CN103701522A - 实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置 - Google Patents

Abstract

一种实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，包括有泵浦激光器，泵浦激光器的出射光与光开关的主端连接，光开关的一个输出分端口连接用作对传输信号光放大的第二光波分复用器的泵浦端，第二光波分复用器的公共端连接掺铒光纤，光开关的另一个输出分端口通过光环形器连接第一光波分复用器的泵浦端，第一光波分复用器）的公共端通过一个光器件或依次通过一个以上的光器件连接第一传输光纤或第二传输光纤，第一传输光纤或第二传输光纤的回射泵浦光逆向通过一个光器件或依次通过一个以上的光器件、第一光波分复用器和光环形器后，最终进入第一光电探测器或第二光电探测器。本发明可实现同一个设备集成光时域反射探测和光信号放大两项功能。

Description

实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置

技术领域

本发明涉及一种光放大器。特别是涉及一种实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置。

背景技术

随着光纤通信向大容量高速度方向不断发展，光纤传输网络拓扑结构变得越来越复杂，在复杂系统的安装、调试、维护、升级、检修，尤其是故障诊断时，要求可以对光传输网络物理介质作特性分析，以及确定传输光缆中故障点的性质及位置，并且迅速采取相应的补救和维修措施。

光时域反射仪核心器件包括激光器以及光电探测器，激光器经脉冲调制后，发射一定功率、一定脉宽、一定频率和一定波长的探测光，耦合进入传输光纤，该脉冲探测光和光传输介质在传输途中相互作用，将会产生菲涅尔反射光和反向瑞利散射光。光缆本身的某些性状和特质，如光纤连接器、光纤镕接点、光纤弯曲或其它类似点事件，将使探测光在这些点产生背离基准时域谱形的跳变非连续信号，其中一部分信号可沿原路径返回到检测器中。根据发射信号到返回信号所用的时间，以及光在该光纤介质中的传播速度，可计算出事件点距离探测光出射点的距离。此外，通过分析该跳变点的属性，可推出该故障或者事件性质。除光纤点事件外，亦可对传输光缆的整体性状作一定程度的判定，如光纤类型、衰减系数等。据此，网管系统可采用光时域分析仪对光纤跨段状况作分析和判断，尤其是在网络作升级、修复、调试时，此检测信息可供工程人员或网管人员作重要参考。

传统光时域反射仪往往需要额外接入光纤网络，并作为一种检测仪器而存在，其成本较高，增加了额外开销。

光纤放大器是对光纤传输链路中光信号进行再生放大的一种设备，随着光信号沿着光纤光缆传输过程中不断衰减，到达接收机时，光功率可能已经在接收门限值以下了，因此，需要光纤放大器对光信号作再生放大，以延伸光信号传输距离。

掺铒光纤放大器是目前已取得广泛应用的商用光放大器，技术非常成熟。在泵浦光泵浦下，并在入射信号光作用下，将泵浦光能量转化为信号光能量，实现信号光功率放大。也就是说，这种光放大器本身包含有激光器。由于光纤放大器作为光纤通信系统中的节点设备大量存在，因此，可以借用光纤放大器出射耦合到传输光纤中的光能量作为光时域反射仪的检测光源。由此，可降低系统资源和成本开销，系统架构也会得到一定简化。整个光通信网络将处在带有光时域反射仪功能的光纤放大器的监控之下。由此，系统维护、维修、改造和升级的效率将得以提高，光通信网络的安全性和可靠性将得以增强。

但是，光时域反射仪作为独立的仪器，它自身具有一系列的技术要求，其主要特点在于激光光源须作纳秒到微秒级别的脉宽调制。此外，回射散射光须作有效收集和检测。为此，须对传统光纤放大器光路作适当改造，以有效融入光时域反射检测功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够适应系统安装、调试、监控、维护、升级、检修的各种不同要求的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置。

本发明所采用的技术方案是：一种实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，包括有泵浦激光器，其特征在于，所述泵浦激光器的出射光与光开关的主端连接，所述光开关的一个输出分端口连接用作对传输信号光放大的第二光波分复用器的泵浦端，所述第二光波分复用器的公共端连接掺铒光纤，所述光开关的另一个输出分端口通过光环形器连接第一光波分复用器的泵浦端，所述第一光波分复用器）的公共端通过一个光器件或依次通过一个以上的光器件连接第一传输光纤或第二传输光纤，所述第一传输光纤或第二传输光纤的回射泵浦光逆向通过所述的一个光器件或依次通过一个以上的光器件、第一光波分复用器和光环形器后，最终进入第一光电探测器或第二光电探测器。

所述的第一光波分复用器的信号端和第二光波分复用器的信号端分别各通过一个光器件连接第一光耦合器的光输入端，所述的第一光耦合器的输出光进入第三光电探测器，所述的掺铒光纤的输出端连接一个或一个以上的光器件。

所述的第一光波分复用器的信号端通过一个光器件连接第二光耦合器的一个光输入端，所述的第二光波分复用器的信号端通过一个以上的光器件连接第二光耦合器的另一个光输入端，所述的第二光耦合器的输出光分别进入第四光电探测器和第五光电探测器，所述的掺铒光纤的输出端连接一个或一个以上的光器件。

所述的第一光波分复用器的信号端通过一个光器件连接第二光耦合器的一个光输入端，所述的第二光波分复用器的信号端连接一个或一个以上的光器件，所述的掺铒光纤的输出端通过一个光器件连接第二光耦合器的另一个光输入端，所述第二光耦合器的输出光分别进入第四光电探测器和第五光电探测器。

所述的第一光波分复用器的信号端通过一个光器件连接第一光耦合器的一个光输入端，所述的第二光波分复用器的信号端连接一个或一个以上的光器件，所述的掺铒光纤的输出端通过一个光器件连接第一光耦合器的另一个光输入端，所述第一光耦合器的输出光进入第三光电探测器。

所述的第一光电探测器、第二光电探测器是雪崩二极管或是PINFET或是光电二极管。

所述的泵浦激光器设置有1个以上。

对所述的泵浦激光器进行调制，调制深度从0dB到50dB，脉宽从1nS～1μS，调制周期从0.1Hz～100KHz，调制波形是方波、正弦拨、三角波、锯齿波中的一种。

所述的泵浦激光器的泵浦驱动电流数据由FPGA或DSP或MCU给出，或者由模拟电路根据光电探测器探测光功率自动产生泵浦电压，再由FPGA或DSP或MCU产生泵浦调制扰动电压或电流数据。

所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和第五光电探测器输出信号作分级放大或者增益可调放大。

本发明的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，将光纤放大器中泵浦激光器的出射泵浦光采集作为光时域反射仪的探测光源，配合采用一定的调制和检测手段，实现同一个设备集成光时域反射探测和光信号放大两项功能。

附图说明

图1是融入光时域反射探测功能的掺铒光纤放大器的结构示意图；

图中

101：泵浦激光器 102：光器件

103：掺铒光纤   104：掺铒光纤

105：光器件     106：传输光纤

107：光器件     108：传输光纤

图2是泵浦激光深调制示例；

图3是掺铒光纤光大器前向泵浦的泵浦光注入位于光纤放大器前方传输光纤的一种结构示意图；

图4是掺铒光纤放大器反向泵浦的泵浦光注入位于光纤放大器后方传输光纤的另一种结构示意图；

图5是掺铒光纤放大器前向泵浦的泵浦光注入位于光纤放大器后方传输光纤的又一种结构示意图；

图6是掺铒光纤放大器反向泵浦的泵浦光注入位于光纤放大器前方传输光纤的再一种结构示意图。

图中：

5：光开关             6：泵浦激光器

7：掺铒光纤           8：光环形器

11：光器件            1-1：第一传输光纤

1-2：第二传输光纤     2-1：第一光耦合器

2-2：第二光耦合器     3-1：第一光波分复用器

3-2：第二光波分复用器 4-1：第一光电探测器

4-2：第二光电探测器   4-3：第三光电探测器

4-4：第四光电探测器   4-5：第五光电探测器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置做出详细说明。

本发明的将光纤放大器的出射光同时作为光时域反射仪的探测激光源，配合采用一定的调制手段和检测手段，达到两种功能兼备的目的。从而适应系统安装、调试、监控、维护、升级、检修的各种不同要求。

本发明的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，首先，将一定频率(可从0.1Hz到100kHz)一定脉宽(1nS～1μS)的方波或其它波形的调制信号叠加到原泵浦激光器管芯驱动电路上；其次，增加用于探测回射光的光电探测器，该光电探测器可以是PINFET、APD、PD等等；再者，将原光电探测放大电路作适当改造，引入快速运放以及快速AD采样芯片，并通过分档适当增加动态范围以及最低可探测功率；此外，将各个脉冲光的回射光功率以时间轴为横轴记录，对多个谱数据作平均运算并做滤波，由此，最终得到待测跨段的光时域反射谱。根据谱图纵坐标对应的光功率数值，可推算该跨段的衰减和损耗信息；谱图横坐标对应为探测脉冲光从出射到折返所耗费时间，可以据此计算该跨段某事件点位置到脉冲光出射位置的距离。由此，从光时域反射谱图上，可以推断故障性质、故障点位置、光纤类型、光纤长度等等。

此原则对不同泵浦数目（一个或多个）、不同泵浦方式（前向、反向或者双向）、不同增益级（单级、双级或者其它）等等，同时对功率光纤放大器、前置光纤放大器、中继光纤放大器均适用。

中央控制芯片方面，可采用FPGA、DSP、ARM或其它；功能电路单元方面，包括DA\AD转换电路、光电探测放大电路、泵浦激光器驱动电路、数据存储电路等等。

对应不同待测目标光纤跨段，可采用特定频率以及特定脉宽的调制信号作检测，一般来说，首先以宽脉冲和低频调制信号对事件做粗略定位，然后依据事件位置及性质的调整脉宽、频率及光功率，对目标事件作更进一步和更精确的检测。由于宽脉冲探测光源积分功率相对较大，所以可以探测到更远的距离。但是由于宽脉冲对应光程较长，所以其空间分辨率较低。为得到大跨段检测，可选择宽脉宽，如500nS～1μS。为得到高分辨率，可选择窄脉宽，如1nS～50nS。

而目标跨段被重复测量的次数越多，即用于求平均的光谱数据样本越多，则越有利于滤除和消除毛刺噪声。此外，选择脉冲频率时，须避免前一个光脉冲反射回到出发原点之前就遭遇下一个光脉冲，同时，如果选用频率越高，就意味着系统开销越大，所需数据存储量越大，以及所需运算速度越高。通过多个脉冲反射时域谱作多次平均并滤波降噪处理后，得到可表征目标传输光纤跨段性状的光时域反射谱图。

当光纤放大器融入光时域反射检测功能后，可获取前后跨段更精确更详细的信息，并据此信息，可作相应动作和措施。如果出现光纤断裂、光纤连接头断开、跨段某处出现大衰减、某处出现高反射等故障或类似情况，光纤放大器可迅速定位故障类型和位置，然后相应切入某种保护工作模式。此外，在光纤放大器最初接入该传输跨段，可主动对传输链路进行初始检测，并将该跨段初始信息记录下来，然后根据该特征信息，相应调整其工作参数，包括泵浦激光器、VOA等等，以期适应和匹配该跨段，达到最佳工况。此后，该光纤放大器将每间隔一段时间周期性或者在某种故障触发下或者在网管命令下对该跨段再做检测，并记录和存储最新参数，然后根据该参数重新调整刷新其工作参数。此外，该光纤放大器可将前后多次检测得到的跨段信息和参数汇总，并作筛选、分析和判断，然后将原始数据或者分析结论汇总上报给网管系统，网管系统则根据此信息可作相应处理。

一般情况下，工作于光信号放大模式，而当主动或被动进入光时域反射探测模式时，光信号放大功能则被暂停，此时，泵浦激光器以深调制方式进行。如图2。

在原有掺铒光纤放大器中，将泵浦激光器尾纤与光开关主端连接，而光开关的输出支路中，其中一路与光波分复用器泵浦端连接，该光波分复用器公共端与掺铒光纤相连，从而用作光信号功率放大用。另外一路通过光波分复用器、光环形器、光滤波器等器件的排列组合，与光探测器以及传输光纤连接，从而有效将泵浦光能量注入传输光纤，并采集传输光纤回射的部分泵浦光能量，以实现泵浦光对该传输光纤的光时域反射探测。

如图3、图4、图5、图6所示，本发明的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，包括有泵浦激光器6，本实施例采用1480nm泵浦激光器，所述泵浦激光器6的出射光与光开关5的主端连接，所述光开关5的一个输出分端口连接用作对传输信号光放大的第二光波分复用器3-2的泵浦端，所述第二光波分复用器3-2的公共端连接掺铒光纤7，作信号光放大之用。所述光开关5的另一个输出分端口通过光环形器8连接第一光波分复用器3-1的泵浦端，所述第一光波分复用器3-1的公共端通过一个光器件11或依次通过一个以上的光器件11连接第一传输光纤1-1或第二传输光纤1-2，作为光时域反射探测光源之用。所述第一传输光纤1-1或第二传输光纤1-2的回射泵浦光逆向通过所述的一个光器件11或依次通过一个以上的光器件11、第一光波分复用器3-1和光环形器8后，最终进入第一光电探测器4-1或第二光电探测器4-2。

如图3所示，所述的第一光波分复用器3-1的信号端和第二光波分复用器3-2的信号端分别各通过一个光器件11连接第一光耦合器2-1的光输入端，所述的第一光耦合器2-1的输出光进入第三光电探测器4-3，所述的掺铒光纤7的输出端连接一个或一个以上的光器件11。这里的泵浦激光器6对信号光作前向放大，待检测的第一传输光纤1-1则在光纤放大器之前。

如图4所示，所述的第一光波分复用器3-1的信号端通过一个光器件11连接第二光耦合器2-2的一个光输入端，所述的第二光波分复用器3-2的信号端通过一个以上的光器件11连接第二光耦合器2-2的另一个光输入端，所述的第二光耦合器2-2的输出光分别进入第四光电探测器4-4和第五光电探测器4-5，所述的掺铒光纤7的输出端连接一个或一个以上的光器件11。这里的泵浦激光器6对信号光作后向放大，待检测第二传输光纤1-2在光纤放大器之后。

如图5所示，所述的第一光波分复用器3-1的信号端通过一个光器件11连接第二光耦合器2-2的一个光输入端，所述的第二光波分复用器3-2的信号端连接一个或一个以上的光器件11，所述的掺铒光纤7的输出端通过一个光器件11连接第二光耦合器2-2的另一个光输入端，所述第二光耦合器2-2的输出光分别进入第四光电探测器4-4和第五光电探测器4-5。这里的泵浦激光器6对信号光作前向放大，待检测第二传输光纤1-2在光纤放大器之后。

如图6所示，所述的第一光波分复用器3-1的信号端通过一个光器件11连接第一光耦合器2-1的一个光输入端，所述的第二光波分复用器3-2的信号端连接一个或一个以上的光器件11，所述的掺铒光纤7的输出端通过一个光器件11连接第一光耦合器2-1的另一个光输入端，所述第一光耦合器2-1的输出光进入第三光电探测器4-3。这里的泵浦激光器6对信号光作后向放大，待检测的第一传输光纤1-1则在光纤放大器之前。

在本发明中，所述的第一光电探测器4-1、第二光电探测器4-2、第三光电探测器4-3、第四光电探测器4-4和第五光电探测器4-5是雪崩二极管或是PINFET或是光电二极管或者其它形式光电探测器。并且，所述的第一光电探测器4-1、第二光电探测器4-2、第三光电探测器4-3、第四光电探测器4-4和第五光电探测器4-5输出信号作分级放大或者增益可调放大。

所述的泵浦激光器6设置有1个以上。对所述的泵浦激光器6进行调制，调制深度从0dB到50dB，脉宽从1nS～1μS，调制周期从0.1Hz～100KHz，调制波形是方波、正弦拨、三角波、锯齿波中的一种。所述的泵浦激光器6的泵浦驱动电流数据由FPGA或DSP或MCU或者其它控制器给出，或者由模拟电路根据光电探测器探测光功率自动产生泵浦电压，再由FPGA或DSP或MCU或其它芯片产生泵浦调制扰动电压或电流数据。

以上列出了利用掺铒光纤放大器中1480nm泵浦光对传输光纤作回射光探测的多种方式，按泵浦方向可分为前向泵浦和后向泵浦，按待测光纤与光纤放大器之间相对位置关系可分为传输光纤位于光纤放大器之前和传输光纤位于光纤放大器之后两种。

如果本发明的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置具有两个或两个以上泵浦激光器，那么可采用其中两个泵浦分别作为前后两跨段传输光纤的光时域反射探测信号源。此外，单个泵浦激光器亦可实现对光纤放大器前后两个跨段的传输光纤作回射光检测的功能。同样，无论是单个泵浦还是多个泵浦，均可按泵浦方向、相对位置关系以及按实现方式作组合分类。如下，针对单个泵浦激光器检测前后两跨段光纤的方法以及两个泵浦激光器分别检测前后两跨段光纤的方法，各选一种作说明。其它演变情况，同样可包含在本专利中。

所有图例中，所述的第一光电探测器4-1指位于光纤放大器之前传输光纤回射光探测器，第二光电探测器4-2指位于光纤放大器之后传输光纤回射光探测器，第三光电探测器4-3指光纤放大器输入端信号光探测器，第四光电探测器4-4指光纤放大器输出端信号光探测器，第五光电探测器4-5指光纤放大器输出端反射信号光探测器。

Claims (10)

1.一种实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，包括有泵浦激光器（6），其特征在于，所述泵浦激光器（6）的出射光与光开关（5）的主端连接，所述光开关（5）的一个输出分端口连接用作对传输信号光放大的第二光波分复用器（3-2）的泵浦端，所述第二光波分复用器（3-2）的公共端连接掺铒光纤（7），所述光开关（5）的另一个输出分端口通过光环形器（8）连接第一光波分复用器（3-1）的泵浦端，所述第一光波分复用器（3-1））的公共端通过一个光器件（11）或依次通过一个以上的光器件（11）连接第一传输光纤（1-1）或第二传输光纤（1-2），所述第一传输光纤（1-1）或第二传输光纤（1-2）的回射泵浦光逆向通过所述的一个光器件（11）或依次通过一个以上的光器件（11）、第一光波分复用器（3-1）和光环形器（8）后，最终进入第一光电探测器（4-1）或第二光电探测器（4-2）。

2.根据权利要求1所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，所述的第一光波分复用器（3-1）的信号端和第二光波分复用器（3-2）的信号端分别各通过一个光器件（11）连接第一光耦合器（2-1）的光输入端，所述的第一光耦合器（2-1）的输出光进入第三光电探测器（4-3），所述的掺铒光纤（7）的输出端连接一个或一个以上的光器件（11）。

3.根据权利要求1所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，所述的第一光波分复用器（3-1）的信号端通过一个光器件（11）连接第二光耦合器（2-2）的一个光输入端，所述的第二光波分复用器（3-2）的信号端通过一个以上的光器件（11）连接第二光耦合器（2-2）的另一个光输入端，所述的第二光耦合器（2-2）的输出光分别进入第四光电探测器（4-4）和第五光电探测器（4-5），所述的掺铒光纤（7）的输出端连接一个或一个以上的光器件（11）。

4.根据权利要求1所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，所述的第一光波分复用器（3-1）的信号端通过一个光器件（11）连接第二光耦合器（2-2）的一个光输入端，所述的第二光波分复用器（3-2）的信号端连接一个或一个以上的光器件（11），所述的掺铒光纤（7）的输出端通过一个光器件（11）连接第二光耦合器（2-2）的另一个光输入端，所述第二光耦合器（2-2）的输出光分别进入第四光电探测器（4-4）和第五光电探测器（4-5）。

5.根据权利要求1所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，所述的第一光波分复用器（3-1）的信号端通过一个光器件（11）连接第一光耦合器（2-1）的一个光输入端，所述的第二光波分复用器（3-2）的信号端连接一个或一个以上的光器件（11），所述的掺铒光纤（7）的输出端通过一个光器件（11）连接第一光耦合器（2-1）的另一个光输入端，所述第一光耦合器（2-1）的输出光进入第三光电探测器（4-3）。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，所述的第一光电探测器（4-1）、第二光电探测器（4-2）是雪崩二极管或是PINFET或是光电二极管。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，所述的泵浦激光器（6）设置有1个以上。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，对所述的泵浦激光器（6）进行调制，调制深度从0dB到50dB，脉宽从1nS～1μS，调制周期从0.1Hz～100KHz，调制波形是方波、正弦拨、三角波、锯齿波中的一种。

9.根据权利要求1～5中任一项所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，所述的泵浦激光器（6）的泵浦驱动电流数据由FPGA或DSP或MCU给出，或者由模拟电路根据光电探测器探测光功率自动产生泵浦电压，再由FPGA或DSP或MCU产生泵浦调制扰动电压或电流数据。

10.根据权利要求1～5中任一项所述的实现光纤光时域反射探测和光纤光信号放大的装置，其特征在于，所述的第一光电探测器（4-1）、第二光电探测器（4-2）、第三光电探测器（4-3）、第四光电探测器（4-4）和第五光电探测器（4-5）输出信号作分级放大或者增益可调放大。

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