CN111147149B - 基于被动相位补偿的光学频率传递装置与传递方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于被动相位补偿的光学频率传递装置与传递方法,装置包括本地端、传递链路和用户端,实验表明,本发明采用被动相位补偿方式,通过简单地光混频、微波滤波与分频处理,实现了基于被动相位补偿的光学频率传递,具有系统结构简单、可靠性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤时间与频率传递,特别是一种基于被动相位补偿的光学频率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。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,基于光纤或者自由空间链路光学频率传输技术被多次证明是突破现有技术限制、实现长距离传递的一种有效解决方案。其中,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。因此,基于光纤或者自由空间链路的光学频率传递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。
目前,光学频率传递主要基于自动相位补偿方式补偿传递链路引入的相位噪声,还未有基于被动相位补偿的光学传递方案报道。主动相位噪声需要采用伺服控制单元,这增加了系统的复杂度,从而降低了系统的可靠性。
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,提供一种基于被动相位补偿的光学频率传递装置与传递方法。本发明通过简单地光混频、微波滤波与分频处理,实现了基于被动相位补偿的光学频率传递,具有系统结构简单、可靠性高的特点。
本发明的技术解决方案如下:
一种基于被动相位补偿的光学频率传递装置,其特点在于,包括本地端、传递链路和用户端,
所述的本地端由光隔离器单元、第一光耦合器、第一法拉第旋转镜、第一声光移频器、光电转换单元、混频器单元、第一微波源、分频器单元、第二微波源、第一微波功分器组成,所述的光隔离器单元的输入端为待传光学频率信号的输入端,所述的光隔离器单元的输出端与所述的第一光耦合器的1端口相连,所述的第一光耦合器的2、3、4端口分别与所述的第一光电转换单元的输入端、所述的第一声光移频器的1端口、所述的第一法拉第旋转镜相连,所述的第一声光移频器的3端口与所述的传递链路的一端相连,所述的光电转换单元的输出端与所述的混频器单元第一输入端口相连,所述的混频器单元的第二输入端口与所述的第一微波源输出端相连,所述的混频器单元的第二输出端口与所述的分频器单元的输入端相连,所述的分频器单元的输出端与所述的第一微波功分器的第一输入端相连,所述的第二微波源的输出端与所述的第一微波功分器的第二输入端相连,所述的第一微波功分器的输出端与所述的第一声光移频器的2端口端相连;
所述的用户端由第二声光移频器、第三微波源、第二法拉第旋转镜、第二光耦合器和光滤波器组成,所述的第二声光移频器的1端口与所述的传递链路的另一端相连,所述的第二声光移频器的3端口与第二光耦合器的1端口相连,所述的第二光耦合器2端口、3端口分别与所述的光滤波器、所述的第二法拉第旋转镜相连,所述的第三微波源的输出端与第二声光移频器的2端口相连。
所述的传递链路为光纤链路或者自由空间链路组成,所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。
利用上述基于被动相位补偿的光学频率传递装置的光学频率传递方法,其特点在于,该方法具体步骤如下:
1)待传的光学频率信号E0经过所述的光隔离器、所述的第一光耦合器后分为两部分:一部分光学频率信号E0经所述的第一法拉第旋转镜反射经所述的第一光耦合器后作为本地参考光输入所述的光电转化单元,另一部分光学频率信号E0经所述的第一声光移频器后进入所述的传递链路,所述的第一声光移频器工作在下移频模式,所述的第二微波源输出的微波信号加载到所述的第一声光移频器的微波信号的频率为ΩL,所述的用户端接收的光学频率信号E0经所述的第二声光移频器(20)上移频后的输出为E1:
E1∝cos[(ω0-ΩL+ΩR)t+φp]
式中,ω0、ΩR和φp分别为输入的光学频率信号E0的角频率、所述的第二声光移频器工作信号角频率和所述的传递链路引入的相位噪声,这里忽略了输入光学频率信号E0、所述的第二微波源和所述的第三微波源输出信号的初始相位,
2)所述的第二声光移频器的输出经所述的第二光耦合器分为二路:经第二光耦合器的2端口输出的一部分光学频率信号供用户使用;经第二光耦合器的3端口输出的另一部分光学频率信号E1经所述的第二法拉第旋转镜反射并依次经所述的第二光耦合器(23)的3端口、1端口、所述的第二声光移频器的3端口、1端口、所述的传递链路返回到本地端,返回本地端的信号经过所述的第一声光移频器的3端口、1端口、所述的第一光耦合器的3端口、2端口后输入所述光电转换单元,与本地端参考光的光学频率信号E0在所述光电转换单元上拍频,后经过窄带带通滤波器滤出下边带信号为E3:
E3∝cos[(ΩR-ΩL)t+2φp]
式中,前向传输与后向传输经所述的传递链路引入的相位噪声均为φp;
3)该E3通过所述混频器单元与所述的第一微波源输出角频率为ΩS信号混频后取上边带信号E4:
E4∝cos[(ΩS+ΩR-ΩL)t+2φp]
4)E4经过所述的分频器单元后的输出信号为E5:
E5∝cos[(ΩS+ΩR-ΩL)t/2+φp]
5)该E5与所述的第二微波源输出的微波信号通过第一微波功分器合束后,同时加载到所述的第一声光移频器的2端口;
6)本地端再次发送到用户端经所述的第二声光移频器的1端口、3端口、第二光耦合器的1端口、2端口输出的光学频率信号E7为:
E7∝cos[(ω0-ΩL+ΩR)t+φp]+cos[(ω0-(ΩS+ΩR-ΩL)/2)t]
7)通过所述的光滤波器滤出E7中第二项光学频率信号E8:
E8∝cos[(ω0-(ΩS+ΩR-ΩL)/2)t]。
本发明的工作原理是:在本地端经过传递链路将光学频率信号发送到用户端,用户端经过第二声光移频器和第二法拉第旋光镜将光学频率信号返回到本地端,返回的光学频率信号与本地输入光学频率在光电转化单元上混频后滤出下边带信号获得传递链路引入的相位噪声,滤出的下边带信号经过3/2倍频,倍频后的信号驱动工作在下移频的第一声光移频器产生与传递链路引入相位噪声相位共轭的光学频率信号,将该信号通过传递链路发送到用户端即可获得相位稳定的光学频率信号,实现光学频率的稳相传递。
本发明的技术效果如下:
实验表明,本发明采用被动相位补偿方式,通过简单地光混频、微波滤波与分频处理,实现了基于被动相位补偿的光学频率传递,具有系统结构简单、可靠性高的特点。
附图说明
图1是本发明基于被动相位补偿的光学频率传递装置实施例的结构示意图;
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为本发明基于被动相位补偿的光学频率传递装置的实施例的结构示意图,由图可见,本发明基于被动相位补偿的光学频率传递装置,包括本地端1、传递链路2和用户端3,
所述的本地端1由光隔离器单元10、第一光耦合器11、第一法拉第旋转镜12、第一声光移频器13、光电转换单元14、混频器单元15、第一微波源16、分频器单元17、第二微波源18、第一微波功分器19组成,所述的光隔离器单元10的输入端为待传光学频率信号的输入端,所述的光隔离器单元10的输出端与所述的第一光耦合器11的1端口相连,所述的第一光耦合器11的2、3、4端口分别与所述的第一光电转换单元14的输入端、所述的第一声光移频器13的1端口、所述的第一法拉第旋转镜12相连,所述的第一声光移频器13的3端口与所述的传递链路2的一端相连,所述的光电转换单元14的输出端与所述的混频器单元15第一输入端口相连,所述的混频器单元15的第二输入端口与所述的第一微波源16输出端相连,所述的混频器单元15的第二输出端口与所述的分频器单元17的输入端相连,所述的分频器单元17的输出端与所述的第一微波功分器19的第一输入端相连,所述的第二微波源18的输出端与所述的第一微波功分器19的第二输入端相连,所述的第一微波功分器19的输出端与所述的第一声光移频器13的2端口端相连;
所述的用户端3由第二声光移频器20、第三微波源21、第二法拉第旋转镜22、第二光耦合器23和光滤波器24组成,所述的第二声光移频器20的1端口与所述的传递链路2的另一端相连,所述的第二声光移频器20的3端口与第二光耦合器23的1端口相连,所述的第二光耦合器23的2端口、3端口分别与所述的光滤波器22、所述的第二法拉第旋转镜22相连,所述的第三微波源21的输出端与第二声光移频器20的2端口相连。
实施例中,所述的传递链路2由光纤链路构成,本地端1位于传递链路2的一端,用户端3位于传递链路2的另一端。
利用上述基于被动相位补偿的光学频率传递装置的光学频率传递方法,其特征在于,该方法具体步骤如下:
1)待传的光学频率信号E0经过所述的光隔离器10、所述的第一光耦合器11后分为两部分:一部分光学频率信号E0经所述的第一法拉第旋转镜12反射经所述的第一光耦合器11后作为本地参考光输入所述的光电转化单元14,另一部分光学频率信号E0经所述的第一声光移频器13后进入所述的传递链路2,所述的第一声光移频器13工作在下移频模式,所述的第二微波源18输出的微波信号加载到所述的第一声光移频器13的微波信号的频率为ΩL,所述的用户端3接收的光学频率信号E0经所述的第二声光移频器20上移频后的输出为E1:
E1∝cos[(ω0-ΩL+ΩR)t+φp]
式中,ω0、ΩR和φp分别为输入的光学频率信号E0的角频率、所述的第二声光移频器20工作信号角频率和所述的传递链路2引入的相位噪声,这里忽略了输入光学频率信号E0、所述的第二微波源18和所述的第三微波源21输出信号的初始相位,
2)所述的第二声光移频器20的输出经所述的第二光耦合器23分为二路:经第二光耦合器23的2端口输出的一部分光学频率信号供用户使用;经第二光耦合器23的3端口输出的另一部分光学频率信号E1经所述的第二法拉第旋转镜22反射并依次经所述的第二光耦合器23的3端口、1端口、所述的第二声光移频器20的3端口、1端口、所述的传递链路2返回到本地端1,返回本地端1的信号经过所述的第一声光移频器13的3端口、1端口、所述的第一光耦合器11的3端口、2端口后输入所述光电转换单元14,与本地端参考光的光学频率信号E0在所述光电转换单元14上拍频,后经过窄带带通滤波器滤出下边带信号为E3:
E3∝cos[(ΩR-ΩL)t+2φp]
式中,前向传输与后向传输经所述的传递链路2引入的相位噪声均为φp;
3)该E3通过所述混频器单元15与所述的第一微波源16输出角频率为ΩS信号混频后取上边带信号E4:
E4∝cos[(ΩS+ΩR-ΩL)t+2φp]
4)E4经过所述的分频器单元15后的输出信号为E5:
E5∝cos[(ΩS+ΩR-ΩL)t/2+φp]
5)该E5与所述的第二微波源18输出的微波信号通过第一微波功分器19合束后,同时加载到所述的第一声光移频器13的2端口;
6)本地端1再次发送到用户端经所述的第二声光移频器18的1端口、3端口、第二光耦合器21的1端口、2端口输出的光学频率信号E7为:
E7∝cos[(ω0-ΩL+ΩR)t+φp]+cos[(ω0-(ΩS+ΩR-ΩL)/2)t]
7)通过所述的光滤波器22滤出E7中第二项光学频率信号E8:
E8∝cos[(ω0-(ΩS+ΩR-ΩL)/2)t]。
实验表明,本发明采用被动相位补偿方式,通过简单地光混频、微波滤波与分频处理,实现了基于被动相位补偿的光学频率传递,具有系统结构简单、可靠性高的特点。
Claims (3)
1.一种基于被动相位补偿的光学频率传递装置,其特征在于,包括本地端(1)、传递链路(2)和用户端(3);
所述的本地端(1)由光隔离器单元(10)、第一光耦合器(11)、第一法拉第旋转镜(12)、第一声光移频器(13)、光电转换单元(14)、混频器单元(15)、第一微波源(16)、分频器单元(17)、第二微波源(18)、第一微波功分器(19)组成,所述的光隔离器单元(10)的输入端为待传光学频率信号的输入端,所述的光隔离器单元(10)的输出端与所述的第一光耦合器(11)的1端口相连,所述的第一光耦合器(11)的2、3、4端口分别与所述的光电转换单元(14)的输入端、所述的第一声光移频器(13)的1端口、所述的第一法拉第旋转镜(12)相连,所述的第一声光移频器(13)的3端口与所述的传递链路(2)的一端相连,所述的光电转换单元(14)的输出端与所述的混频器单元(15)第一输入端口相连,所述的混频器单元(15)的第二输入端口与所述的第一微波源(16)输出端相连,所述的混频器单元(15)的第二输出端口与所述的分频器单元(17)的输入端相连,所述的分频器单元(17)的输出端与所述的第一微波功分器(19)的第一输入端相连,所述的第二微波源(18)的输出端与所述的第一微波功分器(19)的第二输入端相连,所述的第一微波功分器(19)的输出端与所述的第一声光移频器(13)的2端口端相连;
所述的用户端(3)由第二声光移频器(20)、第三微波源(21)、第二法拉第旋转镜(22)、第二光耦合器(23)和光滤波器(24)组成,所述的第二声光移频器(20)的1端口与所述的传递链路(2)的另一端相连,所述的第二声光移频器(20)的3端口与第二光耦合器(23)的1端口相连,所述的第二光耦合器(23)2端口、3端口分别与所述的光滤波器(24)、所述的第二法拉第旋转镜(22)相连,所述的第三微波源(21)的输出端与第二声光移频器(20)的2端口相连。
2.根据权利要求1所述的基于被动相位补偿的光学频率传递装置,其特征在于,所述的传递链路(2)为光纤链路或者自由空间链路组成,所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。
3.利用权利要求1所述的基于被动相位补偿的光学频率传递装置的光学频率传递方法,其特征在于,该方法具体步骤如下:
1)待传的光学频率信号E0经过所述的光隔离器(10)、所述的第一光耦合器(11)后分为两部分:一部分光学频率信号E0经所述的第一法拉第旋转镜(12)反射经所述的第一光耦合器(11)后作为本地参考光输入所述的光电转换 单元(14),另一部分光学频率信号E0经所述的第一声光移频器(13)后进入所述的传递链路(2),所述的第一声光移频器(13)工作在下移频模式,所述的第二微波源(18)输出的微波信号加载到所述的第一声光移频器(13)的微波信号的频率为ΩL,所述的用户端(3)接收的光学频率信号E0经所述的第二声光移频器(20)上移频后的输出为E1:
E1∝cos[(ω0-ΩL+ΩR)t+φp]
式中,ω0、ΩR和φp分别为输入的光学频率信号E0的角频率、所述的第二声光移频器(20)工作信号角频率和所述的传递链路(2)引入的相位噪声,这里忽略了输入光学频率信号E0、所述的第二微波源(18)和所述的第三微波源(21)输出信号的初始相位,
2)所述的第二声光移频器(20)的输出经所述的第二光耦合器(23)分为二路:经第二光耦合器(23)的2端口输出的一部分光学频率信号供用户使用;经第二光耦合器(23)的3端口输出的另一部分光学频率信号E1经所述的第二法拉第旋转镜(22)反射并依次经所述的第二光耦合器(23)的3端口、1端口、所述的第二声光移频器(20)的3端口、1端口、所述的传递链路(2)返回到本地端(1),返回本地端(1)的信号经过所述的第一声光移频器(13)的3端口、1端口、所述的第一光耦合器(11)的3端口、2端口后输入所述光电转换单元(14),与本地端参考光的光学频率信号E0在所述光电转换单元(14)上拍频,后经过窄带带通滤波器滤出下边带信号为E3:
E3∝cos[(ΩR-ΩL)t+2φp]
式中,前向传输与后向传输经所述的传递链路(2)引入的相位噪声均为φp;
3)该E3通过所述混频器单元(15)与所述的第一微波源(16)输出角频率为ΩS信号混频后取上边带信号E4:
E4∝cos[(ΩS+ΩR-ΩL)t+2φp]
4)E4经过所述的分频器单元(17 )后的输出信号为E5:
E5∝cos[(ΩS+ΩR-ΩL)t/2+φp]
5)该E5与所述的第二微波源(18)输出的微波信号通过第一微波功分器(19)合束后,同时加载到所述的第一声光移频器(13)的2端口;
6)本地端(1)再次发送到用户端经所述的第二声光移频器(20 )的1端口、3端口、第二光耦合器(23 )的1端口、2端口输出的光学频率信号E7为:
E7∝cos[(ω0-ΩL+ΩR)t+φp]+cos[(ω0-(ΩS+ΩR-ΩL)/2)t]
7)通过所述的光滤波器(24 )滤出E7中第二项光学频率信号E8:
E8∝cos[(ω0-(ΩS+ΩR-ΩL)/2)t]。
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CN111147149A (zh) | 2020-05-12 |
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