CN111371494A - 基于用户端被动相位补偿的光学频率传递装置与传递方法 - Google Patents

Abstract

一种基于用户端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，本发明在用户端通过简单地光混频、微波滤波、微波分频和光学移频处理，实现了用户端相位噪声的实时补偿，可应用于分布式光学频率传递，具有系统结构简单、可靠性高的特点。

Description

基于用户端被动相位补偿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，特别是一种基于用户端被动相位补偿的光学频率传递装置与传递方法。

背景技术

随着光学频率标准包括光离子钟和光晶格钟技术的飞速发展，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。目前基于天基卫星的频率传递的稳定度受限于大气中电离层等因素的影响，只能实现10^-15/天的频率传输稳定度，无法满足光学频率标准的传递需求。为了克服这一极具挑战的技术困难，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、大范围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。目前基于光纤的光学频率传递主要关注点到点的传递，近些年已有相关研究报道点到多点的分布式光学频率传递，这些技术主要基于主动相位补偿方式补偿传递链路引入的相位噪声，通常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，提供一种基于用户端被动相位补偿的光学频率传递装置与传递方法。本发明通过简单的光混频、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：

一种基于用户端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；

所述的本地端由第一光耦合器、第一法拉第旋转镜、第一声光移频器、第一微波源组成，所述的第一光耦合器的1端口为待传光学频率信号输入端口，所述的第一光耦合器的2、3端口分别与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，所述的第一微波源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、第二光耦合器、第二法拉第旋转镜、光电探测器、第二微波源、分频器和第三声光移频器组成，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的2端口、3端口、4端口分别与所述的光电探测器、所述的第三声光移频器的1端口、所述的第二法拉第旋转镜相连，所述的第二微波源的输出端与所述的第二声光移频器的2端口相连，所述的光电探测器与所述的分频器的输入端相连，所述的分频器的输出端与所述的第三声光移频器的2端口相连，所述的第三声光移频器的3端口为光学频率信号输出端口，工作在下移频模式；

所述的传递链路由光纤和无源光分配器组成。

利用上述基于用户端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＝cos[νt]经过所述的第一光耦合器、第一声光移频器后进入所述的传递链路，所述的第一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Ω_L，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的1端口、3端口后的输出为E₁：

E₁＝cos[(ν+Ω_L+Ω_R)t+φ_p]

式中，v、Ω_R和φ_p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、所述的第一微波源和所述的第二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三路：经第二光耦合器的2端口输出到所述的光电探测器；经第二光耦合器的3端口输出到所述的第三声光移频器的1端口；经第二光耦合器的4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的4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、所述的第一光耦合器的1端口、3端口经所述的第一法拉第旋转镜反射后并再次经过所述的第一光耦合器的3端口、1端口、所述的第一声光移频器的1端口、3端口、所述的传递链路、所述的第二声光移频器的1端口、3端口后的输出信号为：

E_t＝cos[(ν+3Ω_L+3Ω_R)t+3φ_p]

E_t经第二光耦合器的2端口输出到所述的光电探测器后与E₁拍频后滤出下边带信号为：

E₂＝cos[(2Ω_L+2Ω_R)t+2φ_p]

将E₂经过所述的分频器后为：

E₃＝cos[(Ω_L+Ω_R)t+φ_p]

将E₃加载到所述的第三声光移频器的2端口，所述第三声光移频器的输出端的输出为：

E₄＝cos[νt]+cos[(ν+3Ω_L+3Ω_R)t+3φ_p]+HH

式中，HH表示多次反射光学频率信号。可见上式中第一项即为频率稳定的光学频率信号。

本发明的技术效果如下：

实验表明，本发明在用户端采用被动相位补偿方式，通过简单的光混频、微波滤波与分频处理，实现了光学频率传递，具有系统结构简单、可靠性高的特点。

附图说明

图1是本发明基于用户端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为本发明基于用户端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，本发明基于用户端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由第一光耦合器10、第一法拉第旋转镜11、第一声光移频器12、第一微波源13组成，所述的第一光耦合器10的1端口为待传光学频率信号输入端口，所述的第一光耦合器10的2、3端口分别与所述的第一声光移频器12的1端口、所述的第一法拉第旋转镜11相连，所述的第一声光移频器12的3端口与所述的传递链路2的一端相连，所述的第一微波源13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16、第二光耦合器17、第二法拉第旋转镜18、光电探测器19、第二微波源20、分频器21和第三声光移频器22组成，所述的第二声光移频器16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16的3端口与第二光耦合器17的1端口相连，所述的第二光耦合器17的2端口、3端口、4端口分别与所述的光电探测器19、所述的第三声光移频器24的1端口、所述的第二法拉第旋转镜18相连，所述的第二微波源20的输出端与所述的第二声光移频器16的2端口相连，所述的光电探测器19与所述的分频器23的输入端相连，所述的分频器23的输出端与所述的第三声光移频器24的2端口相连，所述的第三声光移频器24的3端口为光学频率信号输出端口，工作在下移频模式；

所述的传递链路2由光纤15和无源光分配器14组成。

利用上述基于用户端被动相位补偿的光学频率传递装置的光学频率传递方法，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10、第一声光移频器12后进入所述的传递链路2，所述的第一微波源13输出的微波信号加载到所述的第一声光移频器12的微波信号的频率为Ω_L，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16的1端口、3端口后的输出为E₁：

E₁＝cos[(ν+Ω_L+Ω_R)t+φ_p]

式中，Ω_L、Ω_R和φ_p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17的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、所述的第一微波源13和所述的第二微波源20输出信号的初始相位；

2)所述的第二声光移频器16的输出经所述的第二光耦合器17分为三路：经第二光耦合器17的2端口输出到所述的光电探测器19；经第二光耦合器17的3端口输出到所述的第三声光移频器22的1端口；经第二光耦合器17的4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18反射并依次经所述的第二光耦合器17的4端口、1端口、所述的第二声光移频器16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12、所述的第一光耦合器10的1端口、3端口经所述的第一法拉第旋转镜11反射后并再次经过所述的第一光耦合器10的3端口、1端口、所述的第一声光移频器12的1端口、3端口、所述的传递链路2、所述的第二声光移频器16的1端口、3端口后的输出信号为：

E_t＝cos[(ν+3Ω_L+3Ω_R)t+3φ_p]

E_t经第二光耦合器17的2端口输出到所述的光电探测器19后与E₁拍频后滤出下边带为：

E₂＝cos[(2Ω_L+2Ω_R)t+2φ_p]

将E₂经过所述的分频器23后为：

E₃＝cos[(Ω_L+Ω_R)t+φ_p]

将E₃加载到所述的第三声光移频器22的2端口，所述第三声光移频器22的输出端的输出为：

E₄＝cos[νt]+cos[(ν+3Ω_L+3Ω_R)t+3φ_p]+HH

式中，HH表示多次反射光学频率信号，可见上式中第一项即为频率稳定的光学频率信号。

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 (2)

1.一种基于用户端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)由第一光耦合器(10)、第一法拉第旋转镜(11)、第一声光移频器(12)、第一微波源(13)组成，所述的第一光耦合器(10)的1端口为待传光学频率信号输入端口，所述的第一光耦合器(10)的2、3端口分别与所述的第一声光移频器(12)的1端口、所述的第一法拉第旋转镜(11)相连，所述的第一声光移频器(12)的3端口与所述的传递链路(2)的一端相连，所述的第一微波源(13)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(16)、第二光耦合器(17)、第二法拉第旋转镜(18)、光电探测器(19)、第二微波源(20)、分频器(21)和第三声光移频器(22)组成，所述的第二声光移频器(16)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(16)的3端口与第二光耦合器(17)的1端口相连，所述的第二光耦合器(17)2端口、3端口、4端口分别与所述的光电探测器(19)、所述的第三声光移频器(22)的1端口、所述的第二法拉第旋转镜(18)相连，所述的第二微波源(20)的输出端与所述的第二声光移频器(16)的2端口相连，所述的光电探测器(19)输出端与所述的分频器(21)的输入端相连，所述的分频器(21)的输出端与所述的第三声光移频器(22)的2端口相连，所述的第三声光移频器(22)的3端口为光学频率信号输出端口，工作在下移频模式；

所述的传递链路(2)由光纤(15)和无源光分配器(14)组成。

2.利用权利要求1所述的基于用户端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＝cos[νt]经过所述的第一光耦合器(10)、第一声光移频器(12)后进入所述的传递链路(2)，所述的第一微波源(13)输出的微波信号加载到所述的第一声光移频器(12)的微波信号的频率为Ω_L，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(16)的1端口、3端口后的输出为E₁：

E₁＝cos[(ν+Ω_L+Ω_R)t+φ_p]

式中，v、Ω_R和φ_p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(17)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、所述的第一微波源(13)和所述的第二微波源(20)输出信号的初始相位；

2)所述的第二声光移频器(16)的输出经所述的第二光耦合器(17)分为三路：经第二光耦合器(17)的2端口输出到所述的光电探测器(19)；经第二光耦合器(17)的3端口输出到所述的第三声光移频器(22)的1端口；经第二光耦合器(17)的4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(18)反射并依次经所述的第二光耦合器(17)的4端口、1端口、所述的第二声光移频器(16)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(12)、所述的第一光耦合器(10)的1端口、3端口经所述的第一法拉第旋转镜(11)反射后并再次经过所述的第一光耦合器(10)的3端口、1端口、所述的第一声光移频器(12)的1端口、3端口、所述的传递链路(2)、所述的第二声光移频器(16)的1端口、3端口后的输出信号为：

E_t＝cos[(ν+3Ω_L+3Ω_R)t+3φ_p]

E_t经第二光耦合器(17)的2端口输出到所述的光电探测器(19)后与E₁拍频后滤出下边带信号为：

E₂＝cos[(2Ω_L+2Ω_R)t+2φ_p]

将E₂经过所述的分频器(23)后为：

E₃＝cos[(Ω_L+Ω_R)t+φ_p]

将E₃加载到所述的第三声光移频器(24)的2端口，所述的第三声光移频器(24)的输出端的输出为：

E₄＝cos[νt]+cos[(ν+3Ω_L+3Ω_R)t+3φ_p]+HH

式中，HH表示多次反射光学频率信号，可见上式中第一项即为频率稳定的光学频率信号。

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