两种光纤长度测量方法的比较

铁咪咪，刘铭，赵静祎，闫兴

（北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室，北京 100101）

0 引言

光纤由于传导损耗低、可长距离信息传递等原因，成为现代通信以及信息传递的最佳媒介。在光纤实验以及工程应用中，需要已知光纤长度，所以，准确的光纤长度测量在大部分的光纤通信以及光纤传感系统中都十分重要。光纤长度测量中较重要的方法有：光时域反射法[1]、高斯光脉冲延时方法[2]、全光纤干涉法[3]、调制相移法[4]、激光相位法[5]以及锁模法[6]等。

光时域反射法[7-8]通过被测光纤中产生的背向瑞利散射信号来工作；高斯光脉冲延时方法利用高斯型脉冲替代矩形脉冲，将脉冲时延测量转换为幅度极值的测量，避免在辨别脉冲重合的过程中人为因素给测量结果带来的影响；激光相位法是利用强度调制的光波在被测光纤传输过程中产生的相移与被测光纤长度间的比例关系进行测量光纤长度，锁模法[6]是利用被动锁模光纤激光器测量光纤长度。全光纤的被动锁模掺饵光纤激光器具有基于非线性光纤环境（NOLM）的稳定脉冲输出。依据脉冲输出周期与光纤长度的相关性测量光纤长度。本文主要对激光相位法和锁模法两种测量光纤长度的方法进行比较。

1 测量原理与结构对比

1.1 激光相位法测量光纤长度

激光相位法[5]测量光纤长度是通过测定强度调制光波经过待测光纤后所产生的相位移大小，根据相移与光纤长度的线性关系得到光纤长度。系统结构图如图1所示。发射单元包括调制信号发生器和激光驱动电路；回光接收单元主要是信号接收电路；鉴相单元采用模拟鉴相；数据处理单元主要有AD采集电路及控制显示电路组成。激光经过强度调制，强度调制后的光波在待测光纤中传输并产生相位延迟，通过光电探测器接收后放大，接收光信号将按照一定比例转换为电信号，即测量信号，测量信号与调制信号发生器[6]产生的参考信号进行鉴相，获得相位延迟信息，经过计算可得到光纤长度。

激光调制及光纤长度测量理论分析如下：

若设激光器光波强度[11]为：

式中Ac为光波振幅，ωc为光波的角频率，φc为光波的初始相位。

信号发生器产生的调制电信号为：

式中Am为调制信号的振幅，ωm为调制信号角频率，φm为调制信号的初相位。

激光器光载波经过强度调制后光波强度为：

式中mp=kpAm≪1，kp为比例系数，mp为强度市制系数。

由探测器接收的调制光波，转化的电信号为：

式中B为接收电信号的振幅，Φ为调制光经过时间t后所产生的相位移。

如图2所示[5],A表示调制光波的入射点，B表示调制光波的出射点，则AB的长度就光波传输过程中经过待测光纤的长度[12]，图中的Φ就是延迟时间t产生的相移。

图1 激光相位法测量光纤长度系统结构图

图2 激光相位法测量光纤长度原理图

光波的相移量Φ与调制光波在待测光纤中传播时间τ呈线性关系，所以由图1及式（4）可得它们的关系式为：

式中为光的传播速度，为调制频率，是相移中不足的部分，N是相位变化量中整数周期。由式（6）可知，通过测量激光经过光纤产生的相移获得光纤长度。

1.2 锁模法测量光纤长度

锁模法[6]是利用被动锁模光纤激光器测量光纤长度。全光纤的被动锁模掺饵光纤激光器具有基于非线性光纤环境（NOLM）的稳定脉冲输出。依据脉冲输出周期与光纤长度的相关性测量光纤长度。

图3 锁模法测量光纤长度结构图

式中，q是一个整数，n为光纤的折射率，c为真空中的光速，L为激光器的腔长。

由式（7）可得，脉冲周期为：

锁模法测量光纤长度系统结构图[6]如下图3所示。980nm泵浦光耦合到掺饵光纤内，隔离器确保光波单向振荡，防止损坏激光器，非线性光纤环境NOLM中具有随机双折射的单模光纤，若达到一定长度，可以利用非线性偏振旋转效应，使NOLM内反向传输的光波间产生较大的相移。当相移等于π时，具有强度相关的透射特性，可当作锁模激光器的饱和吸收体使用。若NOLM中的光纤长度足够产生非线性偏振旋转效应，且泵浦光功率大于阈值功率时，通过调节PC改变光纤中光波的偏振态使其产生稳定的脉冲，且工作在谐波频率上，泵浦功率降低在阈值附近时，激光脉冲稳定在基频上，且稳定性较好。通过测量脉冲的频率，以此来测量光纤长度。

对于锁模激光器，其脉冲的重复频率ν可表达为:

因此，激光器的腔长即是激光器中光纤的长度为：

若能获得稳定的脉冲周期，即可准确推算出光纤长度。

2 测量范围与精度对比

2.1 激光相位法测量范围

调制光波可作为相位式激光测量长度的一把度量标准，称之为“光尺”。如果被测光纤长度的概略值精确在光尺长度内，即已经知道式（6）中N的具体数值，则被测光纤长度的精确值就可根据∆φ来确定。然而若是不知道被测距离的概略值，则无法确定整数周期N，所以系统测量光纤长度有一定范围。不过可以使用多个“光尺”确定数整周期N，使测量光纤长度范围增大。也可通过改变调制频率的大小，改变光纤长度的测量范围，但测量精度会下降。

若采用单“光尺”测量光纤长度，则测量距离为：

从式（10）中可知，测量光纤长度范围与调制频率及鉴相范围有关，实验中，选择调制频率 fm=1MHz，在鉴相电路中，鉴相芯片采用AD8302，鉴相范围为（-π～0或0～π），所以光纤长度测量范围为 0～100m 。

若提高光纤长度的测量范围，可通过两种频率共同调制激光光波，既可以增加测量长度范围，也可以提高测量精度。

2.2 激光相位法测量精度

测量精度为：

若提高测量范围及精度，可通过两种频率共同调制激光光波，或选择较高精度的鉴相电路以提高测量精度。

2.3 锁模法测量长度范围

腔长L是与激光脉冲周期T呈线性关系的，若取，当q=1时，对应基频下的脉冲周期T。当ΔL=1m时，ΔT=5ns。也就是说，只要脉冲周期可以稳定达到ns量级，则该长度测量仪就可以达到米的量级。再精确一些，当ΔT=0.1ns时，ΔL=0.02m=2cm，若示波器可识别0.1ns的脉冲周期变化，测量长度的精度可达到厘米级。。

在用锁模法测量短光纤，可以提前接入一段大于500m的已知光纤长度，将此光纤作为基准，测量接入被测光纤后的变化量，就可精确测量短光纤的长度。

2.4 锁模法测量精度

分析可知，当光纤长度小于500m时，NOLM中不能够产生非线性偏振旋转效应，不能产生稳定的脉冲，系统无法测量光纤长度，被动锁模光纤激光器对光纤长度的变化非常灵敏，可达到厘米级，且光纤越长，测量光纤长度的准确度和灵敏度就越高，由式（9）可知，

在式（9）中，光纤长度与脉冲输出周期呈线性关系，且光纤越长时，输出激光脉冲越稳定，实验证明，系统可用来测量上百千米的光纤长度，但由于系统是利用单模光纤的随机双折射获得非线性偏振旋转，若单模光纤较短，NOLM内光波间不能产生较大的相移，使其不能充当饱和吸收体使锁模脉冲产生，若要获得足够的相移，所以需要足够的单模光纤长度。本实验在已知光纤长度为100km，30km，10km，5km，1km，500m和450m的情况下用锁模法测量光纤长度。实验显示，当光纤长度小于500m时，由于输出不能得到稳定的脉冲，系统无法测量光纤长度。

3 结语

比较这两种不同的测量光纤长度的方法，前者使用的是传统的相移特性，通过相位差测量光纤长度，后者采用了新型锁模激光器进行光纤长度测量。在精度方面，两者都可以达到厘米级。在测量长度方面，基于激光相位法适应于短光纤长度的测量，锁模法能够测量的光纤长度可以达到上千米，在进行大型光纤长度测量时，采用后者比较方便。在系统装置方面，两种方法都具有实用简洁的结构，前者成本比后者会小一些。在稳定性方面，前者受外界干扰性可能会更大，信号接收不是很稳定。在应用方面，激光相位法由于操作简便，结构简单成本较低，适用于实验室场合，后者在工业中有潜在的应用前景；锁模法测量长度较短的光纤时，精度不高，而实验室很少用到上千米的光纤，因此锁模法不适用于实验室，大型工业生产方面会用到上千米的光纤所以锁模法更加适用于工业生产方面。

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