少模光纤损伤测量及故障检测技术研究

发布时间：2020-03-19 17:34

【摘要】：在全球数据流量爆发式增长的背景下,发展新型传输技术是学术界和工业界竞相研究和角逐的热点。基于少模光纤的模分复用技术通过利用空间模式的正交性进行空间分集复用,能突破传统单模光纤通信的非线性香农极限,成倍的提升了光纤通信系统的容量,是解决未来光通信网“带宽危机”最具竞争力的扩容方案。然而,少模光纤中模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗严重劣化了模分复用系统的传输性能,限制了系统的传输距离;另外,少模光纤的每个空间模式的传输特性各具差异性,及不同模式之间存在相互作用,这使得少模光纤链路故障检测比单模光纤更为复杂。因此,研究少模光纤损伤测量和故障检测技术是一件重要的工作。这对于量化损伤与少模光纤参数之间关系、优化设计少模光纤结构、提供模分复用系统损伤补偿理论依据,改善系统传输性能等方面具有重要意义。本文紧紧围绕少模光纤损伤测量及少模光纤链路故障检测问题,在深入分析少模光纤不同损伤机理及少模光纤链路故障特性的基础上,分别对少模光纤模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗测量及少模光纤链路故障检测理论和方法进行了深入的研究。本文的主要工作内容及创新点具体包括以下三个方面:1.针对少模光纤前端菲涅尔反射引入的衰减盲区所造成的模式耦合测量误差较大问题,提出了一种基于双光子灯笼+少模光纤环形器的模式耦合分布测量系统方案。首先基于少模瑞利散射幅值分析的模式耦合理论建立了模式耦合测量数学模型,然后通过测量支持不同模式数量少模光纤的模式耦合分布,对所提出的系统方案测量性能进行实验验证。实验结果表明:所提出测量系统方案通过去除自由空间光路部分,有效的消除了少模光纤前端菲涅尔反射及衰减盲区,在一定程度上改善了模式耦合的测量精度,并可实现不同类型光纤模式耦合分布的测量。此外,针对少模光纤中非激发模式背向瑞利散射微弱信号对模式耦合测量精度影响问题,在原有测量方案的基础上提出基于自适应小波阈值降噪的模式耦合测量方法。通过改善各空间模式背向散射幅值波动,实现模式衰减特征信息的提取,保证模式耦合比曲线的稳态分布。实验结果表明:该方法进一步提升了模式耦合的测量精度,与此同时,改善了测量系统的动态范围,能够很好地满足长距离少模光纤链路模式耦合分布的测量。2.针对模式复用器串扰对少模光纤模式相关损耗测量精度的限制问题,通过结合截断法和脉冲响应测量技术,提出基于可调模式功率比的模式相关损耗测量方法,并通过测量支持不同模式数量少模光纤的模式相关损耗,对所提出的测量方法性能进行实验验证。实验结果表明:该方法对于低消光比模式复用器具有较强的鲁棒性,在一定程度上改善了模式相关损耗的测量精度。其次,为了实现选择性测量所需空间模式之间的差分模式群时延,降低相近时延模式之间的相互影响,提出了一种改进的基于模式选择性激发的少模光纤差分模式群时延测量方法,并实验验证了该方法的可行性。最后,考虑到上述测量方法单一参数测量效率低及测量系统复杂度较高等问题,提出一种基于少模光纤瑞利散射幅值分析的模式相关损耗和差分模式群时延同步测量方法。通过对各空间模式的背向瑞利散射幅值分布测量,并结合少模光纤模式特性参数的数学模型,进行非线性方程组求解,实现两种损伤参数的同步测量。实验结果表明:该方法可方便、准确的实现对两种损伤参数的同步测量,在很大程度上降低了系统的复杂度及成本,且具有很好的扩展性,可用于支持更高模式数量少模光纤的测量。3.针对低阶模故障检测灵敏度较低问题,提出了基于高阶模式的少模光纤故障检测方法。首先对少模光纤熔接处不同空间模式的耦合特性进行了实验验证分析,证实了高阶模式更容易表征少模光纤熔接处的故障幅值损耗特性,其故障检测灵敏度更高。然后通过实验验证了该方法在不同熔接质量条件下的故障检测性能,实验结果表明:基于高阶模式的少模光纤故障检测方法可实现对不同故障幅值损耗事件的有效表征,进而实现少模光纤链路故障事件的综合评估。此外,针对非激发模式背向散射信号信噪比过低而导致微小事件的检测精度较低及系统响应速度较慢等问题,提出基于?_1趋势滤波的少模光纤故障检测方法。该方法通过利用其分段线性最优估计特性,对各空间模式背向瑞利散射信号进行趋势滤波估计,实现对故障事件的特性表征及定位。实验结果表明:基于?_1趋势滤波的故障检测方法可以改善各空间模式的故障检测灵敏度,进而实现微小故障事件的有效表征及较高的检测效率。本文通过对少模光纤损伤产生机理和少模光纤链路熔接点耦合损耗特性的深入研究,分别提出了适用于少模光纤模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗损伤参数测量及少模光纤链路故障检测的新方法。所提出的方法在损伤测量及故障检测精度,实现的复杂性以及系统成本等方面具有一定程度的改善,为进一步研究面向多模式、多场景、多参量同时测量的少模光纤链路的智能监测、损伤测量和故障定位提供了参考。
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光纤通信技术

业发生了举世瞩目的变革，促成了诸如大数据、云计算、物联网等互联网平台务与现代制造业的完美融合，逐渐形成了以互联网为实现工具和基础设施的发新形态，与此同时，深化发展“互联网+先进制造业”战略得到了国家的高度视。在这种发展新形态下，网络带宽的需求势必达到一个全新的高度。根据思科预测，到 2022 年全球各类互联网设备每月产生的 IP 数据流量将达 396EB[2]，这种呈现爆炸式增长态势的网络容量需求，促使光纤通信技术不断新（如图 1.1 所示）[3,4]：从低损耗光纤和低噪声半导体激光器的实现到光时分用（Optical Time Division Multiplexing, OTDM）[5]等技术的提出，有效的提升单模光纤单波长下的通信速率。自上世纪 90 年代，波分复用（Wavelengthvision Multiplexing, WDM）[6]和掺铒光纤放大器（Erbium-doped Optical Fiberplifier, EDFA）[7]技术相结合，成为光通信领域一次重要意义的技术革命，一面为光纤链路的扩容增加了新的维度，通过在单模光纤上复用多个波长的扩容式，，成倍提升了光通信系统容量；另一方面，EDFA 在 1550nm 波段良好的放性能，促使单模光纤通信系统在 1550nm 波段传输性能快速飞跃。

维度,复用,光信号,物理

呈指数型增长，那么容量带宽需求就会超越单模光纤系统的容量极限逾越的光通信网络“带宽危机”[16]。因此，探索和发展新型、低成本的光通信传输技术势在必行。为了应对如此庞大的网络容量，国内外研究人员纷纷致力于长距离、技术的研究。目前，已有的光网络扩容技术主要包括：光时分复用技）、波分复用技术（WDM）、光正交频分复用技术（OFDM）、偏(PDM)以及高阶的正交幅度调制技术（QAM）等，如图 1.2 所示。这以传统单模光纤为传输媒质来实现光网络的扩容，其中单模光纤光波、时间、相位、偏振等自由度均被充分利用，然而仍无法满足日益需求。未来若要成倍的提升光纤通信系统的容量，应对传统光网络中带宽危机”，只有探索脱离 SMF 的新的空间物理维度来实现。近年为自由度的空分复用技术（Space division multiplexing, SDM）[17-19]成域的一大研究热点，被认为是突破传统单模光纤通信容量极限，极大信系统的容量，解决未来光通信网“带宽危机”最具竞争力的扩容方
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253

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