CN104917042B - 应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器 - Google Patents

Abstract

一种应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器，包括四个多通道光波复用器、多个相应波长隔离器、一段掺铒光纤、一个泵浦激光器、一个泵浦激光隔离器、一个分束器以及两个波分复用器。本发明结构简单对称，噪声低，放大倍数大，充分满足中长距离光纤时频传递的要求。

Description

应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器

技术领域

本发明涉及一种低噪声高对称性的双向光放大器(Bi-EDFA)，主要应用于高精度光纤时频传递的双向中继放大，也可以应用于商用链路的双向中继放大。

背景技术

高精度时间频率传递技术在多方面有着重要应用，如时间频率计量、导航定位、基础物理、粒子加速器、天文学等。对于长链路高精度光纤时频传递，调制的光信号会因为链路中的各种吸收和散射而产生损耗，当入射到低噪声探测器的光功率太低时，光电探测器的散粒噪声将淹没输入信号，导致接收端的信号信噪比太低，影响时频传递的稳定性，如果链路距离超过了探测器可探测范围，甚至无法接收到时频信号。所以为了保证在远端能接收到时频信号并提高接收信号的质量，必须对光信号进行放大，而掺铒光纤放大器是直接进行光放大，无需转换成电信号，代替了传统的光-电-光型复杂模式。高精度光纤时频传递主要是采用单纤中信号双向还回主动反馈补偿方式来实现高精度的要求，所以其中继放大必须满足双向放大要求。且这种方式最大前提假设是往返链路是对称的，任何不对称都会严重影响传递系统的稳定度，所以中继放大也必须满足对称要求。由于任何光器件的加入都会额外引入不对称，所以掺铒光纤放大器的结构越简单越好，即其包含的光器件越少越好。另外高精度光纤时频传递对链路的噪声要求非常严格，器件引入的噪声会直接影响链路短期稳定度，双向光放大器作为有源器件更需要低噪声性能来保证链路的稳定。由于掺铒光纤放大器的放大特性，会引入额外的噪声(自发辐射光、自发辐射拍频光、被放大瑞利散射光)，如果不加隔离滤波(隔离器、滤波器等光器件)等措施，容易导致激光振荡、频率波动等，噪声特性比较差。所以同时保证双向掺铒光纤放大器的双向对称和低噪声性能任然是个比较重要的研究课题。

为了解决长距离高精度时频传递的中继放大问题，人们已经提出了若干技术方案。在先技术之一：O.Lopez,A.Amy-Klein,M.Lours,Ch.Chardonnet,and G.Santarelli,“High-resolution microwave frequency dissemination on an 86-km urban opticallink,”Appl.Phys.B 98(4),723–727(2010)，利用两个环形器将两个单向放大的光放大器连接，分上下两路来分别对两个方向的光信号进行放大，两个方向上的光放大是完全独立的。这种方式最大的缺点是上下两路的两个光放大器之间的不一致性，放大器内部所有器件包括无源和有源都会导致不一致，这会导致两个方向的光信号放大的不对称性，直接影响高精度时频传递的稳定度。而且该方式用了两个光放大器，制作成本高。

在先技术之二：Sliwczy′nski,P.Krehlik,Buczek,and M.Lipi′nski,“Frequency transfer in electronically stabilized fiber optic link exploitingbidirectional optical amplifiers,”IEEE Trans.Instrum.Meas.,vol.61,no.9,pp.2573–2580,Sep.2012，采用光放大器最简单也是最核心的结构，就只有掺铒光纤和泵浦光源，其他分光的无源光器件，像滤波片式波分复用器、环形器、隔离器，都略去不用。这种方法的优势在于用最少的光器件来最大限度地提高双向光放大器的对称性，但是同时由于缺少这些分光的无源光器件，会使自发辐射光、瑞利散射光等这些噪声来源自由地在链路中传播，也将导致系统稳定度降低。

在先技术之三：毛庆和，王劲松等，双向掺铒光纤放大器的特性分析[J].ACTAOPTICA SINICA,Vol.19,No.11,Nov.1999,采用四个环形器将光路分成两路，但是经过同一段掺铒光纤，在一定程度上提高了两路的对称性，但是其采用两个泵浦光源依然带来潜在的不对称性。而且环形器的方式不能隔离瑞利散射光，噪声依然很大。

发明内容

为了克服在先技术的缺点，更好地满足高精度时频传递的实际需求，本发明基于WDM技术提出了一种低噪声高对称性的双向光放大器。

基于WDM技术的双向还回时频传递技术的基本原理是时间信号和频率信号分别调制在两台不同波长(λ₁、λ₂)的激光器上，然后通过DWDM合束进入光纤链路，到了远端解调之后再调制在两台另两个不同波长(λ₃、λ₄)的激光器上还回到本地端从而获得光纤链路噪声情况进行反馈补偿。

本发明的技术解决方案如下：

一种应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器，其特点在于：包括四个多通道光波复用器、多个相应波长隔离器、一段掺铒光纤、泵浦激光器、泵浦激光隔离器、分束器和两个波分复用器；

所述的多通道光波复用器的通道分成对称两部分，一部分用于正向传输，一部分用于反向传输，每两个多通道光波复用器组成一组，且相同通道通过所述的相应波长隔离器相连，所述的隔离器方向顺着传输方向设置；每组有两个公共端口，分别作为合束输入端口和合束输出端口，所述的合束输入端口接入待放大的光信号，合束输出端口连接所述的一个波分复用器的传输信号输入端口；

沿所述的泵浦激光器的输出光路方向依次设置所述的泵浦激光隔离器和分束器，该分束器的两个分束端分别与两个波分复用器的泵浦信号输入端口相连；

所述的两个波分复用器的公共端之间通过所述的掺铒光纤相连。

进一步，所述的多个相应波长隔离器的波长根据多通道光波复用器的通道波长选择，隔离度根据实际需求选择。

所述的多通道密集型光波复用器的波长以及波长通道个数根据实际传递信号载波波长大小以及个数需求而选择。密集型光波复用器主要用不同波长通道来分离传递信号，使两端输入的每个波长调制信号之间相互独立，往返的两个方向上的的调制信号之间也相互独立，同时密集型光波复用器窄带宽通道起到了光滤波器作用，消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比。

进一步，所述的泵浦激光器是980nm泵浦激光器或1480nm泵浦激光器。

更进一步，980nm泵浦激光器的波长为980nm，此波长处不存在激发态吸收，泵浦效率较高。正反向采用同一个泵浦激光器进行双向泵浦方式消除了因不同泵浦激光器以及单向泵浦方式带来的不对称。

所述的相应波长隔离器是载波波段的非保偏光纤隔离器。在两个方向的输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段的反向瑞利散射和端面反射光，同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。

980nm隔离器是为防止反射光回到980nm激光器，提高980nm激光器的输出稳定度。

进一步，所述的分束器为980nm分束器，分束比例为1:1，实现正反向两端输入泵浦光一致。

进一步，所述的波分复用器为滤波片式波分复用器或波长合束器。

更进一步，所述的滤波片式波分复用器是通980nm波长光，反射1550nm波长光。

所述的掺铒光纤的长度根据放大倍数和噪声要求适当选择，一般应为3-10m。正反向采用同一根掺铒光纤消除了因不同掺铒光纤带来的不对称。

所有的连接点都是通过熔接方式连接，为了尽量避免端面反射的影响。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)制作简单，成本低廉。

(2)结构简单对称，充分满足时频传递对称要求。

(3)噪声低，充分满足时频传递低噪声要求。

(4)工作效率高，放大倍数大，充分满足中长距离时频传递放大要求。

附图说明

图1是本发明低噪声高对称性的双向光放大器的结构图；

图2是本发明低噪声高对称性的双向光放大器工作过程及性能测试方法图；

图3是本发明低噪声高对称性的双向光放大器实施例一；

图4是本发明低噪声高对称性的双向光放大器噪声性能测试结果图；

图5是本发明低噪声高对称性的双向光放大器对称性能测试结果图；

图6是本发明低噪声高对称性的双向光放大器实施例二；

图7是本发明低噪声高对称性的双向光放大器实施例三。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的一种基于WDM技术高对称性低噪声的双向光放大器的结构如图1所示，由四个多通道密集型光波复用器1(DWDM)、多个相应波长隔离器2、一段掺铒光纤3、一个980nm泵浦激光器4、一个980nm隔离器5、一个980分束器6以及两个滤波片式波分复用器7组成。这里以两路信号放大为例来说明。该双向光放大器基本工作方式是调制有时频微波信号的λ₁和λ₂两波长光信号(经过一段光纤链路后)从左端输入，分别通过密集型第一多通道光波复用器11的两个通道和第一波长隔离器21、第二波长隔离器22进行单独隔离，然后经过密集型第二多通道光波复用器12两个对应通道合束进入到一段掺铒光纤3中，掺有Er³⁺的石英光纤3具有激光增益特性，同时980nm泵浦激光器4的泵浦光通过滤波片式第一波分复用器71也进入到这一段掺铒光纤3中，使λ₁和λ₂两波长光信号得到放大，然后密集型第三多通道光波复用器13的两个通道和第三波长隔离器23、第四波长隔离器24再次实现单独隔离，最后经过密集型第四多通道光波复用器14实现合束进入到下一段光纤链路中。同样，λ₃和λ₄两波长信号光从右端还回输入，经密集型光波复用器14另两个通道和隔离器25和26进入同一段掺铒光纤3，通过同一个980nm激光器4(利用滤波片式波分复用器72)泵浦放大，再经密集型光波复用器13同样两个通道和隔离器27和28输出。980nm激光器4先经过一个980nm隔离器5然后1：1分束器6分束分别左右进入到掺铒光纤3中。

首先是利用光波复用器的不同通道来实现正反向信号的双向传输，然后是利用光波复用器的窄带宽通道的光滤波器作用，消除被放大的自发辐射光，同时结合隔离器实现不同信号之间的单独隔离，消除放大的自发辐射反向传播光，反向瑞利散射和端面反射光，防止连接点上反射引起激光振荡，保证双向放大的稳定性和低噪声性。另外使用同一个泵浦激光器双向泵浦和使用同一段掺铒光纤实现信号光放大来保证双向放大的对称性，实现本远两地信号光的双向放大。

本发明的工作过程及性能测试方法如图2所示。在时频系统中，光纤时频传递系统的链路传递特性通常采用“自外差比对法”，如图2所示，时频源产生的时频信号一分为二后，一路作为参考信号，不做传输等额外处理，另一路经过光纤链路传递到用户端后与参考信号拍频，获得时频信号在传递前后的差异，显然可以认为该差异描述的就是传递系统的性能，定义为传递稳定度。传递稳定度通常用阿伦方差这一参量来表征。双向光放大器是属于光纤传递链路中的有源器件，所以通过链路中有无双向光放大器得到两组传递性能，这两组性能的对比可以来表征双向光放大器的传递噪声性能和对称性。

本地端分布式反馈激光器81输出的载波激光(波长为λ₁)进入电光调制器91的光输入端口，信号源101产生的1GHz频率标准信号经功分器111一分为二，一路进入鉴相电路123的参考输入端口，一路进入电光调制器91的射频输入端口，这样电光调制器91的光输出端口产生调制有本地频率标准信号的光信号。激光器82输出的载波激光(波长为λ₂)进入声光调制器92，信号源102产生的1pps方波时间标准信号经过功分器114一分为二，一路进入时间间隔计数器122的参考输入端口，一路进入声光调制器92的射频输入端口，这样声光调制器92的光输出端口产生调制有本地时间标准信号的光信号。电光调制器91和声光调制器92输出的光信号分别进入波分复用器131的两个通道端口合成一路光信号输出，再进入光环形器141的第一端口并从其第二端口输出，然后经过光衰减器151衰减后进入双向光放大器进行放大再经过光衰减器152衰减，进入远地端的光环形器142的第二端口，并从光环形器142的第三端口输出进入解波分复用器132，最后波长为λ₁和λ₂的光信号各自从解波分复用器132的两个对应通道输出进入光电探测器161和162，恢复出本地端传输到远地端的频率标准信号和时间标准信号。远地端恢复出的频率标准信号进入鉴相电路123的传输信号输入端口，与参考频率信号进行比对。同样远地端恢复出的时间标准信号进入时间间隔计数器122的传输信号输入端口，与参考时间信号进行比对。对最终得到的相位差值和时间间隔值进行统计计算可以得到正向链路的传递精度，用阿伦方差表示。

同时，为了显示双向同时放大，远地端也同样进行信号调制经过双向光放大器传递，时频传递的实际应用也是如此(双向还回)。信号源101产生的1GHz频率标准信号经过功分器113一分为二，一路进入鉴相电路123的参考输入端口，一路进入电光调制器93的射频输入端口，远地端的激光器83输出的载波激光(波长为λ₃)进入电光调制器93的光输入端口。信号源102产生的1pps方波时间标准信号经功分器114一分为二，一路进入时间间隔计数器124的参考输入端口，一路进入声光调制器93的射频输入端口，激光器84输出的载波激光(波长为λ₄)进入声光调制器94的光输入端口。电光调制器93和声光调制器94分别输出调制有远地端解调的频率标准信号和时间标准信号的光信号，两者进入波分复用器133的两个输入通道端口合成一路光信号输出，再进入光环形器142的第一端口并从其第二端口输出，经过光衰减器152衰减后进入双向光放大器进行放大再经过光衰减器151衰减，然后进入本地端的光环形器141的第二端口，并从光环形器141的第三端口输出进入解波分复用器134，最后波长为λ₃和λ₄的光信号各自从解波分复用器134的两个对应输出端口输出进入光电探测器163和164，恢复出远地端还回本地端的频率标准信号和时间标准信号。远地端恢复出的频率标准信号进入鉴相电路123的传输信号输入端口，与参考频率信号进行比对。同样远地端恢复出的时间标准信号进入时间间隔计数器124的传输信号输入端口，与参考时间信号进行比对。对最终得到的相位差值和时间间隔值进行统计计算可以得到反向链路的传递稳定度，用阿伦方差表示。

为了反映双向光放大器的传递噪声性能和对称性，上述操作中去掉双向光放大器，其他保持不变，包括信号输出幅度，探测器输入光功率。同样可以得到无双向光放大器的正反向链路的传递稳定度。

实施例一：如图3所示，整体采用如图1所示的结构，包含四通道光波复用器1、第一四通道光波复用器11、第二四通道光波复用器12、第三四通道光波复用器13、第四四通道光波复用器14；波长隔离器2、第一波长隔离器21、第二波长隔离器22、第三波长隔离器23、第四波长隔离器24、第五波长隔离器25、第六波长隔离器26、第七波长隔离器27、第八波长隔离器28；掺铒光纤3；泵浦激光器4；泵浦激光隔离器5；分束器6；波分复用器7，第一波分复用器71、第二波分复用器72。多通道密集型光波复用器有四个通道，能允许两路信号的双向放大，主要用在同时传递频率和时间微波信号的时频系统中，通道波长根据实际使用的载波波长选择。

采用如图2所示的测试方法，可以得到正反向频率以及时间的阿伦方差测试结果。f1和fw1分别表示正向频率有和无双向光放大器的结果，f2和fw2分别表示反向频率有和无双向光放大器的结果。通过f1和fw1(或者f2和fw2)的比较可以得到双向光放大器作为链路一部分引入的不稳定度，反应了双向光放大器引入的噪声情况，而f1-f2和fw1-fw2的比较得到的是双向光放大器不对称所引入的不稳定度，反应了双向光放大器的对称性能。相应的，d1、dw1、d2和dw2分别表示时间信号的对应情况。

λ₁、λ₂、λ₃和λ₄分别采用1548.59nm、1549.33nm、1547.70nm和1550.13nm；衰减器151和152的衰减值分别为19dB和20dB；双向光放大器正反向放大倍数分别为19dB和20dB。选择的密集型光波复用器1的每个通道带宽为0.45nm，插入损耗平均为1.8db，隔离度为40db；隔离器2的插入损耗为0.56db，隔离度为60db；掺铒光纤3的长度为5m，数值半径为0.22，在1530nm处的吸收系数为39db/m；980nm泵浦激光器4的功率为990mA@540mW；980nm隔离器5插入损耗为0.67db，隔离度为36db；980分束器6分束比为49.4:50.6，插入损耗分别为3.15db和3.05db；滤波片式波分复用器插入损耗分别是0.6db和0.22db，隔离度分别是52db和25db。

双向光放大器的噪声特性的测试结果如图4所示，对称性能测试结果如图5所示。从f1和fw1(或者f2和fw2)的对比结果可以看出双向光放大器的加入导致阿伦方差一定的劣化，但是相对于传递的频率信号的稳定度(例如氢钟信号的稳定度为2×10^-13@1s and 1×10^-15@10⁴s)，该劣化的量非常小，所以该双向光发大器的低噪声性能完全可以满足时频传递低噪声要求。对比d1-d2和dw1-dw2(或者f1-f2和fw1-fw2)可以看出双向光放大器引入了一定的不对称，但是其导致的不稳定度非常小，在1000s处只有0.8ps，相对于链路中仅仅由温度抖动引入的不稳定度(即使传递的100km光纤链路整体温度只变化1℃，它引入的不稳定度也有3.7ns)，该值也非常小，所以该双向光放大器充分满足时频传递的对称要求。

实施例二：如图6所示，整体采用如图1所示的结构，包含两通道光波复用器1、第一两通道光波复用器11、第二两通道光波复用器12、第三两通道光波复用器13、第四两通道光波复用器14；波长隔离器2、第一波长隔离器21、第二波长隔离器22、第三波长隔离器23、第四波长隔离器24；掺铒光纤3；泵浦激光器4；泵浦激光隔离器5；分束器6；波分复用器7，第一波分复用器71、第二波分复用器72。多通道密集型光波复用器只有两个通道，只能允许一路信号的双向放大，主要用在只传频率或只传时间微波信号的时频系统中，通道波长根据实际使用的载波波长选择。

实施例三：如图7所示，整体采用如图1所示的结构，包含六通道光波复用器1、第一六通道光波复用器11、第二六通道光波复用器12、第三六通道光波复用器13、第四六通道光波复用器14；波长隔离器2、第一波长隔离器21、第二波长隔离器22、第三波长隔离器23、第四波长隔离器24、第五波长隔离器25、第六波长隔离器26、第七波长隔离器27、第八波长隔离器28、第九波长隔离器29、第十波长隔离器30、第十一波长隔离器31、第十二波长隔离器32；掺铒光纤3；泵浦激光器4；泵浦激光隔离器5；分束器6；波分复用器7，第一波分复用器71、第二波分复用器72。多通道密集型光波复用器有六个通道，除了能允许频率和时间微波信号的双向同时放大外，还可以融入到实际商业链路中实现一路数字信号的双向放大。除了在时频系统中由于有双向还回的要求必须双向放大外，该双向放大器在商业链路中也可以只使用其单向放大功能。

Claims (5)

1.一种应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器，其特征在于：包括四个多通道光波复用器(1)、多个相应波长隔离器(2)、一段掺铒光纤(3)、泵浦激光器(4)、泵浦激光隔离器(5)、分束器(6)和两个波分复用器(7)；

所述的多通道光波复用器的通道分成对称两部分，一部分用于正向传输，一部分用于反向传输，每两个多通道光波复用器组成一组，且相同通道通过所述的相应波长隔离器(2)相连，所述的隔离器(2)方向顺着传输方向设置；每组有两个公共端口，分别作为合束输入端口和合束输出端口，所述的合束输入端口接入待放大的光信号，合束输出端口连接一个波分复用器的传输信号输入端口；

沿所述的泵浦激光器(4)的输出光路方向依次设置所述的泵浦激光隔离器(5)和分束器(6)，该分束器(6)的两个分束端分别与两个波分复用器(7)的泵浦信号输入端口相连；

所述的两个波分复用器的公共端之间通过所述的掺铒光纤(3)相连。

2.根据权利要求1所述的应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器，其特征在于：所述的多通道光波复用器的波长以及波长通道个数根据实际传递信号载波波长大小以及个数需求而选择。

3.根据权利要求1所述的应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器，其特征在于：所述的泵浦激光器是980nm泵浦激光器或1480nm泵浦激光器。

4.根据权利要求1所述的应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器，其特征在于：所述的分束器(6)为980nm分束器或1480nm分束器，分束比例为1:1、1:2或1:3。

5.根据权利要求1所述的应用于光纤时频传递的低噪声高对称性的双向光放大器，其特征在于：所述的波分复用器为滤波片式波分复用器或波长合束器。