COTDR的原理介紹，並說明與OTDR的差異及其演變過程。接著介紹訊號處理的方式- EDFA、FBG，及COTDR的儀器與應用。
OTDR原理
- OTDR：Optical Time Domain Reflectometer 光時域反射儀
- 光纖材質-SiO2 微觀
- 當雷射光撞到這些粒子時，會發生雷利散射 (四面八方，各種方向)，若剛好以原路徑返回的光，則又稱為背向散射 (雷利散射的一種)
- 光在光纖之中，可以說是無時無刻都在撞擊SiO2粒子並散射
OTDR → COTDR
- 起初OTDR對干涉所 產生的雜訊需進行額外處理，使軌跡足夠smooth
- 影響雜訊 (軌跡smooth) 的因素
- Linewidth 直接影響 trace smooth
Pulse Width(根據公式6)Average Count 平均加算次數(無效，對消弭雜訊毫無幫助)
https://www.researchgate.net/publication/261245400_Tuneable_OTDR_measurements_for_WDM-PON_monitoring
- Linewidth、pulse width 都會影響光源每次能量輸出，還有干涉影響回來的訊號dB
- 亦有其他調製方式可以消弭雜訊，但最簡單的方式就是 Linewidth 調大
- CRN：Coherent Rayleigh Noise
- 公式6：the CRN as a fraction of the Rayleigh signal
- Average Count 平均加算次數 無效的原因
- 同距離的相鄰 (同個截面下) 不同散射點 → 干涉
- 若光的Linewidth大，同調性差，建設性干涉、破壞性干涉都有，且色散 (不同波長的光，速度不同) 也會造成同個位置的背向散射訊號未於同個時間點抵達photodetector，造成每次回來的訊號不穩定，則Poisson distribution的上下邊界就會差異較大，取資料做加算平均時，被捨棄的資料也較多，最後才成了很smooth的OTDR trace
- 若光Linewidth小，因光的同調性高，故幾乎都為建設性干涉，且幾乎沒有色散的問題，每次回來的訊號穩定，則Poisson distribution的上下邊界就會差異小，所以當雜訊 (Coherent Rayleigh Noise) 發生時，訊號可以完整地呈現至OTDR trace，成了我們看到的抖動很嚴重的軌跡
In each case, the experimental variations are well confined between the upper boundary (blue) and lower boundary (red). Both boundaries are calculated from a Poisson distribution statistics.
- 但後來發現這些雜訊是有意義，就衍生出 COTDR
COTDR
In the 1990s, a novel OTDR scheme using a coherent light source was proposed, which is called phase-sensitive OTDR (ϕOTDR) or coherent OTDR (COTDR) because this system utilises the coherence properties of light. The sensing system is based on the phase interference of the Rayleigh scattered light and is widely used in vibration and intrusion detection.
各種 OTDR 比較
- 僅討論、比較使用雷利散射原理的OTDR
- 規格、Linewidth比較：OTDR、TW-COTDR、DAS
- 光源、Linewidth比較：OTDR、TW-COTDR
- 軌跡比較：OTDR、COTDR
The theoretical analysis and simulation result show that the shape of the COTDR trace is dependent on the refractive index and the optical frequency.
常見訊號處理方式
- 訊號處理，可能針對光源、接收訊號前
- 舉例
- Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA) 摻鉺光纖放大器
- 光纖布拉格光柵 (FBG)
Coherent Rayleigh time domain reflectometry: novel applications for optical fibre sensing - THÈSE NO 7104 (2016)
- Erbium-doped Optical Fiber Amplifier (EDFA)
- 摻鉺光纖放大器
- 光纖長距離傳輸利器，不用經過光-電-光轉換過程就能直接將微弱的光信號進行光放大
- Fiber Bragg Grating (FBG)
- 用來濾波
- 在單模光纖中加入折射率週期性的調制，當光波於光纖中傳遞，遇到布拉格光纖光柵時，只會反射符合布拉格條件波長之光波，其餘波長之光波則直接穿透，因此我們可以說布拉格光纖光柵具有反射特定波長之雷射光進行光學回授的機制
- 利用EDFA及FBG的訊號處理範例
Coherent Rayleigh time domain reflectometry: novel applications for optical fibre sensing - THÈSE NO 7104 (2016)
COTDR 頻移
- 頻移對應至折射率變化
Coherent Rayleigh time domain reflectometry: novel applications for optical fibre sensing - THÈSE NO 7104 (2016)
- 與參考軌跡比較
- 頻移
- 折射率變化 by 溫度、應變
COTDR應用的儀器
- DAS : Distributed Acoustic Sensing
- FDM：Frequency-division-multiplexing，每次：多個不同頻率的光間隔相同時間打出去 → back 光的功率上升，就不用EDFA
COTDR 應用
- 若作數據分析，分類出各種事件
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