Hisashi Izumita、Toshiya Sato、Mitsuhiro Tateda（IEEE高级会员）和Yahei Koyamada（IEEE会员）的研究团队在1996年12月的《IEEE Photonics Technology Letters》（第8卷第12期）上发表了一项关于光纤分布式应变测量的原创研究。该研究聚焦于利用布里渊散射（Brillouin scattering）技术实现高精度光纤应变与温度分布测量，其核心创新是开发了一种基于高速铌酸锂（LiNbO₃, LN）相位调制器的光学频移器（optical frequency shifter），并将其应用于自外差相干检测的布里渊光时域反射仪（B-OTDR）系统中。
学术背景
研究领域属于光纤传感技术，旨在解决光纤网络中分布式应变和温度的实时监测问题。布里渊散射现象中，自发布里渊背向散射光的频率偏移（约11 GHz）与光纤的局部应变和温度呈线性关系，但传统相干接收器难以直接检测如此高频的拍频信号。因此，研究团队提出通过频移技术将信号下转换至中频（IF）带宽内，从而提升检测灵敏度。此前的方法（如声光调制器循环环路）存在插入损耗高、测量时间长等缺陷，而本研究通过LN相位调制器的边带生成技术（side-band generation）实现了更高效的解决方案。
研究流程与方法
光学频移器设计
- 结构：由LN相位调制器和偏振控制器（PC）组成，带宽14 GHz，插入损耗仅3 dB。PC将信号光偏振态调整为LN调制器的TM模式，通过相位调制生成高阶边带光（n=1为主有效信号）。
- 创新点：驱动电压设置为第一类贝塞尔函数零点（2.4048），抑制基频信号（n=0），使一阶边带光（n=1）的隔离度最大化。频移分辨率达20 kHz，稳定性（1小时内频率漂移 kHz）优于传统方法。
B-OTDR系统搭建
- 光源：1.55 μm分布式反馈激光器（DFB-LD），线宽<10 kHz。
- 信号处理：光路分为信号路径和本地振荡（LO）路径。信号光经频移器上移频率后，由声光开关（AO1）生成1 μs脉冲，经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后注入测试光纤。布里渊背向散射光与LO光混合，通过双平衡p-i-n FET接收器检测，再经90 MHz电混频和1 MHz低通滤波（LPF）降频，最终由A/D转换和数字积分处理数据。
- 抗偏振波动：通过周期性旋转λ/2波片（每215次积分旋转45°）降低偏振依赖性。
应变测量实验
- 测试光纤：30 km色散位移光纤（20 km与10 km段拼接，缠绕于半径30 cm的线轴）。
- 数据采集：频移范围10.49–10.60 GHz（步进10 MHz），空间分辨率100 m。通过洛伦兹曲线拟合布里渊光谱峰值，测得应变分布（图5）。例如，1 km与19 km处的频率差19 MHz对应0.039%应变（应变系数493 MHz/%）。
主要结果
- 频移器性能：边带光线宽<10 kHz（图3），频移精度±1 MHz（等效应变波动±0.002%）。
- 应变分布：图6显示光纤缠绕导致的张力梯度（20 km处频率偏移最大），验证了系统的分布式测量能力。与布里渊光时域分析（B-OTDA）结果一致，但B-OTDR无需远端反射，适用于高损耗或无反射光纤。
结论与价值
本研究通过LN相位调制器边带技术实现了高分辨率（20 kHz）、低损耗的光学频移器，显著提升了B-OTDR的动态范围和频率分辨率。其科学价值在于为长距离光纤网络的健康监测提供了新方法，应用价值体现在预防性维护（如海底光缆应变监测）中的高精度需求。
研究亮点
- 方法创新：首次将LN相位调制器边带技术用于B-OTDR频移，简化结构的同时提升稳定性。
- 技术指标：14 GHz带宽和20 kHz分辨率均为当时领先水平。
- 应用扩展：克服了传统方法对远端反射的依赖，拓宽了适用场景。
其他价值
团队感谢T. Kurashima博士通过B-OTDA校准测试光纤，体现了多技术交叉验证的严谨性。研究为后续分布式光纤传感器的发展奠定了基础，例如结合受激布里渊散射（SBS）的增益谱分析可进一步优化信噪比。