[发明专利]基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪

说明书

本发明提供的是一种基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪。其特征是：它由脉冲发生器1、光源2、三端口光纤环行器3、分光器4、近红外单光子探测器阵列5、雪崩事件检测电路阵列6、逻辑与门电路7、信号处理模块8及被测光纤9组成。本发明可用于低噪声，大动态范围，高精度的光纤时域反射测量。可被广泛用于电信及传感领域中光纤特性如物理缺陷，断裂位置，接头损耗和位置以及光纤长度的测量。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于极低噪声近红外单光子探测系统的光纤时域反射仪系统，可用于电信及传感领域中光纤特性如物理缺陷，断裂位置，接头损耗和位置以及光纤长度的测量，属于光纤传感技术领域。

(二)背景技术

基于光学时域反射法(OTDR)的光纤时域反射仪是一种常见的测量仪器，它利用光在光纤中的背向反射和散射原理，可以在不破坏光纤的情况下对光纤的物理缺陷，断裂位置，接头损耗和位置以及光纤长度进行测量。光纤时域反射仪是光纤通信以及光缆施工中必不可少的测量工具，被广泛应用于相关系统的检测与维护。经典的OTDR系统的光探测系统是基于线性光电探测器，如PIN光电二极管或线性雪崩光电二极管(Linear-APDs)。受制于所使用的光电探测器的灵敏度，响应度以及其本身较大的暗电流和热噪声，基于线性光电探测器的OTDR系统的可测动态范围和测量精度受到局限。为了进一步提升性能，研究人员提出并验证了基于单光子探测器的OTDR系统。相比基于线性光子探测器的OTDR系统，得益于所用探测器的极高灵敏度(探测器内部增益相比传统探测器有着3-4个量级的提升)，基于单光子探测器的OTDR系统有着更大的动态范围，更高的精度，可探测更远的距离，同时没有所谓的盲区。

现有的基于单光子探测器的OTDR系统主要有三种:(1)基于超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的OTDR系统；(2)基于上转转换模块和硅基单光子探测器的OTDR系统；(3)基于近红外单光子探测器(基于锗(Germanium)，铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)的单光子雪崩二极管)的OTDR系统。

超导纳米线单光子检测器(SNSPD)在过去的十年中得到一定的发展，基于超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的OTDR系统也被提出和设计，如公开专利201110314519.3，公开专利201310600853.4，以及文献“Photon-Counting Optical Time-Domain ReflectometryUsing a Superconducting Nanowire Single-Photon Detector,Journal of LightwaveTechnology,30(16):2583-2588,(2012).”和文献“Long-haul and high-resolutionoptical time domain reflectometry using superconducting nanowire single-photon detectors，Scientific reports,5:10441(2015).”所述。它的优点在于高灵敏度、高重复率、低暗计数率(DCR)以及高系统检测效率。然而超导纳米线光子探测器需要运行于超低温条件，一般在液态氦低温恒温器中运行以减少热噪声。其对于低温冷却和温度控制的需求大幅增加整体系统的体积，复杂程度以及成本，很大程度的限制了其在实际测量和探测工作中的应用。