本發(fā)明涉及一種光纖傳輸射頻相參信號(hào)或穩(wěn)頻信號(hào)的光纖穩(wěn)相傳輸設(shè)備，具體涉及一種模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器及補(bǔ)償方法，以模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混合對(duì)光纖延遲的相位抖動(dòng)精確補(bǔ)償。

背景技術(shù)：

光纖相位補(bǔ)償器是一種應(yīng)用于光纖傳輸射頻相參信號(hào)或穩(wěn)頻信號(hào)的光纖穩(wěn)相傳輸設(shè)備，光纖相位補(bǔ)償器包括單縱模激光器、光纖干涉儀、光電探測(cè)器、微處理器、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、波分復(fù)用器以及基于發(fā)射型壓電陶瓷的光纖相位調(diào)制器，接收端安裝解波分復(fù)用器和光纖反射鏡構(gòu)成的解波分光纖盒，光纖相位調(diào)制器和解波分光纖盒分別連接于傳輸光纖兩端，共同完成傳輸光纖的光纖相位抖動(dòng)補(bǔ)償，以及業(yè)務(wù)信號(hào)在傳輸光纖上的的透明傳輸。

現(xiàn)有的光纖相位補(bǔ)償器是采用模擬控制方法，通過(guò)檢測(cè)光纖干涉儀輸出光功率變化，判斷相位補(bǔ)償方向。此方法要求光纖相位漂移補(bǔ)償精度控制在±π/2以內(nèi)，即控制在一個(gè)光波信號(hào)周期的上升沿部分或下降沿部分；由于反饋控制參考點(diǎn)僅是一個(gè)功率參考點(diǎn)，當(dāng)相位漂移量超過(guò)上述范圍，反饋控制參考點(diǎn)則以另一個(gè)光波周期的的中間點(diǎn)為參考點(diǎn)，因而,當(dāng)相位漂移超過(guò)一個(gè)或n個(gè)光波周期時(shí)，就無(wú)法發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)償2nπ的相位漂移，導(dǎo)致反饋控制失效。同時(shí)，由于光纖相位補(bǔ)償器使用連續(xù)激光器作為探測(cè)信號(hào)，激光波長(zhǎng)僅有1.55μm，對(duì)于基于單個(gè)pzt的光纖相位調(diào)制器，一般有效調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)范圍不大于12bit，因此現(xiàn)有的光纖相位補(bǔ)償器的補(bǔ)償量程限于10.6ps以內(nèi)，其有效補(bǔ)償?shù)墓饫w距離僅有幾百米，不能滿足更長(zhǎng)距離光纖的穩(wěn)相傳輸要求。因此，對(duì)于振動(dòng)劇烈和溫度變化大的使用環(huán)境，會(huì)產(chǎn)生功率參考點(diǎn)跟蹤失敗導(dǎo)致的反饋控制失效和補(bǔ)償量程有限導(dǎo)致的光纖相位補(bǔ)償器頻繁復(fù)位的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響使用。

要避免反饋控制失效和增加光纖相位補(bǔ)償器的有效補(bǔ)償量程，有些方案是采用條紋計(jì)數(shù)法放寬相位漂移檢測(cè)和補(bǔ)償精度，采用兩個(gè)或多個(gè)pzt纏繞光纖形成的光纖相位調(diào)制器進(jìn)行相位補(bǔ)償，或者同時(shí)使用可調(diào)光纖延遲線(vod)進(jìn)行相位補(bǔ)償，但難以同時(shí)兼顧模擬控制方法的高精度特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服光纖相位補(bǔ)償器的相位補(bǔ)償量程小、工作環(huán)境要求高的缺點(diǎn)，提供一種模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器，激光器接入基于3×3光纖耦合器的邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉儀輸出相位差為2π/3的兩束激光信號(hào)，分別接入第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器，兩個(gè)光電探測(cè)器輸出的模擬電信號(hào)分別經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換接入微處理器，第一光電探測(cè)器的另一路輸出的模擬電信號(hào)接入加法器,同時(shí)微處理器輸出的一路對(duì)a調(diào)制器(即小量程光纖相位調(diào)制器)的控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊后也接入同一加法器，進(jìn)入所述加法器的兩個(gè)信號(hào)共同控制a調(diào)制器，微處理器輸出的另一路對(duì)b調(diào)制器(即大量程光纖相位調(diào)制器)的控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊后直接控制b調(diào)制器，擴(kuò)展本光纖相位補(bǔ)償器的相位補(bǔ)償量程。數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)混合對(duì)相位漂移進(jìn)行補(bǔ)償控制。

本發(fā)明另一目的是提供一種模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器的補(bǔ)償方法，基于3×3光纖耦合器的邁克爾遜干涉儀輸出相位差為2π/3的兩路激光信號(hào)到第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器，第一光電探測(cè)器輸出的一路模擬電信號(hào)直接接入與a調(diào)制器連接的加法器，用于進(jìn)行反饋控制相位補(bǔ)償；第一光電探測(cè)器輸出的另一路模擬電信號(hào)和第二光電探測(cè)器輸出的模擬電信號(hào)各經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換送入微處理器，微處理器用雙光路判向法得到相干信號(hào)的變化方向，用條紋計(jì)數(shù)法檢測(cè)相干信號(hào)相位變化值，即相位漂移量超過(guò)π/2的值，得到相位補(bǔ)償?shù)臄?shù)字控制信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換送入加法器與第一光電探測(cè)器的模擬電信號(hào)相加，共同控制a調(diào)制器將相位漂移量補(bǔ)償回±π/2以內(nèi)；當(dāng)a調(diào)制器調(diào)節(jié)量接近滿量程時(shí)，為了避免a調(diào)制器超過(guò)調(diào)節(jié)量程，微處理器發(fā)出數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換同向緩慢調(diào)節(jié)b調(diào)制器，直至a調(diào)制器的相位調(diào)節(jié)數(shù)值恢復(fù)到50％量程附近。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)相結(jié)合兼顧大量程和高精度相位補(bǔ)償要求。

本發(fā)明一種模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器包括單縱模激光器、光纖干涉儀、微處理器、光電探測(cè)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、波分復(fù)用器以及基于發(fā)射型壓電陶瓷的光纖相位調(diào)制器，本發(fā)明的光纖干涉儀為基于3×3光纖耦合器的邁克爾遜干涉儀，單縱模激光器接入邁克爾遜干涉儀的3×3光纖耦合器的第2端口，其第4端口作為邁克爾遜干涉儀的測(cè)量臂，連接波分復(fù)用器，與同時(shí)輸入波分復(fù)用器的業(yè)務(wù)光信號(hào)合波，波分復(fù)用器公共端經(jīng)a調(diào)制器和b調(diào)制器連接傳輸光纖；光纖串聯(lián)的a調(diào)制器和b調(diào)制器的輸出為本光纖相位補(bǔ)償器的輸出端。3×3光纖耦合器第6端口作為參考臂連接邁克爾遜干涉儀的光纖反射鏡，從傳輸光纖和第6端口的光纖反射鏡反射回來(lái)的兩路光信號(hào)分別經(jīng)第4和第6端口返回3×3光纖耦合器，并經(jīng)第1和第3端口分別接入第一和第二光電探測(cè)器，第1和第3端口輸出的光信號(hào)相位相差2π/3。本發(fā)明3×3光纖耦合器的第5端口空置。

所述第一光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后輸出的一路模擬電信號(hào)直接接入加法器，用于進(jìn)行反饋控制相位補(bǔ)償；第一光電探測(cè)器輸出的另一路模擬電信號(hào)和第二光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換所得電信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后接入微處理器，微處理器輸出的第一路控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后接入上述加法器，加法器連接a調(diào)制器，微處理器的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換后與第一光電探測(cè)器輸出的模擬電信號(hào)相加共同控制a調(diào)制器。微處理器輸出的第二路控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊后接入b調(diào)制器。

所述a調(diào)制器即小量程光纖相位調(diào)制器，b調(diào)制器即大量程光纖相位調(diào)制器。a調(diào)制器是光纖纏繞在管狀發(fā)射型壓電陶瓷的光纖相位調(diào)制器，壓電陶瓷電致伸縮實(shí)現(xiàn)光纖相位調(diào)節(jié)。所述b調(diào)制器是光纖纏繞在管狀發(fā)射型壓電陶瓷的光纖相位調(diào)制器或者是連續(xù)可調(diào)光纖延遲線。b調(diào)制器的最大調(diào)節(jié)量程為a調(diào)制器最大調(diào)節(jié)量程的10～100倍。

所述a調(diào)制器為無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，即連續(xù)調(diào)節(jié)的調(diào)制器，b調(diào)制器的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為10～100λ，λ為單縱模激光器輸出的激光信號(hào)波長(zhǎng)。推薦為10λ。

所述3×3光纖耦合器的分光比為1:1:1，即分到4、5、6端口輸出的光信號(hào)功率相等。

所述第一光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換所得的模擬電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路后，一路接入加法器，另一路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接入微處理器；所述第二光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換所得的模擬電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路后再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接入微處理器。兩個(gè)信號(hào)放大電路相同。

所述加法器經(jīng)一個(gè)高壓放大電路接入a調(diào)制器，所述微處理器輸出的第二路控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊后再經(jīng)一個(gè)高壓放大電路接入b調(diào)制器。兩個(gè)高壓放大電路相同。

一種模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器的補(bǔ)償方法，其主要步驟如下：

ⅰ、相位調(diào)節(jié)量程處于50％量程處

a調(diào)制器和b調(diào)制器上電后，默認(rèn)相位調(diào)節(jié)量程處于50％處；

ⅱ、光纖相位漂移量在±π/2范圍內(nèi)，模擬信號(hào)直接控制a調(diào)制器

第一光電探測(cè)器檢測(cè)傳輸光纖相位抖動(dòng)造成光纖干涉儀輸出信號(hào)的功率變化幅度，當(dāng)光纖相位漂移量在±π/2范圍內(nèi)時(shí)，選取一個(gè)特征相位點(diǎn)的檢測(cè)功率值為模擬反饋控制參考點(diǎn)，根據(jù)相位變化正弦曲線的上升沿或下降沿選其一，確定采用正反饋或負(fù)反饋，以該模擬反饋控制參考點(diǎn)為基點(diǎn)在反饋補(bǔ)償方向上進(jìn)行±π/2以內(nèi)的模擬反饋控制相位補(bǔ)償。模擬反饋信號(hào)無(wú)需微處理器干預(yù)，自動(dòng)進(jìn)行反饋控制。初始情況下第一光電探測(cè)器反饋的模擬信號(hào)與微處理器輸出的零電壓控制信號(hào)進(jìn)入加法器，控制a調(diào)制器。

所述模擬反饋控制參考點(diǎn)選擇推薦第一光電探測(cè)器檢測(cè)功率的極大值和極小值的平均值。

ⅲ、光纖相位漂移量超過(guò)±π/2范圍，數(shù)字信號(hào)參與控制a調(diào)制器

當(dāng)光纖相位漂移量超過(guò)±π/2范圍，第一光電探測(cè)器的模擬反饋信號(hào)將處于2nπ處，a調(diào)制器丟失反饋控制參考點(diǎn)。n為不等于零的整數(shù)，正數(shù)或負(fù)數(shù)。微處理器根據(jù)兩個(gè)光電探測(cè)器的信號(hào)采用雙光路判向法識(shí)別相位漂移方向，采用條紋計(jì)數(shù)法檢測(cè)相位漂移量的大小，獲得對(duì)a調(diào)制器的數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，與第一光電探測(cè)器輸出的模擬電信號(hào)在加法器內(nèi)相加后接入a調(diào)制器。a調(diào)制器既工作于模擬反饋控制狀態(tài)下，又同時(shí)接受微處理器數(shù)字控制信號(hào)的干預(yù)。

數(shù)字控制信號(hào)干預(yù)a調(diào)制器補(bǔ)償2nπ的相位偏移，使相位漂移量恢復(fù)至原反饋控制范圍，即±π/2范圍內(nèi)；兩個(gè)光電探測(cè)器的信號(hào)使微處理器輸出的對(duì)a調(diào)制器的數(shù)字控制信號(hào)的電壓信號(hào)穩(wěn)定在當(dāng)前電壓上不變，直到下一次出現(xiàn)光纖相位漂移量超過(guò)±π/2范圍，微處理器將再次以數(shù)字控制信號(hào)干預(yù)a調(diào)制器的相位補(bǔ)償。

ⅳ、a調(diào)制器的量程調(diào)節(jié)

當(dāng)a調(diào)制器達(dá)到其調(diào)節(jié)量程的5％或95％時(shí)，即接近0％或100％時(shí)，為了避免a調(diào)制器超過(guò)調(diào)節(jié)量程，微處理器發(fā)出的數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換同向緩慢調(diào)節(jié)b調(diào)制器，直至a調(diào)制器的相位調(diào)節(jié)數(shù)值恢復(fù)到45％至55％量程。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器及補(bǔ)償方法的有益效果是：1、克服了在相位漂移量超過(guò)±π/2范圍時(shí)光纖相位補(bǔ)償器的高精度模擬反饋控制反饋參考點(diǎn)漂移的問(wèn)題，采用微處理器輸出能夠補(bǔ)償反饋參考點(diǎn)相位漂移的數(shù)字控制信號(hào)作用于小量程的光纖相位調(diào)制器，使小量程的光纖相位調(diào)制器的需要調(diào)節(jié)的相位漂移量恢復(fù)到±π/2范圍以內(nèi)；2、模擬控制和數(shù)字控制相結(jié)合兼顧了大量程和高精度相位補(bǔ)償要求，相位補(bǔ)償精度達(dá)0.39fs～3.9fs，甚至更高精度，有效補(bǔ)償?shù)墓饫w距離達(dá)10km，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離光纖的超高精度穩(wěn)相傳輸。

附圖說(shuō)明

圖1為本模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器的補(bǔ)償方法實(shí)施例控制流程圖。

具體實(shí)施方式

模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器實(shí)施例

本模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器實(shí)施例如圖1所示，包括單縱模激光器、光纖干涉儀、微處理器、光電探測(cè)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大電路、高壓放大電路、波分復(fù)用器以及兩個(gè)基于發(fā)射型壓電陶瓷的光纖相位調(diào)制器，本例的光纖干涉儀為基于3×3光纖耦合器的邁克爾遜干涉儀，單縱模激光器接入邁克爾遜干涉儀的3×3光纖耦合器的第2端口，其第4端口作為邁克爾遜干涉儀的測(cè)量臂，連接波分復(fù)用器，與同時(shí)輸入波分復(fù)用器的業(yè)務(wù)光信號(hào)合波，波分復(fù)用器公共端經(jīng)a調(diào)制器和b調(diào)制器連接傳輸光纖，光纖串聯(lián)的a調(diào)制器和b調(diào)制器的輸出為本光纖相位補(bǔ)償器的輸出端。3×3光纖耦合器第6端口作為參考臂連接邁克爾遜干涉儀的光纖反射鏡，從傳輸光纖和第6端口的光纖反射鏡反射回來(lái)的兩路光信號(hào)分別經(jīng)第4和第6端口返回3×3光纖耦合器，并經(jīng)第1和第3端口分別接入第一和第二光電探測(cè)器，第1和第3端口輸出的光信號(hào)相位相差2π/3。第5端口空置。

本例第一光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后輸出的模擬電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路后，一路直接接入加法器，另一路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后接入微處理器；第二光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換所得電信號(hào)經(jīng)另一相同的信號(hào)放大電路后再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接入微處理器。

微處理器輸出的第一路控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后接入上述加法器，加法器經(jīng)一個(gè)高壓放大電路連接a調(diào)制器，微處理器的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換后與第一光電探測(cè)器輸出的模擬電信號(hào)相加共同控制a調(diào)制器。微處理器輸出的第二路控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊后再經(jīng)另一個(gè)相同的高壓放大電路接入b調(diào)制器。

本例a調(diào)制器即小量程光纖相位調(diào)制器，b調(diào)制器即大量程光纖相位調(diào)制器。本例a、b調(diào)制器均是光纖纏繞在管狀發(fā)射型壓電陶瓷的光纖相位調(diào)制器。本例b調(diào)制器的最大調(diào)節(jié)量程為a調(diào)制器最大調(diào)節(jié)量程的100倍。

本例a調(diào)制器為連續(xù)調(diào)節(jié)的調(diào)制器，b調(diào)制器的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為10λ。

本例3×3光纖耦合器的分光比為1:1:1，即分到4、5、6端口輸出的光信號(hào)功率相等。

模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器的補(bǔ)償方法實(shí)施例

本模數(shù)混合控制的光纖相位補(bǔ)償器的補(bǔ)償方法實(shí)施例流程圖如圖2所示，主要步驟如下：

ⅰ、相位調(diào)節(jié)量程處于50％量程處

a調(diào)制器和b調(diào)制器上電后，默認(rèn)相位調(diào)節(jié)量程處于50％處；

ⅱ、光纖相位漂移量在±π/2范圍內(nèi)，模擬信號(hào)直接控制a調(diào)制器

第一光電探測(cè)器檢測(cè)傳輸光纖相位抖動(dòng)造成光纖干涉儀輸出信號(hào)的功率變化幅度，當(dāng)光纖相位漂移量在±π/2范圍內(nèi)時(shí)，選取第一光電探測(cè)器檢測(cè)功率的極大值和極小值的平均值作為模擬反饋控制參考點(diǎn)，根據(jù)相位變化正弦曲線的上升沿或下降沿選其一，確定采用正反饋或負(fù)反饋，以該模擬反饋控制參考點(diǎn)為基點(diǎn)在反饋補(bǔ)償方向上進(jìn)行±π/2以內(nèi)的模擬反饋控制相位補(bǔ)償。初始情況下第一光電探測(cè)器反饋的模擬信號(hào)與微處理器輸出的零電壓控制信號(hào)進(jìn)入加法器，控制a調(diào)制器。

ⅲ、光纖相位漂移量超過(guò)±π/2范圍，數(shù)字信號(hào)參與控制a調(diào)制器

當(dāng)光纖相位漂移量超過(guò)±π/2范圍，第一光電探測(cè)器的模擬反饋信號(hào)將處于2nπ處，n為不等于零的整數(shù)。微處理器根據(jù)兩個(gè)光電探測(cè)器的信號(hào)采用雙光路判向法識(shí)別相位漂移方向，采用條紋計(jì)數(shù)法檢測(cè)相位漂移量的大小，獲得對(duì)a調(diào)制器的數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，與第一光電探測(cè)器輸出的模擬電信號(hào)在加法器內(nèi)相加后接入a調(diào)制器。a調(diào)制器既工作于模擬反饋控制狀態(tài)下，又同時(shí)接受微處理器數(shù)字控制信號(hào)的干預(yù)。

數(shù)字控制信號(hào)干預(yù)a調(diào)制器補(bǔ)償2nπ的相位偏移，使相位漂移量恢復(fù)至原反饋控制范圍，即±π/2范圍內(nèi)；兩個(gè)光電探測(cè)器的信號(hào)使微處理器輸出的對(duì)a調(diào)制器的數(shù)字控制信號(hào)的電壓信號(hào)穩(wěn)定在當(dāng)前電壓上不變，直到下一次出現(xiàn)光纖相位漂移量超過(guò)±π/2范圍，微處理器將再次以數(shù)字控制信號(hào)干預(yù)a調(diào)制器的相位補(bǔ)償。

ⅳ、a調(diào)制器的量程調(diào)節(jié)

當(dāng)a調(diào)制器達(dá)到其調(diào)節(jié)量程的5％或95％時(shí)，即接近0％或100％時(shí)，為了避免a調(diào)制器超過(guò)調(diào)節(jié)量程，微處理器發(fā)出的數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換同向緩慢調(diào)節(jié)b調(diào)制器，直至a調(diào)制器的相位調(diào)節(jié)數(shù)值恢復(fù)到45％至55％量程。

上述實(shí)施例，僅為對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的具體個(gè)例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。