CN106788750A - 一种在光纤光频链路中的中继方法及实现该方法的中继站 - Google Patents

一种在光纤光频链路中的中继方法及实现该方法的中继站 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在光纤光频链路中的中继方法及实现该方法的中继站，该方法是以上一级光纤链路的信号作为种子光，实现对种子光的一部分的接收、放大和向下一级光纤链路的发送；种子光的另一部分被反射原路返回上一级链路，同时接收下一级光纤链路的部分返回光用作拍频抑制噪声，以实现放大过程引入相位噪声的抑制。本发明可以很好的解决相位噪声抑制过程中控制带宽窄的问题，而且有适应复杂的链路、结构简单、成本低等优点。本发明设计的光纤光频链路中继站可以应用于光学原子钟比对、超高精度光钟信号传输、光纤时间频率系统组网、引力波探测等高科技领域。

Description

一种在光纤光频链路中的中继方法及实现该方法的中继站
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，涉及中继方法和中继站，尤其是一种在光纤光频链路中的中继方法及实现该方法的中继站。
背景技术
随着光纤通信技术的飞速发展和光钟的成功研制，高精度的时间频率信号传递也发生着巨大的变革。目前，锶原子光钟的不稳定度和不确定度均已达到10-18/天的量级。传统的时间频率信号通过卫星链路以微波的方式实现远距离的传输，传输稳定度只能达到10-16/天的量级，其传输精度已经不能满足高精度光钟信号的远距离传输。因此基于光纤链路的可以直接传输光频信号的技术则显示出巨大的技术优势。我国拥有丰富的光纤链路资源，而且光纤在通讯波段1550nm(C波段)具有极低的损耗(0.2dB/km)。然而由于光纤链路通过架设和地埋等方式铺设而成，容易受到外界环境的干扰，如震动和温度等；此外，光信号在光纤中传输时，随着距离的增加损耗也会积累，从而造成信号质量的恶化。因此，要实现光频信号在光纤中稳定的进行远距离传输，就必须要解决传输过程中的损耗和易受干扰等问题。
目前，欧美发达国家已经相继开展了利用光纤链路传递高精度光学频率信号的研究，并且已经取得了相当可喜的成果。2012年德国Max-Planck-Institut fürQuantenoptik(MPQ)和Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)的研究小组利用光纤相位噪声抑制技术实现了对外界环境干扰进行抑制，抑制效果达到50dB以上，同时利用20个双向掺铒光纤放大器和两个布里渊放大器补偿光信号在传输过程中功率损耗。最终在1840km的光纤链路上实现了光频信号4×10-19/100s的高稳定度传输。但是该方案存在三点缺陷：一，该方案由于需要将信号光直接传输1840km并且需要一部分光返回用于相位噪声抑制，因此整个系统的控制带宽很窄，只有十几Hz；二，系统两端的布里渊放大器结构复杂不稳定，容易失锁，失锁以后需要专人重新锁定；三，该方案中的光纤沿着油气管道的线路铺设，大部分都在人迹罕至的郊外，受环境影响引入的噪声很小。对于中国大部分沿着公路、铁路或者悬挂的光纤链路，根据已经发表的文献《Coherent Transfer of OpticalFrequency over 112km with Instability at the 10-20Level》，传输112km引入的噪声已经和德国1840km的噪声量相当，因此这种只进行放大的传输方案在中国的光纤链路上并没有很好的表现。
针对上述缺陷，法国在2014年提出一种中继放大的方案，即利用中继站的结构实现光频信号的远距离传输。它将传输一定距离的信号光进行相位噪声以后送入中继站中，在中继站中将一台激光器锁定到该信号光上，以此产生出一个新的传输光继续向下一级链路传输。通过这种方式可以很好的解决控制带宽和链路容易受干扰的问题。然而，这种中继方案需要中继站结构中有一台性能很好的窄线宽激光器，并且要通过频率锁定的方式工作，大大增加了中继站的复杂程度和成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种在光纤光频链路中的中继方法及实现该方法的中继站。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先提出一种在光纤光频链路中的中继方法：以上一级光纤链路的信号作为种子光，实现对种子光的一部分的接收、放大和向下一级光纤链路的发送；种子光的另一部分被反射原路返回上一级链路，同时接收下一级光纤链路的部分返回光用作拍频抑制噪声，以实现传输过程引入相位噪声的抑制。
为了实现以上所述中继方法，本发明提出一种应用在光纤光频链路中的中继站：包括光学结构和电学部分；所述光学结构由接收部分、放大部分和发送部分组成；所述电学部分由探测器、伺服系统和射频信号源组成；
所述接收部分包括第一声光调制器，所述第一声光调制器的输出连接有第一Y型分束器的输入；所述第一Y型分束器的输出端分别设置有第一法拉第镜和放大部分的第二Y型分束器；所述放大部分的第二Y型分束器的输出端设置有两级掺铒光纤放大器和电学部分的第一探测器；所述两级掺铒光纤放大器的输出端连接有第二声光调制器的输入，所述第二声光调制器的输出端连接有第三Y型分束器，所述第三Y型分束器的输出设置有PD1和发送部分的X型分束器；所述发送部分的X型分束器的输出分为两路，一路连接有第三声光调制器，另一路设置有第二法拉第镜；所述X型分束器的输入还设置有电学部分的第二探测器，所述第三声光调制器的输出连接至下一级光纤链路中；所述电学部分的第一探测器连接有第一伺服系统，所述第二探测器连接有第二伺服系统。
进一步，上述第一Y型分束器是90/10，但不限于90/10的Y型分束器。
进一步，上述第二Y型分束器是50/50，但不限于50/50的Y型分束器。
进一步，上述第三Y型分束器为90/10，但不限于90/10的Y型分束器。
进一步，上述光学结构中使用的光纤器件均为单模光纤器件。
上述第一声光调制器、第二声光调制器和第三声光调制器之间有固定且不构成倍数关系的频率差。
本发明进一步提供一种上述的应用在光纤光频链路中的中继站的中继方法，具体包括以下步骤：
1)接收部分由上一级链路传输过来的种子光先经过第一声光调制器进行固定的频移，然后被90/10的第一Y型分束器分为两束，90％的光被第一法拉第镜反射并沿原路返回，10％的光继续向前传输；
2)放大部分将来自第一Y型分束器的10％的种子光经过50/50的第二Y型分束器分为两束，其中一路利用两级掺铒光纤放大器提供50dB的增益放大，放大之后的光经过第二声光调制器移频并被90/10的第三Y型分束器分束；90％的光继续向后传输，而10％的光则和第二Y型分束器的另一路光进行合束拍频；
3)在发送部分X型分束器将来自第三Y型分束器的传输光分为90/10的两束光，其中90％的光经过第三声光调制器移频之后注入到下一级光纤链路中；而10％的光则经过第二法拉第镜反射，并在X型分束器处和下一级链路的返回光合束拍频。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明可以很好的解决控制带宽的问题。控制带宽依赖于相位噪声抑制过程中光信号传输的距离，传输距离越短，控制带宽越大。相对于德国的方案，这种结构的相位噪声抑制是在两个中继站之间完成的，上一级的中继站将下一级中继站的返回光通过拍频测相位噪声等方式实现噪声的抑制，也就是说，这种方式的控制带宽取决于两个中继站之间的距离，可以通过改变中继站的距离取得很好地控制带宽效果。
(2)本发明具有很好的相位噪声抑制效果。通过信号光在同一根光纤中往返传输的方式，在中继站发送端拍频测量相位噪声，并利用伺服系统主动消除相位噪声，因此在相位噪声的抑制效果上优于他方案。此外放大过程中引入的相位噪声也通过拍频测量和伺服系统主动抑制的方式进行了抑制；
(3)本发明结构简单，工作稳定。和法国的中继站相比，不需要另一台激光器和传输光进行锁定，只需要将传输光通过一个两级掺饵光纤放大器(2stage-EDFA)实现放大即可。且对2stage-EDFA的相位噪声抑制锁定非常稳定，一旦锁定，即使出现很大的干扰也不会失锁；
(4)本发明的成本低，兼容性好。由于不需要在中继站中放入新的激光器来锁定传输光，因此中继站的相对成本将大幅度的降低。与现有的光纤通信网络的具有较好的兼容性，基本上可以做到即插即用。
综上所述，本发明是以光频信号在远距离光纤链路的传输来设计的可对传输的光频信号实现再生传输的中继站。如背景技术所述，其可以很好的解决相位噪声抑制过程中控制带宽窄的问题，而且有适应复杂的链路、结构简单、成本低等优点。本发明设计的光纤光频链路中继站可以应用于光学原子钟比对、超高精度光钟信号传输、光纤时间频率系统组网、引力波探测等高科技领域。
附图说明
图1为本发明的光纤光频链路中继站结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明首先提出一种在光纤光频链路中的中继方法：
该方法是以上一级光纤链路Link N-1的信号作为种子光，实现对种子光的一部分的接收、放大和向下一级光纤链路Link N+1的发送；种子光的另一部分被反射原路返回上一级链路，同时接收下一级光纤链路的部分返回光用作拍频抑制噪声，以实现放大过程引入相位噪声的抑制。
图1是为了实现以上中继方法的中继站示意图，其中Link N为第N级链路，RF为射频信号，AOM为声光调制器，Station N为第N个中继站，SMC为分束器，FM为法拉第旋转镜，PD为探测器，2stage-EDFA为两级掺铒光纤放大器，Servo为伺服系统。为了实现以上中继方法，首先确定中继站的功能。由于两个中继站需要配合工作，每一级系统的发送部分需要和下一级的接收部分构成环路进而实现相位噪声的抑制，故每一个中继站都应该包括接收部分，放大部分和发送部分。①接收部分需要将一部分信号光反射并沿原路返回，而将另一部分光继续向前传输。因此首先要进行分光，分光的比例根据前级链路传输损耗可以计算。②放大部分即是将接收部分的传输光通过一个2stage-EDFA实现两次放大以提供大约50dB的增益，放大后的光功率和从源端发送的光功率一致。同时放大过程中引入的相位噪声也同步进行抑制，将放大前的光和放大后的光分别作为干涉仪的两臂进行拍频，其中一臂利用AOM移频。由于拍频只需要极少的光功率，所以放大后的光分光比例也可根据探测器饱和功率计算得出。③发送部分是将放大后的光注入到下一级光纤链路中，同时和下一个中继站配合抑制两个站之间的链路相位噪声，因此用一个X型耦合分束器和一个法拉第旋转镜将发送光的一部分以及下一级返回光合束拍频，以此获得链路的相位噪声并通过伺服系统驱动AOM补偿链路的相位噪声。
总之，该中继站是通过分析光频信号在光纤链路中传输时受到的影响(比如外界环境的变化和功率损耗等)，根据在光纤链路传输过程中对信号光的放大再生而设计的中继传输系统，采用接收、放大、发送三部分组合而成。旨在解决目前远距离光频传递领域中对信号光的中继放大装置以及由此带来的控制带宽窄以及结构复杂等难题。
为了实现以上方法，本发明提出的应用在光纤光频链路中的中继站具体为：
该中继站包括光学结构和电学部分：光学结构由接收部分、放大部分和发送部分组成；电学部分由探测器、伺服系统和视频信号源组成。其中接收部分包括第一声光调制器AOM1，第一声光调制器AOM1的输出连接有第一Y型分束器SMC1的输入；第一Y型分束器SMC1的输出端分别设置有第一法拉第镜FM1和放大部分的第二Y型分束器SMC2。
放大部分的第二Y型分束器SMC2的输出端设置有两级掺铒光纤放大器2stage-EDFA和电学部分的第一探测器PD1；两级掺铒光纤放大器2stage-EDFA的输出端连接有第二声光调制器AOM2的输入，第二声光调制器AOM2的输出端连接有第三Y型分束器SMC3，第三Y型分束器SMC3的输出设置有PD1和发送部分的X型分束器SMC4。
发送部分的X型分束器SMC4的输出分为两路，一路连接有第三声光调制器AOM3，另一路设置有第二法拉第镜FM2；X型分束器SMC4的输入还设置有电学部分的第二探测器(PD2)，第三声光调制器AOM3的输出连接至下一级光纤链路Link N+1中。
电学部分的第一探测器PD1连接有第一伺服系统Servo1，第二探测器PD2连接有第二伺服系统Servo2。
在本发明的最佳实施例中，第一Y型分束器SMC1是90/10的Y型分束器。第二Y型分束器SMC2是50/50的Y型分束器。第三Y型分束器SMC3为90/10的Y型分束器。本发明中光学结构中使用的光纤器件均为单模光纤器件。其中第一声光调制器AOM1、第二声光调制器AOM2和第三声光调制器AOM3之间有固定且不构成倍数关系的频率差。
以上中继站的最佳实施例，本发明提出该中继站的中继方法，具体包括以下步骤：
1)接收部分由上一级链路传输过来的种子光先经过第一声光调制器AOM1进行固定的频移，然后被90/10的第一Y型分束器SMC1分为两束，90％的光被第一法拉第镜FM1反射并沿原路返回，10％的光继续向前传输。
2)放大部分将来自第一Y型分束器SMC1的10％的种子光经过50/50的第二Y型分束器SMC2分为两束，其中一路利用两级掺铒光纤放大器2stage-EDFA提供约50dB的增益放大，放大之后的光经过第二声光调制器AOM2移频并被90/10的第三Y型分束器SMC3分束；90％的光继续向后传输，而10％的光则和第二Y型分束器SMC2的另一路光进行合束拍频。
3)在发送部分X型分束器SMC4将来自第三Y型分束器SMC3的传输光分为90/10的两束光，其中90％的光经过第三声光调制器AOM3移频之后注入到下一级光纤链路Link N+1中；而10％的光则经过第二法拉第镜FM2反射，并在X型分束器SMC4处和下一级链路的返回光合束拍频。
本发明的中继站具有以下特点：
1、中继站的功能和组成。限制光纤光频传递过程中控制带宽的主要因素是相位噪声补偿段的距离，所以一个中继站要有接收端、中继放大端和发送端。这样两个中继站之间就能构成一个完整的环路进行相位噪声抑制。信号光从接收端进入并依次完成部分沿原路返回和部分向前传输进行中继放大和向下一级链路的发送工作；
2、中继站中的光学器件均为单模光纤器件，对于温度比较敏感。而电路中存在发热器件，因此光学部分和电学部分分开设计和布局。
3、中继站中用到的分束器的分光比例可以根据入射光功率和链路损耗等具体数据进行计算，并非固定的数值，只要相差不超过10％，固定比例的分束器就可以胜任分光的工作。
4、3个AOM的工作频率是为了使拍频的两束光有一个频率差，提高拍频的信噪比。因此只要将AOM的工作频率错开即可，但是为了防止谐波的干扰，三个AOM的工作频率之间不能是倍数关系。
5、放大部分是中继站中的核心部件，其中的高增益2stage-EDFA能够提供给传输信号很高的增益，且在放大过程中利用锁相环对该过程引入的相位噪声也可以得到抑制，进而保证了传输光最大限度的还原高稳定度光源的特性。
6、中继站作为一个整体，工作在光纤光频传递链路中，不仅可以实现光频信号在光纤中的高稳定度传输，而且可与通讯光纤网络实现并网融合。

Claims (8)

1.一种在光纤光频链路中的中继方法，其特征在于，以上一级光纤链路(Link N-1)的信号光作为种子光，实现对种子光的一部分的接收、放大和向下一级光纤链路(Link N+1)的发送；种子光的另一部分被反射原路返回上一级链路，同时接收下一级光纤链路的部分返回光用作拍频抑制链路噪声，以实现传输过程引入相位噪声的抑制。
2.一种实现权利要求1所述中继方法的中继站，其特征在于，包括光学结构和电学部分；所述光学结构由接收部分、放大部分和发送部分组成；所述电学部分由探测器、伺服系统和射频信号源组成；
所述接收部分包括第一声光调制器(AOM1)，所述第一声光调制器(AOM1)的输出连接有第一Y型分束器(SMC1)的输入；所述第一Y型分束器(SMC1)的输出端分别设置有第一法拉第镜(FM1)和放大部分的第二Y型分束器(SMC2)；
所述放大部分的第二Y型分束器(SMC2)的输出端设置有两级掺铒光纤放大器(2stage-EDFA)和电学部分的第一探测器(PD1)；所述两级掺铒光纤放大器(2stage-EDFA)的输出端连接有第二声光调制器(AOM2)的输入，所述第二声光调制器(AOM2)的输出端连接有第三Y型分束器(SMC3)，所述第三Y型分束器(SMC3)的输出设置有PD1和发送部分的X型分束器(SMC4)；
所述发送部分的X型分束器(SMC4)的输出分为两路，一路连接有第三声光调制器(AOM3)，另一路设置有第二法拉第镜(FM2)；所述X型分束器(SMC4)的输入还设置有电学部分的第二探测器(PD2)，所述第三声光调制器(AOM3)的输出连接至下一级光纤链路(Link N+1)中；
所述电学部分的第一探测器(PD1)连接有第一伺服系统(Servo1)，所述第二探测器(PD2)连接有第二伺服系统(Servo2)。
3.根据权利要求2所述的应用在光纤光频链路中的中继站，其特征在于，所述第一Y型分束器(SMC1)是分数比为90/10，但不限于90/10的Y型分束器。
4.根据权利要求2所述的应用在光纤光频链路中的中继站，其特征在于，所述第二Y型分束器(SMC2)是50/50，但不限于是50/50的Y型分束器。
5.根据权利要求2所述的应用在光纤光频链路中的中继站，其特征在于，所述第三Y型分束器(SMC3)为90/10，但不限于是90/10的Y型分束器。
6.根据权利要求2所述的应用在光纤光频链路中的中继站，其特征在于，所述光学结构中使用的光纤器件均为单模光纤器件。
7.根据权利要求2所述的应用在光纤光频链路中的中继站，其特征在于，所述第一声光调制器(AOM1)、第二声光调制器(AOM2)和第三声光调制器(AOM3)之间有固定且不构成倍数关系的频率差。
8.一种权利要求2-7任意一项所述的应用在光纤光频链路中的中继站的中继方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)接收部分由上一级链路传输过来的种子光先经过第一声光调制器(AOM1)进行固定的频移，然后被90/10的第一Y型分束器(SMC1)分为两束，90％的光被第一法拉第镜(FM1)反射并沿原路返回，10％的光继续向前传输；
2)放大部分将来自第一Y型分束器(SMC1)的10％的种子光经过50/50的第二Y型分束器(SMC2)分为两束，其中一路利用两级掺铒光纤放大器(2stage-EDFA)提供50dB的增益放大，放大之后的光经过第二声光调制器(AOM2)移频并被90/10的第三Y型分束器(SMC3)分束；90％的光继续向后传输，而10％的光则和第二Y型分束器(SMC2)的另一路光进行合束拍频；
3)在发送部分X型分束器(SMC4)将来自第三Y型分束器(SMC3)的传输光分为90/10的两束光，其中90％的光经过第三声光调制器(AOM3)移频之后注入到下一级光纤链路(Link N+1)中；而10％的光则经过第二法拉第镜(FM2)反射，并在X型分束器(SMC4)处和下一级链路的返回光合束拍频。
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