CN106105061A - 一种利用拉曼泵浦激光源实现不中断业务的光时域反射计装置 - Google Patents

Abstract

一种装置用于在使用分布式拉曼放大器的光纤通信系统中提供实时的，不中断业务的OTDR测量。一个或多个泵浦激光器用来提供产生光增益必须的泵浦光，这些激光器被改进可以生成高于或低于传统泵浦光额定功率的短脉冲。这些短脉冲（在光纤中与泵浦光共存）和一个常用的反射脉冲处理系统一起，产生实际的OTDR测量值，最终实现OTDR测量功能。

Description

一种利用拉曼泵浦激光源实现不中断业务的光时域反射计 装置

技术领域

本发明涉及一种利用拉曼泵浦激光源实现不中断业务的光时域反射计装置，更进一步的，是一种服务于不中断光信号传输业务情况下，利用分布式拉曼放大器进行在线OTDR测量的装置。

背景技术

不断增长的对光纤通讯带宽的需求持续驱动着对更快的数据传输速率的要求，为此目的要求提高如光信噪比（OSNR）的系统性能参数。一些方案试图尝试通过改进数据传输的编码方案来提升光信噪比，另一些方案试图改进传输通道自身的光学性能。例如，使用分布式拉曼放大器(DRA)技术可以沿着传输路径对信号光进行放大，这一技术正在变得越来越普遍地应用到各种光通讯系统中。

虽然这一方案很有用，但是DRA要求使用相对较高功率的泵浦源来在传输介质中激发出增益（比如，常规需求功率等级高于500mW）。这样,对安装DRA到光通信系统中的人或传输信号的光波导（比如光纤），高功率光的使用都存在着安全隐患。例如，在启用DRA之前，如果知道沿着发生放大的光纤段是否存在“断点”或者其它缺陷，就可以有效避免安全事件。对于中心局（CO）环境，这点尤其值得关注，高拉曼泵浦功率会发射超过安全等级的光功率，并可能使暴露在这些光下的设备损坏（也可能使中心局的工作人员受伤）。以上这些担心促使人们研发一种尽可能安全的方式来部署DRA。

此外，确定光纤特性的能力非常重要，比如光纤的衰减系数或拉曼放大系数，通过这些系数可以优化拉曼泵浦参数，获得安装在系统中DRA的最好性能。可以在光学部件中增加智能化，比如嵌入光时域反射计获得测量能力，对于测定关键系统参数从而获得尽可能多的信号放大是很重要的。

常规情况下，OTDR测量是在安装一个新的DRA系统的时候进行的（在光纤上真实信息传输之前），这样安装人员就能对这段传输光纤有一个了解，OTDR测量收集的数据会在之后使用，比如，确保光纤的品质是支持使用高功率拉曼泵浦所需的高品质。各种其它的光纤特性也可以被测量，测量结果用于评估光纤可以获得的放大量级。在一个典型的OTDR测量系统作业中，一个光脉冲被发射到一段光纤中，朝脉冲源反射回来的光被周期性捕捉并测量。这些反射可用于测定这段光纤中有什么样的损耗，比如菲涅尔反射相关的损耗（在中断点如连接器，熔接点或类似点）或者瑞利背向散射（来源于光纤/波导装置自身的性质）。

因为在每一个新的安装地点安排一个工程师来进行OTDR测量是相对昂贵和耗时的，因而各种远程测试方案正在被持续开发出来。虽然在使用拉曼泵浦光源自身来生成用于OTDR测量的脉冲已经取得进展，但是这种测量只能用于当系统没有工作的时候（比如：拉曼泵浦源没有用于在传输信号中产生增益的时候）。对于第一次安装部署，这种方案是适用的，然而，后续仍然有用于维修保养需要进行在线OTDR测量的需求，比如监控光纤的健康状况和确定在系统工作寿命内性能是否有下降。对于这种长期的数据采集，采用常规的拉曼泵浦方案是不方便的，因为常规的拉曼泵浦的方案需要周期性停用一部分系统业务来进行OTDR测量，然后再把这部分系统重新上线。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用拉曼泵浦激光源实现不中断业务的光时域反射计装置。具体来说，就是利用光传输系统中部署的分布式拉曼放大器（DRA）来进行不中断业务的OTDR光纤性能测量。

根据本发明，DRA系统被修改可以支持执行不中断业务（比如：”实时”）的OTDR测量，与此同时，可以继续进行放大传输的光数据信号的主要功能。特别的是，至少一个DRA分布式拉曼放大系统中的泵浦源被配置来发射相对短的脉冲，这些脉冲功率水平高于或低于传统拉曼放大泵浦信号的直流电平进行传输。这些OTDR脉冲较好的在相对长的跨度内在时间上进行分离，这样一个在传输光纤内传输的通信信号在通过整段传输光纤过程将只碰到一个单脉冲，“时间上分离”有时也可以用OTDR脉冲“重复周期间隔”时间来表示。选择一个足够强的脉冲来进行“探测”想要的OTDR测量，但又不过度干扰增益传输数据信号光的主要功能。反射的脉冲远离光传输通道并用一种类似与传统OTDR系统的方式进行处理。

在一个具体实施方案中，在反射的OTDR脉冲进入OTDR测量系统之前，外加的光学滤波器被用于在返回的脉冲通道中移除多余的反射泵浦光。

本发明中一个典型的装置可用于在多于一个的拉曼泵浦源产生OTDR脉冲，在这个装置中，不同源产生的脉冲可能被按顺序使用，或配置成不同的持续时间或强度。实际上，本发明的一个配置可包含一个脉冲控制器来为一个或多个用于产生OTDR脉冲的拉曼泵浦源规定脉冲参数特性。更进一步考虑，OTDR测量的结果可作为一个反馈信号来控制OTDR测量系统脉冲生成的各种参数。

本发明一个典型的实施方案包含装置如下：在光纤一个通讯系统中，拉曼泵浦源提供连续光功率泵浦来产生分布式拉曼信号增益，在这同一个通讯系统中这个装置也用来实现OTDR功能。这个装置装置包含一个耦合到拉曼泵浦源的脉冲发生器，用于在供应的泵浦光上注入预定极性、持续时间、调制度和重复周期的脉冲，这个脉冲在一段光波导（比如：光纤）中同连续功率的泵浦光一起传输，在持续产生光增益的同时进执行OTDR测量。这些注入的脉冲在光波导中传输并产生多个反射脉冲作为这段光波导的状态条件参数函数。这个装置包含一个监控模块，这个监控模块对多个反射脉冲进行响应，并包含一些传统的组件实现从反射的光脉冲进行OTDR测量的功能。

本发明的有益效果为可以在不中断信号传输业务的情况下，实现在线OTDR的测量。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1是一个典型使用一个传统的分布式拉曼放大系统进行在线OTDR测量的装置图解；

图2是图1中使用的OTDR脉冲图；

图3是一个用于测试OTDR脉冲对拉曼放大过程的影响的典型网络装置的图解；

图4是一个拉曼增益和与图3中装置装置相关的脉冲图；

图5是图3装置装置的反射OTDR光的曲线图；

图6是几个关于光纤长度的OTDR响应函数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

根据本发明推荐一种装置用于提供“在线”（比如或也就是：“实时”）OTDR测量，本装置利用一个拉曼泵浦源在不中断拉曼增益的主要功能的情况下同时产生OTDR脉冲。根据本发明，一个拉曼泵浦源可以随时发出一个比放大过程使用的标称更高或更低的水平的脉冲。OTDR脉冲被配置成相对短时间量级，比如，几十到几百纳秒，并将在光纤跨距中传播并以容易理解的方式反射用于OTDR测量目的。

在下面的详细说明中，脉冲更适合优选被定时为很长的重复周期，以便一个光传输信号在被测量的光纤中传输过程中只会碰到一个单个的OTDR脉冲。例如，如果选择的脉冲宽度为200纳秒, 这样脉冲的空间长度范围将沿被测量的光纤的空间长度有一个大约40米的跨度。在一个脉冲传播方向与信号相反的装置中，任何传播的信号和脉冲将共享的光纤长度大约是脉冲空间范围长度的一半（在这个例子中在20米m的量级）。在大部分传统的设施中，被监测的传输光纤长度在20千米km的量级。根据以上数据，脉冲的扰动只会影响整个传输光纤长度大约0.1%。即使选择的脉冲足够强到产生瞬时的双倍拉曼增益系数，最大的影响也就是0.02dB的量级。

图1展示了一个典型的实施方案中的一个创新的装置，这个装置中使用现存的分布式拉曼放大系统执行在线OTDR测量。在这个方案中，目的是对传输光纤10执行在线监控，这段传输光线支持一个或多个光输入信号S的传输传输光纤，光输入信号的传输方向如图1箭头所示。在下文详细解释中，一个拉曼泵浦源12按本发明的原理被修改以便可以用来注入OTDR脉冲到传输光纤10，同时不间断地提供泵浦光通过受激拉曼散射在信号带内持续产生拉曼增益。

在详细描述本发明的OTDR测量特性之前，简要回顾一下DRA系统的操作原理。一个传输光数据信号的拉曼放大是通过注入一个已知的“泵浦”波长到光纤（或其它类型的波导）来支持数据信号的传输。这个光纤中的泵浦光和光数据信号之间产生了受激拉曼散射（SRS）,补偿了一部分输入信号光S在传输过程中造成的部分损耗。在多个数据信号传输的情况下，每个信号调制在一个不同的波长，可能会需要使用多个泵浦源，最终综合生成一个适合放大一个或多个数据信号波长的泵浦光源。如上所述，SRS现象在存在相对较高泵浦功率等级（高于大约500mW）的时候将成为一个问题。

参考图1，一个拉曼泵浦源12包含几个独立的拉曼泵浦14₁—14_N,典型地，每个泵浦发出不同波长的泵浦光（理由如上所述），尽管可能利用多个泵浦源工作在相同的波长来提高特定波长的功率。一般情况下，每个拉曼泵浦波长与一个给定输入信号光的波长相差一个斯托克斯位移。泵浦14的独立输出经过一个合路器16（比如一个波分复用器）之后它们全部在一个合并的泵浦光路18上传输。一个消偏器17被布置在泵浦光路18上，用于消除泵浦器件的偏振相关性，提升传输到光纤10中的信号光的拉曼放大参数的一致性。拉曼泵浦组合通过一个光环形器20（或其它合适型号的分路器或耦合器）后通过一个波分复用器/信号分离器（WDM）22导入到光纤10中.在这个特殊的装置中，泵浦光与信号光反向传输（如图1中箭头所示）。拉曼泵浦光的存在以一种熟知的方式对传输信号产生增益。在下文的讨论中，使用一个反向传输的装置更适用于实现本发明相关的OTDR测量功能，因为通过这种装置能最小化光信号和OTDR探测脉冲的重叠。在回顾完这些拉曼放大过程后，将详细描述本发明的特性。

事实上，根据本发明，泵浦源12被设置用于生成包含一个引入脉冲到用于放大目的的泵浦源上的装置。参考图1，泵浦源12 包含一个脉冲发生器24，这个脉冲发生器用来实现生成一个窄的，空间分离的脉冲到一个或多个拉曼泵浦14₁-14_N上的脉冲生成器24。如上所述，这些被注入的脉冲能量水平被调节在恒流电平之上或之下，“骑在”泵浦光之上被放大作用的泵浦光载着沿光路传输。(这里恒流电平指用于提供光纤内增益的拉曼泵浦功率水平)。“对比以前的方案，其要求泵浦光关闭，然后生成脉冲，必须与原泵浦分开来进行OTDR测量，而本专利的方案不需要关闭原有泵浦，使用在泵浦光直流电平之上的脉冲来执行OTDR测量。

按照根据本发明，OTDR脉冲优选配置成相对窄的脉冲（在几十到几百纳秒量级），调制深度在250毫安左右的量级（基于一个750毫安直流电平的泵浦光）。脉冲优选长重复周期，以便一个传输的数据信号在被测量的光纤中传输过程只碰到很少的脉冲（最佳的，仅一个脉冲）。

图2包含一个OTDR脉冲图将可能由脉冲发生器24生成。如图所示，脉冲被选择或“高于”或“低于”传统拉曼泵浦工作相关的直流电平。为实现本发明的目的，发现使用几十到几百纳秒的量级的脉冲宽度D可以采集到足够的信息来进行OTDR测量而又不影响DRA的放大功能。

根据本发明的基本原理，脉冲驱动器24也被配置用来生成预定重复周期的脉冲。例如，一个预定的重复周期可能是基于一个脉冲在一个给定长度的传输光纤中往返传输的时间。重复周期的选择属于设计考虑，可由具体情况来决定。脉冲间的长时延目的是在限制传输信号在一个给定的传输光纤内传输时只暴露给单个脉冲。事实上，这个延时可以在分钟量级（或者更长），因为目的是收集和分析光纤随寿命的变化函数。脉冲的高频成分对增益的波动影响在一个可忽略水平。

这些脉冲，在对传输光信号的影响可忽略的前提下，将以一个标准的已知的OTDR系统使用的脉冲的方式呈现，同时，生成的反射脉冲沿传输光纤10反方向传输回来（在这种新情况下，反射脉冲传输方向与输入光信号S相同）。当到达WDM22时，反射OTDR脉冲转向到环形器20，然后进入一个用于分析反射脉冲的监控模块30并执行OTDR测量功能。当然各种其它配置可用于代替环形器20（比如，一个光分路器），环形器的低耦合损耗性质是本系统的一个优势，因为OTDR反射脉冲能量已经相对较低，更多的损耗（当使用一个光分路器的时候可能出现）可能会影响OTDR测量的精度。

参考图1，如图所示监控模块30包含一个用于捕捉反射OTDR脉冲并转换光信号为电等效信号的光电探测器32。由于用于执行OTDR测量的脉冲宽度很窄，须选用光电探测器能捕捉到在反射信号由OTDR脉冲引起的最小的波动（比如：一个雪崩光电二级管（APD）或PiN型光电二极管）。光电探测器32的电信号输出之后，输入到一个跨阻放大器（TZA）34，这个TZA被用来放大探测到的电信号到一个适合水平准备进一步的处理。一个模数转换器36用来将TZA 34的模拟输出数字化，最终，一个信号处理器38用来分析接收到的OTDR信息。

如图1所示，一个光滤波器40可被部署在信号光路环形器20和监控模块30之间。因为多个独立的泵浦光可能出现在反射信号通路上，光滤波器40被用来分离出特定的波长，这个波长就是被改进用于引入OTDR脉冲到系统中的波长，之后进入监控模块30进行分析。

在一个本发明的典型的实施方案中，脉冲发生器24被用来注入OTDR脉冲到其中一个拉曼泵浦的输出上。例如，优选注入脉冲到最长波长泵浦（因为这个泵浦不会和任何信号光或者在光纤中传输的其他拉曼泵浦进行强烈地干涉），在这个例子中被定义为拉曼泵浦14N.当拉曼泵浦14N继续沿着传输光纤10传输时，在其常功率水平之上产生受控制的脉冲，具备特定的调制深度，宽度和重复周期，这些脉冲被引入到泵浦通路18且最终被耦合进光路10.这些脉冲被用来提供期望的OTDR测量，以上文描述的方式，通过各种沿光纤10返回的反射脉冲，转向通过WDM 22和环形器20（也可能通过光滤波器40）到模块30，在此得到实际的OTDR测量值。

考虑在本发明的另一个实施方案中，多个拉曼泵浦可被用来发射脉冲用于执行OTDR测量。各种不同的泵浦源，将工作在不同的波长，可生成不同时间间隔，不同宽度，不同调制深度的脉冲。使用多个泵浦来生成OTDR脉冲有利于收集大量的OTDR测量数据用于分析。

从图1可见，根据本发明的某些实施方案，方案可能包含一个脉冲控制器50被用于控制脉冲发生器24。例如，控制器50可被用于选择特定的拉曼泵浦，或一组泵浦，用于OTDR测量过程。控制器50也可被用于控制各种上文提到的脉冲参数;即脉冲宽度，重复周期，调制深度等。脉冲的极性也可由脉冲控制器50来设定（例如，仅使用正脉冲，或仅使用负脉冲，或正负交替等）。另外，信号处理器38用来处理特定的OTDR测量结果，也可考虑用来控制脉冲控制器50。例如，如果一段光路已经开始表现出加速老化的现象（从处理器38的测量结果可知），控制器50可发出指令缩短脉冲重复周期，尝试不同的泵浦波长，增加用于生成脉冲的泵浦数量等。相反的，如果OTDR测量结果发现在一个相对长的时间段内光路保持稳定，处理器38可指示控制器50在一个给定的时间段内执行较少的OTDR测量（也就是延长重复周期）。

图3描述了一个实验网络装置100，其被设计用于测试OTDR脉冲对拉曼增益的影响；也就是，执行不中断业务的OTDR测量功能。如图所示，装置100包含一个掺铒光纤放大器（EDFA）110，耦合到一段光纤112中，和一个“四胞胎”DRA组件114（也就是，一个DRA系统包含一组四个独立的拉曼泵浦源）耦合后通过一个波分复用器116注入到光纤112的相反方向终端。DRA组件114被配置用来给光纤112产生一个12dB的净拉曼增益，如图4所示（各种信号可能被监控器120监测）。对于最长波长的泵浦源114，脉冲调制在它的稳态工作电流750mA之上，设定250mA的调制深度，1微秒的脉冲宽度（如图4所示）。脉冲重复频率为1毫秒，在网络装置100中，通过一个数字信号处理器（DSP）118来收集OTDR曲线。一个1546.12纳米的测试信号从可调谐光源120发出，通过EDFA 110和光纤112，测试信号探测拉曼增益调制用于分析。

图4所示的测量表明，在外加从拉曼泵浦114₄生成的OTDR脉冲后，拉曼增益变化仅大约0.007dB（与稳态拉曼增益12dB相对比）。

图5是相应的OTDR曲线，图中清楚表明根据本发明提供不中断业务OTDR功能是可行。图6说明了损耗是如何被捕捉的，可以看到一个清晰的事件出现在测量的数据中。

随着数据容量增加，需要提高在线器件的智能化水平从而改善光传输性能. 如上所述，本发明使用最少的额外组件，实现了不中断业务光路监控功能，而且对拉曼增益性能产生的影响非常小。以上展示了使用一个拉曼泵浦的情况下，仅引入一个对工作增益相对小的变化量（在0.007dB的量级）。考虑到对这个装置进行各种工程改进，这个变化量可以进一步减小。显然的，本发明的技术可用于在“实时”传输过程中识别老化损耗，提供标记和定位光路中最终导致系统失效的损坏点的能力。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于，该装置包含分布式拉曼放大系统，系统中包含一个拉曼泵浦源来为传输信号产生光的增益持续提供泵浦光，该装置包含一个耦合到拉曼泵浦源的脉冲发生器，用来在连续的泵浦光之上注入预定极性，宽度，调制深度和重复周期的脉冲，这些脉冲与连续泵浦光沿光波导一起传输，在产生光增益的同时被测量，注入的脉冲沿光波导传输并产生反射脉冲作为沿光波导的条件的函数，该装置还包括一个监控模块用来响应反射脉冲，监控模块包含一个用于将反射光信号转换成一个电信号的光电探测器和一个信号处理组件，这个信号处理组件用于从反射信号测定OTDR值。

2.如权利要求1所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于所述脉冲发生器被耦合到拉曼泵浦源中的一个单独的拉曼泵浦激光二极管。

3.如权利要求2所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于所述拉曼泵浦激光二极管工作在最长波长。

4.如权利要求1所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于所述脉冲发生器被耦合到拉曼泵浦源中的多个独立的拉曼激光二极管。

5.如权利要求4所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于所述脉冲发生器为多个独立的拉曼泵浦激光器中的每个拉曼泵浦激光器使用一套独立极性，宽度，调制深度和重复周期的参数。

6.如权利要求4所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于所述脉冲发生器同一时间可以对多个拉曼泵浦激光器产生脉冲。

7.如权利要求4所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于所述脉冲发生器在不同时间对不同的拉曼泵浦激光器产生独立的脉冲。

8.如权利要求1所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于该装置还包含一个配置在监控模块输入端的光滤波器，这个光滤波器被配置成只能通过被反射的用于生成OTDR脉冲的特定拉曼激光波长,可以是一个或多个波长。

9.如权利要求1所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于该装置还包含一个耦合到脉冲发生器的脉冲控制器，这个脉冲控制器提供命令输入来调整一个或多个产生的脉冲的极性，宽度，调制深度和重复周期。

10.如权利要求9所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于监控模块信号处理组件的输出做为脉冲控制的输入，用来生成一个或多个命令输入。

11.如权利要求1所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于所述监控模块包含一个耦合到光电探测器输出的跨阻抗放大器，其提供一个放大的电输出信号，一个模数转换器将放大的电输出信号转换成数字信号，和一个信号处理器响应模数转换器输出的数字信号，执行数据处理，从而生成OTDR测量值。

12.如权利要求1所述在光通信系统中实现光时域反射计的装置，其特征在于所述光波导是光纤的一部分。

13.一种包含不中断业务光时域反射计测量功能的分布式拉曼放大系统，其特征在于，该系统包含一个用于支持光信号传输的传输光纤，一个拉曼泵浦源耦合到传输光纤，用于注入持续功率泵浦光到传输光纤并对传输的信号光产生增益，一个脉冲发生器耦合到拉曼泵浦源，这个脉冲发生器在泵浦源输出的的泵浦光上注入预定极性，宽度，调制深度和重复周期的脉冲，由此这些脉冲与连续功率泵浦光一起沿传输光纤传输，这些注入的脉冲沿光波导传输并产生多个反射脉冲,从这些反射脉冲可以得到传输光纤的状态参数，一个监控模块响应多个反射脉冲，这个监控模块包含一个用于把反射的光信号转换成一个电信号的光电探测器和一个用于从电信号测定OTDR测量值的信号处理组件。

14.如权利要求13所述包含不中断业务光时域反射计测量功能的分布式拉曼放大系统，其特征在于所述拉曼泵浦源被配置来提供与输入光信号传输方向相反的泵浦光。

15.如权利要求13所述包含不中断业务光时域反射计测量功能的分布式拉曼放大系统，其特征在于所述拉曼泵浦源通过一个波分复用器被耦合到传输光纤，这个波分复用器也把反射回来的脉冲从放大的光信号输出通路中分离出来导向监控模块。

16.如权利要求15所述包含不中断业务光时域反射计测量功能的分布式拉曼放大系统，所述系统还包含一个光耦合组件用于把从波分复用器出来的反射脉冲导向到监控模块。

17.如权利要求16所述包含不中断业务光时域反射计测量功能的分布式拉曼放大系统，其特征在于所述光耦合组件包含一个光环形器。

18.如权利要求15所述包含不中断业务光时域反射计测量功能的分布式拉曼放大系统，其特征在于所述系统还包含一个光滤波器放置于光耦合组件和监控模块之间，这个光滤波器被配置仅允许通过特定波长的一个或多个拉曼激光反射光脉冲。

19.如权利要求15所述包含不中断业务光时域反射计测量功能的分布式拉曼放大系统，其特征在于所述系统还包含一个耦合到脉冲发生器的脉冲控制器，这个脉冲控制器提供命令输入来调整一个或多个生成的脉冲的极性，宽度，调制深度和重复周期。

20.如权利要求19所述包含不中断业务光时域反射计测量功能的分布式拉曼放大系统，其特征在于所述监控模块信号处理组件的输出被用来做为脉冲控制的输入, 并用于生成一个或多个的输入命令。