基于VC的少模时域反射仪研究

发布时间：2020-09-28 12:10

　　随着大数据、云计算、5G等新技术的不断发展,数据流量呈现爆发式增长,对传输带宽的需求不断攀升。传统的单模光纤系统容量预计在未来20年内将达到香农极限,因此研究新型光纤解决带宽容量问题迫在眉睫。为此,研究人员提出了模分复用技术,该技术以少模光纤为传输介质,利用模式之间的正交性使信号通过不同模式进行独立传输,从而实现扩容,解决了单模光纤通信的带宽极限问题。然而,少模光纤具有自身的一些特征参数,如模式耦合、模式相关损耗等。因此,在实际应用中,测量这些参数是必要的,这对于设计优化少模光纤结构、评价少模光纤质量都是至关重要的。光时域反射仪是测量光纤参数、评价光纤质量的重要仪器。而目前商用的光时域反射仪是基于单模光纤的背向瑞利散射原理实现的,无法实现多个模式同时测量。而要研究少模光纤,就需要对少模光纤的不同模式进行同时测量。因此需要研究一种可以测量少模光纤各个模式特性的少模时域反射仪。本文设计了少模时域反射仪的结构,详细阐述了少模时域反射仪的硬件与软件各个模块的功能。软件系统在VC平台下进行开发。重点阐述了软件中的参数设置模块,数据处理模块与控制显示模块。最后通过所研制的少模时域反射仪样机进行了6模光纤的实验测量。本文首先,通过麦克斯韦方程组分析了少模光纤的模式特性,通过洛伦兹互易定理证明了少模光纤的模式正交性。根据背向捕获理论建立了少模光纤的背向瑞利散射模型,为少模时域反射仪的实现提供了理论依据。然后,设计了少模时域反射仪的系统结构,并且对少模时域反射仪的工作过程进行了说明。对少模时域反射仪的硬件系统的各个组成部分进行了详细的阐述。着重说明了少模时域反射仪软件系统的实现过程。软件是在VC平台下进行开发。软件系统采用模块化的设计方法,分为初始化模块、参数设置模块、数据处理模块、控制显示模块和数据保存模块。重点介绍了参数设置模块,数据处理模块与控制显示模块。参数设置模块重点说明了激光器、FPGA、高速数据采集卡与上位机软件的数据传输方式。数据处理模块重点实现了软件系统的数据处理算法,包括数据平均算法、卡尔曼滤波算法、故障定位算法。控制显示模块重点说明了波形的绘制方法,如坐标变换,双缓冲等。接着,研制少模时域反射仪样机,对硬件与软件进行联合调试。用该少模时域反射仪对4km和12km的6模光纤进行测量。分析了少模时域反射仪的性能指标。然后改变测量参数,分析不同参数对测量结果的影响。通过模拟反射事件与非反射事件,成功对少模光纤的故障进行了定位。测量了少模光纤的基模与高阶模的模式相关损耗、模式耦合。最终在实验上验证了少模时域反射仪的功能。最后,对全文的主要工作进行总结,对本文实现的少模时域反射仪进行了客观的分析,并且对未来少模时域反射仪的优化方向,进行了展望。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

光纤,结构示意图,少模光纤

由于光纤本身制造工艺不足，自身的损伤以及外界的致不同模式的信号出现串扰，影响了少模光纤的实用化特性，从而设计优化少模光纤结构，加速少模光纤的实绍了少模光纤及其模式理论。接着分析了少模光纤的少模光纤的背向瑞利散射模型。提出了少模时域反射仪能参数进行了阐述。类称光纤，它是一种可以传输光信号的载体。由于其具有设以及便于大批量制造等优良性能而成为通信中最重要用于光通信主干网作为传输介质[50]。光纤是一种圆柱形涂覆层三部分组成，纤芯的折射率大于包层，保证了信射。光纤结构如下图所示：

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图 2.2 背向瑞利散射示意图裂或者连接头处，由于光纤纤芯和空气的折射率不同，会在菲涅尔反射。菲涅尔反射系数远远大于背向瑞利散射系数，增大的功率。菲涅尔反射可以用来检测光纤链路的不连续点在 z 处产生了菲涅尔反射，那么在接收端收到的功率为： 20azP z P e ·······························纤的背向瑞利散射模光纤，少模光纤具有多个传输模式，要对少模光纤进行分此目前单模光纤、多模光纤的背向瑞利散射原理不适用于少纤的时域反射仪就必须研究少模光纤的背向瑞利散射。所以瑞利散射模型[57]。

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图 2.2 背向瑞利散射示意图在光纤断裂或者连接头处，由于光纤纤芯和空气的折射率不同，会在纤芯与空气的分界面处发生菲涅尔反射。菲涅尔反射系数远远大于背向瑞利散射系数，因此接收端会收到一个突然增大的功率。菲涅尔反射可以用来检测光纤链路的不连续点。假设光纤在 z 处产生了菲涅尔反射，那么在接收端收到的功率为： 20azP z P e ········································ （2.32.2.2 少模光纤的背向瑞利散射不同于单模光纤，少模光纤具有多个传输模式，要对少模光纤进行分析就必须区分各个模式，因此目前单模光纤、多模光纤的背向瑞利散射原理不适用于少模光纤，要研究测量少模光纤的时域反射仪就必须研究少模光纤的背向瑞利散射。所以本节建立了少模光纤的背向瑞利散射模型[57]。

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