CN104104428A - 一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置及方法 - Google Patents

一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置及方法，包括泵浦激光器监控装置、反向泵浦光探测装置、OSC监控信号探测装置，带外ASE探测装置和带内信号探测装置；其中，上述的功率探测器、上述反射功率探测器、上述OSC探测器、上述ASE带探测器及上述信号光探测器均连接于分布式拉曼光纤放大器的中央微处理器，降低分布式拉曼光纤放大器中的激光传输的强光功率对通信系统操作、维护人员的安全隐患。

Description

一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤通信领域中的光放大器的安全保护领域，特别涉及一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置及方法。
背景技术
激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高的特点，在通信系统中的应用日益广泛。激光的方向性好，发散角小，能量在空间高度集中，因此，在激光的输出方向上的能量强度特别高，对人体的辐射特别是眼睛的危害较大。在现代光通信系统中大量使用的激光光源，光波长一般分布在可见光范围之外的1310nm和1550nm附近，肉眼无法直接看到光束，因而给人眼造成伤害的可能性很大。
随着大容量超长距离光传输通信系统的迅速发展和应用，对系统的信噪比(OSNR)的要求更高，开始广泛使用非线性光纤放大器，特别是分布式拉曼光纤放大器(Raman Fiber Amplifier简称RFA)。如图1所示，RFA100将高强度的激光直接泵浦进入传输光纤110中，因此系统中的光纤所承载的光信号功率达到或者超过30dBm，这样的强光功率对通信系统操作、维护人从的安全存在很大的安全隐患。同时，由于RFA泵浦激光P1和信号光M1在传输光纤110中同时传输的工作特点，因此在设计和使用RFA时须考虑激光的安全问题。
请参照图1。以采用后向泵浦方式的分布式拉曼光纤放大器(RFA)为例，图中RFA的泵浦光P1为强激光，功率约为500mw；正向传输的为信号光S1。其中，信号光S1从远端发射，经过长距离的传输光纤110传输至RFA输入端I1，经RFA输出端O1输出，其中，RFA的输入端I1既是信号光S1的输入端，同时也是RFA泵浦光P1的输出端，由于光纤的非线性光学效应，信号光S1与泵浦光P1在同一传输光纤110中相向传输并相互作用，由于受激拉曼散射(SRS)泵浦光P1能量将转移至波长相邻的信号光S1中，使信号光S1的强度得到放大。由于通信系统的光纤传输距离一般在100km以上，且泵浦光P1会存在于系统的整段传输光纤110中，一旦在此超长距离传输中传输光纤110的某处发生破损或者断裂，将会造成强激光的泄漏，造成极大的安全危害。
发明内容
本发明的发明目的之一为解决在分布式拉曼光纤放大器中的激光传输的强光功率对通信系统操作、维护人员的安全保护，本发明提供应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置及方法。
本发明的发明目的之一为判断和保护通信系统在超长距离传输中传输光纤某处发生破损或者断裂造成强激光的泄漏的情况。
本发明提供一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置包括一泵浦激光器监控装置、一反向泵浦光探测装置、一OSC监控信号探测装置，一带外ASE探测装置和一带内信号探测装置；上述泵浦激光器监控装置包括一功率探测器；上述反向泵浦光探测装置包括一反射功率探测器；上述OSC监控信号的探测装置包括一OSC探测器；上述带外ASE探测装置包括一ASE带探测器；上述带内信号探测装置包括一信号光探测器；其中，上述的功率探测器、上述反射功率探测器、上述OSC探测器、上述ASE带探测器及上述信号光探测器均连接于分布式拉曼光纤放大器的中央微处理器。
其中，优先实施方式之一为：上述功率探测器通过RFA的WDM连接于RFA的功率耦合器。
其中，优先实施方式之一为：上述反射功率探测器连接于RFA的功率耦合器。
本发明提供一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法：首先，功率探测器探测耦合器分离出的部分泵浦光的功率值并传送至中央微处理器，从而计算泵浦光的实际输出功率值；其次，WDM滤出反向泵浦光并通过功率耦合器传输至上述反射功率探测器，上述反射功率探测器探测出反射泵浦光功率并传送至中央微处理器；再次，OSC探测器探测出通过功率耦合器和WDM抽离出的OSC信号的部分能量并传送至中央处理器；再次，带外ASE探测装置利用功率耦合器和滤波器将部分信号带宽之外的ASE光功率抽离，传输至ASE带探测器，ASE带探测器将功率值传送至中央微处理器，计算出实际系统中的带宽范围内的ASE功率值；最后，信号光探测器探测出信号光功率值，并传送至中央微处理器。
本发明提供一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法：功率探测器探测功率耦合器分离出的部分泵浦光的功率值并传送至中央微处理器，从而计算泵浦光的实际输出功率值。
本发明提供一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法：WDM滤出反向泵浦光并通过功率耦合器传输至上述反射功率探测器，上述反射功率探测器探测出反射泵浦光功率并传送至中央微处理器。
本发明提供一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法：OSC探测器探测出通过功率耦合器和WDM抽离出的OSC信号的部分能量并传送至中央处理器。
本发明提供一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法：带外ASE探测装置利用功率耦合器和滤波器将部分信号带宽之外的ASE光功率抽离，传输至ASE带探测器，ASE带探测器将功率值传送至中央微处理器，计算出实际系统中的带宽范围内的ASE功率值。
本发明提供一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法：信号光探测器探测出信号光S1功率值，并传送至中央微处理器。
与现有技术相比，本发明具有下述优点：首先，在实际的工作中，若传输光纤中某处发生破损、断裂或者断开，光纤中信号光丢失，泵浦能量不转移至信号光中，光纤中的激光强度将会大量增加，并且在断面处发生反射，反射泵浦光达到设定阈值，中央微处理器将会关闭泵浦激光器，或者减小泵浦激光器输出强度；其次，上述激光保护装置的五部分既可以单独判断也可以综合判断控制；再次，激光保护装置设置于RFA模块中，由RFA模块控制并上报，激光安全的判断处理与传输系统中的其他设备无关，也不依附于信号中的特殊编码，在更换光放模块和系统升级时，不需要对系统的软件和硬件调整；最后，本发明的激光保护装置可以应用于反向泵浦式RFA、正向泵浦式RFA和双向泵浦式RFA中。
附图说明
图1为向泵浦方式RFA应用于通信系统的示意图。
图2为本发明的应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置的结构示意图。
图3为泵浦激光器监控装置和反向泵浦光探测装置的结构图。
图4为OSC监控信号的探测装置、带外ASE探测装置和带内信号探测装置的结构图。
图5为不同传输线损耗下泵浦功率和ASE的数学关系。
图6为传输线异常激光安全保护判断机制。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置及方法做更进一步详细说明。
请同时参照图2。图2为本发明的应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置的结构示意图。激光安全保护装置500由五部分构成，分别为泵浦激光器监控装置510、反向泵浦光探测装置520、0SC监控信号探测装置530，带外ASE探测装置540和带内信号探测装置550。
请同时参考图3。图3为泵浦激光器监控装置510和反向泵浦光探测装置520的结构图。其中，泵浦激光器监控装置510包括功率探测器5140，功率探测器5140通过WDM5130连接于功率耦合器5120，且通信系统的泵浦激光器5110与功率探测器5140均连接于中央微处理器600形成反馈光路。其中，反向泵浦光探测装置520包括反射功率探测器5240，与泵浦激光器监控装置510共同连接于功率耦合器5120，且反射功率探测器5240连接于中央微处理器600。
请同时参照图4。图4为OSC监控信号的探测装置530、带外ASE探测装置540和带内信号探测装置550的结构图。其中，OSC监控信号的探测装置530包括OSC探测器5320，OSC信号通过WDM1输出至OSC探测器5320，且OSC探测器5320连接至中央微处理器600。其中，带外ASE探测装置540包括ASE带探测器5420，其中ASE信号通过WDM2输出至ASE带探测器5420，且ASE带探测器5420连接至中央微处理器600。其中，带内信号探测装置550包括信号光探测器5520，带内信号探测装置550探测通过耦合器5410抽离的部分信号光S2，且连接至中央微处理器600。
以下对本发明的应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法进行详细说明。
请同时参考图3。首先，中央微处理器600控制泵浦激光器5110输出泵浦光P1，功率耦合器5120将部分泵浦光P1分离再经由WDM5130滤波后，由功率探测器5140探测出部分泵浦光P1的功率值并传送至中央微处理器600，从而计算出泵浦光P1的实际输出功率值，使泵浦激光器5110和功率探测器5140形成反馈调节机制。
其中，泵浦光P1在传输光纤110中传输时，由于光的散射和反射，会形成反向泵浦光P2，反向泵浦光P2和信号光S1同向传输，并传输至RFA模块输入端I1，通过图3中波分复用器(WDM)滤出反向泵浦光P2再通过耦合器5120，分离出部分反向泵浦光P2传输至反射功率探测器5240，反射功率探测器5240将信号传输至中央微处理器600，计算出实际反向泵浦光P2的功率。
请同时参考图6，若传输线110与RFA100连接器异常或传输线110近段光纤破损，探测的反向泵浦光P2的功率在短时间内快速上升，并超出RFA100设定的反射阈值，RFA100则会启动激光安全保护机制，关闭或者降低泵浦输出功率至安全值范围。
请同时参照图4。其中，0SC信号为通信系统中自带的具有一定带宽的监测信号，由通信系统的发射端发出。其次，RFA利用功率耦合器5120和WDM1抽离出OSC信号的部分能量传输至OSC探测器5320，OSC探测器5320将数值传送至中央微处理器600，再由中央微处理器600计算出通信系统中实际的OSC光功率值。
请同时参照图5，RFA正常工作时，强激光在传输光纤110中传输便会激发出拉曼自发辐射噪声(ASE)，ASE的功率值与泵浦光P1强度和拉曼增益强度有关。请同时参考图5，RFA在泵浦开启工作状态时，不同的泵浦的强度P1在传输光纤110中产生的ASE功率不同，同时传输光纤110以及传输线的损耗可以通过探测泵浦功率P1和ASE功率的数学关系确定。
再次，RFA中的ASE带宽远大于信号光S1的带宽，带外ASE探测装置540利用耦合器5410和滤波器将部分信号带宽之外的ASE光功率抽离，传输至ASE带探测器5420，ASE带探测器5420将功率值传送至中央微处理器600，计算出实际系统中的带宽范围内的ASE功率值。耦合器5410抽离出部分主光路中内信号光S1传输至信号光探测器5520，信号光探测器5520探测出信号光S1功率值，并传送至中央微处理器600。
请同时参照图6，若传输光纤110近段发生破损，反射泵浦的探测功率P2快速上升，ASE功率值会随之发生变化，RFA100通过探测的泵浦功率P1和ASE功率值计算出泵浦强度和ASE的数学关系，据此判读传输线的损耗情况，若如达到RFA100设定的传输线损耗阈值时，中央微处理器600将会关闭泵浦激光器5110，或者减小泵浦激光器5110输出强度。
请同时参照图4。其中，OSC信号为通信系统中自带的具有一定带宽的监测信号，由通信系统的发射端发出。其次，RFA利用耦合器5120和WDM1抽离出OSC信号的部分能量传输至OSC探测器5320，OSC探测器5320将数值传送至中央微处理器600，再由中央微处理器600计算出通信系统中实际的OSC光功率值。
请同时参照图6，若传输光纤110远端发生破损，信号光S1和OSC丢失，低于LOS报警阈值，此时会启动传输线远端异常激光安全保护机制，中央微处理器600将会关闭泵浦激光器5110，或者减小泵浦激光器5110输出强度。
与现有技术相比，本发明具有下述优点：首先，在实际的工作中，若传输光纤中某处发生破损、断裂或者断开，光纤中信号光丢失，泵浦能量不转移至信号光中，光纤中的激光强度将会大量增加，并且在断面处发生反射，反射泵浦光达到设定阈值，中央微处理器将会关闭泵浦激光器，或者减小泵浦激光器输出强度；其次，上述激光保护装置的五部分既可以单独判断也可以综合判断控制，单独控制时激光安全保护机制判断迅速准确，综合判断时激光安全保护机制能够判断出传输线的具体异常点：RFA模块连接异常，传输光纤近段异常，传输光纤远端异常。当RFA模块采用综合判断控制时，对传输线路进行实时监控，并依据多个判断条件逐级判断上报异常点，能够有效减小RFA模块误报的可能性；再次，激光保护装置设置于RFA模块中，由RFA模块控制并上报，激光安全的判断处理与传输系统中的其他设备无关，也不依附于信号中的特殊编码，在更换光放模块和系统升级时，不需要对系统的软件和硬件调整；最后，本发明的激光保护装置可以应用于反向泵浦式RFA、正向泵浦式RFA和双向泵浦式RFA中。
以上所述，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (8)

1.一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置，其特征在于：包括一泵浦激光器监控装置、一反向泵浦光探测装置、一OSC监控信号探测装置，一带外ASE探测装置和一带内信号探测装置；上述泵浦激光器监控装置包括一功率探测器；上述反向泵浦光探测装置包括一反射功率探测器；上述OSC监控信号的探测装置包括一OSC探测器；上述带外ASE探测装置包括一ASE带探测器；上述带内信号探测装置包括一信号光探测器；其中，上述的功率探测器、上述反射功率探测器、上述OSC探测器、上述ASE带探测器及上述信号光探测器均连接于分布式拉曼光纤放大器的中央微处理器。
2.如权利要求1所述的应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置，其特征在于：上述功率探测器通过RFA的WDM连接于RFA的功率耦合器。
3.如权利要求1所述的应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护装置，其特征在于：上述反射功率探测器连接于RFA的功率耦合器。
4.一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法，其特征在于：首先，功率探测器探测功率耦合器分离出的部分泵浦光的功率值并传送至中央微处理器，从而计算泵浦光的实际输出功率值；其次，WDM滤出反向泵浦光并通过功率耦合器传输至上述反射功率探测器，上述反射功率探测器探测出反射泵浦光功率并传送至中央微处理器；再次，OSC探测器探测出通过功率耦合器和WDM抽离出的OSC信号的部分能量并传送至中央处理器；再次，带外ASE探测装置利用功率耦合器和滤波器将部分信号带宽之外的ASE光功率抽离，传输至ASE带探测器，ASE带探测器将功率值传送至中央微处理器，计算出实际系统中的带宽范围内的ASE功率值；最后，信号光探测器探测出信号光功率值，并传送至中央微处理器。
5.一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法，其特征在于：包括：功率探测器探测功率耦合器分离出的部分泵浦光的功率值并传送至中央微处理器，从而计算泵浦光的实际输出功率值；WDM滤出反向泵浦光并通过功率耦合器传输至上述反射功率探测器，上述反射功率探测器探测出反射泵浦光功率并传送至中央微处理器；探测的反射泵浦功率达到设定反射阈值，启动泵浦反射功率监控激光安全保护机制。
6.一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法，其特征在于：包括：OSC探测器探测出通过功率耦合器和WDM抽离出的OSC信号的部分能量并传送至中央处理器，探测的OSC信号功率达到设定OSC阈值，启动OSC功率监控激光安全保护机制。
7.一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法，其特征在于：传输线近端异常激光保护方法包括：带外ASE探测装置利用功率耦合器和滤波器将部分信号带宽之外的ASE光功率抽离，传输至ASE带探测器；泵浦功率监测单元监测泵浦输出功率，ASE带探测器和泵浦功率探测器将功率值传送至中央微处理器，计算出实际系统中的带宽范围内的ASE功率值和泵浦输出功率之间的函数关系，判断传输线损耗，若达到RFA设定损耗阈值，启动传输线近端异常激光保护机制。
8.一种应用在分布式拉曼光纤放大器中的激光安全保护方法，其特征在于：传输线远端异常激光保护方法包括：带外ASE探测装置利用功率耦合器和滤波器将部分信号带宽之外的ASE光功率抽离，传输至ASE带探测器；泵浦功率监测单元监测泵浦输出功率，ASE带探测器和泵浦功率探测器将功率值传送至中央微处理器，计算出实际系统中的带宽范围内的ASE功率值和泵浦输出功率之间的函数关系，判断传输线损耗，同时OSC探测器和信号带探测器探测出OSC功率和信号功率；若达到RFA设定LOS报警阈值，启动传输线远端异常激光保护机制。
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