动态OFDR技术应用前瞻
️关键词：OFDR、光链路检测
光频域反射（OFDR）是一种基于扫频光源的分布式光纤测量技术，它利用扫频光干涉信号频率与光纤位置之间的傅里叶变换关系获取沿光纤分布的散射、反射、相位和偏振等特征信息。相比于时域、相干域等分布式测量技术，OFDR 的优点是可兼顾高空间分辨率、高测量灵敏度、长测量距离、大动态范围、高速响应等性能。
近期，昊衡科技针对OFDR技术的研究取得重大进展。通常使用光频域反射技术测量通信类器件、模块时，光源在设置的范围内扫描一次则完成单次测量。受限于光源的扫描范围和扫描速度影响，基于OFDR的相关设备很难做到高速实时的测量解调。而随着通信市场的快速发展，高质量的快速耦合需求越来越多。了解多个客户的测量场景和样品后，专门开发了动态光频域链路分析仪。以高速实时的测量结果，来实现某些过程的实时监控和显示。下面，对动态光频域反射技术可能用到的场景和案例做分析和推测：
光纤熔接过程动态实时显示：
1. 耦合过程
CPO共封思科204.8T CPO交换机（图片来源网络）
FA光纤阵列端面（图片来源网络）
装交换机即需要大量高密度的耦合封装。由于CPO内部空间宝贵，因此有必要提升单个光缆的光纤芯数和耦合质量把控。CPO内部对公差控制要求极高，即使是几分之一毫米的横向错位也会导致明显的光功率损失。要实现极低的耦合损耗，需要严格的位置公差和具有良好居中纤芯的光纤。但是无论光纤上的公差控制还是耦合平台的位移控制多么精准，最终的损耗检测和端面回损检测正常才能从指标上证明其耦合合格。在对接耦合过程中通过动态光频域反射，实时的检测整条光链路的插损和端面处的回损，随时调整端面角度、位移距离等参数能够显著提升耦合质量和成功率。对于某些复杂和昂贵的模块，提升耦合质量和成功率即降低了返修概率，进而显著降低整体成本。
耦合平台（图片来源网络）
2. 光栅刻蚀过程
光栅结构和光谱示意图（图片来源网络）
随着光纤技术的不断发展，光纤光栅因其特有的光学性能已被人们大量研究。关于光栅刻蚀的方法，已有很多成熟的方案，如干涉法、相位掩膜法等。目前对光栅特性的测试大多使用光谱仪或功率计检测反射透射率、光谱等特性，这些方案的速率无法做到太高（横河AQ6375 100nm范围最快0.5s），且对光栅栅区的其他参数无法测量（如精准栅长，色散，PDL等）。而动态OFDR测量技术不仅实时显示当前刻蚀的栅区长度（精确到0.1mm），还能显示栅区每个位置对应的反射率、光栅损耗、光栅光谱等信息。尤其对特殊定制的光栅结构精细控制，指标在线监测，方便客户实时调整刻蚀参数，改进工艺。
不同的光栅结构及其对应的光传输性能（图片来源网络）
3. 光纤或波导微结构控制
在光纤通信或传感系统中，有很多场景需要自行设计特殊的传输结构或传感结构，以实现自定义的光路控制或者传感量测量。下图为研发人员通过精细化控制光纤拉锥过程实现光纤微环谐振器和直波导的临界耦合，通过构造极限情况下的复杂结构传感器，实现了20倍的温度传感灵敏度。显然，此种复杂的光纤或波导结构设计和制作将在动态OFDR测量技术下变得更加直观和容易。只需动态调整微环耦合深度，等到损耗最低时即是最佳耦合状态，此时可达到理论的最大信噪比，使研究参数达到极致。
文献来源：Ultracompact Vernier-effect-improved sensor by a single microfiber-knot resonator
Yang Yu；2023-02-10 , DOI: 10.1364/oe.481253
除此之外，基于FP腔的光纤传感器常用于各种光学参量的传感测量。声波、应变、液位、加速度等各种应用场景均有使用。通过设计不同的结构（反射率、距离、角度等参数）实现不同参量甚至多个参量的同时传感测量。在设计复杂光纤传感器结构时，可在理论仿真后，通过动态OFDR技术测量实时的透射反射数据，直观表征传感器性能，对比反馈，实时调整参数，并可能发现理论设计时没有预估到的现象，帮助研究人员理解传感物理过程，改进设计结构。
基于FP结构的光纤声波传感器
文献来源：Review on demodulation methods for optic fiber Fabry-Perot sensors；Opto-Electron Eng, 2022, 49(6): 210411. doi: 10.12086/oee.2022.210411
4. 膜系设计
光纤通信和传感市场的不断扩大，带动了上下游光纤相关技术和工艺的快速进步。其中光学镀膜技术已广泛应用于通信系统中端面处理、滤波器设计等场景。定制镀膜结构和参数通常是先用仿真软件模拟出光学性能效果，然后再把样品表面镀上膜。最后通过相关光学设备测量关键性能参数。
然而理论计算和实际性能总是会有误差，如果实际应用场景对光学指标控制极为严格，将对镀膜工艺参数设置带来极大困难。而动态OFDR技术可完美解决复杂且定制的膜系设计。不同材料膜的折射率带来的光程差、厚度、滤波宽度、反射率、透射率均可通过设备实时显示出来。全方位展示当前条件下达到的光学性能，并可在制作过程中随时改变控制条件，观察不同条件下的薄膜性能。
不同材料和参数的光纤镀膜（图片来源网络）
总结：使用光频域反射技术做光纤应变/温度传感我司已有整套成熟且商用化方案。而应用在通信类产品测量上却只有静态测量方式，在如今各种光纤通信技术快速发展的情况下，单一不变的测量方式已不能满足所有客户所有产品的测量场景。相信在未来，动态OFDR技术不断完善且研发不断深入后，其必定会在光通信测量领域有更多更复杂的应用，并被更多客户认可。
