CN111404611B - 双信号传输光纤及应用该光纤的传输装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通信、传感双信号传输光纤及应用该光纤的传输装置和方法，双信号传输光纤，包括中芯、环芯和包层，中芯位于传输光纤的中心，环芯为圆管状结构，中芯位于环芯的管腔中，中芯与环芯之间以及环芯外侧均通过包层包裹。本发明以新型光纤为传输载体提出了正交模式模分复用技术，分别在新型光纤的中芯和环芯上进行传感与通信信号的传输。为了能够实现空间上的连续监测，引入基于瑞利后向散射光的光纤分布式传感***，根据光强与时间的关系来检测光在光纤链路中传播时的衰减情况，可以用于光纤弯曲的检测。通过传感和通信技术的融合可以设计出通感一体化的光网络***，并将该***应用到外界信息的感知和传输中去。

Description

双信号传输光纤及应用该光纤的传输装置和方法
技术领域
本发明涉及通信传感技术领域的光传感和传输技术，尤其涉及以新型光纤为传输介质的基于正交模式的双信号传输光纤及应用该光纤的传输装置和方法。
背景技术
因特网、物联网、人工智能、大数据、5G移动通信技术等高新科技的蓬勃发展对通信链路的信息传输速率和容量都提出了相应更高的要求。目前，作为信息传输的主流方式之一的光通信技术，正从多通道、高速率、超大容量、超长距离等方面进行光通信演进，在提高传输容量和延长传输距离两个坐标轴上不断取得进步，以满足超宽带、数据通信和云计算服务等未来通信业务对通信容量进一步提升的要求。传统单模光纤在提高信息传输容量方面已经不断接近非线性香农极限使得传输容量很难再提升，因此在光纤的横向空间域中提供更大自由度的空分复用原理被提出。其中基于多模光纤或者少模光纤的模分复用技术被越来越多的科研人员所关注，旨在维持必要的光纤通信容量增长，从而支撑互联网流量的指数增长。然而在一根光纤中传输多个模式，模式模场之间极易受到外界的波动而产生耦合现象，从而影响不同模式模场之间信号的串扰，导致传输容量受到了极大的限制，使得传感与通信信号难以共同传输。
在发展高速大容量的通信网络***的基础上，结合新型感知技术，能充分利用光缆网络建立起智能化的信息感知网，打造通感一体化的光网络***。光纤传感技术是以光纤作为载体，感知和传输外界被测参量的新型传感技术。光纤传感相较于传统的电传感有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、传输损耗低等特点已广泛应用于桥梁健康监测、冶金、航空航天及军事。光纤传感技术按照不同的工作方式可以分为点式光纤传感、准分布式光纤传感和分布式光纤传感。点式光纤传感只能测量单个位置的物理量变化，准分布式光纤传感一般是在光纤传感***内级联多个传感器阵列，通过多点覆盖来实现对一定范围内的信息进行检测。而分布式光纤传感技术中光纤融合传输媒介和传感单元为一体，可以实现空间上的连续监测。因此分布式光纤传感相较于前两者有着更大的研究价值和优势。根据被测光信号的不同，分布式光纤传感技术可以分为基于光纤中的瑞利散射（OTDR）、布里渊散射（BOTDR）和拉曼散射（ROTDR）三大类。光纤中的瑞利散射的散射光波长等于入射光波长，无频率变化是一种弹性散射。光纤中散射的主要来源是由于在光纤制造过程中光纤密度的随机涨落引起折射率的局部起伏使得光向各个方向散射。
现有的传感光纤中，尚未发现利用瑞利散射对光纤链路损耗、弯曲等事件的检测的先例。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提供双信号传输光纤及应用该光纤的传输装置和方法，本发明提出基于正交模式的模分复用技术相较于传统的模场复用，模式之间没有交叠且具有正交关系，实现了传感与通信信号的共同传输。本发明还利用基于瑞利散射式的分布式传感***实现了对光纤链路损耗、弯曲等事件的检测。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种通信、传感双信号传输光纤，包括中芯、环芯和包层，中芯位于传输光纤的中心，环芯为圆管状结构，中芯位于环芯的管腔中，中芯与环芯之间以及环芯外侧均通过包层包裹。
应用通信、传感双信号传输光纤的传输装置，其特征是：包括以下结构：激光器、光波复用***、通信、传感双信号传输光纤、相位板、通信信号处理模块以及传感信号处理模块，激光器与光波复用***连接，能向光波复用***输入激光，光波复用***用于将激光分为两路，一路调制为环形的通信信号，一路调制为点状传感信号，光波复用***与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，环形的通信信号进入环芯传导，传感信号通过中芯传导，传感双信号传输光纤的出口端通过相位板与通信信号处理模块连接，相位板用于滤除来自中芯的传感信号从而使通信信号处理模块只获得通信信号，通信信号处理模块用于处理通信信号，传感信号处理模块与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，用于接收环芯中后向瑞利散射的传感信号，并对传感信号进行处理。
为优化上述结构形式，采取的具体措施还包括：
光波复用***包括分束器、第一路电光调制器、第一路空间光调制器、第一路偏振器、第二路电光调制器、第二路空间光调制器、第二路偏振器以及发送信号合束器，激光器输入光波复用***的激光经分束器分为两束，一路激光经第一路电光调制器、第一路空间光调制器、第一路偏振器进入发送信号合束器，另一路激光经第二路电光调制器、第二路空间光调制器、第二路偏振器进入发送信号合束器，两束激光在发送信号合束器合束后，进入通信、传感双信号传输光纤。
激光器和光波复用***之间安装有隔离器，用于阻断来自中芯的散射光信号从而保护激光器。
传感信号处理模块通过接收信号合束器与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，接收信号合束器用于接收环芯中后向瑞利散射的传感信号，并将信号传递至传感信号处理模块。
一种通信、传感双信号传输装置的传输方法，传感信号经第一任意波形发生器模拟电信号的调控后进入第一路电光调制器，第一路电光调制器将传感信号和一路激光电光转换后产生带传感信号信息的光信号，第一路空间光调制器对带传感信号信息的光信号调制后产生高斯光束，最后经过第一路偏振器进入发送信号合束器；通信信号经第二任意波形发生器模拟电信号的调控后进入第二路电光调制器，第二路电光调制器将通信信号和另一路激光电光转换后产生带通信信号信息的光信号，然后经过第二路电光调制器调制后产生环形光斑信号，最后经过第二路偏振器进入发送信号合束器；发送信号合束器将第一路光信号和第二路光信号合束后，以正交模式共同传入通信、传感双信号传输光纤，且高斯光束进入通信、传感双信号传输光纤的中芯，环形光斑信号进入通信、传感双信号传输光纤的环芯，通信、传感双信号传输光纤的输出端利用相位板滤除来自中芯的传感信号，从而使通信信号处理模块获得环形光斑信号，即通信信号，后向瑞利散射的高斯光束即传感信号则被接收信号合束器接收，从而使传感信号处理模块获得传感信号。
本发明的优点如下：
1、本发明通过利用新型光纤为传输介质结合正交模式模分复用原理，实现了光传感和光通信的一体化光网络构建。其中利用第二空间光调制器产生的不同有效半径的环形光斑信号，通过合束器可以传入新型光纤的环芯用作光通信。利用第一空间光调制器产生的高斯光束可以通过合束器传入新型光纤的中芯用作光传感。由于光场之间没有交叠实现了信号在新型光纤中的正交模式共同传输。
2、基于瑞利后向散射光的空间上连续监测的光纤分布式传感***，根据光强与时间的关系来检测光在光纤链路中传播时的衰减情况，可以用于光纤弯曲的检测以判断光纤的“健康”状况。光传感与光传输技术的融合使得光网络***更加的智能也更加符合现代科技生活的需求。
附图说明
图1为通信、传感双信号传输光纤的结构示意图；
图2为通信、传感双信号传输装置的流程框图；
图3为光波复用***的结构示意图。
其中，附图标记为：中芯1、环芯2、包层3、激光器4、光波复用***5、分束器5a、第一路电光调制器5b、第一路空间光调制器5c、第一路偏振器5d、第二路电光调制器5e、第二路空间光调制器5f、第二路偏振器5g、发送信号合束器5h、第一任意波形发生器5i、第二任意波形发生器5j、相位板6、通信信号处理模块7、传感信号处理模块8、隔离器9、接收信号合束器10。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本实施例的一种通信、传感双信号传输光纤，包括中芯1、环芯2和包层3，中芯1位于传输光纤的中心，环芯2为圆管状结构，中芯1位于环芯2的管腔中，中芯1与环芯2之间以及环芯2外侧均通过包层3包裹。
应用通信、传感双信号传输光纤的传输装置，其特征是：包括以下结构：激光器4、光波复用***5、通信、传感双信号传输光纤、相位板6、通信信号处理模块7以及传感信号处理模块8，激光器4与光波复用***5连接，能向光波复用***5输入激光，光波复用***5用于将激光分为两路，一路调制为环形的通信信号，一路调制为点状传感信号，光波复用***5与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，环形的通信信号进入环芯2传导，传感信号通过中芯1传导，传感双信号传输光纤的出口端通过相位板6与通信信号处理模块7连接，相位板6用于滤除来自中芯1的传感信号从而使通信信号处理模块7只获得通信信号，通信信号处理模块7用于处理通信信号，传感信号处理模块8与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，用于接收环芯2中后向瑞利散射的传感信号，并对传感信号进行处理。
光波复用***5包括分束器5a、第一路电光调制器5b、第一路空间光调制器5c、第一路偏振器5d、第二路电光调制器5e、第二路空间光调制器5f、第二路偏振器5g以及发送信号合束器5h，激光器4输入光波复用***5的激光经分束器5a分为两束，一路激光经第一路电光调制器5b、第一路空间光调制器5c、第一路偏振器5d进入发送信号合束器5h，另一路激光经第二路电光调制器5e、第二路空间光调制器5f、第二路偏振器5g进入发送信号合束器5h，两束激光在发送信号合束器5h合束后，进入通信、传感双信号传输光纤。
激光器4和光波复用***5之间安装有隔离器9，用于阻断来自中芯1的散射光信号从而保护激光器。
传感信号处理模块8通过接收信号合束器10与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，接收信号合束器10用于接收环芯2中后向瑞利散射的传感信号，并将信号传递至传感信号处理模块8。
一种通信、传感双信号传输装置的传输方法，传感信号经第一任意波形发生器5i模拟电信号的调控后进入第一路电光调制器5b，第一路电光调制器5b将传感信号和一路激光电光转换后产生带传感信号信息的光信号，第一路空间光调制器5c对带传感信号信息的光信号调制后产生高斯光束，最后经过第一路偏振器5d进入发送信号合束器5h；通信信号经第二任意波形发生器5j模拟电信号的调控后进入第二路电光调制器5e，第二路电光调制器5e将通信信号和另一路激光电光转换后产生带通信信号信息的光信号，然后经过第二路电光调制器5e调制后产生环形光斑信号，最后经过第二路偏振器5g进入发送信号合束器5h；发送信号合束器5h将第一路光信号和第二路光信号合束后，以正交模式共同传入通信、传感双信号传输光纤，且高斯光束进入通信、传感双信号传输光纤的中芯1，环形光斑信号进入通信、传感双信号传输光纤的环芯2，通信、传感双信号传输光纤的输出端利用相位板6滤除来自中芯1的传感信号，从而使通信信号处理模块7获得环形光斑信号，即通信信号，后向瑞利散射的高斯光束即传感信号则被接收信号合束器10接收，从而使传感信号处理模块8获得传感信号，传感信号处理模块8通过检测后向瑞利散射光信号的光强变化，用于检测光纤***的弯曲状况。
光波复用***中两个偏振器的作用是调节两束光束的偏振方向。
本发明以新型光纤为传输载体提出了正交模式模分复用技术，分别在新型光纤的中芯和环芯上进行传感与通信信号的传输。为了能够实现空间上的连续监测，引入基于瑞利后向散射光的光纤分布式传感***，根据光强与时间的关系来检测光在光纤链路中传播时的衰减情况，可以用于光纤弯曲的检测。通过传感和通信技术的融合可以设计出通感一体化的光网络***，并将该***应用到外界信息的感知和传输中去。
新型光纤作为传输与感知信号的载体在整个***中有着十分重要的意义。利用第二路空间光调制器5f可以产生不同半径的环形光斑信号，光束拓扑荷数越大其环形光斑信号的半径越大。但是在本专利中我们只涉及一个环形光斑通信信号，其新型光纤的横截面原理图如图1所示。新型光纤由环芯2、中芯1和包层3所组成，其中中芯1在本专利中用作传感通道而环芯2则用作信息传输通道。从图中可以看出当信号在光纤中进行传输的时候由于其结构的独特性是不会发生光场相互叠加的情况的，实现了通信和传感信号的共同传输。
本发明专利基于新型光纤的信息感知和传输***流程框图如图2所示，从激光器4输入的光经过光波复用***后，传入新型光纤中。光波复用***的目的是为了让传感信号在新型光纤的中芯1传输而让通信信号在新型光纤的环芯2中传输。在新型光纤的输出端利用相位板6滤除来自中芯1的传感信号来获得通信信号，而后向瑞利散射的传感信号则在反射端进行接收。最后分别对获得的传感和通信信号进行信号处理，从而完成基于新型光纤的信息感知和传输一体化。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.通信、传感双信号传输装置，其特征是：应用一种通信、传感双信号传输光纤，该光纤包括中芯(1)、环芯(2)和包层(3)，所述的中芯(1)位于传输光纤的中心，环芯(2)为圆管状结构，中芯(1)位于环芯(2)的管腔中，中芯(1)与环芯(2)之间以及环芯(2)外侧均通过包层(3)包裹，通信、传感双信号传输装置包括以下结构：激光器(4)、光波复用***(5)、通信、传感双信号传输光纤、相位板(6)、通信信号处理模块(7)以及传感信号处理模块(8)，所述的激光器(4)与光波复用***(5)连接，能向光波复用***(5)输入激光，所述的光波复用***(5)用于将激光分为两路，一路调制为环形的通信信号，一路调制为点状传感信号，光波复用***(5)与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，环形的通信信号进入环芯(2)传导，传感信号通过中芯(1)传导，传感双信号传输光纤的出口端通过相位板(6)与通信信号处理模块(7)连接，所述的相位板(6)用于滤除来自中芯(1)的传感信号从而使通信信号处理模块(7)只获得通信信号，所述的通信信号处理模块(7)用于处理通信信号，所述的传感信号处理模块(8)与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，用于接收环芯(2)中后向瑞利散射的传感信号，并对传感信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的通信、传感双信号传输装置，其特征是：所述的光波复用***(5)包括分束器(5a)、第一路电光调制器(5b)、第一路空间光调制器(5c)、第一路偏振器(5d)、第二路电光调制器(5e)、第二路空间光调制器(5f)、第二路偏振器(5g)以及发送信号合束器(5h)，所述的激光器(4)输入光波复用***(5)的激光经分束器(5a)分为两束，一路激光经第一路电光调制器(5b)、第一路空间光调制器(5c)、第一路偏振器(5d)进入发送信号合束器(5h)，另一路激光经第二路电光调制器(5e)、第二路空间光调制器(5f)、第二路偏振器(5g)进入发送信号合束器(5h)，两束激光在发送信号合束器(5h)合束后，进入通信、传感双信号传输光纤。
3.根据权利要求2所述的通信、传感双信号传输装置，其特征是：所述的激光器(4)和光波复用***(5)之间安装有隔离器(9)，用于阻断来自中芯(1)的散射光信号从而保护激光器。
4.根据权利要求2所述的通信、传感双信号传输装置，其特征是：传感信号处理模块(8)通过接收信号合束器(10)与通信、传感双信号传输光纤的进口端连接，接收信号合束器(10)用于接收环芯(2)中后向瑞利散射的传感信号，并将信号传递至传感信号处理模块(8)。
5.应用如权利要求4所述的通信、传感双信号传输装置的传输方法，其特征是：传感信号经第一任意波形发生器(5i)模拟电信号的调控后进入第一路电光调制器(5b)，第一路电光调制器(5b)将传感信号和一路激光电光转换后产生带传感信号信息的光信号，第一路空间光调制器(5c)对带传感信号信息的光信号调制后产生高斯光束，最后经过第一路偏振器(5d)进入发送信号合束器(5h)；通信信号经第二任意波形发生器(5j)模拟电信号的调控后进入第二路电光调制器(5e)，第二路电光调制器(5e)将通信信号和另一路激光电光转换后产生带通信信号信息的光信号，然后经过第二路电光调制器(5e)调制后产生环形光斑信号，最后经过第二路偏振器(5g)进入发送信号合束器(5h)；发送信号合束器(5h)将第一路光信号和第二路光信号合束后，以正交模式共同传入通信、传感双信号传输光纤，且高斯光束进入通信、传感双信号传输光纤的中芯(1)，环形光斑信号进入通信、传感双信号传输光纤的环芯(2)，通信、传感双信号传输光纤的输出端利用相位板(6)滤除来自中芯(1)的传感信号，从而使通信信号处理模块(7)获得环形光斑信号，即通信信号，后向瑞利散射的高斯光束即传感信号则被接收信号合束器(10)接收，从而使传感信号处理模块(8)获得传感信号。
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