专利名称：用于高动态范围的光时域反射仪的光模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤通信中的光模块装置，确切地说，涉及一种用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，属于光纤长度传输衰减测试的技术领域。
随着光纤通讯技术的发展，从80年代以来，网络的光纤化一直是世界各国网络发展的主要趋势之一。当前各国的通信网络的构成主要是以光纤网络作为传输基础。而在建设和维护光缆线路时，都要用光时域反射仪进行光纤传输特性的测试。光时域反射仪是光纤网络的在线监测系统中的核心技术，其动态范围大，则可监测的距离和范围越大，有利于光缆线路的快速查障和除障。
光时域反射仪OTDR(Optical Time-Domain Reflectometry)的基本工作原理是通过测试脉冲激光在光纤传输线路上的背向散射光随时间(距离)的能量分布曲线来分析得到光纤的长度、衰减、故障等传输特性，即向被测光纤输入一个光脉冲，当光脉冲沿着光纤线路向前传播的同时，要散射和反射回来部分信号；光时域反射仪是在光纤发射脉冲信号的同时，在其同一端监测该散射和反射回来的部分信号，并对该回来的信号进行连续高速采样处理，从而得到对光纤线路的信号传输衰减和故障的诊断定位等特性。
由于光脉冲信号在传输的过程中要衰减，同时散射和反射回来的信号也要衰减，这样，在光纤的前端，由于光脉冲信号传输的距离较近，散射回来的信号较强；而光脉冲信号传输的距离越远，其散射和反射回来的信号就越弱。如要研制一个动态范围高达35dB的光时域反射仪，由于被检测的光脉冲要在该光纤线路里往返地走上一个来回，其衰减幅度实际是双倍的，因此需要检测的信号强度至少为70dB，再加上光纤起始端连接器有一个大的菲涅耳反射信号等影响，需要测量的信号强度一般为80dB以上。这样大动态范围的被测信号，要想一次就能采集处理出来是不可能的。另外，由于目前大功率脉冲激光器能够发射的最大脉冲宽度不能超过20微秒，峰值功率不超过200毫瓦，在发射最大光功率条件下，根据瑞利散射计算公式可计算出光纤线路中散射回来的光信号功率最大值约为-30dBm，再减去70dB后，则要检测的最小光信号功率约为-100dBm，要检测如此微弱的光信号，必须使用高灵敏度探测器和使用低噪声放大器。
目前，只有几家国外厂商有能力生产光时域反射仪，通过检索，至今尚没有找到有关光时域反射仪OTDR的国内外专利资料；尽管国外已经有一些数字信号处理方面的专利，但是也没有发现有关光模块技术方面的专利。
本发明的目的是提供一种能够填补上述技术空白的用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，该光模块用于检测微弱光信号和实现高动态范围信号检测的光时域反射仪。
本发明的目的是这样实现的包括有脉冲激光发射器和光接收转换器两部分，其特征在于其中脉冲激光发射器由顺序连接的放大器、可分别选择导通的若干组模拟开关和脉冲激光产生器所组成，而光接收转换器则由将光信号转换为电流信号的光电转换器、将电流信号转换为电压信号的电流电压转换电路、信号放大电路和高速A/D模数转换电路所组成。
其中脉冲激光发射器中的放大器设有可调节其放大倍数的电位器。
其中脉冲激光发射器中的若干组模拟开关可以是三组，该三组模拟开关都可以分别受控而使每个开关独立导通工作，也可以分别受控使之两两导通，或者三个开关一起导通工作。
光接收转换器中的光电转换器采用高灵敏度的APD探测器组成。
光接收转换器中的电流电压转换电路是用低噪音运算放大器组成，其电路中设有在大信号反向导通时，对电路起保护作用的高速肖特基二极管，以及防止振荡、限制带宽、减少噪音的电容。
光接收转换器中的信号放大电路采用低噪音运算放大器组成，其正相输入端设有抬高直流电平的偏置电路。
本发明是一种采用多种技术手段较好地解决监测微弱光信号和实现高动态范围光信号检测难题的光模块，为研制生产对距离长达百余公里光纤进行测试、查障的高动态范围的光时域反射仪提供了关键器件。
图1为本发明的硬件结构组成的方框图。
图2为本发明中的脉冲激光器驱动部分的原理方框图。
图3为本发明的硬件结构组成方框图。
图4为波长1550nm分三段测量的光纤衰减特性曲线图。
图5为波长1550nm拼接后的曲线图。
图6为波长1310nm分三段测量的光纤衰减特性曲线图。
图7为波长1310nm拼接后的曲线图。
参见图1所示的本发明的硬件结构组成方框图。本发明是一种用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，其包括有脉冲激光发射器1和光接收转换器2两部分所组成。其中脉冲激光发射器1是由顺序连接的放大器11、可分别选择导通的若干组模拟开关12和脉冲激光产生器13所组成。其中脉冲激光发射器1中的放大器11设有可调节其放大倍数的电位器。激光脉冲驱动器1中的若干组模拟开关12可以是三组(如图1所示)，该三组模拟开关都可以分别受控而使每个开关独立导通工作，也可以分别受控而使之两两导通，或者三个开关一起导通工作。而光接收转换器2则由将光信号转换为电流信号的光电转换器21、将电流信号转换为电压信号的电流电压转换电路22、信号放大电路23和高速A/D模数转换电路24所组成。光接收转换器2中的光电转换器21采用高灵敏度的APD探测器组成。光接收转换器2中的电流电压转换电路22是用低噪音运算放大器组成，其电路中设有在大信号反向导通时，对电路起保护作用的高速肖特基二极管，以及防止振荡、限制带宽、减少噪音的电容。光接收转换器2中的信号放大电路23采用低噪音运算放大器组成，其正相输入端设有抬高直流电平的偏置电路。10是耦合器。
图1还展示了本发明的工作原理，当外接的数字电路控制本发明的光模块通过脉冲激光发射器1和耦合器10发射一个激光脉冲后，此激光脉冲通过一个5050的光纤耦合器10耦合进被测试的光纤3，该激光脉冲在光纤3里传输的过程中散射和反射回来的光信号，又通过光耦合器10输入该模块的光接收转换器2中的光电转换器21(即APD管)，APD管则将光信号转换成电流信号，然后通过电流电压转换电路22和信号放大电路23输入到高速A/D模数转换电路24，最后由高速A/D模数转换电路24对信号波形进行采样测试。为实现OTDR高动态范围的测试，如图2所示，本发明是通过控制脉冲激光发射器1发射的激光能量的大小，以及对光纤3实现分段测量的方法来实现发明目的，即在测量离测试仪距离较近的整个光纤的前面段时，由于其散射和反射回来的的信号较强，这时控制脉冲激光发射器1中的若干组模拟开关12里的开关a导通，发射较小能量的激光脉冲进行测试；在测量离测试仪距离适中的整个光纤的中间段时，由于其散射和反射回来的信号强度适中，这时控制若干组模拟开关12里的开关a、b导通，发射中等能量的激光脉冲进行测试；而在测量离测试仪距离较远的整个光纤的后面段时，就控制若干组模拟开关12里的开关a、b、c都导通，以便发射最大激光脉冲能量进行测试，尽可能地提高其散射和反射回来的信号强度。最后，将上述三段分别测试的结果拼接起来，即可得到整个光纤的传输特性。在图2中，脉冲激光发射器1中的放大器11设有可调节其放大倍数的电位器。这是因为不同的激光器的驱动电流不一样，调节该电位器可满足不同激光器驱动的需要。
参见图3所示，为了检测微弱光信号，本发明采用高灵敏度APD探测器和低噪声放大器，并同时采用一些减小噪声和干扰的技术措施。例如光接收转换器2中的信号放大电路23采用具有低偏置电流(5pA)、高输入阻抗、带宽宽、噪声低等特点的运算放大器OPA655组成，该放大电路中的二极管为高速肖特基二极管，在大信号时能够反向导通，对电路起保护作用。该电路中还设有防止振荡、限制带宽、减小噪声作用的电容。光电转换器21中的APD偏压电路是给APD探测器提供反向偏电压，以减小噪声，并尽量减小其纹波。信号放大电路23中的偏置电路231则用于抬高直流电平，以便减小干扰。此外，本发明的该光模块在布线时，其信号线要短而粗，应与大电流信号线和干扰较大的线隔开。APD器件和放大电路则应用屏蔽盒屏蔽起来。
本发明已经研制出样品，并进行试验实施，下面以激光波长为1550nm，激光脉冲宽度为20微秒，被测光纤为150公里的试验实施例进一步详细说明本发明的应用和工作原理。图4所示的曲线1为控制脉冲激光发射器1中的若干组模拟开关12里的开关a导通，发射较小能量激光脉冲的测量曲线；曲线2为控制脉冲激光发射器1中的若干组模拟开关12里的开关a、b导通，发射适中能量激光脉冲的测量曲线；曲线3为控制脉冲激光发射器1中的若干组模拟开关12里的开关a、b、c导通，发射较强能量激光脉冲的测量曲线。从这三组测量曲线可看出，当发射较小激光能量时，因其测量的光纤距离较近，开始距离较近时，测量的线性度较好，但当距离较远或发射的激光能量增大时，这时的信号就超出了放大器和A/D转换的量程范围，出现了非线性曲线现象。可将上述三段曲线进行综合考虑和拼接，就能得到如图5所示的高动态范围的测量曲线。
发明人又利用本发明的光模块进行了激光波长为1310nm、激光脉冲宽度为20微秒、被测光纤为125公里的试验实施，也可说明其工作原理及如何应用之。如图6所示，曲线1、2、3分别为控制发射激光脉冲能量小、中、大时分别进行测试的曲线，图7为其拼接后的测量曲线，从测量结果看，其动态范围可达35dB。从上述两个实施例可以说明本发明的光模块使用上述方式可以完成大动态范围的测试，实现发明目的。
权利要求
1.一种用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，包括有脉冲激光发射器和光接收转换器两部分，其特征在于其中脉冲激光发射器由顺序连接的放大器、可分别选择导通的若干组模拟开关和脉冲激光产生器所组成，而光接收转换器则由将光信号转换为电流信号的光电转换器、将电流信号转换为电压信号的电流电压转换电路、信号放大电路和高速A/D模数转换电路所组成。
2.如权利要求1所述的用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，其特征在于其中脉冲激光发射器中的放大器设有可调节其放大倍数的电位器。
3.如权利要求1所述的用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，其特征在于其中脉冲激光发射器中的若干组模拟开关可以是三组，该三组模拟开关都可以分别受控而使每个开关独立导通工作，也可以分别受控使之两两导通，或者三个开关一起导通工作。
4.如权利要求1所述的用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，其特征在于光接收转换器中的光电转换器采用高灵敏度的APD探测器组成。
5.如权利要求1所述的用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，其特征在于光接收转换器中的电流电压转换电路是用低噪音运算放大器组成，其电路中设有在大信号反向导通时，对电路起保护作用的高速肖特基二极管，以及防止振荡、限制带宽、减少噪音的电容。
6.如权利要求1所述的用于高动态范围的光时域反射仪的光模块，其特征在于光接收转换器中的信号放大电路采用低噪音运算放大器组成，其正相输入端设有抬高直流电平的偏置电路。
全文摘要
一种用于高动态范围的光时域反射仪的光模块,包括有脉冲激光发射器和光接收转换器两部分,其中脉冲激光发射器是由顺序连接的放大器、可分别选择导通的若干组模拟开关和脉冲激光产生器所组成;光接收转换器则由将光信号转换为电流信号的光电转换器、将电流信号转换为电压信号的电流电压转换电路、信号放大电路和高速A/D模数转换电路所组成。本发明较好地解决监测微弱光信号和实现高动态范围光信号检测的难题。
文档编号G01N21/00GK1330265SQ0010785
公开日2002年1月9日 申请日期2000年6月27日 优先权日2000年6月27日
发明者汪永忠, 李长春 申请人:华为技术有限公司