CN109781389B - 基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置，包括封装好的光学微腔集成混沌激光器，该激光器包括弧形六角激光器和变形微腔，弧形六角激光器一端通过无源波导Ⅱ与变形微腔一端连接，其另一端与无源反馈波导连接，无源反馈波导的端面镀高反射膜，弧形六角激光器另一端与无源波导Ⅰ连接，无源波导Ⅰ输出光至光耦合器，光耦合器将混沌激光分为两束，分别为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，探测光Ⅰ通过光环形器发射到待测光纤线路上，线路中散射或者反射的回波信号经过光电探测器Ⅰ和ADCⅠ量化后输入到信号处理装置；参考光Ⅱ直接发射到光电探测器Ⅱ和ADCⅡ量化后也输入到信号处理装置，两个信号进行互相关处理后得到故障点。

Description

基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置

技术领域

本发明涉及光子集成混沌半导体激光器技术领域，具体为一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置。

背景技术

随着光纤在通信和传感领域的广泛应用，光纤故障检测装置已成为光纤施工检测与故障维修中必不可少的工具。如今商用的光纤故障检测定位方法都是基于光时域反射技术，该技术是时域反射仪在光频范围内的衍生，通过观测光纤后向瑞利散射和菲涅尔反射信号，利用检测到的信号强度和返回时间来探测光纤沿传播方向的衰减特性，进而检测、判断链路中的异常，并确定故障点位置，目前常用的有脉冲式光时域反射技术、伪随机码调制光时域反射技术[EP0269448]和混沌光时域反射技术[CN101226100]。

其中传统的脉冲光时域反射技术存在固有缺陷：若要提高动态范围就必须提高脉冲的峰值功率或加大脉冲宽度，但峰值功率的增加会产生非线性效应致使光纤受损，而脉冲宽度的增加必然导致故障定位的空间分辨率降低；伪随机码调制的光时域反射技术利用伪随机码调制的光脉冲作为探测信号，通过对信号进行相关处理来得到探测点与故障点的距离信息，解决了分辨率与动态范围无法同时提高的矛盾，但伪随机码码长决定了测量范围且产生高速伪随机码的装置价格昂贵；混沌光时域反射技术是基于混沌激光信号的互相关法来实现光纤故障点的检测，混沌激光具有宽带随机振荡特性，较伪随机码信号具有更高的带宽，可以大大提高光时域反射仪的分辨率和动态范围（IEEE Photonics TechnologyLetters , 2008 , 20(19): 1636-1638），使得探测的精度可以达到更高的标准。

但是目前产生混沌激光的方法，大多都是利用半导体激光器及外部分立光学元件搭建而成的（外腔长都在几米到几十米），体积庞大、结构复杂、易受外界环境的影响、输出不稳定。与离散器件组成的装置相比，集成芯片尺寸较小、成本较低、稳定性较好、适用于大批量生产，受许多国家的研究单位关注。

2008年，欧盟第六届科技框架计划PICASSO项目研制了首个光子集成的混沌外腔反馈半导体激光器；2010年，意大利帕维亚大学Annovazzi-Lodi等人、西班牙巴利阿里群岛大学Mirasso等人和德国海因里希--赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所Hamacher研制了带有空气隙的双反馈光子集成混沌半导体激光器；2013年，西南大学夏光琼课题组与中科院半导体材料科学重点实验室合作研制了单片集成半导体激光器芯片用于产生混沌激光等等。

但是，以上光子集成混沌半导体激光器均采用了DFB激光器延时光反馈结构，产生的混沌激光带有明显的时延特征信息，即混沌信号具有一定的周期性，会对光时域反射仪造成虚警和误判。此外，受激光器驰豫振荡的影响，光反馈半导体激光器产生的混沌信号的能量在频域上主要集中在驰豫振荡频率附近，造成频谱不平坦、低频抑制严重、带宽窄，会严重影响混沌光时域反射仪的分辨率，不利于实际应用。因此本发明提出一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置。

发明内容

本发明为了解决光纤故障检测中存在的上述问题，提供了一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置，包括封装好的光学微腔集成混沌激光器，所述光学微腔集成混沌激光器包括弧形六角激光器和变形微腔，所述弧形六角激光器一端通过无源波导Ⅱ与变形微腔一端连接，所述变形微腔另一端与无源反馈波导连接，所述无源反馈波导的端面镀高反射膜，所述弧形六角激光器另一端与无源波导Ⅰ连接，所述光学微腔集成混沌激光器内的无源波导Ⅰ输出光至光耦合器，所述光耦合器将混沌激光分为两束，分别为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，所述探测光Ⅰ通过光环形器发射到待测光纤线路上，线路中散射或者反射的回波信号由光电探测器Ⅰ转化为电信号，经过ADCⅠ量化后输入到信号处理装置；所述参考光Ⅱ直接发射到光电探测器Ⅱ，经ADCⅡ量化后也输入到信号处理装置。

基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置的故障检测方法，封装好的光学微腔集成混沌激光器内的弧形六角激光器输出光，通过无源波导Ⅱ耦合进入变形微腔，一部分光经过变形微腔发生全反射后从无源波导Ⅱ反射出变形微腔，另一部分光进入无源反馈波导后，高反射膜将光反射回变形微腔内，经过腔***线轨道后也从无源波导Ⅱ反射出变形微腔，反射光进入弧形六角激光器，最终产生的混沌激光由弧形六角激光器另一端的无源波导Ⅰ定向耦合输出，混沌激光从光学微腔集成混沌激光器输出至光耦合器，所述光耦合器将混沌激光分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，所述探测光Ⅰ通过光环形器发射到待测光纤线路上，线路中故障点散射或者反射的回波信号由光电探测器Ⅰ转化为电信号，经过ADCⅠ量化后输入到信号处理装置；所述参考光Ⅱ直接发射到光电探测器Ⅱ，经ADCⅡ量化后也输入到信号处理装置，两组信号均输入信号处理装置，进行互相关处理，并通过互相关曲线峰值位置计算出故障点位置。

本发明提供了一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置，这种高精度光纤故障检测装置主要包括封装好的光学微腔集成混沌激光器和光电探测器，利用光学微腔集成混沌激光器带宽宽、频谱平坦、结构小巧，且能够消除时延特征的特性，封装好的光学微腔集成混沌激光器主要包括弧形六角激光器和变形微腔，弧形六角激光器为现有技术，利用了其弛豫振荡频率大、小信号调制响应曲线平坦的特性，且通过该激光器产生混沌光源解决了弛豫振荡频率对带宽的限制的问题，弧边六角形微腔单模半导体激光器弛豫振荡频率约11GHz、小信号调制响应曲线非常平坦，在一定工作电流下，获得了调制带宽 13GHz 的单模输出（Optics Letters, 42(7): 1309-1312, 2017）。变形微腔是对圆形光学微腔的一种变形，理想圆形光学微腔内部光场为回音壁模式，而微小变形的圆型腔会产生复杂的射线状态，随着光线角度不同会呈现周期轨道[J.Opt.Soc.Am.B,21(5):923,2004]，因此本发明中的变形微腔，是对圆型腔进行了一些微小的变形，且对变形不加限制，使其随着光线角度不同呈现周期轨道，利用了该特性，采用了该变形微腔。弧形六角激光器与变形微腔通过一根无源波导Ⅱ连接耦合构成集成激光器，变形微腔另一端连接无源反馈波导，无源反馈波导端面镀有高反射膜，用于反射光至变形微腔内，弧形六角激光器另一端与无源波导Ⅰ连接，用于将最终的混沌激光输出，无源波导Ⅰ输出光后至光耦合器，将混沌激光分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，探测光Ⅰ通过光环形器发送至待测光纤线路用来采集数据，参考光Ⅱ作为参考数据，与探测光Ⅰ采集回的数据进行互相关处理，当探测光Ⅰ通过光环形器发射至待测线路中时，线路中散射或者反射的回波信号由光电探测器Ⅰ转化为电信号，再经过ADCⅠ量化后输入到信号处理装置，参考光Ⅱ作为参考数据，经过光电探测器Ⅱ转化为电信号，再经由ADCⅡ量化后也输入至信号处理装置，这个信号处理装置的作用为对采集到的两个量化信号进行互相关处理，通过互相关曲线特征进行计算得到故障定位（由于互相关曲线特征的计算过程为公知，因此不进行赘述）。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置，利用了光学微腔集成混沌激光器带宽宽、频谱平坦、结构小巧，且能够消除时延特性的特征。与DFB激光器相比，DFB激光器弛豫振荡频率低（数 GHz），对弛豫振荡频率的响应远大于其它频率，导致混沌动态被弛豫振荡频率占主导，频谱不平坦、有效带宽低，太原理工大学已提出通过光子集成混沌半导体激光器产生无时延、频谱平坦、宽带的混沌激光的方法（CN201410435033.9），主要由左、右分布式反馈半导体激光芯片实现光互注入从而产生混沌激光，而本发明采用弧边六角形微腔半导体激光器作为非线性器件，利用其弛豫振荡频率大、小信号调制响应曲线平坦的特性，用来取代DFB 半导体激光器产生混沌光源可以解决弛豫振荡频率对带宽的限制。采用二维光学微腔构建外部反馈，光在腔内发生多次全反射，可以以小几何尺寸获得大光程，实现长腔反馈，长腔反馈诱发外腔模式数量多，更容易产生混沌；同时对微腔引入形变，利用变形微腔的复杂射线动态，即光在变形微腔内的全反射路径不同，形成随机分布的反馈路径，可以消除外腔谐振特征，产生混沌激光复杂度高，带宽可达20G以上，这种宽带的混沌光源使得光时域反射技术精度更高、噪声更低、动态范围更大，产生的混沌激光没有时延特征，在时序上无周期使得故障探测无虚警、更易辨识，采用光子集成混沌激光器所需的成本更低，更满足实际应用要求。

附图说明

图1表示本发明的结构示意图。

图2表示本发明的变形微腔及其光反馈路径示例性图。

图中：1-光学微腔集成混沌激光器，101-无源反馈波导，102-变形微腔，103-无源波导Ⅱ，104-弧形六角激光器，105-无源波导Ⅰ，2-光耦合器，3-光环形器，4-待测光纤线路，5-光电探测器Ⅰ，6-ADCⅠ，7-光电探测器Ⅱ，8- ADCⅡ，9-信号处理装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。

一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置，如图1所示：包括封装好的光学微腔集成混沌激光器1，所述光学微腔集成混沌激光器1包括弧形六角激光器104和变形微腔102，所述弧形六角激光器104一端通过无源波导Ⅱ103与变形微腔102一端连接，所述变形微腔102另一端与无源反馈波导101连接，所述无源反馈波导101的端面镀高反射膜，所述弧形六角激光器104另一端与无源波导Ⅰ105连接，所述光学微腔集成混沌激光器1内的无源波导Ⅰ105输出光至光耦合器2，所述光耦合器2将混沌激光分为两束，分别为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，所述探测光Ⅰ通过光环形器3发射到待测光纤线路4上，线路中散射或者反射的回波信号由光电探测器Ⅰ5转化为电信号，经过ADCⅠ6量化后输入到信号处理装置9；所述参考光Ⅱ直接发射到光电探测器Ⅱ7，经ADCⅡ8量化后也输入到信号处理装置9。

本实施例所提供的基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置的故障检测方法，具体过程为：封装好的光学微腔集成混沌激光器1内的弧形六角激光器104输出光，通过无源波导Ⅱ103耦合进入变形微腔102，一部分光经过变形微腔102发生全反射后从无源波导Ⅱ103反射出变形微腔102，另一部分光进入无源反馈波导101后，高反射膜将光反射回变形微腔102内，经过腔***线轨道后也从无源波导Ⅱ103反射出变形微腔102，（如图2所示为其中某一种腔内光射线轨道），反射光进入弧形六角激光器104，扰动产生混沌激光，最终产生的混沌激光由弧形六角激光器104另一端的无源波导Ⅰ105定向耦合输出，混沌激光从光学微腔集成混沌激光器1输出至光耦合器2，所述光耦合器2将混沌激光分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，所述探测光Ⅰ通过光环形器3发射到待测光纤线路4上，线路中故障点散射或者反射的回波信号由光电探测器Ⅰ5转化为电信号，经过ADCⅠ6量化后输入到信号处理装置9；所述参考光Ⅱ直接发射到光电探测器Ⅱ7，经ADCⅡ8量化后也输入到信号处理装置9，两组信号均输入信号处理装置9，进行互相关处理，并通过互相关曲线特征得到故障点，本实施例中，假设产生的混沌激光符合非周期函数f(t)的特征，由光耦合器分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，分别满足函数关系式k*f(t)和(1-k)*f(t)，探测光Ⅰ经过待测光纤线路4回射后满足函数关系式g(t)=k*f (t-τ ₀)。两信号经过各自的处理得到数字信号进入信号处理装置9后，进行互相关处理的函数为：

。

其中，τ₀是探测光的往返时间，当τ=τ ₀时，互相关函数存在峰值，互相关函数的峰值与返射光强度有关（US8502964B2）。基于此原理，通过互相关仪或计算机进行处理就可以获得探测光返射的强度与往返时间τ ₀，从而实现光纤线路的故障定位与传输特性的检测。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置，其特征在于：包括封装好的光学微腔集成混沌激光器（1），所述光学微腔集成混沌激光器（1）包括弧形六角激光器（104）和变形微腔（102），所述弧形六角激光器（104）一端通过无源波导Ⅱ（103）与变形微腔（102）一端连接，所述变形微腔（102）另一端与无源反馈波导（101）连接，所述无源反馈波导（101）的端面镀高反射膜，所述弧形六角激光器（104）另一端与无源波导Ⅰ（105）连接，所述光学微腔集成混沌激光器（1）内的无源波导Ⅰ（105）输出光至光耦合器（2），所述光耦合器（2）将混沌激光分为两束，分别为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，所述探测光Ⅰ通过光环形器（3）发射到待测光纤线路（4）上，线路中散射或者反射的回波信号由光电探测器Ⅰ（5）转化为电信号，经过ADCⅠ（6）量化后输入到信号处理装置（9）；所述参考光Ⅱ直接发射到光电探测器Ⅱ（7），经ADCⅡ（8）量化后也输入到信号处理装置（9）。

2.权利要求1所述的基于二维光学微腔混沌激光器的高精度光纤故障检测装置的故障检测方法，其特征在于：封装好的光学微腔集成混沌激光器（1）内的弧形六角激光器（104）输出光，通过无源波导Ⅱ（103）耦合进入变形微腔（102），一部分光经过变形微腔（102）发生全反射后从无源波导Ⅱ（103）反射出变形微腔（102），另一部分光进入无源反馈波导（101）后，高反射膜将光反射回变形微腔（102）内，经过腔***线轨道后也从无源波导Ⅱ（103）反射出变形微腔（102），反射光进入弧形六角激光器（104），最终产生的混沌激光由弧形六角激光器（104）另一端的无源波导Ⅰ（105）定向耦合输出，混沌激光从光学微腔集成混沌激光器（1）输出至光耦合器（2），所述光耦合器（2）将混沌激光分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，所述探测光Ⅰ通过光环形器（3）发射到待测光纤线路（4）上，线路中故障点散射或者反射的回波信号由光电探测器Ⅰ（5）转化为电信号，经过ADCⅠ（6）量化后输入到信号处理装置（9）；所述参考光Ⅱ直接发射到光电探测器Ⅱ（7），经ADCⅡ（8）量化后也输入到信号处理装置（9），两组信号均输入信号处理装置（9），进行互相关处理，并通过互相关曲线峰值位置计算出故障点位置。

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