CN103929250B - 光纤相位补偿器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光纤相位补偿器及其使用方法，光纤相位补偿器的单纵模激光器的激光由光纤耦合器分为两束，一束输入第一波分复用器，与传输光信号共输至传输光纤，传输光纤的一段缠绕在压电陶瓷(PZT)上，传输光纤另一端接第二波分复用器，输出的单纵模激光信号被第二光纤反射镜反射经传输光纤返回，在光纤耦合器与本地单纵模激光信号产生干涉，干涉光信号进入反馈控制电路，控制信号控制PZT伸缩幅度，改变其上光纤光程，对传输光信号相位补偿。使用方法为先设置光纤相位补偿器的稳定相位点，PZT自动补偿相位；达到PZT调节极限时重新设置。本发明一级补偿的稳定相位传输距离达25km，可多级组成级联光纤相位补偿器。

Description

光纤相位补偿器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种光纤通信技术领域，具体涉及一种光纤相位补偿器及其使用方法，以精确补偿传输光信号光程改变产生的抖动误差。

背景技术

受到环境温度变化的影响，单模光纤会产生热胀冷缩以及折射率变化等效应，环境中的振动也会引起光纤折射率的微小变化，这些环境因素的改变均会使光纤中传输光信号的光程产生改变，出现抖动。光纤授时系统、相位相关高速光纤射频信号传输(ROF)系统等特殊光信号传输系统对光程的精度要求非常高，环境温度和振动对光纤的影响往往使得系统的光程抖动误差大大超出容限，严重降低系统的使用性能。但长距离的光纤无法避免环境温度和振动的影响，现有的相位相关高速光纤射频信号传输(ROF)系统传输10GHz载波信号时，要满足相位偏差小于5°的情况下，传输距离不足50米。故迫切需要解决环境因素造成的光纤中传输光信号的光程改变的问题，以满足光纤授时系统等特殊光信号传输系统对光程的高精度要求。

发明内容

本发明目的是设计一种光纤相位补偿器，单纵模激光与传输光信号共同在传输光纤内传输，传输光纤的一段缠绕在压电陶瓷上，单纵模激光信号反射返回与本地单纵模激光信号在干涉仪中产生干涉，干涉光信号经光电探测器转换为电信号，送入反馈控制电路，反馈控制电路控制压电陶瓷的电致伸缩的幅度，从而改变其上缠绕的传输光纤的光程，补偿相位，免除传输光信号的光程改变。

本发明的另一目的是公开上述光纤相位补偿器的使用方法。

本发明设计的一种光纤相位补偿器，包括单纵模激光器、光纤耦合器、光纤干涉仪、压电陶瓷、传输光纤和反馈控制电路，本发明分别在传输光纤两端设置第一波分复用器和第二波分复用器。单纵模激光器发出波长与传输光信号波长不同的激光，由2×2光纤耦合器的第一端口接入分为两束，其中从第二端口输出的一束激光输入第一波分复用器的透射端，传输光信号输入第一波分复用器的反射端，二者共同由第一波分复用器的公共端输出至传输光纤，传输光纤的一段缠绕在压电陶瓷(PZT)上，传输光纤的另一端连接第二波分复用器的公共端，第二波分复用器的反射端输出传输光信号，透射端输出单纵模激光信号送到第二光纤反射镜。第二光纤反射镜将单纵模激光信号反射，经传输光纤返回，从第一波分复用器的公共端进入，再由第一波分复用器的透射端进入2×2光纤耦合器的第二端口；而2×2光纤耦合器分出的另一束单纵模激光信号由第三端口送至第一光纤反射镜被反射，作为本地单纵模激光信号返回2×2光纤耦合器第三端口，按迈克尔逊干涉仪原理，2×2光纤耦合器作为光纤干涉仪，本地单纵模激光信号与经传输光纤返回的单纵模激光信号产生干涉，按二光信号相位的不同、形成功率幅度不同的干涉光信号。当传输光纤受环境温度及振动影响改变光程时，往返传输的单纵模激光的相位会发生改变，与本地单纵模激光信号干涉后产生的干涉光光强随之改变。作为光纤干涉仪的2×2光纤耦合器的第四端口输出干涉光信号，接入光电探测器转为电信号送入反馈控制电路，反馈控制电路根据所得干涉光信号对应的电信号产生对压电陶瓷的控制信号，接入压电陶瓷，控制其电致伸缩幅度，改变其上缠绕的传输光纤的光程，调整单纵模激光往返传输光纤后的相位，使干涉仪输出的光信号功率幅度恢复到初始值，实现对传输光信号相位的补偿。

所述传输光纤为单模光纤。

所述单纵模激光器输出的激光为稳定功率的连续激光，且在传输光纤内的相干长度至少大于两倍传输光纤的长度。

所述第一、第二光纤反射镜工作波长与单纵模激光器波长一致。

所述2×2光纤耦合器和第一光纤反射镜可用2个1×2光纤耦合器和光纤环行器代替，按马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪原理构成光纤干涉仪，即单纵模激光器发出的激光，接入第一1×2光纤耦合器分为两束，其中一束激光经光纤环行器输入第一波分复用器的透射端；另一束激光作为本地单纵模激光信号接入第二1×2光纤耦合器一个输入端口；从传输光纤另一端返回的单纵模激光信号经光纤环行器进入第二1×2光纤耦合器另一输入端口，与本地单纵模激光信号产生干涉，第二1×2光纤耦合器的输出端口与光电探测器相连接、送入干涉光信号。

所述单纵模激光器的波长包含在第一、第二波分复用器的透射端工作波长内，第一、第二波分复用器的透射端带宽内不包含传输光信号波长，且带宽越窄越好，优先选择透射端带宽为100G规格的波分复用器。

所述光电探测器是可响应单纵模激光器工作波长的有光纤尾纤的光电二极管，其将传输光纤上返回的单纵模激光信号和本地参考单纵模激光信号相干涉产生的光强度信号转化成电流信号送入反馈控制电路。

所述反馈控制电路包括电流电压转换模块、算法模块和放大输出模块，将光电探测器输出的电流信号转化成电压信号，并按一定算法得到控制压电陶瓷的电压信号，放大输出至压电陶瓷PZT。当传输光纤上的激光相位改变时，压电陶瓷PZT正负极加载的电压随之变化，压电陶瓷PZT的电致伸缩效应幅度改变，使缠绕在压电陶瓷PZT上的传输光纤拉伸程度改变，从而使传输光纤上的激光信号相位恢复到初始值。

所述缠绕传输光纤的压电陶瓷PZT是单个圆筒状压电陶瓷PZT。

或者，所述缠绕传输光纤的压电陶瓷PZT是两个圆筒状压电陶瓷PZT，二者缠绕的传输光纤长度的比例大于10/1，小于100/1。其中压电陶瓷PZT上缠绕的较长传输光纤用于光纤相位粗补偿，另一压电陶瓷PZT上缠绕的较短传输光纤用于光纤相位精补偿，共同完成大量程的光纤相位补偿，并达到极高的补偿精度；

缠绕在压电陶瓷PZT上的传输光纤的长度与传输光纤总长度比例大于或等于1/100。缠绕在压电陶瓷PZT上的传输光纤在压电陶瓷PZT两极电压为零时处于紧绕状态，不会松弛。

所述单纵模激光器、2×2光纤耦合器、第一波分复用器、缠绕光纤的压电陶瓷、第一光纤反射镜、光电探测器、反馈控制电路共同构成光纤相位补偿器主机；或者所述单纵模激光器、1×2光纤耦合器、第一波分复用器、缠绕光纤的压电陶瓷、光纤环行器、光电探测器、反馈控制电路共同构成光纤相位补偿器主机。

本发明光纤相位补偿器一级可补偿的光纤传输距离最大为25km，为获得更长的稳定相位传输距离，本发明的光纤相位补偿器可2～4级组成级联光纤相位补偿器，即在一级光纤相位补偿器传输光纤的另一端再连接下一级的光纤相位补偿器主机、下一级的传输光纤和对端的波分复用器的光纤反射镜，使稳定相位的传输距离成倍增加。最大级联数受相位相关高速光纤射频信号(ROF)信号在光纤中最低可接受传输质量的限制，主要是受最大可接受传输信号的偏振模色散(PDM)以及最低可接受载噪比的限制。

本发明光纤相位补偿器的使用方法包括如下步骤：

Ⅰ、系统初始化

光纤相位补偿器电源接通后，首先由反馈控制电路将压电陶瓷正负极电压从零逐渐加大，至最大设置电压的一半，同时由光电探测器连续监测，得到压电陶瓷正负极电压加大时光功率变化的最大值和最小值；再逐渐向下微调压电陶瓷正负极电压，至光电探测器监测到光功率达到最大值和最小值之间的平均值、且调节压电陶瓷正负极电压变化的趋势和光功率变化趋势一致；以此时的压电陶瓷正负极电压为光纤相位补偿器的稳定相位点；

Ⅱ、正常情况的相位补偿

当光电探测器监测到光功率变大或变小时，根据光功率的变化趋势反向改变压电陶瓷电压，改变缠绕在压电陶瓷上传输光纤的拉伸长度，以反向补偿激光信号的相位变化，并使光电探测器监测到的光功率稳定在平均值上。

Ⅲ、达到压电陶瓷调节极限时的处理

当环境温度改变较大，使压电陶瓷控制电压达到最大设置电压或零电压的极限时，反馈控制电路自动执行步骤Ⅰ，重新设置光纤相位补偿器的稳定相位点，再按步骤Ⅱ进行相位补偿。

与现有技术相比，本发明光纤相位补偿器及其使用方法的有益效果是：1、对光信号在光纤中传输受到距离及环境温度变化、振动影响改变相位进行自动补偿，实现一级可补偿的光纤传输距离最大达25km光信号的稳定相位传输；2、长距离的光信号透明传输，与传输光信号的波长、速率、调制形式、传输方向无关；3、本光纤相位补偿器可多级构成级联的光纤相位补偿器，获得成倍增加的稳定相位传输，最大传输距离可达100km以上。

附图说明

图1为本光纤相位补偿器实施例1结构示意图；

图2为级联的本光纤相位补偿器实施例结构示意图；

图3为本光纤相位补偿器实施例2结构示意图。

具体实施方式

实施例1

采用迈克尔逊干涉仪的光纤相位补偿器。

本光纤相位补偿器实施例如图1所示，包括单纵模激光器、光纤耦合器、光纤干涉仪、压电陶瓷、传输光纤和反馈控制电路，所述传输光纤为单模光纤。传输光纤两端设置第一波分复用器和第二波分复用器。单纵模激光器输出的激光为稳定功率的连续激光，其波长与传输光信号波长不同，且在传输光纤内的相干长度至少大于两倍传输光纤的长度。单纵模激光器发出的激光，接入2×2光纤耦合器的第一端口分为相同的两束，其中第二端口输出的一束激光输入第一波分复用器的透射端，传输光信号输入第一波分复用器的反射端，二者共同由第一波分复用器的公共端输出至传输光纤，传输光纤的一段缠绕在压电陶瓷(PZT)上，传输光纤的另一端连接第二波分复用器的公共端，第二波分复用器的反射端输出传输光信号，透射端输出单纵模激光信号送到第二光纤反射镜。第二光纤反射镜将单纵模激光信号反射，经传输光纤返回，从第一波分复用器的公共端进入，再由第一波分复用器的透射端进入2×2光纤耦合器的第二端口；而2×2光纤耦合器分出的另一束单纵模激光信号由其第三端口送至第一光纤反射镜被反射，作为本地单纵模激光信号返回2×2光纤耦合器的第三端口，按迈克尔逊干涉仪原理，2×2光纤耦合器作为光纤干涉仪，本地单纵模激光信号与经传输光纤返回的单纵模激光信号产生干涉，按二光信号相位的不同、形成功率幅度不同的干涉光信号，作为光纤干涉仪的2×2光纤耦合器的第四端口输出干涉光信号，接入光电探测器转为电信号送入反馈控制电路，反馈控制电路根据所得干涉光信号对应的电信号产生对压电陶瓷的控制信号，接入压电陶瓷，控制其电致伸缩幅度，改变其上缠绕的传输光纤的光程，调整单纵模激光往返传输光纤后的相位，使干涉仪输出的光信号功率幅度恢复到初始值，实现对传输光信号相位的补偿。

本例第一、第二光纤反射镜工作波长与单纵模激光器波长一致。

本例第一、第二波分复用器透射端中心波长与单纵模激光器波长一致，单纵模激光器的波长包含在波分复用器的透射端工作波长内，波分复用器的透射端带宽内不包含传输光信号波长，本例其带宽为100G。

本例光电探测器是可响应单纵模激光器工作波长的有光纤尾纤的光电二极管。

本例反馈控制电路包括电流电压转换模块、算法模块和放大输出模块，将光电探测器输出的电流信号转化成电压信号，并按一定算法得到控制压电陶瓷的电压信号，放大输出至压电陶瓷PZT。当传输光纤上的激光相位改变时，压电陶瓷PZT正负极加载的电压随之变化，压电陶瓷PZT的电致伸缩效应幅度改变，使缠绕在压电陶瓷PZT上的传输光纤拉伸程度改变，从而使传输光纤上的激光信号相位恢复到初始值。

所述缠绕传输光纤的压电陶瓷PZT是单个圆筒状压电陶瓷PZT。缠绕在压电陶瓷PZT上的一段传输光纤的长度与传输光纤总长度比例为1：100。缠绕在压电陶瓷PZT上的传输光纤在压电陶瓷PZT两极电压为零时处于紧绕状态。

本例单纵模激光器、2×2光纤耦合器、第一波分复用器、缠绕光纤的压电陶瓷、第一光纤反射镜、光电探测器、反馈控制电路共同构成光纤相位补偿器主机。

如图2所示，2级本光纤相位补偿器实施例组成级联的双级光纤相位补偿器，即在第一级光纤相位补偿器的传输光纤A的一端为第一级光纤相位补偿器的光纤相位补偿器主机A，传输光纤A另一端连接第一级光纤相位补偿器的第二波分配复用器A，第二波分配复用器A连接有第二光纤反射镜A，第二波分配复用器A输出的传输光信号再接入第二级光纤相位补偿器的光纤相位补偿器主机B，光纤相位补偿器主机B连接第二级光纤相位补偿器的传输光纤B，传输光纤B另一端连接第二级光纤相位补偿器的第二波分配复用器B，第二波分配复用器B连接有第二光纤反射镜B，第二波分配复用器B输出传输光信号。两级光纤相位补偿器主机A和B，使传输光信号经传输光纤A和B实现距离加倍的相位稳定传输。

本例光纤相位补偿器的使用方法包括如下步骤：

Ⅰ、系统初始化

光纤相位补偿器电源接通后，首先由反馈控制电路将压电陶瓷正负极电压从零逐渐加大，至最大设置电压的一半，同时由光电探测器连续监测，得到压电陶瓷正负极电压加大时光功率变化的最大值和最小值；再逐渐向下微调压电陶瓷正负极电压，至光电探测器监测到光功率达到最大值和最小值之间的平均值、且调节压电陶瓷正负极电压变化的趋势和光功率变化趋势一致，以此时的压电陶瓷正负极电压为光纤相位补偿器的稳定相位点；

Ⅱ、正常情况的相位补偿

当光电探测器监测到光功率变大或变小时，根据光功率的变化趋势反向改变压电陶瓷电压，改变缠绕在压电陶瓷上传输光纤的拉伸长度，以反向补偿激光信号的相位变化，并使光电探测器监测到的光功率稳定在平均值上。

Ⅲ、达到压电陶瓷调节极限时的处理

当环境温度改变较大，使压电陶瓷控制电压达到最大设置电压或零电压的极限时，反馈控制电路自动执行步骤Ⅰ，重新设置光纤相位补偿器的稳定相位点，再按步骤Ⅱ进行相位补偿。

在相位相关型ROF传输系统中相位偏差小于5°的情况下，未使用本光纤相位补偿器时，10GHz载波信号传输距离不足50米，而加装一级本光纤相位补偿器后传输距离最大可达25km。

实施例2

采用马赫-曾德尔干涉仪的光纤相位补偿器。

本光纤相位补偿器实施例如图3所示，用2个1×2光纤耦合器和光纤环行器代替实施例1的2×2光纤耦合器和第一光纤反射镜，构成马赫-曾德尔光纤干涉仪，其它结构与实施例1的光纤相位补偿器相似，其单纵模激光器发出的激光，接入第一1×2光纤耦合器分为两束，其中一束激光经光纤环行器输入第一波分复用器的透射端；另一束激光作为本地单纵模激光信号接入第二1×2光纤耦合器一个输入端口；从传输光纤另一端返回的单纵模激光信号经光纤环行器进入第二1×2光纤耦合器另一输入端口，与本地单纵模激光信号产生干涉，第二1×2光纤耦合器的输出端口与光电探测器相连接、送入干涉光信号。

本例缠绕传输光纤的压电陶瓷PZT是两个圆筒状压电陶瓷PZT，二者缠绕的传输光纤的长度比例为50/1。其一压电陶瓷PZT上缠绕的较长传输光纤用于光纤相位粗补偿，另一压电陶瓷PZT上缠绕的较短传输光纤用于光纤相位精补偿，共同完成大量程的光纤相位补偿，并达到高补偿精度；

本例单纵模激光器、1×2光纤耦合器、第一波分复用器、缠绕光纤的压电陶瓷、光纤环行器、光电探测器、反馈控制电路共同构成光纤相位补偿器主机。

本例光纤相位补偿器与实施例1相同，多级构成级联的光纤相位补偿器。

本例光纤相位补偿器的使用方法与实施例1相同。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.光纤相位补偿器，包括单纵模激光器、光纤耦合器、光纤干涉仪、压电陶瓷、传输光纤和反馈控制电路，在传输光纤两端设置第一波分复用器和第二波分复用器；单纵模激光器发出波长与传输光信号波长不同的激光，接入2×2光纤耦合器的第一端口分为两束，其第二端口输出的一束激光输入第一波分复用器的透射端，传输光信号输入第一波分复用器的反射端，二者共同由第一波分复用器的公共端输出至传输光纤，传输光纤的一段缠绕在压电陶瓷上，传输光纤的另一端连接第二波分复用器的公共端，第二波分复用器的反射端输出传输光信号，透射端输出单纵模激光信号送到第二光纤反射镜，第二光纤反射镜将单纵模激光信号反射，经传输光纤返回，从第一波分复用器的公共端进入，再由第一波分复用器的透射端进入2×2光纤耦合器的第二端口；单纵模激光器发出的激光接入2×2光纤耦合器后分出的两束中的另一束单纵模激光信号由其第三端口送至第一光纤反射镜被反射，作为本地单纵模激光信号返回2×2光纤耦合器的第三端口，2×2光纤耦合器作为光纤干涉仪，本地单纵模激光信号与经传输光纤返回的单纵模激光信号产生干涉，2×2光纤耦合器的第四端口输出干涉光信号接入光电探测器转为电信号送入反馈控制电路，反馈控制电路根据所得干涉光信号对应的电信号产生的对压电陶瓷的控制信号接入压电陶瓷；

所述传输光纤为单模光纤。

2.光纤相位补偿器，包括单纵模激光器、光纤耦合器、光纤环行器、光纤干涉仪、压电陶瓷、传输光纤和反馈控制电路，在传输光纤两端设置第一波分复用器和第二波分复用器；单纵模激光器发出波长与传输光信号波长不同的激光，接入第一1×2光纤耦合器分为两束，其中一束激光经光纤环行器输入第一波分复用器的透射端，传输光信号输入第一波分复用器的反射端，二者共同由第一波分复用器的公共端输出至传输光纤，传输光纤的一段缠绕在压电陶瓷上，传输光纤的另一端连接第二波分复用器的公共端，第二波分复用器的反射端输出传输光信号，透射端输出单纵模激光信号送到第二光纤反射镜，第二光纤反射镜将单纵模激光信号反射，经传输光纤返回，从第一波分复用器的公共端进入；单纵模激光器发出的激光接入第一1×2光纤耦合器分成的两束中的另一束激光作为本地单纵模激光信号接入第二1×2光纤耦合器一个输入端口；从传输光纤另一端返回的单纵模激光信号经光纤环行器进入第二1×2光纤耦合器另一输入端口，与本地单纵模激光信号产生干涉，第二1×2光纤耦合器的输出端口与光电探测器相连接、送入干涉光信号，光电探测器将干涉光信号转为电信号送入反馈控制电路，反馈控制电路根据所得干涉光信号对应的电信号产生的对压电陶瓷的控制信号接入压电陶瓷；

所述传输光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1或2所述的光纤相位补偿器，其特征在于：

所述单纵模激光器输出的激光为稳定功率的连续激光，且在传输光纤内的相干长度至少大于两倍传输光纤的长度。

4.根据权利要求1或2所述的光纤相位补偿器，其特征在于：

所述第一光纤反射镜和/或第二光纤反射镜工作波长与单纵模激光器波长一致。

5.根据权利要求1或2所述的光纤相位补偿器，其特征在于：

所述单纵模激光器的波长包含在第一、第二波分复用器透射端的工作波长内，第一、第二波分复用器的透射端带宽内不包含传输光信号波长。

6.根据权利要求1或2所述的光纤相位补偿器，其特征在于：

所述缠绕传输光纤的压电陶瓷是单个圆筒状压电陶瓷；或者是两个圆筒状压电陶瓷；缠绕在压电陶瓷上的传输光纤的长度与传输光纤总长度比例大于或等于1/100；缠绕在压电陶瓷上的传输光纤在压电陶瓷两极电压为零时处于紧绕状态。

7.根据权利要求1所述的光纤相位补偿器，其特征在于：

所述单纵模激光器、2×2光纤耦合器、第一波分复用器、缠绕光纤的压电陶瓷、第一光纤反射镜、光电探测器、反馈控制电路共同构成光纤相位补偿器主机。

8.根据权利要求2所述的光纤相位补偿器，其特征在于：

所述单纵模激光器、1×2光纤耦合器、第一波分复用器、缠绕光纤的压电陶瓷、光纤环行器、光电探测器、反馈控制电路共同构成光纤相位补偿器主机。

9.根据权利要求1或2所述的光纤相位补偿器，其特征在于：

所述光纤相位补偿器2～4级组成级联光纤相位补偿器，即在一级光纤相位补偿器的传输光纤另一端再连接下一级的光纤相位补偿器主机、下一级的传输光纤和对端的波分复用器的光纤反射镜。

10.根据权利要求1或2所述的光纤相位补偿器的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

Ⅰ、系统初始化

光纤相位补偿器电源接通后，首先由反馈控制电路将压电陶瓷正负极电压从零逐渐加大，至最大设置电压的一半，同时由光电探测器连续监测，得到压电陶瓷正负极电压加大时光功率变化的最大值和最小值；再逐渐向下微调压电陶瓷正负极电压，至光电探测器监测到光功率达到最大值和最小值之间的平均值、且调节压电陶瓷正负极电压变化的趋势和光功率变化趋势一致；以此时的压电陶瓷正负极电压为光纤相位补偿器的稳定相位点；

Ⅱ、正常情况的相位补偿

当光电探测器监测到光功率变大或变小时，根据光功率的变化趋势反向改变压电陶瓷电压，改变缠绕在压电陶瓷上传输光纤的拉伸长度，以反向补偿激光信号的相位变化，并使光电探测器监测到的光功率稳定在平均值上；

Ⅲ、达到压电陶瓷调节极限时的处理

当环境温度改变较大，使压电陶瓷控制电压达到最大设置电压或零电压的极限时，反馈控制电路自动执行步骤Ⅰ，重新设置光纤相位补偿器稳定相位点，再按步骤Ⅱ进行相位补偿。