[论文解读] Advanced Distributed Submarine Cable Monitoring and Environmental Sensing using Constant Power Probe Signals and Coherent Detection

Mikael Mazur, Nicolas K. Fontaine+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2023

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis被引用 9

一句话总结

本文演示了一种基于 FPGA 的相干光时域反射计（C-OFDR）用于海底光缆监测的设置，利用恒功率探针和相干处理在跨洋海缆上实现高信噪比（SNR）。与仅功率监测方法相比，能够在约 80 个中继器处进行连续相位/偏振感知，平均 1 s。

ABSTRACT

In this work we demonstrate an FPGA-based coherent optical frequency domain reflectometry setup for cable monitoring. Using coherent detection for averaging and narrowband filtering, we significantly improve the signal-to-noise ratio (SNR) compared to traditional intensity-only techniques while also enabling continuous monitoring of phase and polarization. In addition, the probe signal has constant power, avoiding the nonlinear distortions and thereby enabling continuous use without interfering with data channels. We perform a field demonstration over a trans-oceanic cable using loopback configurations present in each repeater, demonstrating measurement SNR exceeding 30 dB for all about 80 repeaters with an averaging window of 1 second. We furthermore compare cable monitoring using coherent processing to today's solutions using power-only measurements. Our results show how transitioning to coherent technology for cable monitoring can improve sensitivity and enable new types of monitoring, exploring knowledge gained from transitioning from incoherent to coherent data transmission.

研究动机与目标

• 证明基于 FPGA 的相干光频域反射计（C-OFDR）用于分布式海底光缆监测。
• 展示相干探测在平均、滤波和连续相位/偏振监测中的优势。
• 验证恒功率探针信号以避免非线性失真及对数据通道的干扰。
• 在跨洋海缆的现场演示，利用中继器回环实现的现场演示。
• 将相干处理与传统的仅功率监测方法进行对比。

提出的方法

• 使用基于 FPGA 的相干光频域反射计设置。
• 应用由相干探测实现的平均化和窄带滤波以提升 SNR。
• 采用恒功率探针信号以防止非线性失真并避免对数据通道的干扰。
• 在跨洋海缆上进行现场演示，利用中继器的回环配置。
• 测量在 ~80 个中继器上以 1 s 平均窗口实现 SNR 超过 30 dB。
• 将相干监测结果与仅功率监测方法进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统强度检测方法相比，相干 OFDR 是否能为海底光缆提供更高的灵敏度和连续的相位/偏振监测？
• RQ2 在使用恒功率探针和 1 秒平均的条件下，跨越长距离跨洋链路能达到怎样的 SNR 和监测保真度？
• RQ3 相干处理如何为分布式海底光缆的环境与光缆健康监测开启新类型的监测能力？

主要发现

• 相干探测结合平均与窄带滤波的结果显示比仅强度检测更高的 SNR。
• 恒功率探针信号避免了非线性失真，且不干扰数据通道。
• 跨洋海缆的现场演示在约 80 个中继器处以 1 s 平均实现了 SNR>30 dB。
• 相干处理使得沿缆的相位与偏振可以实现连续监测。
• 结果表明将海底光缆监测从非相干向相干监测转变具有潜在优势。