CN107332611A - 一种数字信号控制的光纤相位补偿器及补偿方法 - Google Patents

一种数字信号控制的光纤相位补偿器及补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种数字信号控制的光纤相位补偿器及补偿方法，本光纤相位补偿器激光器接入基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊干涉仪，输出两路激光信号分别接入两个光电探测器，微处理器根据光电探测器的输出产生控制信号控制不同量程的A、B调制器。本补偿方法，迈克尔逊干涉仪输出相位差为2π/3的两路激光信号经光电转换送入微处理器，采用双光路判向法和条纹计数法得到相干信号的相位变化方向和相位变化值，得到相位补偿的控制信号，控制不同量程光纤相位调制器对相位漂移进行精、粗补偿。克服了相位补偿器的相位漂移量检测不能超±π/2的问题，实现长距离光纤的稳相传输，相位补偿精度达10fs量级，兼顾大量程和高精度相位补偿。

Description

一种数字信号控制的光纤相位补偿器及补偿方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传输射频相参信号的光纤稳相传输设备，具体涉及一种数字信号控制的光纤相位补偿器及补偿方法，以对光纤延迟的相位抖动精确补偿。
背景技术
光纤相位补偿器是一种应用于光纤传输射频相参信号的光纤稳相传输设备，光纤相位补偿器包括单纵模激光器、光纤干涉仪、微处理器、光电探测器、数模和模数转换电路、波分复用器以及基于发射型压电陶瓷的光纤相位调制器等，接收端安装解波分复用器和光纤反射镜构成的解波分光纤盒，光纤相位补偿器和解波分光纤盒分别连接于传输光纤两端，共同完成传输光纤的光纤相位抖动补偿，以及业务信号在传输光纤上的的透明传输。
现有的光纤相位补偿器是采用模拟控制方法，通过检测光纤干涉仪输出光功率的变化，判断相位补偿方向。此方法要求光纤相位漂移补偿精度控制在±π/2以内。由于光纤相位补偿器使用连续激光器作为探测信号，激光波长仅有1.55μm，对于基于单个发射型压电陶瓷的光纤相位调制器，一般有效调节的动态范围不大于12bit，因此现有的光纤相位补偿器的补偿量程限于10.6ps以内，其有效补偿的光纤距离仅有几百米，不能满足更长距离光纤的稳相传输要求。
要增加光纤相位补偿器的有效补偿距离，就要解决超过±π/2的相位漂移量检测问题。要提高有效调节范围，兼顾大量程和高精度相位补偿，需要一种新的相位补偿控制方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有光纤相位补偿器的相位补偿量程小的缺点，提供一种数字信号控制的光纤相位补偿器，激光器接入基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪输出相位差为2π/3的两束激光信号，分别接入第一光电探测器和第二光电探测器，两个光电探测器的输出信号经模数转换接入微处理器，微处理器的控制信号经数模转换控制小量程光纤相位调制器(以下简称A调制器)和大量程光纤相位调制器(以下简称B调制器)，分别对相位漂移进行精补偿和粗补偿。
本发明另一目的是提供一种数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法，基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊干涉仪输出相位差为2π/3的两路激光信号到第一光电探测器和第二光电探测器，光电探测器将两路光信号转换为两路电信号经模数转换送入微处理器，微处理器用双光路判向法得到相干信号的变化方向，用条纹计数法检测相干信号相位变化超过π/2的值，得到相位补偿的数字控制信号，经数模转换控制小量程光纤相位调制器和大量程光纤相位调制器，分别对相位漂移进行精补偿和粗补偿。
本发明提供的一种数字信号控制的光纤相位补偿器包括单纵模激光器、光纤干涉仪、微处理器、光电探测器、数模转换电路、模数转换电路、波分复用器以及基于发射型压电陶瓷的光纤相位调制器，本发明的光纤干涉仪为基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊干涉仪，单纵模激光器接入迈克尔逊干涉仪的3×3光纤耦合器的第2端口，其第4端口作为迈克尔逊干涉仪的测量臂，连接波分复用器，与同时输入波分复用器的业务光信号合波，波分复用器公共端经A调制器和B调制器连接传输光纤。3×3光纤耦合器第6端口作为参考臂连接迈克尔逊干涉仪的光纤反射镜，从传输光纤和第6端口的光纤反射镜反射回来的两路光信号分别经第4和第6端口返回3×3光纤耦合器，并经第1和第3端口分别接入第一和第二光电探测器，第1和第3端口输出的光信号相位相差2π/3。本发明3×3光纤耦合器的第5端口空置。
所述第一和第二光电探测器光电转换所得电信号经模数转换模块后接入微处理器，微处理器输出的控制信号经数模转换模块后接入光纤串联的A调制器和B调制器，二者串联的先后位置任选，二者同时分别对相位漂移进行精补偿和粗补偿。在光纤上串联位置在后的调制器的光纤输出端为本数字信号控制的光纤相位补偿器的光纤输出端，以与传输光纤连接。所述A调制器即小量程光纤相位调制器，B调制器即大量程光纤相位调制器。
所述B调制器的调节步长为A调制器调节步长的10～100倍，推荐为100倍。
所述B调制器的最大调节量程为A调制器最大调节量程的10～100倍。
所述3×3光纤耦合器的分光比为1:1:1，即分到4、5、6端口输出的光信号功率相等。
所述两个光电探测器各输出一路模拟信号分别经过一个相同的信号放大电路后再接入一个模数转换模块后接入所述微处理器。
所述微处理器输出的两路控制信号各经一个数模转换模块和一个高压放大电路后再分别接入A调制器和B调制器，所述两路的高压放大电路相同。
本发明提供的一种数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法为第一和第二光电探测器检测基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊干涉仪输出的相位差为2π/3的两路相干激光信号的功率变化，双光路所得电信号转换为数字信号接入微处理器，微处理器采用双光路判向法识别相位漂移方向，采用条纹计数法检测相位漂移量的大小，并根据相位漂移量的方向和大小得到控制A调制器和B调制器电压的数字信号，经数模转换为模拟信号控制两个光纤相位调制器进行相位精补偿和相位粗补偿。
所述数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法的具体步骤如下：
Ⅰ、确定两个光纤相位调制器的协同工作数值S
确定控制两个光纤相位调制器协同工作数值S，S为A调制器调节步长的10～100倍，优选为100倍。
Ⅱ、初始相位调节点处于50％量程处
A调制器和B调制器上电后，默认相位调节点处于量程50％处。
Ⅲ、微处理器控制两个光纤相位调制器协同工作
微处理器根据双光路的信号采用双光路判向法识别相位漂移方向，采用条纹计数法检测相位漂移量的大小，发送控制信号到两个光纤相位调制器；当判断相位漂移量M＜S，B调制器保持当前状态，A调制器根据微处理器的控制指令完成相位补偿；当判断相位漂移量M≥S，M/S的整数部分等于n，B调制器补偿相位漂移的nS部分，A调制器补偿剩余部分，即补偿相位漂移的(M-nS)部分。
所述条纹计数法包括进一步的条纹细分，使相位检测精度由±π/2的相位提高到±π/20或更高。
Ⅳ、A调制器的量程调节
当A调制器达到其调节量程的5％或95％时，即接近0％或100％时，为了避免A调制器超过调节量程，微处理器发出数字控制信号经数模转换同向缓慢调节B调制器，直至A调制器的相位调节数值恢复到50％量程附近，即恢复到45％～55％量程；
Ⅴ、复位操作
当B调制器达到其调节量程5％或95％时，即接近0％或100％时，为了避免B调制器超过调节量程，微处理器发出数字控制信号，两个光纤相位调制器进行复位操作，各自恢复到相位调节量程的50％处，然后重新开始工作。
与现有技术相比，本发明一种数字信号控制的光纤相位补偿器及补偿方法的有益效果是：1、克服了光纤相位补偿器受限于相位漂移量检测不能大于±π/2的问题，有效补偿的光纤距离可达25km以上，满足了长距离光纤的稳相传输要求；2、两个量程不同的光纤相位调制器协同进行相位补偿，相位补偿精度可达10fs量级，解决了光纤相位补偿器难以兼顾大量程和高精度相位补偿的问题，
附图说明
图1为本数字信号控制的光纤相位补偿器实施例结构示意图。
图2为本数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法实施例工作流程图。
具体实施方式
数字信号控制的光纤相位补偿器实施例
本数字信号控制的光纤相位补偿器实施例如图1所示，图中粗实线表示光路，细实线表示电路。包括单纵模激光器、光纤干涉仪、光电探测器、微处理器、数模转换电路、模数转换电路、信号放大电路、高压放大电路、波分复用器以及两个基于发射型压电陶瓷的光纤相位调制器。
本例的光纤干涉仪为基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊干涉仪，单纵模激光器接入迈克尔逊干涉仪的3×3光纤耦合器的第2端口，其第4端口作为迈克尔逊干涉仪的测量臂，连接波分复用器，与同时输入波分复用器的业务光信号合波，波分复用器公共端经A调制器和B调制器连接传输光纤。3×3光纤耦合器第6端口作为参考臂连接迈克尔逊干涉仪的光纤反射镜，从传输光纤和第6端口的光纤反射镜反射回来的两路光信号分别经第4和第6端口返回3×3光纤耦合器，并经第1和第3端口分别接入第一和第二光电探测器，第1和第3端口输出的光信号相位相差2π/3。本例3×3光纤耦合器的第5端口空置。
本例第一和第二光电探测器光电转换所得两路模拟电信号经模数转换模块(AD)后接入微处理器，微处理器输出的两路控制信号各经数模转换模块(DA)和相同的高压放大电路后分别接入光纤串联的A调制器和B调制器，同时分别对相位漂移进行精补偿和粗补偿。本例B调制器的光纤输出端为本数字信号控制的光纤相位补偿器的光纤输出端，此端与传输光纤连接。本例A调制器即小量程光纤相位调制器，B调制器即大量程光纤相位调制器。
本例B调制器的调节步长为A调制器调节步长的100倍。
本例B调制器的最大调节量程为A调制器最大调节量程的100倍。
本例3×3光纤耦合器的分光比为1:1:1，即分到4、5、6端口输出的光信号功率相等。
数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法实施例
本数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法实施例的工作流程图如图2所示，具体步骤如下：
Ⅰ、确定两个光纤相位调制器的协同工作数值S
确定控制两个光纤相位调制器协同工作数值S，本例S为A调制器调节步长的100倍。
Ⅱ、初始相位调节点处于50％量程处
A调制器和B调制器上电后，默认相位调节点处于50％量程处。
Ⅲ、微处理器控制两个光纤相位调制器协同工作
微处理器根据双光路的信号采用双光路判向法识别相位漂移方向，采用条纹计数法检测相位漂移量的大小，发送控制信号到两个光纤相位调制器；当判断相位漂移量M＜S，B调制器保持当前状态，A调制器根据微处理器的控制指令完成相位补偿；当判断相位漂移量M≥S，M/S的整数部分等于n，B调制器补偿相位漂移的nS部分，A调制器补偿剩余部分，即补偿相位漂移的(M-nS)部分。
本例条纹计数法可包括进一步的条纹细分，以提高相位检测精度。
Ⅳ、A调制器的量程调节
当A调制器达到其调节量程的5％或95％时，即接近0％或100％时，为了避免A调制器超过调节量程，微处理器发出数字控制信号经数模转换同向缓慢调节B调制器，直至A调制器的相位调节数值恢复到50％量程附近，即恢复到45％～55％量程；
Ⅴ、复位操作
当B调制器达到其调节量程5％或95％时，即接近0％或100％时，为了避免B调制器超过调节量程，微处理器发出数字控制信号，两个光纤相位调制器进行复位操作，各自恢复到相位调节量程的50％处，然后重新开始工作。
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)

1.一种数字信号控制的光纤相位补偿器，包括单纵模激光器、光纤干涉仪、微处理器、光电探测器、数模转换电路、模数转换电路、波分复用器以及基于发射型压电陶瓷的光纤相位调制器，其特征在于：
所述光纤干涉仪为基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊干涉仪，单纵模激光器接入迈克尔逊干涉仪的3×3光纤耦合器的第2端口，其第4端口作为迈克尔逊干涉仪的测量臂，连接波分复用器，与同时输入波分复用器的业务光信号合波，波分复用器公共端经A调制器和B调制器连接传输光纤；3×3光纤耦合器第6端口作为参考臂连接迈克尔逊干涉仪的光纤反射镜，从传输光纤和第6端口的光纤反射镜反射回来的两路光信号分别经第4和第6端口返回3×3光纤耦合器，并经第1和第3端口分别接入第一和第二光电探测器，第1和第3端口输出的光信号相位相差2π/3；所述3×3光纤耦合器的第5端口空置；
所述第一和第二光电探测器光电转换所得的两路模拟电信号经模数转换模块后接入微处理器，微处理器输出的两路控制信号各经一个数模转换模块后接入光纤串联的A调制器和B调制器，二者串联的先后位置任选，二者同时分别对相位漂移进行精补偿和粗补偿；在光纤上串联位置在后的调制器的光纤输出端为本数字信号控制的光纤相位补偿器的光纤输出端；
所述A调制器即小量程光纤相位调制器，B调制器即大量程光纤相位调制器。
2.根据权利要求1所述的数字信号控制的光纤相位补偿器，其特征在于：
所述B调制器的调节步长为A调制器调节步长的10～100倍。
3.根据权利要求1所述的数字信号控制的光纤相位补偿器，其特征在于：
所述B调制器的最大调节量程为A调制器最大调节量程的10～100倍。
4.根据权利要求1所述的数字信号控制的光纤相位补偿器，其特征在于：
所述3×3光纤耦合器的分光比为1:1:1，即分到4、5、6端口输出的光信号功率相等。
5.根据权利要求1所述的数字信号控制的光纤相位补偿器，其特征在于：
所述两个光电探测器各输出一路模拟信号，分别经过一个相同的信号放大电路后再接入一个模数转换模块后接入所述微处理器，所述两路的信号放大电路相同。
6.根据权利要求1所述的数字信号控制的光纤相位补偿器，其特征在于：
所述微处理器输出的2路控制信号各经1个数模转换模块和1个高压放大电路后再分别接入A调制器和B调制器，所述两路的高压放大电路相同。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法，其特征在于：
所述第一和第二光电探测器检测基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊干涉仪输出的相位差为2π/3的两路相干激光信号的功率变化，双光路所得电信号转换为数字信号接入微处理器，微处理器采用双光路判向法识别相位漂移方向，采用条纹计数法检测相位漂移量的大小，并根据相位漂移量的方向和大小得到控制A调制器和B调制器电压的数字信号，经数模转换控制两个光纤相位调制器进行相位精补偿和相位粗补偿。
8.根据权利要求7所述的数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法，其特征在于具体步骤如下：
Ⅰ、确定两个光纤相位调制器的协同工作数值S
确定控制两个光纤相位调制器协同工作数值S，S为A调制器调节步长的10～100倍；
Ⅱ、初始相位调节点处于50％量程处
A调制器和B调制器上电后，默认相位调节点处于50％量程处；
Ⅲ、微处理器控制两个光纤相位调制器协同工作
微处理器根据双光路的信号采用双光路判向法识别相位漂移方向，采用条纹计数法检测相位漂移量的大小，发送控制信号到两个光纤相位调制器；当判断相位漂移量M＜S，B调制器保持当前状态，A调制器根据微处理器的控制指令完成相位补偿；当判断相位漂移量M≥S，M/S的整数部分等于n，B调制器补偿相位漂移的nS部分，A调制器补偿剩余部分，即补偿相位漂移的(M-nS)部分；
Ⅳ、A调制器的量程调节
当A调制器达到其调节量程的5％或95％时，微处理器发出数字控制信号经数模转换同向缓慢调节B调制器，直至A调制器的相位调节数值恢复到45％～55％量程；
Ⅴ、复位操作
当B调制器达到其调节量程5％或95％时，微处理器发出数字控制信号两个光纤相位调制器进行复位操作，各自恢复到相位调节量程的50％处，然后重新开始工作。
9.根据权利要求8所述的数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法，其特征在于：
所述步骤Ⅰ确定两个光纤相位调制器的协同工作数值S为A调制器调节步长的10～100倍。
10.根据权利要求8所述的数字信号控制的光纤相位补偿器的补偿方法，其特征在于：
所述步骤Ⅲ的条纹计数法包括进一步的条纹细分。
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