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作者及研究机构
该研究由Wai Pang Ng、Nageswara Lalam、Xuewu Dai、Qiang Wu、Yong Qing Fu、Peter Harrington、Nathan J. Gomes和Chao Lu共同完成。研究机构包括英国诺森比亚大学（Northumbria University）、美国国家能源技术实验室（National Energy Technology Laboratory）、英国肯特大学（University of Kent）以及香港理工大学（Hong Kong Polytechnic University）。该研究于2020年4月15日发表在期刊《Sensors》上。
学术背景
该研究属于光纤通信与分布式光纤传感技术的交叉领域。随着移动通信技术的快速发展，尤其是5G网络的部署，对高数据传输速率的需求日益增加。同时，结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）在基础设施安全管理中扮演着重要角色。传统的光纤传感器（如光纤布拉格光栅FBG和长周期光栅LPG）只能监测特定位置，而基于布里渊散射的分布式光纤传感器（如布里渊光时域反射仪BOTDR和布里渊光时域分析仪BOTDA）能够实现长达数十公里的分布式监测。然而，为分布式传感系统铺设新的光纤基础设施成本高昂且复杂。因此，利用现有的光纤通信基础设施进行分布式传感，可以显著降低成本并提高效率。该研究首次提出并实验验证了将光纤通信系统与BOTDR传感器系统集成到单根光纤中的可行性，旨在实现通信与传感功能的同时运行，降低光纤基础设施的成本。
研究流程
该研究主要包括以下步骤：
1. 系统设计：研究提出了一种将光纤通信系统与BOTDR传感器系统集成到单根光纤中的方案。通信系统采用正交频分复用（OFDM）技术，并支持三种调制格式：正交相移键控（QPSK）、16阶正交幅度调制（16-QAM）和64阶正交幅度调制（64-QAM）。BOTDR传感器系统用于监测光纤沿线的应变和温度，空间分辨率为5米，使用25公里单模光纤。
2. 实验配置：实验装置包括BOTDR传感器系统和光纤通信系统的发射与接收部分。BOTDR系统使用分布式反馈（DFB）激光器，波长1546.12 nm，通过脉冲发生器生成光学脉冲。通信系统使用1550 nm波长的DFB激光器，通过马赫-曾德尔调制器（MZM）进行外部调制，并采用矢量信号发生器生成OFDM信号。
3. 信号处理：BOTDR系统的背向散射信号通过平衡光电探测器检测，并使用电频谱分析仪（ESA）进行分析。通信系统的信号通过光电探测器检测，并使用VSA软件进行误差矢量幅度（EVM）分析。
4. 性能评估：研究分析了不同调制格式下通信系统的EVM性能，以及BOTDR系统在温度监测中的表现。通过优化BOTDR输入泵浦功率和数据功率，评估了系统的温度测量误差和EVM值。
主要结果
1. 通信系统性能：在QPSK调制下，当数据功率为10 dBm时，使用带通滤波器（BPF）和不使用BPF的EVM值分别为3.5%和14.5%。16-QAM和64-QAM调制下，10 dBm数据功率的EVM值分别为3.4%和3.6%。结果表明，BPF的使用显著降低了传感信号对通信信号的干扰。
2. 传感系统性能：在25公里光纤末端，温度测量误差为±0.49°C。布里渊频移（BFS）的温度灵敏度为1.07 MHz/°C，与理论值一致。研究验证了在存在数据通信信号的情况下，BOTDR系统仍能实现精确的温度测量。
3. 系统集成效果：实验证明了通信系统与BOTDR传感器系统在单根光纤中同时运行的可行性，且两者性能均满足实际应用需求。
结论
该研究首次成功实现了光纤通信系统与BOTDR传感器系统的集成，展示了在单根光纤中同时进行高速数据传输和分布式温度/应变监测的可行性。研究结果表明，优化后的系统具有较低的温度测量误差和可接受的EVM值，符合3GPP标准。该集成系统在实际应用中具有显著的成本效益，能够减少光纤基础设施的重复铺设。此外，研究为未来在密集波分复用（DWDM）和粗波分复用（CWDM）通信系统中进一步优化系统性能提供了基础。
研究亮点
1. 创新性：首次将光纤通信系统与BOTDR传感器系统集成到单根光纤中，实现了通信与传感功能的同时运行。
2. 低成本：通过共享现有光纤基础设施，显著降低了分布式传感系统的部署成本。
3. 高性能：系统在温度测量误差和通信信号质量方面均表现出色，满足实际应用需求。
4. 应用潜力：该集成系统可广泛应用于铁路、桥梁等基础设施的实时监测，具有重要的工程应用价值。
其他有价值的内容
研究还探讨了通过拉曼放大和泵浦脉冲编码等技术进一步提高传感系统性能的可能性，为未来研究提供了方向。此外，研究团队提出了在窄波长间距下进一步优化系统性能的设想，为下一代光纤通信与传感技术的发展奠定了基础。