基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置的製作方法

2023-05-03 18:29:26

專利名稱：基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖通信領域，具體講是一種基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置。
技術背景隨著近年來光通信技術的高速發展，下一代超高速智能光通信網絡將具有Tbit/ s量級的信息處理能力。而高速信息處理性能的需求，刺激了基於光纖非線性效應的全光器件的快速發展。利用高非線性光纖三階非線性效應飛秒級的響應速度，可以實現100( / s以上的全光3R再生器、增益帶寬範圍達到數十納米的低噪聲光纖參量放大器以及皮秒量級的超短光脈衝發生器。其中，由於光纖參量振蕩器可以實現多種全光信息處理功能而得到廣泛研究。在光纖參量振蕩器中利用外強度調製器可實現主動鎖模，該鎖模光纖雷射器輸出的光脈衝寬度僅有數個皮秒，中心波長可調範圍達到幾十個納米。通過注入鎖定方式， 光纖參量振蕩器能夠完成全光時鐘提取功能，提取的時鐘信號波長還可以實現連續可調。 光纖參量振蕩器的獨特技術優勢，使其在下一代光通信系統中具有廣泛應用前景。由於使用高非線性光纖作為非線性介質，光纖參量振蕩器的腔長(振蕩器內光纖的環形總長度)一般都在幾十米甚至數百米。即使利用半導體光放大器(SOA)代替高非線性光纖，振蕩器的腔長也會達到數米。這導致光纖參量振蕩器容易受到外界震動、溫度變化的影響。降低外界震動對光纖參量振蕩器穩定性影響的方法比較單一，通常將所有光路固定在振蕩器上，而振蕩器內部也會採用具有減震功能的檔板以減少外界幹擾。同時，溫度也會引起光纖振蕩器的腔長發生改變，這會劣化輸出信號質量，甚至導致振蕩器失鎖。目前克服溫度引起腔長改變的方法主要有兩種再生鎖模技術和色散位移光纖補償技術。採用再生鎖模技術可以通過後續電濾波器提取與環長相匹配的頻率信息，該頻率信息作為射頻信號反饋到環內強度調製器上，進而實現光纖參量振蕩器腔長與鎖模頻率的自動匹配。該技術雖然解決了溫度引起腔長變化導致振蕩器失鎖的問題，但也使輸出的鎖模信號調製頻率隨溫度發生變化，不利於提供調製頻率穩定的時鐘信號。採用色散位移光纖補償技術可以將溫度引起的腔長變化轉化為提取的光時鐘信號中心波長變化，該方案雖然起到了穩定輸出信號調製頻率的作用，但時鐘信號波長隨溫度改變將不利於該技術在波分復用系統中的應用
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是，克服傳統光纖參量振蕩器腔長隨溫度變化，進而導致輸出時鐘信號的調製頻率或中心波長隨溫度變化的缺陷，提供一種同時能夠提供腔長匹配和腔長補償兩個功能的基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置，降低系統的複雜程度。本實用新型的技術解決方案是，提供一種光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置，包括光掃頻信號發生模塊、光纖參量振蕩器、光電轉換模塊和電接收處理模塊，所述的光掃頻信號發生模塊和光電轉換模塊分別與光纖參量振蕩器通過光纖連接，電接收處理模塊信號輸出端連接有延遲線，所述的延遲線通過光纖與光纖參量振蕩器連接，所述的光電轉換模塊和電接收處理模塊電連接。所述的光掃頻信號發生模塊包括掃頻電信號源、D/A轉換、電低通濾波器、強度調製器和光發射機，掃頻電信號源與D/A轉換電連接，D/A轉換與電低通濾波器電連接，電低通濾波器與強度調製器電連接，光發射機與強度調製器光纖連接，所述的強度調製器與光纖參量振蕩器通過光纖連接。所述的光電轉換模塊包括光濾波器、光電二極體、電流電壓放大器和A/D轉換，光濾波器和光電二極體由光纖連接，光電二極體、電流電壓放大器和A/D轉換依次電連接，所述的A/D轉換與電接收處理模塊電連接。電接收處理模塊包括數據採集卡和微處理控制器，所述的數據採集卡和微處理控制器之間電連接，所述的數據採集卡與光電轉換模塊電連接，所述的微處理控制器與延遲線電連接。採用上述結構後，本實用新型具有以下優點本實用新型利用掃頻調製技術測量光纖參量振蕩器的頻響曲線，通過比較不同時刻頻響曲線的差異來判斷腔長變化，進而反饋給延遲線實現腔長補償；光纖參量振蕩器中的延遲線同時具有兩個功能時鐘提取建立過程中調節環形腔腔長與輸入信號調製頻率匹配，激發參量振蕩實現時鐘提取功能；在時鐘提取保持過程中，由反饋信號精密調節延遲線的延遲時間，進而補償溫度引起的環形腔腔長變化，增加時鐘穩定性，從而實現對光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償，有效克服了傳統光纖參量振蕩器腔長隨溫度變化，進而導致輸出時鐘信號的調製頻率或中心波長隨溫度變化的缺陷。

圖1為本實用新型的基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置的系統框圖。圖2為光纖參量振蕩器不同腔長情況下頻率響應曲線。圖3為溫度引起光纖參量振蕩器頻響移動以及對應的補償延遲時間圖。圖4為查表法實現掃頻電信號源的原理圖。圖5為CORDIC算法旋轉過程圖；圖中所示1、光掃頻信號發生模塊，2、光纖參量振蕩器，3、光電轉換模塊，4、電接收處理模塊，5、延遲線。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明如圖1所示，本實用新型的基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置，包括光掃頻信號發生模塊1、光纖參量振蕩器2、光電轉換模塊3和電接收處理模塊4，所述的光掃頻信號發生模塊1和光電轉換模塊3分別與光纖參量振蕩器2通過光纖連接，電接收處理模塊4信號輸出端連接有延遲線5，所述的延遲線5通過光纖與光纖參量振
4蕩器2連接，所述的光電轉換模塊3和電接收處理模塊4電連接。所述的光掃頻信號發生模塊1包括掃頻電信號源、D/A轉換、電低通濾波器、強度調製器和光發射機，掃頻電信號源與D/A轉換電連接，D/A轉換與電低通濾波器電連接，電低通濾波器與強度調製器電連接，光發射機與強度調製器光纖連接，所述的強度調製器與光纖參量振蕩器通過光纖連接；光掃頻信號發生模塊所發出的信號是調製頻率可以改變的光信號。調製頻率指的是輸入到強度調製器中對光源發出的光進行調製的電信號；所述的掃頻電信號源為等步長掃頻電信號源。所述的光電轉換模塊3包括光濾波器、光電二極體、電流電壓放大器和A/D轉換， 光濾波器和光電二極體由光纖連接，光電二極體、電流電壓放大器和A/D轉換依次電連接， 所述的A/D轉換與電接收處理模塊電連接。電接收處理模塊4包括數據採集卡和微處理控制器，所述的數據採集卡和微處理控制器之間電連接，所述的數據採集卡與光電轉換模塊電連接，所述的微處理控制器與延遲線電連接。所述的延遲線為由馬達驅動的光纖，所述的馬達可與控制器或計算機電連接，通過控制馬達轉動，從而控制光纖接入光纖參量振蕩器的部分的長短，加長或縮短光纖來補償光纖參量振蕩器因溫度變化而產生的誤差。工作原理描述如下1.光纖參量振蕩器頻響曲線的測量原理光纖參量振蕩器的頻率響應曲線與法布裡-珀羅(FP)梳狀濾波器類似，只有當調製頻率與腔長匹配時才能夠獲得較好的時鐘提取效果，以及最大的光透射率。因此通過在測試光波長上調製不同頻率Rb的電信號，就能夠獲得調製頻率所對應的透射光功率曲線， 進而實現光纖參量振蕩器頻響曲線的測量。以光纖參量振蕩器理論模型計算不同腔長L情況下的頻響曲線如圖2所示。從仿真結果可以看出隨著腔長L逐漸變大，頻響曲線向左側發生移動。因此可以通過檢測光纖參量振蕩器的頻響曲線移動方向來判斷腔長是增加或減小。同時，根據曲線移動量來計算需要補償的腔長大小。這就實現了對光纖參量振蕩器腔長變化的精確監測與補償。2.延遲線的腔長補償原理本發明之所以利用延遲線實現光纖參量振蕩器腔長的精確補償是因為它具有以下兩個特性①長度為數百米的光纖參量振蕩器在不進行任何腔長穩定的情況下，仍然可以保持數秒鐘的穩定輸出結果，因此光纖參量振蕩器的腔長補償方案不需要高速反饋迴路，而商用延遲線的響應時間完全滿足以上情況；②溫度引起矽基光纖長度變化ALtl =(5n/5T)Lf = 1. lX10_5Lf(m/°C )，其中Lf為光纖的長度，而商用延遲線調節精度為 0. 02ps,可以對腔長為500米的光纖參量振蕩器實現約0. OOl0C的溫度補償，滿足實際需求。下面以500米光纖參量振蕩器為例，如圖3所示，計算得到溫度引起腔長變化導致的頻響曲線移動以及對應的補償延遲時間。以不同溫度引起頻響曲線中最大功率值對應的頻率變化ARb作為反饋信號，可以通過ARb的正負確定用於補償的延遲時間增大或縮小，而 Δ Rb則與補償的延遲時間呈現一一對應關係。從仿真結果可以看出延遲線的腔長補償方案是可行的。3.掃頻電信號源發生原理[0028]本發明需要使用掃頻探測信號測量光纖參量振蕩器的頻響曲線，因此掃頻電信號源是實現本發明的關鍵因素之一。掃頻電信號源可由現場可編程門陣列(FPGA)採用查表法或CORDIC算法開發得到；或者採用DDS晶片、壓控振蕩器(VCO)來完成。兩種算法原理分別如下(1)查表法圖4是查表法的基本原理框圖，相位累加器由加法器與寄存器級聯構成，在時鐘脈衝f。lk的控制下，加法器將頻率控制字K與寄存器輸出的上一次累加的相位結果相加，以得到本次累加的結果。該結果送到寄存器的數據輸入端。寄存器一方面將該結果反饋到加法器的輸入端以使加法器在下一時鐘脈衝的作用下繼續與頻率控制字相加，另一方面又將該累加值作為相位地址送入波形ROM存儲表。根據這個相位地址值輸出相應波形的幅值數據，最後經D/A轉換器和低通濾波器將波形幅值數據轉換成所需要的模擬波形。低通濾波器用於濾除不需要的頻率分量以便得到輸出頻譜純淨的波形。(2)CORDIC算法=CORDIC算法的旋轉過程可用圖5來說明，圖中起始向量;J的坐標
為(κ，％)，旋轉的目標向量 的坐標為(xm，ym)，向量〕與向量？之間的夾角為￥帶有數字箭頭指明這次旋轉後向量；所到達的新的向量位置，箭頭上所示數字表示第i次旋轉，i的取值為i = 0，1，...，m-l (表示向量^到達向量i所需要的總的旋轉次數)。根據CORDIC算法原理，寫出CORDIC算法迭代運算為< yM = y\ +Xi-ClrI-'(i=0,l,…，m-l)
zM = Zi - di. arctan(2~')以上兩種算法均可以由FPGA編程實現並得出頻率可以改變的掃頻電信號作為掃頻電信號源。通過比較光纖參量振蕩器頻響曲線能夠實時監控和補償腔長變化，得到穩定的時鐘提取效果。
具體實施方式
如下掃頻電信號源產生調製頻率等步長變化的電信號。掃頻電信號源可由現場可編程門陣列(FPGA)採用查表法或CORDIC算法開發得到，掃頻電信號經過D/A轉換和電低通濾波器以得到頻率可步長改變的模擬信號。藉由這兩種方法得到不同頻率的掃頻信號，其最小步進頻率為fmin = f。lk/2N，其中f。lk為最高時鐘頻率，目前商用的FPGA可達300MHz以上， N為相位累加器的位數，轉換時間為1個時鐘周期，即為l/f。lk。經過處理的掃頻電信號由強度調製器調製到光源產生的光載波上，進而得到光掃頻信號。光掃頻信號作為測試光信號注入光纖參量振蕩器，以測量頻響曲線。測試光信號進入光纖參量振蕩器進行時鐘提取的過程。由於光纖參量振蕩器只有在環長與輸入信號調製頻率匹配情況下才能夠完成高質量的時鐘提取過程。因此不同調製頻率的測試光信號將得到不同的時鐘提取結果。調製頻率滿足匹配條件的測試光信號可以得到最佳的時鐘信號，其光功率也最高。隨著調製頻率和環長失配程度的加深，提取的時鐘信號質量逐漸變差，其功率也進一步降低。因此可以在光纖參量振蕩器輸出端得到不同調製頻率提取的時鐘信號光功率信息。參量振蕩器輸出的時鐘光信號進入光電轉換模塊。首先由光濾波器濾除帶外噪聲，以提高光功率檢測的準確性。光電二極體用於光電轉換，將光信號轉換為電流信息。由於光電轉換後的電流較弱，因此需要電流電壓放大器將電流轉換為電壓，並適當放大電壓值，利於後期的數據採集。A/D轉換實現模擬信號到數位訊號的轉化，轉換後的數位訊號注入到電接收處理模塊。數據採集卡用於採集注入的數字信息。由於接收到的信號為時鐘信號，需要經過低通數字濾波去掉噪聲，目前商用的採集卡大都集成數字濾波的功能，可以採用截止頻率在0. 5Hz的20階巴特沃思濾波器對採集信號進行濾波，最終得到接收光功率對應的電壓值。而調製頻率與電壓關係即光纖參量振蕩器的頻響曲線，將保存進微處理控制器，並與前一組數據進行比較。根據頻響曲線的移動來判斷腔長的變化。同時根據頻響曲線移動與補償的延遲時間關係，將反饋信息輸入到光纖參量振蕩器內的延遲線上，這就完成了一次掃描和反饋過程。通過實時重複上述過程，就能夠增加光纖參量振蕩器提取的時鐘信號保持時間。以上僅就本實用新型較佳的實施例作了說明，但不能理解為是對權利要求的限制。本實用新型不僅局限於以上實施例，其具體結構允許有變化。總之，凡在本實用新型獨立權利要求的保護範圍內所作的各種變化均在本實用新型的保護範圍內。
權利要求1.一種基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置，其特徵在於 包括光掃頻信號發生模塊(1)、光纖參量振蕩器O)、光電轉換模塊C3)和電接收處理模塊 G)，所述的光掃頻信號發生模塊(1)和光電轉換模塊C3)分別與光纖參量振蕩器( 通過光纖連接，電接收處理模塊(4)信號輸出端連接有延遲線(5)，所述的延遲線(1)過光纖與光纖參量振蕩器( 連接，所述的光電轉換模塊C3)和電接收處理模塊電連接。
2.根據權利要求1所述的基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置，其特徵在於所述的光掃頻信號發生模塊(1)包括掃頻電信號源、D/A轉換、電低通濾波器、強度調製器和光發射機，掃頻電信號源與D/A轉換電連接，D/A轉換與電低通濾波器電連接，電低通濾波器與強度調製器電連接，光發射機與強度調製器光纖連接，所述的強度調製器與光纖參量振蕩器通過光纖連接。
3.根據權利要求1所述的基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置，其特徵在於所述的光電轉換模塊C3)包括光濾波器、光電二極體、電流電壓放大器和A/D轉換，光濾波器和光電二極體由光纖連接，光電二極體、電流電壓放大器和A/D轉換依次電連接，所述的A/D轉換與電接收處理模塊電連接。
4.根據權利要求1所述的基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置，其特徵在於電接收處理模塊(4)包括數據採集卡和微處理控制器，所述的數據採集卡和微處理控制器之間電連接，所述的數據採集卡與光電轉換模塊電連接，所述的微處理控制器與延遲線電連接。
專利摘要本實用新型公開了一種基於掃頻反饋機制的光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償裝置，包括光掃頻信號發生模塊(1)、光纖參量振蕩器(2)、光電轉換模塊(3)和電接收處理模塊(4)，所述的光掃頻信號發生模塊(1)和光電轉換模塊(3)分別與光纖參量振蕩器(2)通過光纖連接，電接收處理模塊(4)信號輸出端連接有延遲線(5)，所述的延遲線(1)過光纖與光纖參量振蕩器(2)連接，所述的光電轉換模塊(3)和電接收處理模塊(4)電連接。採用本實用新型結構，實現了對光纖參量振蕩器腔長實時監控與補償，有效克服了傳統光纖參量振蕩器腔長隨溫度變化，進而導致輸出時鐘信號的調製頻率或中心波長隨溫度變化的缺陷。
文檔編號H04B10/18GK202143068SQ20112020919
公開日2012年2月8日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者文峰, 武保劍, 羅特 申請人:電子科技大學