CN108020249A - 一种基于拉曼效应大动态范围的otdr结构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种OTDR结构和方法，属于光纤检测技术领域，具体涉及一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构和方法。本发明通过集成拉曼增益模块在线放大OTDR信号光，配合APD接收端的光滤波器消除拉曼带来的额外ASE噪声，使得只有信号光波长范围的窄带光谱能够被光探测器采集，以此提高接收信号光信噪比，从而实现大动态范围的OTDR。

Description

一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构和方法
技术领域
本发明涉及一种OTDR结构和方法，属于光纤检测技术领域，具体涉及一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构和方法。
背景技术
光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，简写为：OTDR)是光纤通信系统中重要的测试仪器，OTDR的光发射模块发射设定的光脉冲信号，根据后向的菲涅尔反射和瑞利散射原理，反射回来的光信号经光接收模块(包含雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode,简写为APD))转换放大，再通过信号处理单元进行数据处理分析，得出所测光纤的平均损耗等参数。它可以测量光纤通信系统中的光纤的实际长度、平均损耗，同时能探测、定位和测量光纤链路上许多类型的事件，如链路中光纤熔接、连接器、弯曲等形成的损耗较大的点。
动态范围是OTDR非常重要的一个参数，通常用它来对OTDR的性能进行分类。动态范围的定义是背向散射曲线上起始电平和噪声电平之差，是能够测试的背向散射曲线的最大衰减值(单位为dB)。动态范围表明了可以测量的最大光纤损耗信息，直接决定了可测得的最长光纤距离。动态范围的计算通常用背向散射曲线上起始电平和噪声均方根电平之差(信噪比＝1时)。
随着通信技术的发展，光纤跨距越来越大，对OTDR的动态范围要求也不断增加，通常情况下，提高OTDR动态范围主要依靠增加信号光脉冲宽度和增加平均次数，增加信号光脉冲宽度会导致分辨率变差，增加平均次数会增加测量时间并且对动态范围改善极为有限。
提高OTDR的动态范围一直是世界科研人员研究的课题，通过对光路，电路和算法的改进，OTDR的性能一直在提升：
2004年华为公司在专利《光时域反射仪的光模块及光时域反射仪以及光纤测试方法》中，通过对OTDR接收电路的改进，使用放大器不同的放大档位将返回的光信号进行分段放大，而不改变探测光功率的大小，提高了OTDR的动态范围。
2014年一诺仪器公司在专利《基于多波长脉冲光信号的OTDR装置及方法》中，通过使用多波长的脉冲光信号进行分别测量，再将接收到的多组波长信号进行分析组合，从而提高OTDR动态范围。
2014年一诺仪器公司在专利《基于脉冲编码光信号的OTDR装置及方法》中，通过使用多组编码脉冲，对近距离光纤使用高分辨率编码，对远距离的光纤使用大动态范围编码，不同距离处的事件采用不同编码进行测试分析，可以提高OTDR性能。
2017年EXFO在专利《Multiple-acquisition OTDR Method and Device》提供了一种探测光纤链路中一个或多个事件的OTDR算法和装置。通过多次光采集，在光链路中传播不同脉冲宽度或波长的测试光脉冲，并检测来自该光纤链路的相应返回光信号，从而判断事件的数量和位置。
拉曼信号放大技术是基于光纤中的拉曼效应，如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射效应转移到弱信号光，从而使弱信号光得到放大，同时也会产生额外的ASE噪声。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构和方法。该结构及方法通过集成拉曼增益模块同步在线放大OTDR信号光，配合APD接收端的光滤波器消除拉曼带来的额外ASE噪声，使得只有信号光波长范围的窄带光谱能够被光探测器采集，以此提高接收信号光信噪比，从而实现大动态范围的OTDR。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，包括：
脉冲激光器，通过环行器的第一、二端口耦合与待测光纤相连的WDM模块；
WDM模块，与拉曼增益模块相连，并通过环行器的第二、三端口耦合光探测器。
优选的，上述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，所述光探测器与环行器之间设置光滤波器。
优选的，上述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，所述光滤波器具体为窄线宽滤波器，其30dB带宽小于等于1nm。
优选的，上述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，所述脉冲激光器和/或光探测器和/或拉曼增益模块与信号处理器相连。
优选的，上述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，拉曼增益模块的拉曼泵浦为脉冲驱动。
优选的，上述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，所述拉曼增益模块包括一阶拉曼和/或二阶拉曼和/或三阶拉曼；其中：
所述一阶拉曼的输入经两路14xxnm泵浦后再经14xx IPBCD输出；
所述二阶拉曼的输入并行连接4个13xxnm泵浦和一个14xxnm泵浦，所述13xxnm泵浦分为两组，每组连接一个13xx IPBCD，所述13xx IPBCD连接13xx WDM后再连接一个13xx/14xx WDM，所述14xxnm泵浦与所述13xx/14xx WDM连接，所述WDM连接输出端；
所述三阶拉曼的输入并行连接12xxnm泵浦、13xxnm泵浦、14xxnm泵浦，所述13xxnm泵浦、14xxnm泵浦连接13xx/14xxWDM后与WDM相连；所述12xxnm泵浦连接所述WDM，所述WDM连接输出端。
一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法，包括：
将脉冲激光器的脉冲信号光和拉曼增益模块的脉冲泵浦光经WDM模块合波后送入待测光纤；
将受激后的脉冲信号光的背向散射光和/或反射光输入至探测器。
优选的，上述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法，包括：
将脉冲信号光经环行器的第一、二端口送至WDM模块；将背向散射光和/或反射光经环行器的第二、三端口送至光探测器。
优选的，上述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法，利用所述WDM模块滤除脉冲泵浦光的瑞利散射光、菲涅尔反射光、WDM通带外的脉冲泵浦光的反向ASE光。
优选的，上述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法，利用光滤波器滤除滤波带宽以外的反向ASE光。
因此，本发明具有如下优点：本发明使用拉曼效应在线放大OTDR脉冲信号光，拉曼放大的优势在于高增益，低噪声，通过优化拉曼泵浦功率配置能大幅提高OTDR动态范围，并且不影响测量时间和测试分辨率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构示意图；
图2是本发明实施例提供的拉曼增益模块中一阶拉曼的结构图，其中输入端口接图1中信号处理器107的输出脉冲2，输出接WDM 103的端口3。
图3是本发明实施例提供的拉曼增益模块中二阶拉曼的结构图,其中输入端口接图1中信号处理器107的输出脉冲2，输出接WDM 103的端口3。
图4是本发明实施例提供的拉曼增益模块中三阶拉曼的结构图,其中输入端口接图1中信号处理器107的输出脉冲2，输出接WDM 103的端口3。
图5是本发明实施例提供的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，如图1所示，包括窄线宽脉冲激光器101、环形器102、WDM 103，光滤波器104、拉曼增益模块105，光探测器106和信号处理器107，具体的：
窄线宽脉冲激光器101的出光口连接环形器102的第一进光口(图1中在环形器102中标注有1的相应端口)，所述环形器102的第二进/出光口(图1中在环形器102中标注有2的相应端口)连接WDM 103的1端口(图1中在WDM 103中标注有1的相应端口)，WDM的2端口(图1中在WDM 103中标注有2的相应端口)连接外面待测光纤，WDM的3端口(图1中在WDM 103中标注有3的相应端口)连接拉曼增益模块105；其中，所述窄线宽脉冲激光器的中心波长为15xx±0.2nm；
所述环形器102的第三出光口连接所述光滤波器104，所述光滤波器104串联在所述环形器102的第三出光口和光探测器106之间；
所述窄线宽脉冲激光器101，光探测器106和拉曼增益模块105都接入信号处理器107，信号处理器为窄线宽脉冲激光器和拉曼增益模块提供脉冲驱动信号，同时处理光探测器探测到的信号。
所述拉曼增益模块包括一阶拉曼，二阶拉曼或三阶拉曼，用于放大OTDR信号光，阶数越高信噪比越好，动态范围提升越明显，但实现越复杂。
所述拉曼增益模块中一阶拉曼结构图见附图2，其中201和202为14xx泵浦，203为14xx IPBCD；二阶拉曼结构图见附图3，其中301,302,303,304为13xx，305为14xx泵浦，306和307为13xx IPBCD，308为13xx WDM，309为13xx/14xx WDM；三阶拉曼结构图见附图4，其中401为12xx泵浦，402为13xx泵浦，403为14xx泵浦，404为13xx/14xx WDM,405为12xx/13xx/14xx WDM；输入端口接附图1中信号处理器107的输出脉冲2，输出接WDM 103的端口3，各个泵浦的具体波长选择和功率大小调节原则是使得信号在距离OTDR信号源远端得到尽可能大增益。
所述窄线宽脉冲激光器由信号处理器发出脉冲1驱动(脉冲调节范围5～20000ns)，拉曼增益模块中的泵浦由信号处理器发出的脉冲2驱动，其中脉冲2和脉冲1可以完全同步驱动，也可以以一定编码方式异步驱动，拉曼泵浦采用脉冲驱动方式可以有效的减小拉曼效应产生的ASE，编码脉宽越宽拉曼增益越大，但ASE也越大，编码脉宽越窄拉曼增益越小，但ASE也越小，脉冲编码原则应使拉曼增益和产生ASE最优。
所述光滤波器具体为窄线宽滤波器，其30dB带宽小于等于1nm(中心波长同窄线宽脉冲激光器波长15xxnm)，滤波器带宽越小消除拉曼效应产生的ASE噪声性能越好，但同时应大于窄线宽脉冲激光器的信号带宽，使得信号光信号能量以最小损耗的通过。
所述WDM具体为15xx/14xx(对应一阶拉曼)，15xx/14xx+13xx(对应二阶拉曼)，15xx/14xx+13xx+12xx(对应三阶拉曼)合波器，其插损应小于1dB。使得脉冲信号光，脉冲泵浦光的合波信号以最小损耗的通过。
实施例2:
本发明实施例2提供了一种基于拉曼放大效应的OTDR方法，在本发明实施例方法中使用如实施例1所述的OTDR，如图5所示，所述方法还包括：
在步骤501中，窄线宽脉冲激光器101在信号处理器107的驱动下发出脉冲信号光(脉冲1，脉宽宽度5～20000ns可设)，拉曼增益模块105在信号处理器107的驱动下发出脉冲泵浦光(脉冲2)。
本实例中脉冲激光器的中心波长选择1521nm，激光器波长选择原则：对应拉曼增益大，光纤衰减小，最好避开工作波长；脉冲信号1和脉冲信号2可以使用同步方式，也可以通过编码优化异步方式。
在步骤502中，脉冲信号光通过环形器102的第一进光口和第二进/出光口，进入WDM 103端口1，同时拉曼增益模块105产生的脉冲泵浦光进入103端口3，脉冲信号光和脉冲泵浦光通过WDM合波后同时进入待测光纤。
在步骤503中，脉冲信号光和脉冲泵浦光在待测光纤中同时传输过程中，由于受激拉曼效应脉冲泵浦光将能量转移给脉冲信号光，脉冲信号光得到有效放大，放大后的脉冲信号光产生的瑞利散射光和菲涅尔反射光，同时脉冲泵浦光也会产生瑞利散射光和菲涅尔反射光，还会产生反向ASE光。
在步骤504中，对应于放大后脉冲信号光的背向散射光和/或反射光，脉冲泵浦光的瑞利散射光和菲涅尔反射光与脉冲泵浦光产生的反向ASE光一起返回到WDM 103的端口2，经过WDM 103滤波后只有放大后脉冲信号光的背向散射光和/或反射光与WDM通带内的脉冲泵浦光产生的反向ASE光能通过，脉冲泵浦光的瑞利散射光和菲涅尔反射光则被完全滤掉。
在步骤505中，经过WDM 103滤波后的脉冲信号光的背向散射光和/或反射光与WDM通带内的脉冲泵浦光产生的反向ASE光通过环形器102的第二进/出光口和第三进光口传输通道，经过光滤波器104滤去滤波带宽以外的反向ASE光，剩余滤波带宽以内的反向ASE光和放大后脉冲信号光的背向散射光和/或反射光被探测器106所采集。
拉曼增益模块105采用脉冲驱动的方式产生脉冲泵浦光，脉冲泵浦光相比连续泵浦光能极大降低泵浦产生的反向ASE噪声水平，再配合使用窄带光滤波器104，进一步减少进入光探测器106的反向ASE噪声功率，可以极大改善光信噪比，提高探测性能，通过探测器106转换的信号经过信号处理器107进行分析和处理。
在步骤506中，光探测器106转换的信号经过处理器107进行分析和处理,根据光强度判断该点的物理状态，根据返回处理器的时间计算出该点的距离，以便描绘出光纤长度和衰减分布曲线。
通过上述步骤，使用基于拉曼效应的OTDR相比无拉曼效应的OTDR在同步脉冲驱动方式下动态范围能够提升6dB以上，在优化编码异步驱动方式下动态范围提升9dB以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，其特征在于，包括：
脉冲激光器，通过环行器的第一、二端口耦合与待测光纤相连的WDM模块；
WDM模块，与拉曼增益模块相连，并通过环行器的第二、三端口耦合光探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，其特征在于，所述光探测器与环行器之间设置光滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，其特征在于，所述光滤波器具体为窄线宽滤波器，其30dB带宽小于等于1nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，其特征在于，所述脉冲激光器和/或光探测器和/或拉曼增益模块与信号处理器相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，其特征在于，拉曼增益模块的拉曼泵浦为脉冲驱动。
6.根据权利要求1所述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR结构，其特征在于，所述拉曼增益模块包括一阶拉曼和/或二阶拉曼和/或三阶拉曼；其中：
所述一阶拉曼的输入经两路14xxnm泵浦后再经14xx带退偏的偏振合波器IPBCD输出；
所述二阶拉曼的输入并行连接4个13xxnm泵浦和一个14xxnm泵浦，所述13xxnm泵浦分为两组，每组连接一个13xx带退偏的偏振合波器IPBCD，所述13xx带退偏的偏振合波器IPBCD连接13xx WDM后再连接一个13xx/14xx WDM，所述14xxnm泵浦与所述13xx/14xx WDM连接，所述WDM连接输出端；
所述三阶拉曼的输入并行连接12xxnm泵浦、13xxnm泵浦、14xxnm泵浦，所述13xxnm泵浦、14xxnm泵浦连接13xx/14xxWDM后与WDM相连；所述12xxnm泵浦连接所述WDM，所述WDM连接输出端。
7.一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法，其特征在于，包括：
将脉冲激光器的脉冲信号光和拉曼增益模块的脉冲泵浦光经WDM模块合波后送入待测光纤；
将受激后的脉冲信号光的背向散射光和/或反射光输入至探测器。
8.根据权利要求7所述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法，其特征在于，包括：
将脉冲信号光经环行器的第一、二端口送至WDM模块；将背向散射光和/或反射光经环行器的第二、三端口送至光探测器。
9.根据权利要求7所述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法，其特征在于，利用所述WDM模块滤除脉冲泵浦光的瑞利散射光、菲涅尔反射光、WDM通带外的脉冲泵浦光的反向ASE光。
10.根据权利要求7所述的一种基于拉曼效应大动态范围的OTDR方法，其特征在于，利用光滤波器滤除滤波带宽以外的反向ASE光。
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