CN112019275B - 被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置和方法，该方法是分别接收并采用光学锁相方式放大上一级光纤链路的探测光信号和补偿后的光信号；放大后的探测光信号向上一级链路发送返回；放大的补偿后的光信号向下一级光纤链路发送，同时接收下一级光纤链路返回的探测光探测链路引入的相位噪声并采用被动相位噪声补偿方式实现对光纤链路引入的相位噪声进行补偿。本发明可以解决传统全光放大无法实现高的放大倍数并且噪声较大的问题，而且有适应复杂的链路、结构简单、成本低等优点。本发明设计的被动相位补偿光学频率传递链路中的中继站可以应用于光学原子钟比对、超高精度光钟信号传输、光纤时间频率系统组网、引力波探测等前沿科学研究领域。

Description

被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种在被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置和方法。
背景技术
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，其传输精度已经不能满足高精度光钟信号的远距离传输。我国拥有丰富的光纤链路资源，而且光纤在通讯波段1550nm具有极低的损耗(0.2dB/km)。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。然而由于光纤链路通过架设和地埋等方式铺设而成，容易受到外界环境的干扰，如震动和温度等；此外，光信号在光纤中传输时，随着距离的增加损耗也会积累，从而造成信号质量的恶化。因此，要实现光频信号在光纤中稳定的进行远距离传输，就必须要解决传输过程中的损耗和易受干扰等问题。
目前，欧美发达国家已经相继开展了利用基于光放大的光纤链路传递高精度光学频率信号的研究，并且已经取得了相当可喜的成果。但是基于光放大的方案由于链路的时延，带宽有限，这也限制了噪声的抑制效果。针对以上问题，法国在2015年提出一种中继放大的方案，即在中继站中将一台激光器锁定到该信号光上，以此产生出一个新的传输光分别往上一级和继续向下一级链路传输，实现信号的前后两条链路信号光的放大[N.Chiodo,N.Quintin,F.Stefani,F.Wiotte,E.Camisard,C.Chardonnet,G.Santarelli,A.Amy-Klein,P.E.Pottie,and O.Lopez,Cascaded optical fiber link using the internetnetwork for remote clocks comparison.Optics express,23(26),pp.33927-33937,2015]。通过这种方式可以很好的解决控制带宽和链路容易受干扰的问题。然而，该方案只适合于主动相位补偿的光学频率传递，并不合适被动相位补偿光学频率传递[CN201911298790.5,基于被动相位补偿的光学频率传递装置与传递方法]；
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，提供一种在被动相位补偿光学频率传递链路中的中继方法和装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种在被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置，其特点在于，包括接收部分和发送部分；
所述的接收部分包括激光器、第一Y型分束器、第一声光移频器、第二声光移频器、第一X型分束器、第一法拉第旋转镜、第二Y型分束器、第三Y型分束器、第二法拉第旋转镜、第四Y型分束器、第一光电探测器、第一伺服控制器、第二伺服控制器、第一压控振荡器、第三伺服控制器、第二压控振荡器、第四伺服控制器、和电控偏振控制器，所述的激光器输出端与所述的第一Y型分束器第1端口相连；所述的第一Y型分束器第2端口与所述的第一声光移频器的第1端口相连，所述的第一Y型分束器第3端口和所述的第二声光移频器的第1端口相连，所述的第一声光移频器第2端口与所述的第一X型分束器第1端口相连，所述的第一X型分束器第2、3、4端口分别与所述的第四Y型分束器第2端口、所述的电控偏振控制器第2端口以及所述的第一法拉第旋转镜相连，所述的第二声光移频器的第2端口与所述的第二Y型分束器第1端口相连，所述的第二Y型分束器第2端口与所述的第三Y型分束器第1端口相连，所述的第三Y型分束器第2、3端口分别与所述的第二法拉第旋转镜(9)、所述的第四Y型分束器第3端口相连，所述的第四Y型分束器第1端口与所述的第一光电探测器光口输入端相连，所述的第一光电探测器输出端分别与所述的第一伺服控制器、所述的第二伺服控制器、所述的第三伺服控制器、所述的第四伺服控制器输入端相连，所述的第一伺服控制器与所述的激光器控制端口相连，所述的第二伺服控制器与所述的第一压控振荡器压控端相连，所述的第一压控振荡器射频输出端与第二声光移频器的射频输出端相连，所述的第三伺服控制器与所述的第二压控振荡器压控端相连，所述的第二压控振荡器射频输出端与第一声光移频器的射频输出端相连，所述的第四伺服控制器与所述的电控偏振控制器相连，所述的电控偏振控制器第1端口与链路N相连；
所述的发送部分包括第二X型分束器、第三法拉第旋转镜、第三声光移频器、第二光电探测器、射频混频器、射频分频器、射频信号源和射频功分器，所述的第二Y型分束器第3端口与所述的第二X型分束器的第1端口相连，所述的第二X型分束器的第2、3、4端口分别与所述的第二光电探测器、所述的第三法拉第旋转镜、所述的第三声光移频器第1光端口连接，所述的第三声光移频器第2光端口与链路N+1连接，所述的第二光电探测器输出端与所述的射频混频器输入端相连，所述的射频混频器与所述的射频分频器相连，所述的射频分频器输出端与所述的射频功分器第1端口相连，所述的射频信号源输出端与所述的射频功分器第2端口相连，所述的射频功分器第3端口与所述的第三声光移频器射频输入端相连。
利用所述的被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置的中继方法，其特点在于，该方法具体步骤如下：
接收部分：从链路N接收到两路光学频率信号cos(vt)和cos[(v+ω0)t+φp]，其中，ν、ω0和φp分别为光载波频率、两路光信号的频率差以及光纤链路N引入的相位噪声，接收端通过将激光器分别锁定到cos(νt)和cos[(ν+ω0)t+φp]上，实现信号的再生放大，具体步骤包括探测光信号再生和放大以及补偿光信号再生和放大：
1)探测光信号再生和放大：接收端将接收到信号经过所述的第一X型分束器和所述的激光器输出光经过所述的第一Y型分束器、所述的第一声光移频器、所述的第一X型分束器、所述的第一法拉第旋转镜和所述的第四Y型分束器在所述的第一光电探测器上拍频，拍频信号ωb1通过所述的第三伺服控制器控制驱动所述的第二压控振荡器的频率，将所述第一声光移频器输出光信号锁定到接收到的探测光频率上；
2)补偿光信号再生和放大：接收端将接收到信号经过所述的第一X型分束器和所述的激光器输出光经过所述的第一Y型分束器、所述的第二声光移频器、所述的第二Y型分束器、所述第二法拉第旋转镜、所述的第三Y型分束器和所述的第四Y型分束器在所述的第一光电探测器上拍频，拍频信号ωb2通过所述的第二伺服控制器控制驱动所述的第一压控振荡器的频率，将所述第二声光移频器输出光信号锁定到接收到的补偿后的光频率上；
发送部分：将锁定到接收到的补偿后光频率三的光学频率信号通过被动相位补偿方式传递到下一段光纤链路N+1,具体步骤：
在本地端经过传递链路N+1将光学频率信号发送到用户端，用户端经过光移频返回到本地端，返回的光学频率信号经过所述的第三声光移频器、所述的第二X型分束器与本地输入光学频率在所述的第二光电转换器上拍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所述的射频混频器和所述的射频分频器后，分频后的信号驱动所述第三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：
本发明将同一激光器同时锁定接收到的探测和补偿后的光信号实现链路N返回光和链路N+1前向传输光的同时，采用被动相位补偿方式，实现了基于被动相位补偿的光学频率传递中继站，具有系统结构简单、可靠性高的特点。
附图说明
图1是本发明一种在被动相位补偿光学频率传递链路的中继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为本发明一种在被动相位补偿光学频率传递链路中的中继装置的实施例的结构示意图，由图可见，本发明基于一种在被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置，包括接收部分和发送部分。
所述的接收部分包括激光器1、第一Y型分束器2、第一声光移频器3、第二声光移频器4、第一X型分束器5、第一法拉第旋转镜6、第二Y型分束器7、第三Y型分束器8、第二法拉第旋转镜9、第四Y型分束器10、第一光电探测器11、第一伺服控制器12、第二伺服控制器13、第一压控振荡器14、第三伺服控制器15、第二压控振荡器16、第四伺服控制器17、和电控偏振控制器18，所述的激光器1输出端与所述的第一Y型分束器2第1端口相连；所述的第一Y型分束器2第2端口与所述的第一声光移频器3的第1端口相连，所述的第一Y型分束器2第3端口和所述的第二声光移频器4的第1端口相连，所述的第一声光移频器3第2端口与所述的第一X型分束器5第1端口相连，所述的第一X型分束器5第2、3、4端口分别与所述的第四Y型分束器10第2端口、所述的电控偏振控制器18第2端口以及所述的第一法拉第旋转镜6相连，所述的第二声光移频器4的第2端口与所述的第二Y型分束器7第1端口相连，所述的第二Y型分束器7第2端口与所述的第三Y型分束器8第1端口相连，所述的第三Y型分束器8第2、3端口分别与所述的第二法拉第旋转镜9、所述的第四Y型分束器10第3端口相连，所述的第四Y型分束器10第1端口与所述的第一光电探测器11光口输入端相连，所述的第一光电探测器11输出端分别与所述的第一伺服控制器12、所述的第二伺服控制器13、所述的第三伺服控制器15、所述的第四伺服控制器17输入端相连，所述的第一伺服控制器12与所述的激光器1控制端口相连，所述的第二伺服控制器13与所述的第一压控振荡器14压控端相连，所述的第一压控振荡器14射频输出端与第二声光移频器4的射频输出端相连，所述的第三伺服控制器15与所述的第二压控振荡器16压控端相连，所述的第二压控振荡器16射频输出端与第一声光移频器3的射频输出端相连，所述的第四伺服控制器17与所述的电控偏振控制器18相连，所述的电控偏振控制器18第1端口与链路N相连；
所述的发送部分包括第二X型分束器19、第三法拉第旋转镜20、第三声光移频器21、第二光电探测器22、射频混频器23、射频分频器24、射频信号源25和射频功分器26，所述的第二Y型分束器7第3端口与所述的第二X型分束器19的第1端口相连，所述的第二X型分束器19的第2、3、4端口分别与所述的第二光电探测器22、所述的第三法拉第旋转镜20、所述的第三声光移频器21第1光端口连接，所述的第三声光移频器21第2光端口与链路N+1连接，所述的第二光电探测器22输出端与所述的射频混频器23输入端相连，所述的射频混频器23与所述的射频分频器24相连，所述的射频分频器24输出端与所述的射频功分器26第1端口相连，所述的射频信号源25输出端与所述的射频功分器26第2端口相连，所述的射频功分器26第3端口与所述的第三声光移频器21射频输入端相连。
利用上述被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置的中继方法，具体步骤如下：
接收部分：从链路N接收到两路光学频率信号cos(νt)和cos[(ν+ω0)t+φp]，其中，v、ω0和φp分别为光载波频率、两路光信号的频率差以及光纤链路引入的相位噪声，接收端通过将激光器分别锁定到cos(vt)和cos[(v+ω0)t+φp]上，实现信号的再生放大，具体步骤包括探测光信号再生和放大以及补偿光信号再生和放大：
1)探测光信号再生和放大：接收端将接收到信号经过所述的第一X型分束器5和所述的激光器1输出光经过所述的第一Y型分束器2、所述的第一声光移频器3、所述的第一X型分束器5、所述的第一法拉第旋转镜6和所述的第四Y型分束器10在所述的第一光电探测器11上拍频，拍频信号ωb1通过所述的第三伺服控制器15控制驱动所述的第二压控振荡器16的频率，将所述第一声光移频器3输出光信号锁定到接收到的探测光频率上；
2)补偿光信号再生和放大：接收端将接收到信号经过所述的第一X型分束器5和所述的激光器1输出光经过所述的第一Y型分束器2、所述的第二声光移频器4、所述的第二Y型分束器7、所述第二法拉第旋转镜9、所述的第三Y型分束器8和所述的第四Y型分束器10在所述的第一光电探测器11上拍频，拍频信号ωb2通过所述的第二伺服控制器3控制驱动所述的第一压控振荡器14的频率，将所述第二声光移频器4输出光信号锁定到接收到的补偿后的光频率上；
发送部分：将锁定到接收到的补偿后光频率三的光学频率信号通过被动相位补偿方式传递到下一段光纤链路N+1,具体步骤：
在本地端经过传递链路N+1将光学频率信号发送到用户端，用户端经过光移频返回到本地端，返回的光学频率信号经过所述的第三声光移频器21、所述的第二X型分束器19与本地输入光学频率在所述的第二光电转换器22上拍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所述的射频混频器23和所述的射频分频器24后，分频后的信号驱动所述第三声光移频器21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。
经实验表明，本发明将同一激光器同时锁定接收到的探测和补偿后的光信号实现链路N返回光和链路N+1前向传输光的同时，采用被动相位补偿方式，实现了基于被动相位补偿的光学频率传递中继站，具有系统结构简单、可靠性高的特点。

Claims (2)

1.一种在被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置，其特征在于，包括接收部分和发送部分；
所述的接收部分包括激光器(1)、第一Y型分束器(2)、第一声光移频器(3)、第二声光移频器(4)、第一X型分束器(5)、第一法拉第旋转镜(6)、第二Y型分束器(7)、第三Y型分束器(8)、第二法拉第旋转镜(9)、第四Y型分束器(10)、第一光电探测器(11)、第一伺服控制器(12)、第二伺服控制器(13)、第一压控振荡器(14)、第三伺服控制器(15)、第二压控振荡器(16)、第四伺服控制器(17)、和电控偏振控制器(18)，所述的激光器(1)输出端与所述的第一Y型分束器(2)第1端口相连；所述的第一Y型分束器(2)第2端口与所述的第一声光移频器(3)的第1端口相连，所述的第一Y型分束器(2)第3端口和所述的第二声光移频器(4)的第1端口相连，所述的第一声光移频器(3)第2端口与所述的第一X型分束器(5)第1端口相连，所述的第一X型分束器(5)第2、3、4端口分别与所述的第四Y型分束器(10)第2端口、所述的电控偏振控制器(18)第2端口以及所述的第一法拉第旋转镜(6)相连，所述的第二声光移频器(4)的第2端口与所述的第二Y型分束器(7)第1端口相连，所述的第二Y型分束器(7)第2端口与所述的第三Y型分束器(8)第1端口相连，所述的第三Y型分束器(8)第2、3端口分别与所述的第二法拉第旋转镜(9)、所述的第四Y型分束器(10)第3端口相连，所述的第四Y型分束器(10)第1端口与所述的第一光电探测器(11)光口输入端相连，所述的第一光电探测器(11)输出端分别与所述的第一伺服控制器(12)、所述的第二伺服控制器(13)、所述的第三伺服控制器(15)、所述的第四伺服控制器(17)输入端相连，所述的第一伺服控制器(12)与所述的激光器(1)控制端口相连，所述的第二伺服控制器(13)与所述的第一压控振荡器(14)压控端相连，所述的第一压控振荡器(14)射频输出端与第二声光移频器(4)的射频端相连，所述的第三伺服控制器(15)与所述的第二压控振荡器(16)压控端相连，所述的第二压控振荡器(16)射频输出端与第一声光移频器(3)的射频端相连，所述的第四伺服控制器(17)与所述的电控偏振控制器(18)相连，所述的电控偏振控制器(18)第1端口与链路N相连；
所述的发送部分包括第二X型分束器(19)、第三法拉第旋转镜(20)、第三声光移频器(21)、第二光电探测器(22)、射频混频器(23)、射频分频器(24)、射频信号源(25)和射频功分器(26)，所述的第二Y型分束器(7)第3端口与所述的第二X型分束器(19)的第1端口相连，所述的第二X型分束器(19)的第2、3、4端口分别与所述的第二光电探测器(22)、所述的第三法拉第旋转镜(20)、所述的第三声光移频器(21)第1光端口连接，所述的第三声光移频器(21)第2光端口与链路N+1连接，所述的第二光电探测器(22)输出端与所述的射频混频器(23)输入端相连，所述的射频混频器(23)与所述的射频分频器(24)相连，所述的射频分频器(24)输出端与所述的射频功分器(26)第1端口相连，所述的射频信号源(25)输出端与所述的射频功分器(26)第2端口相连，所述的射频功分器(26)第3端口与所述的第三声光移频器(21)射频输入端相连。
2.利用权利要求1所述的被动相位补偿光学频率传递链路的中继装置的中继方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
接收部分：从链路N接收到两路光学频率信号cos(νt)和cos[(v+ω0)t+φp]，其中，v、ω0和φp分别为光载波频率、两路光信号的频率差以及光纤链路N引入的相位噪声，接收端通过将激光器分别锁定到cos(vt)和cos[(v+ω0)t+φp]上，实现信号的再生放大，具体步骤包括探测光信号再生和放大以及补偿光信号再生和放大：
1)探测光信号再生和放大：接收端将接收到信号经过所述的第一X型分束器(5)和所述的激光器(1)输出光经过所述的第一Y型分束器(2)、所述的第一声光移频器(3)、所述的第一X型分束器(5)、所述的第一法拉第旋转镜(6)和所述的第四Y型分束器(10)在所述的第一光电探测器(11)上拍频，拍频信号ωb1通过所述的第三伺服控制器(15)控制驱动所述的第二压控振荡器(16)的频率，将所述第一声光移频器(3)输出光信号锁定到接收到的探测光频率上；
2)补偿光信号再生和放大：接收端将接收到信号经过所述的第一X型分束器(5)和所述的激光器(1)输出光经过所述的第一Y型分束器(2)、所述的第二声光移频器(4)、所述的第二Y型分束器(7)、所述第二法拉第旋转镜(9)、所述的第三Y型分束器(8)和所述的第四Y型分束器(10)在所述的第一光电探测器(11)上拍频，拍频信号ωb2通过所述的第二伺服控制器(13)控制驱动所述的第一压控振荡器(14)的频率，将所述第二声光移频器(4)输出光信号锁定到接收到的补偿后的光频率上；
发送部分：将锁定到接收到的补偿后光频率上的光学频率信号通过被动相位补偿方式传递到下一段光纤链路N+1，具体步骤：
在本地端经过传递链路N+1将光学频率信号发送到用户端，用户端经过光移频返回到本地端，返回的光学频率信号经过所述的第三声光移频器(21)、所述的第二X型分束器(19)与本地输入光学频率在所述的第二光电探测器(22)上拍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所述的射频混频器(23)和所述的射频分频器(24)后，分频后的信号驱动所述第三声光移频器(21)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。
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