CN113242039B - 一种用于光纤光学频率传递信号的净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于光纤光学频率传递信号的净化装置，包括第一频移器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一法拉第镜、光电探测器、延迟光纤、第二频移器、第二法拉第镜、第一环路滤波器、第一射频驱动源、第二射频驱动源、第二环路滤波器、频率综合器、混频器和带通滤波器，构成不等臂光纤干涉仪对传递光频信号的噪声进行差拍探测和抑制，能够进一步抑制光频信号噪声，提高传递精度。本发明具有结构简单、紧凑、可靠性高的特点。

Description

一种用于光纤光学频率传递信号的净化装置

技术领域

本发明属于高精度时间频率传递技术领域，涉及一种光学频率传递信号净化方法。

背景技术

随着精密光学频率标准研究的不断深入，光学频率标准的不确定度和稳定度已经进入了E-19量级，为众多科学应用提供了高精度测量工具，例如测地学、导航、计量学、基础物理研究、射电天文学等领域。为了实现精密光频标应用，高精度光学频率传递是必不可少的工具。通过光纤链路传递光学频率具有精度高、损耗小、可靠等优势，被广泛用于光钟信号传递与比对。光纤光频传递方案中，为了抑制光纤链路受环境扰动引入的多普勒频移，通常令传递信号往返传播来探测链路噪声并进行补偿，从而确保传递信号精度。然而，由于信号在光纤链路中的传递延时，导致链路噪声补偿存在一定带宽，限制了噪声抑制范围，随着传递距离增加，抑制带宽随着减小，进而影响传递信号精度。目前，用于光频传递信号的净化方案是通过光学锁相将一个低噪声光源的相位锁定在传递光上，锁定带宽内低噪声光源相位与传递光一致，带宽外低噪声光源相位噪声远小于传递光，从而实现传递信号噪声净化。但该方案需要一个性能较好的低噪声光源，大大增加了净化装置的成本和复杂程度，不利于实际应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于光纤光学频率传递信号的净化装置，通过不等臂光纤干涉仪对传递光频信号的噪声进行差拍探测和抑制，能够进一步抑制光频信号噪声，提高传递精度。该光频信号净化装置具有结构简单、紧凑、可靠性高的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于光纤光学频率传递信号的净化装置，包括第一频移器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一法拉第镜、光电探测器、延迟光纤、第二频移器、第二法拉第镜、第一环路滤波器、第一射频驱动源、第二射频驱动源、第二环路滤波器、频率综合器、混频器和带通滤波器。

所述的第一频移器将待净化光学信号频移f₁后由第一光纤耦合器分为两束，一束作为净化光输出，另一束进入第二光纤耦合器；第二光纤耦合器为X型耦合器，有两路输出，一路连接第一法拉第镜，第一法拉第镜将光频信号返回到第二光纤耦合器的另一个输入端，进入到光电探测器，作为参考光；第二光纤耦合器的另一路输出经过延迟光纤后进入第二移频器，频率增加f₂，然后由第二法拉第镜反射，再次经过第二移频器和延迟光纤返回到光电探测器，此时返回光频率共增加f₁+2f₂；返回光和参考光进行拍频，光电探测器对频率为2f₂的拍频信号进行探测；所述带通滤波器对光电探测器输出信号进行滤波；所述混频器对拍频信号和频率综合器的输出信号混频鉴相，获得相位误差信号，误差信号一路由第二环路滤波器反馈给第二射频驱动源，通过设置第二环路滤波器的滤波带宽，使第二射频驱动源输出频率响应误差信号低频信息，并由第二射频驱动源驱动第二移频器，实现延迟光纤的长度控制；误差信号另一路由第一环路滤波器反馈给第一射频驱动源，通过设置第一环路滤波器的滤波带宽，使第一射频驱动源输出频率响应误差信号高频信息，并由第一射频驱动源驱动第一移频器，抑制光频信号噪声，实现光学频率信号净化。

所述的第一移频器和第二移频器的驱动频率f₁和f₂不构成倍数关系。

所述的第一光纤耦合器采用Y型90：10分束器。

所述的第二光纤耦合器采用X型50：50分束器。

所述的第一法拉第镜和第二法拉第镜的旋转角度为90度。

本发明的有益效果是：由于本发明采用了延时自外差干涉仪装置来探测和抑制光学频率信号噪声，实现了光频信号的净化，并通过主动控制延迟光纤长度确保系统的可靠性，而且该装置为全光纤结构，具有结构简单、紧凑、成本低等特点，克服了现有技术成本高、装置复杂的问题。此外，现有信号净化技术需将低噪声信号源相位锁定到传递光上，对传递光频率有一定限制，而本装置通过自外差法探测噪声，对传递信号频率没有限制，具有较强的传递链路适应性，能够在光纤光频传递实际工程应用中发挥重要作用。

附图说明

图1为光频信号净化装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供了一种光学频率信号净化装置，该装置包括：第一频移器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一法拉第镜、光电探测器、延迟光纤、第二频移器、第二法拉第镜、第一环路滤波器、第一射频驱动源、第二射频驱动源、第二环路滤波器、频率综合器、混频器、带通滤波器。

待净化光学信号连接所述第一频移器输入端口，所述第一频移器输出端口连接所述第一光纤耦合器输入接口，所述第一光纤耦合器有两个输出端口，一个输出端口用于净化光输出，另一输出端口连接所述第二光纤耦合器的一个输入端口，第二光纤耦合器为X型耦合器，其另一个输入端口连接所述光电探测器，第二光纤耦合器有两个输出端口，一个输出端口连接所述第一法拉第镜，第二个输出端口连接延迟光纤输入端口，延迟光纤输出端口连接所述第二频移器的输入端口。所述第二频移器的输出端口连接所述第二法拉第镜。

所述光电探测器输出端口连接所述带通滤波器输入端口，所述带通滤波器输出端口连接所述混频器输入端口，所述混频器另一个输入端口连接所述频率综合器的输出端口。所述混频器输出端口分为两路，一路连接所述第一环路滤波器输入端口，所述第一环路滤波器连接所述第一射频驱动源，所述第一射频驱动源连接所述第一频移器。所述混频器第二路输出端口连接所述第二环路滤波器输入端口，第二环路滤波器连接所述第二射频驱动源，所述第二射频驱动源连接所述第二频移器。

进一步，上述第一光纤耦合器为Y型90：10分束器，但不限于90：10分束器。

进一步，上述第二光纤耦合器为X型50：50分束器，但不限于50：50分束器。

进一步，上述第一移频器和第二移频器的驱动频率不构成倍数关系。上述第一法拉第镜和第二法拉第镜的旋转角度为90度。

利用上述光学频率信号噪声净化装置，本发明还提出了一种光学频率信号净化方法，包括以下步骤：

1)待净化光频信号经过所述第一频移器，频率增加f₁，然后由第一光纤耦合器分为两束，一束作为净化光输出，另一束进入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器为X型耦合器，有两路输出，一路连接第一法拉第镜，另一路连接延迟光纤，第一法拉第镜将光频信号返回到第二光纤耦合器的另一个输入端，进入到光电探测器，作为参考光。另一部分光频信号经过延迟光纤后进入第二移频器，频率增加f₂，然后由第二法拉第镜反射，再次经过第二移频器和延迟光纤，并返回到光电探测器，此时返回光频率共增加f₁+2f₂。返回光和参考光进行拍频，光电探测器对频率为2f₂的拍频信号进行探测。其中，第一移频器和第二移频器的驱动频率f₁和f₂不构成倍数关系。

2)所述带通滤波器对探测器输出信号进行滤波，测量频率为2f₂的拍频信号。由于自差拍效应，该拍频信号携带了光频信号的相位噪声。通过所述混频器对拍频信号和频率综合器的输出信号混频鉴相，获得相位误差信号，误差信号被分为两部分，一部分误差信号由第二环路滤波器反馈给第二射频驱动源，通过设置第二环路滤波器的滤波带宽，使第二射频驱动源输出频率响应误差信号低频信息，并由第二射频驱动源驱动第二移频器，实现延迟光纤的长度控制。

3)另一部分误差信号由第一环路滤波器反馈给第一射频驱动源，通过设置第一环路滤波器的滤波带宽，使第一射频驱动源输出频率响应误差信号高频信息，并由第一射频驱动源驱动第一移频器，抑制光频信号噪声，实现光学频率信号净化。

4)延迟光纤的长度L决定相位噪声净化范围(傅里叶频率f<c/2nL)，以L取1km为例，相位噪声范围为f＝100kHz，L的取值以实际应用需求为准。

本发明的实施例如图1所示，包括：第一频移器1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、第一法拉第镜4、光电探测器5、延迟光纤6、第二频移器7、第二法拉第镜8、第二射频驱动源9、第二环路滤波器10、频率综合器11、混频器12、带通滤波器13、第一环路滤波器14、第一射频驱动源15。

第一频移器1驱动频率为30MHz，第二频移器7驱动频率为50MHz，第一光纤耦合器2为90：10Y型分束器，第二光纤耦合器3为50：50X型分束器，第一法拉第镜4和第二法拉第镜8旋转角度为90度，延迟光纤6长度为1km。第一环路滤波器14滤波带宽为10Hz，第二环路滤波器10滤波带宽为100kHz，频率综合器11输出频率为100MHz，带通滤波器滤波带宽为4MHz。

待净化光学频率信号首先通过所述第一频移器1，和第一光纤耦合器2，第一光纤耦合器2有两个分支端口，一个分支端口用于净化光输出，另一分支端口用于噪声探测和净化。所述第一光纤耦合器2噪声净化端口连接第二光纤耦合器3的输入端口，第二光纤耦合器3有两个输出端口，一个端口连接第一法拉第镜4，第二个端口连接延迟光纤6输入端口，延迟光纤6输出端口连接第二频移器7的输入端口。第二频移器7的输入端口连接第二法拉第镜8。第二光纤耦合器3的另一个输入端口连接光电探测器5，用于探测所述第二法拉第镜8和第一法拉第镜4的返回光拍频信号。

所述光电探测器5输出端口连接带通滤波器13输入端口，带通滤波器13的输出端口连接混频器12的输入接口，混频器12的另一输入接口连接频率综合器11的输出接口，混频器12的输出分为两路，一路连接第一环路滤波器14的输入接口，第一环路滤波器14输出接口连接第一射频驱动源15的输入接口，第一射频驱动源15的输出端口连接第一频移器1的射频接口。所述混频器12的第二个输出端口连接第二环路滤波器10的输入接口，第二环路滤波器10输出接口连接第二射频驱动源9的输入接口，第二射频驱动源9的输出端口连接第二频移器7的射频接口。

基于上述光学频率信号净化装置，本实施例具体实施步骤如下：

1)待净化光频信号通过所述第一频移器，频率增加30MHz，由第一光纤耦合器(Y型分束器90：10)分为两束，90％信号用作净化输出，10％信号由第二光纤耦合器(X型分束器50：50)分为两束，一束被法拉第镜返回到光电探测器作为参考光，另一束经过延迟光纤、第二频移器，此时频率增加50MHz，然后由第二法拉第镜返回到第一光纤耦合器，频率共增加130MHz，返回光与参考光拍频，由光电探测器探测两束光频信号的拍频信号。法拉第镜将返回光和参考光的偏振旋转90度，令传递光偏振不受光纤链路影响，确保了拍频信号功率的稳定。由于延时差拍效应，拍频信号携带光频信号的相位噪声。通过所述带通滤波器对频率为100MHz的拍频信号进行滤波，由所述混频器对拍频信号和频率综合器的输出信号混频鉴相获得误差信号，将误差信号由第一环路滤波器反馈给第一移频器抑制光频信号噪声，实现光频信号净化。第二环路滤波器将误差信号慢速相位信息反馈给第二移频器，控制延迟光纤长度的慢速漂移，确保净化装置的稳定性。

2)相位噪声范围为f<c/2nL，其中c为真空中光速，n为光纤折射率，L为延迟光纤长度，L为1km，对应相位噪声范围为f＝100kHz，远远大于传递链路控制带宽(100km为例，带宽500Hz)，能够对传递光纤链路噪声进行有效净化。

3)所述第二环路滤波器的带宽设计为10Hz，确保延迟光纤长度不受环境温度波动发生慢速变化。

所述第一移频器和第二移频器不仅具有频率调制的功能，而且在光频信号噪声净化装置中起到移频的作用，能够区分返回信号光和链路中杂散信号。光频信号噪声净化装置光路部分放置于隔音箱中，来减少外部环境声学噪声对系统的干扰。通过对延时干涉仪进行控温措施，降低外部环境温度波动对系统的影响。实际应用中，根据传递信号噪声特性来设计延迟光纤长度和环路滤波器带宽，获得最佳噪声净化效果。

该光学频率信号净化装置取全光纤结构，具有结构简单、紧凑、可靠性高等特点，能够实现光频信号净化，进一步提高传递信号精度。

Claims (4)

1.一种用于光纤光学频率传递信号的净化装置，包括第一移频器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一法拉第镜、光电探测器、延迟光纤、第二移频器、第二法拉第镜、第一环路滤波器、第一射频驱动源、第二射频驱动源、第二环路滤波器、频率综合器、混频器和带通滤波器，其特征在于，所述的第一移频器将待净化光学信号频移f₁后由第一光纤耦合器分为两束，一束作为净化光输出，另一束进入第二光纤耦合器；第二光纤耦合器为X型耦合器，有两路输出，一路连接第一法拉第镜，第一法拉第镜将光频信号返回到第二光纤耦合器的另一个输入端，进入到光电探测器，作为参考光；第二光纤耦合器的另一路输出经过延迟光纤后进入第二移频器，频率增加f₂，然后由第二法拉第镜反射，再次经过第二移频器和延迟光纤返回到光电探测器，所述的第一移频器和第二移频器的驱动频率f₁和f₂不构成倍数关系，此时返回光频率共增加f₁+2f₂；返回光和参考光进行拍频，光电探测器对频率为2f₂的拍频信号进行探测；所述带通滤波器对光电探测器输出信号进行滤波；所述混频器对拍频信号和频率综合器的输出信号混频鉴相，获得相位误差信号，误差信号一路由第二环路滤波器反馈给第二射频驱动源，通过设置第二环路滤波器的滤波带宽，使第二射频驱动源输出频率响应误差信号低频信息，并由第二射频驱动源驱动第二移频器，实现延迟光纤的长度控制；误差信号另一路由第一环路滤波器反馈给第一射频驱动源，通过设置第一环路滤波器的滤波带宽，使第一射频驱动源输出频率响应误差信号高频信息，并由第一射频驱动源驱动第一移频器，抑制光频信号噪声，实现光学频率信号净化。

2.根据权利要求1所述的用于光纤光学频率传递信号的净化装置，其特征在于，所述的第一光纤耦合器采用Y型90：10分束器。

3.根据权利要求1所述的用于光纤光学频率传递信号的净化装置，其特征在于，所述的第二光纤耦合器采用X型50：50分束器。

4.根据权利要求1所述的用于光纤光学频率传递信号的净化装置，其特征在于，所述的第一法拉第镜和第二法拉第镜的旋转角度为90度。