CN105763253A - 一种基于相干接收机扫频的光功率监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相干接收机扫频的光功率监测方法，其包括以下步骤：S1.从光纤通信链路节点处提取部分信号光与程序控制输出的本振光一起进入干接收机模块，输出四路模拟数据；S2.相干输出的四路信号由模数转换器采样导入FPGA芯片中，完成一次采样后，FPGA芯片控制本振激光改变输出中心频率，并重复采样；S3.当本振激光的中心频率遍历程序设定的扫频带宽时，停止采样，并处理各次采样数据计算光功率，输出显示在液晶显示屏上。在DWDM系统中，具有频率选择性可以通过程序控制扫频得到选定信道的光功率；对于带宽利用率高的调制格式，如RZ信号，可以有选择性地测量传输带宽内的信号谱段功率；对偏振复用的光信号可以分别测量出两个偏振态的光功率。

Description

一种基于相干接收机扫频的光功率监测方法

技术领域

本发明属于监测技术领域，具体涉及一种基于相干接收机扫频的光功率监测方法。

背景技术

日常光功率测量中，光功率测量方法主要有两种，一种是光热转换型的测量方式，另一种是直接通过半导体PN结的光电检测方式，该两种方法，都不能同时准确测量光功率和做到对光信号频谱的选择性测量，进而又能实现对偏振信号的功率区分的实现。

光热转换型方式是利用光感材料吸收光能转换为热量的原理，在接收模块中制作转换效率稳定的光吸收涂料层，以确保入射光能被涂料层有效地吸收并以热能的形式转化。在检测端以绝热材料密封防止材料热量流失，通过制作有效的温度计测量材料温度，计算光热转换量程，可由对热量的测量获得入射光的光功率大小。半导体光电检测方式是利用半导体PN结的光电效应。这种方法首先利用P型材料和N型材料制作PN结，入射光照射PN结，PN结由于获得光子能量改变了P区和N区载流子浓度并产生压差，当PN结外接电路时形成回路时，会产生光电流，且该电流强度与射入光功率成比例关系。通过电流表测量电流强度由转换效率可获得入射光的功率强度。

虽然上述的光热型和光电型可以实现对光功率的测量，但同时也存在着两方面显而易见的缺点:其一是对频谱功率没有选择性，只能对大频域范围的功率全盘检测，并由于材料特性的因素会在特殊频段内表现响应曲线不平衡。对于DWDM密集波分系统各个信道之间存在频谱交叠，没有办法区分，导致测量功率不准确，而对于带宽利用率高的复杂调制格式的信号，信号带宽只占用传输带宽的部分频带，全频域内的测量会导致信号功率偏大；其二是对光偏振态的不敏感，光信号是具有偏振特性，信息可以调制到不同的偏振态上进行传输并解调出来。对于偏振复用的信号，光热型和光电型都只能测量一个总和的功率，而无法区分两个正交偏振态的功率大小。

因此，急需寻找一种新的监测技术来适应现代实验工作或实际生产的需要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明人经过长期研究，提出一种基于相干接收机扫频的光功率监测方法。

依据本发明的技术方案，一种基于相干接收机扫频的光功率监测方法包括以下步骤：

S1.从光纤通信链路节点处提取部分信号光与程序控制输出的本振光一起进入干接收机模块，输出四路模拟数据。

S2.相干输出的四路信号由模数转换器采样导入FPGA信号处理芯片中，完成一次采样后，FPGA芯片控制本振激光改变输出中心频率，并重复采样。

S3.当本振激光的中心频率遍历程序设定的扫频带宽时，停止采样，并处理各次采样数据计算光功率，输出显示在液晶显示屏上。

其中，上述S1的具体步骤为：在光纤链路中加入已知分光比的耦合器，将部分功率的信号光分流出来。提取的信号光与受到FPGA芯片程序控制的本振光一起进入相干接收机模块，该模块设备及连接组成为：两个偏振分束器输出依次连接两个混频器、四组平衡光电探测器。四组平衡光电探测器的模拟信号输出分别对应信号的X偏振态实部，X偏振态虚部，Y偏振态实部，Y偏振态虚部。

进一步地，所述本振激光器为中心波长可调谐的激光器，可调范围在C波段。本振激光器的控制端带有串口线与FPGA芯片相连，其输出波长由芯片程序设定。

所述的四组平衡光电探测器的响应带宽为1G，相干光信号提取模块次拍频输出1G带宽的窄带模拟信号，包含由本振拍频得到的两个正交偏振态的功率信息。

此外，上述S2的具体步骤为：受FPGA芯片程序控制的四组模数转换器对平衡光电探测器的四路模拟数据进行采样，导入具有算法功能的FPGA芯片中，计算并存储一次采样所恢复的光功率。FPGA芯片存储单次采样的结果后，根据设定的扫频范围，改变本振激光输出频率，循环进行采样计算。

所述的模数转换器的采样率为2.5GHz，其采样开关受到FPGA芯片程序控制。

进一步地，上述S3的具体步骤为：当受控的本振激光从低频到高频，遍历扫频带宽时(扫频带宽可以根据检测需要通过成程序设定)，停止采样。FPGA芯片通过扫频存储的离散窄带光谱功率整合还原出宽带信号的光谱段功率值，最后通过连接液晶显示器，将光功率检测数值显示在屏幕上。

所述的FPGA芯片可存储本振激光器扫频的数据，并对结果作整合计算，还原信号两个偏振态的功率和总功率；同时具有控制端口连接本振激光器，设定扫频带宽。

使用本发明的基于相干接收机扫频的光功率监测方法，具有如下优点和效果：在DWDM波分复用系统中，具有频率选择性可以通过程序控制扫频得到选定信道的光功率；对于带宽利用率高的调制格式，如RZ信号，可以有选择性地测量传输带宽内的信号谱段功率；对偏振复用的光信号可以分别测量出两个偏振态的光功率。

附图说明

图1是依据本发明的基于相干接收机扫频的光功率监测方法原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体模块或具体参数。

本发明所提供的一种基于相干接收机扫频的光功率监测方法包括以下步骤：

S1.从光纤通信链路节点处提取部分信号光与程序控制输出的本振光一起进入干接收机模块，输出四路模拟数据。

S2.相干输出的四路信号由模数转换器采样导入FPGA信号处理芯片中，完成一次采样后，FPGA芯片控制本振激光改变输出中心频率，并重复采样。

S3.当本振激光的中心频率遍历程序设定的扫频带宽时，停止采样，并处理各次采样数据计算光功率，输出显示在液晶显示屏上。

其中，上述S1的具体步骤为：在光纤链路中加入已知分光比的耦合器，将部分功率的信号光分流出来。提取的信号光与受到FPGA芯片程序控制的本振光一起进入相干接收机模块，该模块设备及连接组成为：两个偏振分束器输出依次连接两个混频器、四组平衡光电探测器。四组平衡光电探测器的模拟信号输出分别对应信号的X偏振态实部，X偏振态虚部，Y偏振态实部，Y偏振态虚部。

进一步地，所述本振激光器为中心波长可调谐的激光器，可调范围在C波段。本振激光器的控制端带有串口线与FPGA芯片相连，其输出波长由芯片程序设定。所述的四组平衡光电探测器的响应带宽为1G，相干光信号提取模块次拍频输出1G带宽的窄带模拟信号，包含由本振拍频得到的两个正交偏振态的功率信息。

此外，上述S2的具体步骤为：受FPGA芯片程序控制的四组模数转换器对平衡光电探测器的四路模拟数据进行采样，导入具有算法功能的FPGA芯片中，计算并存储一次采样所恢复的光功率。FPGA芯片存储单次采样的结果后，根据设定的扫频范围，改变本振激光输出频率，循环进行采样计算。模数转换器的采样率为2.5GHz，其采样开关受到FPGA芯片程序控制。

进一步地，上述S3的具体步骤为：当受控的本振激光从低频到高频，遍历扫频带宽时(扫频带宽可以根据检测需要通过成程序设定)，停止采样。FPGA芯片通过扫频存储的离散窄带光谱功率整合还原出宽带信号的光谱段功率值，最后通过连接液晶显示器，将光功率检测数值显示在屏幕上。所述的FPGA芯片可存储本振激光器扫频的数据，并对结果作整合计算，还原信号两个偏振态的功率和总功率；同时具有控制端口连接本振激光器，设定扫频带宽。

依据附图1所述的基于相干接收机扫频的光功率监测方法原理图，实现基于相干接收机扫频的光功率监测方法的装置包括光信号提取模块、光信号接收模块、光信号处理模块，其中光信号提取模块用于光信号的提取，将部分比例的信号光导入进检测模块中；光信号接收模块用于光信号的接收，窄带相干接收机对带宽内光信号不同的频点处进行拍频，将频段内的光信号转换为电信号输出；光信号处理模块用于对电信号的处理和反馈控制，包括对电信号的采集，存储，计算及对激光器和模数转换器的程序控制。

进一步地，光信号提取模块为光传输链路包括信号源1、光纤2、光耦合器3、光纤4、解调接收端5。其中信号源1为40G偏振复用的QPSK信号，光纤2、光纤分别为100公里长度的光纤模拟长距离传输，光耦合器3为分光比固定的分光器件，用于从链路中提取部分信号光作检测。该模块中各部件连接顺序为：信号源1、光纤2、光耦合器3三者依次相连，光耦合器的大分光端口依次与光纤4和解调接收端5相连，光耦合器的小分光端口进入到光信号接收模块中，由光信号接收模块相干接收机进行检测。

光信号接收模块为相干检测模块包括偏振分束器6、7，混频器8、9，平衡光电探测器18、19、20、21。其中偏振分束器6、7有两个输出端口，分别输出X和Y两个偏振方向正交的光信号；混频器8、9为90度混频器，有两个输入端口分别为信号输入端和本振输入端，四个输出端口；平衡光电探测器18、19、20、21为带宽1G的窄带光电转换器。该模块中各部件连接顺序为：偏振分束器6、7输出的X偏振态信号分别连接混频器8的信号输入端和本振输入端，混频器8的输出端10、11连接平衡光电探测器18输出X偏振态的实部信号，混频器8的输出端12、13连接平衡光电探测器19输出X偏振态的虚部信号。偏振分束器6、7输出的Y偏振态信号分别连接混频器9的信号输入端和本振输入端，混频器9的输出端14、15连接平衡光电探测器20输出Y偏振态的实部信号，混频器9的输出端16、17连接平衡光电探测器21输出Y偏振态的虚部信号。

光信号处理模块为数字处理及控制模块包括模数转换器22，23，24，25，FPGA芯片26，本振光27，液晶屏28。其中模数转换器22，23，24，25为2.5G的信号采样器，采样的开关受FPGA芯片控制；本振光27为波长可调谐的激光器，其输出波长受FPGA芯片控制；FPGA芯片26为数字信号处理及控制外设参数的可编程芯片，在FPGA芯片中通过烧写程序实现两个功能：一是对接收输入端的数字信号进行算法处理分析并向液晶显示屏输出运算结果，二是由程序设定通过控制端口间隔性地改变本振光的波长及模数转换器的采样开关实现扫频采样的功能，将宽带信号分解为一系列窄带信号处理；液晶显示器28为数据结果显示面板，与FPGA芯片相连输出计算功率结果。该模块中各部件连接顺序为：模数转换器22、23、24、25、本振光27分别与FPGA芯片26的输入输出引脚29、30、31、32、33相连，FPGA芯片26输出引脚34与液晶屏28相连，输出计算结果。

光信号提取模块、光信号接收模块和光信号处理模块的连接和功能关系为：光信号提取模块为信号传输链路通过光耦合器3分流出部分信号光进入光信号接收模块中，与光信号接收模块的偏振分束器6相连。光信号接收模块通过相干接收机，将信号光和设定波长的本振27拍频得到相应本振波长的部分窄带信号，由平衡光电探测器18、19、20、21分别输出窄带光信号的X偏振态的实部和虚部，Y偏振态的实部和虚部信号。光信号处理模块的模数转换器22，23，24，25与光信号接收模块中平衡光电探测器18、19、20、21相连对光信号接收模块拍频得到的窄带模拟信号进行采样为FPGA数字处理提供数据。FPGA芯片计算窄带信号的功率并存储后，改变本振激光器27波长，向光信号接收模块偏振分束器7提供不同的本振光，使得光信号接收模块相干接收机做不同频段的拍频，从而输出宽带光信号不同频段的窄带信号。光信号处理模块重复采样计算，实现循环反馈的拍频采样过程，直到本振光改变范围遍历信号光带宽频段。FPGA芯片将计算存储的一系列相应于信号光不同频段的窄带功率做算法整合换算最终得到信号光的总功率及信号光两个偏振态的功率。

更具体地，本发明的基于相干接收机扫频的光功率监测方法的详细步骤主要包括以下步骤：

第一步，从光纤通信系统中提取光信号用于光功率检测：40G-PM-QPSK信号源1发送信号经长距离光纤2和光纤4传输后进入接收端5对信号进行解调处理。其中在传输链路节点中接入已知分光比的光耦合器3，将信号光导入检测模块中对长距离传输链路段进行光功率监测；

第二步，相干检测采集信号光：信号光经偏振分束器6分成两束正交的线偏振光，分别进入混频器8和混频器9中的信号输入端，程控本振光19以设置的中心波长进入偏振分束器7分成两束正交的线偏振光，分别进入混频器8和混频器9中的本振输入端。混频器端口10输出信号光和本振光的混频信号，混频器端口11输出信号光和相位延迟180度本振光的混频信号，两者同时进入平衡光电探测器18，得到信号X偏振态的实部。混频器端口12输出信号光和相位延迟90度本振光的混频信号，混频器端口13输出的信号光和相位延迟270度本振光的混频信号，两者同时进入平衡光电探测器19，得到信号X偏振态的虚部。混频器端口14输出信号光和本振光的混频信号，混频器端口15输出信号光和相位延迟180度本振光的混频信号，两者同时进入平衡光电探测器20，得到信号Y偏振态的实部。混频器端口16输出信号光和相位延迟90度本振光的混频信号，混频器端口17输出的信号光和相位延迟270度本振光的混频信号，两者同时进入平衡光电探测器21，得到信号Y偏振态的虚部；

第三步，反馈控制本振波长和算法处理：相干检测模块的1G带宽平衡光电探测器18，19，20，21分别连接2.5G采样率的模数转换器22，23，24，25。四路模数转换器后接FPGA芯片26并受到芯片程序控制进行采样。FPGA芯片26中通过对4路输入数据做算法处理可以得到相应于本振光27输出频率的两偏振态的1G窄带光谱功率。FPGA芯片26获取一次数据后对本振27发出反馈信号，改变本振27的输出频率，重复进行采样计算，直到本振光扫频遍历信号带宽才结束采样过程。最后对各次本振光的拍频结果进行算法整合优化等处理，将离散的窄带谱功率拼接成宽带信号功率，将计算输出的两个偏振态光功率及总功率导入到液晶屏28进行显示。

本发明的基于相干接收机扫频的光功率监测方法相比于现有技术的技术优势或有益效果在于：

1、现有技术的直接检测的光电探测方法，其采用单个光电探测器只能实现功率的总体测量，而本发明使用相干检测的方法，具体表现在光信号接收模块中采用相干检测获取信号，从光电探测器18、19、20、21，分别输出四路为信号X偏振态的实部，信号X偏振态的虚部，信号Y偏振态的实部，信号Y偏振态的虚部，这样就获取了光信号偏振态的功率。对偏振复用的光信号可以分别测量出两个偏振态的光功率。

2、本发明采用窄带相干接收机通过本振扫频的方法获取离散的光谱功率，所以本振的扫频范围决定计算功率的频段范围，功率检测具有频率选择性。具体表现在光信号处理模块中本振光的输出波长受FPGA芯片控制，每一个本振光的输出波长通过光信号接收模块的相干接收机可提取原信号光的部分窄带频谱信息。而光信号处理模块中本振光由程序设定间隔性改变，遍历所要测定的频段范围，可得到对应频段的功率信息。例如在DWDM波分复用系统中，具有频率选择性可以通过程序控制扫频位置和范围得到选定信道的光功率；对于带宽利用率高的调制格式，如RZ信号，可以有选择性地测量传输带宽内的信号谱段功率，从而所测功率不会受到带外影响，更加准确。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (8)

1.一种基于相干接收机扫频的光功率监测方法，包括以下步骤：

S1.从光纤通信链路节点处提取部分信号光与程序控制输出的本振光一起进入干接收机模块，输出四路模拟数据。

S2.相干输出的四路信号由模数转换器采样导入FPGA芯片中，完成一次采样后，FPGA芯片控制本振激光改变输出中心频率，并重复采样。

S3.当本振激光的中心频率遍历程序设定的扫频带宽时，停止采样，并处理各次采样数据计算光功率，输出显示在液晶显示屏上。

2.根据权利要求1所述的基于相干接收机扫频的光功率监测方法，其特征在于，上述S1的具体步骤为：在光纤链路中加入已知分光比的耦合器，将部分功率的信号光分流出来。提取的信号光与受到FPGA芯片程序控制的本振光一起进入相干接收机模块，该模块设备及连接组成为：两个偏振分束器输出依次连接两个混频器、四组平衡光电探测器。四组平衡光电探测器的模拟信号输出分别对应信号的X偏振态实部，X偏振态虚部，Y偏振态实部，Y偏振态虚部。

3.根据权利要求1所述的基于相干接收机扫频的光功率监测方法，其特征在于，所述本振激光器为中心波长可调谐的激光器，可调范围在C波段。本振激光器的控制端带有串口线与FPGA芯片相连，其输出波长由芯片程序设定。

4.根据权利要求1所述的基于相干接收机扫频的光功率监测方法，其特征在于，所述的四组平衡光电探测器的响应带宽为1G，相干模块一次拍频输出1G带宽的窄带模拟信号，包含由本振拍频得到的两个正交偏振态的功率信息。

5.根据权利要求1所述的基于相干接收机扫频的光功率监测方法，其特征在于，上述S2的具体步骤为：受FPGA芯片程序控制的四组模数转换器对平衡光电探测器的四路模拟数据进行采样，导入具有算法功能的FPGA芯片中，计算并存储一次采样所恢复的光功率。FPGA芯片存储单次采样的结果后，根据设定的扫频范围，改变本振激光输出频率，循环进行采样计算。

6.根据权利要求1所述的基于相干接收机扫频的光功率监测方法，其特征在于，所述的模数转换器的采样率为2.5GHz，其采样开关受到FPGA芯片程序控制。

7.根据权利要求1所述的基于相干接收机扫频的光功率监测方法，其特征在于，上述S3的具体步骤为：当受控的本振激光从低频到高频，遍历扫频带宽时(扫频带宽可以根据检测需要通过成程序设定)，停止采样。FPGA芯片通过扫频存储的离散窄带光谱功率整合还原出宽带信号的光谱段功率值，最后通过连接液晶显示器，将光功率检测数值显示在屏幕上。

8.根据权利要求1所述的基于相干接收机扫频的光功率监测方法，其特征在于，所述的FPGA芯片可存储本振激光器扫频的数据，并对结果作整合计算，还原信号两个偏振态的功率和总功率；同时具有控制端口连接本振激光器，设定扫频带宽。