面向通感算一体化光网络的光纤传感技术（附下载）_振荡器系列

今天分享的是【面向通感算一体化光网络的光纤传感技术】报告出品方：IMT-2020(5G)推进组

5G/5G-A的加快速度进行发展催生各种新应用不断涌现，未来6G还将提供更丰富的业务体验，仅具备光通信属性的承载网络已不能够满足应用需求，通信、感知与算力等多系统的深层次地融合成为技术发展新趋势。

光纤是光通信网络信息传输的关键介质，铺设区域和密集度迅速增加，根据工信部统计，截至2023年6月底我国光缆线万公里。光纤除构建通信网络外，同时具备温度、应力、折射率、振动、磁场和电场等多参量的状态感知能力，将光纤传感与光通信相结合，可实现大规模、高密度的通感一体化光网络。同时，基于本地计算独立感知的传感系统已逐渐无法支撑各类新型应用对感知的极致需求，光通信网络具有高带宽、长距离、低时延和高可靠的数据传输能力，可有效辅助实现多节点协作感知，拓宽感知广度。另一方面，光通信网络也是算力基础设施的承载底座，海量感知数据可通过光通信网络传输至广泛分布的多级算力节点，结合人工智能等技术进行定制化特征抽取、深度计算、智能识别与信息融合，从而形成大带宽低时延通信、实时状态感知、按需调度算力的通感算一体化高效协同、互惠增强的光网络架构体系。

基于光纤散射的传感技术利用光纤中散射光的物理特征，如振幅、相位、偏振、频率等进行分布式事件的感知。根据原理的不同，光纤散射可分为瑞利散射（弹性散射）、布里渊散射和拉曼散射（非弹性散射）。

基于光纤瑞利散射的传感技术称为光时域反射（OTDR）。由于光纤局部密度和成分的随机起伏，光在传播时受到沿途光纤的瑞利散射系数、损耗特性等影响发生功率变化，因此可通过接收到的瑞利散射光功率来判断光纤的衰减特性，同时根据接收到散射光的时间来确定光纤损耗或断点位置，OTDR结构相对比较简单、技术成熟，但存在测量距离和空间分辨率之间的矛盾，需根据实际的需求选择正真适合的脉宽进行取舍。目前OTDR商用产品已较为成熟，高精度、大动态范围方面仍在持续探索。

随着光纤传感在众多应用场景中的深度应用，以及与通信、计算的交叉融合，其在超长距离传感、通信与传感信号串扰、事件模式识别、组网方案等方面呈现出新的技术难点与研究热点，业界正在积极探索相关解决方案。

（1）超长传感距离输电线路、石油管道、通信光缆等动辄上百公里，延长传感距离是光纤传感可大范围的应用的关键之一。常用的解决方案是光信号放大，包括基于拉曼光纤放大器（RFA）和远程泵浦放大器（ROPA）的放大技术。RFA具有噪声指数低、增益平坦等优势，包含一阶拉曼放大、二阶拉曼放大、三阶拉曼放大、混合分区放大、反向布里渊放大等机制。ROPA技术是掺饵光纤放大器（EDFA）与RFA的结合，由远程泵浦单元（RPU）和远程增益单元（RGU）共同构成。RGU放置于传输链路的适当位置，其增益介质为掺铒光纤，RPU发送泵浦光经光纤后注入RGU，RGU将信号光与泵浦光耦合实现对信号光的无中继放大。

（2）传感与通信信号低串扰通感一体化的实现，既可通过运营商铺设的未承载业务的“暗光纤”进行传感，也可以在同一光纤中进行通信信号与传感信号的共传，以实现光纤资源充分的利用。基于OTDR技术的传感系统一般会用高功率光脉冲，因交叉相位调制等非线性效应影响，传感信号与通信信号共纤传输时会对通信信号产生干扰，导致误码率增加。降低两种信号之间的串扰是实现通感一体化的难点与关键。降低串扰的常用解决方案有两种，如图5所示，当传感模块前置时，降低入纤峰值光功率；当传感模块后置时，降低相同方向传感与通信信号的波长串扰。

激光器激光器用于向光纤内发射激光，形成特征性的反射光波，以及相干检测情形下分出参考光与信号光进行干涉混频输出，或用于系统内器件及光路的泵浦能量光，实现光放大或形成受激散射。激光器可作为种子光源，结合调制器、放大器等共同形成探测脉冲。

Φ-OTDR、COTDR技术的传感功能基于反射光干涉效应，要求光源具有窄线宽、频率和发射功率稳定等特性，窄线宽条件下干涉效果更好，对应系统的灵敏度更高；频率和发射功率稳定可保证反射光强参考的一致性，系统噪声更小。激光器中心波长通常选择为1550nm，为光纤的低损耗传输窗口。在BOTDR、BOTDA技术中，考虑布里渊散射增益谱的线MHz，为不影响探测精度，激光器线宽需远小于布里渊增益谱线宽，但激光器线宽过窄也会对系统引入额外的相位和偏振相干噪声，综合两方面因素，激光器线宽为kHz量级时系统具备较好的信噪比。同时，BOTDR、BOTDA也要求激光器拥有非常良好的频率稳定性，避免引起布里渊频谱参考点的移动。

综上，线宽和相位噪声是激光器的关键性能指标。线宽是激光器输出频谱的宽度，线宽越窄、激光器的频率稳定性越高，允许探测的距离越远，该指标与激光器腔长、温度、功率等紧密关联。相位噪声描述激光相位随机起伏，与激光器的线宽成正比线性关系。相位噪声越小，激光器的线宽越小，相干性越强。除了影响激光线宽外，相位噪声会造成多径干涉，影响系统的信噪比。

常用于光纤传感的窄线宽激光器最重要的包含光纤激光器、半导体激光器两类，典型参数对比如表2所示。中国通信标准化协会已提出“通信传感一体用窄线宽集成激光器组件”行业标准立项建议，将对相关参数进行详细规范。