CN105739215A - 高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置 - Google Patents

高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤时间频率传递领域的高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置。该方法通过分/合波器从光纤波长通道中分离出时间传递通道，并通过控制2×2光开关的状态使时间传递通道上前向和后向传输的光信号分时和其它单向传输波长通道一起进入单向光放大器，实现同纤同波双向时分复用(BTDM?SFSW)时间传递链路中携带定时信号的光信号的同纤同波双向放大，最大程度地保证链路对称性，有效避免瑞利散射等噪声的多次放大对光纤时间传性能的影响。同时，不影响光纤中其它单向传输波长通道的放大，实现与光纤通信网中单向光纤传输光放大方法的兼容。

Description

高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置
技术领域
本发明涉及一种光纤时间频率传递领域的光放大方法与实现装置，具体是一种高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置。
背景技术
高精度的时间传递技术在卫星导航、航空航天、深空探测、地质测绘、基本物理量测量等领域有着重要的应用价值。目前基于卫星的时间传递技术，如GPS共视法(CV)、双向卫星时间传递(TWSTFT)，可以达到ns量级的时间传递精度。随着光钟等更高稳定度和不确定度钟源的发明和投入运行，这些技术已经不能满足科学研究和社会发展的需求。一种理论不确定度可以优于100ps的基于卫星激光测距原理的天基时间传递技术(T2L2)目前也还在发展中。上述天基时间传递技术虽然已经相当成熟或者可行性得到了验证，但它们自身存在着体系复杂、成本昂贵、实现周期长、安全性差、可靠性差等缺点。光纤传输具有低损耗、大容量、高速、高稳定、安全可靠的优势，在通信领域已经得到了广泛的应用。利用现有的广泛分布的光纤通信网络，进行基于光纤的时间传递是实现高精度长距离时间传递的有效途径。
高精度光纤时间传递面临着光纤链路传输时延随温度、应力和传输波长等因素变化而变化的问题。为了实现高精度的时间传递，目前普遍采用同纤双向传输方案。对于长距离双向光纤时间传递而言，为了补偿光信号的衰减，必须进行双向光放大。但是现有光纤通信网络中采用的都是单纤单向传输和放大技术。光纤双向放大成为在光纤通信网络中实现高精度双向时间传递的关键技术之一。波兰AGH理工大学提出了一种单纤双向光放大器[1]。通过将单向EDFA两端的隔离器换作滤波器实现单纤双向放大，保证了光纤时间传递链路传输时延的双向对称性，但瑞利散射等噪声由放大器双向传输性导致的多次光放大会严重恶化信噪比，限制了总的光纤链路长度[2]。日本国家计量院NMIJ[3]提出了一种面向波分复用(WDM)光纤时间传递方案的双向光放大方案。利用WDM将两个方向的波长分开，分别插入一个隔离器，再合波的方法来抑制瑞利散射等噪声的多次放大。该方案信噪比的提高是以双向传输时延不对称为代价的，需要对放大器双向传输时延的不对称性进行标定，且标定的总误差随着放大器个数的增加线性增加；捷克CESNET[4]等采用分布式的拉曼放大器对双向传输的时间信号进行光放大，尽管可以保证链路传输时延的双向对称性，但瑞利散射等噪声也会得到多次光放大，同时还存在泵浦功率高、效率低且依赖输入光信号的偏振方向等问题。此外，为实施上述方案对现有光纤通信网络光放大设备进行的升级改造会极大的增加光纤时间传递系统的实施和运营成本。
[1]P.Krehlik,A.Czubla,Buczek,and M.Lipiński,"Dissemination of timeand RF frequency via a stabilized fibre optic link over a distance of 420km,"Metrologia,vol.50,pp.133-145,2013.
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发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，为基于同纤同波双向时分复用的光纤时间传递方案，提供一种高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置。本发明通过波分复用从光纤波长通道中分离出时间传递通道，并通过2×2光开关的控制使时间传递通道上前向和后向传输的光信号分时经过单向光放大器，实现携带定时信号的光信号的同纤同波双向放大。在保证光纤时间传递链路传输时延双向对称性、有效抑制瑞利散射等噪声的多次放大的同时，实现与现有光纤通信单向放大技术的兼容。
本发明的技术解决方案如下：
一种高精度光纤时间传递双向光放大装置，其特点在于，包括：第一分/合波器、合波器、分波器、第二分/合波器、第一光分路器、第二光分路器、控制单元、2×2光开关和单向光放大器；
所述第一分/合波器的合波端与光纤链路相连，一个分波端经单向传输波长通道与所述合波器对应波长通道的分波端相连，另一分波端经双向传输波长通道与所述第一光分路器的合路端相连；
所述合波器的合波端与所述单向光放大器的输入端相连，该单向光放大器的输出端与所述分波器的合波端相连；
所述第二分/合波器的合波端与光纤链路相连，一个分波端经单向传输波长通道与所述分波器对应波长通道的分波端相连，另一分波端经双向传输波长通道与所述第二光分路器的合路端相连；
所述控制单元的输入端分别与所述第一光分路器的一分路端和第二光分路器的一分路端相连，该控制单元的控制输出端与所述2×2光开关的控制输入端相连；
所述2×2光开关的端口1与所述第一光分路器的另一分路端相连，该2×2光开关的端口2与所述第二光分路器的另一分路端相连，该2×2光开关的端口3与所述合波器的另一分波端相连，该2×2光开关的端口4与所述分波器的另一分波端相连。
进一步，从所述第一分/合波器的合波端输入的光信号被分为沿双向时间传递通道传递的、携带定时信号的前向光信号和沿单向传输波长通道传递的其它光信号；该携带定时信号的前向光信号经所述第一光分路器分为两路，一路进入控制单元，控制单元据此确定时刻t11和设置2×2光开关的状态I，让另一路前向光信号依次经过所述2×2光开关的端口1、端口4、所述合波器、单向光放大器、分波器、2×2光开关的端口3、端口2、第二光分路器和第二分/合波器，由该第二分/合波器的合路端输出到光纤链路；
从所述第二分/合波器的合波端输入的携带定时信号的后向光信号沿双向时间传递通道传递，经所述第二光分路器分为两路，一路进入控制单元，控制单元据此确定时刻t21和设置2×2光开关的状态II，让另一路后向光信号依次经过所述2×2光开关的端口2、端口4、所述合波器、单向光放大器、分波器、2×2光开关的端口3、端口1、第一光分路器和第一分/合波器，由该第一分/合波器的合路端输出到光纤链路；
所述沿单向传输波长通道传输的其它光信号依次经所述合波器、单向光放大器、分波器和第二分/合波器，由该第二分/合波器的合路端输出到光纤链路。
所述2×2光开关的状态I是指所述2×2光开关的端口1与端口4、端口2与端口3处于连通状态，所述2×2光开关的状态II是端口1与端口3、端口2与端口4处于连通状态。
另一方面，本发明还公开了一种高精度光纤时间传递双向光放大方法，其特点在于，通过分/合波器从光纤传输通道中选出双向时间传递通道，并通过2×2光开关控制使双向时间传递通道上沿两个相反方向传输的光信号分时与沿单向传输波长通道传输的其它光信号一起进入单向光放大器，实现双向时分复用光纤时间传递链路中携带定时信号的光信号的同纤同波双向放大，以及其它单向传输波长通道的光放大。
对携带定时信号的前向光信号和后向光信号的放大过程如下：
1)沿正方向传输的光信号经过第一分/合波器分为携带定时信号的前向光信号和沿单向传输波长通道传输的其它光信号，并将携带定时信号的前向光信号输入第一光分路器，将沿单向传输波长通道传输的其它光信号输入合波器的对应波长输入端口；
2)第一光分路器将一部分的前向光信号输入控制单元，另一部分前向光信号输入2×2光开关；
3)控制单元根据其探测到前向光信号的时刻t1及前向光信号的传输方向，确定下一次将2×2光开关设置为状态I的时刻t11＜t1+T-tsT为被传递的定时信号的周期，ts为光开关的切换时间；在到达设置时刻t11时，将2×2光开关设置并保持在状态I，使得携带定时信号的前向光信号经过2×2光开关进入合波器；
4)合波器将经过2×2光开关后的前向光信号与第一分/合波器的另一分波端输出的其它光信号合为一路，输入单向光放大器进行光放大；
5)经单向光放大器放大输出的光信号经过分波器再次分成携带定时信号的前向光信号和沿单向传输波长通道传输的其它光信号；携带定时信号的前向光信号经过仍然保持在状态I的2×2光开关和第二光分路器进入第二分/合波器，与从所述分波器输出的其它光信号合为一路输出到光纤链路；
6)沿反方向传输的携带定时信号的后向光信号经第二分/合波器进入第二光分路器；该第二光分路器将一部分携带定时信号的后向光信号输入控制单元，另一部分后向光信号输入2×2光开关；
7)控制单元根据探测到后向光信号的时刻t2及后向光信号的传输方向，确定下一次将2×2光开关设置为状态II的时刻t21＜t2+T-ts；在到达设置时刻t21时，将2×2光开关设置并保持在状态II，使得携带定时信号的后向光信号经过2×2光开关进入合波器；
8)合波器将经过2×2光开关后的后向光信号与第一分/合波器另一个分波端输出的其它光信号合为一路，输入单向光放大器进行放大；
9)经单向光放大器放大输出的光信号经过分波器再次分成携带定时信号的后向光信号和单向传输波长通道传输的其它光信号；携带定时信号的后向光信号经过仍然保持在状态II的2×2光开关到达第一光分路器，并经第一分/合波器输出到光纤链路上。
本发明以成熟的光通信器件为基础，利用商用单向光放大器对双向同纤同波传输的时间信号进行光放大，能最大限度地保证BTDM-SFSW时间传递链路时延的双向对称性，和有效避免瑞利散射等噪声的多次放大对光纤时间传性能的影响。同时，还能与现有光纤传输放大技术兼容，支持基于光纤通信网的高精度光纤时间传递。
附图说明
图1是本发明具体实施例示意图；
图2是双向放大过程示意图，其中，a为与单向传输波长通道同向的光信号放大过程，b为与单向传输波长通道反向的光信号放大过程。
具体实施方式
下面结合附图1给出本发明的一个具体实施例子。本实施例给出了本发明的详细实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例中，单向传输波长通道的传输方向为从A向B。双向时间传递的波长通道中，传递的定时信号为1PPS，携带1PPS的光信号I的传输方向为A到B，即正方向，携带1PPS的光信号II的传输方向为B到A，即反方向。光信号I和光信号II在链路中分时传递。实施例中，2×2光开关采用切换时间为毫秒量级的机械光开关，单向光放大器采用商用单向EDFA。
从A到B方向的光放大过程如图2(a)所示。从A向B传输的光信号经过第一分/合波器1分为携带1PPS的光信号I和其它单向传输的波长通道1。携带1PPS的光信号I经一个1：9的第一光分路器5将10％的光信号I输入控制单元7，其余90％输入2×2光开关8。控制单元7在探测到光信号I时将定时器的定时时间重置为0.9s；并根据探测到光信号I的输入端口，将2×2光开关8的设置状态确定为状态I。当定时器期满时，控制器将2×2光开关设置并保持在状态I，使得携带1PPS的光信号I依次经过2×2光开关8的1-4端口、合波器2、单向光放大器9、分波器3、2×2光开关8的3-2端口、第二光分路器6和第二分/合波器4，由该第二经分/合波器4的合路端输出到光纤链路；
从B到A方向的光放大过程如图2(b)所示。从B向A传输的携带1PPS的光信号II经过第二分/合波器4进入一个1：9的第二光分路器6。第二光分路器6将10％的光信号II输入控制单元7，其余90％输入2×2光开关8。控制单元7在探测到光信号II时将定时器2的定时时间重置为0.9s；并根据探测到光信号2的输入端口，将2×2光开关的设置状态确定为状态II。当定时器2期满时，控制器将2×2光开关8设置并保持在状态II，使得携带1PPS的光信号II依次经过2×2光开关8的2-4端口，合波器2、单向光放大器9、分波器3、2×2光开关8的3-1端口、第一光分路器5和第一分/合波器1，由该第一分/合波器1的合路端输出到光纤链路。
在双向放大时间波长通道的同时，从第一分/合波器1输出的从A到B的单向传输波长通道的传输的其它信号光始终依次经合波器2、单向光放大器9、分波器3、第二分/合波器4，由该第二分/合波器4的合路端输出到光纤链路，如图2(a)、(b)中所示。

Claims (5)

1.一种高精度光纤时间传递双向光放大装置，其特征在于，包括：第一分/合波器(1)、合波器(2)、分波器(3)、第二分/合波器(4)、第一光分路器(5)、第二光分路器(6)、控制单元(7)、2×2光开关(8)和单向光放大器(9)；
所述第一分/合波器(1)的合波端与光纤链路相连，一个分波端经单向传输波长通道与所述合波器(2)对应波长通道的分波端相连，另一分波端经双向传输波长通道与所述第一光分路器(5)的合路端相连；
所述合波器(2)的合波端与所述单向光放大器(9)的输入端相连，该单向光放大器(9)的输出端与所述分波器(3)的合波端相连；
所述第二分/合波器(4)的合波端与光纤链路相连，一个分波端经单向传输波长通道与所述分波器(3)对应波长通道的分波端相连，另一分波端经双向传输波长通道与所述第二光分路器(6)的合路端相连；
所述控制单元(7)的输入端分别与所述第一光分路器(5)的一分路端和第二光分路器(6)的一分路端相连，该控制单元(7)的控制输出端与所述2×2光开关(8)的控制输入端相连；
所述2×2光开关(8)的端口1与所述第一光分路器(5)的另一分路端相连，该2×2光开关(8)的端口2与所述第二光分路器(6)的另一分路端相连，该2×2光开关(8)的端口3与所述合波器的另一分波端相连，该2×2光开关(8)的端口4与所述分波器的另一分波端相连。
2.根据权利要求1所述的高精度光纤时间传递双向光放大器装置，其特征在于：从所述第一分/合波器(1)的合波端输入的光信号被分为沿双向时间传递通道传递的、携带定时信号的前向光信号(I)和沿单向传输波长通道传递的其它光信号；该携带定时信号的前向光信号(I)经所述第一光分路器(5)分为两路，一路进入控制单元(7)，控制单元据此确定时刻t11和设置2×2光开关的状态I，让另一路前向光信号(I)依次经过所述2×2光开关(8)的端口1、端口4、所述合波器(2)、单向光放大器(9)、分波器(3)、2×2光开关的端口3、端口2、第二光分路器(6)和第二分/合波器(4)，由该第二分/合波器(4)的合路端输出到光纤链路；
从所述第二分/合波器(4)的合波端输入的携带定时信号的后向光信号(II)沿双向时间传递通道传递，经所述第二光分路器(6)分为两路，一路进入控制单元(7)，控制单元据此确定时刻t21和设置2×2光开关的状态II，让另一路后向光信号(II)依次经过所述2×2光开关的端口2、端口4、所述合波器(2)、单向光放大器(9)、分波器(3)、2×2光开关的端口3、端口1、第一光分路器(5)和第一分/合波器(1)，由该第一分/合波器(1)的合路端输出到光纤链路；
所述沿单向传输波长通道传输的其它光信号依次经所述合波器(2)、单向光放大器(9)、分波器(3)和第二分/合波器(4)，由该第二分/合波器(4)的合路端输出到光纤链路。
3.根据权利要求1或2所述的高精度光纤时间传递双向光放大装置，其特征在于，所述2×2光开关的状态I是指所述2×2光开关的端口1与端口4、端口2与端口3处于连通状态，所述2×2光开关的状态II是所述2×2光开关的端口1与端口3、端口2与端口4处于连通状态。
4.一种高精度光纤时间传递双向光放大方法，其特征在于，通过分/合波器从光纤传输通道中选出双向时间传递通道，并通过2×2光开关控制使双向时间传递通道上沿两个相反方向传输的光信号分时与沿单向传输波长通道传输的其它光信号一起进入单向光放大器，实现双向时分复用光纤时间传递链路中携带定时信号的光信号的同纤同波双向放大，以及其它单向传输波长通道的光放大。
5.根据权利要求4所述的高精度光纤时间传递双向光放大方法，其特征在于，对携带定时信号的前向光信号和后向光信号的放大过程如下：
1)沿正方向传输的光信号经过第一分/合波器(1)分为携带定时信号的前向光信号(I)和沿单向传输波长通道传输的其它光信号，并将携带定时信号的前向光信号(I)输入第一光分路器(5)，将沿单向传输波长通道传输的其它光信号输入合波器(2)的对应波长输入端口；
2)第一光分路器(5)将一部分的前向光信号(I)输入控制单元(7)，另一部分前向光信号(I)输入2×2光开关(8)；
3)控制单元(7)根据其探测到前向光信号(I)的时刻t1及前向光信号(I)的传输方向，确定下一次将2×2光开关设置为状态I的时刻t11＜t1+T-ts，T为被传递的定时信号的周期，ts为光开关的切换时间；在到达设置时刻t11时，将2×2光开关设置并保持在状态I，使得携带定时信号的前向光信号(I)经过2×2光开关进入合波器(2)；
4)合波器将经过2×2光开关后的前向光信号(I)与第一分/合波器(1)的另一分波端输出的其它光信号合为一路，输入单向光放大器(9)进行光放大；
5)经单向光放大器放大输出的光信号经过分波器(3)再次分成携带定时信号的前向光信号(I)和沿单向传输波长通道传输的其它光信号；携带定时信号的前向光信号(I)经过仍然保持在状态I的2×2光开关和第二光分路器(6)进入第二分/合波器(4)，与从所述分波器(3)输出的其它光信号合为一路输出到光纤链路；
6)沿反方向传输的携带定时信号的后向光信号(II)经第二分/合波器(4)进入第二光分路器(6)；该第二光分路器(6)将一部分携带定时信号的后向光信号(II)输入控制单元，另一部分后向光信号(II)输入2×2光开关；
7)控制单元根据探测到后向光信号(II)的时刻t2及后向光信号(II)的传输方向，确定下一次将2×2光开关设置为状态II的时刻t21＜t2+T-ts；在到达设置时刻(II)t21时，将2×2光开关设置并保持在状态II，使得携带定时信号的后向光信号(II)经过2×2光开关进入合波器(2)；
8)合波器将经过2×2光开关后的后向光信号(II)与第一分/合波器(1)另一个分波端输出的其它光信号合为一路，输入单向光放大器进行放大；
9)经单向光放大器放大输出的光信号经过分波器再次分成携带定时信号的后向光信号(II)和单向传输波长通道传输的其它光信号；携带定时信号的后向光信号(II)经过仍然保持在状态II的2×2光开关到达第一光分路器(5)，并经第一分/合波器(1)输出到光纤链路上。
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