基于單光子探測(cè)的光子計(jì)數(shù)光時(shí)域反射儀研究進(jìn)展

劉旭，劉波*，饒?jiān)平?*

（1.之江實(shí)驗(yàn)室 智能感知研究院 光纖傳感研究中心，浙江 杭州 311100；2.電子科技大學(xué) 光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731）

1 引言

光纖分布式傳感器現(xiàn)如今已在交通軌道橋梁的壓力監(jiān)測(cè)、通信光纜的斷點(diǎn)監(jiān)測(cè)、故障定位、石油氣井溫度監(jiān)測(cè)、海底光纜水聲探測(cè)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用［1-4］?；诠鈺r(shí)域反射技術(shù)（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）的光纖分布式傳感系統(tǒng)通過檢測(cè)由脈沖泵浦信號(hào)引發(fā)的傳感光纖中的時(shí)域反射信號(hào)可以完成對(duì)整個(gè)傳感光纖特性的分布式監(jiān)測(cè)，相比于點(diǎn)式傳感器具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用成本優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的OTDR 分布式傳感系統(tǒng)，一般使用模擬探測(cè)的線性光電探測(cè)器，如PIN 管或雪崩光電二極管對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行接收探測(cè)。此類光電探測(cè)器的探測(cè)噪聲會(huì)隨著探測(cè)帶寬的增大而增大，另一方面，其相應(yīng)的靈敏度也會(huì)有所下降，造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍（傳感距離范圍）的下降。而系統(tǒng)探測(cè)帶寬也是影響系統(tǒng)最小可以分辨?zhèn)鞲泄饫w中兩個(gè)事件能力即空間分辨率的重要因素。因此傳統(tǒng)的OTDR 系統(tǒng)無(wú)法兼顧傳感距離和高空間分辨率的要求。隨著航空航天、現(xiàn)代化工業(yè)等軍民應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，其對(duì)OTDR 系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。如何解決傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)在空間分辨率和傳感距離范圍的發(fā)展瓶頸是亟待解決的關(guān)鍵問題。

光子計(jì)數(shù)OTDR 基于單光子探測(cè)和時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的OTDR 探測(cè)系統(tǒng)。通過采用單光子探測(cè)技術(shù)，大大提高了弱光檢測(cè)能力，符合為提高系統(tǒng)空間分辨率對(duì)反射光信號(hào)的高靈敏探測(cè)要求，同時(shí)采用時(shí)間相關(guān)的數(shù)字化探測(cè)記錄系統(tǒng)，消除了傳統(tǒng)模擬探測(cè)高帶寬引發(fā)的大噪聲等不利因素，從而相比傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)可同時(shí)獲得更高空間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，突破傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)的性能極限。近年來(lái)，隨著量子信息等交叉領(lǐng)域?qū)W科的快速發(fā)展，帶動(dòng)了單光子探測(cè)相關(guān)技術(shù)的躍進(jìn)，基于單光子探測(cè)的極弱光信號(hào)測(cè)量相關(guān)領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展［5-6］?；趩喂庾犹綔y(cè)的光子計(jì)數(shù)OTDR，在系統(tǒng)性能指標(biāo)上陸續(xù)取得了一系列突破，相比于傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)在性能指標(biāo)上有著顯著優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)光子計(jì)數(shù)OTDR 進(jìn)行了系統(tǒng)地技術(shù)性總結(jié)和研究進(jìn)展綜述，對(duì)該技術(shù)在的關(guān)鍵性能指標(biāo)尤其是空間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍、傳感距離等參數(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比，闡明了光子計(jì)數(shù)OTDR的優(yōu)劣勢(shì)，旨在通過本文的綜述，促進(jìn)基于單光子探測(cè)的光子計(jì)數(shù)OTDR 在新時(shí)期的高水平發(fā)展。

本文的安排如下，第二章主要闡述OTDR 的三種基本物理機(jī)理，第三章主要對(duì)光子計(jì)數(shù)OTDR 特點(diǎn)進(jìn)行了綜述，包括傳統(tǒng)OTDR 存在的問題，光子計(jì)數(shù)OTDR 的基本原理等。第四章主要對(duì)光子計(jì)數(shù)OTDR 的發(fā)展進(jìn)行了綜述，第五章對(duì)目前光子計(jì)數(shù)OTDR 的一些應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，最后一章是本文的結(jié)論和展望。

2 OTDR 的物理機(jī)理

目前，分布式光纖傳感器的物理機(jī)理主要是基于入射光與光纖材料相互作用激發(fā)的光學(xué)散射效應(yīng)，如瑞利散射，拉曼散射，布里淵散射。沿著傳感光纖的外部擾動(dòng)如溫度應(yīng)力可以通過反射光信號(hào)的幅值、頻率、偏振或者相位等信息體現(xiàn)出來(lái)并進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量，如可基于反射瑞利信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行光纖損耗、斷點(diǎn)監(jiān)測(cè)等，基于不同溫度下拉曼散射及布里淵散射強(qiáng)度的不同實(shí)現(xiàn)分布式溫度傳感等應(yīng)用［7-8］。OTDR 是在時(shí)域上對(duì)反射光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量解調(diào)的系統(tǒng)。圖1 所示為產(chǎn)生散射光信號(hào)的頻譜示意圖，圖中包含了瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射信號(hào)。

圖1 典型自發(fā)散射光頻譜圖Fig.1 Spectral figure of typical spontaneous scattering

圖中中心峰的位置是瑞利散射，其散射光信號(hào)頻率與入射光頻率一樣，因此瑞利散射是彈性散射。瑞利散射源于入射光子與粒子或遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的材料折射率浮動(dòng)之間的相互作用，其散射信號(hào)強(qiáng)度高度依賴入射光波長(zhǎng)，與入射光頻率的四次方成正比，頻率愈高則散射愈強(qiáng)。基于瑞利散射的OTDR 分布式光纖傳感系統(tǒng)通常用來(lái)進(jìn)行光纖鏈路損耗測(cè)量、斷點(diǎn)監(jiān)測(cè)、故障定位等應(yīng)用。鄰近中心瑞利反射峰的兩個(gè)峰是布里淵散射分量，源于光子與聲學(xué)聲子在光纖傳播中的相互作用。而遠(yuǎn)處反射峰則是拉曼散射，可描述為光子與光學(xué)聲子之間發(fā)生的相互作用。由于散射光與入射光之間發(fā)生了頻移，布里淵散射和拉曼散射都是非彈性散射。相對(duì)于入射光子，低頻散射光子稱為斯托克斯（Stokes）分量，高頻散射光子稱為反斯托克斯（Anti-Stokes）分量。基于拉曼散射的OTDR 分布式光纖傳感器通常用來(lái)進(jìn)行分布式溫度傳感，基于布里淵散射效應(yīng)的OTDR 通常用來(lái)做分布式溫度、應(yīng)力傳感等。

3 光子計(jì)數(shù)OTDR 基本原理

3.1 傳統(tǒng)OTDR 的限制

在一個(gè)典型的傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)中，脈沖激光注入到傳感光纖中激發(fā)自發(fā)散射效應(yīng)，沿著傳感光纖產(chǎn)生的背向反射光信號(hào)最終通過PIN 管或者雪崩二極管進(jìn)行探測(cè)。這種使用模擬探測(cè)的傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)，在系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)如空間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍上會(huì)受到一定程度的限制。在激發(fā)光脈沖寬度較窄時(shí)，相應(yīng)的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間（τ）越快即帶寬越大，則系統(tǒng)的空間分辨率Δz越小，一般而言，兩者的關(guān)系在單模光纖中可以表示為［9-10］：

其中，c/neff為光纖中光的傳播速度。

隨著探測(cè)器帶寬的增大，探測(cè)器噪聲一般也會(huì)隨之增大，造成系統(tǒng)信噪比的惡化。另一方面，系統(tǒng)的靈敏度可表示為［11］：

其中：NEP 為探測(cè)器的噪聲等效功率，N為數(shù)據(jù)平均次數(shù)。可見，探測(cè)器的噪聲等效功率和帶寬直接影響系統(tǒng)的靈敏度。提高空間分辨率的同時(shí)，系統(tǒng)的靈敏度變小，進(jìn)而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，也即相當(dāng)于最遠(yuǎn)傳感距離范圍。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍DR可表示為最大后向散射功率Pback與Pmin之比［12］，即：

從式（3）可以看到，在平均次數(shù)、探測(cè)器帶寬和后向散射功率不變情況下，探測(cè)器的NEP 越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍越大，也意味著可以獲得更遠(yuǎn)的傳感距離范圍。

由以上分析可知，在傳統(tǒng)的OTDR 系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)高空間分辨率，需要減小脈沖寬度，減小探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間也即增大探測(cè)器帶寬。而模擬探測(cè)系統(tǒng)中的光電探測(cè)器如雪崩二極管（Avalanche Photo Diode，APD）工作在線性

區(qū)域，帶寬越大，探測(cè)器噪聲也越大，靈敏度越差，同時(shí)其可實(shí)現(xiàn)的NEP 也有限，最終限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。因此傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)無(wú)法在實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)兼?zhèn)涓呖臻g分辨率，且受探測(cè)器NEP 限制，存在性能瓶頸。針對(duì)兩者矛盾，最簡(jiǎn)單的一種解決辦法是保持脈沖寬度不變的情況下，通過提高脈沖峰值功率來(lái)增加動(dòng)態(tài)范圍提高信噪比，但在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)受到多種條件限制，如受激布里淵和受激拉曼的發(fā)生，以及激光器的成本、可靠性等。

3.2 光子計(jì)數(shù)OTDR 的基本原理

光子計(jì)數(shù)OTDR 與傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)的主要區(qū)別在于探測(cè)系統(tǒng)和數(shù)字采集系統(tǒng)。從3.1 節(jié)可以看出，當(dāng)提高系統(tǒng)的空間分辨率時(shí)，反射光子流會(huì)變?nèi)?。光子?jì)數(shù)OTDR 采用單光子探測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子水平光信號(hào)的極弱光探測(cè)能力。如典型的半導(dǎo)體單光子雪崩光電二極管，通過施加高于擊穿電壓的反向高壓，使其工作在蓋革模式［13-14］，單個(gè)光子信號(hào)便可觸發(fā)雪崩現(xiàn)象，形成相應(yīng)的電流信號(hào)，對(duì)應(yīng)的探測(cè)噪聲取決與單光子探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)率（即沒有輸入光情況下時(shí)探測(cè)器的平均計(jì)數(shù)率）。圖2 所示為兩種二極管工作模式示意圖［15］。

圖2 兩種雪崩二極管工作模式示意圖［15］Fig.2 Working modes of two kinds of APD［15］

單光子探測(cè)器對(duì)應(yīng)的噪聲等效功率NEP 可表示為［11］：其中：h為普朗克常量，v為光子頻率，η為單光子探測(cè)器探測(cè)效率，pdc為暗計(jì)數(shù)率。由此可見，系統(tǒng)NEPPC與探測(cè)帶寬無(wú)關(guān)。以目前的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器為例，其典型的噪聲等效功率一般為10-18，低于傳統(tǒng)模擬探測(cè)器的NEP值約6 個(gè)數(shù)量級(jí)。更低的NEP 值、更高的探測(cè)靈敏度意味著可以兼顧空間分辨率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高的動(dòng)態(tài)范圍。相關(guān)文獻(xiàn)中也討論了高靈敏度對(duì)提升空間分辨率的影響，如當(dāng)工作在1.55 μm波段的光子計(jì)數(shù)OTDR 的靈敏度比傳統(tǒng)OTDR高5 dB 時(shí)，空間分辨率提高了約100 倍，達(dá)到厘米量級(jí)［16-17］。此外，光子計(jì)數(shù)OTDR 采用的數(shù)字采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖信號(hào)的數(shù)字化甄別，使探測(cè)器輸出標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)，進(jìn)而采用時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)器，對(duì)脈沖到達(dá)時(shí)間進(jìn)行精確記錄。系統(tǒng)通過重復(fù)性地測(cè)量反射信號(hào)與激發(fā)脈沖之間的時(shí)間間隔，建立光子計(jì)數(shù)—時(shí)間直方圖，從而恢復(fù)出沿著傳感光纖的反射信號(hào)軌跡，示意圖如圖3 所示。

圖3 光子計(jì)數(shù)-時(shí)間直方圖Fig.3 Histogram of photon counting and time

基于單光子探測(cè)的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)方案檢測(cè)過程具有離散性，一方面能夠檢測(cè)單光子水平的超低功率光信號(hào)，系統(tǒng)性能提升不再受噪聲等效功率的限制，另一方面，這種數(shù)字化的離散探測(cè)記錄方式使得系統(tǒng)空間分辨率與探測(cè)帶寬無(wú)關(guān)，可以很好地克服傳統(tǒng)OTDR 中存在的瓶頸，實(shí)現(xiàn)超高空間分辨率及高動(dòng)態(tài)范圍的OTDR 系統(tǒng)。

4 光子計(jì)數(shù)OTDR 的發(fā)展

光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)的發(fā)展可以分為以下幾個(gè)方面，包括系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備器件的技術(shù)發(fā)展如單光子探測(cè)技術(shù)［14，18-20］、數(shù)字采集技術(shù)的發(fā)展［21］、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提升［22］等。這幾個(gè)方面的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)如空間分辨率、動(dòng)態(tài)范圍傳感距離、更新時(shí)間等都有直接的影響。

4.1 關(guān)鍵器件的發(fā)展

4.1.1 探測(cè)系統(tǒng)

1980 年，Healey 使用基于硅的單光子雪崩二極管（Si-APD），在850 nm 工作波段，實(shí)現(xiàn)了單向損耗超過40 dB 的多模光纖故障診斷光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)［23］。但是由于探測(cè)器探測(cè)效率較低，系統(tǒng)接收到反射光子較少，完成對(duì)傳感光纖的診斷需要接近1 h 的積分時(shí)間。次年，Healey 采用液氮制冷77 K 溫度環(huán)境下的鍺（Ge）單光子雪崩二極管作為探測(cè)系統(tǒng)，在1.32 μm 波段基于瑞利散射對(duì)單模光纖損耗、故障點(diǎn)進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)，最終測(cè)量得到了在37 km 長(zhǎng)單模光纖下20 dB 的動(dòng)態(tài)范圍和100 m 的空間分辨率［24］。后續(xù)，Healey對(duì)光子計(jì)數(shù)OTDR 的特點(diǎn)及與傳統(tǒng)基于模擬探測(cè)的OTDR 的性能做了對(duì)比，體現(xiàn)出了光子計(jì)數(shù)OTDR 實(shí)現(xiàn)更優(yōu)系統(tǒng)性能指標(biāo)的潛力［11］。隨后，基于光子計(jì)數(shù)OTDR 得到了廣泛發(fā)展［23，25］。Levine 等人報(bào)道了在近室溫條件下可以工作于單光子計(jì)數(shù)模式的Ⅲ-Ⅴ族InGaAs/InGaAsP/InP分離吸收漸變電荷倍增層結(jié)構(gòu)（Separate Absorption and Multiplication，SAGM）的半導(dǎo)體單光子雪崩光電二極管［26］，相比于Ge-APD，其具有更低的暗計(jì)數(shù)噪聲，而且不需要Ge-APD 需要工作在制冷溫度77 K 的環(huán)境。基于此工作，該研究組使用InGaAs/InP 單光子雪崩光電二極管實(shí)現(xiàn)了1.3 μm 波段的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)［27］，系統(tǒng)探測(cè)的靈敏度極限達(dá)到3×10-14W，工作溫度為-44 ℃。通過改進(jìn)探測(cè)器工藝，在低電阻率Zn摻雜的p+-InP 基底上生長(zhǎng)SAGM 區(qū)域，該小組成功實(shí)現(xiàn)了室溫條件下的1.3 μm 波段基于瑞利散射的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)［28］，系統(tǒng)探測(cè)靈敏度達(dá)到與使用制冷溫度為77K 條件下的Ge-APD光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)相同的水平。后續(xù)該研究小組將此系統(tǒng)工作波段遷移至1.5 μm 的光纖低損耗通信波段，實(shí)現(xiàn)室溫環(huán)境下的1.5 μm 波段的光子計(jì)數(shù)OTDR，實(shí)現(xiàn)了50 km 長(zhǎng)度范圍的折射率匹配光纖端面的探測(cè)。

Stierlin 等人基于光電倍增管單光子探測(cè)和時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，在850 nm 工作波段實(shí)現(xiàn)了基于拉曼散射效應(yīng)的分布式溫度傳感器［29］，其裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示。探測(cè)脈沖信號(hào)激發(fā)光纖中的拉曼散射效應(yīng)，產(chǎn)生溫度敏感的拉曼散射信號(hào)，系統(tǒng)中通過光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）單光子探測(cè)和數(shù)字采集系統(tǒng)對(duì)光子進(jìn)行探測(cè)和采集記錄。

圖4 基于PMT 探測(cè)的分布式溫度傳感系統(tǒng)［29］Fig.4 Distributed temperature sensing system based on detection of PMT［29］.

在圖4 所示方案中，系統(tǒng)依賴重復(fù)性測(cè)量激光二極管脈沖與探測(cè)器探測(cè)到的后續(xù)反射的第一個(gè)反斯托克斯光子之間的時(shí)間延遲信息，以此來(lái)恢復(fù)傳感光纖的反射拉曼軌跡信號(hào)。單光子探測(cè)器輸出脈沖經(jīng)過放大器放大后，接著通過了一個(gè)甄別器（Discriminator）來(lái)判別輸出標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)。探測(cè)脈沖信號(hào)與反射光子之間的時(shí)間差由時(shí)間-脈沖高度轉(zhuǎn)換器（Time to Pulse Height Converter，TPHC）進(jìn)行測(cè)量。此信息進(jìn)而通過多通道分析儀（Multi-Channel Analyzer，MCA）進(jìn)行積累和分類，簡(jiǎn)單來(lái)說，MCA 通過將不同時(shí)間延遲的事件進(jìn)行積累和分類，建立光子數(shù)和時(shí)間延遲的直方圖，恢復(fù)反射信號(hào)軌跡。此系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)在于對(duì)反射光子的利用效率低，每個(gè)探測(cè)脈沖后只使用了一個(gè)光子信息。為了使測(cè)量時(shí)間縮短，探測(cè)脈沖的重復(fù)頻率必須盡可能地高，但是另一方面也會(huì)受到傳感光纖長(zhǎng)度的限制，以保證不同探測(cè)脈沖反斯托克斯信號(hào)之間不會(huì)發(fā)生重疊。最終，此系統(tǒng)在110 m 長(zhǎng)多模光纖下最 高可實(shí)現(xiàn)0.1 m 的空間分辨率［29］，在1～3 min 時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)溫度分辨率1～4 ℃，相比基于傳統(tǒng)模擬探測(cè)的OTDR 系統(tǒng)有了較大提高?；诠怆姳对龉軉喂庾犹綔y(cè)器和鍍金膜、碳膜的傳感光纖，Ricardo 等人實(shí)現(xiàn)了高溫分布式傳感系統(tǒng)［30］，在20 m 長(zhǎng)光纖條件下，空間分辨率達(dá)到10 cm，檢測(cè)溫度高至550 ℃，溫度分辨率為2 ℃，積分采集時(shí)間為60 s。在此方案中，基于PMT 的探測(cè)器效率約為4%，在一定程度上限制了系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展。

1.5μm 通信波段是光纖的低損耗窗口，適合構(gòu)建高性能的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)。2005 年，來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)和日本NTT 公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)利用PPLN 波導(dǎo)（Periodically Poled Lithium Niobate waveguide）進(jìn)行1.5 μm 近紅外通信波段到可見光的頻率上轉(zhuǎn)換，結(jié)合硅雪崩二極管實(shí)現(xiàn)了1.5 μm 單光子探測(cè)器，論證了基于此探測(cè)器的光子計(jì)數(shù)OTDR系統(tǒng)［31-32］。次年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用基于PPLN 的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器和低時(shí)間抖動(dòng)的單光子計(jì)數(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)了厘米量級(jí)的高空間分辨率光子計(jì)數(shù)OTDR系統(tǒng)［33］。圖5 所示為其基于PPLN 波導(dǎo)的頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)系統(tǒng)模塊示意圖。基于PPLN 波導(dǎo)中發(fā)生的和頻產(chǎn)生效應(yīng)，一個(gè)1 550 nm 波長(zhǎng)的光子和一個(gè)980 nm波長(zhǎng)的光子可以產(chǎn)生一個(gè)600 nm 波長(zhǎng)的光子，進(jìn)而通過棱鏡和濾波器后通過單光子雪崩光電二極管SPAD 進(jìn)行探測(cè)。

圖5 基于PPLN 頻率上轉(zhuǎn)換的單光子探測(cè)系統(tǒng)模塊圖［33］Fig.5 Set-up of the single photon detection system based on PPLN waveguide［33］

2013 年，中科大研究團(tuán)隊(duì)通過使用長(zhǎng)泵浦和體光纖光柵，實(shí)現(xiàn)了超低噪聲的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器，噪聲等效功率約為-，基于此超低噪聲單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了42.19 dB 動(dòng)態(tài)范圍的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)，并進(jìn)行了約217 km 傳感光纖范圍的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)［34］。圖6 所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖。

圖6 217 km 傳感光纖范圍的光子計(jì)數(shù)OTDR 裝置圖［34］Fig.6 Setup of photon counting OTDR with sensing fiber of 217 km［34］

隨著單光子探測(cè)技術(shù)水平的持續(xù)發(fā)展，更低噪聲、低時(shí)間抖動(dòng)、更高探測(cè)效率及計(jì)數(shù)率的單光子探測(cè)器逐漸實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化，如基于超導(dǎo)納米線的單光子探測(cè)器。相應(yīng)地，光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)的性能也逐漸得到提升，其相比于傳統(tǒng)OTDR 的優(yōu)勢(shì)也更好地體現(xiàn)了出來(lái)。

2011 年，Tanner 等人使用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，在1 550 nm 通信波段實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為1.2 cm 的分布式光纖拉曼溫度傳感器［35］，圖7 為其溫度測(cè)量結(jié)果示意圖。通過小于60 s的積分采集時(shí)間便可恢復(fù)出傳感光纖的溫度演化，不過此工作中傳感光纖長(zhǎng)度較短，僅有約2.8 m。該研究小組后續(xù)又對(duì)系統(tǒng)溫度測(cè)量的不確定度進(jìn)行了分析，得到在60 s 的積分采集時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)1 cm 空間分辨率的溫度不確定度為3 K［36］。

圖7 1.2 cm 空間分辨率的傳感光纖溫度分布測(cè)量圖［35］Fig.7 Temperature measurement of distributed sensing fiber with 12 mm spatial resolution［35］

2012 年，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)Hu 等人基于超導(dǎo)納米線探測(cè)器超低噪聲等效功率、高計(jì)數(shù)率和低時(shí)間抖動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)了22 dB 動(dòng)態(tài)范圍的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)［12］，相當(dāng)于110 km 的傳感光纖范圍。相繼地，美國(guó)耶魯大學(xué)Schuck 等人開發(fā)了低噪聲波導(dǎo)耦合的超導(dǎo)納米線NbTiN 單光子探測(cè)器，探測(cè)器時(shí)間抖動(dòng)為50 ps，暗計(jì)數(shù)率僅為3 Hz，其噪聲等效功率與超導(dǎo)納米線的偏壓電流關(guān)系如圖8（a）所示（彩圖見期刊電子版）。圖中紅色曲線為白天條件下的結(jié)果，藍(lán)色曲線為最小環(huán)境光條件下的結(jié)果，其中黑點(diǎn)為基于此探測(cè)器開發(fā)的瑞利散射光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)中探測(cè)器的工作點(diǎn)。最終此光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)取得了37.4 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，超過200 km 的傳感距離范圍［37］。圖8（b）所示為采集10 min，傳感光纖在111 km 附近的反射信號(hào)情況，可以看到系統(tǒng)空間分辨率約為10 m。

圖8 （a）系統(tǒng)噪聲等效功率與納米線偏壓電流關(guān)系（b）超導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的傳感光纖在111 km 附件的反射信號(hào)［12］Fig.8 （a）System noise equivalent（NEP）as a function of bias current in units of critical current（b）Backscattered signal from the FUT at around 111 km as detected with the single photon detector［12］

基于瑞利散射的光子計(jì)數(shù)OTDR 的性能指標(biāo)陸續(xù)取得了一系列突破。2015 年，南京大學(xué)Zhao 等人實(shí)驗(yàn)報(bào)道實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到46.9 dB的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)最大傳感距離為246.8 km，兩點(diǎn)事件的空間分辨率為100 m［38］。

4.1.2 采樣系統(tǒng)

光子計(jì)數(shù)OTDR 的研究進(jìn)展除了其中單光子探測(cè)器的發(fā)展，另一項(xiàng)比較重要的方面是數(shù)字采集系統(tǒng)的發(fā)展。部分?jǐn)?shù)字采集系統(tǒng)會(huì)與探測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，用于甄別單光子引發(fā)的脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電平（LVTTL 或NIM）信號(hào)，使探測(cè)器進(jìn)行數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)輸出。早期光子計(jì)數(shù)OTDR 的數(shù)字采集系統(tǒng)僅為兩通道采樣器［23］，通過外部脈沖控制采樣器以步進(jìn)的方式完成對(duì)傳感光纖的掃描，采樣周期對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的空間分辨率，且這個(gè)過程只適用于在每個(gè)采樣周期探測(cè)到多于一個(gè)光子的概率很小的情況，通過重復(fù)性測(cè)量累積恢復(fù)出每個(gè)采樣周期的光子數(shù)目。為了提高系統(tǒng)工作效率，提升采樣速度，多通道線性數(shù)字采樣系統(tǒng)被提出［24］，來(lái)充分利用每個(gè)激發(fā)脈沖生成的散射光子信號(hào)。不過基于此系統(tǒng)，同樣需要以掃描的方式完成對(duì)傳感光纖反射光子的監(jiān)測(cè)?；诟咚贂r(shí)鐘和邏輯器件，多光子時(shí)間計(jì)數(shù)技術(shù)被實(shí)現(xiàn)［39］，其可實(shí)時(shí)對(duì)反射光子流信號(hào)進(jìn)行高速記錄，直接反映出沿著傳感光纖發(fā)生的時(shí)間信息?；谠摷夹g(shù)后來(lái)又發(fā)展出來(lái)較為成熟的時(shí)間相關(guān)多通道單光子計(jì)數(shù)技術(shù)（TCSPC）。

時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）系統(tǒng)通過記錄探測(cè)脈沖的電信號(hào)和反射信號(hào)光子經(jīng)過探測(cè)器輸出的電平脈沖的時(shí)間信息恢復(fù)沿著傳感光纖的反射信號(hào)軌跡，其對(duì)探測(cè)器輸出電脈沖信號(hào)的時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確性影響系統(tǒng)對(duì)反射信號(hào)的測(cè)量精度，進(jìn)而影響系統(tǒng)的空間分辨率。而探測(cè)器輸出的對(duì)光子信號(hào)的響應(yīng)電脈沖信號(hào)在幅值上會(huì)存在抖動(dòng)，如果僅僅通過簡(jiǎn)單的水平觸發(fā)信號(hào)來(lái)確定時(shí)間會(huì)存在時(shí)間測(cè)量的偏差。圖9 中左圖為采用簡(jiǎn)單的水平觸發(fā)信號(hào)獲得脈沖時(shí)間方法示意圖，可以看到當(dāng)脈沖信號(hào)幅值不同時(shí)，通過水平觸發(fā)信號(hào)獲得的時(shí)間信息存在偏差。圖9 右圖所示為采用橫比甄別器（CFD，Constant Fraction Discriminator）技術(shù)確定不同幅值情況下電脈沖的時(shí)間信息，可看到脈沖幅值的浮動(dòng)變化對(duì)時(shí)間的確定無(wú)影響［40］。

圖9 水平觸發(fā)（左）與CFD 工作模式（右）的對(duì)比示意圖［40］Fig.9 Comparison between level trigger（left）and CFD operation（right）［40］

在早期的TCSPC 系統(tǒng)中，探測(cè)脈沖信號(hào)的同步脈沖與經(jīng)過CFD 獲得的反射信號(hào)響應(yīng)電脈沖信號(hào)隨后輸入到時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換器（Time to Amplitude，TAC）。TAC 由同步脈沖觸發(fā)，由另一個(gè)脈沖截止，其輸出結(jié)果為一個(gè)正比于兩個(gè)信號(hào)時(shí)間差的電壓信號(hào)，如圖10 所示。TAC 的輸出結(jié)果進(jìn)一步輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器［40］（Analog to Digital Converter，ADC），提供數(shù)字時(shí)間信息進(jìn)行直方圖的建立。在這樣的系統(tǒng)中，ADC 的轉(zhuǎn)換速度需要非?？靵?lái)保證系統(tǒng)的死時(shí)間非常短，另一方面，它需要在整個(gè)幅值范圍保證一個(gè)良好的線性度，同時(shí)滿足這兩個(gè)條件非常困難。此外，TAC 的范圍也是有限的。因此后來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，TAC 和ADC 任務(wù)只需要通過一個(gè)數(shù)字電路來(lái)完成，即時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time to Digital Converter，TDC），使得TCSPC 系統(tǒng)更加高效，且結(jié)構(gòu)緊湊、低成本和小型化。通過結(jié)合高時(shí)間精度的TDC 和高速現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），探測(cè)系統(tǒng)在高速數(shù)據(jù)采集下進(jìn)行高精度時(shí)間測(cè)量，由2020 年Felipe 等人報(bào)道的工作可知，系統(tǒng)在20 min 時(shí)間采集下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)12 km 傳感光纖范圍厘米精度的事件監(jiān)測(cè)［41］。

圖10 TAC 工作原理示意圖［40］Fig.10 Operation principle of a TAC［40］

基于高性能的單光子探測(cè)，結(jié)合時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)技術(shù)（TCSPC），光子計(jì)數(shù)OTDR 性能水平得到了極大地提高。表1 對(duì)比了基于不同類型單光子探測(cè)器及數(shù)字采集技術(shù)的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)的性能指標(biāo)情況。

從表1 中可以看到光子計(jì)數(shù)OTDR 的發(fā)展及性能指標(biāo)的提升情況。如基于高探測(cè)效率和低噪聲的SNSPD 的Raman 光纖分布式溫度光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，最小空間分辨率可以達(dá)到1 cm［35］。在長(zhǎng)距離和高分辨的實(shí)現(xiàn)上，Cleitus 等人實(shí)現(xiàn)了傳感距離50 km，空間分辨率為3 m 的Raman-OTDR分布式溫度系統(tǒng)［43］。相比傳統(tǒng)Raman-OTDR 受限于模擬探測(cè)器的帶寬和噪聲，在空間分辨率為1 m 情況下，可實(shí)現(xiàn)的傳感距離一般為10 km（數(shù)據(jù)源于AP Sensing 公司商用產(chǎn)品）。在實(shí)驗(yàn)室條件下，Liu 等人通過設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一種大模場(chǎng)直徑和低模間色散的折射率漸變的少模光纖（GI-FMF），最高實(shí)現(xiàn)了25 km 傳感距離，1.13 m空間分辨率的指標(biāo)［44］，與光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)仍存在差距。此外，對(duì)于基于瑞利散射的OTDR 方面，光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)的傳感距離已經(jīng)突破200 km，空間分辨率為100 m，遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)（傳統(tǒng)距離200 km，空間分辨率為千米量級(jí)［38］），在長(zhǎng)距離大范圍尺度的故障檢測(cè)定位中具有重要應(yīng)用潛力。

表1 基于不同類型探測(cè)器和采集技術(shù)的光子計(jì)數(shù)OTDR 性能指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparisons of photon counting OTDR based on different detector and digital data sampling technologies

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除了系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備器件的技術(shù)發(fā)展外，光子計(jì)數(shù)OTDR 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有一定的發(fā)展如門控方案［16，45-46］、無(wú)限散射技術(shù)［47-48］等。

由于光子計(jì)數(shù)OTDR 依賴重復(fù)性測(cè)量，通過對(duì)光子的統(tǒng)計(jì)恢復(fù)出傳感光纖的光子反射信號(hào)軌跡，因此受限于單光子探測(cè)器飽和計(jì)數(shù)率，總體而言光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)需要一定時(shí)間來(lái)積累光子數(shù)據(jù)，效率較低。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，2002 年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)Scholder 等人使用大探測(cè)門寬信號(hào)來(lái)使單光子探測(cè)器工作在門控模式［16］，有效提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，但是空間分辨率則有所犧牲。

2019 年，電子科技大學(xué)Li 等人提出了一種外時(shí)間門控技術(shù)［46］，通過在單光子探測(cè)器前加入高速光開關(guān)，從而將OTDR 曲線劃分為N段，每段寬度由時(shí)序門控信號(hào)決定，以此完成對(duì)整個(gè)曲線的掃描。圖11 所示為系統(tǒng)裝置圖、給光開關(guān)提供的門控信號(hào)序列圖及有無(wú)門控情況下仿真的OTDR 軌跡圖（藍(lán)色為無(wú)門控信號(hào)，彩圖見期刊電子版）。

圖11 （a）外時(shí)間門控光子計(jì)數(shù)OTDR 裝置原理圖（b）給光開關(guān)提供的門控信號(hào)序列圖（c）有無(wú)門控信號(hào)下仿真的60 m 光纖鏈路的OTDR 軌跡［46］Fig.11 （a）Schematic diagram of externally time-gated PC-OTDR（b）Gating signals provided to optical switch（c）Simulated OTDR traces of 60 m fiber link［46］

對(duì)于每一段曲線的測(cè)試，都可以通過提升探測(cè)強(qiáng)度使得反射光子流累積速度增加，以此有效提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍及更新時(shí)間，相比于無(wú)門控方案，相同采集時(shí)間下，動(dòng)態(tài)范圍提高了11 dB。此外，為了解決光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)中窄脈沖在長(zhǎng)距離傳輸過程中的色散展寬問題，Li 等人實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)限散射計(jì)數(shù)的光子計(jì)數(shù)OTDR［48-49］，采用寬脈沖代替窄脈沖注入傳感光纖，利用單光子探測(cè)器對(duì)其充滿光纖過程中產(chǎn)生的后向信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，通過對(duì)相鄰時(shí)間通道內(nèi)的光子數(shù)做差分運(yùn)算即可得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的后向信號(hào)，進(jìn)而分析出被測(cè)傳感光纖的傳輸情況。不同于傳統(tǒng)OTDR，無(wú)限散射技術(shù)是采用差分運(yùn)算方式得到的散射單元的后向散射強(qiáng)度，因此它的空間分辨率不再受激光脈沖寬度影響，而僅與采樣時(shí)間Δt有關(guān)，因此長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)無(wú)限散射OTDR具有色散無(wú)關(guān)的特性。此外，還有基于布里淵散射效應(yīng)的光子計(jì)數(shù)分布式溫度傳感系統(tǒng)工作被報(bào)道［50-54］、具備自校準(zhǔn)自參考功能的準(zhǔn)分布式光纖布拉格光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)［55］等。

通過以上對(duì)光子計(jì)數(shù)OTDR 發(fā)展的綜述，可以看到光子計(jì)數(shù)的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵攻關(guān)方向主要分為兩個(gè)方面。一方面集中在基于光子計(jì)數(shù)OTDR 的特點(diǎn)，通過改變傳統(tǒng)OTDR 的探測(cè)和采集系統(tǒng)，引入單光子探測(cè)和時(shí)間分辨的單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，提升突破傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。如提升基于瑞利散射的OTDR 系統(tǒng)的故障定位能力和動(dòng)態(tài)范圍，改善基于拉曼散射OTDR 的分布式溫度傳感的溫度分辨率、空間分辨率能力等。另一方面的研究熱點(diǎn)和攻關(guān)方向主要集中在光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)本身性能的提升。如實(shí)現(xiàn)兼顧長(zhǎng)距離高分辨的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)；提升系統(tǒng)的工作效率，通過采用門控方案提升對(duì)單光子探測(cè)器的利用效率，進(jìn)而縮短整個(gè)系統(tǒng)的更新時(shí)間等方向上。

5 光子計(jì)數(shù)OTDR 的應(yīng)用

光子計(jì)數(shù)OTDR 因其可實(shí)現(xiàn)更高性能的分布式光纖傳感，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ?6-63］。目前光子計(jì)數(shù)OTDR 的實(shí)際應(yīng)用主要集中在基于瑞利散射的分布式光纖故障檢測(cè)、定位［17］，分布式光纖PH 值測(cè)量［57，64］，無(wú)源光通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)［56，58-60］，航空電子光纖鏈路監(jiān)測(cè)［45，63］等領(lǐng)域。

2004 年，日內(nèi)瓦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)Wegmuller 等人通過使InGaAs/InP 單光子探測(cè)器工作在可控門模式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)［17］，其可高效地對(duì)地鐵環(huán)境中光纜故障進(jìn)行定位診斷，此系統(tǒng)還可對(duì)傳感光纖的雙折射變化進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于識(shí)別鏈路的問題區(qū)域十分有幫助。

此外，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Saunders 等人基于Luciol Instruments 實(shí)現(xiàn)的光子計(jì)數(shù)OTDR，利用多模大芯徑的塑料光纖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PH 值的分布式測(cè)量［57］。研究人員在距離光纖末端4 m 的位置處，通過丙酮對(duì)塑料光纖的包層進(jìn)行去除。之后，將裸纖侵入到甲基紅水溶液中，PH 值通過滴入濃鹽酸來(lái)改變。系統(tǒng)中使用650 nm 的探測(cè)光，利用其沿傳感光纖PH 值不同導(dǎo)致的吸收損耗不同的特性，進(jìn)而建立在傳感光纖不同位置處反射光信號(hào)強(qiáng)度與PH 值的關(guān)系軌跡，實(shí)現(xiàn)分布式傳感。該系統(tǒng)中，使用多模大芯徑塑料光纖的好處是其倏勢(shì)場(chǎng)強(qiáng)度比多模大芯徑玻璃光纖傳感器高一個(gè)數(shù)量級(jí)，與外界環(huán)境的相互作用更強(qiáng)，更容易激發(fā)高階模式，提高傳感器靈敏度。不過塑料光纖的傳輸損耗較大，在650 nm 處為79 dB/km，不適宜進(jìn)行長(zhǎng)距離的分布式測(cè)量，且塑料光纖的包層為氟化PMMA 材料，通過丙酮溶液去除方式易導(dǎo)致其表面不光滑，影響傳感器性能。

無(wú)源光通信網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）的在線健康運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)也是光子計(jì)數(shù)OTDR 的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。瑞士的Sunrise Telecom 公司基于光子計(jì)數(shù)技術(shù)研發(fā)了高靈敏度高空間分辨率的瑞利散射OTDR，并將其應(yīng)用于PON 的測(cè)試和監(jiān)測(cè)［56］。方案中使用了工作在蓋革模式的單光子雪崩光電二極管探測(cè)器，并且專門設(shè)計(jì)了光子計(jì)數(shù)電子學(xué)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源輸出探測(cè)脈沖的控制和探測(cè)器工作模式的控制，其示意圖如圖12（a）所示。一方面，時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)脈沖發(fā)生器，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)激光器輸出探測(cè)脈沖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)脈沖脈寬的控制。另一方面，時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)可變時(shí)延器，通過可變時(shí)延器的輸出控制門電路來(lái)決定探測(cè)脈沖激發(fā)傳感光纖后單光子雪崩二極管探測(cè)器的開啟時(shí)間。這也是基于雪崩二極管的工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)二極管偏壓小于擊穿電壓時(shí)，倍增因子太低不足以觸發(fā)判別器，探測(cè)器相當(dāng)于處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)偏壓大于擊穿電壓時(shí)，探測(cè)器開啟，工作在蓋革模式，通過偏壓的偏移可以很方便地控制探測(cè)器在某個(gè)時(shí)間、時(shí)間段處于關(guān)閉和開啟狀態(tài)。圖12（b）為應(yīng)用于一個(gè)典型PON 測(cè)試的配置實(shí)例。

圖12 （a）光子計(jì)數(shù)OTDR 的光電電路示意圖（b）光子計(jì)數(shù)OTDR 測(cè)試使用的PON 網(wǎng)配置（c）PON 鏈路尾部OTDR 軌跡的放大圖［56］Fig.12 （a）Optoelectronic circuit of the photon-counting OTDR（b）PON configuration for photon counting OTDR testing（c）Zoom OTDR trace to the end of the PON link［56］

上述工作實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，第一個(gè)8 端口耦合器的其中一個(gè)端口通過1.6 km 的光纖連接了第二個(gè)8 端口耦合器，8 個(gè)輸出端口尾纖長(zhǎng)度較短，系統(tǒng)的總的單向損耗為24 dB。圖12（c）為放大的鏈路末端不同端口的OTDR 反射信號(hào)軌跡。圖12（c）中上方曲線為采用脈寬300 ns，75 ns 步進(jìn)采集的信號(hào)軌跡，可以看到系統(tǒng)不能夠分辨出第二個(gè)8 端口不同尾纖長(zhǎng)度。圖12（c）下圖為光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)工作在高分辨率，脈寬2 ns，步進(jìn)長(zhǎng)度500 ps 情況下獲得的結(jié)果，系統(tǒng)可以很好地區(qū)分8 個(gè)反射事件，體現(xiàn)出了光子計(jì)數(shù)OTDR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。2014 年，巴西里約熱內(nèi)盧天主教大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)Amaral 等人開發(fā)了一種可調(diào)光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)，并測(cè)試其在波分復(fù)用-無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）中的實(shí)際應(yīng)用［58-59］。在WDMPON 中，通信數(shù)據(jù)的上行數(shù)據(jù)傳輸一般使用C波段，下行數(shù)據(jù)傳輸一般使用S 波段。為了監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)健康情況，該系統(tǒng)使用了波長(zhǎng)循環(huán)型陣列波導(dǎo)光柵（cyclic AWG）其他在S-C-L-U-波段都具有32 個(gè)0.8 nm 間隔的通道，因此系統(tǒng)可選擇L 波段作為光子計(jì)數(shù)OTDR 的監(jiān)測(cè)波段。對(duì)于每個(gè)下行C 波段，都有對(duì)應(yīng)的S 或L 波段可以使用，提供上行或者光監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過相同光路徑，作為下行數(shù)據(jù)通道。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明這種方法對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸質(zhì)量沒有影響，可完成WDM-PON網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)。

此外，2019 年，中國(guó)電子科技大學(xué)Li 等人在850 nm 工作波段，實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用化低成本的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于航空機(jī)載32 芯光纜的故障監(jiān)測(cè)［45，63］。目前國(guó)外的Luciol Instruments，Sunrise Telecom 等公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分光子計(jì)數(shù)OTDR 的實(shí)際成果轉(zhuǎn)化和商品化，但在國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的商業(yè)化仍處于空白階段。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從光子計(jì)數(shù)OTDR 的發(fā)展背景、物理機(jī)理到光子計(jì)數(shù)OTDR 的基本原理、發(fā)展歷程及應(yīng)用做了系統(tǒng)地綜述。通過本篇綜述，可知光子計(jì)數(shù)OTDR 相比傳統(tǒng)OTDR 的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，更多的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)基于OTDR的光纖分布式傳感系統(tǒng)提出了更高的要求，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天飛行器溫度等對(duì)測(cè)試儀器的空間分辨測(cè)量精度等都有較高要求?；趩喂庾犹綔y(cè)的光子計(jì)數(shù)OTDR 可以突破傳統(tǒng)光纖分布式傳感器的性能極限，解決其在特定場(chǎng)景的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)厘米甚至毫米級(jí)的空間分辨率和較高的動(dòng)態(tài)范圍及傳感距離，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

光子計(jì)數(shù)OTDR 同樣存在一定的局限性，如大部分系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的更新時(shí)間較長(zhǎng)。光子計(jì)數(shù)OTDR 基于單光子探測(cè)技術(shù)對(duì)背向反射的單光子水平散射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并且累積實(shí)現(xiàn)對(duì)沿著傳感光纖的信號(hào)軌跡恢復(fù)。由于光纖損耗，處于傳感光纖末端的反射光子流信號(hào)較弱，因此需要更多的積分時(shí)間來(lái)獲取完整信號(hào)。同時(shí)，由于單光子探測(cè)系統(tǒng)存在飽和計(jì)數(shù)率，為了避免探測(cè)脈沖引起的反射光子信號(hào)在傳感光纖初始段造成探測(cè)器飽和，探測(cè)脈沖強(qiáng)度不能過大。解決此問題的思路可以從最大化利用探測(cè)系統(tǒng)資源入手。在系統(tǒng)中可使用可變光衰減器和統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)源，動(dòng)態(tài)控制探測(cè)脈沖的強(qiáng)度和脈寬，在傳感光纖起始初段時(shí)，減小探測(cè)脈沖強(qiáng)度，使探測(cè)脈沖引起的反射信號(hào)光子不足以造成探測(cè)器的飽和。在傳感光纖較遠(yuǎn)位置處，增大探測(cè)脈沖強(qiáng)度，使探測(cè)脈沖引起的反射信號(hào)光子增多，使探測(cè)器工作在最高效的狀態(tài)。此外，時(shí)鐘信號(hào)源可以動(dòng)態(tài)控制探測(cè)器的啟用和停止，使其工作在門控的工作狀態(tài)，這樣系統(tǒng)可以特定的窗口范圍完成對(duì)整個(gè)傳感光纖的掃描，如在強(qiáng)探測(cè)脈沖情況下跳過傳感光纖起始初段范圍的信號(hào)接收。在激光器輸出可控探測(cè)脈沖的配合下，使探測(cè)器始終工作在最高效的狀態(tài)，充分利用探測(cè)資源，高效完成對(duì)反射信號(hào)的收集探測(cè)，最終可大幅提高系統(tǒng)的采集速度及更新時(shí)間。

從以上討論也可以看到，單光子探測(cè)器的性能很大程度上決定了光子計(jì)數(shù)OTDR 的性能尤其是系統(tǒng)的更新時(shí)間。從提高光子計(jì)數(shù)OTDR的系統(tǒng)工作效率方面考慮，研發(fā)具有高飽和計(jì)數(shù)率的單光子探測(cè)器對(duì)光子計(jì)數(shù)OTDR 的發(fā)展具有較大幫助。另一方面，從系統(tǒng)實(shí)用化方面考慮，更低成本的單光子探測(cè)器也是促進(jìn)光子計(jì)數(shù)OTDR 實(shí)用化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

基于光子計(jì)數(shù)OTDR 的特點(diǎn)和目前存在的局限性，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高效在線的光子計(jì)數(shù)OTDR 系統(tǒng)以及如何降低光子計(jì)數(shù)OTDR 的成本、實(shí)現(xiàn)具有抗干擾能力強(qiáng)、小型化的實(shí)用化系統(tǒng)是光子計(jì)數(shù)OTDR 未來(lái)的重要發(fā)展方向。