CN105446120A - 基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置及其稳定方法 - Google Patents

基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置及其稳定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置，包括主时钟发射器、隔离器、二分之一波片、偏振分束器、两个四分之一波片、与步进电机为一体的反射镜、压电陶瓷光纤拉伸器、光纤链路、掺Er3+光纤放大器、法拉第旋光镜和由平衡光学互相关系统、PI控制器、数据采集卡和计算机构成的时钟误差检测单元。通过调节PI控制器的参数将时钟误差检测单元接收的两束光脉冲信号锁定在特定的误差范围之内。本发明采用锁定到氢原子钟的基于非线性偏振旋转(NPE)的掺铒光纤飞秒激光器作为主时钟发射器，采用压电陶瓷光纤拉伸器和步进电机的配合补偿时钟误差，实现了公里级光纤链路中飞秒级别的时钟同步误差，保证光纤链路长时间稳定。

Description

基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置及其稳定方法
技术领域
本发明涉及一种基于飞秒激光的光纤链路稳定系统。
背景技术
大科学装置在基础科学探索、生物医药、国民经济发展等领域起到越来越重要的推动作用。由于其具有建设规模大、结构复杂、技术综合等特点，因此对各功能构件之间的协同控制提出了苛刻的要求。比如X射线自由电子激光器(XFEL)作为第四代光源可以产生高重复频率、高相干性、超高亮度的飞秒X射线脉冲，其亮度比第三代同步辐射光源高九个数量级，是国际上大科学装置研究的新制高点。而XFEL基于直线加速器结构，长度在数百米至几公里不等，其稳定运转与性能发挥取决于沿线上由光纤连接的诸多射频源与激光源的精密时钟同步；大规模天线组阵可以获得单个天线无法企及的角分辨率和灵敏度，探索宇宙起源，而其中由光纤连接的各测站之间，本振参考信号分布至任何一个测站的时钟误差必须控制在飞秒(fs,1fs＝10-15s)量级，否则将会导致成像模糊甚至干涉成像失效。
目前，国内的各种时频分布手段实现的时钟同步度普遍在皮秒(ps)量级，很难实现上述大科学装置对时钟同步精度的要求，而这项指标恰恰是国内开展大科学装置研究必须达到的。
飞秒激光相对于普通激光光源而言，由于其脉冲宽度窄、频谱宽、时间抖动低、时间分辨率高等特点，可以很好地作为光纤链路中传输的时钟信号，使飞秒或亚飞秒级别的时钟信号同步成为可能。同时，采用基于飞秒激光脉冲序列的平衡光学互相关技术可以实现亚飞秒时间分辨的延迟误差探测，从而可以进一步补偿延时误差。
发明内容
针对大科学装置如X射线自由电子激光器(XFEL)和大规模天线组阵对于时钟同步的高精度要求，本发明结合飞秒激光器的优势，提供一种基于飞秒激光的光纤链路时频信号分布装置，从而实现了公里级光纤链路中飞秒级别的时钟同步误差，满足了上述大科学装置的要求。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置，包括主时钟发射器、隔离器、二分之一波片、偏振分束器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一反射镜、压电陶瓷光纤拉伸器、光纤链路、掺Er3+光纤放大器、法拉第旋光镜和时钟误差检测单元，所述主时钟发射器采用锁定到氢原子钟的飞秒激光器，所述第一反射镜与一步进电机为一体；所述法拉第旋光镜的反射透射比为50:50；所述时钟误差检测单元包括平衡光学互相关系统、PI控制器、数据采集卡和计算机；所述平衡光学互相关系统包括第二反射镜、第一双色镜、第二双色镜、凸透镜、周期性极化PPKTP晶体和平衡光电二极管；所述飞秒激光器发射的光脉冲信号依次通过隔离器和二分之一波片后进入到偏振分束器中，然后分成两束相互垂直的线偏振光，其中：一束线偏振光是：偏振光通过第一四分之一波片、压电陶瓷光纤拉伸器和光纤链路后，再经过掺Er3+光纤放大器放大，最后经法拉第旋光镜的反射原路返回至所述偏振分束器；另一束线偏振光是：偏振光通过第二四分之一波片和第一反射镜返回至所述偏振分束器；通过调节第一四分之一波片和第二四分之一波片，最终两束线偏振光一同进入所述平衡光学互相关系统；进入所述平衡光学互相关系统的两束线偏振光，通过第一双色镜和凸透镜后进入周期性极化PPKTP晶体产生一束和频光信号；然后这两束线偏振光的残余部分经过第二双色镜的反射再次通过周期性极化PPKTP晶体产生另一束和频光信号；所述的一束和频光信号通过第二双色镜进入平衡光电二极管的其中一个探头，所述的另一束和频光信号经过凸透镜和第一双色镜，通过第二反射镜后进入平衡光电二极管的另一个探头；两束和频光信号在平衡光电二极管中相减并转化成电信号传输到所述PI控制器之中；然后将PI控制器输出的电信号分别传输给所述压电陶瓷光纤拉伸器和数据采集卡，所述数据采集卡将电信号传给计算机，所述计算机控制与第一反射镜为一体的步进电机。
采用基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置实现光纤链路稳定的方法，步骤如下：
步骤一、两束线偏振光进入平衡光学互相关系统后，产生这两束线偏振光的相对时钟误差信号，并将其转化成电信号后进入所述PI控制器；通过调节PI控制器的参数，并与压电陶瓷光纤拉伸器相配合，将两束光脉冲信号的相对时钟误差控制在相应地范围之内；
步骤二、在实时接收和处理时钟误差过程中，判断若两束光脉冲信号的相对时钟误差在压电陶瓷光纤拉伸器的补偿范围内，则使用该压电陶瓷光纤拉伸器进行补偿，否则，驱动步进电机移动第一反射镜使得该两束光脉冲信号的相对时钟误差再次进入压电陶瓷光纤拉伸器的补偿范围之内；
往复循环步骤二，通过压电陶瓷光纤拉伸器和步进电机的配合补偿时钟误差，使光纤链路长时间稳定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于飞秒激光的光纤链路时频信号分布装置结合飞秒激光器的优势，采用锁定到氢原子钟的基于非线性偏振旋转(NPE)的掺铒光纤飞秒激光器作为主时钟发射器，同时，利用平衡光学互相关技术，采用压电陶瓷光纤拉伸器和步进电机的配合补偿，实现了公里级光纤链路中飞秒级别的时钟同步误差，保证光纤链路长时间稳定。
附图说明
图1是本发明基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置构成示意图；
图2是图1中所示平衡光学互相关系统8的示意图。
图中：
1-飞秒激光器2-隔离器3-二分之一波片
4-偏振分束器5-第二四分之一波片6-第一反射镜
7-第一四分之一波片8-平衡光学互相关系统81-第一双色镜
82-凸透镜83-周期性极化PPKTP晶体84-第二双色镜
85-第二反射镜86-平衡光电二极管9-PI控制器
10-数据采集卡11-计算机12-压电陶瓷光纤拉伸器
13-光纤链路14-掺Er3+光纤放大器15-法拉第旋光器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
为实现大科学装置对于时钟同步的高精度指标，本发明提出的一种基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置，其结构如图1所示，包括主时钟发射器、隔离器2、二分之一波片3、偏振分束器4、第一四分之一波片7、第二四分之一波片5、第一反射镜6、压电陶瓷光纤拉伸器12、光纤链路13、掺Er3+光纤放大器14、法拉第旋光镜15和时钟误差检测单元。如图1中的虚线框所示，所述时钟误差检测单元包括平衡光学互相关系统8、PI控制器9、数据采集卡10和计算机11。
本发明中的所述主时钟发射器采用锁定到氢原子钟的飞秒激光器1，所述第一反射镜6与一由程序控制的步进电机为一体；所述法拉第旋光镜15的反射透射比为50:50。
如图1所示，所述飞秒激光器1发射的光脉冲信号依次通过隔离器2和二分之一波片3后进入到偏振分束器4中，然后分成两束相互垂直的线偏振光，其中：一束线偏振光是：偏振光通过第一四分之一波片7、压电陶瓷光纤拉伸器12和光纤链路13后，再经过掺Er3+光纤放大器14放大，最后经法拉第旋光镜15的反射原路返回至所述偏振分束器4；另一束线偏振光是：偏振光通过第二四分之一波片5和装载在Labview程序控制的步进电机上的第一反射镜6返回至所述偏振分束器4；通过调节第一四分之一波片5和第二四分之一波片7，最终两束线偏振光一同进入所述平衡光学互相关系统8。
如图2所示，所述平衡光学互相关系统8包括第二反射镜85、第一双色镜81、第二双色镜84、凸透镜82、周期性极化PPKTP晶体83和平衡光电二极管86。进入所述平衡光学互相关系统8的上述两束线偏振光在空间和时间上基本重合后通过第一双色镜81和凸透镜82后进入周期性极化PPKTP晶体83产生一束和频光信号，产生该束和频光信号后肯定还具有这两束线偏振光的残余部分；然后这两束线偏振光的残余部分经过第二双色镜84的反射再次通过周期性极化PPKTP晶体83产生另一束和频光信号；所述的一束和频光信号通过第二双色镜84进入平衡光电二极管86的其中一个探头，所述的另一束和频光信号经过凸透镜82和第一双色镜81，通过第二反射镜85后进入平衡光电二极管86的另一个探头；两束和频光信号在平衡光电二极管86中相减并转化成电信号传输到所述PI控制器9之中；然后将PI控制器9输出的电信号分别传输给所述压电陶瓷光纤拉伸器12和数据采集卡10，所述数据采集卡10会将电信号传给计算机11，并通过计算机11控制与第一反射镜6为一体的步进电机，通过压电陶瓷光纤拉伸器12和步进电机的配合补偿时钟误差，以实现光纤链路的稳定。具体配合补偿时钟误差的方式如下：
首先，两束线偏振光进入所述时钟误差检测单元的平衡光学互相关系统8后，产生这两束线偏振光的相对时钟误差信号，并将其转化成了电信号，然后进入所述PI控制器；
然后，通过适当调节PI控制器的参数如(P-Icorner,Gain,etal..)并与压电陶瓷光纤拉伸器12相配合，将两束光脉冲信号的相对时钟误差控制在相应地范围之内，该范围由参数和压电陶瓷光纤拉伸器12的补偿能力决定。
由于压电陶瓷光纤拉伸器12的补偿速度快，但补偿范围小，所以当两束光脉冲信号误差在压电陶瓷光纤拉伸器12的误差补偿范围内时，只需让压电陶瓷光纤拉伸器12工作。但是当系统长时间工作时，由于光纤链路受环境影响较大，所以在光纤链路中的传输的光脉冲信号会产生较大漂移，这种误差已经超出光纤拉伸器的补偿范围，因此，在实时接收和处理时钟误差过程中，要通过程序判断，若两束光脉冲信号的误差在压电陶瓷光纤拉伸器12的补偿范围内，则使用该压电陶瓷光纤拉伸器12进行补偿，否则，通过程序(诸如在Labview程序的基础上进行二次开发)驱动步进电机移动第一反射镜，使得时钟误差再次进入压电陶瓷光纤拉伸器12的补偿范围之内，该过程操作往复循环就会通过压电陶瓷光纤拉伸器12和步进电机的配合补偿时钟误差，使光纤链路长时间稳定。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置，包括主时钟发射器(1)、隔离器(2)、二分之一波片(3)、偏振分束器(4)、第一四分之一波片(7)、第二四分之一波片(5)、第一反射镜(6)、压电陶瓷光纤拉伸器(12)、光纤链路(13)、掺Er3+光纤放大器(14)、法拉第旋光镜(15)和时钟误差检测单元，其特征在于：
所述主时钟发射器采用锁定到氢原子钟的飞秒激光器(1)，所述第一反射镜(6)与一步进电机为一体；所述法拉第旋光镜(15)的反射透射比为50:50；
所述时钟误差检测单元包括平衡光学互相关系统(8)、PI控制器(9)、数据采集卡(10)和计算机(11)；所述平衡光学互相关系统(8)包括第二反射镜(85)、第一双色镜(81)、第二双色镜(84)、凸透镜(82)、周期性极化PPKTP晶体(83)和平衡光电二极管(86)；
所述飞秒激光器(1)发射的光脉冲信号依次通过隔离器(2)和二分之一波片(3)后进入到偏振分束器(4)中，然后分成两束相互垂直的线偏振光，其中：
一束线偏振光是：偏振光通过第一四分之一波片(7)、压电陶瓷光纤拉伸器(12)和光纤链路(13)后，再经过掺Er3+光纤放大器(14)放大，最后经法拉第旋光镜(15)的反射原路返回至所述偏振分束器(4)；另一束线偏振光是：偏振光通过第二四分之一波片(5)和第一反射镜(6)返回至所述偏振分束器(4)；
通过调节第一四分之一波片(7)和第二四分之一波片(5)，最终两束线偏振光一同进入所述平衡光学互相关系统(8)；
进入所述平衡光学互相关系统(8)的两束线偏振光，通过第一双色镜(81)和凸透镜(82)后进入周期性极化PPKTP晶体(83)产生一束和频光信号；然后这两束线偏振光的残余部分经过第二双色镜(84)的反射再次通过周期性极化PPKTP晶体(83)产生另一束和频光信号；所述的一束和频光信号通过第二双色镜(84)进入平衡光电二极管(86)的其中一个探头，所述的另一束和频光信号经过凸透镜(82)和第一双色镜(81)，通过第二反射镜(85)后进入平衡光电二极管(86)的另一个探头；
两束和频光信号在平衡光电二极管(86)中相减并转化成电信号传输到所述PI控制器(9)之中；然后将PI控制器(9)输出的电信号分别传输给所述压电陶瓷光纤拉伸器(12)和数据采集卡(10)，所述数据采集卡(10)将电信号传给计算机(11)，所述计算机(11)控制与第一反射镜(6)为一体的步进电机。
2.一种实现光纤链路稳定的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置，并包括以下步骤：
步骤一、两束线偏振光进入平衡光学互相关系统(8)后，产生这两束线偏振光的相对时钟误差信号，并将其转化成电信号后进入所述PI控制器；通过调节PI控制器的参数，并与压电陶瓷光纤拉伸器(12)相配合，将两束光脉冲信号的相对时钟误差控制在相应地范围之内；
步骤二、在实时接收和处理时钟误差过程中，判断若两束光脉冲信号的相对时钟误差在压电陶瓷光纤拉伸器(12)的补偿范围内，则使用该压电陶瓷光纤拉伸器(12)进行补偿，否则，驱动步进电机移动第一反射镜(6)使得该两束光脉冲信号的相对时钟误差再次进入压电陶瓷光纤拉伸器(12)的补偿范围之内；
往复循环步骤二，通过压电陶瓷光纤拉伸器(12)和步进电机的配合补偿时钟误差，使光纤链路长时间稳定。
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