共用光源的OTDR光放大装置及控制方法与流程

本发明涉及光纤传输及光通信领域，尤其是一种具有OTDR功能的光放大装置。

背景技术：

在长跨距传输系统中，已经越来越离不开拉曼放大器。拉曼放大器具有宽带平坦的增益谱、突出的噪声性能、低非线性效应和灵活的应用方式等特点而逐渐成为应用的热点。但是相比较其他的光纤放大器，需要较高的泵浦功率，一般泵浦功率需要达到1W以上。同时，拉曼放大器因为传输光纤即增益光纤，其增益受传输光纤状况的影响非常严重，接头损耗，光纤老化都会使增益大大减小。

另一方面，通信系统对拉曼放大器控制要求越来越高，不仅要求拉曼放大器增益的大小可以大范围调节，而且要求拉曼放大器对多波系统增益斜率也可以较大范围调节。目前拉曼放大器主要是通过定标增益与信号工作带宽外的某段波长内的自发辐射放大光（ASE）功率的数学关系来控制增益。然而在同类型的光纤中，因为制作工艺或批次等原因，各光纤没有完全一样的衰减，另外随着长时间应用引起的老化，环境温度变化的影响，及传输光纤与拉曼放大器连接之间的插损等，这些因素都会影响拉曼放大器的增益与带外ASE功率之间的关系，而且这些因素还不是固定不变的。为了精确控制拉曼放大器的增益，必须将这些因素考虑进拉曼放大器的增益与带外ASE功率之间的数学关系中。在双泵或多泵的拉曼放大器中，其主要通过确定泵的比例与增益斜率的关系来控制放大器的增益斜率。且此关系同样受到上述接头损耗的影响。为了准确的控制拉曼放大器的增益大小及增益斜率，对拉曼接头损耗和光纤衰减状况的实时掌握就是非常必要的。

在拉曼放大器的工程应用中，因为环境洁净度不够，拉曼放大器的输出端面很容易污染，从而导致放大器与传输光纤的连接插损变大，影响拉曼放大器的应用。需要及时了解这种插损进而采取必要的解决措施。另外伴随着高泵浦功率，也带来一系列的不利因素，例如，如果不知道光纤状况，接触光纤可能会造成操作人员受到伤害等。在接入拉曼放大器之前，一般的做法是用OTDR仪表预先检测一下光纤的状况，确认接头，光纤衰减都是正常值之后，才能接入拉曼放大器。在长距离传输现场应用中，光通信设备组网时需要采购专用的OTDR和配套测试装置，对连接的光纤进行测试和监控。光时域反射仪（OTDR）通过直连光纤或利用特定波长光脉冲插入光纤进行测试，测试组网方案复杂，OTDR设备价格高昂。以上因素导致带监测光纤功能的光网络维护的复杂性高、成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种共用光源的OTDR光放大装置以及其控制方法，该光放大装置选取一路泵浦激光器同时作为OTDR光源共用，其内置的OTDR功能可实现在光放大装置开启工作前，准确确认传输光纤的状况；确认传输光纤状况符合光放大装置开泵条件以后，通过光学开关、模式选择开关及相应控制程序切换成光放大装置放大模式，从而使得光放大装置进入正常工作状态；本发明采用的技术方案是：

一种共用光源的OTDR光放大装置，包括：

主控单元、数据采集处理单元、若干个泵浦激光器构成的泵浦激光器组合单元、第一激光器驱动控制单元、其它激光器驱动控制单元、第一光学开关、第二光学开关、光学环形器、泵浦合波器；

泵浦激光器组合单元中包括一个第一泵浦激光器和若干个其它泵浦激光器；

第一激光器驱动控制单元连接并受控于主控单元；第一激光器驱动控制单元中设有模式选择开关，并具有两种控制方式；第一控制方式是OTDR脉冲发射模式，第二种控制方式是光放大装置放大模式；在第一激光器驱动控制单元中，设有光放大器用第一激光器驱动控制单元和OTDR用脉冲发射单元；主控单元分别连接光放大器用第一激光器驱动控制单元、OTDR用脉冲发射单元和模式选择开关；光放大器用第一激光器驱动控制单元和OTDR用脉冲发射单元的输出均连接模式选择开关；模式选择开关的输出连接第一泵浦激光器；

其它激光器驱动控制单元连接并受控于主控单元；在其它激光器驱动控制单元中，设有光放大器用其它激光器驱动控制单元；主控单元连接光放大器用其它激光器驱动控制单元，光放大器用其它激光器驱动控制单元的输出连接若干个其它泵浦激光器；

第一光学开关和第二光学开关均受控于主控单元；第一光学开关包括1a、2a、3a三个端口；第二光学开关包括1b、2b、3b三个端口；

光学环形器包括1c、2c、3c三个端口；

第一泵浦激光器的输出连接第一光学开关的1a端口；第一光学开关的2a端口连接光学环形器的1c端口；第一光学开关的3a端口连接泵浦合束器MUX的一个输入端；若干个其它泵浦激光器的输出分别连接泵浦合束器MUX的若干个输入端；

光学环形器的2c端口连接第二光学开关的2b端口，光学环形器的3c端口连接数据采集处理单元的输入端；第二光学开关的1b端口连接传输光纤；

泵浦合束器MUX通过隔离器连接第二光学开关的3b端口，或者具有隔离功能的泵浦合束器MUX的输出端直接连接第二光学开关的3b端口；

数据采集处理单元的输出连接主控单元。

进一步地，

主控单元包括相互连接的MCU和FPGA控制器；FPGA控制器通过控制总线连接数据采集单元；数据采集处理单元的输出通过数据总线连接FPGA控制器；MCU分别与第一光学开关、第二光学开关、模式选择开关、第一激光器驱动控制单元、其它激光器驱动控制单元连接；FPGA控制器与第一激光器驱动控制单元连接；

当控制方式是OTDR脉冲发射模式时，MCU控制第一光学开关1a与2a端口接通，第二光学开关1b与2b端口接通，同时切换模式选择开关，将第一泵浦激光器的驱动单元切换为OTDR用脉冲发射单元；

其后，根据所测传输光纤链路的长度，设置所需的光脉冲幅度、脉宽及采样次数，通过数据总线将所设参数传给FPGA控制器并启动FPGA控制器，FPGA控制器控制OTDR用脉冲发射单元以驱动第一泵浦激光器输出所需光脉冲信号；该输出光脉冲信号依次通过第一光学开关，光学环行器1c->2c端口，和第二光学开关进入传输光纤；传输光纤中的各种接头损耗或是光纤损伤带来的瑞利散射或菲涅耳反射通过第二光学开关和光学环行器2c->3c端口返回到数据采集处理模块中；数据采集处理模块接收该散射/反射光信号，将光信号转换为电信号后送至FPGA控制器进行数据采样；FPGA控制器将读取的数据传送给MCU，MCU接收到数据后进行数据处理，以获得传输光纤链路的检测结果；

MCU判断满足OTDR光放大装置的开泵条件后，才能将控制方式切换为光放大装置放大模式；

当控制方式是光放大装置放大模式时，MCU控制第一光学开关1a与3a端口接通，第二光学开关1b与3b端口接通，同时切换模式选择开关，将第一泵浦激光器的驱动单元切换为光放大器用第一激光器驱动控制单元；MCU控制光放大器用第一激光器驱动控制单元输出需要的控制量，以控制第一泵浦激光器开启到预设的泵浦功率；

其它激光器驱动控制单元受控于MCU，在OTDR脉冲发射模式时，MCU控制光放大器用其它激光器驱动控制单元不工作；在光放大装置放大模式时，MCU控制光放大器用其它激光器驱动控制单元输出需要的控制量，以控制若干个其它泵浦激光器输出各自预设的泵浦功率。

具体地，

数据采集处理单元包括依次连接的光电接收器模块、高增益信号放大模块、隔离及滤波电路、AD转换电路、数据存储单元；其中高增益信号放大模块、AD转换电路、数据存储单元受控于主控单元；

数据采集处理模块中光电接收器模块接收该散射/反射光信号，将光信号转换为电信号后经高增益放大电路模块放大，转换为AD转换电路所需范围内的电信号；

与此同时，FPGA控制器控制AD转换电路开始采样，将采样到的电信号转换为数字信号后传送给数据存储单元，待一次光纤线路扫描完成后，FPGA分段读取数据存储单元中的数据，并通过数据总线将读取的数据传送给MCU，MCU接收到数据后进行数据处理，并根据所设置采样次数，FPGA控制器不断执行上述过程，待所有采样过程完成后，MCU分析所获取的全部数据以获得传输光纤链路的检测结果。

更进一步地，在光学环形器中，光只能循1c->2c->3c端口方向单向传输。

更进一步地，光学环形器用光纤耦合器代替。

更进一步地，泵浦激光器采用半导体泵浦激光器。

一种共用光源的OTDR光放大装置的控制方法，适用于上述共用光源的OTDR光放大装置，包括两种控制方式；第一控制方式是OTDR脉冲发射模式，第二种控制方式是光放大装置放大模式；

当控制方式是OTDR脉冲发射模式时，MCU控制第一光学开关1a与2a端口接通，第二光学开关1b与2b端口接通，同时切换模式选择开关，将第一泵浦激光器的驱动单元切换为OTDR用脉冲发射单元；

其后，根据所测传输光纤链路的长度，设置所需的光脉冲幅度、脉宽及采样次数，通过数据总线将所设参数传给FPGA控制器并启动FPGA控制器，FPGA控制器控制OTDR用脉冲发射单元以驱动第一泵浦激光器输出所需光脉冲信号；该输出光脉冲信号依次通过第一光学开关，光学环行器1c->2c端口，和第二光学开关进入传输光纤/增益介质；传输光纤中的各种接头损耗或是光纤损伤带来的瑞利散射或菲涅耳反射通过第二光学开关和光学环行器2c->3c端口返回到数据采集处理模块中；数据采集处理模块中光电接收器模块接收该散射/反射光信号，将光信号转换为电信号后经高增益放大电路模块放大，转换为AD转换电路所需范围内的电信号；

与此同时，FPGA控制器控制AD转换电路开始采样，将采样到的电信号转换为数字信号后传送给数据存储单元，待一次光纤线路扫描完成后，FPGA分段读取数据存储单元中的数据，并通过数据总线将读取的数据传送给MCU，MCU接收到数据后进行数据处理，并根据所设置采样次数，FPGA控制器不断执行上述过程，待所有采样过程完成后，MCU分析所获取的全部数据并获得传输光纤链路的检测结果；

MCU判断满足OTDR光放大装置的开泵条件后，才能将控制方式切换为光放大装置放大模式；

当控制方式是光放大装置放大模式时，MCU控制第一光学开关1a与3a端口接通，第二光学开关1b与3b端口接通，同时切换模式选择开关，将第一泵浦激光器的驱动单元切换为光放大器用第一激光器驱动控制单元；MCU控制光放大器用第一激光器驱动控制单元输出需要的控制量，以控制第一泵浦激光器开启到预设的泵浦功率；

其它激光器驱动控制单元受控于MCU，在OTDR脉冲发射模式时，MCU控制光放大器用其它激光器驱动控制单元不工作；在光放大装置放大模式时，MCU控制光放大器用其它激光器驱动控制单元输出需要的控制量，以控制若干个其它泵浦激光器输出各自预设的泵浦功率。

进一步地，将控制方式切换为光放大装置放大模式的OTDR光放大装置的开泵条件，需要同时满足：

OTDR光放大装置温度，各泵浦激光器管芯温度，散射/反射光信号功率这些判断因素都没有告警，输入光信号大于阈值，且OTDR光放大装置处于放大器使能状态。

本发明的优点在于：

1）在光放大装置工作之前，首先开启OTDR脉冲发射模式检测光纤的损耗状况，确认光纤状况良好之后开启光放大装置放大模式。此外本发明的最重要的一个有益之处在于，选取某个泵浦激光器同时作为OTDR光源共用，不仅节省了昂贵的OTDR的设备成本，而且可以在线监测光纤线路的损耗，及时触发告警。

2）与现有方案相比，本发明减少了昂贵的OTDR设备，利用拉曼泵浦光源巧妙的实现了拉曼放大器内置OTDR的功能。内置OTDR拉曼放大器不仅可以实现长距离传输的拉曼放大，其内置OTDR能够实时监控光纤工作状况，对光纤异常，接头损耗等异常现象及时发出预警信息，确保系统能够长期可靠运行。而且拉曼增益控制更加精准。最后，这种拉曼放大器可以增加人员操作的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的第一激光器驱动控制单元内部结构图。

图3为本发明的其它激光器驱动控制单元内部结构图。

图4为本发明的主控单元内部结构图。

图5为本发明的数据采集处理单元内部结构图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种共用光源的OTDR光放大装置，如图1所示，包括：

主控单元、数据采集处理单元、若干个泵浦激光器构成的泵浦激光器组合单元、第一激光器驱动控制单元、其它激光器驱动控制单元、第一光学开关、第二光学开关、光学环形器、泵浦合波器MUX；

泵浦激光器组合单元中包括一个第一泵浦激光器（图1中的激光器1）和若干个其它泵浦激光器，如图1中的激光器2、激光器3……激光器n；若干个其它泵浦激光器可以是一个或数个；本发明提出的共用光源的OTDR光放大装置，尤其适合于形成拉曼光放大器，因此泵浦激光器组合单元中的各泵浦激光器优选采用拉曼泵浦激光器；也可以采用EDFA泵浦激光器，以形成EDFA光放大器；拉曼泵浦激光器和EDFA泵浦激光器都属于半导体泵浦激光器；

需要说明的是，第一泵浦激光器并不限定一定是泵浦激光器组合单元中的第一个泵浦激光器；第一泵浦激光器是泵浦激光器组合单元中的某一个。

第一激光器驱动控制单元连接并受控于主控单元；第一激光器驱动控制单元中设有模式选择开关；本发明设有两种控制方式；第一种控制方式是OTDR脉冲发射模式，第二种控制方式是光放大装置放大模式；

如图2所示，在第一激光器驱动控制单元中，设有光放大器用第一激光器驱动控制单元和OTDR用脉冲发射单元；主控单元分别连接光放大器用第一激光器驱动控制单元、OTDR用脉冲发射单元和模式选择开关；光放大器用第一激光器驱动控制单元和OTDR用脉冲发射单元的输出均连接模式选择开关；模式选择开关的输出连接第一泵浦激光器；

其它激光器驱动控制单元连接并受控于主控单元；

如图3所示，在其它激光器驱动控制单元中，设有光放大器用其它激光器驱动控制单元；主控单元连接光放大器用其它激光器驱动控制单元，光放大器用其它激光器驱动控制单元的输出连接若干个其它泵浦激光器；

第一光学开关和第二光学开关均受控于主控单元；第一光学开关具有1a、2a、3a三个端口；第二光学开关具有1b、2b、3b三个端口；

光学环形器具有1c、2c、3c三个端口，在光学环形器中，光只能循1c->2c->3c方向单向传输；在实际应用中，光学环形器也可以用光纤耦合器代替；

第一泵浦激光器的输出连接第一光学开关的1a端口；第一光学开关的2a端口连接光学环形器的1c端口；第一光学开关的3a端口连接泵浦合束器MUX的一个输入端；若干个其它泵浦激光器的输出分别连接泵浦合束器MUX的若干个输入端；

光学环形器的2c端口连接第二光学开关的2b端口，光学环形器的3c端口连接数据采集处理单元的输入端；第二光学开关的1b端口连接传输光纤/增益介质；

泵浦合束器MUX用于将不同波长的泵浦激光器输出的激光合成一束；泵浦合束器MUX一般为薄膜滤波器类型，此时需要在其后连接一个隔离器；泵浦合束器MUX的输出端通过隔离器连接第二光学开关的3b端口；泵浦合束器MUX也可以是隔离偏振泵浦合波器，用于合成相同波长的激光功率，同时具有隔离反射信号的能力，防止反射信号反馈到激光器谐振腔中影响泵浦激光器的输出稳定性；

数据采集处理单元的输出连接主控单元；

如图4所示，主控单元包括相互连接的MCU和FPGA控制器；MCU和FPGA控制器之间的连接线路包括地址总线和数据总线；FPGA控制器通过控制总线连接数据采集单元；数据采集处理单元的输出通过数据总线连接FPGA控制器；其中MCU可选用ARM处理器或其它的微处理器；MCU分别与第一光学开关、第二光学开关、模式选择开关、第一激光器驱动控制单元、其它激光器驱动控制单元连接；FPGA控制器与第一激光器驱动控制单元连接；

如图5所示，数据采集处理单元包括依次连接的光电接收器模块、高增益信号放大模块、隔离及滤波电路、AD转换电路、数据存储单元；其中高增益信号放大模块、AD转换电路、数据存储单元受控于主控单元；光电接收器模块由高响应度的光电探测器APD及偏压电路组成，APD将接收到的光信号转换为对应强度的电流信号输出；高增益信号放大模块将接收到的电流信号转换为电压信号并进行相应的放大；滤波及隔离电路将放大后的电压信号进行滤波并隔离高增益信号放大模块及AD转换电路；AD转换电路在主控单元的控制之下将接收到的电压信号转换为数字信号后传送给数据存储单元；数据存储单元存储相应的数字信号并提供给主控单元使用；

当控制方式是OTDR脉冲发射模式时，MCU控制第一光学开关1a与2a端口接通，第二光学开关1b与2b端口接通，同时切换模式选择开关，将第一泵浦激光器的驱动单元切换为OTDR用脉冲发射单元；

其后，根据所测传输光纤链路的长度，设置所需的光脉冲幅度、脉宽及采样次数，通过数据总线将所设参数传给FPGA控制器并启动FPGA控制器，FPGA控制器控制OTDR用脉冲发射单元以驱动第一泵浦激光器输出所需光脉冲信号；该输出光脉冲信号依次通过第一光学开关，光学环行器1c->2c端口，和第二光学开关进入传输光纤/增益介质；传输光纤中的各种接头损耗或是光纤损伤带来的瑞利散射或菲涅耳反射通过第二光学开关和光学环行器2c->3c端口返回到数据采集处理模块中；数据采集处理模块中光电接收器模块接收该散射/反射光信号，将光信号转换为电信号后经高增益放大电路模块放大，转换为AD转换电路所需范围内的电信号；

与此同时，FPGA控制器控制AD转换电路开始采样，将采样到的电信号转换为数字信号后传送给数据存储单元，待一次光纤线路扫描完成后，FPGA分段读取数据存储单元中的数据，并通过数据总线将读取的数据传送给MCU，MCU接收到数据后进行数据处理，并根据所设置采样次数，FPGA控制器不断执行上述过程，待所有采样过程完成后，MCU分析所获取的全部数据并上报传输光纤链路损耗及各种事件等；

以上探测事件，当MCU得到正确的光纤损耗和衰减数据之后 ，可以确认传输光纤状态正常；同时MCU还要判断光路是否符合OTDR光放大装置的开泵条件，判断的因素有OTDR光放大装置温度，各泵浦激光器管芯温度，散射/反射光信号功率，输入光信号大于阈值，OTDR光放大装置是否处于放大器使能（Enable）状态等；如果这些判断因素都没有告警，那么启动光放大装置放大模式，对拉曼光放大器而言，光放大装置放大模式也就是正常的拉曼放大器工作模式；

当控制方式是光放大装置放大模式时，MCU控制第一光学开关1a与3a端口接通，第二光学开关1b与3b端口接通，同时切换模式选择开关，将第一泵浦激光器的驱动单元切换为光放大器用第一激光器驱动控制单元；MCU控制光放大器用第一激光器驱动控制单元输出需要的控制量，以控制第一泵浦激光器开启到预设的泵浦功率；此种控制方式也就是恒泵浦控制方式；

其它激光器驱动控制单元受控于MCU，在OTDR脉冲发射模式时，MCU控制光放大器用其它激光器驱动控制单元不工作；在光放大装置放大模式时，MCU控制光放大器用其它激光器驱动控制单元输出需要的控制量，以控制若干个其它泵浦激光器输出各自预设的泵浦功率。

当发现系统中增益控制或者输出功率不正常的时候，此时有可能泵浦激光器已经触发关泵操作。为了详细的获知故障的原因，此时并不需要切断光纤， 而只需要主控单元控制光学开关、模式切换开关按照上述描述切换到OTDR脉冲发射模式判断光纤故障情况既可。以上过程都是远程机房操控的。 而不需要派人员持OTDR仪器到现场进行切断光纤，接入OTDR仪器。