CN111342898B - 基于环形光纤链路的光学频率传递装置与传递方法 - Google Patents

Abstract

一种基于环形光纤链路的光学频率传递装置与传递方法，装置包括本地端、环形光纤链路和接入端，本发明在接入端采用被动相位补偿方式，通过简单地光混频、微波滤波、微波分频和光学移频处理，实现了基于环形光纤链路的分布式光学频率传递。本发明可在环形光纤链路任意位置获得相位稳定的光学频率信号，具有系统噪底低、结构简单、可靠性高的特点。

Description

基于环形光纤链路的光学频率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，特别是一种基于环形光纤链路的光学频率传递装置与传递方法。

背景技术

近些年，随着光学原子钟包括光离子钟和光晶格钟的快速发展，其准确度已经接近10^-19量级，已经成为下一代时间频率基准的有力竞争者。精准的频率在深空探测、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具有广泛的应用。目前基广泛使用的基于卫星的天基频率传递只能实现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、实现长距离传递以及实现天地一体化时频同步的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。现有光网络为了提高网络的可靠性主要采用环网的结构。因此，实现基于环形光纤链路的光学频率传递有助于光学频率信号的推广和应用。同时，光学频率传递主要采用主动相位补偿方式补偿传递链路引入的相位噪声，主动相位噪声补偿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，提供一种基于环形光纤链路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、微波滤波与分频以及光学移频处理，实现了基于环形光纤链路的分布式光学频率传递，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：

一种基于环形光纤链路的光学频率传递装置，其特点在于，包括本地端、环形光纤链路和接入端；

所述的本地端由第一光耦合器、第一声光移频器、第一微波源、混频器、第一带通滤波器、法拉第旋转镜、第二光耦合器、第一光电转换单元、第二微波源和第一微波功分器组成，所述的第一光耦合器的1端口、2端口、3端口分别与待传光学频率输入口、所述的环形光纤链路的一端、所述的第二光耦合器的1端口相连，所述的第二光耦合器的2端口、3端口、4端口分别与所述的第一光电转换单元的输入端口、所述的第一声光移频器的1端口、所述的法拉第旋转镜相连，所述的第一声光移频器的2端口与所述的环形光纤链路的另一端相连，所述的第一光电转换单元的输出端口与所述混频器的1端口相连，所述的混频器的2端口、3端口分别与所述的第一微波源的输出端、所述的第一带通滤波器的输入端相连，所述的第一带通滤波器的输出端与所述的第一微波功分器的1端口相连，所述的第一微波功分器的2端口、3端口与所述的第二微波源的输出端口、所述的第一声光移频器的3端口相连；

所述的接入端由第三光耦合器、第四光耦合器、第五光耦合器、第二光电转换单元、第二带通滤波器、分频器单元和第二声光移频器组成，所述的第三光耦合器的1端口、2端口、3端口、4端口分别与所述的环形光纤链路的前一段、所述的传环形光纤链路的后一段、所述的第四光耦合器的1端口、所述的第五光耦合器的1端口相连，所述的第四光耦合器的2端口、3端口分别与所述的第二声光移频器的1端口、所述的第五光耦合器的2端口相连，所述的第五光耦合器的1端口与所述的第二光电转换单元输入端相连，所述的第二光电转换单元的输出端与所述的第二带通滤波器的输入端相连，所述的第二带通滤波器的输出端与所述的第二分频器单元的输入端相连，所述的第二分频器单元的输出端与所述的第三声光移频器的3端口相连，所述的第二声光移频器的2端口为光学频率输出口。

所述的光纤链路由光纤、双向光放大器组成。

利用上述基于环形光纤链路的光学频率传递装置的光学频率传递方法，该方法具体步骤如下：

1)待传的光学频率信号E₀＝cos[νt]经过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进入所述的环形光纤链路，沿着顺时针方向在所述的环形光纤链路中传递，另一部分光学频率信号E₀经所述的第二光耦合器分成两路，一路分光经过所述的法拉第旋转镜反射后经所述的第二光耦合器后作为本地参考光输入所述的第一光电转换单元，另一路沿着逆时针方向在所述的环形光纤链路中传递；

顺时针方向传递的光信号E₀经过所述的环形的环形光纤链路再次回到本地端，经过所述的第一声光移频器和所述的第二光耦合器后进入所述的第一光电转换单元后，所述的第二微波源输出的微波信号经所述的第一微波功分器加载到所述的第一声光移频器的微波信号的频率为Ω_R，所述的第一声光移频器(工作在下移频模式，所述的第一光电转换单元拍频信号为E₁：

E₁∝cos[Ω_Rt-φ_p]

式中，φ_p分别为输入的光学频率信号E₀经过长度为L所述的环形光纤链路引入的相位噪声，这里忽略了输入光学频率信号E₀和所述的第二微波源输出信号的初始相位和幅度；E₁与所述的第一微波源输出的角频率为Ω_L(Ω_L＞Ω_R)的信号通过所述的混频器混频后，经过所述的第一带通滤波器后滤出下边带信号E₂：

E₂∝cos[(Ω_L-Ω_R)t+φ_p]

E₂与第二微波源输的的信号经过所述的第一微波功分器加载到所述的第一声光移频器的3端口，所述的第一声光移频器的2端口输出光信号进入所述的环形光纤链路沿着逆时针方向传递为E₃∝cos[(ν-Ω_L+Ω_R)t-φ_p]

2)在所述的环形光纤链路中任意节点，通过所述的第三光耦合器可获得顺时针和逆时针传输的光信号，通过将顺时针和逆时针传输的光信号在所述的第二光电转换单元上拍频后经过所述的第二带通滤波器滤出角频率为Ω_L-Ω_R的微波信号，该微波信号经过所述的分频器单元后为：

式中，φ_a和φ_b从逆时针和顺时针方向从本地端到接入端的光纤链路长度L_a和L_b的相位噪声，根据链路长度之间的关系L＝L_a+L_b，长度为L的环形光纤链路引入的总相位可表示为φ_p＝φ_a+φ_b，所述的接入端接收到的顺时针信号可表示为：

E₅∝cos[νt+φ_b]；

4)所述的E₄加载到所述的第二声光移频器的3端口，所述的接入端接收到沿顺时针传播的光信号E₅经过所述的第二光声光移频器的1端口、2端口后，输出的光学频率信号可表示为：

可见上式补偿了E₆中环形光纤链路L_b引入的相位噪声频率信号。

本发明的工作原理是：在本地端将待传光学频率信号分别沿顺时针和逆时针方向经过环形光纤链路返回到本地端，沿顺时针方向返回到本地端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微波信号，滤波的微波信号与另一辅助微波信号混频后取出的上边带信号经过微波滤波器后的信号驱动第一声光移频器，将该信号通过环形光纤链路沿着逆时针方向传递返回到本地端，在环形链路的任意一节点通过光耦合器获取前向和后向的光信号并在光电转换单元上混频，采用窄带滤波器取出相应的微波信号并进行二分频，分频后的微波信号加载到声光调制器调整沿着顺时针传递光学频率信号的频率，声光调制器输出端即可获得相位稳定的频率信号，实现分布式光学频率传递。

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，通过在环形光纤链路接入点点简单地光混频、微波滤波与分频以及光学移频处理，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是本发明基于环形光纤链路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为本发明基于环形光纤链路的光学频率传递装置的实施例的结构示意图，由图可见，本发明基于环形光纤链路的光学频率传递装置，包括本地端1、光纤链路2和接入端3，

所述的本地端1由第一光耦合器11、第一声光移频器20、第一微波源16、混频器15、第一带通滤波器17、法拉第旋转镜13、第二光耦合器12、第一光电转换单元14、第二微波源18和第一微波功分器19组成，所述的第一光耦合器11的1端口、2端口、3端口分别与待传光学频率输入口、所述的环形光纤链路2的一端、所述的第二光耦合器12的1端口相连，所述的第二光耦合器12的2端口、3端口、4端口分别与所述的第一光电转换单元14的输入端口、所述的第一声光移频器20的1端口、所述的法拉第旋转镜13相连，所述的第一声光移频器20的2端口与所述的环形光纤链路2的另一端相连，所述的第一光电转换单元14的输出端口与所述混频器15的1端口相连，所述的混频器15的2端口、3端口分别与所述的第一微波源16的输出端、所述的第一带通滤波器17的输入端相连，所述的第一带通滤波器17输出端与所述的第一微波功分器19的1端口相连，所述的第一微波功分器19的2端口、3端口与所述的第二微波源18的输出端口、所述的第一声光移频器20的3端口相连；

所述的接入端3由第三光耦合器21、第四光耦合器22、第五光耦合器27、第二光电转换单元23、第二带通滤波器24、分频器单元25和第二声光移频器26组成，所述的第三光耦合器21的1端口、2端口、3端口、4端口分别与所述的环形光纤链路2的前一段、所述的环形光纤链路2的后一段、所述的第四光耦合器22的1端口、所述的第五光耦合器27的1端口相连，所述的第四光耦合器22的2端口、3端口分别与所述的第二声光移频器26的1端口、所述的第五光耦合器27的2端口相连，所述的第五光耦合器27的1端口与所述的第二光电转换单元23输入端相连，所述的第二光电转换单元23的输出端与所述的第二带通滤波器24的输入端相连，所述的第二带通滤波器24的输出端与所述的第二分频器单元25的输入端相连，所述的第二分频器单元25的输出端与所述的第三声光移频器25的3端口相连，所述的第二声光移频器26的2端口为光学频率输出口。

所述的光纤链路2由光纤、双向光放大器组成。

利用上述基于环形光纤链路的光学频率传递装置的光学频率传递方法，该方法具体步骤如下：

1)待传的光学频率信号E₀＝cos[νt]经过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进入所述的环形光纤链路2，沿着顺时针方向在所述的环形光纤链路2中传递，另一部分光学频率信号E₀经所述的第二光耦合器12再次分成两路，一路分光经过所述的法拉第旋转镜13反射后经所述的第二光耦合器12后作为本地参考光输入所述的第一光电转换单元14，另一路沿着逆时针方向在所述的环形光纤链路2中传递；

顺时针方向传递的光信号E₀经过所述的环形的环形光纤链路2再次回到本地端1，经过所述的第一声光移频器20和所述的第二光耦合器12后进入所述的第一光电转换单元14后，所述的第二微波源18输出的微波信号经所述的第一微波功分器19加载到所述的第一声光移频器20的微波信号的频率为Ω_R，所述的第一声光移频器20工作在下移频模式，所述的第一光电转换单元14拍频信号为E₁：

E₁∝cos[Ω_Rt-φ_p]

式中，φ_p分别为输入的光学频率信号E₀经过长度为L所述的环形光纤链路2引入的相位噪声，这里忽略了输入光学频率信号E₀和所述的第二微波源18输出信号的初始相位和幅度；E₁与所述的第一微波源16输出的角频率为Ω_L(Ω_L＞Ω_R)的信号通过所述的混频器15混频后，经过所述的第一带通滤波器17后滤出下边带信号E₂：

E₂∝cos[(Ω_L-Ω_R)t+φ_p]

E₂与第二微波源18输的的信号经过所述的第一微波功分器19加载到所述的第一声光移频器20的3端口，所述的第一声光移频器20的2端口输出光信号进入所述的环形光纤链路2沿着逆时针方向传递为：

E₃∝cos[(ν-Ω_L+Ω_R)t-φ_p]

2)在所述的环形光纤链路2中任意节点，通过所述的第三光耦合器21可获得顺时针和逆时针传输的光信号，通过将顺时针和逆时针传输的光信号在所述的第二光电转换单元23上拍频后经过所述的第二带通滤波器24滤出角频率为Ω_L-Ω_R的微波信号，该微波信号经过所述的分频器单元25后为：

式中，φ_a和φ_b从逆时针和顺时针方向从本地端1到接入端3)光纤链路长度L_a和L_b的相位噪声，根据链路长度之间的关系L＝L_a+L_b，长度为L的环形光纤链路2引入的总相位可表示为φ_p＝φ_a+φ_b，所述的接入端3接收到的顺时针信号可表示为：

E₅∝cos[νt+φ_b]；

4)所述的E₄加载到所述的第二声光移频器26的3端口，所述的接入端3接收到沿顺时针传播的光信号E₅经过所述的第二光声光移频器26的1端口、2端口后，输出的光学频率信号可表示为：

可见上式补偿了E₆中环形光纤链路L_b引入的相位噪声频率信号。

实验表明，本发明采用被动相位补偿方式，通过在环形光纤链路接入点点简单地光混频、微波滤波与分频以及光学移频处理，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)

1.一种基于环形光纤链路的光学频率传递装置，其特征在于，包括本地端(1)、环形光纤链路(2)和接入端(3)；

所述的本地端(1)由第一光耦合器(11)、第一声光移频器(20)、第一微波源(16)、混频器(15)、第一带通滤波器(17)、法拉第旋转镜(13)、第二光耦合器(12)、第一光电转换单元(14)、第二微波源(18)和第一微波功分器(19)组成，所述的第一光耦合器(11)的1端口、2端口、3端口分别与待传光学频率输入口、所述的环形光纤链路(2)的一端、所述的第二光耦合器(12)的1端口相连，所述的第二光耦合器(12)的2端口、3端口、4端口分别与所述的第一光电转换单元(14)的输入端口、所述的第一声光移频器(20)的1端口、所述的法拉第旋转镜(13)相连，所述的第一声光移频器(20)的2端口与所述的环形光纤链路(2)的另一端相连，所述的第一光电转换单元(14)的输出端口与所述混频器(15)的1端口相连，所述的混频器(15)的2端口、3端口分别与所述的第一微波源(16)的输出端、所述的第一带通滤波器(17)的输入端相连，所述的第一带通滤波器(17)输出端与所述的第一微波功分器(19)的1端口相连，所述的第一微波功分器(19)的2端口、3端口分别与所述的第二微波源(18)的输出端口、所述的第一声光移频器(20)的3端口相连；

所述的接入端(3)由第三光耦合器(21)、第四光耦合器(22)、第五光耦合器(27)、第二光电转换单元(23)、第二带通滤波器(24)、分频器单元(25)和第二声光移频器(26)组成，所述的第三光耦合器(21)的1端口、2端口、3端口、4端口分别与所述的环形光纤链路(2)的前一段、所述的环形光纤链路(2)的后一段、所述的第四光耦合器(22)的1端口、所述的第五光耦合器(27)的1端口相连，所述的第四光耦合器(22)的2端口、3端口分别与所述的第二声光移频器(26)的1端口、所述的第五光耦合器(27)的2端口相连，所述的第五光耦合器(27)的3端口与所述的第二光电转换单元(23)输入端相连，所述的第二光电转换单元(23)的输出端与所述的第二带通滤波器(24)的输入端相连，所述的第二带通滤波器(24)的输出端与所述的分频器单元(25)的输入端相连，所述的分频器单元(25)的输出端与所述的第二声光移频器(26)的3端口相连，所述的第二声光移频器(26)的2端口为光学频率输出口。

2.根据权利要求1所述的基于环形光纤链路的光学频率传递装置，其特征在于，所述的光纤链路由光纤、双向光放大器组成。

3.利用权利要求1所述的基于环形光纤链路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＝cos[νt]经过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进入所述的环形光纤链路(2)，沿着顺时针方向在所述的环形光纤链路(2)中传递，另一部分光学频率信号E₀经所述的第二光耦合器(12)再次分成两路，一路分光经过所述的法拉第旋转镜(13)反射后经所述的第二光耦合器(12)后作为本地参考光输入所述的第一光电转换单元(14)，另一路沿着逆时针方向在所述的环形光纤链路(2)中传递；

顺时针方向传递的光学频率信号E₀经过所述的环形光纤链路(2)再次回到本地端(1)，经过所述的第一声光移频器(20)和所述的第二光耦合器(12)后进入所述的第一光电转换单元(14)后，所述的第二微波源(18)输出的微波信号经所述的第一微波功分器(19)加载到所述的第一声光移频器(20)的微波信号的频率为Ω_R，所述的第一声光移频器(20)工作在下移频模式，所述的第一光电转换单元(14)拍频信号为E₁：

E₁∝cos[Ω_Rt-φ_p]

式中，φ_p为输入的光学频率信号E₀经过长度为L所述的环形光纤链路(2)引入的相位噪声，这里忽略了输入光学频率信号E₀和所述的第二微波源(18)输出信号的初始相位和幅度；E₁与所述的第一微波源(16)输出的角频率为Ω_L，Ω_L＞Ω_R的信号通过所述的混频器(15)混频后，经过所述的第一带通滤波器(17)后滤出下边带信号E₂：

E₂∝cos[(Ω_L-Ω_R)t+φ_p]

E₂与第二微波源(18)输出的信号经过所述的第一微波功分器(19)加载到所述的第一声光移频器(20)的3端口，所述的第一声光移频器(20)的2端口输出光信号进入所述的环形光纤链路(2)沿着逆时针方向传递为

E₃∝cos[(ν-Ω_L+Ω_R)t-φ_p]

2)在所述的环形光纤链路(2)中任意节点，通过所述的第三光耦合器(21)可获得顺时针和逆时针传输的光信号，通过将顺时针和逆时针传输的光信号在所述的第二光电转换单元(23)上拍频后经过所述的第二带通滤波器(24)滤出角频率为Ω_L-Ω_R的微波信号，该微波信号经过所述的分频器单元(25)后为：

式中，φ_a和φ_b分别为逆时针和顺时针方向从本地端(1)到接入端(3)的光纤链路长度L_a和L_b的相位噪声，根据链路长度之间的关系L＝L_a+L_b，长度为L的环形光纤链路(2)引入的总相位可表示为φ_p＝φ_a+φ_b，所述的接入端(3)接收到的顺时针信号可表示为

E₅∝cos[νt+φ_b]；

3)所述的E₄加载到所述的第二声光移频器(26)的3端口，所述的接入端(3)接收到沿顺时针传播的光信号E₅经过所述的第二声光移频器(26)的1端口、2端口后，输出的光学频率信号可表示为：

可见上式补偿了E₆中顺时针方向从本地端(1)到接入端(3)的光纤链路引入的相位噪声频率信号。

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