CN109660299B - 双向波分复用光放大装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于光纤时间频率传递的双向波分复用光放大装置，沿前向依次包括第一分/合波器、合波器、单向光放大器、分波器和第二分/合波器。本发明使用分/合波器从光纤波长通道中分离出时间/频率传输通道，使时间/频率传输通道上前向和后向传输通道与其它单向业务传输通道一起进入含有光隔离器的单向光放大器，实现双向波分复用时间频率传递链路中携带时间/频率的光信号的同纤不同波的双向放大，有效避免瑞利散射等噪声的多次放大对光纤时间频率传递性能的影响。同时，不影响光纤中其它单向业务传输通道的放大，实现与光纤通信网中单向光放大的兼容。

Description

双向波分复用光放大装置
技术领域
本发明涉及光纤时间频率传递，特别是一种用于光纤时间频率传递的双向波分复用光放大装置。
背景技术
高精度的时间频率基准在卫星导航、精密测量、地质测绘、远程医疗和深空探测等领域有着重要的支撑保障作用。目前基于卫星的时间频率传递技术，如GPS共视法(CV)、卫星双向时间频率比对法(TWSTFT)，由于受环境因素对自由空间传输链路的干扰，时间传递的精度只可以达到ns量级，频率传递的稳定度只能达到10-15/day。随着新技术的不断发展，光钟等更高稳定度和不确定度钟源已经被发明和投入使用，这些基于无线信道的时间频率传递技术已经无法满足未来时间频率基准比对的需求。光纤传输具有低损耗、大容量、高可靠性等优势，在通信领域已经得到了广泛的应用。利用现有广泛分布的光通信网络进行光纤时间频率传递是一种突破现有技术限制，实现高精度长距离时间频率传递的有效途径。
基于光纤进行时间频率传递面临着光纤链路传输时延受温度、应力和传输波长等外界环境因素变化而不断波动的问题。同时链路中也会引入额外的相位噪声，从而影响接收端信号的频率稳定度。对于高精度的光纤时间频率传递，为了保持双向链路传输对称性，同时抑制环境因素变化带来的影响，目前普遍采用同纤双向的传输方案。当光纤的传输距离达到上百公里，由于光纤传输损耗的存在，需要进行光信号的放大再生。与现有光纤通信网络中采用的单纤单向传输和光放大技术不同，长距离光纤时间频率传递必须采取单纤双向光放大，单纤双向放大成为在光纤通信网络中实现高精度双向时间频率传递的关键技术之一。中国的解放军理工大学提出了一种基于环形器的双向光放大器方案用于光纤时间传递[1、Q.Cheng,B.Zhang,L.Lu,J.Jing,and C.Wu,"Comparative Study of Two Methodsof Extend Optical Fiber Time Transfer Distance,"in 2012Symposium on Photonicsand Optoelectronics,(2012),1.]，该方案可以有效的抑制瑞利散射等噪声，但是由于使用了两个单向光放大器，将带来更高的成本和链路不对称性。波兰AGH理工大学提出了一种单纤双向光放大器用于光纤时间频率传递[2、S.
Figure BDA0001941679170000011
P.Krehlik,B.
Figure BDA0001941679170000012
and M.Lipinski,"Frequency Transfer in Electronically Stabilized Fiber Optic Link ExploitingBidirectional Optical Amplifiers,"IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement 61,2573(2012).]，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，保证了链路上双向传输时延的对称性，但瑞利散射等噪声由于放大器的双向传输特性将被多次光放大，进而严重恶化接收信噪比[3、S.
Figure BDA0001941679170000013
and J.Kolodziej,"BidirectionalOptical Amplification in Long-Distance Two-Way Fiber-Optic Time and FrequencyTransfer Systems,"IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 62,253(2013).]，限制时间频率传递性能。日本国家计量院NMIJ提出了一种面向波分复用(WDM)光纤时间频率传递方案的双向光放大方案[4、M.Amemiya,M.Imae,Y.Fujii,T.Suzuyama,F.L.Hong,and M.Takamoto,"Precise Frequency Comparison System UsingBidirectional Optical Amplifiers,"IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement 59,631(2010).]。利用WDM将两个方向的波长分开，分别插入一个隔离器，再进行合波的方法来抑制瑞利散射等噪声的多次放大。该方案需要为每一个波长通道插入隔离器，增加了系统的成本，且放大器需要定制，不能与现有通信网络中的单向光放大器兼容。捷克教育科研网络CESNET等采用分布式的拉曼放大器[5、V.Smotlacha and J.Vojtěch,"Time and frequency transfer using amplified optical links,"in EuropeanFrequency and Time Forum,(2015),325.]对双向传输的时间频率信号进行光放大，尽管单纤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、效率低且对偏振敏感等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于光纤时间频率传递的双向波分复用光放大装置。该装置可实现同纤不同波双向波分复用的光纤时间频率传递，且具有低噪声以及与现有通信网络中的单向光放大器相兼容的特点。本发明通过分/合波器，使前向传输通道和后向传输通道一起进入含有隔离器的单向光放大器，实现双向波分复用时间频率传递链路中携带时间频率信号的光信号的同纤不同波双向放大。
为了说明本发明，在描叙本发明技术方案前特作如下定义：
前向指的是从所述单向光放大器的输入端指向输出端的方向，后向指的是从所述单向光放大器的输出端指向输入端的方向；
A端光纤链路指的是位于单向光放大器输入侧对应的外部光纤链路，B端光纤链路指的是位于单向光放大器输出侧对应的外部光纤链路；
i＝0时表示仅包括前向传输通道和后向传输通道，不含有单向业务传输通道。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于光纤时间频率传递的双向波分复用光放大装置，其特点在于该装置构成沿前向依次包括：第一分/合波器、合波器、单向光放大器、分波器和第二分/合波器；
所述的第一分/合波器的合波端与A端光纤链路相连，所述的第二分/合波器的合波端与B端光纤链路相连，所述的合波器的合波端与所述的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；
所述的第一分/合波器、合波器、分波器)和第二分/合波器的分波端各有两个分波端口，即第1分波端口和第3分波端口；
所述的第一分/合波器的第1分波端口用于前向传输通道，与所述的合波器对应波长的第1分波端口相连，第3分波端口用于后向传输通道，与所述的分波器对应波长的第3分波端相连；
所述的第二分/合波器的合波端与B端光纤链路相连，该第二分/合波器的分波端的第1分波端口用于前向传输通道，与所述的分波器对应波长的第1分波端口相连，第3分波端口用于后向传输通道，与所述的合波器对应波长的第3分波端相连。
所述的第一分/合波器、合波器、分波器和第二分/合波器的分波端还有两个分波端口，即第2分波端口、第4分波端口；
所述的第一分/合波器的第2分波端口用于前向传输通道，与所述的合波器对应波长的第2分波端口相连，第4分波端口用于后向传输通道，与所述的分波器对应波长的第4分波端口相连；
所述的第二分/合波器的第2分波端用于前向传输通道，与所述的分波器对应波长的第2分波端口相连，第4分波端口用于后向传输通道，与所述的合波器对应波长的第4分波端口相连。
所述的第一分/合波器、合波器、分波器和第二分/合波器的分波端还有一个以上的用于单向业务传输通道的分波端口，所述的第一分/合波器的单向业务传输通道的分波端口与所述的合波器对应波长的单向业务传输通道的分波端口相连，所述的第二分/合波器的单向业务传输通道的分波端口与所述的分波器对应波长的单向业务传输通道的分波端口相连。
所述的第二分/合波器第2分波端用于前向传输通道，与所述的分波器对应波长的第2分波端口相连，第4分波端口用于后向传输通道，与所述的合波器对应波长的第4分波端口相连。
本发明的技术效果如下：
本发明以成熟的光器件为基础，利用商用单向光放大器对同纤不同波双向传输的时间频率信号进行光放大，能有效避免瑞利散射等噪声的多次放大对光纤时间频率传递性能的影响。同时，该装置还能与现有光纤通信网中的光放大技术兼容，支持基于光纤通信网的高精度光纤时间频率传递。
实验表明，本发明使用分/合波器从光纤波长通道中分离出时间/频率传输通道，使时间/频率传输通道上前向和后向传输通道与其它单向业务传输通道一起进入含有光隔离器的单向光放大器，实现双向波分复用时间频率传递链路中携带时间/频率的光信号的同纤不同波的双向放大，有效避免瑞利散射等噪声的多次放大对光纤时间频率传递性能的影响。同时，不影响光纤中其它单向业务传输通道的放大，实现与光纤通信网中单向光放大的兼容。
附图说明
图1是本发明双向波分复用光放大装置实施例1的结构示意图，图1(a)为前向光信号放大过程示意图，图1(b)为后向光信号放大过程示意图。
图2是本发明双向波分复用光放大装置实施例2的结构示意图，图2(a)为前向光信号放大过程示意图，图2(b)为后向光信号放大过程示意图。
图3是本发明双向波分复用光放大装置实施例3的结构示意图，图3(a)为前向光信号放大过程示意图，图3(b)为后向光信号放大过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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。
本发明可用于独立的光纤时间传递、独立的光纤频率传递、光纤时间和频率联合传递系统，还可用于与单向业务传输通道结合的系统，用于独立的光纤频率传递系统与用于独立的光纤时间传递系统的结构相同。
下面给出三个实施例，分别用于独立的光纤时间传递系统，光纤时间和频率联合传递系统。
实施例1：用于光纤时间传递或频率传递的双向波分复用光放大装置
图1是本发明双向波分复用光放大装置实施例1的结构示意图。图1(a)为从A到B的光放大过程示意图，图1(b)为从B到A的光放大过程示意图。由图可见，本发明用于光纤时间或频率传递的双向波分复用光放大装置实施例1，其构成沿前向依次包括：第一分/合波器1、合波器2、单向光放大器5、分波器3和第二分/合波器4；
所述的第一分/合波器1的合波端1-COM与A端光纤链路相连，所述的第二分/合波器4的合波端4-COM与B端光纤链路相连，所述的合波器2的合波端2-COM与所述的单向光放大器5的输入端相连，该单向光放大器5的输出端与所述分波器3的合波端3-COM相连；
所述的第一分/合波器1、合波器2、分波器3和第二分/合波器4的分波端各有两个分波端口，即第1分波端口和第3分波端口；
所述的第一分/合波器1的第1分波端口1-1用于前向传输通道，与所述的合波器2对应波长的第1分波端口2-1相连，第3分波端口1-3用于后向传输通道，与所述的分波器3对应波长的第3分波端口3-3相连；
所述的第二分/合波器4的合波端4-COM与B端光纤链路相连，该第二分/合波器4的分波端的第1分波端口4-1用于前向传输通道，与所述的分波器3对应波长的第1分波端口3-1相连，第3分波端口4-3用于后向传输通道，与所述的合波器2对应波长的第3分波端口2-3相连。
单向光放大器5采用商用掺铒光纤放大器(EDFA)。
从A到B的光放大过程如图1(a)所示。携带时间信号(如1PPS，秒脉冲信号)的前向时间传输通道的传输方向为从A到B。A端光纤链路中从A向B传输的前向时间传输通道从合波器2的第1分波端口2-1进入合波器2，经过单向放大器EDFA 5放大后，再依次经过分波器3和第二分/合波器4，由第二分/合波器4的合波端4-COM输出到B端光纤链路；
从B到A的光放大过程如图1(b)所示。携带时间信号(如1PPS)的后向时间传输通道的传输方向为从B到A。B端光纤链路中从B向A传输的后向时间传输通道经第二分/合波器4对应的第3分波端口4-3输出，进入合波器2对应波长的第2分波端口2-3，经过单向EDFA 5放大后，再依次经过分波器3的第3分波端口3-3和第一分/合波器1的第3分波端1-3，由第一分/合波器1的合波端1-COM输出到A端光纤链路。
本实施例既可用于光纤时间传递，又可用于光纤频率传递。
实施例2：用于光纤时间传递和具有一个单向业务传输通道的双向波分复用光放大装置
图2是本发明双向波分复用光放大装置实施例2的结构示意图，图2(a)为前向光信号放大过程示意图，图2(b)为后向光信号放大过程示意图。由图可见，本实施例双向波分复用光放大装置的构成，沿前向依次包括：第一分/合波器1、合波器2、单向光放大器5、分波器3和第二分/合波器4；
A端光纤链路与第一分/合波器1的合波端1-COM相连。第一分/合波器1的分波端含有三个分波端口，即第1分波端口1-1、第3分波端口1-3、单向业务传输通道的分波端口1-51，同样，所述的合波器2、分波器3和第二分/合波器4各有相应的三个分波端口：即第1分波端口2-1、第3分波端口2-3、单向业务传输通道的分波端口2-51；第1分波端口3-1、第3分波端口3-3、单向业务传输通道的分波端口3-51；第1分波端口4-1、第3分波端口4-3、单向业务传输通道的分波端口4-51。所述的第一分/合波器1的合波端1-COM与A端光纤链路相连，所述的第二分/合波器4的合波端4-COM与B端光纤链路相连，所述的合波器2的合波端2-COM与所述的单向光放大器5的输入端相连，该单向光放大器5的输出端与所述分波器3的合波端3-COM相连；
第1分波端口1-1用于前向时间传输通道，与所述的合波器2对应波长通道的第1分波端口2-1相连，第3分波端口1-3用于后向时间传输通道，与分波器3对应波长通道的第3分波端口3-3相连，所述的单向业务传输通道的分波端口1-51用于单向业务传输，与合波器2对应波长的单向业务传输通道的分波端口2-51相连，所述的分波器3的第1分波端口3-1与所述的第二分/合波器4的第1分波端口4-1相连，所述的分波器3的第3分波端口3-3与所述的第一分/合波器1的分波端的第3分波端口1-3相连，所述的单向业务传输通道的分波端口3-51与所述的第二分/合波器4的单向业务传输通道的分波端口4-51相连，所述的第二分/合波器4的第3分波端口4-3与所述的合波器2的第3分波端口2-3相连。
单向光放大器5采用商用掺铒光纤放大器(EDFA)。
从A到B的光放大过程如图2(a)所示。A端光纤链路中从A向B传输的波长通道的信号进入第一分/合波器1后分为携带时间信号(如1PPS)的前向时间传输信号和沿前向传输的单向业务传输信号。该前向传输信号和单向业务传输信号一起进入合波器2，经过单向放大器EDFA 5放大后，再依次经过分波器3和第二分/合波器4，由第二分/合波器4的合波端4-COM输出到B端光纤链路；
从B到A的光放大过程如图2(b)所示。B端光纤链路与第二分/合波器4的合波端4-COM相连。B端光纤链路中从B向A传输的后向时间传输通道，经第二分/合波器4对应的第2分波端口4-3输出，进入所述的合波器2对应波长的第3分波端口2-3，经过单向EDFA 5放大后，再依次经过分波器3的第3分波端3-3和第一分/合波器1的第3分波端1-3，由第一分/合波器1的合波端1-COM输出到A端光纤链路。
实施例3：用于光纤时间、频率联合传递和具有五个单向业务传输通道的双向波分复用光放大装置
图3是本发明双向波分复用光放大装置实施例3的结构示意图，图3(a)为前向光信号放大过程示意图，图3(b)为后向光信号放大过程示意图。由图可见，本实施例双向波分复用光放大装置的构成，沿前向依次包括：第一分/合波器1、合波器2、单向光放大器5、分波器3和第二分/合波器4；所述的第一分/合波器1的合波端1-COM与A端光纤链路相连，所述的第二分/合波器4的合波端4-COM与B端光纤链路相连，所述的合波器2的合波端2-COM与所述的单向光放大器5的输入端相连，该单向光放大器5的输出端与所述分波器3的合波端3-COM相连；
所述的第一分/合波器1的分波端含有九个分波端口，即第1分波端口1-1、第2分波端口1-2、第3分波端口1-3、第4分波端口1-4和五个单向业务传输通道的分波端口1-5i，i＝1、2、3、4、5，同样，所述的合波器2、分波器3和第二分/合波器4各有相应的九个分波端口：即第1分波端口2-1、第2分波端口2-2、第3分波端口2-3、第4分波端口2-4和五个单向业务传输通道的分波端口2-5i，i＝1、2、3、4、5；即第3分波端口1-1、第2分波端口3-2、第3分波端口3-3、第4分波端口3-4和五个单向业务传输通道的分波端口3-5i，i＝1、2、3、4、5；第1分波端口4-1、第2分波端口4-2、第3分波端口4-3、第4分波端口4-4和五个单向业务传输通道的分波端口4-5i，i＝1、2、3、4、5；
A端光纤链路与第一分/合波器1的合波端1-COM相连。第一分/合波器1含有九个分波端口，其中，第1分波端口1-1用于前向时间传输通道，与所述的合波器(2)对应波长通道的第1分波端口2-1相连，第2分波端口1-2用于前向频率传输通道，与所述的合波器(2)对应波长通道的第2分波端口2-2相连，第3分波端口1-3用于后向时间传输通道，与所述的分波器(3)对应波长通道的第3分波端口3-3相连，第4分波端口1-4用于后向频率传输通道，与分波器(3)对应波长通道的第4分波端口3-4相连，所述的第一分/合波器1的五个单向业务传输通道的分波端口1-5i与所述的合波器(2)五个单向业务传输通道的分波端口2-5i相连，所述的分波器(3)的五个单向业务传输通道的分波端口3-5i与所述的第二分/合波器4的五个单向业务传输通道的分波端口4-5i相连，其中，i＝1、2、3、4、5；
单向光放大器5采用商用EDFA。
从A到B的光放大过程如图3(a)所示。携带时间信号(如1PPS)的前向时间传输通道和携带频率信号(如10MHz的正弦信号)的前向频率传输通道，传输方向为从A到B。A端光纤链路中从A向B传输的波长通道经过第一分/合波器1分为携带时间信号(如1PPS)的前向时间传输通道、携带频率信号(如10MHz的正弦信号)的前向频率传输通道以及沿前向传输的单向业务传输信号。该前向时间传输信号、前向频率传输信号和单向业务传输信号一起进入合波器2，经过单向EDFA 5放大后，再依次经过分波器3和第二分/合波器4，由第二分/合波器4的合波端4-COM输出到B端光纤链路；
从B到A的光放大过程如图3(b)所示。携带时间信号(如1PPS)的后向时间传输通道和携带频率信号(如10MHz的正弦信号)的后向频率传输通道，传输方向为从B到A。B端光纤链路中从B向A传输的携带时间信号(如1PPS)的后向时间传输通道，经第二分/合波器4对应的第3分波端口4-3输出，进入所述的合波器2对应波长通道的第3分波端口2-3，携带频率信号(如10MHz的正弦信号)的后向频率传输通道，经第二分/合波器4对应的第4分波端口4-4输出，进入所述的合波器2对应波长通道的第4分波端口2-4，该后向时间传输通道和后向频率传输通道一起经过合波器的合波端2-COM输出，再依次经过单向EDFA 5，分波器3和第一分/合波器1，由第一分/合波器1的合波端1-COM输出到A端光纤链路。
实验表明，本发明使用分/合波器从光纤波长通道中分离出时间/频率传输通道，使时间/频率传输通道上前向和后向传输通道与其它单向业务传输通道一起进入含有光隔离器的单向光放大器，实现双向波分复用时间频率传递链路中携带时间/频率的光信号的同纤不同波的双向放大，有效避免瑞利散射等噪声的多次放大对光纤时间频率传递性能的影响。同时，不影响光纤中其它单向业务传输通道的放大，实现与光纤通信网中单向光放大的兼容。

Claims (2)

1.一种用于光纤时间频率传递的双向波分复用光放大装置，其特征在于该装置构成沿前向依次包括：第一分/合波器(1)、合波器(2)、单向光放大器(5)、分波器(3)和第二分/合波器(4)；
所述的第一分/合波器(1)的合波端(1-COM)与A端光纤链路相连，所述的第二分/合波器(4)的合波端(4-COM)与B端光纤链路相连，所述的合波器(2)的合波端(2-COM)与所述的单向光放大器(5)的输入端相连，该单向光放大器(5)的输出端与所述分波器(3)的合波端(3-COM)相连；
所述的第一分/合波器(1)、合波器(2)、分波器(3)和第二分/合波器(4)的分波端各有两个分波端口，即第1分波端口和第3分波端口；
所述的第一分/合波器(1)的第1分波端口(1-1)用于前向传输通道，与所述的合波器(2)对应波长的第1分波端口(2-1)相连，第3分波端口(1-3)用于后向传输通道，与所述的分波器(3)对应波长的第3分波端(3-3)相连；
所述的第二分/合波器(4)的合波端(4-COM)与B端光纤链路相连，该第二分/合波器(4)的分波端的第1分波端口(4-1)用于前向传输通道，与所述的分波器(3)对应波长的第1分波端口(3-1)相连，第3分波端口(4-3)用于后向传输通道，与所述的合波器(2)对应波长的第3分波端(2-3)相连；
所述的第一分/合波器(1)、合波器(2)、分波器(3)和第二分/合波器(4)的分波端还有两个分波端口，即第2分波端口、第4分波端口；
所述的第一分/合波器(1)的第2分波端口(1-2)用于前向传输通道，与所述的合波器(2)对应波长的第2分波端口(2-2)相连，第4分波端口(1-4)用于后向传输通道，与所述的分波器(3)对应波长的第4分波端口(3-4)相连；
所述的第二分/合波器(4)的第2分波端(4-2)用于前向传输通道，与所述的分波器(3)对应波长的第2分波端口(3-2)相连，第4分波端口(4-4)用于后向传输通道，与所述的合波器(2)对应波长的第4分波端口(2-4)相连。
2.根据权利要求1所述的双向波分复用光放大装置，其特征在于：所述的第一分/合波器(1)、合波器(2)、分波器(3)和第二分/合波器(4)的分波端还有一个以上的用于单向业务传输通道的分波端口(5i)，所述的第一分/合波器(1)的单向业务传输通道的分波端口(1-5i)与所述的合波器(2)对应波长的单向业务传输通道的分波端口(2-5i)相连，所述的第二分/合波器(4)的单向业务传输通道的分波端口(4-5i)与所述的分波器(3)对应波长的单向业务传输通道的分波端口(3-5i)相连，其中i＝0，1，2，3，…。
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