在光纖傳輸中壓縮低頻相位噪聲的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及相位噪聲壓縮技術(shù)，具體是一種精確消除光纖傳輸中低頻相位噪聲的方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的不同頻段的噪聲對反饋回路的貢獻不同引起的不能精確消除相位噪聲的問題，利用低通濾波器提取出相位噪聲中的低頻部分進行反饋，有效壓縮低頻相位噪聲。通過對噪聲信號進行比例積分微分處理后反饋給聲光調(diào)制器，通過聲光調(diào)制器對光束移頻調(diào)節(jié)相位，最終實現(xiàn)低頻相位噪聲的精密壓縮。本發(fā)明有效地解決了現(xiàn)有的補償方法不能有效消除低頻相位噪聲的問題，適用于量子密鑰分發(fā)、相干測量等光纖傳輸系統(tǒng)的相位噪聲處理。
【專利說明】在光纖傳輸中壓縮低頻相位噪聲的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學領(lǐng)域，涉及光纖傳輸引入的相位噪聲的壓縮技術(shù)，具體是一種通過外差拍頻檢測相位噪聲，用低通濾波器提取反饋信號實現(xiàn)壓縮低頻相位噪聲的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，窄線寬激光器在光學通信、光學精密測量、高分辨率激光光譜研究等方面有著廣泛的應用。光束在長距離光纖傳輸過程中，由于環(huán)境變化的影響，光纖的折射率等因素發(fā)生隨機變化，使得傳輸過程中的激光相位和偏振發(fā)生隨機變化，引入了相位噪聲。相位噪聲會導致經(jīng)光纖傳輸?shù)恼€寬激光線寬增寬，降低光束相干性，影響光纖傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量。壓縮相位噪聲的目的是減小接收信號相對于發(fā)射信號的相位隨機變化，使得經(jīng)過長距離光纖傳輸后光的相位和頻率與初始相同。
[0003]目前，人們實現(xiàn)了很多壓縮相位噪聲的方法。通常利用光纖遠端的反射光信號來提取相位噪聲，并通過相位調(diào)節(jié)反饋控制器對入射光進行調(diào)制從而達到在源端消除相位噪聲的目的。這種方法還可以用于穩(wěn)定微波和光頻率梳信號的傳輸頻率。這里涉及到的反饋控制器可以是光纖延伸器或者溫控光纖軸來調(diào)節(jié)光相位延時，或者通過一個聲光調(diào)制器(AOM)通過調(diào)節(jié)光的頻率來間接調(diào)節(jié)相位延時。[0004]這些方法都采用無頻率選擇特性的無源光學器件，由于不同頻段的相位噪聲對反饋的作用不同，導致在壓低某一頻段的噪聲的同時在其他頻段引入更大的相位噪聲。由于環(huán)境對光纖的影響主要集中在溫度、振動和壓力的變化，這些噪聲主要存在于低頻頻段。因此，有必要發(fā)明一種可以有效地消除低頻段相位噪聲的方法，以解決無頻率選擇反饋引起的各頻段相位噪聲相互干擾從而無法有效消除低頻相位噪聲的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的無頻率選擇反饋壓縮相位噪聲的方法不能精確地壓縮低頻相位噪聲的問題，提供了一種可以有效壓縮低頻段相位噪聲的方法。
[0006]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種在光纖傳輸中壓縮低頻相位噪聲的方法，包括如下步驟:
(I )、以激光器為光源發(fā)出的光依次經(jīng)光纖隔離器FOI和光纖衰減器FOA后分為參考光和信號光兩束光；所述激光器發(fā)出的光源相位是Φμ ；
(2)、初始相位為的信號光經(jīng)聲光調(diào)制器AOM1移頻后相位變?yōu)?所述聲光調(diào)制器AOM1的驅(qū)動頻率信號由壓控振蕩器VCO提供，該信號光經(jīng)過長距離光纖向遠端傳輸信息的傳輸過程中會攜帶引入的相位噪聲，設定相位噪聲的相位為Φη，該信號光的相位變?yōu)椋?br> (3)、初始相位為ΦM的參考光經(jīng)聲光調(diào)制器AOM2移頻后相位變?yōu)棣郸?Φ2，所述聲光調(diào)制器AOM2的驅(qū)動頻率信號是由射頻信號發(fā)生器RF提供的標準正弦信號；
(4)、相位為Φ^+Φ^Φη的信號光和相位為ΦΜ?+Φ2的參考光一起進入光電探測器PD拍頻，在光電探測器ro的交流輸出端得到兩束光的光差頻信號，所述光差頻信號的相位為 Φ2-Φ1-Φη ；
(5)、壓控振蕩器VCO和射頻信號發(fā)生器RF提供的兩個驅(qū)動頻率信號依次經(jīng)過混頻器和低通濾波器LPF1后得到驅(qū)動頻率差頻信號，所述驅(qū)動頻率差頻信號的相位為Φ2-(^ ；
(6)、光差頻信號和驅(qū)動頻率差頻信號依次通過混頻器和低通濾波器LPF2后得到信號光所攜帶引入的相位噪聲，得到該相位噪聲的相位Φη ;
(7)、步驟(6)得到的噪聲信號分為兩路，一路傳輸至數(shù)字示波器進行快速傅里葉變換FFT顯示頻譜，另一路依次通過比例積分微分控制器PID和加法器后輸入壓控振蕩器VCO ；
(8)、調(diào)節(jié)不同的比例積分微分控制器PID參數(shù)，通過壓控振蕩器VCO反饋給聲光調(diào)制器AOM1,實時調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器AOM1的驅(qū)動頻率信號，進而補償相位噪聲使得數(shù)字示波器進行快速傅里葉變換FFT的值最小，接近本底噪聲即可。
[0007]本發(fā)明利用兩束光在光電探測器上拍頻可以得到頻率差和相位差，對經(jīng)過長距離光纖傳輸后的信號光與參考光束進行拍頻，實現(xiàn)對光纖傳輸中引入的相位噪聲的相位進行測量和提取。通過快速傅里葉變換(FFT)，可以得到長距離傳輸過程中引入的相位噪聲的頻譜圖。該相位噪聲經(jīng)過選擇適當參數(shù)的比例積分微分控制器(PID)處理后，反饋到聲光調(diào)制器AOM115通過聲光調(diào)制器AOM1對由源端發(fā)出的信號光束進行提前移頻，消除信號光在遠距離傳輸過程中偏移產(chǎn)生的頻率偏差，實現(xiàn)相位噪聲的補償。由于不同頻段的噪聲對反饋的貢獻不一致，容易相互干擾，所以高頻和低頻同時反饋無法實現(xiàn)理想的噪聲壓縮效果。本發(fā)明通過優(yōu)選低通濾波器LPF2提取出相位噪聲的0-20kHz部分用于反饋處理，這樣就避免了高頻和低頻之間的相互干擾，最終在20kHz內(nèi)把相位噪聲壓縮到接近本底噪聲。
[0008]本發(fā)明提出用濾波器提取低頻段的相位噪聲用于分頻段精確反饋的方案，以避免不同頻段的信息對反饋的貢獻不同而引起的干擾，實現(xiàn)了在光纖傳輸中壓縮低頻相位噪聲。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是壓縮相位噪聲的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是傳輸距離為25km時相位噪聲壓縮后的頻譜圖。
[0011]圖3是傳輸距離為50km時相位噪聲壓縮后的頻譜圖。
[0012]圖4是傳輸距離為75km時相位噪聲壓縮后的頻譜圖。
[0013]圖中，F(xiàn)O1-光纖隔離器，F(xiàn)OA-光纖衰減器，AOM-聲光調(diào)制器，VCO-壓控振蕩器，PID-比例積分微分控制器，RF-射頻信號發(fā)生器，DC-直流信號，F(xiàn)FT-快速傅里葉變換，PD-光電探測器，LPF-低通濾波器。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。
[0015]如圖1所示，一種在光纖傳輸中壓縮低頻相位噪聲的方法，包括如下步驟:
(1)、窄線寬激光器(NP Photonics 公司，型號 RFLG — 25— I一 1550.00— UNL，線寬600Hz)輸出波長為1550nm的光，依次經(jīng)光纖隔離器FOI (connet公司)和光纖衰減器FOA(connet公司)后分為光強比例為1:9的參考光和信號光兩束光；所述激光器發(fā)出的光源相位是Φref.
[0016](2)、初始相位為Φ&的信號光經(jīng)聲光調(diào)制器AOM1 (GOOCH & H0USEG0公司，型號M200-2J-F2S)移頻后相位變?yōu)棣郸?Ct1，所述聲光調(diào)制器AOM1的驅(qū)動頻率在180MHz附近可變，由一個壓控振蕩器VCO (BRIMR0SE公司)控制，聲光調(diào)制器AOM1的作用是一個相位調(diào)節(jié)執(zhí)行器，用它來提前補償長距離光纖傳輸引入的相位噪聲。該信號光(90%部分的光)經(jīng)過長距離光纖向遠端傳輸信息的傳輸過程中會攜帶引入的相位噪聲，設定相位噪聲的相位為Φη，該信號光的相位變?yōu)棣郸?ΦΑΦ#測量相位噪聲的方法是分出遠端的部分光用一個反射鏡讓其按原路返回，返回的光在源端與參考光作比較檢測出噪聲信號的相位。在即插即用光通訊系統(tǒng)中，攜帶信息的光束會在接收端通過一個法拉第鏡反射，按原路返回到發(fā)送端，所以檢測相位噪聲時不需要再加一個反射裝置。為了方便起見，本申請直接把遠端和源端放在一起。
[0017](3)、初始相位為ΦΜ?的參考光(10%的部分的光)經(jīng)聲光調(diào)制器AOM2(G00CH&H0USEG0公司，型號M200-2J-F2S)移頻后相位變?yōu)棣礡EF+Φ2，作為一個精確的相位鎖定回路的參考，所述聲光調(diào)制器AOM2的驅(qū)動頻率是由射頻信號發(fā)生器RF提供標準的200MHz正弦信號。
[0018](4)、相位為Φ rrf+Φ ^ Φη的信號光和相位為Φ ref+Φ 2的參考光一起進入光電探測器ro (NEW FOCUS公司，型號1611)拍頻，在光電探測器的交流輸出端得到兩束光的光差頻信號，該光差頻信號的相位為，頻率處在20MHz附近。
[0019](5)、壓控振蕩器VCO和射頻信號發(fā)生器RF (TEKTRONIX公司，型號AFG3102)提供的兩個驅(qū)動頻率信號依次經(jīng)過混頻器(Min1-Circuits公司，型號ZLW-1)和低通濾波器LPF1 (Min1-Circuits公司，型號BBP-21.4+)后得到驅(qū)動頻率差頻信號，該驅(qū)動頻率差頻信號的相位為，也在20MHz附近。
[0020](6)、光差頻信號和驅(qū)動頻率差頻信號依次通過混頻器和低通濾波器LPF2 (SRS公司，型號SR650)后得到相位噪聲，也就得到了相位噪聲的相位Φη ;低通濾波器LPF2選用0-20ΚΗΖ的低通濾波器提取出相應波段噪聲信號的低頻部分，用這一頻段的噪聲反饋信號來補償此頻段的相位噪聲,避免高頻和低頻間的相互干擾。
[0021](7)、噪聲信號分為兩路，一路傳輸至數(shù)字示波器(Y0K0FAWA公司，型號DLM2054)進行快速傅里葉變換FFT觀測頻譜，另一路依次通過比例積分微分控制器PID (SRS公司，型號SIM960)和加法器后作為壓控振蕩器VCO驅(qū)動電壓的一部分輸入,其另一部分驅(qū)動電壓由直流信號DC通過加法器提供。
[0022](8)、調(diào)節(jié)不同的比例積分微分控制器PID參數(shù)對壓控振蕩器VCO輸出的驅(qū)動頻率信號進行微調(diào)，即通過壓控振蕩器VCO反饋給聲光調(diào)制器AOM1,實時調(diào)節(jié)AOM1的驅(qū)動頻率，進而補償相位噪聲使得數(shù)字示波器FFT變換的值最小，接近本底噪聲即可。
[0023] 結(jié)果如圖2、3、4所示，分別是傳輸距離為25Km、50Km、75Km時相位噪聲壓縮前后的頻譜圖。以圖2為例，最下方為系統(tǒng)本底噪聲，最上方為光纖引入的相位噪聲頻譜圖，中間為相位噪聲經(jīng)過反饋伺服系統(tǒng)壓縮后的頻譜圖，此時優(yōu)化后的比例積分微分控制器PID參數(shù)分別為12.0、0.1,13.1。從圖2中可以看出，經(jīng)過壓縮后，20kHz內(nèi)的相位噪聲被壓縮到接近本地噪聲。在18kHz附近的尖峰是系統(tǒng)電子噪聲的影響。比較圖2、3、4，可以看出傳輸光纖的長度不同時，在不同頻段的相位噪聲大小有所不同，經(jīng)過反饋系統(tǒng)壓縮相位噪聲的效果也有所不同。傳輸距離為25km、50km、75km時分別把IHz偏置處的相位噪聲信號壓縮了 26dBV、24dBV、22dBV。
【權(quán)利要求】
1.一種在光纖傳輸中壓縮低頻相位噪聲的方法，其特征在于:包括如下步驟: (I )、以激光器為光源發(fā)出的光依次經(jīng)光纖隔離器FOI和光纖衰減器FOA后分為參考光和信號光兩束光；所述激光器發(fā)出的光源相位是Φμ ； (2)、初始相位為的信號光經(jīng)聲光調(diào)制器AOM1移頻后相位變?yōu)?所述聲光調(diào)制器AOM1的驅(qū)動頻率信號由壓控振蕩器VCO提供，該信號光經(jīng)過長距離光纖向遠端傳輸信息的傳輸過程中會攜帶引入的相位噪聲，設定相位噪聲的相位為Φη，該信號光的相位變?yōu)椋? (3)、初始相位為ΦM的參考光經(jīng)聲光調(diào)制器AOM2移頻后相位變?yōu)棣郸?Φ2，所述聲光調(diào)制器AOM2的驅(qū)動頻率信號是由射頻信號發(fā)生器RF提供的標準正弦信號； (4)、相位為Φ^+Φ^Φη的信號光和相位為ΦΜ?+Φ2的參考光一起進入光電探測器PD拍頻，在光電探測器ro的交流輸出端得到兩束光的光差頻信號，所述光差頻信號的相位為 Φ2-Φ1-Φη ； (5)、壓控振蕩器VCO和射頻信號發(fā)生器RF提供的兩個驅(qū)動頻率信號依次經(jīng)過混頻器和低通濾波器LPF1后得到驅(qū)動頻率差頻信號，所述驅(qū)動頻率差頻信號的相位為Φ2-(^ ； (6)、光差頻信號和驅(qū)動頻率差頻信號依次通過混頻器和低通濾波器LPF2后得到信號光所攜帶引入的相位 噪聲，得到該相位噪聲的相位Φη ; (7)、步驟(6)得到的噪聲信號分為兩路，一路傳輸至數(shù)字示波器進行快速傅里葉變換FFT顯示頻譜，另一路依次通過比例積分微分控制器PID和加法器后輸入壓控振蕩器VCO ； (8)、調(diào)節(jié)不同的比例積分微分控制器PID參數(shù)，通過壓控振蕩器VCO反饋給聲光調(diào)制器AOM1,實時調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器AOM1的驅(qū)動頻率信號，進而補償相位噪聲使得數(shù)字示波器進行快速傅里葉變換FFT的值最小，接近本底噪聲即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在光纖傳輸中壓縮低頻相位噪聲的方法，其特征在于:步驟(6)中所述低通濾波器LPF2為0-20kHz的低通濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的在光纖傳輸中壓縮低頻相位噪聲的方法，其特征在于:對于不同長度或者不同環(huán)境下的相位噪聲壓縮，需要優(yōu)化調(diào)節(jié)不同的比例積分微分控制器PID參數(shù)，通過壓控振蕩器VCO反饋給聲光調(diào)制器AOM1補償相位噪聲，優(yōu)化調(diào)節(jié)PID參數(shù)以測量所得最小相位噪聲為標準。
【文檔編號】H04B10/2507GK103916189SQ201410160644
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】劉令令, 于波, 張國峰, 秦成兵, 肖連團, 賈鎖堂 申請人:山西大學