基于匹配延迟采样光相干系统及测量与补偿相位噪声方法

摘要

本发明提供了一种基于匹配延迟采样光相干系统及测量与补偿相位噪声方法，光信号通过第二光耦合器形成第三路输出端和第四路输出端，第三路输出端通过保偏光纤与90度混合光耦合器的第一个输入端相连接，并由90度混合光耦合器的第五路输出端输出，第四路输出端直接与90度混合光耦合器的第二个输入端相连接，并由90度混合光耦合器的第六路输出端输出，第五路输出端与第一差分光电探测器的输入端相连接，第六路输出端与第二差分光电探测器的输入端相连接，并由两个差分光电探测器的输出端输出。本发明可用短距离光纤进行测量，避免了采用长距离光纤，由于结果是累积相位噪声，可以对多种不同类型或不同长度的相干系统进行补偿。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光相干通信和光相干测量技术领域的测量和补偿相干系统相 位噪声的方法，具体地，涉及一种基于匹配延迟采样光相干系统及测量与补偿相位 噪声方法。

背景技术

光相干系统由于其极高的灵敏度，被运用于光纤通信、光纤传感等领域，例如 光频域反射计(0FDR)。如图1所示，为光频域反射计(OFDR)测量系统原理图。光 频域反射计(OFDR)由扫频激光器、两个光耦合器、一个环形器、一个光电探测器构 成，利用激光在光纤中的瑞利后向散射，以相干的方式在频域上分布式测量光纤的反射 率。扫频激光器产生的光信号由光耦合器I分为两路，一路光信号通过环形器进入待测 光纤，待测光纤的瑞利后向散射再通过环形器进入光耦合器II的输入端I，另一路直接 进入光耦合器II的输入端I，光耦合器II的输出光信号进入光电探测器转化为电信号， 由数据采集卡采集数据之后做傅里叶变换转换到频域上，即可反映光纤的分布式反射迹 线。然而由于相位噪声的存在，会大幅度降低相干系统的可用性。经过检索相关文 献，现在相干系统中的方法主要是利用一个辅助干涉臂来补偿相位噪声，有两种方 式进行补偿。一种是模拟的方式，Brian J.Soller等人发表在学术杂志《0pitcs  Express》(光学快报)中的学术论文“High resolution optical frequency domain  reflectometry for characterization of components and assemblies”(用于 组装件和部件的特征描述的高分辨率光频域反射计)中提到可以利用辅助干涉臂输 出时钟信号对相干系统进行补偿，这种方式可以获得较好的效果，但是需要很长的 辅助干涉臂以获得足够频率的时钟信号，这增加了系统的不稳定性。另一种是数字 的方式，Tae-Jung Ahn等人发表在学术杂志《Applied Optics》(应用光学)中的学 术论文“Suppression of nonlinear frequency sweep in an optical  frequency-domain reflectometer by use of Hilbert transformation”(利用 希尔伯特变换抑制光频域反射计中的非线性扫频)中提到利用采集辅助干涉臂的信 号进行重采样，从而补偿相干系统的相位噪声，这种方法可以获得很好的补偿效果， 但是只能针对补偿变化较慢的相位噪声，例如非线性扫频带来的相位噪声，适用范 围小。

发明内容

本发明的目的在与克服现有相位噪声测量与补偿方法的不足，提出了一种基于 匹配延迟采样光相干系统及测量与补偿相位噪声方法，缩短了测量相位噪声时需要 的光纤长度，可以补偿快速变化的相位噪声，并可以对不同类型和不同延迟差的相 干系统进行补偿。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的第一个方面，提供了一种基于匹配延迟采样的测量与补偿系统， 包括第二光耦合器、90度混合光耦合器以及差分光电探测器，光信号通过所述第二 光耦合器形成第三路输出端和第四路输出端，所述第三路输出端通过保偏光纤与90 度混合光耦合器的第一个输入端相连接，并由90度混合光耦合器的第五路输出端 输出，所述第四路输出端直接与90度混合光耦合器的第二个输入端相连接，并由 90度混合光耦合器的第六路输出端输出，所述差分光电探测器包括第一差分光电探 测器和第二差分光电探测器，所述第五路输出端与第一差分光电探测器的输入端相 连接，所述第六路输出端与第二差分光电探测器的输入端相连接，并由两个差分光 电探测器的输出端输出。

优选地，所述第五路输出端和第六路输出端分别有两个输出端口，相应地，每 一个差分光电探测器均设有两个输入端口。

优选地，两个差分光电探测器的参数一致。

根据本发明的第二个方面，提供了一种上述基于匹配延迟采样的测量与补偿系 统的方法，包括以下步骤：

步骤1，光信号通过第二光耦合器分为第三路光信号和第四路光信号，其中第 三路光信号经过保偏光纤，输入到90度混合光耦合器的第一个输入端，第四路光 信号直接输入到90度混合光耦合器的第二个输入端；

步骤2，90度混合光耦合器的第五路输出端和第六路输出端的光信号分别输入 到差分光电探测器的输入端中，并由两个差分光电探测器的输出端输出。

优选地，所述90度混合光耦合器的第一个输入端的输入信号为S，第二个输入端 的输入信号为L，则，90度混合光耦合器第五路输出端的两个端口输出的信号分别为 S+L，S-L，90度混合光耦合器第六路输出端的两个端口输出的信号分别为S+jL，S-jL， 其中，j为虚数单位。

根据本发明的第三个方面，提供了一种基于匹配延迟采样光相干系统，包括激 光器、第一光耦合器、光频域反射计测量系统以及上述测量与补偿系统，所述激光 器通过第一光耦合器形成第一路输出端和第二路输出端，其中，所述第一路输出端 与光频域反射计测量系统的输入端相连接，所述第二路输出端与测量与补偿系统的 第二光耦合器的输入端相连接。

优选地，还包括数据采集卡和计算机，所述光频域反射计测量系统的输出端以 及测量与补偿系统的两个差分光电探测器的输出端均与数据采集卡的输入端相连 接，所述数据采集卡的输出端与计算机相连接。

优选地，所述第二光耦合器的耦合点和90度混合光耦合器的耦合点之间的两路光 信号传播延迟时间差与数据采集卡的采样周期相等。

根据本发明的第四个方面，提供了一种上述基于匹配延迟采样光相干系统的测 量与补偿相位噪声方法，包括以下步骤：

第一步，激光器输出的光信号通过第一保偏耦合器分为第一路光信号和第二路 光信号，其中，第一路光信号经过光频域反射计测量后输出，第二路光信号经过第 二光耦合器分为第三路光信号和第四路光信号，其中，第三路光信号经过保偏光纤， 输入到90度混合光耦合器的第一个输入端，第四路光信号直接输入到90度混合光 耦合器的第二个输入端；

第二步，90度混合光耦合器的第五路输出端和第六路输出端的光信号分别输入 到差分光电探测器的输入端中；

第三步，差分光电探测器输出端输出的电信号与第一路光信号共同输入到数据 采集卡的输入端，同步进行数据采集；

第四步，对数据采集卡接收到的数据进行数据处理，得到光信号的相对相位信 息，即激光的相位噪声的时域反映；

第五步，同步采集的第一路光信号为待补偿数据，与第四步得到的数据一起通 过计算机进行处理，即得到相位噪声补偿结果。

优选地，所述第四步中的数据处理具体为：将第一差分光电探测器的输入端口采 集到的数据作为实数部分，第二差分光电探测器的输入端口采集到的数据做为虚数部 分，得到一组复数数据，求取其相位，将相位逐个累加，即得到激光时域上的相位信息。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

采用短距离光纤进行测量，避免了采用长距离光纤，可以补偿快速变化的相位 噪声，由于结果是累积相位噪声，可以对多种不同类型或不同长度的相干系统进行 补偿。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有光频域反射计(0FDR)测量系统原理图；

图2为本发明基于匹配延迟采样的测量与补偿系统结构原理图

图3为本发明基于匹配延迟采样光相干系统结构原理图；

图4为现有光频域反射计(未补偿时)测量的尾端反射点处的迹线图；

图5为经过本发明补偿之后光频域反射计测量的尾端反射点处的迹线图；

图中：1为光耦合器I，2为光耦合器II，3为环形器，4为第一光耦合器，5 为第二光耦合器，6为保偏光纤。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实 施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发 明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于匹配延迟采样的测量与补偿系统，包括第二光耦合器、 90度混合光耦合器以及差分光电探测器，光信号通过所述第二光耦合器形成第三路 输出端和第四路输出端，所述第三路输出端通过保偏光纤与90度混合光耦合器的 第一个输入端相连接，并由90度混合光耦合器的第五路输出端输出，所述第四路 输出端直接与90度混合光耦合器的第二个输入端相连接，并由90度混合光耦合器 的第六路输出端输出，所述差分光电探测器包括第一差分光电探测器和第二差分光 电探测器，所述第五路输出端与第一差分光电探测器的输入端相连接，所述第六路 输出端与第二差分光电探测器的输入端相连接，并由两个差分光电探测器的输出端 输出。

进一步地，所述第五路输出端和第六路输出端分别有两个输出端口，相应地， 每一个差分光电探测器均设有两个输入端口。

进一步地，两个差分光电探测器的参数一致。

图2为实施例1的工作原理图。

实施例1提供的上述基于匹配延迟采样的测量与补偿系统，其测量与补偿方法， 包括以下步骤：

步骤1，光信号通过第二光耦合器分为第三路光信号和第四路光信号，其中第 三路光信号经过保偏光纤，输入到90度混合光耦合器的第一个输入端，第四路光 信号直接输入到90度混合光耦合器的第二个输入端；

步骤2，90度混合光耦合器的第五路输出端和第六路输出端的光信号分别输入 到差分光电探测器的输入端中，并由两个差分光电探测器的输出端输出。

进一步地，所述90度混合光耦合器的第一个输入端的输入信号为S，第二个输入 端的输入信号为L，则，90度混合光耦合器第五路输出端的两个端口输出的信号分别为 S+L，S-L，90度混合光耦合器第六路输出端的两个端口输出的信号分别为S+jL，S-jL， 其中，j为虚数单位。

实施例2

本实施例提供了一种基于匹配延迟采样光相干系统，包括激光器、第一光耦合 器、光频域反射计测量系统以及上述测量与补偿系统，所述激光器通过第一光耦合 器形成第一路输出端和第二路输出端，其中，所述第一路输出端与光频域反射计测 量系统的输入端相连接，所述第二路输出端与测量与补偿系统的第二光耦合器的输 入端相连接。

进一步地，还包括数据采集卡和计算机，所述光频域反射计测量系统的输出端 以及测量与补偿系统的两个差分光电探测器的输出端均与数据采集卡的输入端相 连接，所述数据采集卡的输出端与计算机相连接。

进一步地，所述第二光耦合器的耦合点和90度混合光耦合器的耦合点之间的两路 光信号传播延迟时间差与数据采集卡的采样周期相等。

图3为实施例2的工作原理图。

如图3所示，本实施例的部件和组件主要包括：第一光耦合器和第二光耦合器均 为保偏光耦合器，一个90度混合光耦合器，一个长度约为4m的保偏光纤，两个参数一 致的差分光电探测器，一个采样频率为50MHz的数据采集卡，一个扫频激光器：其扫 频速率约为133GHz／s，一个光频域反射计测量系统，一根1.5km的待测光纤。

本实施例的工作原理为：扫频激光器的输出光信号通过第一光耦合器分为两路，一 路通过光频域反射计测量系统，一路通过第二光耦合器再分为两路，一路通过长度约4m 的保偏光纤，和另一路一起通过90度混合光耦合器。90度混合光耦合器输出的4路由 两个参数一致的差分光电探测器接收。最后和光频域反射计测量系统的输出信号一起由 数据采集卡同步采样，采样的数据经过数据处理得到激光器的相位噪声信息，用其最终 补偿光频域反射计测量系统的相位噪声。

本发明提供的上述基于匹配延迟采样光相干系统，其测量与补偿相位噪声方 法，包括以下步骤：

第一步，激光器输出的光信号通过第一保偏耦合器分为第一路光信号和第二路 光信号，其中，第一路光信号经过光频域反射计测量后输出，第二路光信号经过第 二光耦合器分为第三路光信号和第四路光信号，其中，第三路光信号经过保偏光纤， 输入到90度混合光耦合器的第一个输入端，第四路光信号直接输入到90度混合光 耦合器的第二个输入端；

第二步，90度混合光耦合器的第五路输出端和第六路输出端的光信号分别输入 到差分光电探测器的输入端中；

第三步，差分光电探测器输出端输出的电信号与第一路光信号共同输入到数据 采集卡的输入端，同步进行数据采集；

第四步，对数据采集卡接收到的数据进行数据处理，得到光信号的相对相位信 息，即激光的相位噪声的时域反映；

第五步，同步采集的第一路光信号为待补偿数据，与第四步得到的数据一起通 过计算机进行处理，即得到相位噪声补偿结果。

进一步地，所述第四步中的数据处理具体为：将第一差分光电探测器的输入端口 采集到的数据作为实数部分，第二差分光电探测器的输入端口采集到的数据做为虚数 部分，得到一组复数数据，求取其相位，将相位逐个累加，即得到激光时域上的相位信 息。

具体如下：

一、测量相位噪声。

扫频激光器的输出光信号可表示为，其中E₀为光 场振幅，e为自然对数的底，j为虚数单位，为激光器输出光信号的相位，t为时间， γ为扫频速率，ω₀t为起始频率，ε(t)为相位噪声项。输入90度混合光耦合器两路信号设 为S和L，则且其中T_ref为第二光耦合器耦合点与90度混合 光耦合器耦合点之间两路的延迟差。本实施例中，T_ref为20ns，90度混合光耦合器四路 输出的光信号分别为S+L，S-L，S+jL，S-jL。

经两个参数一致的差分光电探测器接收输出的电信号分别为：

其中σ为差分光电探测器的灵敏度。

经数据采集卡采集的离散信号则为：

其中t_i为数据采集卡第i个采样时刻，采集卡的采样间隔为Δt＝t_i-t_i-1。

将这两个信号合成复信号S_ref(t_i)=S_ref1(t_i)+jS_ref2(t_i)，求取其相位，可得在t_i时刻 的相位为：

若采集卡的采样间隔Δt满足Δt=T_ref，则有：

将X(t_i)做累加，则有：

故相位噪声项为：

二、补偿相位噪声。

扫频激光器的输出光信号通过OFDR得到的信号正比为：

其中τ为待测光纤的往返延迟，R(τ)为待测光纤在往返延迟为τ处的后向瑞利散射率， T_m为最远测量距离的往返延迟。

如图3所示，为OFDR测量到的待测光纤尾端反射点处的迹线图。可以看到由于相 位噪声的影响，本应是尖峰的反射点迹线变成了洛伦兹图形。

由上一步可以得到ε(t)，令e(t)=e^-jε(t)，令S₁(t)=S(t)e(t)，对S₁(t)进行傅里叶变换：

引入残余视频相位项exp(jπf²／γ)，变为：

$\left(\begin{array}{c}{\tilde{S}}_{1_{\mathrm{RVP}}}\left(f\right)={\tilde{S}}_1\left(f\right)\exp \left(\mathrm{j\pi }\frac{f_2}{\gamma }\right)\\ ={\int }_0^{{\tau }_m}R\left(\tau \right)\tilde{e}(f-\mathrm{\gamma \tau })\exp \left[j(\pi /\gamma {(f-\mathrm{\gamma \tau })}^2+{\phi }_{C_2})\right]\mathrm{d\tau }\end{array}\right)$

以上φC₁、φC₂为固定相位项。令则：

${\tilde{S}}_{1_{\mathrm{RVP}}}\left(f\right)={\int }_0^{{\tau }_m}R\left(\tau \right){\tilde{e}}_{\mathrm{RVP}}(f-\mathrm{\gamma \tau })\exp \left({\mathrm{j\phi }}_{C_2}\right)\mathrm{d\tau }$

对其做傅里叶逆变换：

${\tilde{S}}_{1_{\mathrm{RVP}}}\left(f\right)={\int }_0^{{\tau }_m}R\left(\tau \right){\tilde{e}}_{\mathrm{RVP}}\left(t\right)\exp (-2\mathrm{\pi \gamma \tau t})\exp \left({\mathrm{j\phi }}_{C_2}\right)\mathrm{d\tau }$

设的傅里叶逆变换为e_RVP(f)，令：

$\left(\begin{array}{c}{S}_2\left(t\right)=S_{1_{\mathrm{RVP}}}\left(t\right)/{ϵ}_{\mathrm{RVP}}\left(t\right)\\ ={\int }_0^{{\tau }_m}R\left(\tau \right)\exp (-j2\mathrm{\pi \gamma \tau t}+{\mathrm{j\phi }}_{C_2})]\mathrm{d\tau }\end{array}\right)$

这即为补偿之后的信号，其频谱即为补偿后的OFDR的反射迹线。

图4为补偿之后的待测光纤尾端反射点的迹线图。

在本实施例中，激光输出的光信号通过保偏光耦合器分为两路，经过不同的延 迟，再由90度混合光耦合器耦合；90度光耦合器输出由两个参数一致的差分耦合 器接收；数据采集卡采集差分光电探测器的输出，并对数据采集卡采集的数据进行 数据处理，得到光信号的相对相位信息，这即是激光的相位噪声的时域反映；如果 需要补偿相干系统，则将相干系统与以上数据同步采样，同步采集的待补偿数据与 得到的激光的相位噪声的时域反映结果一起进行算法处理，处理结果即是相位噪声 补偿结果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。