[发明专利]利用FP激光器精准监测TWDM-PON故障的装置及方法

权利要求书

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）。