高分辨率光頻域反射計的發展和應用1引言光頻域反射計(OFDR)、光時域反射計(OTDR)和光學相干域反射計(OCDR)作為精確的測量方法已被廣泛應用于從工程學到醫學的各個領域。OTDR是通過分析后向反射光的時間差和光程差之間的關系來進行測量的，它的分辨率依賴于光源的脈沖寬度。OCDR和OFDR都是通過用寬帶光源進行層析而得到非常高的分辨率的。其中，OFDR因能應用于各種范圍的高精度測量和具有大的動態范圍而吸引了研究者的興趣。OTDR是目前較為普遍的測量方法，但由于它的分辨率依賴于光源的脈沖寬度，因此只適合于較長距離的測量，同時它的分辨率也比OFDR的差。比如，MW9076型OTDR在用于測量10 km左右的光纖時，所需要的脈沖寬度為l0 ns，空間分辨率為=0.1 m。而在2000年，KoichiroNakamura用FSF激光器作為光源，得到了分辨率為20mm、測量量程為18.5km的OFDR系統.由此可見，OFDR技術的分辨率達到了cm量級，比OTDR的精確。因此OFDR技術的發展和應用前景相當廣闊。2基本原理OFDR系統(結構見圖l)是基于光源掃頻和光外差探測等原理建立的高分辨率測量系統。它的分辨率和測量量程主要取決于光源的調頻調制方式和光外差探測的分辨率。下面主要介紹光源調制方式和光外差探測的原理和方法。2.1光源的調制方式OFDR系統的光源需要一定的頻率啁啾，但為了方便OFDR系統的商業化應用，大部分實驗系統都是采用半導體激光器作為光源，然后再運用各種方法對光源進行頻域調制的。光源頻域調制結果的好壞會直接影響整個系統的分辨率和測量范圍，因此光源的調制是OFDR系統中最重要的一個環節。圖2所示為眾多方法中一種較為成功的光源調制方式，該調制方式采用聲光調制技術。光源掃頻后的輸出特性如圖3所示，其中是聲光調制的聲波頻率；為光子在腔內的往返時間；為斜率。運用這種調制方式，能夠得到較高的分辨率和較大的測量范圍。較為常用的光源為DBR激光器(分布式布拉格反射激光器)。其中最具代表性的是SSG-DBR激光器。Takuji Amano等采用這種光源做出了高分辨率的OFDR系統，他們采用的激光器的調制波長范圍為1533nm-1574nm，掃頻速率達到0.01nm/us。OFDR技術的光頻域探測也是影響整體分辨率的一個關鍵部分，其探測部分采用的是光外差探測方法。光外差探測是一種全息探測技術，具有轉換增益高、分辨率高和濾波性能好等優點。光頻外差探測所用的探測器，只要光譜響應和頻率響應合適，原則上和直接探測所用的光電探測器相同。因為光頻外差探測基于兩束光波在光電探測器光敏面上的相干效應，所以光頻外差探測也常常被稱為光波的相干探測。2.2光外檫探測如圖1的系統結構圖所示，光外差探測是基于邁克爾遜干涉原理的一種探測方法，光源輸出的線性調頻光束被分光鏡分為兩束光，其中一束光經固定反射器之后，再經分光器射向光電探測器，其頻率為，稱為參考光；另一束光經藕合器注人光纖，再經反射或散射返回，其頻率為，稱為信號光。信號光經分光鏡射向光電探測器.兩束光在光敏面上發生干涉，光電探測器只響應差頻(-)分量，亦稱為中頻。于是輸出差頻分量的光電流，經過信號處理，便可測出中頻的值。以FSF激光器為例，根據激光器的輸出特性(見圖3)，可以知道信號光和參考光的路程差為式中，n為光纖的折射率，為聲光調制的聲波頻率，為光子在腔內的往返時間。知道了路程差，則所要探測的距離即可得到。而該系統的空間分辨率為該系統的最大量程為式中，為光源頻率啁啾。由上式可知，當增大光源頻率調啾時，可以提高系統的分辨率，測量量程也將增大。正是因為這樣，OFDR技術吸引了越來越多學者的關注.3發展現狀和應用OFDR主要有三種應用：光通信網絡診斷、集成光路診斷和層析技術.這些應用的差別在于它們對OFDR系統的要求不同，而其技術差別主要在于光源部分的調制方式不同。在層析技術中應用時，要求測量量程為幾個毫米，測量精度為幾十個微米。Gofubovic等用高速波長可調摻鎂橄欖石晶體激光器作為光源，組建了一個高分辨率的OFDR系統，它的分辨率為15，測量量程為毫米量級。S.H.Yun等人驗證了一種分辨率達到13.5的OFDR系統。為尋求OFDR系統的商業化，國外許多研究單位對采用半導體激光器作為光源的OFDR系統進行了研究和探討。他們嘗試用各種方法對半導體激光器光源進行頻域調制，以達到OFDR系統的要求，比如采用電流注入法、溫度調制法、腔外光柵調制法或者腔外電光相位調制法等。H.Hiratsuka等人通過用光柵調制光源，使OFDR的分辨率達到了47，測量量程達到了1mm。集成光路診斷需要比層析技術更大的測量量程。Glomhitza等用磷化錮光波導結構得到了分辨率為50、測量范圍為25mm的OFDR系統。當調制光源時，注入電流的變化、殘余振幅調制和非線性頻率調啾會使系統的分辨率變差。用頻率均衡器可以使頻率惆啾線性化，優化系統的分辨率，使系統的分辨率達到1mm，并使測量量程達到lm。光通信網絡的診斷需要使用波長為1.3或1.55的光源，OFDR系統的測量量程必須大很多。Sorin等人用波長為1.32的ND:YAG激光器作為光源，得到了較長的相干長度，使測量范圍達到了50km，實驗中的分辨率達到了380m。Tsuji等人用波長為1.55的Er-Yb激光器作為光源，并使用了摻Er光纖放大器，得到了50m的分辨率，測量量程則達到了30km。隨著光源調頻技術的日益成熟，OFDR的分辨率得到了很大的提高。Y.Koshikiya等人運用SSB調制技術在量程大于5km時成功地得到cm量級的分辨率。4結束語在oFDR系統中，最為