CN109799580A - 用于单纤双向传递的双倍延时线 - Google Patents

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Abstract

一种用于高精度光纤时频传递的延时线增强方案，包括第一多通道密集型光波分复用器、第二多通道密集型光波分复用器、法拉第旋镜和普通双向延时线；在所述的第一多通道密集型光波分复用器和第二多通道密集型光波分复用器之间分别连接有n个正向三通道光纤环形器和n个反向三通道光纤环形器，在所述的第一多通道密集型光波分复用器与法拉第旋镜之间是普通双向延时线。本发明制作简单方便，无需对延时线本体进行改造，可以在光纤延时线体积不变的情况下将延时的最大范围变为原来的两倍，同时使同一双向光纤延时线单位时间内的时延变化量变为原来的两倍。

Description

用于单纤双向传递的双倍延时线
技术领域
发明涉及一种新的延时线方法，特别是一种用于单纤双向传递的双倍延时线，主要应用在高精度时间、频率信号传递的链路时延控制，也可以用于其它的延时产生与控制。
背景技术
频率标准是现代社会各种重要技术的基础，比如导航定位、互联网通信、物理常数的精密测量等，高精度时间频率传递技术在这些方面更是有着重要应用。在高精度射频与时间信号传递时，光纤链路由于温度波动造成的光程缓慢变化与光纤链路受到力学作用产生的振动带来的光程小范围快速变化会产生大范围的漂移与较为高频的噪声，严重影响传递后的高精度时间信号与高稳定度频率信号的质量。所以，为了保证在远端接收到的时频信号的稳定度能够最大程度上不受影响，必须对经过的光纤链路引起的时延变化进行补偿，通过测量整条光纤链路的时延变化并与本地钟源进行比较，比较后的鉴相信号通过比例积分微分电路后控制延时线，对时延的变化进行控制。在长距离高精度时频传递中，由于光纤链路的增加，单位时间内的时延变化也大大的增加。为了及时而准确地补偿这些变化的时延，所需要的光纤延时线的长度也伴随着增长，这导致了设备体积、功耗等不断地增加。所以，如何优化光纤延时线的结构，提高光纤延时线的动态范围、是一个有重要应用前景的方向。
在长距离高精度时频传递中所使用延时线的设计，人们已经提出了若干技术方案。
先前技术一：
Irwin L.Newberg等的专利“variable optical fiber delay line”(美国专利号647,673)。提出了一种开关型的光纤延时线，开关型的光纤延迟线通常包含不同长度光纤的多条通路，通过光开关选择光纤通路，从而实现不同延迟时间，这类光纤延迟线的优势在于容易实现大规模集成，但是延迟量不能实现连续可调并且精度不高。
先前技术二：
为了能够连续可调，提高精度。Stefan Spaelter等的专利“tunable opticaldelay line”(美国专利号09/966,887)通过温度调节光栅的反射光来获得需要的延迟量，获得的最大延迟量能达到100ps。这类光纤延迟线的优点在于可以实现延迟量的高精度连续可调，但是制作复杂，可调范围小。
先前技术三：
为了实现光学时延的连续大范围可调，刘琴等提出了一种大范围的连续压控光纤延时线(GF发明专利ZL 201318002196.4)，通过半导体热电致冷器对光纤进行加热和制冷以连续改变光在光纤内的时延量。将半导体热电致冷器放置在光纤环的四周，通过一个金属环将半导体热电致冷器产生的热量传导到光纤上。
发明内容
为了提高先前设计的光纤延时线利用率，更好地满足高精度时频传递的实际需求，大大减少延时线所需要的长度，本发明提出一种双倍时延光纤延时线方法。基于WDM、光纤环形器、光纤法拉第旋镜等器件组成的光纤路径，使往返光线都能在同一个延时线中往返一次，从而使原本的光纤延时线的补偿范围与响应速度提高两倍。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于高精度光纤时频传递的延时线增强方案，其特点在于：包括第一多通道密集型光波分复用器、第二多通道密集型光波分复用器、法拉第旋镜和普通双向延时线；
在所述的第一多通道密集型光波分复用器和第二多通道密集型光波分复用器之间分别连接有n个正向三通道光纤环形器和n个反向三通道光纤环形器，在所述的第一多通道密集型光波分复用器与法拉第旋镜之间是普通双向延时线。
正向输入的光信号经过所述的正向三通道光纤环形器的1号口后，经所述的第一多通道密集型光波分复用器合束输入所述光纤延时线，通过光纤延时线后经所述法拉第旋镜进行反射，反射后的光线再次通过同样的光纤延时线与第一多通道密集型光波分复用器后进入正向三通道光纤环形器的2号口，再通过所述第二多通道密集型光波分复用器合束输出到要传递的光纤链路。
反向输入的光信号从光纤链路中经过所述的第二多通道密集型光波分复用器分束后进入所述反向三通道光纤环形器的1号口，经所述的第一多通道密集型光波分复用器合束输入到所述光纤延时线，由输出口的所述法拉第旋镜反射，反射后的光线再次通过同样的光纤延时线与第一多通道密集型光波分复用器后进入到反向三通道光纤环形器的2号口，并由反向三通道光纤环形器输出。
所述的正向三通道光纤环形器和反向三通道光纤环形器可以使用四通道光纤环形器代替，且应该选用通道间隔离度较好的环形器。
所述的多通道密集型光波分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。多通道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调制信号之间也相互独立，同时多通道密集型光波复用器窄带宽通道起到了光滤波器作用。其中，第一多通道密集型光波分复用器的同一个信道要负责传递双向信号，第二多通道密集型光波分复用器的一个信道只传递正向信号或者反向信号。
进一步，所述光纤延时线可以是任意双向光纤延时线。
进一步，所述法拉第旋镜可以使用三通道光纤环形器代替。
进一步，所述的波分复用器为滤波片式波分复用器。
所有连接点都通过熔接的的方式连接，为了尽量避免端面反射的影响。
与现有技术相比，本发明的特点和优点是：
1)制作简单方便，无需对延时线本体进行改造。
2)可以在光纤延时线体积不变的情况下将延时的最大范围变为原来的两倍。
3)可以使同一双向光纤延时线单位时间内的时延变化量变为原来的两倍
附图说明
图1是本发明用于双倍延时线的结构图；
图2是本发明用于双倍延时线的应用实例图；
图3是本发明用于双倍延时线的实施例一；
图4是本发明用于双倍延时线的实施例二；
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。
本发明双倍延时线的结构如图1所示，由图可见，本发明双倍延时线，包括n个正向三通道光纤环形器An、n个反向三通道光纤环形器Bn，第一多通道密集型光波分复用器11、第二多通道密集型光波分复用器12，法拉第旋镜2，在第一多通道密集型光波分复用器11与法拉第旋镜2之间是普通双向延时线3。
所述的第n正向三通道光纤环形器An用于将正向传递的光线导入第一多通道密集型光波分复用器11中并将第一多通道密集型光波分复用器11回传的光线导入第二多通道密集型光波分复用器12中，所述的第n反向三通道光纤环形器Bn用于将第二多通道密集型光波分复用器12分束的光线导入第一多通道密集型光波分复用器11中并将第一多通道密集型光波分复用器11分束的光线输出给探测器，所述第一多通道密集型光波分复用器11用于将第n正向三通道光纤环形器An与第n反向三通道光纤环形器Bn输入的光线合束输出给普通双向延时线3并将普通双向延时线3返回的光线分束输出给第n正向三通道光纤环形器An与第n反向三通道光纤环形器Bn，所述第二多通道密集型光波分复用器12用于将第n正向三通道光纤环形器An输出的光线耦合输出给光纤链路并将光纤链路返回的光线分束给第n反向三通道光纤环形器Bn，所述的法拉第旋镜2用于将普通双向延时线3输出的光线反射输入回普通回双向延时线3；
所述的普通双向延时线3为任意可以双向传递且正向传递时延与反向传递时延相同的延时线；
正向输入的光信号经所述的第n正向三通道光纤环形器An的1号口转向后，由2号口输出给所述第一多通道密集型光波分复用器11合束输入给普通双向延时线3，经过延时线后输出给法拉第旋镜2，光线由法拉第旋镜2反射后反向通过普通双向延时线3，通过第一多通道密集型光波分复用器11分束后输入所述第n正向三通道光纤环形器An的2号口，并从所述第n正向三通道光纤环形器An的3号口输出给所述第二多通道密集型光波分复用器12合束进入光纤链路；
反向输入的光信号经过所述第二多通道密集型光波分复用器12分束输出给第n反向三通道光纤环形器Bn的1号口后，由2号口输出给所述第一多通道密集型光波分复用器11合束输入给普通双向延时线3的1号口并由普通双向延时线3的2号口输出给法拉第旋镜2，光线由法拉第旋镜2反射后由普通双向延时线3的2号口输入并从普通双向延时线3的1号口输出，通过第一多通道密集型光波分复用器11分束后输入所述第n反向三通道光纤环形器Bn的2号口，并从所述第n反向三通道光纤环形器Bn的3号口输出给探测器。
本发明由两个多通道密集型光波分复用器(DWDM)、两个三通道光纤环形器、一个法拉第旋镜、一个普通双向延时线四部分组成。
这里以正反两路传输信号为例说明。该双倍延时线基本工作方式是调制有微波时频信号的λ1波长光信号从左端输入第n正向三通道光纤环形器An的1号口后，经第n正向三通道光纤环形器An的2号口转向输出，输出信号由第一多通道密集型光波分复用器11相应波长通道合束进入普通双向延时线3，普通双向延时线3单程可产生T的时延。光信号通过普通双向延时线3后输出给法拉第旋镜2并由其进行反射并原路入射到普通双向延时线3，由于反射所需时间极短，此时普通双向延时线3的单程时延同样为T，通过普通双向延时线3后光信号进入第一多通道密集型光波分复用器21并从相应波长通道分束输出给第n正向三通道光纤环形器An的2号口并从其3号口输出给第二多通道密集型光波分复用器12相应的波长通道合束输入到光纤链路里。同时，同样调制有微波时频信号的λ2波长光信号从右端光纤链路中返回后经由第二多通道密集型光波分复用器12相应的波长通道分束后输出给第n反向三通道光纤环形器Bn的1号口经转向后由其2号口输出给第一多通道密集型光波分复用器11相应的波长通道合束到普通光纤延时线3，此时延时线单向时延同样为T，光信号通过普通光纤延时线3后进入法拉第旋镜2并反射，反射光信号同样通过普通光纤延时线3，由于反射所需时间极短，此时普通双向延时线3的单程时延同样为T，反射信号经过第一多通道密集型光波分复用器21分束由相应波长通道输出给第n正向三通道光纤环形器An的2号口并转向从其3号口输出。
在本发明中，所述的密集型波分复用器起到的是正反向信号的分束/合束、窄带宽通道的光滤波器，将通过法拉第旋镜反射的光信号原路返回。
在本发明中，所述的法拉第旋镜起到的作用是将正向传递的光信号反射重新注入普通双向延时线中，使正向或反向信号在延时线中均传递两次。
本发明的应用实例之一如图2所示。在时频系统中，频率信号发生器4产生的1GHz频率标准信号经功率分配器51一分为三，其中两路进入鉴相电路61和鉴相电路62的参考信号输入端口，最后一路进入内调制激光器71的射频输入端口，内调制激光器71调制有1GHz标准频率信号的信号光(波长为λ1)进入本发明双倍延时线8，经过链路传输后经三通道光纤环形器9输出给光电探测器102恢复出频率信号。远端恢复出的频率信号经功率分配器52一分为二，其中一路进入鉴相电路62的传输信号输入端口与参考频率信号进行比对得到链路的传递稳定度。另一路进入内调制激光器72的射频输入端口，内调制激光器72调制有1GHz标准频率信号的信号光(波长为λ2)通过三通道光纤环形器9输入光纤链路中，同样经过链路传递后经过光纤延时线8输入给光电探测器101恢复出频率信号，恢复出的频率信号输出给鉴相电路61，与参考频率信号进行对比得到误差信号驱动比例积分微分控制器11控制延时线稳定链路。
实施例一：单一频率信号传递的延时产生
如图3所示，整体采用如图1所示的结构，包含双通道光波分复用器：第一双通道光波分复用器11、第二双通道光波分复用器12；三通道光纤环形器：第一正向三通道光纤环形器A1，第一反向三通道光纤环形器B1；普通双向延时线3；法拉第旋镜2。多通道密集型光波分复用器有两个通道，能对双向不同波长的信号进行选择性通过，通道波长根据实际使用的载波波长选择；第一正向三通道光纤环形器A1与第一反向三通道光纤环形器B1分别通过正向频率信号与反向频率信号。
实施例二：时间与频率双信号同传的延时产生
如图4所示，整体采用如图1所示的结构，包含四通道光波分复用器：第一双通道光波分复用器11、第二双通道光波分复用器12；三通道光纤环形器：第一正向三通道光纤环形器A1，第一反向三通道光纤环形器B1，第二正向三通道光纤环形器A2，第二反向三通道光纤环形器B2；普通双向延时线3；法拉第旋镜2；多通道密集型光波分复用器有四个通道，能对双向不同波长的信号进行选择性通过，通道波长根据实际使用的载波波长选择；第一正向三通道光纤环形器A1与第一反向三通道光纤环形器B1分别通过正向频率信号与反向频率信号，第二正向三通道光纤环形器A2与第二反向三通道光纤环形器B2分别通过正向时间信号与反向时间信号。
经试验表明，本发明制作简单方便，无需对延时线本体进行改造，可以在光纤延时线体积不变的情况下将延时的最大范围变为原来的两倍，同时使同一双向光纤延时线单位时间内的时延变化量变为原来的两倍。

Claims (4)

1.一种用于单纤双向传递的双倍延时线，其特征在于，包括第一多通道密集型光波分复用器(11)、第二多通道密集型光波分复用器(12)、法拉第旋镜(2)和普通双向延时线(3)；
在所述的第一多通道密集型光波分复用器(11)和第二多通道密集型光波分复用器(12)之间分别连接有n个正向三通道光纤环形器(An)和n个反向三通道光纤环形器(Bn)，在所述的第一多通道密集型光波分复用器(11)与法拉第旋镜(2)之间是普通双向延时线(3)。
2.根据权利要求1所述的用于单纤双向传递的双倍延时线，其特征在于，所述的第n正向三通道光纤环形器(An)用于将正向传递的光线导入第一多通道密集型光波分复用器(11)中并将第一多通道密集型光波分复用器(11)回传的光线导入第二多通道密集型光波分复用器(12)中；所述的第n反向三通道光纤环形器(Bn)用于将第二多通道密集型光波分复用器(12)分束的光线导入第一多通道密集型光波分复用器(11)中并将第一多通道密集型光波分复用器(11)分束的光线输出给探测器；所述第一多通道密集型光波分复用器(11)用于将第n正向三通道光纤环形器(An)与第n反向三通道光纤环形器(Bn)输入的光线合束输出给普通双向延时线(3)并将普通双向延时线(3)返回的光线分束输出给第n正向三通道光纤环形器(An)与第n反向三通道光纤环形器(Bn)；所述第二多通道密集型光波分复用器(12)用于将第n正向三通道光纤环形器(An)输出的光线耦合输出给光纤链路并将光纤链路返回的光线分束给第n反向三通道光纤环形器(Bn)，所述的法拉第旋镜(2)用于将普通双向延时线(3)输出的光线反射输入回普通回双向延时线(3)。
3.根据权利要求1或2所述的用于单纤双向传递的双倍延时线，其特征在于，n个正向输入的光信号分别经n个所述的正向三通道光纤环形器(An)的1号口转向后，由2号口输出给所述第一多通道密集型光波分复用器(11)合束输入给普通双向延时线(3)，经过延时线后输出给法拉第旋镜(2)，再由法拉第旋镜(2)反射后反向通过普通双向延时线(3)，通过第一多通道密集型光波分复用器(11)分束后输入所述正向三通道光纤环形器(An)的2号口，并从所述正向三通道光纤环形器(An)的3号口输出给所述第二多通道密集型光波分复用器(12)合束进入光纤链路；
n个反向输入的光信号分别经过n个所述第二多通道密集型光波分复用器(12)分束输出给所述的反向三通道光纤环形器(Bn)的1号口后，由2号口输出给所述第一多通道密集型光波分复用器(11)合束输入给普通双向延时线(3)的1号口并由普通双向延时线(3)的2号口输出给法拉第旋镜(2)，光线由法拉第旋镜(2)反射后由普通双向延时线(3)的2号口输入并从普通双向延时线(3)的1号口输出，通过第一多通道密集型光波分复用器(11)分束后输入所述反向三通道光纤环形器(Bn)的2号口，并从所述第n反向三通道光纤环形器(Bn)的3号口输出给探测器。
4.根据权利要求1或2所述的用于单纤双向传递的双倍延时线，其特征在于，所述的普通双向延时线(3)为任意可以双向传递且正向传递时延与反向传递时延相同的延时线。
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