专利名称：基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤通信领域，具体讲是一种基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置。
技术背景随着近年来光通信技术的高速发展，下一代超高速智能光通信网络将具有Tbit/ s量级的信息处理能力。而高速信息处理性能的需求，刺激了基于光纤非线性效应的全光器件的快速发展。利用高非线性光纤三阶非线性效应飞秒级的响应速度，可以实现100( / s以上的全光3R再生器、增益带宽范围达到数十纳米的低噪声光纤参量放大器以及皮秒量级的超短光脉冲发生器。其中，由于光纤参量振荡器可以实现多种全光信息处理功能而得到广泛研究。在光纤参量振荡器中利用外强度调制器可实现主动锁模，该锁模光纤激光器输出的光脉冲宽度仅有数个皮秒，中心波长可调范围达到几十个纳米。通过注入锁定方式， 光纤参量振荡器能够完成全光时钟提取功能，提取的时钟信号波长还可以实现连续可调。 光纤参量振荡器的独特技术优势，使其在下一代光通信系统中具有广泛应用前景。由于使用高非线性光纤作为非线性介质，光纤参量振荡器的腔长(振荡器内光纤的环形总长度)一般都在几十米甚至数百米。即使利用半导体光放大器(SOA)代替高非线性光纤，振荡器的腔长也会达到数米。这导致光纤参量振荡器容易受到外界震动、温度变化的影响。降低外界震动对光纤参量振荡器稳定性影响的方法比较单一，通常将所有光路固定在振荡器上，而振荡器内部也会采用具有减震功能的档板以减少外界干扰。同时，温度也会引起光纤振荡器的腔长发生改变，这会劣化输出信号质量，甚至导致振荡器失锁。目前克服温度引起腔长改变的方法主要有两种再生锁模技术和色散位移光纤补偿技术。采用再生锁模技术可以通过后续电滤波器提取与环长相匹配的频率信息，该频率信息作为射频信号反馈到环内强度调制器上，进而实现光纤参量振荡器腔长与锁模频率的自动匹配。该技术虽然解决了温度引起腔长变化导致振荡器失锁的问题，但也使输出的锁模信号调制频率随温度发生变化，不利于提供调制频率稳定的时钟信号。采用色散位移光纤补偿技术可以将温度引起的腔长变化转化为提取的光时钟信号中心波长变化，该方案虽然起到了稳定输出信号调制频率的作用，但时钟信号波长随温度改变将不利于该技术在波分复用系统中的应用
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，克服传统光纤参量振荡器腔长随温度变化，进而导致输出时钟信号的调制频率或中心波长随温度变化的缺陷，提供一种同时能够提供腔长匹配和腔长补偿两个功能的基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置，降低系统的复杂程度。本实用新型的技术解决方案是，提供一种光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置，包括光扫频信号发生模块、光纤参量振荡器、光电转换模块和电接收处理模块，所述的光扫频信号发生模块和光电转换模块分别与光纤参量振荡器通过光纤连接，电接收处理模块信号输出端连接有延迟线，所述的延迟线通过光纤与光纤参量振荡器连接，所述的光电转换模块和电接收处理模块电连接。所述的光扫频信号发生模块包括扫频电信号源、D/A转换、电低通滤波器、强度调制器和光发射机，扫频电信号源与D/A转换电连接，D/A转换与电低通滤波器电连接，电低通滤波器与强度调制器电连接，光发射机与强度调制器光纤连接，所述的强度调制器与光纤参量振荡器通过光纤连接。所述的光电转换模块包括光滤波器、光电二极管、电流电压放大器和A/D转换，光滤波器和光电二极管由光纤连接，光电二极管、电流电压放大器和A/D转换依次电连接，所述的A/D转换与电接收处理模块电连接。电接收处理模块包括数据采集卡和微处理控制器，所述的数据采集卡和微处理控制器之间电连接，所述的数据采集卡与光电转换模块电连接，所述的微处理控制器与延迟线电连接。采用上述结构后，本实用新型具有以下优点本实用新型利用扫频调制技术测量光纤参量振荡器的频响曲线，通过比较不同时刻频响曲线的差异来判断腔长变化，进而反馈给延迟线实现腔长补偿；光纤参量振荡器中的延迟线同时具有两个功能时钟提取建立过程中调节环形腔腔长与输入信号调制频率匹配，激发参量振荡实现时钟提取功能；在时钟提取保持过程中，由反馈信号精密调节延迟线的延迟时间，进而补偿温度引起的环形腔腔长变化，增加时钟稳定性，从而实现对光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿，有效克服了传统光纤参量振荡器腔长随温度变化，进而导致输出时钟信号的调制频率或中心波长随温度变化的缺陷。
图1为本实用新型的基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置的系统框图。图2为光纤参量振荡器不同腔长情况下频率响应曲线。图3为温度引起光纤参量振荡器频响移动以及对应的补偿延迟时间图。图4为查表法实现扫频电信号源的原理图。图5为CORDIC算法旋转过程图；图中所示1、光扫频信号发生模块，2、光纤参量振荡器，3、光电转换模块，4、电接收处理模块，5、延迟线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明如图1所示，本实用新型的基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置，包括光扫频信号发生模块1、光纤参量振荡器2、光电转换模块3和电接收处理模块4，所述的光扫频信号发生模块1和光电转换模块3分别与光纤参量振荡器2通过光纤连接，电接收处理模块4信号输出端连接有延迟线5，所述的延迟线5通过光纤与光纤参量振
4荡器2连接，所述的光电转换模块3和电接收处理模块4电连接。所述的光扫频信号发生模块1包括扫频电信号源、D/A转换、电低通滤波器、强度调制器和光发射机，扫频电信号源与D/A转换电连接，D/A转换与电低通滤波器电连接，电低通滤波器与强度调制器电连接，光发射机与强度调制器光纤连接，所述的强度调制器与光纤参量振荡器通过光纤连接；光扫频信号发生模块所发出的信号是调制频率可以改变的光信号。调制频率指的是输入到强度调制器中对光源发出的光进行调制的电信号；所述的扫频电信号源为等步长扫频电信号源。所述的光电转换模块3包括光滤波器、光电二极管、电流电压放大器和A/D转换， 光滤波器和光电二极管由光纤连接，光电二极管、电流电压放大器和A/D转换依次电连接， 所述的A/D转换与电接收处理模块电连接。电接收处理模块4包括数据采集卡和微处理控制器，所述的数据采集卡和微处理控制器之间电连接，所述的数据采集卡与光电转换模块电连接，所述的微处理控制器与延迟线电连接。所述的延迟线为由马达驱动的光纤，所述的马达可与控制器或计算机电连接，通过控制马达转动，从而控制光纤接入光纤参量振荡器的部分的长短，加长或缩短光纤来补偿光纤参量振荡器因温度变化而产生的误差。工作原理描述如下1.光纤参量振荡器频响曲线的测量原理光纤参量振荡器的频率响应曲线与法布里-珀罗(FP)梳状滤波器类似，只有当调制频率与腔长匹配时才能够获得较好的时钟提取效果，以及最大的光透射率。因此通过在测试光波长上调制不同频率Rb的电信号，就能够获得调制频率所对应的透射光功率曲线， 进而实现光纤参量振荡器频响曲线的测量。以光纤参量振荡器理论模型计算不同腔长L情况下的频响曲线如图2所示。从仿真结果可以看出随着腔长L逐渐变大，频响曲线向左侧发生移动。因此可以通过检测光纤参量振荡器的频响曲线移动方向来判断腔长是增加或减小。同时，根据曲线移动量来计算需要补偿的腔长大小。这就实现了对光纤参量振荡器腔长变化的精确监测与补偿。2.延迟线的腔长补偿原理本发明之所以利用延迟线实现光纤参量振荡器腔长的精确补偿是因为它具有以下两个特性①长度为数百米的光纤参量振荡器在不进行任何腔长稳定的情况下，仍然可以保持数秒钟的稳定输出结果，因此光纤参量振荡器的腔长补偿方案不需要高速反馈回路，而商用延迟线的响应时间完全满足以上情况；②温度引起硅基光纤长度变化ALtl =(5n/5T)Lf = 1. lX10_5Lf(m/°C )，其中Lf为光纤的长度，而商用延迟线调节精度为 0. 02ps,可以对腔长为500米的光纤参量振荡器实现约0. OOl0C的温度补偿，满足实际需求。下面以500米光纤参量振荡器为例，如图3所示，计算得到温度引起腔长变化导致的频响曲线移动以及对应的补偿延迟时间。以不同温度引起频响曲线中最大功率值对应的频率变化ARb作为反馈信号，可以通过ARb的正负确定用于补偿的延迟时间增大或缩小，而 Δ Rb则与补偿的延迟时间呈现一一对应关系。从仿真结果可以看出延迟线的腔长补偿方案是可行的。3.扫频电信号源发生原理[0028]本发明需要使用扫频探测信号测量光纤参量振荡器的频响曲线，因此扫频电信号源是实现本发明的关键因素之一。扫频电信号源可由现场可编程门阵列(FPGA)采用查表法或CORDIC算法开发得到；或者采用DDS芯片、压控振荡器(VCO)来完成。两种算法原理分别如下(1)查表法图4是查表法的基本原理框图，相位累加器由加法器与寄存器级联构成，在时钟脉冲f。lk的控制下，加法器将频率控制字K与寄存器输出的上一次累加的相位结果相加，以得到本次累加的结果。该结果送到寄存器的数据输入端。寄存器一方面将该结果反馈到加法器的输入端以使加法器在下一时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加，另一方面又将该累加值作为相位地址送入波形ROM存储表。根据这个相位地址值输出相应波形的幅值数据，最后经D/A转换器和低通滤波器将波形幅值数据转换成所需要的模拟波形。低通滤波器用于滤除不需要的频率分量以便得到输出频谱纯净的波形。(2)CORDIC算法=CORDIC算法的旋转过程可用图5来说明，图中起始向量;J的坐标
为(κ，％)，旋转的目标向量 的坐标为(xm，ym)，向量〕与向量？之间的夹角为￥带有数字箭头指明这次旋转后向量；所到达的新的向量位置，箭头上所示数字表示第i次旋转，i的取值为i = 0，1，...，m-l (表示向量^到达向量i所需要的总的旋转次数)。根据CORDIC算法原理，写出CORDIC算法迭代运算为< yM = y\ +Xi-ClrI-'(i=0,l,…，m-l)
zM = Zi - di. arctan(2~')以上两种算法均可以由FPGA编程实现并得出频率可以改变的扫频电信号作为扫频电信号源。通过比较光纤参量振荡器频响曲线能够实时监控和补偿腔长变化，得到稳定的时钟提取效果。
具体实施方式
如下扫频电信号源产生调制频率等步长变化的电信号。扫频电信号源可由现场可编程门阵列(FPGA)采用查表法或CORDIC算法开发得到，扫频电信号经过D/A转换和电低通滤波器以得到频率可步长改变的模拟信号。借由这两种方法得到不同频率的扫频信号，其最小步进频率为fmin = f。lk/2N，其中f。lk为最高时钟频率，目前商用的FPGA可达300MHz以上， N为相位累加器的位数，转换时间为1个时钟周期，即为l/f。lk。经过处理的扫频电信号由强度调制器调制到光源产生的光载波上，进而得到光扫频信号。光扫频信号作为测试光信号注入光纤参量振荡器，以测量频响曲线。测试光信号进入光纤参量振荡器进行时钟提取的过程。由于光纤参量振荡器只有在环长与输入信号调制频率匹配情况下才能够完成高质量的时钟提取过程。因此不同调制频率的测试光信号将得到不同的时钟提取结果。调制频率满足匹配条件的测试光信号可以得到最佳的时钟信号，其光功率也最高。随着调制频率和环长失配程度的加深，提取的时钟信号质量逐渐变差，其功率也进一步降低。因此可以在光纤参量振荡器输出端得到不同调制频率提取的时钟信号光功率信息。参量振荡器输出的时钟光信号进入光电转换模块。首先由光滤波器滤除带外噪声，以提高光功率检测的准确性。光电二极管用于光电转换，将光信号转换为电流信息。由于光电转换后的电流较弱，因此需要电流电压放大器将电流转换为电压，并适当放大电压值，利于后期的数据采集。A/D转换实现模拟信号到数字信号的转化，转换后的数字信号注入到电接收处理模块。数据采集卡用于采集注入的数字信息。由于接收到的信号为时钟信号，需要经过低通数字滤波去掉噪声，目前商用的采集卡大都集成数字滤波的功能，可以采用截止频率在0. 5Hz的20阶巴特沃思滤波器对采集信号进行滤波，最终得到接收光功率对应的电压值。而调制频率与电压关系即光纤参量振荡器的频响曲线，将保存进微处理控制器，并与前一组数据进行比较。根据频响曲线的移动来判断腔长的变化。同时根据频响曲线移动与补偿的延迟时间关系，将反馈信息输入到光纤参量振荡器内的延迟线上，这就完成了一次扫描和反馈过程。通过实时重复上述过程，就能够增加光纤参量振荡器提取的时钟信号保持时间。以上仅就本实用新型较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本实用新型不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本实用新型独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置，其特征在于 包括光扫频信号发生模块(1)、光纤参量振荡器O)、光电转换模块C3)和电接收处理模块 G)，所述的光扫频信号发生模块(1)和光电转换模块C3)分别与光纤参量振荡器( 通过光纤连接，电接收处理模块(4)信号输出端连接有延迟线(5)，所述的延迟线(1)过光纤与光纤参量振荡器( 连接，所述的光电转换模块C3)和电接收处理模块电连接。
2.根据权利要求1所述的基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置，其特征在于所述的光扫频信号发生模块(1)包括扫频电信号源、D/A转换、电低通滤波器、强度调制器和光发射机，扫频电信号源与D/A转换电连接，D/A转换与电低通滤波器电连接，电低通滤波器与强度调制器电连接，光发射机与强度调制器光纤连接，所述的强度调制器与光纤参量振荡器通过光纤连接。
3.根据权利要求1所述的基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置，其特征在于所述的光电转换模块C3)包括光滤波器、光电二极管、电流电压放大器和A/D转换，光滤波器和光电二极管由光纤连接，光电二极管、电流电压放大器和A/D转换依次电连接，所述的A/D转换与电接收处理模块电连接。
4.根据权利要求1所述的基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置，其特征在于电接收处理模块(4)包括数据采集卡和微处理控制器，所述的数据采集卡和微处理控制器之间电连接，所述的数据采集卡与光电转换模块电连接，所述的微处理控制器与延迟线电连接。
专利摘要本实用新型公开了一种基于扫频反馈机制的光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿装置，包括光扫频信号发生模块(1)、光纤参量振荡器(2)、光电转换模块(3)和电接收处理模块(4)，所述的光扫频信号发生模块(1)和光电转换模块(3)分别与光纤参量振荡器(2)通过光纤连接，电接收处理模块(4)信号输出端连接有延迟线(5)，所述的延迟线(1)过光纤与光纤参量振荡器(2)连接，所述的光电转换模块(3)和电接收处理模块(4)电连接。采用本实用新型结构，实现了对光纤参量振荡器腔长实时监控与补偿，有效克服了传统光纤参量振荡器腔长随温度变化，进而导致输出时钟信号的调制频率或中心波长随温度变化的缺陷。
文档编号H04B10/18GK202143068SQ20112020919
公开日2012年2月8日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者文峰, 武保剑, 罗特 申请人:电子科技大学