相干光时域反射仪技术与应用

刘中华，龚浩敏，吴 岩，张益昕

(1.中国科学院声学研究所，北京 100190； 2.烽火通信科技股份有限公司，武汉 430073；3.南京大学 光通信工程研究中心，南京 210023)

0 引 言

随着全球网络全国际互联协议(Internet Protocol,IP)化和宽带多媒体业务驱动数据通信尤其是互联网的爆发式发展，国际间通信对传输容量的要求不断提升。海缆传输作为当代国际通信的重要手段，承载了包括互联网业务、语音业务以及跨国公司专线业务等90%以上的国际通信业务，是国际信息化发展的主要载体。

与传统的陆地传输系统相比，海底传输系统具有铺设难度高、可靠性要求高、超高抗水压能力以及传输距离超长等特点，这就要求在海底光缆发生故障时能够准确快速定位故障。在普通陆地传输系统中，当光缆故障发生时，可使用光时域反射仪(Optical Time-Domain Reflectometry，OTDR)来准确检测光缆故障点，实施快速修复。但在有中继器(Repeater，RPT)的海底传输系统中，由于RPT内掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA)的反向自发辐射噪声对反向瑞利散射有较大影响，大大降低了普通OTDR测量的信噪比和动态范围，因而无法准确检测故障点。目前针对海底传输系统，业界一般采用相干光时域反射仪(Co-herent Optical Time-Domain Reflectometer，C-OTDR)技术来进行海缆故障检测[1]。

1 C-OTDR技术基本原理

1.1 海底光纤传输系统介绍

在了解C-OTDR技术之前，需要先了解海缆传输系统。海缆传输系统主要分为海底设备和陆上设备两大部分。海底设备主要包括海底光缆(Submarine Optical Cable)、RPT和分支单元(Branching Unit，BU)等设备；陆上设备包括海缆线路监测(Submarine Line Monitor，SLM)、海缆线路终端设备(Submarine Line Terminal Equipment，SLTE)、馈电设备(Power Feed Equipment，PFE)和网络管理系统(Network Management System，NMS)等。

各类业务通过SLTE进行汇聚和光/电转换后通过海缆进行传输，RPT内的EDFA对信号进行放大以便有效延伸传输距离，当存在多点之间业务上下话需求时，可以通过BU完成，同时BU可以对电能进行切换，保障海缆线路维修安全，日常运行采用NMS和SLM设备进行运行状态监控和故障的定位。

根据实际传输距离，海缆传输系统又可细分为无中继和有中继海缆传输系统。无中继海缆传输系统一般用在传输距离较短的点到点之间的跨海通信中，常见于国内沿海城市之间或沿海城市与相邻海岛之间200～300 km间通信。如图1所示，有中继海缆传输系统一般用于传输距离较长的点到多点之间的跨海通信中，常见于国内沿海城市与距离遥远的海岛、国家与国家之间、大洲与大洲之间的通信，通常传输长度在几千甚至上万千米。

图1 有中继海缆传输系统Figure 1 Relay submarine cable transmission system

1.2 OTDR技术及其制约

纯净介质中的光散射是由光子与传输介质中的粒子发生弹性或非弹性碰撞引起的，当光波在光纤中前向传输时，会在光纤沿线不断产生反向瑞利散射光，OTDR技术利用的是光纤中折射率分布不均匀引起的瑞利散射，通过检测其功率来实现对光纤损耗的分布式监测。

将一定功率的激光脉冲注入光纤，当光沿光纤传输时，若遇到光纤裂纹、断点、弯曲、端面不洁和连接头等情况，反向瑞利散射光功率会有不同的变化，通过检测沿光纤长度各点返回的反向瑞利散射光功率的信息，分析测定光纤的各项性能，如熔接点、弯曲点、连接头和光纤裂缝等事件，如图2所示。

图2 典型的OTDR探测曲线Figure 2 Typical OTDR detection curve

由于传统OTDR直接探测反向瑞利散射光功率，通常可以认为光源输出功率越高，反向瑞利散射光功率越强，探测距离越长，因此传统OTDR一般采用宽谱光源，避免高功率激光脉冲在光纤传输中引起非线性效应影响OTDR性能。

在带有光中继放大的传输线路中，目前大多采用EDFA来补偿信号光的损耗，延长信号光的传输距离。由于EDFA自身特性，在对信号进行放大的同时会产生自发辐射噪声，噪声的不断累积会使OTDR测量的信噪比快速下降，导致无法测量。在陆地系统上，可以通过站点间的相关设备管理信息定位到传输段落后，剥离EDFA再进行OTDR测量来快速定位光纤具体故障点，但在海底传输系统中，RPT一般深埋在海底几千米的地方，每次打捞将耗费巨大的资金，因此陆地的处理方式不具备可行性，无法探测海底光缆断点等情况。

相对于传统OTDR技术，C-OTDR技术能够滤除绝大部分的放大器自发辐射 (Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪声，从而提升系统测量的信噪比，延长传感距离，无惧EDFA的级联ASE噪声影响，在多跨距EDFA传输系统中依旧能够实现探测[2]。

1.3 C-OTDR技术原理及其实现

相比传统的OTDR技术，C-OTDR技术主要利用了相干探测技术。在对无中继放大器通信线路的监测中，假设反向瑞利散射信号能量Eb为

本振光能量Elo为

式中：Ps、Plo、f0和f分别为反向瑞利散射信号的功率、本振光功率、激光器输出的频率以及声光调制器的频移量；t为离散时间变量；j为虚数单位。这样反向瑞利散射信号和本振光二者相干的过程能量E可表示为

于是从光电探测器输出的光电流I可表示为

式中：e为电子电荷；η为探测器量子效率；h为普朗克常量；ω0为光子频率。

C-OTDR 技术使用平衡探测器且采用交流耦合输出，于是相干中频(Intermediate Frequency，IF)分量Iif可表示为

由上述公式可知，反向瑞利散射信号的功率Ps就集中在此相干IFf上[3]， 所以C-OTDR技术利用OTDR技术和相干接收探测方法来检测光脉冲在被测光纤中的反向瑞利散射光功率，通过相干探测方法把探测到的信号光功率集中到IF，通过对该频率的信号进行带通滤波即可滤除大部分噪声，使其能穿过EDFA不断延伸探测距离[4]。

具体实现上，C-OTDR系统通过窄线宽激光器产生一个光源，该光源经过耦合器被分成两束光[5]，其中一束经过声光调制器调制后形成脉冲信号，与密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)激光器产生的互补信号通过耦合器形成连续信号后再送入脉冲EDFA，经过放大后进入传输下行链路。另一束光经过扰偏器形成与本振光相位相干信号，与进入下行链路的探测光束所返回的瑞利散射光共同耦合后进入光电探测器再通过放大及模/数转换等一系列处理得出探测曲线。图3所示为C-OTDR系统结构示意图。

图3 C-OTDR系统结构示意图Figure 3 Schematic diagram of C-OTDR system

C-OTDR技术有效克服了OTDR的缺点，其采用单频窄线宽激光光源将可探测光信号集中在一个频率上，探测光信号在被测光纤中的反向瑞利散射与窄线宽激光器光源的相干探测产生一个中频信号，通过解调该信号的功率就可以得到反向瑞利散射进而得到反射信息，在探测器后设置一个带通滤波器就可以滤除绝大部分噪声，图4所示为滤波前后信号的对比图。EDFA产生的ASE噪声对测量的实际干扰也仅集中在探测光附近，从而将ASE噪声对探测信号的影响降低至可忽略的范围[6]。

图4 滤波前后信号对比图Figure 4 Signal comparison diagram before and after filtering

2 C-OTDR技术的应用

2.1 光浪涌现象

在长距离(1 000 km以上)带中继海缆传输系统中，一般需要几十级RPT才能完成传输，C-OTDR技术采用的是单脉冲、相干检测方式对海底光缆进行探测，当执行海缆线路检测时，探测光信号就会以脉冲形式不断向海缆线路中发射光信号，此时EDFA中大量铒离子被激发，在积累到一定程度后，在下一个脉冲过来时，EDFA的增益会在短时间内突然增大造成信号的起伏，具体表现为，在脉冲信号上升过程中，EDFA的泵浦功率被脉冲信号抢占，导致业务信号放大效果降低，也就是业务信号的输出功率会降低；而当探测脉冲信号下降时，信号功率的放大效果又会加强，从而产生光浪涌现象[7]。

如何抑制光浪涌现象是海缆传输系统中必须解决的一个问题，传统的解决办法是降低信号的功率或探测脉冲光的功率。采用模拟海缆线路的方式，搭建了20级EDFA级联传输线路，通过改变信号功率与脉冲功率的大小来对末端光浪涌情况进行测试。从总体上来说，降低脉冲信号的功率对光浪涌的改善效果更明显。

实验最后一级EDFA的监控口使用光/电转换探头，通过示波器抓取相关波形来测试浪涌大小。图5所示为不同信号功率叠加不同脉冲信号功率的光浪涌。由图5(a)和图5(b)可知，在叠加2 dBm的恒定脉冲信号功率、业务信号功率输出在11和8 dBm的情况下，信号功率变化幅度分别为ΔV=125.38 和358.74 mV，即在脉冲功率不变的情况下，信号功率越低，光浪涌现象越明显，浪涌功率越大；如图5(c)所示，将脉冲信号功率降低至-1 dBm，业务信号输出功率恒定为11 dBm，对比图5(a)和图5(c)可知，信号功率变化幅度分别为ΔV=125.380 0和15.872 4 mV，也即信号功率输出不变的情况下，脉冲功率越低，光浪涌现象越小，浪涌功率越低。

图5 不同信号功率叠加不同脉冲信号功率的光浪涌图Figure 5 Different signal power superimposes different pulse signal power light surge diagram

在实际海缆传输系统中，信号功率降低会直接影响传输距离，而探测脉冲光降低将影响探测效果，均对海缆传输系统有不利的影响。如何消除光浪涌现象，在保证信号传输距离的前提下，也能确保光缆监测的准确性一直是业界难题。

为了更好地解决光浪涌现象，在海缆传输系统中有效利用C-OTDR技术，本文引入了频移键控(Frequency-Shift Keying,FSK)技术[8]。采用一路与探测光脉冲互补的填充光，使二者合成为准连续光，可以很好地消除光浪涌，如图6所示。

图6 基于FSK技术的C-OTDR系统Figure 6 C-OTDR system based on FSK

FSK技术下的探测光虽然在时域上是一个连续的光，如图7所示，但在频域上依然是离散的，实际上的连续探测光还是以脉冲形式存在。

图7 100 μs脉冲C-OTDR探测光Figure 7 100 μs pulsed C-OTDR probe light

2.2 C-OTDR技术在海缆传输系统中的应用

海底光缆传输系统一般需要传输几千km距离，每隔100～120 km放置一个RPT。RPT内部使用EDFA放大单元，一般情况下EDFA需要放置光隔离器用来隔离信号反射光对EDFA性能的影响。所以C-OTDR探测脉冲光信号的瑞利反射也是无法穿过EDFA器件的。为了解决探测光的反向瑞利散射光的返回路径, 一般海缆系统在RPT内部将反向瑞利散射光耦合到另一根反向传输链路中, 利用反向传输光纤作为探测光瑞利反射的返回途径。

当中间光缆出现中断时，探测光瑞利反射光的返回路径也中断，表现在曲线上时为断点，如图8所示，通过两端探测方式分析断点位置，结合海缆布放路由路径即可定位到具体的故障地点，再安排施工船进行修理。

图8 C-OTDR探测曲线Figure 8 C-OTDR detection curve

近年来，国内多家单位通过采用上述分析的相关技术联合开发了C-OTDR样机，并在相关实验室中对25跨系统超过2 500 km模拟海缆线路做了测试，对C-OTDR的动态范围、分辨率、盲区、断点和多跨曲线等相关项目做了较为完整的测试，获得了不错的测试数据。

实验室模拟海缆系统如图9所示。

图9 模拟25跨海缆传输系统Figure 9 Simulation of 25 cross-sea cable transmission system

相关测试数据如表1所示。

由表可知，C-OTDR技术完全可以在超长距带中继海缆传输系统中应用，无论是动态范围还是定位精度和断点的探测能力都能满足相应的要求，未来随着海洋网络建设的持续发展，相信业界在C-OTDR技术上也会挖掘潜力，做进一步的优化探索。

3 结束语

本文主要介绍了C-OTDR相关技术原理和在海缆系统中的应用情况，采用相干探测技术的C-OTDR能够有效消除多级EDFA级联自发ASE带来的影响，延长了探测距离，同时可采用FSK技术消除光浪涌影响，通过增加瑞利反射回路方式可应用于海底带有中继系统的传输线路中，有效解决了海缆传输系统的检测和故障定位难题。文章第二部分给出了C-OTDR样机在模拟海缆系统中的测试效果，也验证了该技术的可用性，为后续的系统应用提供了参考，相信随着海洋网络的持续建设和发展，C-OTDR技术也会进一步得到优化。