动态频偏矫正的方法及相干光时域反射仪系统

摘要

本发明公开了一种动态频偏矫正的方法及相干光时域反射仪系统，方法包括：对激光器输出的激光进行分光处理，生成探测光和控制光；将控制光输入到MZI中进行干涉，对干涉后的控制光进行光电转换，得到第一电信号；根据第一电信号控制在所述MZI的两臂上传输的光信号的光程差，使得所述光程差为所述激光波长的四分之一；根据所述第一电信号，计算得到激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度；根据所述偏差度进行相应的补偿。本发明将激光器输出的激光划分为探测光和控制光，根据控制光计算得到激光的实际中心频率相对于激光的中心频率的标准值的偏差度；根据偏差度对激光器输出的激光进行相应的矫正控制，提高光相干探测性能。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种动态频偏矫正的方法及相干光时域反射仪系统。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，网络的光纤化一直是网络发展的主要趋势之一。而海底光缆又是网络光纤化很重要的环节，对长距离海海底光缆的实时监测也成为网络维护的重要内容。

在对海底光缆进行检测时，采用相干光时域反射仪(coherence optical time-domain reflectometer，以下简称COTDR)进行测试，在COTDR系统中，由于需要对超长距离的激光反射信号进行探测，激光器在测量期间的频率漂移将影响到接收机接收频率。为了不丢失信号，需要扩大接收机的接收通带，由此将导致噪声功率的涌入，从而造成接收系统信噪比下降。因此，COTDR的探测性能将受制于光源的频率稳定性。在传统方案中，往往要使用频率稳定性极高的激光器作为光源，这会极大地增加带有COTDR的通信系统的成本。

现有技术的方案中，在测量激光器的频率是否偏离中心频率进行监测，如果发生偏离，则对光源进行调整。但是现有技术存在如下的缺点：由于COTDR中对光源线宽要求很高，对光源频率的调整会影响到光源线宽，因此，会影响到检测效果。

发明内容

本发明提供一种动态频偏矫正的方法及相干光时域反射仪系统，用以提高相干光探测性能，减少对光源线宽的要求，提高频率偏移的矫正的效果。

本发明实施例提供一种动态频偏矫正的方法，应用在相干光时域反射仪系统中消除激光器的频率漂移所带来的影响，包括：

对所述激光器输出的激光进行分光处理，生成探测光和控制光；

将所述控制光输入到马赫-泽德干涉仪MZI中进行干涉，得到干涉后的控制光；

对所述干涉后的控制光进行光电转换，得到第一电信号；

根据所述第一电信号控制在所述MZI的两臂上传输的光信号的光程差，使得所述光程差为所述激光的波长的四分之一；

根据所述第一电信号，计算得到所述激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度；

根据所述偏差度进行相应的补偿，使得从下行链路传输回来的光信号经接收后得到的基带信号的实际中心频率收敛于所述基带信号的中心频率的标准值。

本发明实施例还提供了一种相干光时域反射仪系统，包括：激光器、第一分光器、马赫泽德干涉仪MZI、光电探测器、第一控制器、第二控制器，调制器和调制源；

所述激光器，用于产生激光；

所述第一分光器，用于对所述激光进行分光，得到探测光和控制光；

所述MZI，用于对输入的所述控制光进行干涉，得到干涉后的控制光；

所述光电探测器，用于将所述干涉后的控制光进行光电转换得到第一电信号；

所述第一控制器，用于根据所述第一电信号产生控制信号，以对所述MZI进行控制，使得所述MZI的两臂上传输的光信号的光程差为所述激光的波长的四分之一；

所述调制器，用于对所述探测光进行调制，生成探测光脉冲；

所述调制源，用于产生调制控制信号控制所述调制器对所述探测光进行调制；

所述第二控制器，用于根据所述第一电信号，计算得到所述激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度，并基于所述偏差度，产生控制信号以控制所述调制源输出所述调制控制信号的输出频率，使得所述调制器调制生成的所述探测光脉冲的实际中心频率收敛于所述激光的中心频率的标准值。

本发明实施例还提供了一种相干光时域反射仪系统，所述系统包括：激光器、第一分光器、马赫泽德干涉仪MZI、光电探测器、第一控制器、第二控制器，调制器、调制源、相干接收机、混频器和振荡器；

所述激光器，用于产生激光；

所述第一分光器，用于对所述激光进行分光，得到探测光和控制光；

所述MZI，用于对输入的所述控制光进行干涉，得到干涉后的控制光；

所述光电探测器，用于将所述干涉后的控制光进行光电转换得到第一电信号；

所述第一控制器，用于根据所述第一电信号产生控制信号，以对所述MZI进行控制，使得所述MZI的两臂上传输的光信号的光程差为所述激光的波长的四分之一；

所述调制器，用于对所述探测光进行调制，生成探测光脉冲；

所述调制源，用于产生调制控制信号控制所述调制器对所述探测光进行调制；

所述相干接收机，用于接收从下行链路中传输回来的光信号，并对所述从下行链路中传输回来的光信号进行相干处理，得到第二电信号；

所述振荡器，用于产生电本振信号；

所述混频器，用于将所述电本振信号与所述第二电信号进行混频，得到基带信号；

所述第二控制器，用于根据所述第一电信号，计算得到所述激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度，并基于所述偏差度，产生控制信号以控制所述振荡器调谐其输出的所述电本振信号的频率，使得所述混频器得到的所述基带信号的实际中心频率收敛于所述激光的中心频率的标准值。

本发明将激光器输出的激光划分为探测光和控制光，根据控制光计算得到激光的实际中心频率相对于激光的中心频率的标准值的偏差度；根据该偏差度进行相应的补偿，以消除激光器的激光的中心频率的漂移所带来的影响，提高光相干探测性能，并且能够减少对光源线宽的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明一实施例提供的动态频偏矫正的方法流程图；

图1b为本发明一实施例提供的相干光时域反射仪系统的示意图；

图1c为本发明一实施例提供的相干光时域反射仪系统的示意图；

图1d为本发明一实施例提供的相干光时域反射仪系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例通过对激光器的频偏进行检测，并进行相应的频率偏移的矫正，由此消除激光器输出的激光的频率漂移所带来的影响，能够降低通信系统对带宽的要求，并提高相干光时域反射仪系统的性能。

图1a所示为本发明一实施例提供的一种动态频偏矫正的方法流程图，包括：

步骤11、对激光器输出的激光进行分光处理，生成探测光和控制光。

在本实施例中，通过一分光器如耦合器对激光进行分光处理，生成探测光和控制光。探测光的功率用于产生探测光脉冲对链路光纤进行故障定位及探测，其功率应远大于控制光的功率，可选的，探测光与控制光的比例可以为图中所示的99∶1。

步骤12、将所述控制光输入到马赫-泽德干涉仪MZI中进行干涉，得到干涉后的控制光；

步骤13、对所述干涉后的控制光进行光电转换，得到第一电信号；

步骤14、根据所述第一电信号控制在所述MZI的两臂上传输的光信号的光程差，使得所述光程差为所述激光的波长的四分之一；

本实施例中使用马赫泽德干涉仪MZI对控制光进行干涉，得到干涉后的控制光，然后对该干涉后的控制光进行光电转换，得到第一电信号。由于该第一电信号的功率大小能够反映MZI中两臂的光程差(也即两臂上传输的光信号的光程差)，故可以根据该第一电信号调整MZI两臂的光程差，使得光程差为该激光的四分之一，以此修正温度以及振动等外界因素对MZI探测的影响。MZI可以通过调整压电陶瓷的伸缩度以调整MZI两臂的光程差。当MZI两臂的光程差正好为激光波长的四分之一时，所述MZI的输出处于线性输出区，输出的光强与激光器输出的激光的中心频率的漂移程度呈正比。

步骤15、根据所述第一电信号，计算得到所述激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度。

步骤16、根据所述偏差度进行相应的补偿，使得从下行链路传输回来的光信号经接收后得到的基带信号的实际中心频率收敛于所述基带信号的中心频率的标准值。

在得到激光的实际中心频率相对于激光中心频率的标准值的偏差度后，可以采取如下两种方式使得从下行链路传输回相干光时域反射仪系统的光信号经接收后得到的基带信号的实际中心频率收敛于该基带信号的中心频率的标准值，以消除由于激光器输出的激光的中心频率漂移所带来的影响。

方式一：将所述探测光与所述相干光时域反射仪系统接收到的来自下行链路的光信号进行相干处理，对相干处理得到的光信号进行光电转换，得到第二电信号；根据所述偏差度，控制用于与所述第二电信号进行混频得到所述基带信号的电本振信号的频率，使得所述基带信号的实际中心频率收敛于所述基带信号的中心频率的标准值。

方式二：在将所述探测光进行调制生成探测光脉冲时，根据所述偏差度控制用于进行所述调制的调制源的输出频率，使得所述探测光脉冲的中心频率收敛域于所述激光的中心频率的标准值。

在本实施例中，可以通过一分光器将探测光进行划分，将划分出的一部分探测光输出到相干接收机，通过相干接收机对从下行链路中传输回来的光信号进行相干处理，得到第二电信号；将所述电本振信号与所述第二电信号进行混频，得到基带信号；然后根据偏差度，控制用于与所述第二电信号进行混频得到所述基带信号的电本振信号的频率，使得所述基带信号的实际中心频率收敛于所述基带信号的中心频率的标准值。

以下结合具体的应用场景对动态频偏矫正的方法进行具体说明，本实施例的相干光时域反射仪系统可以为如图1b所示的系统，包括：激光器1，耦合器A2，光电探测器7，第一控制器8，第二控制器10，调制源11，调制器12，以及MZI5；其中，MZI5包括，耦合器B3、压电陶瓷9和耦合器C6。

以下结合该相干光时域反射仪系统，详细说明动态频偏矫正的方法。

激光器1输出的光功率经过耦合器A2后分作两路输出，其中一路输出大部分功率，作为探测光供探测用；另一路输出功率较小，作为控制光供控制用。

控制光输入MZI5的耦合器B3的分作两路，两路光通过不同的路径到达MZI5的耦合器C6做相干处理，其输出光的强度将反映两臂光程的差异。MZI5对输入的控制光进行干涉后，得到的控制光输入光电探测器7，光电探测器7对其进行光电转换后，得到第一电信号以用于控制器产生控制信号。

光电探测器7将该第一电信号传输给第一控制器8。第一控制器8做出控制决策，产生控制信号以对MZI5进行控制，控制MZI5中的压电陶瓷9的伸缩以调节MZI5两臂的光程差，使得光程差为该激光波长的四分之一，修正温度以及振动等外界因素对MZI5的影响，使得MZI5的输出始终处在线性输出区。第一控制器8对MZI5的反馈控制就可以在一定程度上修正了外界因素对MZI5的影响。

进一步的，还需执行以下的步骤以进一步消除激光器输出的激光的中心频率的漂移。

将所述光电探测器7输出的第一电信号输入第二控制器10；由第二控制器10根据该第一电信号，计算得到所述激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度；由第二控制器10根据该偏差度，做出相应的控制以补偿所述激光中心频率的漂移。第二控制器10根据该偏差度，做控制决策，在将所述探测光进行调制生成探测光脉冲时，根据所述偏差度控制用于进行调制控制的调制源11的输出频率，使得所述探测光脉冲的实际中心频率收敛域于所述激光的中心频率的标准值。

在对调制源11进行了调整后，探测光进入调制器12接受调制，生成探测光脉冲，该探测光脉冲的中心频率进行了矫正，通过上行链路13进入被监测的光缆，使得输入光缆的探测光脉冲的中心频率始终处在标准值附近。由于本发明实施例中产生的探测光脉冲的中心频率已经进行了矫正，故该探测光脉冲在光纤中发生反射和/或散射的光信号，下行链路传输回相干光时域反射仪系统后，经接收得到的基带信号的实际中心频率就能收敛于该基带信号的中心频率的标准值，从而也就消除了由于激光器的中心频率漂移所带来的影响。

在另一种应用场景中，相干光时域反射仪系统可以设计成如图1c所示的系统，包括：激光器1，耦合器A2，光电探测器7，第一控制器8，第二控制器10，调制源11，调制器12以及MZI5；其中，MZI5包括，耦合器B3、压电陶瓷9和耦合器C6。

在此基础上，该系统还包括：相干接收机15、混频器17、振荡器16和基带滤波器18。

以下结合该相干光时域反射仪系统，详细说明动态频偏矫正的方法。

激光器1输出的光功率经过耦合器A2后分作两路输出，其中一路输出大部分功率，作为探测光供探测用；另一路输出功率较小，作为控制光供控制用。

控制光输入MZI5的耦合器B3后分作两路，两路光通过不同的路径到达MZI5的耦合器C6做相干处理，其输出光的强度将反映两臂光程的差异。MZI5对输入的控制光进行干涉后，得到的控制光输入光电探测器7，光电探测器7对其进行光电转换后，得到第一电信号以用于控制器产生控制信号。

光电探测器7将该第一电信号传输给第一控制器8。第一控制器8做出控制决策，产生控制信号以对MZI5进行控制，控制MZI5中的压电陶瓷9的伸缩以调节MZI5两臂的光程差，使MZI5两臂的光程差为该激光波长的四分之一。

该系统中的，调制源11产生调制控制信号控制所述调制器12对所述探测光进行调制；调制器12对所述探测光进行调制，生成探测光脉冲。

相干接收机15，接收从下行链路中传输回来的光信号，并对所述从下行链路中传输回来的光信号进行相干处理，得到第二电信号。

振荡器16，用于产生电本振信号。

混频器17，用于将所述电本振信号与所述第二电信号进行混频，得到基带信号。

本实施例进行动态频偏的矫正的方法如下：

将所述光电探测器7输出的第一电信号输入第二控制器10；由第二控制器10根据该第一电信号，计算得到所述激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度；并基于所述偏差度，产生控制信号以控制所述振荡器16调谐其输出的所述电本振信号的频率，使得所述混频器17得到的所述基带信号的实际中心频率收敛于所述激光的中心频率的标准值，由此实现了动态频偏的矫正。

在本实施例中，还可以通过一耦合器将探测光进行划分，将划分出的一部分探测光输出到相干接收机，此时的相干光时域反射仪系统如图1d所示，通过耦合器D，将探测光分成两部分，一部分输入调制器12进行调制，另一部分输入相干接收机15与从下行链路中传输回来的光信号进行相干处理，产生第二电信号，第二控制器10调谐后产生的的电本振信号与该第二电信号进行混频，得到的基带信号的实际中心频率收敛于所述基带信号的中心频率的标准值，由此实现了动态频偏的矫正。

本实施例将激光器输出的激光划分为探测光和控制光，根据控制光计算得到激光的实际中心频率相对于激光的中心频率的标准值的偏差度；根据该偏差度进行相应的补偿控制，以消除激光器的中心频率漂移所带来的影响，提高光相干探测性能，并且能够减少对光源线宽的要求。

本发明一实施例提供了一种相干光时域反射仪系统，该系统的结构示意图可以参见图1c。包括：激光器1、第一分光器2(可以为图示中的耦合器A)、MZI5、光电探测器7、第一控制器5、第二控制器10，调制器12和调制源11。

所述激光器1，用于产生激光；

所述第一分光器2，用于对所述激光进行分光，得到探测光和控制光；

所述MZI5，用于对输入的所述控制光进行干涉，得到干涉后的控制光；

所述光电探测器7，用于将所述干涉后的控制光进行光电转换得到第一电信号；

所述第一控制器8，用于根据所述第一电信号产生控制信号，以对所述MZI5进行控制，使得所述MZI5的两臂上传输的光信号的光程差为所述激光的波长的四分之一；

所述调制器12，用于对所述探测光进行调制，生成探测光脉冲；

所述调制源11，用于产生调制控制信号控制所述调制器12对所述探测光进行调制；

所述第二控制器10，用于根据所述第一电信号，计算得到所述激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度，并基于所述偏差度，产生控制信号以控制所述调制源11输出所述调制控制信号的输出频率，使得所述调制器12调制生成的所述探测光脉冲的实际中心频率收敛于所述激光的中心频率的标准值。

此外，本实施例的所述系统还进一步包括：相干接收机15，用于接收从下行链路中传输回来的光信号，并对所述从下行链路中传输回来的光信号进行相干处理。

在基于图1c所示的相干光时域反射仪系统的基础上，还可以通过一分光器将探测光进行划分，将划分出的一部分探测光输出到相干接收机15。此时需要对系统进行进一步的改进，改进后的相干光时域反射仪系统的结构示意图可参见图1d所示，此时，所述系统还进一步包括：第二分光器4(可以为图1d所示中的耦合器D)，用于从所述探测光中分出一部分光，并将其输入到所述相干接收机15。

本实施例中的相干光时域反射仪系统的各模块之间的交互机理和功能可参见图1a至图1d对应实施例的记载，在此不再赘述。

本实施例将激光器输出的激光划分为探测光和控制光，根据控制光计算得到激光的实际中心频率相对于激光的中心频率的标准值的偏差度；根据该偏差度进行相应的补偿控制，以消除激光器的中心频率漂移所带来的影响，提高光相干探测性能，并且能够减少对光源线宽的要求。

本发明一实施例提供了一种相干光时域反射仪系统，该系统的结构示意图可参见图1d。包括：激光器1、第一分光器2(可以为图示中的耦合器A)、MZI5、光电探测器7、第一控制器8、第二控制器10，调制器12、调制源11、相干接收机15、混频器17和振荡器16。

所述激光器1，用于产生激光；

所述第一分光器2，用于对所述激光进行分光，得到探测光和控制光；

所述MZI5，用于对输入的所述控制光进行干涉，得到干涉后的控制光；

所述光电探测器7，用于将所述干涉后的控制光进行光电转换得到第一电信号；

所述第一控制器8，用于根据所述第一电信号产生控制信号，以对所述MZI5进行控制，使得所述MZI5的两臂上传输的光信号的光程差为所述激光的波长的四分之一；

所述调制器12，用于对所述探测光进行调制，生成探测光脉冲；

所述调制源11，用于产生调制控制信号控制所述调制器12对所述探测光进行调制；

所述相干接收机15，用于接收从下行链路中传输回来的光信号，并对所述从下行链路中传输回来的光信号进行相干处理，得到第二电信号；

所述振荡器16，用于产生电本振信号；

所述混频器17，用于将所述电本振信号与所述第二电信号进行混频，得到基带信号；

所述第二控制器10，用于根据所述第一电信号，计算得到所述激光的实际中心频率相对于所述激光的中心频率的标准值的偏差度，并基于所述偏差度，产生控制信号以控制所述振荡器16调谐其输出的所述电本振信号的频率，使得所述混频器17得到的所述基带信号的实际中心频率收敛于所述激光的中心频率的标准值。

本实施例可以通过一分光器将探测光进行划分，将划分出的一部分探测光输出到相干接收机15，所述系统还进一步包括：第二分光器4(可以为图示中的耦合器D)，用于从所述探测光中分出一部分光，并将其输入到所述相干接收机15中与所述从下行链路中传输回来的光信号进行相干。

本实施例中的光纤通信系统动态频偏矫正的装置的各模块之间的交互机理和功能可参见图1a至图1d对应实施例的记载，在此不再赘述。

本实施例将激光器输出的激光划分为探测光和控制光，根据控制光计算得到激光的实际中心频率相对于激光的中心频率的标准值的偏差度；根据该偏差度进行相应的补偿控制，以消除激光器的中心频率漂移所带来的影响，提高光相干探测性能，并且能够减少对光源线宽的要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。