CN101951289B - 无源光网络测试仪 - Google Patents

Abstract

无源光网络测试仪。本发明涉及用于单模应用的高分辨率光纤长度计、现场光纤检测器、和反射率测试仪(仪器)，其使用了低功率、长波长激光器，该激光器用于产生射入被测单模光纤中的宽光脉冲和窄光脉冲。激光器输出光纤尾纤被熔接到单模耦合器，该单模耦合器的输出连接到仪器的接头连接器。PIN光敏二极管被熔接到单模耦合器以接收来自被测光纤的反射光。高分辨率手持仪器用于检查单模无源光网络(PON)。

Description

无源光网络测试仪

背景技术

本发明涉及光时域反射仪，更具体地涉及用于检查无源光网络(PON)中的单模光纤的微型手持仪器的分支领域。

光时域反射仪(OTDR)被用在电信行业中，用于对光缆进行测试、故障检修、以及特性表征，以测量光缆属性，例如断裂、连接器损失、接合损失、光纤衰减、衰减系数、光纤长度、以及影响通过该光缆的信号传输质量的其它参数。

用OTDR检查光纤时，从脉冲激光二极管以低占空比(duty cycle)将光学脉冲射入被测光纤中。在光学脉冲传输期间，从该被测光纤返回的光以与事件(例如连接器)相关的反向散射和反射的形式反射回来，并且随后转换为电信号，并被处理以进行显示。该信号在分贝-长度图中被显示为振幅，表示逐渐减少的反向散射能量水平，反射事件表现为反向散射上的脉冲。

利用OTDR技术的仪器有两种主要类型。第一种是全功能的迷你OTDR，而第二种是功能更低的光学故障探测器。这两种都采用返回到源头的信号或波的反向散射、反射来进行测量。第三种利用OTDR技术的仪器类型是不使用反向散射的反射探测器。这种类型的仪器非常廉价，具有相对高的空间分辨率，但不能定位非反射事件，例如开放的APC(角磨光连接器)。

迷你OTDR是更复杂、成本更高的仪器，其由经过训练的技术人员使用以对光缆进行故障检修。在PON安装期间，采用迷你OTDR来验证在建设阶段完成了正确的安装并且验证服务质量是高的。这些OTDR具有高动态范围以克服用于将支线光纤(feeder fibers)分配到个人客户的分光器的损失。这些OTDR也具有高空间分辨率，使得可以分离并测量各个客户的光网络终端产生的反射。该设计抵消了光故障探测器的优点，例如为了空间分辨率而牺牲了成本削减，使得这种类型的仪器对于PON测试来说不是好的选择。第三种类型的不使用反向散射的测试仪具有只能探测到沿着光纤的反射的缺点。当其用于定位故障时，这种类型的测试仪不能提供实现PON测试的足够信息。在PON网络中，需要采用反向散射进行测量，例如定位开放APC。APC即使提供反射也是极少的。通常地，具有不同类型的磨光，例如超物理接触(UPC)的开放连接器会提供很强的反射。在PON中，必须识别分配点处的开放APC。

需要一种易于使用、低成本、高分辨率、小尺寸的仪器以测试客户和提供连接信息或开放位置的第一分配点之间的单模PON网络。该仪器可以被用于建设阶段之后、维护过程中、或用于简单的故障检修。它可以被更广泛地部署，操作需要的技能更少。受过训练的OTDR技术人员将仅需要处理更复杂的问题。

发明内容

根据本发明，提供了一种在单模PON光缆系统中进行单模光纤检查的高分辨率光纤长度计、现场光纤探测仪、以及反射测试仪，其具有低功率、长波长光源，该光源生成以用来测试反射率的窄脉冲形式的光功率和以用来测试APC连接器的宽光脉冲形式的光功率。单模耦合器分配向外的和向内的光能量。与低功率、长波长光源相兼容的光检测器与单模耦合器相耦合以接收来自于被测光纤的反射光。

因此，本发明的目的是提供一种改进的用于无源光纤网络的测试仪器。

本发明的另一目的是提供一种改进的采用手持结构的光纤网络测试仪器。

本发明的另一目的是提供一种改进的光纤测试仪器，其成本低，且利用反向散射来探测APC连接器并定位被测光纤中的反射。

本发明的主题在本说明书的结尾部分中被特别指出并明确地要求保护。然而，参照附图的以下相关说明，可以最佳地理解本发明的构造和操作方法，以及本发明的其它优点和目的，附图中相同的标号指代相同的要素。

附图说明

图1是根据本发明的仪器的光拓扑框图；

图2是例示连接到中间有破裂的光纤的仪器的图，其所得到的信号采用5ns脉冲且前置放大器设置为低增益；

图3是示出连接到未受损伤但在远端具有开放APC连接器的光纤的仪器的图，其采用500ns脉冲且前置放大器设置为高增益；

图4是例示利用两段单模光纤来建立高增益值而进行的仪器校准的图；

图5是例示利用两段单模光纤来建立低增益值而进行的仪器校准的图；

图6是显示为δ2的实际信号和显示为δ3的虚拟反向散射信号的图形表示；以及

图7是以手持形式提供的仪器的图。

具体实施方式

根据本发明的优选实施方式的系统包括基于OTDR技术的用于测试单模PON的小尺寸测试仪器。该仪器能够测量由APC(角磨光连接器)或标准连接器(即UPC)终结的光纤的长度，到光纤破裂处的距离，并且检测实时通信量。该仪器能够用于测试连接性和网络问题。该测试仪通过自动进行三项测量来工作。首先，利用光敏二极管来测量被测光纤上的能量以确定该光纤是否正在工作。第二，其测量具有宽脉冲的反向散射。最后，其使用具有短死区的窄脉冲以进行反射的测量，并使用校准的增益差来测量反射率。

参考图1，其是根据本发明的仪器10的光拓扑框图，本发明的高分辨率光纤计10被设计用来检查近距离电信系统中的单模光纤，该近距离电信系统例如是PON网络，其中光纤连接器不是紧密地间隔开。为了检测如网络中的开口的问题，测试仪器在反向散射模式和反射探测模式中均能工作是很重要的。图1所示的光拓扑包括低功率、长波长的光源12，其通过单模光纤14与耦合器16耦合，该耦合器16的输出光纤是在接头连接器20处终结的光延迟器18。单模光耦合器16的第二输入端口经由光纤22终结至PIN光敏二极管24。PIN光敏二极管作为光检测器来工作，以将反射光转换为电能，该电能被提供给运算放大器26(前置放大器)并由运算放大器26(前置放大器)放大，该运算放大器26的增益能从高状态到低状态变化(通过操作增益开关30)，用于检测反向散射或没有反向散射的反射。模拟数字转换器28将模拟信号转换为数字信号，该数字信号随后被进行信号平均以提高信噪比。

一个或更多个微处理器(CPU 32)控制设备的操作，记忆/存储器34用于数据和命令的存储。电源模块36提供电源以操作仪器，适合的电池电源用于便携式手持使用。I/O 38提供与设备使用者的接口，且可以包括显示和输入设备，例如光标控制键和其它用于允许使用者操作和显示/输出结果的键。

在优选实施方式中，光源12是安装在具有单模光纤作为尾纤的印刷电路板上的1310nm长波长激光二极管。该1310nm激光器12发出低功率光脉冲，其范围从25mW到50mW，脉冲持续时间从5ns变化到高达1us。脉冲的占空比小于1％。来自激光器12的光功率通过激光器和耦合器的单模光纤尾纤并采用熔接接合的方式而耦合到单模耦合器16的输入端口。单模耦合器是熔接的双锥器件，其被设计用来平均分配该器件的各支线(leg)的光功率。

单模耦合器输出端口具有在耦合器16和接头连接器20之间的光延迟器18，以在激光脉冲触发开关噪声和从接头连接器传出的第一反射脉冲之间产生分离。如果测试时在仪器附近有反射事件，则这点是需要的。来自于激光器12的光能量通过接头连接器20射入被测光纤40中。

从被测光纤反射的光通过单模耦合器16而耦合并导向PIN光敏二极管24。光检测器24是InGaAs型器件，其与由激光器12生成的1310nm波长的光兼容。PIN光敏二极管被用在该优选实施方式中，因为其不要求像普遍用于OTDR中以提高接收器灵敏度的APD(雪崩光电检测器)一样的复杂性、空间、温度补偿和成本。由于对于该设备的典型测试环境中的2km到3km的短光缆需要小的动态范围，PIN光敏二极管是更优选的。此外，PIN检测器的存储效果低于例如InGaAs APD的单模检测器的存储效果，在与事件相关的反射脉冲的下降沿产生更小的检测器拖尾(detector tail)，因而提高了仪器的事件分辨率。

光敏二极管24以互阻抗(transimpedance)的结构连接到前置放大器26以提高响应速度。用于前置放大器26中的运算放大器优选地具有很快的过载响应，使得接收到的强反射不会引起如不具有该特征的运算放大器所表现出的脉冲展宽和恢复。德州仪器(Texas Instruments)的OPA699宽带、高增益电压限制放大器是这样的一种设备，其具有输出电压箝位且恢复时间少于几纳秒。几纳秒在时间或距离测量中代表几分之一米。10ns的恢复时间代表1米的距离。光敏二极管24采用双重增益开关方法以放大反向散射信号或反射信号。由于反向散射信号至少是反射峰以下的45dB，所以前置放大器增益中需要大的差值。这种情况下，用于前置放大器的200千欧姆增益设置电阻器适于在保持可观的带宽的同时检测足够的反向散射。为了更高的分辨率和更低的增益，4千欧姆增益设置电阻器是足够的。前置放大器26的输出随后被供给到低成本的A/D转换器28，使得能够继续进一步的数字信号处理，例如转换为对数域，信号平均，以及显示。

现在参考图2，仪器被示出为连接到中间有破裂44的光纤42，并且示出了从该仪器向光纤42发射5ns脉冲而得到的信号，其中前置放大器设置为低增益。这种情况下，没有可测量的反向散射。

在图3中，仪器10被示出为连接到未受损伤的光纤46，而在光纤46的远端有开放APC连接器48。500ns脉冲入射到光纤46中且前置放大器设置为高增益。在这种情况下，有可测量的反向散射并且能够发APC开放。

在图4中，利用两段单模光纤50，52来进行仪器10的校准，所述两段单模光纤50，52例如每段100米，并通过连接器54(图示中的UPC连接器)连接，该连接器54具有合理的低反射率以使得当进行测量时信号不饱和。前置放大器26设置为高增益且使用最宽的脉冲宽度来激励尽可能多的反向散射。测量δ1且利用下式1来计算反射率，

R＝B_ns+10log[(10^H/5-1)*PW]            式1

其中R是已知的反射率，B_ns是对于1310nm在1ns处的反向散射系数，H是反向散射水平之上的反射的高度，并且PW是脉冲宽度。这是在OTDR中使用的用于计算事件反射率的基本式。该测量建立了高增益值。

接下来，参考图5，采用与前面相同的脉冲宽度，前置放大器26的增益减小为低增益。结果显示在本底噪声中出现了反射。对与图4所示相同的已知幅值的反射进行δ2的测量。该测量建立了低增益值并使得能够在放大器线性区域内测量高幅值脉冲。在该测量过程中H值是未知的，因为没有反向散射作为参考，但反射率没有改变。

在图6中，描绘了显示为δ2的实际信号和显示为δ3的虚拟反向散射信号的图形表示。由于利用式1而得知校准的反射率且所有其它参数已知，所以能够解出H。既然知道了H，就能够利用下式来解出δ3并将其存储在存储器中：

H＝δ2+δ3                            式2

由于δ3被存储在存储器中，在现场测试未知反射率依赖于测量δ2，计算H，以及解出反射率公式1，因为B_ns，H，δ2，δ3和脉冲宽度是已知的。该方法不需要对前置放大器的实际增益比进行电子测量。

因此，该仪器填补了对于易于使用、低成本、高分辨率、小尺寸的用于测试客户与提供连接性信息或开放位置的第一分配点之间的单模PON网络的仪器的需要。由于其需要的范围小且不需要通过分光计进行测试，且需要更小的动态范围，所以可以使用较低成本的部件(例如PIN光敏二极管)。单波长操作、简化的电子器件、更少的信号平均、以及更少的处理也降低了成本。其也可以在诊断之前进行现场光纤检测。

该仪器适宜地被提供为手持形式，例如图7中所示，其中测试仪器10’包括尺寸设计为用户手持的外壳56，显示器58，和用户输入控制60，该用户输入控制60可以包括例如光标控制键，按钮和选择旋钮。

尽管已经示出并描述了本发明的优选实施方式，对于本领域技术人员明显的是，可以在不脱离本发明的宽广范围的情况下进行很多改变和修改。所附的权利要求因此旨在涵盖所有这些落入本发明的实际精神和范围中的改变和修改。

Claims (22)

1.一种用于检查被测单模光纤的仪器，其中光脉冲被输入到所述被测单模光纤中并且从所述被测单模光纤接收返回光信号，所述仪器包括：

低功率、长波长光功率源，其用于产生所述光脉冲；

与所述低功率、长波长光功率源兼容的光检测器，其用于从所述被测单模光纤接收所述返回光信号；

具有两个输入端口和一个输出端口的单模光耦合器，来自所述光功率源的所述光脉冲在一个输入端口处被发射并被耦合到与所述输出端口连接的输出单模光纤，而所述返回光信号在第二输入端口处被接收并耦合到所述光检测器，所述单模光耦合器对来自所述光功率源和所述返回光信号的光功率在相关联的输出端口和输入端口之间进行均分；

输出光纤和所述单模光耦合器的所述输出端口之间的光延迟元件，使得由激光触发引起的电开关噪声与第一个返回光脉冲分离开；

光接收器，其由带宽运算放大器组成，该带宽运算放大器被配置为在两个不同的增益设置下工作，其中一个增益设置是高增益和灵敏度，而另一个增益设置是低增益和高带宽；

至少一个微处理器，其用来控制电子器件，获得信号，以及处理所述获得的信号；

显示器，其用于报告实时光纤结果以及反射位置和光纤端部的距离。

2.根据权利要求1所述的仪器，其中所述低功率、长波长光功率源是具有1310纳米的光输出的激光二极管。

3.根据权利要求1所述的仪器，其中所述光检测器是基本上不产生内部电流增益的高速InGaAs PIN器件。

4.根据权利要求1所述的仪器，其中具有输入端口和输出端口的所述单模光耦合器是50/50耦合比的器件，在所述耦合器和所述仪器的输出端口之间具有至少2米的光纤。

5.根据权利要求1所述的仪器，其中所述接收器是高速运算放大器，该高速运算放大器的内部电压箝位能够防止脉冲展宽以保持高分辨率，该高速运算放大器具有用于实现非反射角磨光连接器（APC）的定位所需的反向散射信号高倍放大的大反馈电阻器，以及保持反射事件之间的高空间分辨率的低值反馈电阻器。

6.根据权利要求5所述的仪器，其中所述大反馈电阻器具有200千欧姆。

7.根据权利要求5所述的仪器，其中所述大反馈电阻器具有4千欧姆。

8.根据权利要求1所述的仪器，其中当激光脉冲处于关闭状态时所述接收器被激活，使得存在于光缆上的任何通信量都能够被所述接收器检测到，从而有通信量的光缆将不会被施加激光脉冲。

9.根据权利要求1所述的仪器，其中通过比较和计算利用反向散射的已知反射和没有反向散射的未知反射之间的差，并且利用反向散射反射式R=Bns+10log[(10H/5-1)*PW]和放大器增益比来确定未知反射率值，来在进行无反向散射的反射率测量时对所述仪器进行校准，其中，R是已知的反射率，Bns是对于1310nm在1ns处的反向散射系数，H是反向散射水平之上的反射的高度，并且PW是脉冲宽度。

10.根据权利要求1所述的仪器，其中所述光接收器在运行诊断测试之前对实时光纤通信量进行测试。

11.根据权利要求1所述的仪器，其中所述光延迟元件包括一定长度的单模光纤。

12.一种用于检查被测单模光纤的方法，其中光脉冲被输入到所述被测单模光纤中并且从所述被测单模光纤接收返回光信号，所述方法包括以下步骤：

提供低功率、长波长光功率源，该低功率、长波长光功率源用于产生光脉冲；

提供与所述低功率、长波长光功率源兼容的光检测器，该光检测器用于从所述被测单模光纤接收所述返回光信号；

提供具有两个输入端口和一个输出端口的单模光耦合器，来自所述光功率源的所述光脉冲在一个输入端口处被发送并耦合到与所述输出端口连接的输出单模光纤，而所述返回光信号在第二个输入端口处被接收并耦合到所述光检测器，所述单模光耦合器对来自所述光功率源和所述返回光信号的光功率在相关联的输出端口和输入端口之间进行均分；

在输出光纤和所述单模光耦合器的输出端口之间提供光延迟，以产生光延迟，使得由激光触发器引起的电开关噪声与第一个返回光脉冲分离开；

提供光接收器，该光接收器由带宽运算放大器组成，该带宽运算放大器被配置为在两个不同的增益设置下工作，其中一个增益设置是高增益和灵敏度，而另一个增益设置是低增益和高带宽；

提供至少一个微处理器，所述至少一个微处理器用来控制电子器件，获得信号，以及处理所述获得的信号；

提供显示器，该显示器用于报告实时光纤结果以及反射位置和光纤端部的距离。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述低功率、长波长光功率源是具有1310纳米的光输出的激光二极管。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述光检测器是基本上不产生内部电流增益的高速InGaAs PIN器件。

15.根据权利要求12所述的方法，其中具有输入端口和输出端口的所述单模光耦合器是50/50耦合比的器件，在所述耦合器和用于检查被测单模光纤的仪器的输出端口之间具有至少2米的光纤。

16.根据权利要求12所述的方法，其中所述接收器是高速运算放大器，该高速运算放大器的内部电压箝位能够防止脉冲展宽以保持高分辨率，该高速运算放大器具有用于实现非反射性角磨光连接器（APC）的定位所需的反向散射信号高倍放大的大反馈电阻器，以及保持反射事件之间的高空间分辨率的低值反馈电阻器。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述大反馈电阻器具有200千欧姆。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述大反馈电阻器具有4千欧姆。

19.根据权利要求12所述的方法，其中当激光脉冲处于关闭状态时所述接收器被激活，使得任何存在于光缆上的通信量都能够被所述接收器检测到，从而使有通信量的电缆连接不会被施加激光脉冲。

20.根据权利要求12所述的方法，其中通过比较和计算利用反向散射的已知反射和没有反向散射的未知反射之间的差，并且利用反向散射反射式R=Bns+10log[(10H/5-1)*PW]和放大器增益比以确定未知反射率值，来在进行无反向散射的反射率测量时使用校准方法，其中，R是已知的反射率，Bns是对于1310nm在1ns处的反向散射系数，H是反向散射水平之上的反射的高度，并且PW是脉冲宽度。

21.根据权利要求12所述的方法，其中所述光接收器在运行诊断测试之前对实时光纤通信量进行测试。

22.根据权利要求12所述的方法，其中所述提供光延迟包括：提供附接到所述单模光耦合器的所述输出端口和输出光纤连接器的一定长度的单模光纤。