一种基于频域驻波法的光路时延快速测量装置

摘要

本发明公开了一种基于频域驻波法的光路时延快速测量装置，该装置通过调制光频梳信号重复频率，光频梳信号经过待测光路与参考光路，进而通过光合路后的频域驻波法，实现光路时延的高精度快速检测。本发明采用重复频率快速可调光频梳信号发生器，发射低相位噪声、极低时钟抖动的光频梳信号，提高测量的准确性，并实现快速测量；同时本发明采用光频梳信号作为载波信号，在光域上占有一定的光谱宽度，当参考光路与待测光路光程差满足一定的最小值时，两路光信号经过3dB耦合器合成后在光域上是非相干的，因而其合成的信号强度不会受到两路随机相位漂移的影响，系统抗干扰能力强。

权利要求

1.一种基于频域驻波法的光路时延快速测量装置，其特征在于：包括光梳发生器、分光器、待测光路、参考光路、合路器、光电探测器、放大器、包络检波器、低通滤波器、模数转换器、处理器以及射频信号源；其中：所述光梳发生器用于产生光频梳信号并输入至分光器；

所述分光器用于对光频梳信号进行功率平分，产生两路相同的光频梳信号F1和F2，分别输入至待测光路和参考光路；

所述合路器用于将待测光路和参考光路的输出信号合成光信号F3，输入至光电探测器；

所述光电探测器用于将光信号F3转换成电信号R1并输入至放大器；

所述放大器用于对电信号R1进行信号放大后输入至包络检波器；

所述包络检波器用于对放大后的电信号R1进行包络检波，快速提取其信号强度信息，从而生成电信号R2；

所述低通滤波器用于对电信号R2进行低通滤波；

所述模数转换器用于对滤波后的电信号R2进行采样，得到数字信号；

所述处理器用于对数字信号进行分析，得到待测光路与参考光路信号的相对时延差，并根据该相对时延差控制射频信号源的输出信号频率；

所述射频信号源用于输出频率可调的射频信号至光梳发生器，以控制光梳发生器的重复频率。

2.根据权利要求1所述的光路时延快速测量装置，其特征在于：所述光梳发生器采用低相位噪声、极低时钟抖动且重复频率快速可调的光频梳信号源。

3.根据权利要求1所述的光路时延快速测量装置，其特征在于：所述分光器采用3dB光耦合器，实现光功率的平分。

4.根据权利要求1所述的光路时延快速测量装置，其特征在于：所述参考光路与待测光路的光程差满足一定的最小值，使两路光信号经过合路器合成后在光域上是非相干的，其合成的信号强度不会受到两路光信号随机相位漂移的影响。

5.根据权利要求1所述的光路时延快速测量装置，其特征在于：所述光电探测器采用宽带光电探测器。

6.根据权利要求1所述的光路时延快速测量装置，其特征在于：所述包络检波器采用包络检波技术。

7.根据权利要求1所述的光路时延快速测量装置，其特征在于：所述模数转换器采用8～24位的模数转换器。

说明书

一种基于频域驻波法的光路时延快速测量装置

技术领域

[0001] 本发明属于光时延测量技术领域，具体涉及一种基于频域驻波法的光路时延快速测量装置。

背景技术

[0002] 在光通信中，当信号通过某一传输系统时不可避免会产生时延；因为系统的时延特性决定了信号的失真情况，所以通信系统对时延的要求越来越严格。很多测量距离的方法也都依赖于时延的测量，因此光时延的准确测量成为了一个研究热点。

[0003] 目前测量光信号在传输链路中时延的方法有时域脉冲法、PGC(相位产生载波技术)零差检测法、光干涉法、光频域反射测量法(OFDR)、基于光载波的微波干涉法(OCMI)，其中：

[0004] 时域脉冲法中利用激光脉冲进入参考光路与待测光路，使用高速信号采集仪器对干涉输出信号进行采集，测量经两个光路的脉冲间的时间差，计算光路时延；但该方法对激光器与采集设备的性能要求非常高。

[0005] PGC零差检测法是使用加直流电压的方式进行臂长差补偿，在参考光路与待测光路上加上不同电压，使得等效的光路时延差相同，然后通过计算两臂的电压差计算出两个光路时延；但该方法测量范围小，使用时也收到多种限制。

[0006] 白光干涉法通过调节白光干涉仪里的反射镜的位置，另外引入参考光路时延量，当参考光路时延与待测光路时延完全补偿时，两路光干涉输出信号最大，通过读取移动距离计算时延量；该方法通过调节反射镜进行补偿，其测量精度与测量范围有受到调节装置的限制。

[0007] OFDR技术中光源输出线性扫频光信号分成两路，一路光信号经过参考光路后反射，一路光信号经过待测光路，利用待测光路中存在的瑞利散射和菲涅尔反射，如果传播长度满足光的相干条件，则信号光和参考光就会在光电探测器的光敏面上发生混频；待测光纤上任一点处的瑞利后向散射信号所对应的光电流的频率大小则正比于散射点位置，即光路传播时延；光电探测器就会输出相应频率的光电流，其幅度正比于光纤x处的后向散射系数和光功率的大小，从而得到沿待测光纤各处的散射衰减特性，同时可以通过测试频率的最大值来推导出待测光路中的时延；该方法测量精度较高，但是其测量范围非常小。

[0008] OCMI技术利用矢量网络分析仪通过调制在光载波上的射频信号进行傅里叶变换和互相关运算，由相关数值的峰值位置确定输入信号与输出信号的时延差；该方法测量精度高和测量范围大，但其技术结构复杂，测量速度慢。

发明内容

[0009] 鉴于上述，本发明提供了一种基于频域驻波法的光路时延快速测量装置，该装置通过调制光频梳信号重复频率，光频梳信号经过待测光路与参考光路，进而通过光合路后的频域驻波法，实现光路时延的高精度快速检测。

[0010] 一种基于频域驻波法的光路时延快速测量装置，包括光梳发生器、分光器、待测光路、参考光路、合路器、光电探测器、放大器、包络检波器、低通滤波器、模数转换器、处理器以及射频信号源；其中：

[0011] 所述光梳发生器用于产生光频梳信号并输入至分光器；

[0012] 所述分光器用于对光频梳信号进行功率平分，产生两路相同的光频梳信号F1和F2，分别输入至待测光路和参考光路；

[0013] 所述合路器用于将待测光路和参考光路的输出信号合成光信号F3，输入至光电探测器；

[0014] 所述光电探测器用于将光信号F3转换成电信号R1并输入至放大器；

[0015] 所述放大器用于对电信号R1进行信号放大后输入至包络检波器；

[0016] 所述包络检波器用于对放大后的电信号R1进行包络检波，快速提取其信号强度信息，从而生成电信号R2；

[0017] 所述低通滤波器用于对电信号R2进行低通滤波；

[0018] 所述模数转换器用于对滤波后的电信号R2进行采样，得到数字信号；

[0019] 所述处理器用于对数字信号进行分析，得到待测光路与参考光路信号的相对时延差，并根据该相对时延差控制射频信号源的输出信号频率；

[0020] 所述射频信号源用于输出频率可调的射频信号至光梳发生器，以控制光梳发生器的重复频率。

[0021] 进一步地，所述光梳发生器采用低相位噪声、极低时钟抖动且重复频率快速可调的光频梳信号源。

[0022] 进一步地，所述分光器采用3dB光耦合器，实现光功率的平分。

[0023] 进一步地，所述参考光路与待测光路的光程差满足一定的最小值，使两路光信号经过合路器合成后在光域上是非相干的，其合成的信号强度不会受到两路光信号随机相位漂移的影响，经过光电转换两路光信号产生的稳定的电域矢量即合成电信号R1，对于固定光时延差的两路光信号经过合成后可以在光电探测器中得到频域上频率间隔均匀的梳状结构。

[0024] 进一步地，所述光电探测器采用宽带光电探测器。

[0025] 进一步地，所述低通滤波器的带宽设为包含时延控制装置所输出的频率，以保证测试灵敏度，且对输出信号中杂波失真成分有很好抑制作用。

[0026] 进一步地，所述包络检波器采用包络检波技术，相对于常用的检相方案无需采用电域混频器结构，避免了电子混频器带来的相位随温度漂移、相位随频率的相关性问题，有利于提高检测的灵敏度与稳定性，并实现快速检测。

[0027] 进一步地，所述模数转换器采用8～24位的模数转换器。

[0028] 进一步地，所述处理器提取数字信号中的驻波信息，通过分析调制微波频率与采集信号的关系，从而得到待测光路与参考光路信号的相对时延差，并根据该相对时延差控制射频信号源的输出信号频率。

[0029] 本发明装置采用重复频率快速可调光频梳信号发生器，发射低相位噪声、极低时钟抖动的光频梳信号，提高测量的准确性，并实现快速测量；同时本发明采用光频梳信号作为载波信号，在光域上占有一定的光谱宽度，当参考光路与待测光路光程差满足一定的最小值时，两路光信号经过3dB耦合器合成后在光域上是非相干的，因而其合成的信号强度不会受到两路随机相位漂移的影响，系统抗干扰能力强；且本发明装置并用了频域驻波法进行时延测量，使结构变得更加简单，对时延检测的范围大。

附图说明

[0030] 图1为本发明光路时延快速测量装置的结构示意图。

具体实施方式

[0031] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

[0032] 如图1所示，本发明基光路时延快速测量装置包括：光梳发生器1、分光器2、待测光路3、参考光路4、合路器5、光电探测器6、放大器7、包络检波器8、低通滤波器9、模数转换器10、处理器11、射频信号源12；其中：光梳发生器1用于发射低相位噪声、极低时钟抖动的光频梳信号，输入到分光器2；分光器2用于对光频梳信号进行功率平分，输出两路相同的光频梳信号F1和F2，一路输入到待测光路3，另一路输入到参考光路4；合路器5用于将待测光路3与参考光路4的输出信号合成光信号F3，输入到光电探测器6；光电探测器6用于将光信号F3转换成电信号R1，输入到放大器7；放大器7用于对电信号R1进行信号放大，输入到包络检波器8；包络检波器8用于对放大后的电信号R1进行包络检波，快速提取其信号强度信息从而输出电信号R2；低通滤波器9用于对电信号R2进行低通滤波；模数转换器10用于对滤波后的电信号R2进行采样，得到数字信号；处理器11用于对数字信号进行分析，得到待测光路3与参考光路4信号相对时延差，通过控制射频信号源12的频率，实现光频梳信号源的重复频率的调节，对于固定光时延差的两路光信号经过合成后可以在光电探测器6上得到频域上的频率间隔均匀的梳状结构；射频信号源12输出频率可调，用于控制光梳发生器1的重复频率。

[0033] 本实施方式中，光梳发生器1采用低相位噪声、极低时钟抖动且重复频率快速可调的光频梳信号源；分光器2采用3dB光耦合器，实现光功率的平分；参考光路4与待测光路3光程差满足一定的最小值，使两路光信号经过3dB耦合器合成后在光域上是非相干的，其合成的信号强度不会受到两路随机相位漂移的影响，经过光电转换两路信号产生的稳定的电域矢量合成信号R1；光电探测器6采用宽带光电探测器；低通滤波器9带宽设为包含时延控制装置所输出的频率，以保证测试灵敏度，且对输出信号中杂波失真成分有很好抑制作用；包络检波器8采用包络检波技术，相对于常用的检相方案无需采用电域混频器结构，避免了电子混频器带来的相位随温度漂移、相位随频率的相关性问题，有利于提高检测的灵敏度与稳定性，并实现快速检测；模数转换器10采用8至24位的模数转换器；处理器11提取数字信号中的驻波信息，通过分析调制微波频率与采集的信号关系，就可以得出参考光路4与待测光路3的相对时延差，并控制射频信号源12输出频率。

[0034] 本实施方式的工作原理为：利用光频梳信号经过待测光路与参考光路经过光合路后的频域驻波法，实现两条光路时延差的测量。如图1所示，重复频率快速可调的光频梳信号经过分光器后分成两路，其中的一路由光纤适配器连接待测光路，另一路连接参考光路，两路光在光纤上由3dB耦合器实现合路后输出到光探测器；由于光频梳信号在光域上占有一定的光谱宽度，当参考光路与待测光路光程差满足一定的最小值时，两路光信号经过3dB耦合器合成后在光域上是非相干的，因而其合成的信号强度不会受到两路随机相位漂移的影响，经过光电转换两路信号产生的稳定的电域矢量合成。

[0035] 经由待测光路与参考光路的两路微波信号相位同相时，具有最大的检测信号幅度；当两路微波信号相位反向时，具有最小的信号幅度。当待测光时延固定不变的情况下，这两路微波信号的相位差就与微波频率有关，这样可以通过改变调制微波频率，得到光电检测后两路微波信号的相位差有规则相应的变化：

[0036]

[0037] 其中：f为微波频率，ΔT为待测光路与参考光路的相对时延差；当两相位差满足2Kπ+π(K为整数)时，可以得到光电检测信号幅度的一系列极小值，这些极小值点对应的微波频率满足：

[0038]

[0039] 其中：N为整数；因此通过分析调制微波频率与采集的信号关系，就可以得出待测光路与参考光路的相对时延差；通过快速调节光频梳信号源的重复频率，对于固定光时延差的两路光信号经过合成后可以在光电检测器上得到频域上的频率间隔均匀的梳状结构。

[0040] 在技术实现上，只要检测相邻两个极小值间的频率差，就可以实现此相对时延差的测量。实际系统实现中，光电探测的微波信号经过信号放大后直接通过包络检波器以及低通滤波后转换为低频信号，在低频段进行数据采样量化处理。

[0041] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。