CN111934806B - 基于电光调制双光梳的时间频率同步装置与同步方法 - Google Patents

基于电光调制双光梳的时间频率同步装置与同步方法 Download PDF

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Abstract

一种基于电光调制双光梳的时间频率同步装置与同步方法，装置包括本地端、传递链路与用户端，本发明将电光调制产生的主光梳通过自由空间链路往返传递，在本地端利用与主光梳有一定频率差的辅光梳对收到返回的主光梳信号进行线性光采样，提取自由空间链路引入的时延抖动，通过控制主光梳的输入光信号的频率对链路引入的时延进行动态补偿。本发明通过在同一端利用同一光源产生的电光调制双光梳的高相干性的特点，可实现高信噪比的信号测量，有利于提高系统的探测灵敏度，具有系统噪底低、结构简单、可靠性高的特点。

Description

基于电光调制双光梳的时间频率同步装置与同步方法
技术领域
本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种基于电光调制双光梳的时间频率同步装置与同步方法。
背景技术
高精度的时间频率信号在深空探测、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工程中都发挥着至关重要的作用。随着光学频率标准包括光原子钟的快速发展，光学频率标准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频率传递系统只能实现10-15/天的频率传输稳定度。近些年，基于光纤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。但是现有的光网络无法覆盖地球的每个角落，特别是比较恶劣的环境中。因此，亟需一种新的高精度无线时间频率传递方式。其中，基于自由空间链路光学频率传递被认为一种有效的解决方案，起了国内外研究者的高度关注。美国、欧盟和日本等国家都先后开展了基于光纤和基于只有空间链路的相关研究。美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)利用双光梳线性光采样技术实现了双向时间比对[Fabrizio R.Giorgetta,William C.Swann,Laura C.Sinclair,Esther Baumann,Ian Coddington,and Nathan R.Newbury."Optical two-way time andfrequency transfer over free space."Nature Photonics 7,no.6(2013):434-438.]，随后该小组利用双向时间比对测量的时间差，实现了时间同步[Jean-Daniel Deschênes,Laura C.Sinclair,Fabrizio R. Giorgetta,William C.Swann,Esther Baumann,HugoBergeron,Michael Cermak,Ian Coddington,and Nathan R.Newbury."Synchronizationof distant optical clocks at the femtosecond level."Physical Review X 6,no.2(2016):021016.]。为了实现不同光梳之间的相干性，在传递链路两端均将光梳锁定到超稳激光器上。该方案虽然增加了双光梳的相干性但大大增加了系统的复杂度。同时，该方法需要结合数据通信通道进行双向比对钟差的传递，这势必会降低系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术工作的不足，提供一种基于电光调制双光梳的时间频率同步装置与同步方法。本发明通过本地利用相同光源和微波源产生重复率差为Δf的双光梳。在本地端将光学梳传递到用户端，用户端通过法拉第旋转镜将接收到的信号返回到本地端，本地端通过线性光采用测量自由空间链路引入的时延抖动，通过控制主光梳的重复频率即可实现时间频率的同步。本发明将双光梳放在同一端可有效提高双光梳的相干性，有利于利用多次平均技术提高时延抖动的测量灵敏度和信噪比，具有系统噪底低、结构简单、可靠性高的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于电光调制双光梳时间频率同步装置，其特点在于，包括本地端、自由空间链路和用户端，
所述的本地端由连续波激光器、第一光耦合器、辅电光梳产生模块、主电光梳产生模块、第二光耦合器、光平衡探测器、光环形器、第一声光移频器、第三光耦合器、第一微波源、第二微波源、第一光学天线和采集与控制模块组成，所述的连续波激光器发出的光经过所述的第一光纤耦合器分成两束：
一束光经过所述的辅电光梳产生模块生成辅光学频率梳，该辅光学频率梳经过所述的第二光耦合器的第1、4端口、所述的第三光耦合器第1、3和4端口达到所述的平衡探测器的第1和2光输入端口，该平衡探测器的输出端与所述的采集与控制模块的输入端相连；
另一束光，经所述主电光梳产生模块生成主光学频率梳，该主光学频率梳经所述的光环形器的第1、2端口、所述的第一声光移频器的第1、2端口、所述的第一光学天线发送至所述的自由空间链路，
从用户端返回的光学频率梳信号经过所述的第一光学天线、所述的第一声光移频器的第2、1光学端口、所述的光环形器的第3、1端口、所述的第二光耦合器的第3、2端口、所述的第三光耦合器第2、3和4端口达到所述的光平衡探测器的第 1和2光输入端口，所述的第一微波源的输出端口与所述的第一声光移频器的电端口相连，所述的光平衡探测器的输出端与所述的采集与控制模块的输入端相连，所述的采集与控制模块的输出端分别与所述的主电光梳产生模块、所述的辅电光梳产生模块相连，所述的第二微波源的输出端与所述的采集与控制模块的微波输入端相连，为所述的采集与控制模块提供微波参考；
所述的用户端由第二光学天线、第二声光移频器、第三微波源、第四光耦合器和法拉第旋转镜组成，所述的第二光学天线的1、2端口分别与所述的自由空间链路与所述的第二声光移频器的1端口相连，所述的第二声光移频器的2端口与所述的第四光耦合器的1端口相连，所述的第四光耦合器的2端口与所述的法拉第旋转镜相连，所述的第三微波源的输出端与第二声光移频器的电端口相连，所述的第四光耦合器的3端口与用户相连。
利用上述基于电光调制双光梳时间频率同步装置的时间频率同步方法，包括如下具体步骤：
1)所述的主电光梳产生模块生成的主光学频率梳信号可表示为具有载波频率为υ0的脉冲序列：
Figure BDA0002595679200000031
式中，
Figure BDA0002595679200000035
为主光学频率梳的初始相位，υ0为主光学频率梳的载波频率，A1为主光学频率梳输出的脉冲波形，Ts表示主光学频率梳脉冲序列中相邻脉冲的时间间隔，q 为表示主光学频率梳脉冲序列中的脉冲编号；
所述的主光学频率梳经所述的自由空间链路传输到所述的用户端后，被所述的第二光学天线接收，经由所述的第二声光移频器、所述的第四光耦合器和第二法拉第旋转镜后被反射回所述的第二光学天线，然后通过所述的自由空间链路返回到所述的本地端；
2)从所述的用户端返回的光学频率梳信号经过所述的第一光学天线、所述的第一声光移频器的第2、1光学端口、所述的光环形的第3、1端口、所述的第二光耦合器的第3、2端口、所述的第三光耦合器第2、3和4端口达到所述的平衡探测器的第1光输入端口和第2光输入端口，与所述的辅光学频率梳产生拍频，所述的光平衡探测器的主光学频率梳的可表示为：
Figure BDA0002595679200000032
式中，α表示主光学频率梳到达所述的平衡探测器时的功率衰减因子，TL表示主光学频率梳在所述的自由空间链路传播两次所用的时间；
所述的辅电光梳产生模块产生的辅光学频率梳可表示为：
Figure BDA0002595679200000033
式中，
Figure BDA0002595679200000036
为辅光学频率梳的初始相位，A2为辅光学频率梳输出的脉冲波形，Tl表示辅光学频率梳脉冲序列中相邻脉冲的时间间隔，p为表示辅光学频率梳脉冲序列中的脉冲编号；
3)所述的平衡探测器接收主光学频率梳和辅光学频率梳后产生拍频，输出的拍频信号表达式如下：
Figure BDA0002595679200000034
式中，β为光功率至电压的转换因子，R(t)为滤波器的响应函数，Im表示求取复数的实部，该拍频信号经所述的采集与控制模块采样后进行数据分析即可获得与TL有关的所述的自由空间链路对主光学频率梳的相位扰动情况；
4)所述的采集与控制模块将主光学频率梳的相位扰动情况反馈至所述的主电光梳产生模块即可进行相位的预补偿；
5)携带预补偿相位的主光学频率梳将再次经过所述的光环形器的第1、2端口、所述的第一声光移频器的第1、2光学端口、所述的第一光学天线、所述的自由空间链路到达所述的用户端；
6)相位稳定的主光学频率梳经所述的第二声光移频器的1、2端口以及所述的第四光耦合器的3端口后提供给用户使用。
本发明的工作原理是：待传主光学频率梳在本地端和用户端之间往返传递，在本地端利用相干的辅光学频率梳测量主光学频率梳往返传递的时延差，即可获得自由空间链路的时延抖动。同时，本地端通过调整主光学频率梳的输出即可在用户端获得稳定的光学频率梳信号，实现时间频率的传递。
本发明的技术效果如下：
本发明通过往返传递主光学频率梳信号，采用辅光学频率梳结合采用线性光采样技术即可获得传递链路引入的时延抖动，本地端根据探测的时延抖动通过调整主光学频率梳的重复频率，在用户端即可获得稳定是光学频率梳信号。本发明具有结构简单、可靠性高、实现成本低的特点。
附图说明
图1是本发明基于电光调制双光梳时间频率同步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为本发明基于电光调制双光梳时间频率同步装置的实施例的结构示意图，由图可见，本发明基于电光调制双光梳时间频率同步装置，包括本地端1、自由空间链路2和用户端3，
所述的本地端1由连续波激光器11、第一光耦合器12、辅电光梳产生模块13、主电光梳产生模块14、第二光耦合器15、光平衡探测器16、光环形器17、第一声光移频器18、第三光耦合器19、第一微波源20、第二微波源21、第一光学天线22 和采集与控制模块23组成，所述的连续波激光器11发出的光经过所述的第一光纤耦合器12分成两束：
一束光经过所述的辅电光梳产生模块13生成辅光学频率梳，该辅光学频率梳经过所述的第二光耦合器15的第1、4端口、所述的第三光耦合器19第1、3和4 端口达到所述的平衡探测器16的第1和2光输入端口，该平衡探测器16的输出端与所述的采集与控制模块23的输入端相连；
另一束光，经所述主电光梳产生模块14生成主光学频率梳，该主光学频率梳经所述的光环形器17的第1、2端口、所述的第一声光移频器18的第1、2端口、所述的第一光学天线22发送至所述的自由空间链路2，
从用户端返回的光学频率梳信号经过所述的第一光学天线22、所述的第一声光移频器18的第2、1光学端口、所述的光环形器17的第3、1端口、所述的第二光耦合器15的第3、2端口、所述的第三光耦合器19第2、3和4端口达到所述的光平衡探测器16的第1和2光输入端口，所述的第一微波源20的输出端口与所述的第一声光移频器18的电端口相连，所述的光平衡探测器16的输出端与所述的采集与控制模块23的输入端相连，所述的采集与控制模块23的输出端分别与所述的主电光梳产生模块14、所述的辅电光梳产生模块13相连，所述的第二微波源(21)的输出端与所述的采集与控制模块(23)的微波输入端相连，为所述的采集与控制模块23提供微波参考；
所述的用户端3由第二光学天线24、第二声光移频器25、第三微波源28、第四光耦合器26和法拉第旋转镜27组成，所述的第二光学天线24的1、2端口分别与所述的自由空间链路2与所述的第二声光移频器25的1端口相连，所述的第二声光移频器25的2端口与所述的第四光耦合器26的1端口相连，所述的第四光耦合器26的2端口与所述的法拉第旋转镜27相连，所述的第三微波源28 的输出端与第二声光移频器25的电端口相连，所述的第四光耦合器26的3端口与用户相连。
利用上述基于电光调制双光梳时间频率同步装置的时间频率同步方法，包括如下具体步骤：
1)所述的主电光梳产生模块14生成的主光学频率梳信号可表示为具有载波频率为υ0的脉冲序列：
Figure BDA0002595679200000051
式中，
Figure BDA0002595679200000052
为主光学频率梳的初始相位，υ0为主光学频率梳的载波频率，A1为主光学频率梳输出的脉冲波形，Ts表示主光学频率梳脉冲序列中相邻脉冲的时间间隔，q 为表示主光学频率梳脉冲序列中的脉冲编号；
所述的主光学频率梳经所述的自由空间链路2传输到所述的用户端3后，被所述的第二光学天线24接收，经由所述的第二声光移频器25、所述的第四光耦合器 26和法拉第旋转镜27后被反射回所述的第二光学天线24，然后通过所述的自由空间链路2返回到所述的本地端1；
2)从所述的用户端3返回的光学频率梳信号经过所述的第一光学天线22、所述的第一声光移频器18的第2、1光学端口、所述的光环形器17的第3、1端口、所述的第二光耦合器15的第3、2端口、所述的第三光耦合器19第2、3和4端口达到所述的平衡探测器16的第1光输入端口和第2光输入端口，与所述的辅光学频率梳产生拍频，所述的光平衡探测器16的主光学频率梳的可表示为：
Figure BDA0002595679200000061
式中，α表示主光学频率梳到达所述的平衡探测器(16)时的功率衰减因子，TL表示主光学频率梳在所述的自由空间链路2传播两次所用的时间；
所述的辅电光梳产生模块13产生的辅光学频率梳可表示为：
Figure BDA0002595679200000062
式中，
Figure BDA0002595679200000064
为辅光学频率梳的初始相位，A2为辅光学频率梳输出的脉冲波形，Tl表示辅光学频率梳脉冲序列中相邻脉冲的时间间隔，p为表示辅光学频率梳脉冲序列中的脉冲编号；
3)所述的平衡探测器16接收主光学频率梳和辅光学频率梳后产生拍频，输出的拍频信号表达式如下：
Figure BDA0002595679200000063
式中，β为光功率至电压的转换因子，R(t)为滤波器的响应函数，Im表示求取复数的实部，该拍频信号经所述的采集与控制模块23采样后进行数据分析即可获得与 TL有关的所述的自由空间链路2对主光学频率梳的相位扰动情况；
4)所述的采集与控制模块23将主光学频率梳的相位扰动情况反馈至所述的主电光梳产生模块14即可进行相位的预补偿；
5)携带预补偿相位的主光学频率梳将再次经过所述的光环形器17的第1、2端口、所述的第一声光移频器18的第1、2光学端口、所述的第一光学天线22、所述的自由空间链路2到达所述的用户端3；
6)相位稳定的主光学频率梳经所述的第二声光移频器25的1、2端口以及所述的第四光耦合器26的3端口后提供给用户使用。
实验表明，本发明通过往返传递主光学频率梳信号，采用辅光学频率梳结合采用线性光采样技术即可获得传递链路引入的时延抖动，本地端根据探测的时延抖动通过调整主光学频率梳的重复频率，在用户端即可获得稳定是光学频率梳信号。本发明具有结构简单、可靠性高、实现成本低的特点。

Claims (2)

1.一种基于电光调制双光梳时间频率同步装置，其特征在于，包括本地端(1)、自由空间链路(2)和用户端(3)，
所述的本地端(1)由连续波激光器(11)、第一光耦合器(12)、辅电光梳产生模块(13)、主电光梳产生模块(14)、第二光耦合器(15)、光平衡探测器(16)、光环形器(17)、第一声光移频器(18)、第三光耦合器(19)、第一微波源(20)、第二微波源(21)、第一光学天线(22)和采集与控制模块(23)组成，所述的连续波激光器(11)发出的光经过所述的第一光耦合器(12)分成两束：
一束光经过所述的辅电光梳产生模块(13)生成辅光学频率梳，该辅光学频率梳经过所述的第二光耦合器(15)的第1、4端口、所述的第三光耦合器(19)第1、3和4端口达到所述的光平衡探测器(16)的第1和2光输入端口，该光平衡探测器(16)的输出端与所述的采集与控制模块(23)的输入端相连；
另一束光，经所述主电光梳产生模块(14)生成主光学频率梳，该主光学频率梳经所述的光环形器(17)的第1、2端口、所述的第一声光移频器(18)的第1、2端口、所述的第一光学天线(22)发送至所述的自由空间链路(2)，
从用户端返回的光学频率梳信号经过所述的第一光学天线(22)、所述的第一声光移频器(18)的第2、1光学端口、所述的光环形器(17)的第3、1端口、所述的第二光耦合器(15)的第3、2端口、所述的第三光耦合器(19)第2、3和4端口达到所述的光平衡探测器(16)的第1和2光输入端口，所述的第一微波源(20)的输出端口与所述的第一声光移频器(18)的电端口相连，所述的光平衡探测器(16)的输出端与所述的采集与控制模块(23)的输入端相连，所述的采集与控制模块(23)的输出端分别与所述的主电光梳产生模块(14)、所述的辅电光梳产生模块(13)相连，所述的第二微波源(21)的输出端与所述的采集与控制模块(23)的微波输入端相连，为所述的采集与控制模块(23)提供微波参考；
所述的用户端(3)由第二光学天线(24)、第二声光移频器(25)、第三微波源(28)、第四光耦合器(26)和法拉第旋转镜(27)组成，所述的第二光学天线(24)的1、2端口分别与所述的自由空间链路(2)与所述的第二声光移频器(25)的1端口相连，所述的第二声光移频器(25)的2端口与所述的第四光耦合器(26)的1端口相连，所述的第四光耦合器(26)的2端口与所述的法拉第旋转镜(27)相连，所述的第三微波源(28)的输出端与第二声光移频器(25)的电端口相连，所述的第四光耦合器(26)的3端口与用户相连。
2.利用权利要求1所述的基于电光调制双光梳时间频率同步装置的时间频率同步方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：
1)所述的主电光梳产生模块(14)生成的主光学频率梳信号可表示为具有载波频率为υ0的脉冲序列：
Figure FDA0002595679190000021
式中，
Figure FDA0002595679190000022
为主光学频率梳的初始相位，υ0为主光学频率梳的载波频率，A1为主光学频率梳输出的脉冲波形，Ts表示主光学频率梳脉冲序列中相邻脉冲的时间间隔，q为表示主光学频率梳脉冲序列中的脉冲编号；
所述的主光学频率梳经所述的自由空间链路(2)传输到所述的用户端(3)后，被所述的第二光学天线(24)接收，经由所述的第二声光移频器(25)、所述的第四光耦合器(26)和法拉第旋转镜(27)后被反射回所述的第二光学天线(24)，然后通过所述的自由空间链路(2)返回到所述的本地端(1)；
2)从所述的用户端(3)返回的光学频率梳信号经过所述的第一光学天线(22)、所述的第一声光移频器(18)的第2、1光学端口、所述的光环形器(17)的第3、1端口、所述的第二光耦合器(15)的第3、2端口、所述的第三光耦合器(19)第2、3和4端口达到所述的光平衡探测器(16)的第1光输入端口和第2光输入端口，与所述的辅光学频率梳产生拍频，所述的光平衡探测器(16)的主光学频率梳的可表示为：
Figure FDA0002595679190000023
式中，α表示主光学频率梳到达所述的光平衡探测器(16)时的功率衰减因子，TL表示主光学频率梳在所述的自由空间链路(2)传播两次所用的时间；
所述的辅电光梳产生模块(13)产生的辅光学频率梳可表示为：
Figure FDA0002595679190000024
式中，
Figure FDA0002595679190000025
为辅光学频率梳的初始相位，A2为辅光学频率梳输出的脉冲波形，Tl表示辅光学频率梳脉冲序列中相邻脉冲的时间间隔，p为表示辅光学频率梳脉冲序列中的脉冲编号；
3)所述的光平衡探测器(16)接收主光学频率梳和辅光学频率梳后产生拍频，输出的拍频信号表达式如下：
Figure FDA0002595679190000026
式中，β为光功率至电压的转换因子，R(t)为滤波器的响应函数，Im表示求取复数的实部，该拍频信号经所述的采集与控制模块(23)采样后进行数据分析即可获得与TL有关的所述的自由空间链路(2)对主光学频率梳的相位扰动情况；
4)所述的采集与控制模块(23)将主光学频率梳的相位扰动情况反馈至所述的主电光梳产生模块(14)即可进行相位的预补偿；
5)携带预补偿相位的主光学频率梳将再次经过所述的光环形器(17)的第1、2端口、所述的第一声光移频器(18)的第1、2光学端口、所述的第一光学天线(22)、所述的自由空间链路(2)到达所述的用户端(3)；
6)相位稳定的主光学频率梳经所述的第二声光移频器(25)的1、2端口以及所述的第四光耦合器(26)的3端口后提供给用户使用。
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