相干光時域反射儀技術與應用

劉中華，龔浩敏，吳 巖，張益昕

(1.中國科學院聲學研究所，北京 100190； 2.烽火通信科技股份有限公司，武漢 430073；3.南京大學 光通信工程研究中心，南京 210023)

0 引 言

隨著全球網絡全國際互聯協議(Internet Protocol,IP)化和寬帶多媒體業務驅動數據通信尤其是互聯網的爆發式發展，國際間通信對傳輸容量的要求不斷提升。海纜傳輸作為當代國際通信的重要手段，承載了包括互聯網業務、語音業務以及跨國公司專線業務等90%以上的國際通信業務，是國際信息化發展的主要載體。

與傳統的陸地傳輸系統相比，海底傳輸系統具有鋪設難度高、可靠性要求高、超高抗水壓能力以及傳輸距離超長等特點，這就要求在海底光纜發生故障時能夠準確快速定位故障。在普通陸地傳輸系統中，當光纜故障發生時，可使用光時域反射儀(Optical Time-Domain Reflectometry，OTDR)來準確檢測光纜故障點，實施快速修復。但在有中繼器(Repeater，RPT)的海底傳輸系統中，由于RPT內摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA)的反向自發輻射噪聲對反向瑞利散射有較大影響，大大降低了普通OTDR測量的信噪比和動態范圍，因而無法準確檢測故障點。目前針對海底傳輸系統，業界一般采用相干光時域反射儀(Co-herent Optical Time-Domain Reflectometer，C-OTDR)技術來進行海纜故障檢測[1]。

1 C-OTDR技術基本原理

1.1 海底光纖傳輸系統介紹

在了解C-OTDR技術之前，需要先了解海纜傳輸系統。海纜傳輸系統主要分為海底設備和陸上設備兩大部分。海底設備主要包括海底光纜(Submarine Optical Cable)、RPT和分支單元(Branching Unit，BU)等設備；陸上設備包括海纜線路監測(Submarine Line Monitor，SLM)、海纜線路終端設備(Submarine Line Terminal Equipment，SLTE)、饋電設備(Power Feed Equipment，PFE)和網絡管理系統(Network Management System，NMS)等。

各類業務通過SLTE進行匯聚和光/電轉換后通過海纜進行傳輸，RPT內的EDFA對信號進行放大以便有效延伸傳輸距離，當存在多點之間業務上下話需求時，可以通過BU完成，同時BU可以對電能進行切換，保障海纜線路維修安全，日常運行采用NMS和SLM設備進行運行狀態監控和故障的定位。

根據實際傳輸距離，海纜傳輸系統又可細分為無中繼和有中繼海纜傳輸系統。無中繼海纜傳輸系統一般用在傳輸距離較短的點到點之間的跨海通信中，常見于國內沿海城市之間或沿海城市與相鄰海島之間200～300 km間通信。如圖1所示，有中繼海纜傳輸系統一般用于傳輸距離較長的點到多點之間的跨海通信中，常見于國內沿海城市與距離遙遠的海島、國家與國家之間、大洲與大洲之間的通信，通常傳輸長度在幾千甚至上萬千米。

圖1 有中繼海纜傳輸系統Figure 1 Relay submarine cable transmission system

1.2 OTDR技術及其制約

純凈介質中的光散射是由光子與傳輸介質中的粒子發生彈性或非彈性碰撞引起的，當光波在光纖中前向傳輸時，會在光纖沿線不斷產生反向瑞利散射光，OTDR技術利用的是光纖中折射率分布不均勻引起的瑞利散射，通過檢測其功率來實現對光纖損耗的分布式監測。

將一定功率的激光脈沖注入光纖，當光沿光纖傳輸時，若遇到光纖裂紋、斷點、彎曲、端面不潔和連接頭等情況，反向瑞利散射光功率會有不同的變化，通過檢測沿光纖長度各點返回的反向瑞利散射光功率的信息，分析測定光纖的各項性能，如熔接點、彎曲點、連接頭和光纖裂縫等事件，如圖2所示。

圖2 典型的OTDR探測曲線Figure 2 Typical OTDR detection curve

由于傳統OTDR直接探測反向瑞利散射光功率，通常可以認為光源輸出功率越高，反向瑞利散射光功率越強，探測距離越長，因此傳統OTDR一般采用寬譜光源，避免高功率激光脈沖在光纖傳輸中引起非線性效應影響OTDR性能。

在帶有光中繼放大的傳輸線路中，目前大多采用EDFA來補償信號光的損耗，延長信號光的傳輸距離。由于EDFA自身特性，在對信號進行放大的同時會產生自發輻射噪聲，噪聲的不斷累積會使OTDR測量的信噪比快速下降，導致無法測量。在陸地系統上，可以通過站點間的相關設備管理信息定位到傳輸段落后，剝離EDFA再進行OTDR測量來快速定位光纖具體故障點，但在海底傳輸系統中，RPT一般深埋在海底幾千米的地方，每次打撈將耗費巨大的資金，因此陸地的處理方式不具備可行性，無法探測海底光纜斷點等情況。

相對于傳統OTDR技術，C-OTDR技術能夠濾除絕大部分的放大器自發輻射 (Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪聲，從而提升系統測量的信噪比，延長傳感距離，無懼EDFA的級聯ASE噪聲影響，在多跨距EDFA傳輸系統中依舊能夠實現探測[2]。

1.3 C-OTDR技術原理及其實現

相比傳統的OTDR技術，C-OTDR技術主要利用了相干探測技術。在對無中繼放大器通信線路的監測中，假設反向瑞利散射信號能量Eb為

本振光能量Elo為

式中：Ps、Plo、f0和f分別為反向瑞利散射信號的功率、本振光功率、激光器輸出的頻率以及聲光調制器的頻移量；t為離散時間變量；j為虛數單位。這樣反向瑞利散射信號和本振光二者相干的過程能量E可表示為

于是從光電探測器輸出的光電流I可表示為

式中：e為電子電荷；η為探測器量子效率；h為普朗克常量；ω0為光子頻率。

C-OTDR 技術使用平衡探測器且采用交流耦合輸出，于是相干中頻(Intermediate Frequency，IF)分量Iif可表示為

由上述公式可知，反向瑞利散射信號的功率Ps就集中在此相干IFf上[3]， 所以C-OTDR技術利用OTDR技術和相干接收探測方法來檢測光脈沖在被測光纖中的反向瑞利散射光功率，通過相干探測方法把探測到的信號光功率集中到IF，通過對該頻率的信號進行帶通濾波即可濾除大部分噪聲，使其能穿過EDFA不斷延伸探測距離[4]。

具體實現上，C-OTDR系統通過窄線寬激光器產生一個光源，該光源經過耦合器被分成兩束光[5]，其中一束經過聲光調制器調制后形成脈沖信號，與密集波分復用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)激光器產生的互補信號通過耦合器形成連續信號后再送入脈沖EDFA，經過放大后進入傳輸下行鏈路。另一束光經過擾偏器形成與本振光相位相干信號，與進入下行鏈路的探測光束所返回的瑞利散射光共同耦合后進入光電探測器再通過放大及模/數轉換等一系列處理得出探測曲線。圖3所示為C-OTDR系統結構示意圖。

圖3 C-OTDR系統結構示意圖Figure 3 Schematic diagram of C-OTDR system

C-OTDR技術有效克服了OTDR的缺點，其采用單頻窄線寬激光光源將可探測光信號集中在一個頻率上，探測光信號在被測光纖中的反向瑞利散射與窄線寬激光器光源的相干探測產生一個中頻信號，通過解調該信號的功率就可以得到反向瑞利散射進而得到反射信息，在探測器后設置一個帶通濾波器就可以濾除絕大部分噪聲，圖4所示為濾波前后信號的對比圖。EDFA產生的ASE噪聲對測量的實際干擾也僅集中在探測光附近，從而將ASE噪聲對探測信號的影響降低至可忽略的范圍[6]。

圖4 濾波前后信號對比圖Figure 4 Signal comparison diagram before and after filtering

2 C-OTDR技術的應用

2.1 光浪涌現象

在長距離(1 000 km以上)帶中繼海纜傳輸系統中，一般需要幾十級RPT才能完成傳輸，C-OTDR技術采用的是單脈沖、相干檢測方式對海底光纜進行探測，當執行海纜線路檢測時，探測光信號就會以脈沖形式不斷向海纜線路中發射光信號，此時EDFA中大量鉺離子被激發，在積累到一定程度后，在下一個脈沖過來時，EDFA的增益會在短時間內突然增大造成信號的起伏，具體表現為，在脈沖信號上升過程中，EDFA的泵浦功率被脈沖信號搶占，導致業務信號放大效果降低，也就是業務信號的輸出功率會降低；而當探測脈沖信號下降時，信號功率的放大效果又會加強，從而產生光浪涌現象[7]。

如何抑制光浪涌現象是海纜傳輸系統中必須解決的一個問題，傳統的解決辦法是降低信號的功率或探測脈沖光的功率。采用模擬海纜線路的方式，搭建了20級EDFA級聯傳輸線路，通過改變信號功率與脈沖功率的大小來對末端光浪涌情況進行測試。從總體上來說，降低脈沖信號的功率對光浪涌的改善效果更明顯。

實驗最后一級EDFA的監控口使用光/電轉換探頭，通過示波器抓取相關波形來測試浪涌大小。圖5所示為不同信號功率疊加不同脈沖信號功率的光浪涌。由圖5(a)和圖5(b)可知，在疊加2 dBm的恒定脈沖信號功率、業務信號功率輸出在11和8 dBm的情況下，信號功率變化幅度分別為ΔV=125.38 和358.74 mV，即在脈沖功率不變的情況下，信號功率越低，光浪涌現象越明顯，浪涌功率越大；如圖5(c)所示，將脈沖信號功率降低至-1 dBm，業務信號輸出功率恒定為11 dBm，對比圖5(a)和圖5(c)可知，信號功率變化幅度分別為ΔV=125.380 0和15.872 4 mV，也即信號功率輸出不變的情況下，脈沖功率越低，光浪涌現象越小，浪涌功率越低。

圖5 不同信號功率疊加不同脈沖信號功率的光浪涌圖Figure 5 Different signal power superimposes different pulse signal power light surge diagram

在實際海纜傳輸系統中，信號功率降低會直接影響傳輸距離，而探測脈沖光降低將影響探測效果，均對海纜傳輸系統有不利的影響。如何消除光浪涌現象，在保證信號傳輸距離的前提下，也能確保光纜監測的準確性一直是業界難題。

為了更好地解決光浪涌現象，在海纜傳輸系統中有效利用C-OTDR技術，本文引入了頻移鍵控(Frequency-Shift Keying,FSK)技術[8]。采用一路與探測光脈沖互補的填充光，使二者合成為準連續光，可以很好地消除光浪涌，如圖6所示。

圖6 基于FSK技術的C-OTDR系統Figure 6 C-OTDR system based on FSK

FSK技術下的探測光雖然在時域上是一個連續的光，如圖7所示，但在頻域上依然是離散的，實際上的連續探測光還是以脈沖形式存在。

圖7 100 μs脈沖C-OTDR探測光Figure 7 100 μs pulsed C-OTDR probe light

2.2 C-OTDR技術在海纜傳輸系統中的應用

海底光纜傳輸系統一般需要傳輸幾千km距離，每隔100～120 km放置一個RPT。RPT內部使用EDFA放大單元，一般情況下EDFA需要放置光隔離器用來隔離信號反射光對EDFA性能的影響。所以C-OTDR探測脈沖光信號的瑞利反射也是無法穿過EDFA器件的。為了解決探測光的反向瑞利散射光的返回路徑, 一般海纜系統在RPT內部將反向瑞利散射光耦合到另一根反向傳輸鏈路中, 利用反向傳輸光纖作為探測光瑞利反射的返回途徑。

當中間光纜出現中斷時，探測光瑞利反射光的返回路徑也中斷，表現在曲線上時為斷點，如圖8所示，通過兩端探測方式分析斷點位置，結合海纜布放路由路徑即可定位到具體的故障地點，再安排施工船進行修理。

圖8 C-OTDR探測曲線Figure 8 C-OTDR detection curve

近年來，國內多家單位通過采用上述分析的相關技術聯合開發了C-OTDR樣機，并在相關實驗室中對25跨系統超過2 500 km模擬海纜線路做了測試，對C-OTDR的動態范圍、分辨率、盲區、斷點和多跨曲線等相關項目做了較為完整的測試，獲得了不錯的測試數據。

實驗室模擬海纜系統如圖9所示。

圖9 模擬25跨海纜傳輸系統Figure 9 Simulation of 25 cross-sea cable transmission system

相關測試數據如表1所示。

由表可知，C-OTDR技術完全可以在超長距帶中繼海纜傳輸系統中應用，無論是動態范圍還是定位精度和斷點的探測能力都能滿足相應的要求，未來隨著海洋網絡建設的持續發展，相信業界在C-OTDR技術上也會挖掘潛力，做進一步的優化探索。

3 結束語

本文主要介紹了C-OTDR相關技術原理和在海纜系統中的應用情況，采用相干探測技術的C-OTDR能夠有效消除多級EDFA級聯自發ASE帶來的影響，延長了探測距離，同時可采用FSK技術消除光浪涌影響，通過增加瑞利反射回路方式可應用于海底帶有中繼系統的傳輸線路中，有效解決了海纜傳輸系統的檢測和故障定位難題。文章第二部分給出了C-OTDR樣機在模擬海纜系統中的測試效果，也驗證了該技術的可用性，為后續的系統應用提供了參考，相信隨著海洋網絡的持續建設和發展，C-OTDR技術也會進一步得到優化。