CN110061778B - 光纤微波与光学频率同时传递装置与传递方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤微波和光学频率同时传递装置与传递方法，包括本地端、光纤链路和用户端，在本地端通过宽带电光耦合和移频单元将微波和光学频率耦合，耦合后的信号包括两路光学频率信号，通过光纤链路发送到用户端。用户端将接收到的信号经过移频单元以及光反射单元再次通过相同路径返回到本地端。在本地端通过电光转换、混频处理后与待传微波信号鉴频鉴相比较，获得光纤链路引入的相位噪声，本地端通过动态调整加载到电光耦合和移频模块的工作频率，实现光纤链路引入的相位噪声动态补偿。在用户端获得两路相位稳定的光学频率以及它们之间相位稳定的微波信号，实现微波和光学频率同时传递。本发明通过宽带电光耦合和移频模块实现微波和光学频率的宽带耦合和相位噪声的系统补偿，实现了一体化光纤微波和光学频率同时传递，系统结构简单、可靠性高。

Description

光纤微波与光学频率同时传递装置与传递方法

技术领域

本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种光纤微波与光学频率同时传递装置与传递方法。

背景技术

时间是七个国际基本单位中测量精度最高的一个,在深空探测、射电天文、基础物理研究、地球物理测量、导航定位、精密计量、大地测量与观测等前沿科学研究以及重大基础设施与工程中，精准的时间频率都发挥着至关重要的作用。随着光学频率标准技术的飞速发展，已经成为下一代时间频率基准的有力竞争者。虽然光学频率具有较高的频率传递稳定度，但是现在全球商用的频率标准还是以微波原子钟为主。因此，实现微波和光学频率同时传递有着重要的应用价值和现实意义。首先，发展下一代基于光钟的时间频率基准本身需要高精度微波信号实现钟跃迁谱线频率(光频)的精密测量。因此，光钟的比对往往伴随着高精度微波信号的传递。其次，基于微波原子钟和光钟联合协同守时及传递能大幅度提高时间频率基准的准确度和精度。在国际上引起了高度关注和重视。美国、欧盟和日本等国家都先后开展了相关的研究。此外，大型科学实验(原子、分子光谱的精密测量等)不仅需要高精度的光学频率标准还需要高精度的微波频率标准提供给相应地电学设备用于减小这些设备对系统性能的影响。目前基于卫星的天基时间频率同步系统只能实现纳秒量级的时间同步精度和10^-15/天的频率传输稳定度。为了克服卫星时间频率传递的技术困难，基于光纤的微波和光学频率传输技术被多次证明是突破现有技术限制、实现超长距离传递的一种有效解决方案。因为光纤具有低损耗、高可靠、大带宽、不受电磁干扰、受外界扰动小等优点。

目前，大部分基于光纤链路的光学频率和微波光学频率传递是分开的，很少有报道一套系统能够同时实现光学频率和微波频率的同时传递。同时，分开传递的方式增加了系统的复杂度。为了克服无法实现光学频率与微波频率同时传递的缺陷，本文提出了一种光纤微波与光学频率同时传递方法与系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术以及工作的不足，提供一种光纤微波与光学频率同时传递装置与传递方法。本发明通过宽带电光耦合和移频模块实现微波和光学频率的宽带耦合和相位噪声的系统补偿，实现了一体化光纤微波和光学频率同时传递，系统结构简单、可靠性高。

本发明的技术解决方案如下：

一种光纤微波与光学频率同时传递装置，其特电在于，包括本地端、光纤链路和用户端，

所述的本地端由电光耦合和移频单元、环形器单元、第一移频单元、第一光电转换单元、第二光电转换单元、第一混频器单元、第二混频器单元、第一鉴频鉴相单元、第二鉴频鉴相单元、第一伺服控制单元、第二伺服控制单元、第一压控振荡器单元、第二压控振荡器单元、第一倍频器单元、第二倍频器单元、第三倍频器单元组成；

所述的电光耦合和移频模块的第1输入端为待传光学频率信号输入端，所述的电光耦合和移频模块的输出端分别与所述的环形器的第1端口、所述的第一电光转换单元的输入端相连，所述的环形器的第2端口与光纤链路(2)的一端相连，所述的环形器的第3输出端口与所述的第二光电转换模块输入端相连，所述的第一移频单元的输入端与待传光学频率信号输入端相连，该第一移频模块的输出端分别与所述的第一光电转换模块的输入端和所述的第二电光转换单元的输入端相连，所述的第一光电转换模块的输出端分别与所述的第一混频器单元第1输入端口、所述的第二混频器单元的第2端口相连，所述的第二光电转换模块的输出端分别与所述的第一混频器单元第2输入端口、所述的第二混频器单元的第1输入端口相连，所述的第一混频器单元的输出端与所述的第一鉴频鉴相单元的第1输入端口相连，所述的第二混频器单元的第3端口与所述的第二鉴频鉴相单元的第1输入端口相连，所述的第一鉴频鉴相单元的第2输入端口与所述的第二倍频器单元输出端口相连，所述的第一鉴频鉴相单元的输出端口与所述的第一伺服控制单元输入端相连，所述的第一伺服控制单元的输出端与所述的第一压控震荡器单元输入端相连，所述的第一压控震荡器单元的输出端与所述的第一倍频器单元输入端相连，该第一倍频器单元的输出端分成两路分别与电光耦合和移频模块的第2输入端口和第3输入端口相连；所述的第二鉴频鉴相单元的第2输入端口与所述的第二倍频器单元的输入端相连，所述的第二鉴频鉴相单元的输出端口与所述的第二伺服控制单元输入端相连，所述的第二伺服控制单元的输出端与所述的第二压控震荡器单元输入端相连，所述的第二压控震荡器单元的输出端分成两路分别与电光耦合和移频模块的第2输入端口和第3输入端口相连，

待传微波频率信号分别经所述的第三倍频器单元、第二倍频器单元的输入所述的第二鉴频鉴相单元的第2输入端口、所述的第一鉴频鉴相单元的第2输入端口；

所述的用户端由第二移频单元、光信号反射单元、光滤波单元和第三光电转换单元组成，所述的移频单元的输入端与所述的光纤链路的另一端相连，该移频单元的输出端分别与所述的光信号反射模块、第三光电转换单元的输入端和光滤波单元的输入端相连，所述的第三光电转换单元的输出端为微波频率信号的输出端，所述的光滤波单元的输出端为光学频率信号的输出端。

利用上述装置实现光学频率与微波频率的同时传递方法，具体步骤如下：

①本地端的待传的光学频率信号E₀分为两部分：一部分光学频率信号E₀经所述的第一移频单元移频后作为本地参考光到达第一光电转换模块，另一部分光学频率信号E₀进入所述的电光耦合和移频模块；所述的第二压控震荡器单元和所述的第一倍频器单元输出频率Ω₁和Ω₂分别分成两路加载到电光耦合和移频模块第2和第3输出端口上，实现宽带电光耦合，使所述的电光耦合和移频模块输出光信号E₁，包含两个不同的光学频率分量：

E₁∝cos[(ω₀+Ω₁)t+φ_c1]+cos[(ω₀+Ω₂)t+φ_c2]

式中，φ_ci为光学频率信号i(i＝1，2)是通过调整所述的第二压控震荡器单元和所述的第一倍频器单元输出频率Ω₁和Ω₂引入的补偿相位；

所述的电光耦合和移频模块输出的信号E₁经所述的环形器的1端口、2端口，再经过所述的光纤链路传输到用户端；

②用户端接收的信号经所述的第二移频单元后输出E₂：

E₂∝cos[(ω₀+Ω₁+Ω_a)t+φ_c1+φ_p1]+cos[(ω₀+Ω₂+Ω_a)t+φ_c2+φ_p2]

式中，φ_pi为光学频率i在光纤链路中传输时引入的相位噪声和Ω_a为第二移频单元的工作频率；所述的第二移频单元分为三路输出，一部分信号经所述的第三光电转换模块转换为微波信号输出，另一部分信号经所述的光滤波模块输出光学频率信号供使用；

第三部分信号经所述的光信号反射单元反射返回，依次经所述的第二移频器、光纤链路、到本地端经所述的环形器的2端口、3端口进入所述的第二光电转换模块，该返回信号在第二光电转换模块与本地端E₀拍频获得的信号E₅，为携带两路光学频率信号在光纤链路上往返传输时引入的总相位变化：

其中，φ_ci+2φ_pi为两路光学频率信号在所述的光纤链路上往返传输时引入的总相位变化，φ_pi为光学载波i前向和后向经所述的光纤链路引入的相位噪声；

③将E₀经所述的第一移频单元与调制后E₁经所述的第一光电转换单元拍频后获得本地参考光E₄，该信号携带相位补偿信息φ_ci：

式中，Ω_b为加载到本地端第一移频模块上的工作频率；

④将E₄₁与E₅₁通过第一混频器单元混频后取上边带信号以及将E₄₂和E₅₂通过第二混频器单元混频后取上边带信号：

E₆∝cos[(2Ω₁+2Ω_a+Ω_b)t+2(φ_c1+φ_p1)]

E₇∝cos[(2Ω₂+2Ω_a+Ω_b)t+2(φ_c2+φ_p2)]

将E₆与第二倍频器单元的输出信号E_r1＝cos[(2Ω₁+2Ω_a+Ω_b)t]通过第一鉴频鉴相单元鉴频鉴相比较获得补偿相位信息φ_c1＝-φ_p1。同时，E₇与第三倍频器单元的输出信号E_r2＝cos[(2Ω₂+2Ω_a+Ω_b)t]通过第二鉴频鉴相单元鉴频鉴相比较获得补偿相位信息φ_c2＝-φ_p2，获得的补偿相位信息φ_c1＝-φ_p1经过第一伺服控制单元、第一压控振荡器单元和第一倍频器单元调整加载到所述的电光耦合和移频模块第2和第3端口的频率Ω₂实现第一路光学频率信号相位噪声的动态补偿；同时，获得的补偿相位信息经过φ_c2＝-φ_p2经过第二伺服控制单元和第二压控振荡器单元调整加载到电光耦合和移频模块第2和第3端口的频率Ω₁实现第二路光学频率信号相位噪声的动态补偿，在用户端经过所述的光滤波模块输出相位稳定的光学频率信号，同时，从两路稳定的光学频率信号经所述的第三光电转换单元上的拍频，输出相位稳定的微波信号。

本发明是不同于目前常用于光学频率或者微波频率传递。本发明在采用电光耦合器和移频模块实现微波和光学频率的宽带耦合，将耦合后信号包括两个不同频率的光学频率信号在光纤链路中采用环回法测得的光纤链路引入的相位噪声，采用主动补偿技术通过反馈加载到电光耦合器和移频模块的两路微波工作频率实现对两路光学频率相位噪声的补偿，用户端可获得两路相位稳定相位稳定的光学频率信号以及通过拍频获得两路光学频率之间的微波信号。实现全光通路的高精度、连续微波与光学频率同时传递。

本发明通过宽带电光耦合和移频模块实现微波和光学频率的宽带耦合和相位噪声的系统补偿，实现了一体化光纤微波和光学频率同时传递，系统结构简单、可靠性高。

附图说明

图1是本发明光纤微波与光学频率同时传递系统实施例的结构示意图；

图2是说明书摘要附图；

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，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的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。

图1为本发明光纤微波与光学频率同时传递装置实施例的结构示意图，本实施例中，双向光放大器和光纤构成光纤链路2，本地端1位于光纤链路2的一端，用户端3位于光纤链路2的另一端。

本地端1的待传光学频率信号E₀分为两部分：一部分光学频率信号E₀经过第一移频单元13移频后作为本地参考光，到达第一光电转换模块14，另一部分光学频率信号E₀进入电光耦合和移频模块11。第一压控震荡器单元22和第一倍频器单元24输出频率Ω₁和Ω₂分别分成两路加载到电光耦合和移频模块11第2和第3输出端口上，实现宽带电光耦合，使得电光耦合和移频模块11输出光信号E₁，包含两个不同的光学频率分量：

E₁∝cos[(ω₀+Ω₁)t+φ_c1]+cos[(ω₀+Ω₂)t+φ_c2]

式中，φ_ci为光学频率信号i(i＝1，2)是通过调整所述的第二压控震荡器单元22和所述的第一倍频器单元24输出频率Ω₁和Ω₂引入的补偿相位；

所述的电光耦合和移频模块11输出的信号E₁经环形器12的1端口、2端口，再经过光纤链路2传输到用户端1；

用户端3接收的信号经过第二移频单元27后输出E₂：

E₂∝cos[(ω₀+Ω₁+Ω_a)t+φ_c1+φ_p1]+cos[(ω₀+Ω₂+Ω_a)t+φ_c2+φ_p2]

式中，φ_pi为光学频率i在光纤链路2中传输时引入的相位噪声和Ω_a为第二移频单元27的工作频率。第二移频单元27分为三路输出，一部分信号经所述的第三光电转换模块30转换为微波信号输出，另一部分信号经光滤波模块29输出光学频率信号供使用；

第三部分信号经光信号反射单元28反射返回，依次经第二移频器27、光纤链路2到本地端1经环形器12的2端口、3端口到达第二光电转换模块15，该返回的信号在第二光电转换模块15与本地端E₀拍频获得的信号E₅，为携带两路光学频率信号在光纤链路2上往返传输时引入的总相位变化：

其中，φ_ci+2φ_pi为两路光学频率信号在所述的光纤链路上往返传输时引入的总相位变化，φ_pi为光学载波i前向或后向经所述的光纤链路2引入的相位噪声；

将E₀经第一移频单元13与调制后E₁经第一光电转换单元14拍频后获得本地参考信号E₄，该信号携带相位补偿信息φ_ci：

式中，Ω_b为加载到本地端移频模块13上的工作频率；

将E₄₁与E₅₁通过第一混频器单元16混频后取上边带信号以及将E₄₂和E₅₂通过第二混频器单元17混频后取上边带信号：

E₆∝cos[(2Ω₁+2Ω_a+Ω_b)t+2(φ_c1+φ_p1)]

E₇∝cos[(2Ω₂+2Ω_a+Ω_b)t+2(φ_c2+φ_p2)]

将E₆与第二倍频器单元25的输出信号E_r1＝cos[(2Ω₁+2Ω_a+Ω_b)t]]通过第一鉴频鉴相单元18鉴频鉴相比较获得补偿相位信息φ_c1＝-φ_p1。同时，E₇与第三倍频器单元26的输出信号E_r2＝cos[(2Ω₂+2Ω_a+Ω_b)t]通过第二鉴频鉴相单元19鉴频鉴相比较获得补偿相位信息φ_c2＝-φ_p2。获得的补偿相位信息φ_c1＝-φ_p1经过第一伺服控制单元20、第一压控振荡器单元22和第一倍频器单元24调整加载到电光耦合和移频模块11第2和第3端口的频率Ω₂实现第一路光学频率信号相位噪声的动态补偿。同时，获得的补偿相位信息经过φ_c2＝-φ_p2经过第二伺服控制单元21和第二压控振荡器单元23调整加载到电光耦合和移频模块第2和第3端口的频率Ω₁实现第二路光学频率信号相位噪声的动态补偿。经过相位补偿后用户端经过所述的光滤波模块29输出相位稳定的光学频率信号；同时，从两路稳定的光学频率信号经所述的第三光电转换单元30上的拍频，输出相位稳定的微波信号。通过光学滤波器模块29可滤出任一光学频率。

实验表明，本发明通过宽带电光耦合和移频模块实现微波和光学频率的宽带耦合和相位噪声的系统补偿，实现了一体化光纤微波和光学频率同时传递，系统结构简单、可靠性高。

Claims (2)

1.一种光纤微波与光学频率同时传递装置，其特征在于，包括本地端(1)、光纤链路(2)和用户端(3)，

所述的本地端(1)由电光耦合和移频单元(11)、环形器(12)、第一移频单元(13)、第一光电转换单元(14)、第二光电转换单元(15)、第一混频器单元(16)、第二混频器单元(17)、第一鉴频鉴相单元(18)、第二鉴频鉴相单元(19)、第一伺服控制单元(20)、第二伺服控制单元(21)、第一压控振荡器单元(22)、第二压控振荡器单元(23)、第一倍频器单元(24)、第二倍频器单元(25)、第三倍频器单元(26)组成；

所述的电光耦合和移频单元(11)的第1输入端为待传光学频率信号输入端，所述的电光耦合和移频单元(11)的输出端分别与所述的环形器(12)的第1端口、所述的第一光电转换单元(14)的输入端相连，所述的环形器(12)的第2端口与光纤链路(2)的一端相连，所述的环形器(12)的第3输出端口与所述的第二光电转换单元(15)输入端相连，所述的第一移频单元(13)的输入端与待传光学频率信号输入端相连，该第一移频单元(13)的输出端分别与所述的第一光电转换单元(14)的输入端和所述的第二光电转换单元(15)的输入端相连，所述的第一光电转换单元(14)的输出端分别与所述的第一混频器单元(16)第1输入端口、所述的第二混频器单元(17)的第2输入端口相连，所述的第二光电转换单元(15)的输出端分别与所述的第一混频器单元(16)第2输入端口、所述的第二混频器单元(17)的第1输入端口相连，所述的第一混频器单元(16)的输出端与所述的第一鉴频鉴相单元(18)的第1输入端口相连，所述的第二混频器单元(17)的第3输出端口与所述的第二鉴频鉴相单元(19)的第1输入端口相连，所述的第一鉴频鉴相单元(18)的第2输入端口与所述的第二倍频器单元(25)输出端口相连，所述的第一鉴频鉴相单元(18)的输出端口与所述的第一伺服控制单元(20)输入端相连，所述的第一伺服控制单元(20)的输出端与所述的第一压控振荡器单元(22)输入端相连，所述的第一压控振荡器单元(22)的输出端与所述的第一倍频器单元(24)输入端相连，该第一倍频器单元(24)的输出端分成两路分别与电光耦合和移频单元(11)的第2输入端口和第3输入端口相连；

所述的第二鉴频鉴相单元(19)的第2输入端口与所述的第三倍频器单元(26)的输入端相连，所述的第二鉴频鉴相单元(19)的输出端口与所述的第二伺服控制单元(21)输入端相连，所述的第二伺服控制单元(21)的输出端与所述的第二压控振荡器单元(23)输入端相连，所述的第二压控振荡器单元(23)的输出端分成两路分别与电光耦合和移频单元(11)的第2输入端口和第3输入端口相连，

待传微波频率信号分别经所述的第三倍频器单元(26)、第二倍频器单元(25)的输入所述的第二鉴频鉴相单元(19)的第2输入端口、所述的第一鉴频鉴相单元(18)的第2输入端口；

所述的用户端(3)由第二移频单元(27)、光信号反射单元(28)、光滤波单元(29)和第三光电转换单元(30)组成，所述的第二移频单元(27)的输入端与所述的光纤链路(2)的另一端相连，该第二移频单元(27)的输出端分别与所述的光信号反射单元 (28)、第三光电转换单元(30)的输入端和光滤波单元(29)的输入端相连，所述的第三光电转换单元(30)的输出端为微波频率信号的输出端，所述的光滤波单元(29)的输出端为光学频率信号的输出端。

2.利用权利要求1所述的光纤微波与光学频率同时传递装置的微波与光学频率信号同时传递方法，其特征在于，具体步骤如下：

①本地端的待传的光学频率信号E₀分为两部分：一部分光学频率信号E₀经所述的第一移频单元(13)移频后作为本地参考光输入第一光电转换单元(14)，另一部分光学频率信号E₀进入所述的电光耦合和移频单元(11)；所述的第一压控振荡器单元(22)和所述的第一倍频器单元(24)输出频率Ω₁和Ω₂分别分成两路加载到电光耦合和移频单元(11)第2输入端口和第3输入端口上，实现宽带电光耦合，使所述的电光耦合和移频单元(11)输出光信号E₁，包含两个不同的光学频率分量：

E₁∝cos[(ω₀+Ω₁)t+φ_c1]+cos[(ω₀+Ω₂)t+φ_c2]

式中，φ_ci为光学频率信号i(i＝1，2)是通过调整所述的第一压控振荡器单元(22)和所述的第一倍频器单元(24)输出频率Ω₁和Ω₂引入的补偿相位；

所述的电光耦合和移频单元(11)输出的信号E₁经所述的环形器(12)的1端口、2端口，再经过所述的光纤链路(2)传输到用户端(3)；

②用户端(3)接收的信号经所述的经第二移频单元(27)后输出E₂：

E₂∝cos[(ω₀+Ω₁+Ω_a)t+φ_c1+φ_p1]+cos[(ω₀+Ω₂+Ω_a)t+φ_c2+φ_p2]

式中，φ_pi为光学频率i在光纤链路(2)中传输时引入的相位噪声和Ω_a为第二移频单元(27)的工作频率；所述的第二移频单元(27)分为三路输出，一部分信号经所述的第三光电转换单元(30)转换为微波信号输出，另一部分信号经所述的光滤波单元(29)输出光学频率信号供使用；

第三部分信号经所述的光信号反射单元(28)反射返回，依次经所述的第二移频单元(27)、光纤链路(2)、到本地端(1)经所述的环形器(12)的2端口、3端口进入所述的第二光电转换单元(15)，该返回的光信号在所述的第二光电转换单元(15)与本地端E₀拍频获得的信号E₅为携带两路光学频率信号在光纤链路(2)上往返传输时引入的总相位变化：

其中，φ_ci+2φ_pi为两路光学频率信号在所述的光纤链路上往返传输时引入的总相位变化，φ_pi为光学载波i前向和后向经所述的光纤链路(2)引入的相位噪声；

③将E₀经所述的第一移频单元(13)与调制后E₁经所述的第一光电转换单元(14) 拍频后获得本地参考光E₄，该信号携带相位补偿信息φ_ci：

式中，Ω_b为加载到第一移频单元(13)上的工作频率；

④将E₄₁与E₅₁通过所述的第一混频器单元(16)混频后取上边带信号以及将E₄₂和E₅₂通过所述的第二混频器单元(17)混频后取上边带信号：

E₆∝cos[(2Ω₁+2Ω_a+Ω_b)t+2(φ_c1+φ_p1)]

E₇∝cos[(2Ω₂+2Ω_a+Ω_b)t+2(φ_c2+φ_p2)]

将E₆与所述的第二倍频器单元(25)的输出信号E_r1＝cos[(2Ω₁+2Ω_a+Ω_b)t]通过所述的第一鉴频鉴相单元(18)鉴频鉴相比较获得补偿相位信息φ_c1＝-φ_p1；同时，E₇与所述的第三倍频器单元(26)的输出信号E_r2＝cos[(2Ω₂+2Ω_a+Ω_b)t]通过所述的第二鉴频鉴相单元(19)鉴频鉴相比较获得补偿相位信息φ_c2＝-φ_p2；获得的补偿相位信息φ_c1＝-φ_p1经过所述的第一伺服控制单元(20)、所述的第一压控振荡器单元(22)和所述的第一倍频器单元(24)调整加载到所述的电光耦合和移频单元(11)第2和第3端口的频率Ω₂实现第一路光学频率信号相位噪声的动态补偿；同时，获得的补偿相位信息φ_c2＝-φ_p2经过所述的第二伺服控制单元(21)和所述的第二压控振荡器单元(23)调整加载到电光耦合和移频单元(11)的第2和第3端口的频率Ω₁实现第二路光学频率信号相位噪声的动态补偿；在用户端经过所述的光滤波单元(29)输出相位稳定的光学频率信号；同时，从两路稳定的光学频率信号经所述的第三光电转换单元(30)上的拍频，输出相位稳定的微波信号。

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