CN114205003A - 一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于经过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统和方法，其特征在于，包括经过光纤链路的信号光及单通道低噪声信号放大器部分，本地可控单频光纤激光器部分、频差信号探测部分以及快慢环锁频反馈控制部分。该发明利用训练生成的深度学习模型对于下一时刻的频差信号进行实时预测，进而实行对频差信号的预补偿；控制系统中利用声光调制器实现快环反馈控制提高锁定精度；同时利用光纤激光器内电控压电陶瓷实现慢环反馈控制扩大锁定带宽范围。

Description

一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢 环结合反馈控制系统与方法

技术领域

本发明属于时频传输领域，涉及一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统与方法。

背景技术

在时频传输领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度，永远都是科研工作者们的共同追求，由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。相干光通信具有检测灵敏度高、调制方式多等特点。针对相干光通信的频率漂移问题,学者们通常采用光学锁相环(OPLL)技术进行频率和相位的锁定或者采用后期数字信号处理(DSP)技术进行频率补偿。

基于光学锁相环的频率锁定技术，使用模拟控制器件作反馈器件，模拟信号精度不高，同时常用反馈器件压电陶瓷本身存在迟滞和蠕变效应导致调控难度的增大，因此不能实现长时间稳定运行，且锁定精度不高，一般的锁定结果均方根误差在400KHz左右。

发明内容

要解决的技术问题

本发明提出一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统与方法，其目的是结合声光调制器的线性移频快速响应特性和压电陶瓷的非线性宽范围调节特性，从而延长锁定系统的锁定时长，提高锁定精度。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统组成包括信号光及单通道低噪声信号放大器部分，本地可控单频光纤激光器部分、频差信号探测部分以及快慢环锁频反馈控制部分。

所述信号光及单通道低噪声信号放大器部分包括远端单频光纤激光器，光纤链路，掺铒光纤放大器，密集型光波复用；所述本地可控单频光纤激光器部分包括泵浦，环形腔，声光调制器，光纤布拉格光栅，压电陶瓷，其装配结构为，压电陶瓷安装在光纤布拉格光栅下，其输出接入环形腔，声光调制器放置在环形腔输出处；所述频差信号探测部分包括第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，50：50光纤耦合器，高速光电探测器，频率计数器，其装配结构为：第一10:90光纤耦合器接远端单频光纤激光器经过光纤链路、掺铒光纤放大器，密集型光波复用后的输出，10％激光输出作为信号光，第二10:90光纤耦合器接声光调制器输出，10％激光输出作为本振光。信号光和本振光同时输入50：50光纤耦合器内，50：50耦合器输出接高速光电探测器，高速光电探测器输出接频率计数器；所述快慢环锁频反馈控制部分包括锁定系统控制模块，压电陶瓷促动器，声光调制器驱动，其装配结构为：快慢环切换控制模块输入接频率计数器输出，压电陶瓷促动器和声光调制器驱动分别接锁定系统控制模块的两个控制输出口，两者的输出分别接压电陶瓷和声光调制器。

一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)远端单频光纤激光器输出单个纵模激光，作为参考单频光纤激光器的输出光，其光波频率记为v_r，此输出经过光纤链路传输至本地端，先后经过掺铒光纤放大器，密集型光波复用进行放大及滤波，再经过10:90光纤耦合器分出10％的激光输出作为信号光；

(2)启动泵浦，向环形腔内注入泵浦光，经过光纤布拉格光栅的选模作用后输出单个纵模激光，其光波频率记为v₁，启动声光调制器驱动，单纵模激光经过初始驱动频率为f₁＝300MHz的声光调制器进行移频初始化，其对应的输出激光的频率记为v₁+f₁，此激光再通过10：90光纤耦合器分出10％的激光输出作为本振光；；

(3)将信号光和本振光输入到50：50光纤耦合器中进行光学混频获得光学拍频信号，利用高速光电探测器将光学拍频信号转换为电信号，传输至频率计数器测量，可得到该电信号的频率数值大小，即为信号光和本振光的频率差值，其大小为f_d＝v₁+f₁-v_r＝f₁+Δv，同时设定锁定目标频率差值f_b，即锁定系统初始状态下频率差值；

(4)锁定系统控制模块根据频率计数器测量得到的频率差值f_d与锁定目标频率差f_b比较，并调节压电陶瓷初始电压V使得|f_d-f_b|＜|f_{aom_max}|，f_{aom_max}为声光调制器可控范围上限。至此锁定控制系统初始化完成，快慢环锁频反馈控制系统可以开始工作；

(5)当快慢环锁频反馈控制系统开始工作时，运行快慢环结合的反馈控制算法，算法流程如图3所示：利用锁定前训练好的长短期记忆网络模型预测下一测量时刻的频率差值f′_d，频率计数器读取当前频差信号f_d，并计算当前频差信号不加控制量的自由状态下的频率差值f_p，f_p可由上一控制时刻声光调制器驱动作用到声光调制器产生对应的频率信号改变量与频率计数器采集到的当前时刻频差信号，反推得到f_p＝f_d+Δf_a，Δf_a为声光调制器反馈量，计算f_p与设定的锁定目标频率差值f_b之间的误差量(f_p-f_d)，根据误差量判断是否需要开启慢环反馈控制，慢环反馈控制的开启门限是f_{pzt_open}＝11.5MHz，即单位电压控制量对应的频差信号变化量。差量在慢环反馈控制开启门限以下时，压电陶瓷反馈量ΔV＝0，慢环反馈控制不启动。将自由状态下的频率差值f_p输入至锁定前训练好的长短期记忆网络模型，得到下一测量时刻的频率差值f′_p，声光调制器反馈量Δf_a＝f′_p-f_d。差量在慢环反馈控制开启门限以上时，启动慢环反馈，改变压电陶瓷反馈量，声光调制器反馈量Δf_a＝f′_p-f_d-f_{pzt_open}，传输至压电陶瓷促动器的电压反馈值为V+ΔV。压电陶瓷促动器通过数模转换器将数字电压转换为对应的模拟电压加载到压电陶瓷上，声光调制器驱动产生相应的射频控制信号加载到声光调制器上。

(6)重新测量下一时刻的频差信号值并重复步骤(5)直至超出系统锁定范围。

(一)有益效果

(1)本发明提出的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统与方法，使用声光调制器作为快环反馈器件，使用压电陶瓷作为慢环反馈器件进行高速频差调整，两种控制方法相结合，在保证了锁定精度的同时，延长了锁定时长，有效抑制外界干扰因素带来的引起的频差波动，从而提高锁定系统的稳定性。

(2)本发明提出的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统与方法，基于声光调制器的快环反馈控制系统中，采用长短期记忆网络模型作为预测模型对于下一时刻的频差信号进行预测，实现了对频差信号变化的超前补偿，提升了锁定系统的锁定精度。

(3)本发明提出的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统与方法，对于当前频差信号自由状态下的频率差值的计算，采用上一控制时刻频率信号改变量与当前时刻频差信号，反推自由状态下的频率差值，实现对输入到预测模型的频率信号的实时修正，进一步提升预测的准确性和实时性。

附图说明

图1是本发明实施例的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统框图；

图2是本发明实施例中频率差锁定过程的闭环控制功能框图；

图3是本发明实例的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统程序流程图；

图中，1远端单频光纤激光器、2光纤链路，3掺铒光纤放大器，4密集型波分复用，5第一10：90光纤耦合器、6泵浦、7环形腔、8声光调制器、9第二10：90光纤耦合器、10光纤布拉格光栅、11压电陶瓷、12声光调制器驱动、13 50：50光纤耦合器、14压电陶瓷促动器、15锁定系统控制模块、16频率计数器、17高速光电探测器

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明中的快慢环结合反馈控制系统组成包括信号光及单通道低噪声信号放大器部分，本地可控单频光纤激光器部分、频差信号探测部分以及快慢环锁频反馈控制部分，所述信号光及单通道低噪声信号放大器部分包括远端单频光纤激光器(1)，光纤链路(2)，掺铒光纤放大器(3)，密集型光波复用(4)；所述本地可控单频光纤激光器部分包括泵浦(6)，环形腔(7)，声光调制器(8)，光纤布拉格光栅(10)，压电陶瓷(11)，其装配结构为：压电陶瓷(11)安装在光纤布拉格光栅(10)下，其输出接入环形腔(7)，声光调制器(8)放置在环形腔(7)输出处，环形腔(7)输入接泵浦(6)输出；所述频差信号探测部分包括第一10：90光纤耦合器(5)，第二10：90光纤耦合器(9)，50：50光纤耦合器(13)，高速光电探测器(17)，频率计数器(16)，其装配结构为：第一10：90光纤耦合器(5)接远端单频光纤激光器(1)经过光纤链路(2)、掺铒光纤放大器(3)，密集型光波复用(4)后的输出，10％激光输出作为信号光，第二10：90光纤耦合器(9)接声光调制器(8)输出，10％激光输出作为本振光，信号光和本振光同时输入50：50光纤耦合器(13)内，50：50耦合器(13)输出接高速光电探测器(17)，高速光电探测器(17)输出接频率计数器(16)；所述快慢环锁频反馈控制部分包括锁定系统控制模块(15)，压电陶瓷促动器(14)，声光调制器驱动(12)，其装配结构为：锁定系统控制模块(15)输入接频率计数器(16)输出，压电陶瓷促动器(14)和声光调制器驱动(12)分别接锁定系统控制模块(15)的两个控制输出口，两者的输出分别接压电陶瓷(11)和声光调制器(8)。

远端单频光纤激光器输出单个纵模激光，作为参考单频光纤激光器的输出光，其光波频率记为v_r，此输出经过光纤链路传输至本地端，先后经过掺铒光纤放大器，密集型光波复用进行放大及滤波，再经过10：90光纤耦合器分出10％的激光输出作为信号光；

启动泵浦，向环形腔内注入泵浦光，经过光纤布拉格光栅的选模作用后输出单个纵模激光，其光波频率记为v₁，启动声光调制器驱动，单纵模激光经过初始驱动频率为f₁＝300MHz的声光调制器进行移频初始化，其对应的输出激光的频率记为v₁+f₁，此激光再通过10：90光纤耦合器分出10％的激光输出作为本振光；

将信号光和本振光输入到50：50光纤耦合器中进行光学混频获得光学拍频信号，利用高速光电探测器将光学拍频信号转换为电信号，传输至频率计数器测量，可得到该电信号的频率数值大小，即为信号光和本振光的频率差值，其大小为f_d＝v₁+f₁-v_r＝f₁+Δv，同时设定锁定目标频率差值f_b，即锁定系统初始状态下频率差值；

锁定控制模块根据频率计数器测量得到的频率差值f_d与锁定目标频率差f_b比较，并调节压电陶瓷初始电压V使得|f_d-f_b|＜|f_{aom_max}|，f_{aom_max}为声光调制器可控范围上限。至此锁定控制系统初始化完成，快慢环锁频反馈控制系统可以开始工作；

当快慢环锁频反馈控制系统开始工作时，运行快慢环结合的反馈控制算法，算法流程如图3所示：利用锁定前训练好的长短期记忆网络模型预测下一测量时刻的频率差值f′_d，频率计数器读取当前频差信号f_d，并计算当前频差信号不加控制量的自由状态下的频率差值f_p，f_p＝f_d+Δf_a，Δf_a为声光调制器反馈量计算自由状态下的频率差值f_p与设定的锁定目标频率差值f_b之间的误差量(f_p-f_d)，根据误差量判断是否需要开启慢环反馈控制，慢环反馈控制的开启门限是f_{pzt_open}＝11.5MHz，即单位电压控制量对应的频差信号变化量。误差量在慢环反馈控制开启门限以下时，压电陶瓷反馈量ΔV＝0，慢环反馈控制不启动。将自由状态下的频率差值f_p输入至锁定前训练好的长短期记忆网络模型，得到下一测量时刻的频率差值f′_p，声光调制器反馈量Δf_a＝f′_p-f_d。误差量在慢环反馈控制开启门限以上时，启动慢环反馈，改变压电陶瓷反馈量，声光调制器反馈量Δf_a＝f′_p-f_d-f_{pzt_open}，传输至压电陶瓷促动器的电压反馈值为V+ΔV。压电陶瓷促动器通过数模转换器将数字电压转换为对应的模拟电压加载到压电陶瓷上，声光调制器驱动产生相应的射频控制信号加载到声光调制器上。

当外界环境变化或其他因素变化导致f_d发生变化时，自动循环上述锁定过程，通过调整声光调制器的驱动频率Δf_a和压电陶瓷的加载电压V+ΔV实现f_d始终不变并实现长期稳定工作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统与方法，包括信号光及单通道低噪声信号放大器部分，本地可控单频光纤激光器部分、频差信号探测部分以及快慢环锁频反馈控制部分，其特征在于：

所述信号光及单通道低噪声信号放大器部分包括远端单频光纤激光器(1)，光纤链路(2)，掺铒光纤放大器(3)，密集型光波复用(4)，实现远端信号光至本地端的传输与放大、滤波；

所述本地可控单频光纤激光器部分包括泵浦(6)，环形腔(7)，声光调制器(8)，光纤布拉格光栅(10)，压电陶瓷(11)；所述光纤布拉格光栅(10)置于压电陶瓷(11)上，并与环形腔(7)相接，所述环形腔(7)输出端与声光调制器输入端(8)相接，输入端与泵浦(6)相接。

所述频差信号探测部分包括10：90光纤耦合器1(5)，10：90光纤耦合器2(9)，50：50光纤耦合器(13)，高速光电探测器(17)，频率计数器(16)；所述光纤耦合器1(5)输入端与远端单频光纤激光器(1)经过光纤链路(2)、掺铒光纤放大器(3)，密集型光波复用(4)后的输出相接，所述光纤耦合器2(9)输入端与本地光纤激光器(6)经过声光调制器(8)的输出相接，所述50：50光纤耦合器(13)的两个输入端分别接光纤耦合器1(5)10％激光输出端和光纤耦合器2(9)10％激光输出端，50：50光纤耦合器(13)输出端接高速光电探测器(17)，所述频率计数器(16)接高速光电探测器(17)交流输出端。

所述快慢环锁频反馈控制部分包括锁定系统控制模块(15)，压电陶瓷促动器(11)，声光调制器驱动(12)。所述锁定系统控制模块(15)通过数据线与频率计数器(16)，声光调制器驱动(12)，压电陶瓷促动器(14)相连。

2.按照权利要求1所述的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统，其特征在于，所述的锁定系统控制模块(15)接收频率计数器(16)得来的频差信号值判断进行快环控制或慢环控制。所述的锁定系统控制模块(15)与声光调制器驱动(12)、声光调制器(8)协同构成快环反馈控制系统，所述的锁定系统控制模块(15)与压电陶瓷促动器(14)、压电陶瓷(11)协同构成慢环反馈控制系统。

3.按照权利要求1所述的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统，其特征在于，所述的锁定系统控制模块(15)与声光调制器驱动(12)协同构成快环反馈控制系统中，所述的锁定系统控制模块(15)接收频率计数器(16)得来的频差信号值，经过数据处理算法预测得到下一时刻频差信号变化量对应的反馈控制量，传输至声光调制器驱动器(12)进行提前补偿。

4.按照权利要求1所述的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统，其特征在于，所述的锁定系统控制模块(15)与压电陶瓷促动器(14)、压电陶瓷(11)协同构成慢环反馈控制系统，所述的锁定系统控制模块(15)接收频率计数器(16)得来的频差信号值，通过判决算法，决定是否启动慢环反馈控制系统。达到快环反馈控制系统最大控制范围时，启用慢环反馈控制系统，否则启用快环反馈控制系统。

5.一种基于权利要求1-4所述的一种用于过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：进行本地锁定前，远端单频光纤激光器(1)输出单个纵模激光，作为参考单频光纤激光器的输出光，其光波频率记为v_r，此输出经过光纤链路传输至本地端，先后经过掺铒光纤放大器(3)，密集型光波复用(4)进行放大及滤波，再经过10：90光纤耦合器(5)分出10％的激光输出作为信号光；

步骤二：启动泵浦(6)，向环形腔(7)内注入泵浦光，经过光纤布拉格光栅(10)的选模作用后输出单个纵模激光，其光波频率记为v₁，启动声光调制器驱动(12)，单纵模激光经过初始驱动频率为f₁＝300MHz的声光调制器(8)进行初始化移频，其对应的输出激光的频率记为v₁+f₁，此激光再通过10：90光纤耦合器(9)分出10％的激光输出作为本振光；

步骤三：将信号光和本振光输入到50∶50光纤耦合器(10)中进行光学混频获得光学拍频信号，利用高速光电探测器(17)将光学拍频信号转换为电信号，传输至频率计数器(16)测量，可得到该电信号的频率数值大小，即为信号光和本振光的频率差值，其大小为f_d＝v₁+f₁-v_r＝f₁+Δv，同时设定锁定目标频率差值f_b，即锁定系统初始状态下频率差值；

步骤四：锁定系统控制模块(15)根据频率计数器(16)测量得到的频率差值f_d与锁定目标频率差f_b比较，并调节压电陶瓷(11)初始电压V使得|f_d-f_b|＜|f_{aom_max}|，f_{aom_max}为声光调制器(8)可控范围上限。至此锁定控制系统初始化完成，快慢环锁频反馈控制系统可以开始工作；

步骤五：当快慢环锁频反馈控制系统开始工作时，运行快慢环结合的反馈控制算法，算法流程如图3所示：频率计数器(16)读取当前频差信号f_d，并计算当前频差信号不加控制量的自由状态下的频率差值f_p，f_p＝f_d+Δf_a，Δf_a为声光调制器(8)反馈量，计算自由状态下的频率差值f_p与设定的锁定目标频率差值f_b之间的误差量(f_p-f_b)，根据误差量判断是否需要开启慢环反馈控制，慢环反馈控制的开启门限是f_{pzt_open}＝11.5MHz，即单位电压控制量对应的频差信号变化量。误差量在慢环反馈控制开启门限以下时，压电陶瓷(11)反馈量ΔV＝0，慢环反馈控制不启动。将自由状态下的频率差值f_p输入至锁定前训练好的长短期记忆网络模型，得到下一测量时刻的频率差值f′_p，声光调制器(8)反馈量Δf_a＝f′_p-f_d。误差量在慢环反馈控制开启门限以上时，启动慢环反馈，改变压电陶瓷(11)反馈量ΔV，声光调制器(8)反馈量Δf_a＝f′_p-f_d-f_{pzt_open}，传输至压电陶瓷促动器(14)的电压反馈值为V+ΔV。压电陶瓷促动器(14)通过数模转换器将数字电压转换为对应的模拟电压加载到压电陶瓷(11)上，声光调制器驱动(12)产生相应的射频控制信号加载到声光调制器(8)上。

步骤六：重新测量下一时刻的频差信号值并重复步骤五直至超出系统锁定范围。

6.根据权利3所述的一种过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统的方法中的快环反馈控制系统，其特征在于，采用了已训练的长短期记忆网络模型的时间序列预测算法对下一时刻频差信号进行预测，并计算对应反馈量，利用声光调制器(5)对锁频系统进行提前补偿，所述用于预测频差信号的长短期记忆网络的训练集数据来自于控制程序未启用时，即自由状态下的过光纤链路的信号光与本振光频差信号。

7.根据权利6所述的一种过光纤链路的信号光与本振光频差信号锁定的快慢环结合反馈控制系统的方法中的快环反馈控制系统，其中的核心控制算法中，对于当前频差信号不加控制量的自由状态下的频率差值f_p的计算，采用上一控制时刻声光调制器驱动(12)作用到声光调制器(8)产生对应的频率信号改变量与频率计数器(16)采集到的当前时刻频差信号，反推自由状态下的频率差值f_p，实现对输入到预测模型的频率信号的实时修正，进一步提升预测的准确性和实时性。

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