胡文妤 楊操

摘 要：光時域反射儀OTDR是光纖故障測試領(lǐng)域內(nèi)的重要設(shè)備。本文從專利的申請年代分布、申請區(qū)域及重點申請人等角度進行了分析和研究，并以主要技術(shù)指標為線索簡述了OTDR的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：光時域反射儀；OTDR；專利；綜述

0 引言

根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究，預計到2020年，全球光纖測試設(shè)備的銷售營業(yè)額會增加到8.8億美元。報告顯示，2013年全球光纖設(shè)備市場已達到6.038億美元。集成或基于平臺的測試儀器勢頭越來越猛，而光纖檢測設(shè)備表現(xiàn)也不錯，其銷售額在2012年達到4500萬美元。因此，對光時域反射儀OTDR的研究，是光纖故障測試領(lǐng)域內(nèi)十分重要的技術(shù)問題，具有廣泛的市場及不菲的商業(yè)價值。

1 光時域反射儀的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀

從光時域反射儀技術(shù)發(fā)展歷史來看，可以分為三個階段。

第一階段，從上世紀80年代起，當時光纖開始逐漸大規(guī)模應(yīng)用，人為故障和破壞是大部分光纜故障和隱患主因。因此，光纖網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)在當時提出了理論，方式還比較簡單原始，通常采用便攜式OTDR儀器檢測，或者采用OTDR巡檢的技術(shù)來進行光纖網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。第二階段，從上世紀80年代末到90年代末，這段時間光纜用量平均以30%的速度遞增，而原來較早應(yīng)用的一部分光纖由于劣化、人為故障的原因，故障開始頻發(fā)。第三階段，是從20世紀末到21世紀初期，隨著全光絡(luò)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，尤其是當今世界范圍內(nèi)的光纖通信和光電子技術(shù)進入了一個新的時期，基于先進的光電子器件和光信號處理技術(shù)的全光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與設(shè)備快速發(fā)展與應(yīng)用，已經(jīng)徹底改變了整個有線通信網(wǎng)絡(luò)的格局。這時，釆用波分復用WDM和密集波分復用DWDM等技術(shù)與OTDR技術(shù)相結(jié)合對光纖進行監(jiān)控。

2 專利技術(shù)發(fā)展

2.1 基于無源光網(wǎng)絡(luò)的OTDR技術(shù)。在無源光網(wǎng)絡(luò)PON中采用OTDR技術(shù)一般是對插入段處即分光器后的光纖鏈路處的測量，因而需要更大的動態(tài)范圍。由于來自分光器之外的所有分支的所有反向散射和反射是疊加的，因此不可能檢查分光器之外的光纖鏈路屬性；而其他的信號部分地屏蔽了每個分支的OTDR信號，因此應(yīng)用于中心局端的傳統(tǒng)的光時域反射儀不能實現(xiàn)PON系統(tǒng)中的全監(jiān)視功能性。在發(fā)生故障的情況下，所接收的反向散射信號不能明確確定是某個單獨的光纖鏈路分支。

阿爾卡特公司在基于專利EP04291995.1的在先申請之上，于我國申請了《光配線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視方法和系統(tǒng)》（申請?zhí)朇N200510089916）。該申請中，利用由連接到光纖鏈路的最終用戶光網(wǎng)絡(luò)終端來監(jiān)視插入段的任何光纖鏈路，因此能在PON之類的點到多點配線系統(tǒng)中提供光纖鏈路監(jiān)視能力。因此，不會出現(xiàn)反射信號的疊加，使得PON之類的光配線網(wǎng)絡(luò)的嵌入光纖鏈路監(jiān)視成為可能。該發(fā)明可以從用戶端監(jiān)視光配線系統(tǒng)中的光鏈路性能，其中不需要增加動態(tài)范圍以克服PON分光器的損失，增加了服務(wù)可用性，并且能為提供商節(jié)省大量成本。

之后，武漢光迅科技股份有限公司申請了《基于無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光纜監(jiān)測系統(tǒng)》（申請?zhí)朇N200810154327），該研發(fā)結(jié)合了傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，并且做了修改。發(fā)明對傳統(tǒng)的點到多點傳輸網(wǎng)絡(luò)進行了改進，在PON系統(tǒng)的ODN處引入一個1xN多路光開關(guān)，將測試信號繞過ODN，通過多路光開光后，再用WDM合路器與ODN后的每一個分支連接。由于1xN多路光開關(guān)每一次只有一路連通，因此每次測試光只會到達一條支路，使得每次測試信號只能到達一個ONU/ONT，從而實現(xiàn)了將點到多點轉(zhuǎn)變?yōu)辄c到點，使ODTR光路測試技術(shù)可以在點到多點的PON系統(tǒng)中測試每一條支路的狀態(tài)。

2.2 OTDR高空間分辨率。為了在OTDR中得到高空間分辨率，需要將監(jiān)視光的脈沖寬度變窄。此外，如果將監(jiān)視光的脈沖寬度變窄，則為了彌補因為監(jiān)視光的能量降低所導致的測定的信噪比的降低，而需要提高監(jiān)視光的功率。但是這樣可能因為在光線路中出現(xiàn)感應(yīng)布里淵散射等非線性光學現(xiàn)象而產(chǎn)生測定性能的降低或?qū)τ谕ㄐ判盘柕母缮?。因此，在OTDR中，空間分辨率被限制在幾米左右。

住友電氣工業(yè)株式會社基于其優(yōu)先權(quán)JP2008-144903和JP2009-021442，申請了《光線路監(jiān)視裝置及光線路監(jiān)視系統(tǒng)》（申請?zhí)朇N200980120440），可以以高空間分辨率在短時間內(nèi)測定光線路中的反射率分布?？刂撇炕谑筄CDR測定部進行OCDR測定而取得的OCDR測定結(jié)果和使OTDR測定部進行OTDR測定而取得的OTDR測定結(jié)果進行規(guī)定的運算。該裝置能以高空間分辨率在短時間測定反射率分布，可在光通信系統(tǒng)中檢測光纖線路斷裂及傳送損耗增加等故障。

而中科院半導體研究所的申請《波長編碼的光時域反射測試裝置及其測量方法》（申請?zhí)朇N200810240937）需要提供一種測量方式方法，結(jié)構(gòu)簡單的光時域反射測試裝置、動態(tài)范圍大、分辨率高，主要用于解決傳統(tǒng)OTDR（光時域反射儀）分辨率與動態(tài)范圍無法同時提高的問題。該方法是將兩個不同波長的光脈沖組成的編碼光脈沖信號分為探測光信號和參考光信號，探測光信號進入待測光纖鏈路后遇到光纖斷點或損傷點時會產(chǎn)生反射光信號，反射光信號與參考光信號一起進入光電探測器進行拍頻，拍頻信號進入拍頻信號檢測裝置進行觀測和記錄；經(jīng)過調(diào)整，讓兩個光脈沖的時間相隔T1，并觀測記錄對應(yīng)拍頻信號的頻譜。

2.3 盲區(qū)和微弱光信號檢測。普通OTDR在動態(tài)范圍和空間分辨率方面受限，尤其存在無法克服的大動態(tài)光電信號接收盲區(qū)的瓶頸問題；相干OTDR采用光脈沖的相干接收，能在不提高脈沖功率的情況下提高接收機的靈敏度，從而提高OTDR的動態(tài)范圍和信噪比，但是相干探測對光源頻率的穩(wěn)定性要求很高，而且距離分辨率較低。

中國電子科技集團公司第四十一研究所的《一種光時域反射測量裝置及方法》（申請?zhí)朇N201310187847）。光時域反射測量裝置含信號讀出模塊、單光子探測器等，嵌入式計算機根據(jù)程序控制時序控制模塊發(fā)出同步脈沖，觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵脈沖信號，脈沖光源輸出的信號光經(jīng)過衰減器得到合適的光功率，衰減器的輸出光經(jīng)過光定向耦合器注入被測光纖，被測光纖中返回的菲涅爾反射和后向散射光經(jīng)過光定向耦合器進入高速光采樣器。該發(fā)明解決OTDR存在大動態(tài)光電信號接收盲區(qū)，相干探測對光源頻率的穩(wěn)定性要求高，OFDR系統(tǒng)需要的光源為線性掃頻窄線寬激光器，同時光源必須滿足光外差探測條件的問題，本裝置可將空間分辨率精確到厘米量級而不受探測帶寬的限制，提高信噪比。