CN111342899B - 一种光纤共轭稳相传输方法 - Google Patents

一种光纤共轭稳相传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤共轭稳相传输方法，利用基于锁模激光器的光频梳发生器产生的光梳线，通过光梳线同时为中心端提供辅助信号与探测信号；接着通过产生的探测信号在光纤链路上的往返传递，获得光纤链路的延时抖动；最后将探测信号与辅助信号混频，经过相位共轭后获得附加反向延时抖动的待传信号，完成对整个光纤链路的延时补偿，从而实现宽带射频信号的稳相传输。

Description

一种光纤共轭稳相传输方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种光纤共轭稳相传输方法。
背景技术
对于通信、电网、交通、天文观测、深空探测等多个领域的应用来说，都需要稳定的射频频率，也需要相应的频率传输。随着高精度原子钟的发展，传统的基于卫星的传输系统无法满足参考稳定性和精度要求，而光纤链路显示出无与伦比的优势，如低损耗，大带宽和抗电磁干扰性。
然而在实际应用中，光纤往往沿着铁路或公路铺设，该样在车辆经过时光纤容易受到突然的剧烈干扰，除此之外，很多光纤链路会有一段暴露在地表，它会受到快速变化的温度的影响，即机械应力和温度的变化导致光纤链路传输延迟变化，从而降低了远端传输参考的稳定性。这些情况下如何快速稳定相位就成了这种补偿方法面临的挑战。
目前，针对稳相传输有以下的方法：采用光延时线进行相位抖动补偿；采用压控晶体振荡器(Voltage-controlled Crystal Oscillator，VCXO)的电域相位补偿方法、电延时线法、调节激光器的频率实现相位补偿和相位共轭法。
通常许多相位补偿方案都使用基于反馈控制的相位跟踪和锁定的方法，它从发现相位偏差并采取纠正措施，到重新稳定相位一般需要几个振荡周期；而使用相位共轭对链路中突然出现的剧烈的延时变化导致的信号相移可以非常快速地纠正，同时采用光频梳作为射频源，在高频信号的生成上有更低的成本和更好的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光纤共轭稳相传输方法，通过对整个光纤链路的延时补偿，从而实现宽带射频信号的稳相传输。
为实现上述发明目的，本发明一种光纤共轭稳相传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、基于掺铒放大锁模光纤激光器产生离散、间隔固定和载波包络相位频率锁定的光梳线信号；
Figure BDA0002421835080000021
其中，f0为载波包络相位频率，fr为光梳线信号的重复频率，n＝0,1,2,…,N，共计N+1根光梳线，
Figure BDA0002421835080000022
为初始相位；
(2)、将产生的光梳线信号由分光器分为两路，一路直接作为探测信号，另一路送入光电二极管PD1；
(3)、利用光电二极管PD1进行差分检测，计算出任意两根光梳线间的电流I(t)；
I(t)＝R[Ei(t)+Ej(t)]2
∝cos[(j-i)frt]
其中，R为光电二极管的响应系数，i与j表示第i与第j根梳线；
根据N+1根光梳线，最终得到频率范围为fr～Nfr，频率间隔为fr的射频源信号；
(4)、利用带通滤波器BPF1对射频源信号进行滤波，再将滤波后的信号记为辅助信号Ia(t)；
Figure BDA0002421835080000023
(5)、利用光环行器控制探测信号从光环行器的左侧输入、右侧输出，经由波分复用器WDM1耦合进入光纤链路，再在光纤链路的输出端，通过波分复用器WDM2分离出探测信号；
其中，探测信号在光纤链路的传输过程中，设光纤链路受环境变化影响而产生的延时为τ，则输入至波分复用器WDM2的探测信号为：
Figure BDA0002421835080000024
Figure BDA0002421835080000025
其中，p、q表示N+1根光梳线信号中的任意两根频率差为ω0/2的光梳线信号；
(6)、探测信号经过法拉第旋镜反射回波分复用器WDM2，再耦合进入同一光纤链路，然后通过波分解复用器WDM1分离出回传探测信号，最后利用光环行器控制回传探测信号从光环行器的右侧输入、下侧输出；
其中，回传探测信号在光纤链路的传输过程中，感知到光纤链路的延时抖动并转化为光梳线的相位变化，那么输入至波分复用器WDM1的回传探测信号为：
Figure BDA0002421835080000031
Figure BDA0002421835080000032
(7)、回传探测信号先通过单向掺铒光纤放大器来补偿光纤链路的损耗，再利用光电二极管PD2进行差分检测，并通过带通滤波器BPF2滤波处理，得到射频信号Ir(t)；
Figure BDA0002421835080000033
(8)、将辅助信号Ia(t)和射频信号Ir(t)通过混频器进行混频处理，再将混频后的信号由带通滤波器BPF3进行滤波处理，保留混频后的差频信号IRF(t)；
IRF(t)∝cos[ω0t+ω0τ)]
(9)、将差频信号IRF(t)作为待传信号，通过电光转换模块将电信号转换为光信号，再通过波分复用器WDM1耦合进入光纤链路，在光纤链路的输出端通过波分复用器WDM2分离出待传信号，然后利用光电二极管PD3进行差分检测，并通过带通滤波器BPF4滤波处理，得到宽带射频稳相信号IRF'(t)；
IRF'(t)∝cos(ω0t)。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种光纤共轭稳相传输方法，利用基于锁模激光器的光频梳发生器产生的光梳线，通过光梳线同时为中心端提供辅助信号与探测信号；接着通过产生的探测信号在光纤链路上的往返传递，获得光纤链路的延时抖动；最后将探测信号与辅助信号混频，经过相位共轭后获得附加反向延时抖动的待传信号，完成对整个光纤链路的延时补偿，从而实现宽带射频信号的稳相传输。
同时，本发明一种光纤共轭稳相传输方法还具有以下有益效果：
(1)、通过使用基于锁模激光器的光频梳技术，不需要同步器件来保持初始相位差的恒定，锁定初始频率，不会在拍频的时候引起相位变化导至功率衰落；
(2)、中心端使用光频梳技术，与传统方案相比，将宽带射频信号进行稳相传输，不需要额外的高稳定高频的射频源，且相位延时的补偿是无源的不需要有源器件；
(3)、本发明使用光频梳技术同时用于参考信号与探测信号，传统的方案基于电本振源，一般电本振源的频率最高也就几个GHz，本方案采用光梳线代替本振源，光梳线频率一般都190THz以上；
(4)、本发明使用光频梳技术已不采用较长的光纤作为延时补偿单元，不会引入了较大的功率衰减，同时不使用光纤延时线(PZT)，减少了对系统的环路带宽的限制以及不会引入AM-PM相位噪声，使得系统能快速抑制链路中的相位抖动。
附图说明
图1是本发明一种光纤共轭稳相传输方法原理图；
图2是光频梳共轭稳相对比图；
图3是共轭稳相原理图；
图4是一种光纤共轭稳相传输方法的一种具体实施方式架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种光纤共轭稳相传输方法原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种光纤共轭稳相传输方法，包括以下步骤：
S1、基于掺铒放大锁模光纤激光器MLL产生离散、间隔固定和载波包络相位频率锁定的光梳线信号；
在稳相传输系统中,不考虑信号的幅度，重点关注它们的频率和相位，其中锁模激光器产生的信号为：
Figure BDA0002421835080000051
其中，E为振幅，ω为角频率，
Figure BDA0002421835080000052
为初始相位。
那么，在锁模激光器产生的信号的基础上，假设基于掺铒放大锁模光纤激光器MLL产生了N+1根重复频率和载波包络相位频率锁定的光梳线信号，如图2(a)所示；
Figure BDA0002421835080000053
其中，f0为载波包络相位频率，设定为193.1THz；fr为光梳线信号的重复频率，设定为100MHz；可以看出每个光学模式的频率可以用fn＝nfr+f0表示，n＝0,1,2,…,N，在本实施例中，共计105根光梳线；
Figure BDA0002421835080000054
为初始相位；
S2、如图4所示，将产生的光梳线信号由分光器分为两路，一路直接作为探测信号，另一路送入光电二极管PD1；
在本实施例中，假设待传信号角频率为ω0，在探测信号支路中，光梳线信号考虑所有光梳线间隔为ω0/2，即间隔频率为待传信号频率的一半的任意两根光梳线都作为探测信号，探测信号中任意两根光梳线间隔为ω0/2的光梳线信号分别为：
Figure BDA0002421835080000055
Figure BDA0002421835080000056
其中，p、q表示N+1根光梳线信号中的任意两根频率差为ω0/2的光梳线信号；每根光梳线信号的角频率为ω0，满足
Figure BDA0002421835080000057
在本实施例中，待传信号角频率为2.42GHz，在探测信号中，光梳信号中所有梳线间隔为1.21GHz，即间隔频率为待传信号频率的一半的任意两根梳线都作为探测信号；
S3、利用光电二极管PD1进行差分检测，计算出任意两根光梳线间的电流I(t)；
I(t)＝R[Ei(t)+Ej(t)]2
∝cos[(j-i)frt]
其中，R为光电二极管的响应系数，Ei(t)表示第i根光梳线信号，i与j表示第i与第j根梳线；
从上式中可以看到，产生的射频源信号频率等于两条光梳线的频率的差值。由于i与j信号频率的不同，根据N+1根光梳线，最终得到频率范围为fr～Nfr，频率间隔为fr的射频源信号，在本实施例中，最终得到频率范围为100MHz～10.4GHz，频率间隔为100MHz的射频源信号；
S4、利用带通滤波器BPF1对射频源信号进行滤波，再将滤波后的信号记为辅助信号Ia(t)；
Figure BDA0002421835080000061
在本实施例中，辅助信号频率为3.63GHz；
S5、利用光环行器CIR控制探测信号从光环行器的左侧输入、右侧输出，经由波分复用器WDM1耦合进入光纤链路，再在光纤链路的输出端，通过波分复用器WDM2分离出探测信号；
也就从中心端传输到了远端，由于光纤链路受环境变化的影响，它的传输延时会发生变化，因此，探测信号在光纤链路的传输过程中，设光纤链路受环境变化影响而产生的延时为τ，则输入至波分复用器WDM2的探测信号为：
Figure BDA0002421835080000062
Figure BDA0002421835080000063
S6、探测信号经过法拉第旋镜FRM反射回波分复用器WDM2，再耦合进入同一光纤链路，然后通过波分解复用器WDM1分离出回传探测信号，最后利用光环行器控制回传探测信号从光环行器的右侧输入、下侧输出；
其中，回传探测信号在光纤链路的传输过程中，感知到光纤链路的延时抖动并转化为光梳线的相位变化，那么输入至波分复用器WDM1的回传探测信号为：
Figure BDA0002421835080000064
Figure BDA0002421835080000065
S7、回传探测信号先通过单向掺铒光纤放大器EDFA来补偿光纤链路的损耗，再利用光电二极管PD2进行差分检测，并通过带通滤波器BPF2滤波处理，得到射频信号Ir(t)；
Figure BDA0002421835080000071
从上式可以看出在中心端接收到的探测信号引入了光纤链路的往返延时2τ，但探测信号只有信号频率的一半，所以引入的延时对信号频率来说刚好是单向光纤链路传输延时τ。
S8、将辅助信号Ia(t)和射频信号Ir(t)通过混频器进行混频处理，再将混频后的信号由带通滤波器BPF3进行滤波处理，保留混频后的差频信号IRF(t)；
IRF(t)∝cos[ω0t+ω0τ)]
由光纤链路传输延时产生的相位项-ω0τ,在相位共轭过程中变换了符号，相当于在待传信号上引入了一个与光纤链路延时相反的时延来实现对整个光纤链路的延时补偿，共轭稳相原理如图3所示，在本实施例中，差频信号频率为2.42GHz。
S9、将差频信号IRF(t)作为待传信号如图2(b)所示，待传信号角频率为2.42GHz；
通过电光转换模块将电信号转换为光信号，也就是将待传信号经电光转换模块调制到另一个波长的光载波上，减小信号间的串扰，降低光纤中的反射和瑞利散射等对信号信噪比的影响，再通过波分复用器WDM1耦合进入光纤链路，在光纤链路的输出端通过波分复用器WDM2分离出待传信号，然后利用光电二极管PD3进行差分检测，并通过带通滤波器BPF4滤波处理，可以恢复出角频率为2.42GHz的宽带射频稳相信号IRF'(t)；
IRF'(t)∝cos(ω0t)
可以看出，经过相位共轭实现了射频信号的相位延时补偿，最后在远端恢复出来的信号IRF'(t)总是稳定的，宽带射频信号的角频率为ω0。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种光纤共轭稳相传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、基于掺铒放大锁模光纤激光器产生离散、间隔固定和载波包络相位频率锁定的光梳线信号；
Figure FDA0003746182990000011
其中，f0为载波包络相位频率，fr为光梳线信号的重复频率，n＝0,1,2,…,N，共计N+1根光梳线，
Figure FDA0003746182990000015
为初始相位；
(2)、将产生的光梳线信号由分光器分为两路，一路直接作为探测信号，另一路送入光电二极管PD1；
(3)、利用光电二极管PD1进行差分检测，计算出任意两根光梳线间的电流I(t)；
I(t)＝R[Ei(t)+Ej(t)]2
∝cos[(j-i)frt]
其中，R为光电二极管的响应系数，i与j表示第i与第j根梳线；
根据N+1根光梳线，最终得到频率范围为fr～Nfr，频率间隔为fr的射频源信号；
(4)、利用带通滤波器BPF1对射频源信号进行滤波，再将滤波后的信号记为辅助信号Ia(t)；
Figure FDA0003746182990000012
(5)、利用光环行器控制探测信号从光环行器的左侧输入、右侧输出，经由波分复用器WDM1耦合进入光纤链路，再在光纤链路的输出端，通过波分复用器WDM2分离出探测信号；
其中，探测信号在光纤链路的传输过程中，设光纤链路受环境变化影响而产生的延时为τ，则输入至波分复用器WDM2的探测信号为：
Figure FDA0003746182990000013
Figure FDA0003746182990000014
其中，p、q表示N+1根光梳线信号中的任意两根频率差为ω0/2的光梳线信号；
(6)、探测信号经过法拉第旋镜反射回波分复用器WDM2，再耦合进入同一光纤链路，然后通过波分解复用器WDM1分离出回传探测信号，最后利用光环行器控制回传探测信号从光环行器的右侧输入、下侧输出；
其中，回传探测信号在光纤链路的传输过程中，感知到光纤链路的延时抖动并转化为光梳线的相位变化，那么输入至波分复用器WDM1的回传探测信号为：
Figure FDA0003746182990000021
Figure FDA0003746182990000022
(7)、回传探测信号先通过单向掺铒光纤放大器来补偿光纤链路的损耗，再利用光电二极管PD2进行差分检测，并通过带通滤波器BPF2滤波处理，得到射频信号Ir(t)；
Figure FDA0003746182990000023
(8)、将辅助信号Ia(t)和射频信号Ir(t)通过混频器进行混频处理，再将混频后的信号由带通滤波器BPF3进行滤波处理，保留混频后的差频信号IRF(t)；
IRF(t)∝cos[ω0t+ω0τ]
(9)、将差频信号IRF(t)作为待传信号，通过电光转换模块将电信号转换为光信号，再通过波分复用器WDM1耦合进入光纤链路，在光纤链路的输出端通过波分复用器WDM2分离出待传信号，然后利用光电二极管PD3进行差分检测，并通过带通滤波器BPF4滤波处理，得到宽带射频稳相信号IRF'(t)；
IRF'(t)∝cos(ω0t)
其中，所述探测信号满足：
设待传信号角频率为ω0，在探测信号支路中，光梳线信号考虑所有光梳线间隔为ω0/2，即间隔频率为待传信号频率的一半的任意两根光梳线都作为探测信号，探测信号中任意两根光梳线间隔为ω0/2的光梳线信号分别为：
Figure FDA0003746182990000024
Figure FDA0003746182990000025
其中，p、q表示N+1根光梳线信号中的任意两根频率差为ω0/2的光梳线信号；每根光梳线信号的角频率为ω0，满足
Figure FDA0003746182990000031
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