CN114172584B - 高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法 - Google Patents

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Abstract

一种高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法，装置包括本地端、传递链路和用户端，本地端与用户端通过传递链路连接；本发明通过双外差检测的方式将传递链路相位噪声转换到两个中频信号上处理，将两路中频信号比较后通过伺服控制模块控制任一光载波相位补偿模块完成锁定，即可实现稳定的毫米波/太赫兹信号传递。本发明无需借助于毫米波信号同步的本地参考微波源即可实现传递链路的相位补偿，同时还有效地抑制了系统中的后向散射噪声。此外还具有补偿范围无限，可靠性高的特点。

Description

高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法
技术领域
本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法。
背景技术
精准的时间频率信号在众多前沿科学研究中发挥着至关重要的作用。随着各国对于高新技术的投入，原子频标以每7-10年提升一个量级的速度快速发展。目前，基于卫星链路的频率传递以无法满足当前众多领域的需求。为了克服卫星链路频率传递的问题，光纤以其高可靠、大带宽、不受电磁干扰、受外界扰动小等优点，被证明是实现高精度、长距离频率传递的理想选择。此外，为了实现空地一体化的时频传递，基于自由空间链路的光学频率传递同样引起了国内外学者的广泛关注。在天文学，超长基线干涉仪、相控阵毫米波天线等领域中，具有高相位稳定性的毫米波参考是必不可少的。近些年来，诸多课题组针对光学毫米波传递提出了许多优秀的传递方案。2014年上海交通大学提出了一种基于压控器补偿的光纤毫米波传递方案，该方案利用外差探测的方式很好解决了毫米波传递中电带宽的不足，此外由于压控振荡器作为补偿单元，该方案具备传递长距离的潜力[参见Sun,Dongning,et al."Distribution of high-stability 100.04GHz millimeter wavesignal over 60km optical fiber with fast phase-error-correcting capability."Optics letters 39.10(2014):2849-2852]。然而，该方案需借助本地参考源与毫米波信号同步才能实现链路的相位补偿，这增加了系统的复杂度和实现难度。此外该方案存在后向散射噪声的问题，这会降低系统的可靠性和稳定度指标。2021年北京航空航天大学提出了一种基于可调光延迟线的毫米波传递方案，该方案无需借助本地端参考源即可实现相位噪声补偿，然而该方案所用的可调光延迟线补偿范围有限，无法适用于长距离系统，此外该方案同样也存在着后向散射噪声的问题[参见Yu,Chunlong,et al."Self-referenceddistribution of millimeter waves over 10km optical fiber with high frequencystability."Optics Letters 46.16(2021):3949-3952]。
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，提供一种高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法。本发明通过双外差检测的方式将传递链路相位噪声转换到两个中频信号上处理，将中频信号输入到单载波相位补偿模块完成锁定，即可实现稳定的毫米波信号传递。本发明无需借助本地参考源与毫米波信号同步即可实现传递链路的相位补偿，同时还有效地抑制了系统中的后向散射噪声。此外还具有补偿范围无限，可靠性高的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种高精度光学毫米波/太赫兹传递系统，其特点在于，包括本地端、传递链路和用户端：
所述的本地端包括光隔离器单元、第一光耦合器、第一法拉第旋转镜、第二光耦合器、第一光滤波器、第二光滤波器、第一声光移频器、第一微波源、第二声光移频器、第三光耦合器、第三光滤波器、第四光滤波器、第一光电转换单元、第二光电转换单元、第一电滤波器、第二电滤波器、第一混频器、伺服控制单元、压控振荡器和第四光耦合器；
所述的用户端包括第三声光移频器、第二微波源、第五光耦合器、第二法拉第旋转镜、第六光耦合器、第三微波源、第一光锁相单元、微波功分器、第二光锁相单元、第七光耦合器、第三光电转换单元和第三电滤波器；
待传光载毫米波信号E0经依次经光隔离器和第一光耦合器后分为两路，其中一路经第一法拉第旋转镜反射后，返回所述的第一光耦合器作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器；另一路经所述的第二光耦合器再次分为二路，分别经第一光滤波器和第一声光移频器，以及第二光滤波器和第二声光移频器输出，二路信号经所述的第四光耦合器合束后，经所述的传递链路传递到达用户端；
在所述的用户端依次经所述的第三声光移频器和所述的第五光耦合器后E3信号被分为两部分，其中一部分经所述的第二法拉第旋转镜反射后，经所述的传递链路传递到本地端，再次经第四光耦合器分束后，沿原路返回，经所述的第二光耦合器合束后，经第一光耦合器的3端口输入，4端口输出后，与本地参考光一起输入所述的第三光耦合器，经第三光耦合器再次分为二路，一路依次经所述的第三光滤波器、第一光电转换单元和所述的第一电滤波器后进入所述的第一混频器，另一路依次经所述的第四光滤波器、第二光电转换单元和所述的第二电滤波器后进入所述的第一混频器，二路信号经该第一混频器混频取下边带后，输出直流误差信号进入所述的伺服控制单元；
另一部分E3信号经过所述的第六光耦合器后被分为两路，一路经所述的第一光锁相单元，另一路经所述的第二光锁相单元，经光锁相后的两路光信号分别进入经所述的第七光耦合器合束后，经所述的第三光电转换单元以及所述的第三电滤波器滤波后即可得到稳定的毫米波信号。
所述的传递链路为光纤链路或者自由空间链路，所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。
利用上述高精度光学毫米波/太赫兹传递系统的毫米波/太赫兹传递方法，具体步骤如下：
1)本地端待传递的光载毫米波信号为
Figure BDA0003408276550000031
其中两个角频率和相位的差值分别与毫米波的频率和相位相匹配，即ω2-ω1＝ωmmW，
Figure BDA0003408276550000032
所述的光载毫米波信号E0经过所述的光隔离器、所述的第一光耦合器后分为两部分：一部分光载毫米波信号E0经过所述的第一法拉第旋转镜反射经所述的第一光耦合器后作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器上，另一部分光载毫米波信号E0经所述的第二光耦合器分为两路后，一路经过所述的第一光滤波器和所述的第一声光移频器后输出的信号记为E1,另一路经过所述的第二光滤波器和所述的第二声光移频器后输出的信号记为E2,所述的E1和E2信号表达式为：
Figure BDA0003408276550000033
Figure BDA0003408276550000034
式中，
Figure BDA0003408276550000035
分别为所述的第一声光移频器射频工作的频率和初始相位，ωvco，
Figure BDA0003408276550000036
分别为所述的第二声光移频器射频工作的频率和初始相位；
2)所述的E1、E2信号经过所述的第四光耦合器合束后进入所述的传递链路，在所述的用户端经过所述的第三声光移频器后，输出信号E3的表达式为：
Figure BDA0003408276550000037
式中，
Figure BDA0003408276550000038
和
Figure BDA0003408276550000039
分别表示传递链路引入的相位噪声，ωRF2和
Figure BDA00034082765500000310
分别为所述的第三声光移频器射频工作的频率和初始相位；需要注意的是，系统中所用的微波源均与待传递的光载毫米波信号没有相位同步关系。所述的E3信号经过所述的第五光耦合器，被分为两部分：一部分经过所述的第二法拉第旋转镜后反射进入到所述的传递链路，传递到所述的第四光耦合器后，依次经历了与所述的E1和E2信号互逆的路径后，经过所述的第一光耦合器的3,4端口，传递到所述的第三光耦合器的1端口，其表达式为：
Figure BDA00034082765500000311
3)这里假设前向传递和后向传递的链路噪声相等，所述的E4信号与所述的本地参考光信号E0经过所述的第三光耦合器后分为两路：一路依次经过所述的第三光滤波器、第一光电转换单元和所述的第一电滤波器后，输出的信号记为E5，另一路依次经过所述的第四光滤波器、所述的第二光电转换单元和所述的第二电滤波器后，输出的信号记为E6，所述的E5和E6的表达式分别为：
Figure BDA0003408276550000041
Figure BDA0003408276550000042
所述的E5和E6信号通过所述的第一混频器混频取下边带后，输出的直流误差信号Ve进入所述的伺服控制单元，其表达式为：
Figure BDA0003408276550000043
当所述的伺服控制单元工作在锁定状态时Ve→0,表达式进一步可以写为：
Figure BDA0003408276550000044
4)另一部分所述的E3信号经过所述的第六光耦合器后被分为两路：一路经过所述的第一光锁相单元后输出的信号记为E7，另一路经过所述的第二光锁相单元后输出的信号记为E8,所述的E7和E8信号的表达式分别为：
Figure BDA0003408276550000045
Figure BDA0003408276550000046
式中，ωRF3和
Figure BDA0003408276550000047
分别表示所述的第三微波源输出射频信号的角频率和初始相位，所述的E7和E8信号经所述的第七光耦合器合束后，经所述的第三光电转换单元以及所述的第三电滤波器滤波后输出信号的表达式为：
Figure BDA0003408276550000048
将
Figure BDA0003408276550000049
的表达式代入到上式，所述的E9表达式可以进一步改写为：
Figure BDA00034082765500000410
本发明的技术效果如下：
本发明无需借助本地参考源与毫米波信号同步即可实现传递链路的相位补偿，同时还有效地抑制了系统中的后向散射噪声。此外还具有补偿范围无限，可靠性高的特点。
附图说明
图1是本发明高精度光学毫米波/太赫兹传递系统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为本发明高精度光学毫米波传递系统实施例的结构示意图，由图可见，本发明高精度光学毫米波传递系统，包括本地端1、传递链路2和用户端3：
所述的本地端1包括光隔离器单元10、第一光耦合器11、第一法拉第旋转镜12、第二光耦合器13、第一光滤波器14、第二光滤波器15、第一声光移频器16、第一微波源17、第二声光移频器18、第三光耦合器19、第三光滤波器20、第四光滤波器21、第一光电转换单元22、第二光电转换单元23、第一电滤波器24、第二电滤波器25、第一混频器26、伺服控制单元27、压控振荡器28和第四光耦合器29；
所述的用户端3包括第三声光移频器30、第二微波源31、第五光耦合器32、第二法拉第旋转镜33、第六光耦合器34、第三微波源35、第一光锁相单元36、微波功分器37、第二光锁相单元38、第七光耦合器39、第三光电转换单元40和第三电滤波器41；
待传光载毫米波信号E0经依次经光隔离器10和第一光耦合器11后分为两路，其中一路经第一法拉第旋转镜12反射后，返回所述的第一光耦合器11作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器19；另一路经所述的第二光耦合器13再次分为二路，分别经第一光滤波器14和第一声光移频器16，以及第二光滤波器15和第二声光移频器18输出，二路信号经所述的第四光耦合器29合束后，经所述的传递链路2传递到达用户端3；
在所述的用户端3依次经所述的第三声光移频器30和所述的第五光耦合器32后E3信号被分为两部分，其中一部分经所述的第二法拉第旋转镜33反射后，经所述的传递链路2传递到本地端1，再次经第四光耦合器29分束后，沿原路返回，经所述的第二光耦合器13合束后，经第一光耦合器11的3端口输入，4端口输出后，与本地参考光一起输入所述的第三光耦合器19，经第三光耦合器19再次分为二路，一路依次经所述的第三光滤波器20、第一光电转换单元22和所述的第一电滤波器24后进入所述的第一混频器26，另一路依次经所述的第四光滤波器21、第二光电转换单元23和所述的第二电滤波器25后进入所述的第一混频器26，二路信号经该第一混频器26混频取下边带后，输出直流误差信号进入所述的伺服控制单元27；
另一部分经E3信号过所述的第六光耦合器34后被分为两路，一路经所述的第一光锁相单元36，另一路经所述的第二光锁相单元38，经光锁相后的两路信号分别进入经所述的第七光耦合器39合束后，经所述的第三光电转换单元40以及所述的第三电滤波器41滤波后即可得到稳定的毫米波信号。
实施例中，所述的传递链路2由光纤链路构成，本地端1位于传递链路2的一端，用户端3位于传递链路2的另一端。
高精度光学毫米波/太赫兹传递方法，具体步骤如下：
1)本地端待传递的光载毫米波信号
Figure BDA0003408276550000061
其中，两个角频率和相位的差值分别与毫米波的频率和相位相匹配，即ω2-ω1＝ωmmW，
Figure BDA0003408276550000062
所述的光载毫米波信号E0经过所述的光隔离器10、所述的第一光耦合器11后分为两部分：一部分光载毫米波信号E0经过所述的第一法拉第旋转镜12反射经所述的第一光耦合器11后作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器19上，另一部分光载毫米波信号E0经所述的第二光耦合器13分为两路：一路经过所述的第一光滤波器14和所述的第一声光移频器16后输出的信号记为E1,另一路经过所述的第二光滤波器15和所述的第二声光移频器18后输出的信号记为E2,所述的E1和E2信号表达式为：
Figure BDA0003408276550000063
Figure BDA0003408276550000064
式中，ωRF1，
Figure BDA0003408276550000065
分别为所述的第一声光移频器16射频工作的频率和初始相位，ωvco，
Figure BDA0003408276550000066
分别为所述的第二声光移频器18射频工作的频率和初始相位；
2)所述的E1、E2信号经过所述的第四光耦合器29合束后进入所述的传递链路2，在所述的用户端3经过所述的第三声光移频器30后，输出移频信号E3的表达式为：
Figure BDA0003408276550000067
式中，
Figure BDA0003408276550000068
和
Figure BDA0003408276550000069
分别表示传递链路引入的相位噪声，ωRF2和
Figure BDA00034082765500000610
分别为所述的第三声光移频器30射频工作的频率和初始相位；所述的移频信号E3经过所述的第五光耦合器32被分为两部分：一部分经过所述的第二法拉第旋转镜33后反射进入到所述的传递链路2，传递到所述的第四光耦合器29后，依次经历了与所述的E1和E2信号互逆的路径后，经过所述的第一光耦合器11的3,4端口，传递到所述的第三光耦合器19的1端口，其表达式为：
Figure BDA00034082765500000611
3)这里假设前向传递和后向传递的链路噪声相等，所述的信号E4与所述的本地参考光信号E0经过所述的第三光耦合器19后分为两路：一路依次经过所述的第三光滤波器20、第一光电转换单元22和所述的第一电滤波器24后，输出的信号记为E5，另一路依次经过所述的第四光滤波器21、所述的第二光电转换单元23和所述的第二电滤波器25后，输出的信号记为E6，所述的E5和E6的表达式分别为：
Figure BDA0003408276550000071
Figure BDA0003408276550000072
所述的E5和E6信号通过所述的第一混频器26混频取下边带后，输出的直流误差信号Ve进入所述的伺服控制单元27，其表达式为：
Figure BDA0003408276550000073
根据环路控制理论，所述的伺服控制单元27通过实时的改变所述的压控振荡器28的频率进而实现链路相位噪的预补偿，当伺服控制单元27工作在锁定状态时，即误差信号为0，Ve→0,表达式进一步可以写为：
Figure BDA0003408276550000074
4)另一部分所述的信号E3经过所述的第六光耦合器34后被分为两路：一路经过所述的第一光锁相单元36后输出的信号记为E7，另一路经过所述的第二光锁相单元38后输出的信号记为E8,所述的E7和E8信号的表达式分别为：
Figure BDA0003408276550000075
Figure BDA0003408276550000076
式中，ωRF3和
Figure BDA0003408276550000077
分别表示所述的第三微波源35输出射频信号的角频率和初始相位，所述的E7和E8信号经所述的第七光耦合器39合束后，经所述的第三光电转换单元40以及所述的第三电滤波器41滤波后输出信号的表达式为：
Figure BDA0003408276550000078
将
Figure BDA0003408276550000079
的表达式代入到上式，所述的E9表达式可以进一步改写为：
Figure BDA00034082765500000710
实验表明，本发明通过双外差检测的方式将传递链路相位噪声转换到两个中频信号上处理，将中频信号输入到单载波相位补偿模块完成锁定，即可实现稳定的毫米波信号传递。本发明无需借助本地参考源与毫米波信号同步即可实现传递链路的相位补偿，同时还有效地抑制了系统中的后向散射噪声。此外还具有补偿范围无限，可靠性高的特点。

Claims (3)

1.一种高精度光学毫米波及太赫兹传递系统，包括本地端(1)、传递链路(2)和用户端(3)，其特征在于，
所述的本地端(1)包括光隔离器(10)、第一光耦合器(11)、第一法拉第旋转镜(12)、第二光耦合器(13)、第一光滤波器(14)、第二光滤波器(15)、第一声光移频器(16)、第一微波源(17)、第二声光移频器(18)、第三光耦合器(19)、第三光滤波器(20)、第四光滤波器(21)、第一光电转换单元(22)、第二光电转换单元(23)、第一电滤波器(24)、第二电滤波器(25)、第一混频器(26)、伺服控制单元(27)、压控振荡器(28)和第四光耦合器(29)；
所述的用户端(3)包括第三声光移频器(30)、第二微波源(31)、第五光耦合器(32)、第二法拉第旋转镜(33)、第六光耦合器(34)、第三微波源(35)、第一光锁相单元(36)、微波功分器(37)、第二光锁相单元(38)、第七光耦合器(39)、第三光电转换单元(40)和第三电滤波器(41)；
待传光载毫米波信号E0经依次经光隔离器(10)和第一光耦合器(11)后分为两路，其中一路经第一法拉第旋转镜(12)反射后，返回所述的第一光耦合器(11)作为本地参考光信号输入到所述的第三光耦合器(19)；另一路经所述的第二光耦合器(13)再次分为二路，分别经第一光滤波器(14)和第一声光移频器(16)，以及第二光滤波器(15)和第二声光移频器(18)输出，二路信号E1、E2经所述的第四光耦合器(29)合束后，经所述的传递链路(2)传递到达用户端(3)；
在所述的用户端(3)依次经所述的第三声光移频器(30)和所述的第五光耦合器(32)后信号E3被分为两部分，其中一部分经所述的第二法拉第旋转镜(33)反射后，经所述的传递链路(2)传递到本地端(1)，再次经第四光耦合器(29)分束后，沿原路返回，经所述的第二光耦合器(13)合束后，经第一光耦合器(11)的3端口输入，4端口输出后，与本地参考光一起输入所述的第三光耦合器(19)，经第三光耦合器(19)再次分为二路，一路依次经所述的第三光滤波器(20)、第一光电转换单元(22)和所述的第一电滤波器(24)后进入所述的第一混频器(26)，另一路依次经所述的第四光滤波器(21)、第二光电转换单元(23)和所述的第二电滤波器(25)后进入所述的第一混频器(26)，二路信号经该第一混频器(26)混频取下边带后，输出直流误差信号进入所述的伺服控制单元(27)，驱动所述的压控振荡器(28)实现相位噪声补偿；
另一部分E3信号经过所述的第六光耦合器(34)后被分为两路，分别进入第一光锁相单元(36)和第二光锁相单元(38)，所述的第三微波源(35)输出射频信号经微波功分器(37)分为二路分别进入第一光锁相单元(36)和第二光锁相单元(38)，
将两束光锁相后的信号分别进入所述的第七光耦合器(39)合束后，经所述的第三光电转换单元(40)以及所述的第三电滤波器(41)滤波后即可得到稳定的毫米波信号。
2.根据权利要求1所述的一种高精度光学毫米波及太赫兹传递系统，其特征在于，所述的传递链路(2)为光纤链路或者自由空间链路，所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。
3.利用权利要求1或2所述的一种高精度光学毫米波及太赫兹传递系统的传递方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
S1.本地端待传递的光载毫米波信号为
Figure FDA0004059345610000029
其中两个角频率和相位的差值分别与毫米波的频率和相位相匹配，即ω2-ω1＝ωmmW，
Figure FDA00040593456100000210
所述的待传光载毫米波信号E0经过所述的光隔离器(10)和所述的第一光耦合器(11)后分为两部分：一部分待传光载毫米波信号E0经过所述的第一法拉第旋转镜(12)反射，返回至所述的第一光耦合器(11)，经所述的第一光耦合器(11)后作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器(19)上，另一部分待传光载毫米波信号E0经所述的第二光耦合器(13)分为两路后，一路经过所述的第一光滤波器(14)和所述的第一声光移频器(16)后输出的信号E1，另一路经过所述的第二光滤波器(15)和所述的第二声光移频器(18)后输出的信号E2，所述的信号E1和信号E2表达式为：
Figure FDA0004059345610000021
Figure FDA0004059345610000022
式中，ωRF1，
Figure FDA0004059345610000023
分别为所述的第一声光移频器(16)射频工作的频率和初始相位，ωvco，
Figure FDA0004059345610000024
分别为所述的第二声光移频器(18)射频工作的频率和初始相位；ωRF1＝ωc，
S2.信号E1和信号E2经过所述的第四光耦合器(29)合束后经传递链路(2)到达用户端(3)，经第三声光移频器(30)输出信号E3，表达式为：
Figure FDA0004059345610000025
式中，
Figure FDA0004059345610000026
和
Figure FDA0004059345610000027
分别表示传递链路引入的相位噪声，ωRF2和
Figure FDA0004059345610000028
分别为第三声光移频器(30)射频工作的频率和初始相位；
所述的信号E3经第五光耦合器(32)分为两部分：一部分信号E3经第二法拉第旋转镜(33)反射后，经所述的传递链路(2)传递到本地端(1)的第四光耦合器(29)，并经历与所述的信号E1和信号E2互逆的路径后，由所述的第一光耦合器(11)的3端口输入、4端口输出信号，并传递到所述的第三光耦合器(19)的1端口，信号E4，表达式为：
Figure FDA0004059345610000031
S3.设前向传递和后向传递的链路噪声相等，所述的信号E4与所述的本地参考光信号经过所述的第三光耦合器(19)后分为两路：一路依次经过所述的第三光滤波器(20)、第一光电转换单元(22)和所述的第一电滤波器(24)后，输出的信号E5，另一路依次经过所述的第四光滤波器(21)、所述的第二光电转换单元(23)和所述的第二电滤波器(25)后，输出的信号E6，表达式分别为：
Figure FDA0004059345610000032
Figure FDA0004059345610000033
所述的信号E5和E6通过所述的第一混频器(26)混频取下边带后，输出的直流误差信号Ve，进入所述的伺服控制单元(27)，其表达式为：
Figure FDA0004059345610000034
当所述的伺服控制单元(27)工作在锁定状态时Ve→0，则：
Figure FDA0004059345610000035
S4.另一部分信号E3经过所述的第六光耦合器(34)分为两路：一路经过所述的第一光锁相单元(36)输出信号E7，另一路经第二光锁相单元(38)输出信号E8，表达式分别为：
Figure FDA0004059345610000036
Figure FDA0004059345610000037
式中，ωRF3和
Figure FDA0004059345610000038
分别表示第三微波源(35)输出射频信号的角频率和初始相位；信号E7和信号E8经所述的第七光耦合器(39)合束后，经第三光电转换单元(40)和第三电滤波器(41)滤波后输出信号E9，表达式为：
Figure FDA0004059345610000039
将
Figure FDA00040593456100000310
的表达式代入到上式，信号E9为：
Figure FDA00040593456100000311
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