CN110289905B - 利用fp激光器精准监测twdm-pon故障的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用FP激光器精准监测TWDM‑PON故障的装置及方法，涉及光纤通信网络故障监测技术，TWDM‑PON二级光网络系统包括光端机OLTⅠ、馈线光纤Ⅱ、第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ、一级支路Ⅳ、第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ、二级支路Ⅵ和光网络单元Ⅶ，二级光网络监测系统主要包括OLTⅠ侧的监测部分和光网络单元Ⅶ侧的监测部分，OLTⅠ侧的监测部分包括控制端FP半导体激光器、控制端耦合器、控制端光耦合装置、控制端光电探测器、综合信号采集处理装置及光耦合装置；光网络单元Ⅶ侧的监测部分与光端机OLTⅠ侧的监测部分结构相似。本发明可实现故障准确定位；结构简单；应用范围广；同时满足高空间分辨率和长距离的需求。

Description

利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤通信网络故障监测技术，具体为一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置及方法。

背景技术

下一代无源光网络（NG-PON2）项目已于2011年启动，主要研究光纤网络技术，使接入网的带宽增加到10GHz/s以上，随着接入网的发展，所携带的信息量也将大幅度增加，网络系统发生故障所带来的损失也将越来越严重。而现有的大部分无源光网络监测系统主要针对WDM-PON和TDM-PON光网络，因此针对TWDM-PON相对更加复杂的网络系统需要一个使用、经济的监测管理系统。现有的监测系统主要基于时域、光谱和频谱等方面：

1、峰值功率：功率监测是任何监测系统的基本要求。控制中心的网络管理系统可以通过监测到的功率与参考值或阈值进行比较来确定网络的状态。

2、平均功率：采用平均法对测量信号进行改善，而不是一次测量。与参考值相比，该平均功率的任何变化都意味着光网络的损坏或故障。

3.功率谱：一些检测系统依赖于测量接收到的识别频率的功率，监测这些频率的功率决定光网络的状态。

4、光谱：有些监测字技术对接收到的波长进行监测，波长丢失意味着特定的分支出现故障或损坏。

现有方法的故障检测方法，很多依赖于光时域反射仪（OTDR），它通过观察光纤中向后反射和瑞利散射信号，进而检测、判断链路中的异常。然而光时域反射仪（OTDR）运用于光网络故障检测存在一些缺陷，首先很区分光网络分支的反向信号；其次OTDR存在空间分辨率和动态范围之间的理论矛盾，即它需要足够宽的光脉冲以保证回波功率，但较宽的脉冲宽度降低了空间分辨率；最后，光网络中含有功率分配器（AWG）等器件，插入损耗高。

因此，针对TWDM-PON光网络，有必要发明一种能够在控制端实时监控，结构简单，不对传输信号产生干扰，且能识别分支及故障准确定位，高精度、长距离的监测技术。

发明内容

本发明为了解决在TWDM-PON光网络中，对故障实时监控并实现故障分支的识别及故障的定位的问题，提供了一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置及方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置，包括TWDM-PON二级光网络系统与二级光网络监测系统；所述TWDM-PON二级光网络系统包括光端机OLTⅠ、馈线光纤Ⅱ、第一级1分n路的阵列波导光栅AWGⅢ、一级支路Ⅳ、第二级1分n路的阵列波导光栅AWGⅤ、二级支路Ⅵ和光网络单元Ⅶ，所述光端机OLTⅠ通过馈线光纤Ⅱ与第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ的公共口连接，所述第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ的n个分光口通过n根一级支路Ⅳ与n个第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ一一对应连接；每个第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ的n个分光口通过n根二级支路Ⅵ与n个光网络单元Ⅶ的输入端一一对应连接。所述二级光网络监测系统包括控制端FP半导体激光器、控制端耦合器、控制端光耦合装置、控制端光电探测器、综合信号采集处理装置及光耦合装置；控制端FP半导体激光器与控制端耦合器连接；控制端耦合器的大比例输出端与控制端光耦合装置的输入端连接，控制端耦合器的小比例输出端与控制端光电探测器的输入端连接；控制端光耦合装置安装于馈线光纤Ⅱ上；控制端光电探测器的输出端与综合信号采集处理装置的输入端连接；控制端FP半导体激光器、控制端耦合器、控制端光耦合装置、控制端光电探测器、综合信号采集处理装置均位于光端机OLTⅠ侧；n根二级支路Ⅵ上均一一对应安装有n个光耦合装置，n个光耦合装置一一对应位于n个光网络单元Ⅶ侧。所述二级光网络监测系统还包括n个第三级1分n路的阵列波导光栅AWG、n个用户端FP半导体激光器、n个用户端耦合器、n个用户端光电探测器和n个用户端信号采集处理装置，每个用户端FP半导体激光器与对应的用户端耦合器连接；用户端耦合器的大比例输出端通过光纤与第三级1分n路的阵列波导光栅AWG的公共口连接，每个第三级1分n路的阵列波导光栅AWG的n个分光口通过光纤与对应的n个光耦合装置连接；所述用户端耦合器的小比例输出端与用户端光电探测器的输入端连接，所述用户端光电探测器与用户端信号采集处理装置连接；每个二级分支的用户端FP半导体激光器和控制端FP半导体激光器之间的距离各不相同，相邻距离的最小差值大于探测精度，通过增加跳线的方式，保证每一簇的相关曲线都不会重叠，每一簇中的每一支也不重叠。

本发明主要包括TWDM-PON二级光网络系统与二级光网络监测系统这两部分，光端机OLTⅠ和光网络单元Ⅶ之间通过馈线光纤Ⅱ、第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ、一级支路Ⅳ、第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ和二级支路Ⅵ互相发送信息，在传输信息的基础上，增加了二级光网络监测系统用于监测故障，监测故障的原理主要是激光器在光注入的扰动下产生的混沌激光，通过信号采集处理装置对采集到的信号进行自相关处理，生成自相关曲线，由于时延特征，在其自相关曲线中会有旁瓣，而旁瓣位置和两激光器之间的位置有关，所以可以根据旁瓣的位置分析故障所处的位置。二级光网络监测系统主要包括光端机OLTⅠ侧的监测部分和光网络单元Ⅶ侧的监测部分，光端机OLTⅠ侧的监测部分包括控制端FP半导体激光器、控制端耦合器、控制端光耦合装置、控制端光电探测器、综合信号采集处理装置及光耦合装置；光网络单元Ⅶ侧的监测部分包括n个第三级1分n路的阵列波导光栅AWG、n个用户端FP半导体激光器、n个用户端耦合器、n个用户端光电探测器和n个用户端信号采集处理装置，通过控制端FP半导体激光器发出激光至控制端耦合器，其大比例输出端将激光信号通过控制端光耦合装置和馈线光纤Ⅱ传输至第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ，再通过n根一级支路Ⅳ分别进入n个对应的第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ，然后再分别通过各自的的二级支路Ⅵ进入光耦合装置，之后经光纤进入第三级1分n路的阵列波导光栅AWG，经光纤传输至用户端耦合器，最终到达用户端FP半导体激光器，之后该激光器在控制端FP半导体激光器的光注入扰动下会产生混沌激光，用户端FP半导体激光器以同样路径反向传输，最终到达控制端FP半导体激光器，两激光器在互注入的扰动下各自产生了混沌激光，同时两激光器可互相通信。由前研究（IEEE PHOTONICE TECHNOLOGYLETTERS. Vol 23. No 12 .pp759-761, 2011）可知，FP半导体激光器在光注入的扰动下，产生的混沌激光的自相关曲线中存在旁瓣，旁瓣与两激光器间的距离有关，旁瓣的位置就是本方法中判断故障的相关峰的位置。控制端耦合器的小比例输出端将激光器产生的混沌激光输入控制端光电探测器，并将光信号转换为电信号，并输入综合信号采集处理装置将非线性动态输出信号采集进而进行自相关的计算，根据自相关曲线中存在旁瓣的情况来判断故障位置，每个分支的用户端FP半导体激光器和控制端FP半导体激光器之间的距离各不相同，相邻距离的最小差值大于探测精度，因此保证每一簇的相关曲线都不会重叠；由于旁瓣和两激光器间距离有关，因此可以通过此原理来判断故障情况，若光网络传输线路中存在故障（IEEE PhotonicsJournal . Vol 7. No 6. pp. , December 2015 6803909），则故障点将取代相应的用户端FP半导体激光器，作为一个反馈点，探测光经反馈点原路反馈至控制端FP半导体激光器使其产生非线性动态输出，根据光反馈产生混沌信号的自相关曲线中存在旁瓣的原理，用户端FP半导体激光器在光反馈的扰动下同样存在旁瓣，旁瓣和控制端FP半导体激光器距光反馈装置的距离有关。由于故障可能在整个网络的任何一处出现，因此具体问题还需要具体分析，具体分析如下文。

一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的方法，包括如下步骤：

1）当TWDM-PON二级光网络系统与二级光网络监测系统铺设完成后，开始进行如下步骤：

1.1）控制端FP半导体激光器发射与通信信号不同波长的激光；所发射的激光经控制端耦合器的大比例端输出，经控制端光耦合装置耦合入馈线光纤Ⅱ，并经第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ分入n根一级支路Ⅳ，n根一级支路Ⅳ将光信号一一对应传输入n个第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ，每个第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ的分光口将探测光经由n根二级支路Ⅵ进入一一对应的n个光耦合装置，并耦合入光纤进入第三级1分n路的阵列波导光栅AWG，经光纤传输至用户端耦合器，最终到达用户端FP半导体激光器，用户端FP半导体激光器在控制端FP半导体激光器的光注入扰动下产生混沌激光；每个用户端FP半导体激光器发射与通信信号不同波长的激光；所发射的激光经用户端耦合器的大比例端输出，经光纤进入第三级1分n路的阵列波导光栅AWG，分入n根光纤通过一一对应的n个光耦合装置将光信号耦合入n根二级支路Ⅵ，并通过n根二级支路Ⅵ传输入第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ，然后通过一级支路Ⅳ传输入第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ，经光纤传输至控制端光耦合装置，然后进入控制端耦合器，最终到达控制端FP半导体激光器，控制端FP半导体激光器在用户端FP半导体激光器的光注入扰动下产生混沌激光；两激光器在互注入的扰动下各自产生了混沌激光，同时两激光器可互相通信；在控制端，所述控制端耦合器的小比例输出端将控制端FP半导体激光器产生的混沌激光输入控制端光电探测器，并将光信号转换为电信号，之后电信号输入综合信号采集处理装置，将控制端FP半导体激光器的非线性动态输出信号采集并进行自相关的计算，根据自相关曲线中存在旁瓣的情况，来判断光网络的故障情况；在用户端，所述用户端耦合器的小比例输出端将用户端FP半导体激光器产生的混沌激光输入用户端光电探测器，并将光信号转换为电信号，之后电信号输入用户端信号采集处理装置，将用户端FP半导体激光器的非线性动态输出信号采集并进行自相关的计算，根据自相关曲线中存在旁瓣的情况，来进一步辅助控制端FP半导体激光器判断光网络的故障情况；

1.2）综合信号采集处理装置和用户端信号采集处理装置各自将接收到的电信号进行自相关计算，并得到自相关曲线；

1.3）故障监测系统搭建完成后，保证光网络正常通信的情况下，进行完整光网络系统的完整测量，自相关曲线的处理中除0点外在不同位置上出现多个相关峰，在每个一级支路Ⅳ下的二级支路Ⅵ，由于两个激光器的注入以及二级支路Ⅵ不同长度的影响，自相关曲线中出现一簇一簇的相关峰值，每一簇对应于每一个一级支路，一簇中的每一支都对应于每一个二级支路；通过关闭某一用户端FP半导体激光器从而在曲线中完成对各个一级支路对应的相应簇相关峰的标记；切断某一支二级支路完成对光网络系统二级支路相关峰的标定，之后在光网络系统运行过程中即可进行监测，实时对该光网络进行一次测试并与首次标记过的测试结果进行对比，判断光网络的运行情况；生成的参考曲线如图1所示；

2）当TWDM-PON二级光网络系统开始运行后，不断把1.2）与1.3）的自相关曲线进行对比，根据表现的现象不同，判断故障的具体位置，具体如下：

①若测试得到的控制端FP半导体激光器的自相关曲线中所有支路的相关峰都变得很小或者消失并且在第一簇相关峰前多出一个相关峰，表明该故障阻碍了整个光网络的通信，则故障发生在馈线光纤Ⅱ，如图2中的故障1及图4，相应的故障点作为一个反射装置，控制端FP半导体激光器会在光反馈的作用下，在自相关曲线中出现了一个新的峰值，该反射峰对应于故障位置；

②若测试得到的控制端FP半导体激光器的自相关曲线中只有其中一簇支路的相关峰变得很小或者消失，并在其他位置多出一个相关峰，此时表明只有一个一级分支通信阻断，则发生在一级支路Ⅳ，如图2中的故障2及图5；由于存在光反馈，则会在自相关曲线中其他位置出现一个新的反射峰，该反射峰对应于故障位置；

③若测试得到的控制端FP半导体激光器的自相关曲线中只有其中一簇支路的相关峰变得很小或者消失，且没有在其他位置多出一个相关峰，此时表明是用户端FP半导体激光器一侧的光纤阻断，如图2中的故障5及图8，这是由于距离太远，光功率损耗太大，反馈回控制端FP半导体激光器的反馈光强度太弱，所以在控制端FP半导体激光器的自相关曲线中显示不出来，此时由用户端信号采集处理装置得到的自相关曲线完成对故障点的具体定位，如图12，方法参照（IEEE Photonics Journal . Vol 7. No 6. pp. ,2015）；

④若测试得到的控制端FP半导体激光器的自相关曲线中其中一簇中的一支标记过的相关峰变得很小或消失，其他位置没有出现新的峰值，由于光在经过分支过程中存在损耗，在二级分支的故障点反射回去的光会很小，很难产生明显的峰值，则故障发生在二级支路Ⅵ或该支路的监测系统中，若网络正常通信，表明监测系统发生故障，如图2中的故障3及图6；若不能正常通信，表明故障发生在二级支路光纤Ⅵ，如图2中的故障4及图7，此时由用户端信号采集处理装置得到的自相关曲线完成对故障点的具体定位，如图13，方法参照（IEEE Photonics Journal . Vol 7. No 6. pp. ,2015），之后用户端FP半导体激光器将监测结果通过该一级支路下的任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器；

⑤若其中多簇支路的相关峰变得很小或是消失，并在其余位置出现多处相应数量的相关峰，则故障发生在多根一级支路Ⅳ，如图9，此时则需在每个标记的一级支路Ⅳ中，按照多出相关峰的位置逐个排查；

⑥若只在同一簇中的多个相关峰值有所变化，如图10所示，则故障发生在一支一级支路Ⅳ下的多个二级支路Ⅵ，此时则需根据用户端信号采集处理装置的自相关曲线，如图14所示，在每个标记的支路中，按照多出相关峰的位置逐个排查，具体方法参照（IEEEPhotonics Journal . Vol 7. No 6. pp. ,2015），之后用户端FP半导体激光器将监测结果通过任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器；

⑦若在不同簇下的多个相关峰有所变化，如图11所示，则故障发生在不同一级支路Ⅳ下的多个二级支路Ⅵ，此时根据相关峰所对应的用户端信号采集处理装置的自相关曲线，在每个标记的支路中，按照多出相关峰的位置逐个排查，之后用户端FP半导体激光器将监测结果通过任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器。

在本发明中，所有的n值均不特指某个值，所有的n都可以指代不同的值，代表各种元器件在方案中的不同的数量，可根据实际情况的需要自行决定。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置及方法，激光器通过光注入的方式，一个激光器产生激光后注入另一个激光器，对其进行扰动，通过控制两激光器的工作波长失谐量、激光器的注入强度和被注入激光器的泵浦电流使激光器产生混沌激光并输出，对此混沌光进行自相关处理，在自相关曲线中会产生旁瓣（旁瓣与两激光器间的距离有关，旁瓣即为相关峰），本发明根据旁瓣的变化判断光纤故障情况。相比于之前技术，此发明具有以下优点：①可实现对TWDM-PON二级光网络进行监测，可长距离监测；②可以在光端机OLTⅠ侧监测到故障并实现对该故障准确定位；光端机OLT端和光网络单元可以相互通信，故当其中一支路发生故障时，其他支路可以将故障信息上传至光端机OLT端；③结构简单，只需要添加少许器件，即可实现对整个光网络的监测，而且对光电探测器没有特别严格的要求；④对于已经搭建好的网络，同样可以实施；⑤该监测系统还同时满足高空间分辨率和长距离的需求；⑥由于该监测系统具有高空间分辨率，所以相比OTDR监测中的长度标记法，区别各个支路只需增加一部分很短的跳线，无需其他额外器件，故该技术的实施低价，简单；⑦该监测技术还可以对多个（旁瓣与两激光器间的距离有关）故障点进行监测及定位（由于监测系统具有多个激光器）。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的故障示意图。

图3为控制端FP半导体激光器1的自相关参考曲线图。

图4为图2中出现故障1时，控制端FP半导体激光器1的自相关曲线图。

图5为图2中出现故障2时，控制端FP半导体激光器1的自相关曲线图。

图6为图2中出现故障3时，控制端FP半导体激光器1的自相关曲线图。

图7为图2中出现故障4时，控制端FP半导体激光器1的自相关曲线图。

图8为图2中出现故障5时，控制端FP半导体激光器1的自相关曲线图。

图9为多根一级支路Ⅳ故障时，控制端FP半导体激光器1的自相关曲线图。

图10为一根一级支路Ⅳ的多个二级支路Ⅵ故障时，控制端FP半导体激光器1的自相关曲线图。

图11为不同一级支路Ⅳ下的多个二级支路Ⅵ故障时，控制端FP半导体激光器1的自相关曲线图。

图12为发生图2中的故障5时，用户端FP半导体激光器8的自相关曲线图。

图13为发生故障3或故障4时，用户端FP半导体激光器8的自相关曲线图。

图14为一根一级支路Ⅳ的多个二级支路Ⅵ故障时，用户端FP半导体激光器8的自相关曲线图。

图中：虚线代表此处没有图像。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置，如图1所示：包括TWDM-PON二级光网络系统与二级光网络监测系统；所述TWDM-PON二级光网络系统包括光端机OLTⅠ、馈线光纤Ⅱ、第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ、一级支路Ⅳ、第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ、二级支路Ⅵ和光网络单元Ⅶ，所述光端机OLTⅠ通过馈线光纤Ⅱ与第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ的公共口连接，所述第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ的n个分光口通过n根一级支路Ⅳ与n个第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ一一对应连接；每个第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ的n个分光口通过n根二级支路Ⅵ与n个光网络单元Ⅶ的输入端一一对应连接；所述二级光网络监测系统包括控制端FP半导体激光器1、控制端耦合器2、控制端光耦合装置3、控制端光电探测器4、综合信号采集处理装置5及光耦合装置6；控制端FP半导体激光器1与控制端耦合器2连接；控制端耦合器2的大比例输出端与控制端光耦合装置3的输入端连接，控制端耦合器2的小比例输出端与控制端光电探测器4的输入端连接；控制端光耦合装置3安装于馈线光纤Ⅱ上；控制端光电探测器4的输出端与综合信号采集处理装置5的输入端连接；控制端FP半导体激光器1、控制端耦合器2、控制端光耦合装置3、控制端光电探测器4、综合信号采集处理装置5均位于光端机OLTⅠ侧；n根二级支路Ⅵ上均一一对应安装有n个光耦合装置6，n个光耦合装置6一一对应位于n个光网络单元Ⅶ侧；所述二级光网络监测系统还包括n个第三级1分n路的阵列波导光栅AWG7、n个用户端FP半导体激光器8、n个用户端耦合器9、n个用户端光电探测器10和n个用户端信号采集处理装置11，每个用户端FP半导体激光器8与对应的用户端耦合器9连接；用户端耦合器9的大比例输出端通过光纤与第三级1分n路的阵列波导光栅AWG7的公共口连接，每个第三级1分n路的阵列波导光栅AWG7的n个分光口通过光纤与对应的n个光耦合装置6连接；所述用户端耦合器9的小比例输出端与用户端光电探测器10的输入端连接，所述用户端光电探测器10与用户端信号采集处理装置11连接；每个二级分支的用户端FP半导体激光器8和控制端FP半导体激光器1之间的距离各不相同，相邻距离的最小差值大于探测精度，通过增加跳线的方式，保证每一簇的相关曲线都不会重叠，每一簇中的每一支也不重叠。

本实施例中，所述控制端FP半导体激光器1以及用户端FP半导体激光器8的波长范围为1600nm-1700nm，输出功率为1mW-1W，保证两激光器的波长相差在0.5nm以内（混沌产生的条件）；所述控制端耦合器2以及用户端耦合器9为耦合比为80:20~99:1的光耦合器，可以根据需要进行选择；所述控制端光耦合装置3以及光耦合装置6为波分复用器或耦合比为50:50的光耦合器；所述控制端光电探测器4以及用户端光电探测器10为可响应波长范围为1600nm-1700nm且带宽小于50GHz的高速光电探测器；所述综合信号采集处理装置5以及用户端信号采集处理装置11由带宽小于50GHz的单路信号采集装置和可进行自相关计算的数字相关器或计算机连接组成。

本实施例中，可能存在多种不同类型的故障，故障类型如图2所示。若有距离相同的则应在二级支路Ⅵ（不影响光网络正常通信部分）处添加跳线以便完成各光纤距离不同的要求。

基于上述实施例中的一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置，所提供的利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的方法，包括如下步骤：

1）当TWDM-PON二级光网络系统与二级光网络监测系统铺设完成后，开始进行如下步骤：

1.1）控制端FP半导体激光器1发射与通信信号不同波长的激光；所发射的激光经控制端耦合器2的大比例端输出，经控制端光耦合装置3耦合入馈线光纤Ⅱ，并经第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ分入n根一级支路Ⅳ，n根一级支路Ⅳ将光信号一一对应传输入n个第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ，每个第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ的分光口将探测光经由n根二级支路Ⅵ进入一一对应的n个光耦合装置6，并耦合入光纤进入第三级1分n路的阵列波导光栅AWG7，经光纤传输至用户端耦合器9，最终到达用户端FP半导体激光器8，用户端FP半导体激光器8在控制端FP半导体激光器1的光注入扰动下产生混沌激光；每个用户端FP半导体激光器8发射与通信信号不同波长的激光；所发射的激光经用户端耦合器9的大比例端输出，经光纤进入第三级1分n路的阵列波导光栅AWG7，分入n根光纤通过一一对应的n个光耦合装置6将光信号耦合入n根二级支路Ⅵ，并通过n根二级支路Ⅵ传输入第二级1分n路的阵列波导光栅Ⅴ，然后通过一级支路Ⅳ传输入第一级1分n路的阵列波导光栅Ⅲ，经光纤传输至控制端光耦合装置3，然后进入控制端耦合器2，最终到达控制端FP半导体激光器1，控制端FP半导体激光器1在用户端FP半导体激光器8的光注入扰动下产生混沌激光；两激光器在互注入的扰动下各自产生了混沌激光，同时两激光器可互相通信；在控制端，所述控制端耦合器2的小比例输出端将控制端FP半导体激光器1产生的混沌激光输入控制端光电探测器4，并将光信号转换为电信号，之后电信号输入综合信号采集处理装置5，将控制端FP半导体激光器1的非线性动态输出信号采集并进行自相关的计算，根据自相关曲线中存在旁瓣的情况，来判断光网络的故障情况；在用户端，所述用户端耦合器9的小比例输出端将用户端FP半导体激光器8产生的混沌激光输入用户端光电探测器10，并将光信号转换为电信号，之后电信号输入用户端信号采集处理装置11，将用户端FP半导体激光器8的非线性动态输出信号采集并进行自相关的计算，根据自相关曲线中存在旁瓣的情况，来进一步辅助控制端FP半导体激光器1判断光网络的故障情况；

1.2）综合信号采集处理装置5和用户端信号采集处理装置11各自将接收到的电信号进行自相关计算，并得到自相关曲线；

1.3）故障监测系统搭建完成后，保证光网络正常通信的情况下，进行完整光网络系统的完整测量，自相关曲线的处理中除0点外在不同位置上出现多个相关峰，在每个一级支路Ⅳ下的二级支路Ⅵ，由于两个激光器的注入以及二级支路Ⅵ不同长度的影响，自相关曲线中出现一簇一簇的相关峰值，每一簇对应于每一个一级支路，一簇中的每一支都对应于每一个二级支路；通过关闭某一用户端FP半导体激光器8从而在曲线中完成对各个一级支路对应的相应簇相关峰的标记；切断某一支二级支路完成对光网络系统二级支路相关峰的标定，之后在光网络系统运行过程中即可进行监测，实时对该光网络进行一次测试并与首次标记过的测试结果进行对比，判断光网络的运行情况；生成的参考曲线如图3所示；

2）当TWDM-PON二级光网络系统开始运行后，不断把1.2）与1.3）的自相关曲线进行对比，根据表现的现象不同，判断故障的具体位置，具体如下：

①若测试得到的控制端FP半导体激光器1的自相关曲线中所有支路的相关峰都变得很小或者消失并且在第一簇相关峰前多出一个相关峰，表明该故障阻碍了整个光网络的通信，则故障发生在馈线光纤Ⅱ，如图2中的故障1及图4，相应的故障点作为一个反射装置，控制端FP半导体激光器1会在光反馈的作用下，在自相关曲线中出现了一个新的峰值，该反射峰对应于故障位置；

②若测试得到的控制端FP半导体激光器1的自相关曲线中只有其中一簇支路的相关峰变得很小或者消失，并在其他位置多出一个相关峰，此时表明只有一个一级分支通信阻断，则发生在一级支路Ⅳ，如图2中的故障2及图5，由于存在光反馈，则会在自相关曲线中其他位置出现一个新的反射峰，该反射峰对应于故障位置；

③若测试得到的控制端FP半导体激光器1的自相关曲线中只有其中一簇支路的相关峰变得很小或者消失，且没有在其他位置多出一个相关峰，此时表明是用户端FP半导体激光器8一侧的光纤阻断，如图2中的故障5及图8，这是由于距离太远，光功率损耗太大，反馈回控制端FP半导体激光器的反馈光强度太弱，所以在控制端FP半导体激光器的自相关曲线中显示不出来，此时由用户端信号采集处理装置11得到的自相关曲线完成对故障点的具体定位，如图12，方法参照（IEEE Photonics Journal . Vol 7. No 6. pp. ,20156803909）；

④若测试得到的控制端FP半导体激光器1的自相关曲线中其中一簇中的一支标记过的相关峰变得很小或消失，其他位置没有出现新的峰值，由于光在经过分支过程中存在损耗，在二级分支的故障点反射回去的光会很小，很难产生明显的峰值，则故障发生在二级支路Ⅵ或该支路的监测系统中，若网络正常通信，表明监测系统发生故障，如图2中的故障3及图6；若不能正常通信，表明故障发生在二级支路光纤Ⅵ，如图2中的故障4及图7，此时由用户端信号采集处理装置11得到的自相关曲线完成对故障点的具体定位，如图13，方法参照（IEEE Photonics Journal . Vol 7. No 6. pp. ,2015），之后用户端FP半导体激光器8将监测结果通过该一级支路下的任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器1；

⑤若其中多簇支路的相关峰变得很小或是消失，并在其余位置出现多处相应数量的相关峰，则故障发生在多根一级支路Ⅳ，如图9，此时则需在每个标记的一级支路Ⅳ中，按照多出相关峰的位置逐个排查；

⑥若只在同一簇中的多个相关峰值有所变化，如图10所示，则故障发生在一支一级支路Ⅳ下的多个二级支路Ⅵ，此时则需根据用户端信号采集处理装置11的自相关曲线，如图14所示，在每个标记的支路中，按照多出相关峰的位置逐个排查，具体方法参照（IEEEPhotonics Journal . Vol 7. No 6. pp. ,2015），之后用户端FP半导体激光器8将监测结果通过任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器1；

⑦若在不同簇下的多个相关峰有所变化，如图11所示，则故障发生在不同一级支路Ⅳ下的多个二级支路Ⅵ，此时根据相关峰所对应的用户端信号采集处理装置11的自相关曲线，在每个标记的支路中，按照多出相关峰的位置逐个排查，之后用户端FP半导体激光器8将监测结果通过任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器1。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置，其特征在于：包括TWDM-PON二级光网络系统与二级光网络监测系统；

所述TWDM-PON二级光网络系统包括光端机OLT（Ⅰ）、馈线光纤（Ⅱ）、第一级1分n路的阵列波导光栅AWG（Ⅲ）、一级支路（Ⅳ）、第二级1分n路的阵列波导光栅AWG（Ⅴ）、二级支路（Ⅵ）和光网络单元（Ⅶ），所述光端机OLT（Ⅰ）通过馈线光纤（Ⅱ）与第一级1分n路的阵列波导光栅（Ⅲ）的公共口连接，所述第一级1分n路的阵列波导光栅（Ⅲ）的n个分光口通过n根一级支路（Ⅳ）与n个第二级1分n路的阵列波导光栅（Ⅴ）一一对应连接；每个第二级1分n路的阵列波导光栅（Ⅴ）的n个分光口通过n根二级支路（Ⅵ）与n个光网络单元（Ⅶ）的输入端一一对应连接；

所述二级光网络监测系统包括控制端FP半导体激光器（1）、控制端耦合器（2）、控制端光耦合装置（3）、控制端光电探测器（4）、综合信号采集处理装置（5）及光耦合装置（6）；控制端FP半导体激光器（1）与控制端耦合器（2）连接；控制端耦合器（2）的大比例输出端与控制端光耦合装置（3）的输入端连接，控制端耦合器（2）的小比例输出端与控制端光电探测器（4）的输入端连接；控制端光耦合装置（3）安装于馈线光纤（Ⅱ）上；控制端光电探测器（4）的输出端与综合信号采集处理装置（5）的输入端连接；控制端FP半导体激光器（1）、控制端耦合器（2）、控制端光耦合装置（3）、控制端光电探测器（4）、综合信号采集处理装置（5）均位于光端机OLT（Ⅰ）侧；n根二级支路（Ⅵ）上均一一对应安装有n个光耦合装置（6），n个光耦合装置（6）一一对应位于n个光网络单元（Ⅶ）侧；

所述二级光网络监测系统还包括n个第三级1分n路的阵列波导光栅AWG（7）、n个用户端FP半导体激光器（8）、n个用户端耦合器（9）、n个用户端光电探测器（10）和n个用户端信号采集处理装置（11），每个用户端FP半导体激光器（8）与对应的用户端耦合器（9）连接；用户端耦合器（9）的大比例输出端通过光纤与第三级1分n路的阵列波导光栅AWG（7）的公共口连接，每个第三级1分n路的阵列波导光栅AWG（7）的n个分光口通过光纤与对应的n个光耦合装置（6）连接；所述用户端耦合器（9）的小比例输出端与用户端光电探测器（10）的输入端连接，所述用户端光电探测器（10）与用户端信号采集处理装置（11）连接；每个二级分支的用户端FP半导体激光器（8）和控制端FP半导体激光器（1）之间的距离各不相同，相邻距离的最小差值大于探测精度，通过增加跳线的方式，保证每一簇的相关曲线都不会重叠，每一簇中的每一支也不重叠。

2.根据权利要求1所述的一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置，其特征在于：所述控制端FP半导体激光器（1）以及用户端FP半导体激光器（8）的波长范围为1600nm-1700nm，输出功率为1mW-1W，保证两激光器的波长相差在0.5nm以内；所述控制端耦合器（2）以及用户端耦合器（9）为耦合比为80:20~99:1的光耦合器；所述控制端光耦合装置（3）以及光耦合装置（6）为波分复用器或耦合比为50:50的光耦合器；所述控制端光电探测器（4）以及用户端光电探测器（10）为可响应波长范围为1600nm-1700nm且带宽小于50GHz的高速光电探测器；所述综合信号采集处理装置（5）以及用户端信号采集处理装置（11）由带宽小于50GHz的单路信号采集装置和可进行自相关计算的数字相关器或计算机连接组成。

3.一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的方法，该方法在如权利要求1所述的一种利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置中实现，其特征在于：包括如下步骤：

1）当TWDM-PON二级光网络系统与二级光网络监测系统铺设完成后，开始进行如下步骤：

1.1）控制端FP半导体激光器（1）发射与通信信号不同波长的激光；所发射的激光经过控制端耦合器（2）的大比例端输出，经控制端光耦合装置（3）耦合入馈线光纤（Ⅱ），并经第一级1分n路的阵列波导光栅（Ⅲ）分入n根一级支路（Ⅳ），n根一级支路（Ⅳ）将光信号一一对应传输入n个第二级1分n路的阵列波导光栅（Ⅴ），每个第二级1分n路的阵列波导光栅（Ⅴ）的分光口将探测光经由n根二级支路（Ⅵ）进入一一对应的n个光耦合装置（6），并耦合入光纤进入第三级1分n路的阵列波导光栅AWG（7），经光纤传输至用户端耦合器（9），最终到达用户端FP半导体激光器（8），用户端FP半导体激光器（8）在控制端FP半导体激光器（1）的光注入扰动下产生混沌激光；

每个用户端FP半导体激光器（8）发射与通信信号不同波长的激光；所发射的激光经用户端耦合器（9）的大比例端输出，经光纤进入第三级1分n路的阵列波导光栅AWG（7），分入n根光纤通过一一对应的n个光耦合装置（6）将光信号耦合入n根二级支路（Ⅵ），并通过n根二级支路（Ⅵ）传输入第二级1分n路的阵列波导光栅（Ⅴ），然后通过一级支路（Ⅳ）传输入第一级1分n路的阵列波导光栅（Ⅲ），经光纤传输至控制端光耦合装置（3），然后进入控制端耦合器（2），最终到达控制端FP半导体激光器（1），控制端FP半导体激光器（1）在用户端FP半导体激光器（8）的光注入扰动下产生混沌激光；

两激光器在互注入的扰动下各自产生了混沌激光，同时两激光器可互相通信；

在控制端，所述控制端耦合器（2）的小比例输出端将控制端FP半导体激光器（1）产生的混沌激光输入控制端光电探测器（4），并将光信号转换为电信号，之后电信号输入综合信号采集处理装置（5），将控制端FP半导体激光器（1）的非线性动态输出信号采集并进行自相关的计算，根据自相关曲线中存在旁瓣的情况，来判断光网络的故障情况；

在用户端，所述用户端耦合器（9）的小比例输出端将用户端FP半导体激光器（8）产生的混沌激光输入用户端光电探测器（10），并将光信号转换为电信号，之后电信号输入用户端信号采集处理装置（11），将用户端FP半导体激光器（8）的非线性动态输出信号采集并进行自相关的计算，根据自相关曲线中存在旁瓣的情况，来进一步辅助控制端FP半导体激光器（1）判断光网络的故障情况；

1.2）综合信号采集处理装置（5）和用户端信号采集处理装置（11）各自将接收到的电信号进行自相关计算，并得到自相关曲线；

1.3）故障监测系统搭建完成后，保证光网络正常通信的情况下，进行完整光网络系统的完整测量，自相关曲线的处理中除0点外在不同位置上出现多个相关峰，在每个一级支路（Ⅳ）下的二级支路（Ⅵ），由于两个激光器的注入以及二级支路（Ⅵ）不同长度的影响，自相关曲线中出现一簇一簇的相关峰值，每一簇对应于每一个一级支路，一簇中的每一支都对应于每一个二级支路；通过关闭某一用户端FP半导体激光器（8）从而在曲线中完成对各个一级支路对应的相应簇相关峰的标记；切断某一支二级支路完成对光网络系统二级支路相关峰的标定，之后在光网络系统运行过程中即可进行监测，实时对该光网络进行一次测试并与首次标记过的测试结果进行对比，判断光网络的运行情况；

2）当TWDM-PON二级光网络系统开始运行后，不断把实时测试与首次标记的自相关曲线进行对比，根据表现的现象不同，判断故障的具体位置，具体如下：

①若测试得到的控制端FP半导体激光器（1）的自相关曲线中所有支路的相关峰都变得很小或者消失并且在第一簇相关峰前多出一个相关峰，表明该故障阻碍了整个光网络的通信，则故障发生在馈线光纤（Ⅱ），相应的故障点作为一个反射装置，控制端FP半导体激光器（1）会在光反馈的作用下，在自相关曲线中出现了一个新的反射峰，该反射峰对应于故障位置；

②若测试得到的控制端FP半导体激光器（1）的自相关曲线中只有其中一簇支路的相关峰变得很小或者消失，并在其他位置多出一个相关峰，此时表明只有一个一级分支通信阻断，则发生在一级支路（Ⅳ），由于存在光反馈，则会在自相关曲线中其他位置出现一个新的反射峰，该反射峰对应于故障位置；

③若测试得到的控制端FP半导体激光器（1）的自相关曲线中只有其中一簇支路的相关峰变得很小或者消失，且没有在其他位置多出一个相关峰，此时表明是用户端FP半导体激光器（8）一侧的光纤阻断，此时由用户端信号采集处理装置（11）得到的自相关曲线完成对故障点的具体定位；

④若测试得到的控制端FP半导体激光器（1）的自相关曲线中其中一簇中的一支标记过的相关峰变得很小或消失，其他位置没有出现新的峰值，则故障发生在二级支路（Ⅵ）或该支路的监测系统中；若网络正常通信，表明监测系统发生故障，若不能正常通信，表明故障发生在二级支路（Ⅵ），此时由用户端信号采集处理装置（11）得到的自相关曲线完成对故障点的具体定位，之后用户端FP半导体激光器（8）将监测结果通过对应的一级支路下的任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器（1）；

⑤若其中多簇支路的相关峰变得很小或是消失，并在其余位置出现多处相应数量的相关峰，则故障发生在多根一级支路（Ⅳ），此时则需在每个标记的一级支路（Ⅳ）中，按照多出相关峰的位置逐个排查；

⑥若只在同一簇中的多个相关峰值有所变化，则故障发生在一支一级支路（Ⅳ）下的多个二级支路（Ⅵ），此时则需根据用户端信号采集处理装置（11）的自相关曲线，在每个标记的支路中，按照多出相关峰的位置逐个排查，之后用户端FP半导体激光器（8）将监测结果通过任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器（1）；

⑦若在不同簇下的多个相关峰有所变化，则故障发生在不同一级支路（Ⅳ）下的多个二级支路（Ⅵ），此时根据相关峰所对应的用户端信号采集处理装置（11）的自相关曲线，在每个标记的支路中，按照多出相关峰的位置逐个排查，之后用户端FP半导体激光器（8）将监测结果通过任何一支正常通信的支路上报给控制端FP半导体激光器（1）。

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