR 和 PPRM-OCDR。在每种配置中，都发现了一种偏振态，其中对应于反射点 A 的峰占主导地位，而另一种偏振态使对应于反射点 B 的峰占主导地位。这种行为表明，两个重叠的反射信号具有不同的偏振依赖性，因此可以通过控制干涉偏振态来分离。在所有三种配置中都观测到了选择性增强，表明所提出的偏振态控制不限于特定的调制方案或鬼峰的存在与否。相反，它提供了一种识别在偏振平均波形中无法分辨的紧密排列反射点的通用方法。下载：下载高清图像 (150KB) 下载：下载全尺寸图像 图 4. 在反射点 A 和 B 之间物理间距为 5.0 厘米时，偏振态调整后获得的测量波形。(a) 带 AOM 的正态调制 OCDR。(b) 不带 AOM 的正弦调制 OCDR。(c) PPRM-OCDR。标记为 A 和 B 的轨迹分别对应于增强反射点 A 和 B 的偏振态。

图 4 中选择性增强的峰幅度不应被解释为反射系数的直接定量度量。根据公式 (6)，每个反射点检测到的贡献既取决于其固有反射强度，也取决于其与参考光的偏振重叠。此外，标记为 A 和 B 的轨迹是在单独调整的偏振态下获取的，且三种 OCDR 配置具有不同的系统传输特性。因此，图 4(b) 中近乎相等的幅度和图 4(c) 中不相等的幅度是反射强度、偏振重叠和测量系统响应的综合效果的结果。本方法主要旨在识别未分辨反射事件的存在和位置，而不是确定其校准后的反射系数。定量反射率估计需要对偏振依赖性和测量系统的传输函数进行校准。这可以通过检测两个正交偏振分量或通过在一组完整的受控偏振态下获取波形来实现，随后重建与偏振无关的回波功率，并使用已知反射率的反射器进行校准。

为了定量评估两个反射点是否可以通过固有峰值宽度分辨，根据测量波形估计了选择性增强峰的 3-dB 宽度。在实验 a 中，反射点 A 的 3-dB 宽度为 9.5 厘米，反射点 B 为 10.0 厘米。在实验 b 中，反射点 A 和 B 分别为 11.7 和 12.3 厘米。在实验 c 中，分别为 8.2 和 8.8 厘米。所有这些值都大于两个反射点之间 5.0 厘米的物理间距，证实了在当前的测量条件下反射峰显著重叠。这些结果解释了为什么两个反射点在图 3 所示的偏振扰码波形中表现为单个峰，同时也证明了即使峰值宽度超过其物理间距，偏振态控制也能分离反射信号。

为了进一步调查对物理间距的依赖性，进行了额外的测量，间距分别为 3.0 和 1.3 厘米，如图 5 所示。在这两种间距下，当偏振扰码器运行时，两个反射事件都表现为单个重叠响应。然而，在调整偏振控制器后，在所有三种 OCDR 配置中都识别出了选择性增强反射点 A 或 B 的偏振态。因此，即使在物理间距为 1.3 厘米时，也能区分两个反射事件的位置。该间距远小于在 5.0 厘米条件下获得的测量峰值宽度和三种配置的标称空间分辨率。因此，结果提供了进一步证据，表明识别是通过反射信号的不同偏振响应实现的，而不是通过传统的峰值宽度限制分辨率。下载：下载高清图像 (374KB) 下载：下载全尺寸图像 图 5. 在反射点 A 和 B 之间物理间距为 3.0 和 1.3 厘米时获得的测量波形。面板 (a)–(c) 显示了 3.0 厘米间距的结果，面板 (d)–(f) 显示了 1.3 厘米间距的结果。面板 (a) 和 (d)、(b) 和 (e) 以及 (c) 和 (f) 分别对应于带 AOM 的正弦调制 OCDR、不带 AOM 的正态调制 OCDR 和 PPRM-OCDR。标记为 A 和 B 的轨迹是在分别选择性增强反射点 A 和 B 的偏振态下获得的。偏振扰码轨迹也显示用于比较。

反射点 A 和 B 的不同偏振依赖性可以通过它们的有效往返琼斯矩阵来解释。反射点 A 起源于 PC 连接器，而来自反射点 B 的信号通过 PC 连接传输，通过额外的光纤段传播，在切割开口端反射，并通过相同的组件返回。因此，有效矩阵 ???? 包含未包含在 ???? 中的传输、传播和反射因子。因此，连接器引起的偏振相关耦合、短光纤段中的局部双折射和应力可能导致非平行的返回偏振态。观测到的选择性增强在实验上表明，来自点 A 和 B 的返回信号在当前设置中具有可区分的有效偏振响应。然而，这种区别不应被视为 PC 连接器和开口端之间普遍存在的固有差异。如果两个反射事件产生相同或平行的返回偏振态，偏振控制无法改变它们的相对贡献，且所提出的分离方法不适用。

在 1.3 厘米处成功识别并不意味着该值代表使用所提出方法可实现的最小间距；它是本研究中间验考察的最小间距。实际的识别限制不仅取决于相关峰宽度，还取决于返回偏振态之间的差异、信噪比、纵向采样间隔以及测量期间的偏振稳定性。特别地，当返回偏振态相同或平行时，偏振控制无法改变反射信号的相对贡献。

在目前的概念验证实验中，手动调整偏振控制器以寻找增强反射点 A 或 B 的偏振态。在实际的光纤链路诊断系统中，该过程可以使用电子控制的偏振控制器进行自动化。

OCDR 波形可以在参考偏振态扫描过预定的一组状态期间被重复采集，随后即可自动分析每个纵向位置的偏振依赖性变化。该过程无需预先知道故障位置或其偏振态，因为在每个偏振态下都会记录完整的纵向波形。一种同时检测两个正交偏振分量的偏振分集接收器可能提供另一种无需顺序手动调整的实施方案。此类自动识别程序的开发与验证仍是未来工作的课题。

5. 结论

我们提出并通过实验验证了一种用于识别 OCDR 中紧密间隔反射点的偏振态控制方法。使用带 AOM 的正弦调制 OCDR、不带 AOM 的正弦调制 OCDR 以及 PPRM-OCDR 对物理间隔分别为 5.0、3.0 和 1.3 cm 的两个反射点进行了研究。在偏振打乱条件下，所有三种配置中的两个反射分量均表现为单一的重叠响应。然而，调整参考光偏振态可产生选择性增强任一反射点的状态，从而能够在所有测试间隔下识别其贡献，包括最小的 1.3 cm 间隔。对于 5.0 cm 的间隔条件，表观 3 dB 峰值宽度范围为 8.2 至 12.3 cm，超过了物理间隔。因此，观察到的识别能力源于对返回信号的偏振依赖性加权，而非传统受峰值宽度限制的空间分辨率的改善。该方法在所有三种测试配置中均有效，但其适用性要求反射事件具有足够可区分的有效偏振响应。本实施方案提供了对重叠反射贡献的定性识别；定量反射率估计则需要偏振分辨测量和系统校准。

CRediT 作者贡献声明

Yuto Sekine：写作 – 初稿、可视化、软件、方法论、调查、形式分析。Yuta Higa：软件、方法论。Keisuke Motoda：软件、方法论、调查。Takaki Kiyozumi：方法论。Takahiro Ishimaru：调查。Hiroshi Takahashi：调查。Kunihiro Toge：调查。Yosuke Mizuno：写作 – 初稿、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。

Yuto Sekine|Yuta Higa|Keisuke Motoda|Takaki Kiyozumi|Takahiro Ishimaru|Hiroshi Takahashi|Kunihiro Toge|Yosuke Mizuno