CN116155399A - 一种微波光子传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种微波光子传输系统，通过光发射装置获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，第一波长的功率信号为经过SBS抑制的功率信号；光放大装置与光发射装置连接，光放大装置用于放大第一波长的功率信号的功率；光中继装置与光放大装置连接，光中继装置用于对第一波长的功率信号进行光功率补偿，输出第一波长的功率补偿信号；光接收装置与光中继装置连接，光接收装置用于将第一波长的功率补偿信号解调为电信号。本发明能够有效抑制SBS，从而能够抑制微波光子传输中温度变化、应变变化等引起的相位抖动，抑制SPM和EPM造成的系统劣化，有利于改善微波光子传输系统性能。

Description

一种微波光子传输系统
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种微波光子传输系统。
背景技术
随着国家把新一代信息技术列入战略性新兴产业，迄今为止，国内光通信领域已经实现了多项重大突破，在传输、接入以及光纤光缆等方面掌握了核心技术，逐步形成了具有区域发展特色的产业发展格局。但微波光子传输在实际现场应用场景中均由于传输介质温度变化、应变变化(外界振动等)等引起相位抖动，并对系统产生劣化，目前业界根本有效的解决方案不多，基础理论上出现了偏差，制约了工程化和商用化的进程。
首先，布里渊散射SBS(Stimulated Brillouin Scattering)是由介质(光纤、大气、液体等)的声学声子引起的非弹性散射(光的散射频率不等于入射频率)，因此布里渊散射的频移和强度等特性参数主要取决于介质(光纤、大气、液体等)的弹性力学和热弹性力学等特性，温度和应变等变化会引起这些介质(光纤、大气、液体等)特性的改变，从而影响布里渊频移和强度等。因此，有效抑制SBS能够抑制微波光子传输中温度变化、应变变化(外界振动等)等引起的相位抖动，改善微波光子传输系统性能。
受激布里渊散射SBS是一种影响光纤传输性能的非线性效应。由于光纤是一种电致伸缩材料，功率较大的入射光在光纤中传输时，产生电致伸缩效应，引起光纤晶体的声波振动，这种振动会使得光纤折射率的变化而形成光栅。导致大部分入射光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。散射的光波叫做斯托克斯(stocks)光波。
光波与声波通过电致伸缩发生相互耦合，即使在很低的入射光功率情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对入射光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传输将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于入射光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射。
其次,得益于光放大器的发明，使得长距离传输不需要经过光电、电光转化就可以实现信号放大。ASE噪声即放大器自发辐射噪声(Amplifier Spontaneous Emission)。ASE噪声与信号混合在一起，成为放大器的噪声。在无光放大器时的载噪比和光调制度给定的前提下，光放大器的噪声系数越低同时输入光功率越大，则系统载噪比损失越小。因此，在实际应用中，尽可能的提高光放大器输入光功率和采用低噪声的光放大器。
另外，自相位调制SPM(Self Phase Modulation)：长距离微波光子传输系统中，光纤中的自相位调制与ITU-T G652光纤的色散结合在一起，通过相位－强度转换过程，造成信号较大的二阶失真。自相位调制是光纤中的一种非线性效应，它显现在光纤中的光波太强之时。由于强电场引起SiO2分子的非线性极化(Kerr效应)，使光纤折射率n出现与光强成正比的成分。在长距离微波光子系统，光纤中的SPM和色散是造成系统性能劣化的主要因素。
发明内容
为了解决现有技术中微波光子传输系统劣化的问题，本发明实施例提供以下技术方案：
本发明提供一种微波光子传输系统，包括：
光发射装置，用于获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，所述第一波长的功率信号为经过SBS抑制的功率信号；
光放大装置，与所述光发射装置连接，所述光放大装置用于放大所述第一波长的功率信号的功率；
光中继装置，与所述光放大装置连接，所述光中继装置用于对所述第一波长的功率信号进行光功率补偿，输出第一波长的功率补偿信号；
光接收装置，与所述光中继装置连接，所述光接收装置用于将所述第一波长的功率补偿信号解调为电信号。
进一步地，所述光发射装置还用于获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，所述第一波长的功率信号为经过光谱展宽得到SBS抑制的功率信号；
获得第二激光器输出的第二波长的功率信号；
将所述第一波长的功率信号与所述第二波长的功率信号送入密集波分复用合波器，进行密集波分复用后输出合波功率信号。
进一步地，所述光发射装置包括：第一激光器、第二激光器以及密集波分复用合波器，
所述密集波分复用合波器的一个输入端与所述第一激光器的输出端连接；
所述密集波分复用合波器的另一个输入端与所述第二激光器的输出端连接。
进一步地，还包括：第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器；
所述第一马赫曾德调制器输入端与所述第一激光器输出端连接，用于接收所述第一波长的功率信号，对所述第一波长功率信号进行调制；
所述第二马赫曾德调制器输入端与所述第二激光器输出端连接，用于接收所述第二波长的功率信号，频率为fRF的射频信号作为第二马赫曾德调制器的驱动，实现对所述第二波长的功率信号的调制。
进一步地，
所述第一马赫曾德调制器的输出端与密集波分复用合波器的第一输入端连接；
所述第二马赫曾德调制器的输出端与密集波分复用合波器的第二输入端连接。
进一步地，还包括双平行马赫曾德调制器，两个输入端分别位于所述双平行马赫曾德调制器的两个支路臂上的两个平行的马赫曾德调制器上，其中一个输入端与所述第一激光器连接，另一个输入端与所述第二激光器连接，并且有频率为fRF的射频信号的输入。
进一步地，所述光放大装置包括第一光放大器和第二光放大器，所述光中继装置包括第一色散补偿模块和第二色散补偿模块：
所述第一光放大器，用于对所述第一波长的功率信号做放大处理以形成第一放大光束信号；
所述第一色散补偿模块与所述第一光放大器连接，用于接收所述第一放大光束信号，并对所述第一放大光束信号进行色散补偿处理以形成第一补偿光束信号；
第二光放大器，与所述第一色散补偿模块连接，用于接收所述第一补偿光束信号，并对所述第一补偿光束信号做放大处理以形成第二放大光束信号；
第二色散补偿模块，与所述第二光放大器连接，用于接收所述第二放大光束信号，并对所述第二放大光束信号做补偿处理以形成第二补偿光束信号。
进一步地，所述第一光放大器为前置光放大器，所述第二光放大器为拉曼放大器。
进一步地，还包括设置于所述第一光放大器与所述第二光放大器之间的遥泵装置，所述遥泵装置用于对所述第一放大光束信号进行远程放大。
进一步地，还包括：光隔离装置，所述光隔离装置包括隔离器和TFF型WDM器，所述隔离器与所述TFF型WDM器连接，所述光隔离装置的输入端与所述密集波分复用合波器输出端连接。
进一步地，所述第一激光器为可调谐线宽激光器，所述第二激光器为窄线宽激光器；
所述第一激光器产生波长为1550.12nm的激光信号；所述第二激光器产生波长为1550.92nm的激光信号。
本发明具有以下有益效果：
本发明实施例提供的一种微波光子传输系统，包括：光发射装置，用于获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，第一波长的功率信号为经过SBS抑制的功率信号；光放大装置，与光发射装置连接，光放大装置用于放大第一波长的功率信号的功率；光中继装置，与光放大装置连接，用于对第一波长的功率信号进行光功率补偿，输出第一波长的功率补偿信号；光接收装置，与光中继装置连接，用于将第一波长的功率补偿信号解调为电信号。本发明通过采用合适的SBS(Stimulated Brillouin Scattering)能够抑制微波光子传输中温度变化、应变变化等引起的相位抖动；采用光放大装置能够将系统载噪比损失降低；采用合适的SBS阀值，适应不同的传输距离和使用光中继装置逐个对光纤中继段进行补偿等措施抑制SPM(自相位调制)和EPM(外相位调制)造成的系统劣化；本发明系统解决了微波光子稳相传输的相位抖动等噪声，有利于改善微波光子传输系统性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例中一种微波光子传输系统结构图示意图。
图2是本发明一个实施例中光发射装置结构示意图。
图3是本发明另一个实施例中其光发射装置结构示意图。
图4是本发明提供的应变与布里渊频域变化关系图以及温度与布里渊频域变化关系示意图。
图5是本发明一个实施例中空间光通信结构示意图。
图6是本发明一个实施例激光雷达结构示意图。
图7是本发明一个实施例天线/雷达光纤组阵结构示意图。
图8是本发明一个实施例全球卫星导航系统结构示意图。
图9是本发明另一个实施例中光发射装置结构示意图。
图10是本发明另一个实施例中光发射装置结构示意图。
图11是本发明一个实施例超长距离微波光子通信系统结构示意图。
图12是本发明一个实施例5G/6G光纤直连结构示意图。
图13是本发明一个实施例中5G/6G无源密集波分复用结构示意图。
图14是本发明一个实施例中超长距离大跨距光纤量子通信结构示意图。
图15是本发明一个实施例中光隔离装置的结构示意图。
图16是本发明另一个实施例中光隔离装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
为了改善微波光子传输系统性能，本发明基本构思如下：
①采用直接调制方式或外调制的方式，进行SBS抑制，以适应不同的传输距离；
②使用DCM(色散补偿)逐个中继段进行补偿。
通过①和②措施抑制SPM(自相位调制)和EPM(外相位调制)造成的系统劣化。具体实施方式如下：
请参阅图1，图1是本发明一个实施例提供的一种微波光子传输系统结构示意图。
请参阅图2，图2是本发明一个实施例中光发射装置结构示意图。
所述微波光子传输系统包括：
光发射装置1，用于获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，所述第一波长的功率信为经SBS抑制的功率信号；
其中，第一激光器输出的第一波长的功率信号为1550.92nm波长工作信号频率，采用直接调制方式实现SBS抑制功能。
SBS抑制频率为fSBS(本振频率)，信号工作频率为fRF，
Figure BDA0003858562940000071
或者fSBS2≥2fRF，信号工作频率fRF和fSBS混频输入激光器，通过相位调制强度实现SBS抑制。稳相传输能够有效抑制1550.92nm波长微波光子传输的光纤温度和应变产生的相位噪声。
光发射装置1由SBS信号和信号源RF混频驱动第一激光器的工作信号波长。
光放大装置2，与所述光发射装置1连接，光放大装置2用于放大第一波长的功率信号的功率；
一些实施例中，光放大装置2可以为EDFA/YEDFA功率光放大器，其输入范围：-10～+10dBm，前置光放大器输入范围-20～+3dBm，采用APC(自动功率控制)和ACC(自动电流控制)，使EDFA/YEDFA的输出光功率偏差锁定为±0.1dB。
还可以是，RFA集中式拉曼放大器代替的EDFA/YEDFA功率光放大器，可将载噪比损失降为0.5以内。适用于微波光子传输、太赫兹光通信、激光雷达和空间通信等。
光中继装置3，与光放大装置2连接，光中继装置3用于对第一波长的功率信号进行光功率补偿，输出第一波长的功率补偿信号；
一些实施例中，光中继装置3为色散补偿模块，色散补偿模块(DCM)(也被称为色散补偿单元，DCU)用来补偿色散，例如补偿很长的传输光纤中的色散。
光接收装置4，与光中继装置3连接，光接收装置4用于将第一波长的功率补偿信号解调为电信号。
本发明光接收装置4的接收功率范围：-20～+3dBm，采用光AGC控制，输出射频电平偏差锁定为±0.2dB。
可以理解为，本发明实施例提供的一种微波光子传输系统，包括：光发射装置，用于获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，第一波长的功率信号为经过SBS抑制的功率信号；光放大装置，与光发射装置连接，光放大装置用于放大第一波长的功率信号的功率；光中继装置，与光放大装置连接，用于对第一波长的功率信号进行光功率补偿，输出第一波长的功率补偿信号；光接收装置，与光中继装置连接，用于将第一波长的功率补偿信号解调为电信号。本发明能够有效抑制SBS，从而能够抑制微波光子传输中温度变化、应变变化等引起的相位抖动，抑制SPM和EPM造成的系统劣化，有利于改善微波光子传输系统性能。
作为上述实施例的进一步改进，请参阅图3，图3是本发明一个实施例中光发射装置结构示意图，如图3所示。
光发射装置1，还用于获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，第一波长的功率信为经过光谱展宽得到SBS抑制的功率信号；
获得第二激光器输出的第二波长的功率信号；
将第一波长的功率信号与第二波长的功率信号送入密集波分复用合波器，进行密集波分复用后输出合波功率信号；
需要说明的是，布里渊散射SBS在光纤传输系统中的影响很大。
布里渊散射SBS(Stimulated Brillouin Scattering)是由介质(光纤、大气、液体等)的声学声子引起的非弹性散射(光的散射频率不等于入射频率)，因此布里渊散射的频移和强度等特性参数主要取决于介质(光纤、大气、液体等)的弹性力学和热弹性力学等特性，温度和应变等变化会引起这些介质(光纤、大气、液体等)特性的改变，从而影响布里渊频移和强度等。
1.布里渊频移与温度和应变关系
光纤的温度和应变等变化会引起光纤特性的改变，从而影响布里渊频移和强度等。布里渊频移变化(ΔνB)沿着光纤跟温度变化(ΔT)和应变变化(Δε)呈线性的混合变化，CvBε＝493MHz/％，CvBT＝1MHz/℃。布里渊频移温度和应变公式如下：
ΔνB＝CvBε·Δε+CvBT·ΔT (公式1)
温度的变化会引发光纤中的热膨胀效应，从而影响光纤密度；其热光效应会引起光纤折射率变化；光纤随温度变化也会引起光纤的杨氏模量和泊松比等物性参数的变化。当应变变化时，弹光效应会引起折射率的变化；光纤内部原子间的相互作用势也会引起杨氏模量和泊松比的变化。图4是本发明提供的应变与布里渊频域变化关系图以及温度与布里渊频域变化关系示意图。
2.布里渊频移和带宽
反射光的频率略小于入射光的频率，频率差υΒ等于声子的频率，该频率差称为布里渊频移。只存在背向布里渊散射时，布里渊频移可以通过折射率n，声子速度υα，以及波长λp计算得到。布里渊频率与介质材料组分有关，并且在一定程度上依赖于介质的温度和压力。受激布里渊散射另一个很重要的应用是光学相位共轭。
Figure BDA0003858562940000091
其中，υΒ为1550nm波长的布里渊频移11.2GHz；n为光纤有效群折射率1.4671；υα为光纤中的声子速度5.95Km/S；λp为1550nm波长。
3.SBS阀值
Figure BDA0003858562940000092
其中，Pth为SBS阀值；Aeff为光纤有效芯区面积，按纤芯直径计算；gB峰值布里渊增益系数为3～5×10-11m/W；Leff为有效相互作用长度：
Figure BDA0003858562940000093
其中：a－光纤衰减系数，L－光纤长度；ΔvB为光纤的SBS增益带宽：20～100MHz；Δνp为入射光的光谱线宽。
因此，SBS抑制包括以下两种方法①Δνp>ΔνB，入射光的光谱线宽大于光纤的SBS增益带宽；②采用合适的SBS阀值，适应不同的介质和传输距离。能够有效抑制微波光子传输中温度变化、应变变化等引起的相位抖动。
光学相位共轭是SBS的重要应用，应用于大气或者空间通信(激光雷达、卫星通信)上能够抑制湍流扰动、温度和环境应变产生的相位噪声。SBS抑制能够实现光学相位共轭，抑制激光雷达或者卫星通信的大气湍流扰动、温度和环境应变产生的相位噪声。
在一个实施例中，请参阅图5，图5是本发明一个实施例中空间光通信结构示意图，如图5所示：在空间光通信应用中，第一激光器工作波长1550.12nm，作为稳相源激光器，光谱线宽从10KHz到10GHz可调谐，即SBS3.4～23.4dBm可连续调谐，可选择固定的光谱线宽激光器，例如0.1nm实现24.4dBm的SBS抑制。
第二激光器为空间光通信主工作波长1550.92nm，采用窄线宽激光器做相干探测应用。在发射端1550.12nm和1550.92nm做密集波分复用合波；在接收端，1550.12nm波长信号和1550.92nm波长信号后进行密集波分复用分波，1550.92nm波长进入光检测进行光电转换，1550.12nm波长做终端终结。从而实现光学相位共轭，抑制空间光通信的大气湍流扰动、温度和环境应变产生的相位噪声。
光学相位共轭是SBS的重要应用，应用于大气或者空间光通信(卫星/地面、卫星/卫星、卫星/飞机、飞机/飞机、空/地及地面站间)上能够抑制湍流扰动、温度和环境应变产生的相位噪声。
随着激光技术、微波光子技术、光通信技术等相关领域的不断发展，调频连续波激光雷达受到越来越多的关注。相较于TOF(Time of flight飞行时间)激光雷达，调频连续波激光雷达具有如下技术优势：①更高的灵敏度和动态范围(＞60dB)；②抗太阳光和其它激光的干扰；③可实现多普勒测速；④有利于片上集成。得益于以上技术优势，调频连续波激光雷达已经在高精度三维成像，遥感测绘和自动驾驶等领域得到了应用。当前飞速发展的集成微波光子技术，也为调频连续波激光雷达注入了新的活力，片上集成将成为调频连续波激光雷达的重要发展趋势。
光学相位共轭是SBS应用于激光雷达上能够抑制湍流扰动、温度和环境应变产生的相位噪声，具有重要的作用。
具有SBS功能的稳相传输光发射机(Tx)的原理为，通过在激光器输入SBS源，SBS抑制频率为本振频率)，信号工作频率为fRF，双SBS频率抑制，
Figure BDA0003858562940000111
Figure BDA0003858562940000112
fSBS2≥2fRF；根据具体情况，不干扰fRF的情况下，fSBS可灵活组合。通过调谐相位调制强度实现SBS阀值可调谐。可选择根据传输介质(光纤、大气、液体等)，确定SBS阀值。
从而，本发明所提供的微波光子传输系统作为时钟频率传输设备，同时能够有效抑制光纤温度和应变产生的相位噪声；
激光器工作波长不特定1550.92nm和1550.12nm，只要符合ITU-T波长或者其他特定波长也可以。可工作于光射频链路、微波光子链路MPL、光载波通信ROF、光毫米波通信、THzOF(太赫兹光通信)、激光雷达等频段及应用。
请参阅图6，图6是本发明一个实施例激光雷达结构示意图，如图6所示，调频连续波激光雷达应用中，第一激光器工作波长1550.12nm，作为稳相源激光器，光谱线宽从10KHz到10GHz可调谐，即SBS3.4～23.4dBm可连续调谐，可选择固定的光谱线宽激光器，例如0.1nm实现24.4dBm的SBS抑制。第二激光器为激光雷达主工作波长1550.92nm，采用窄线宽激光器做相干探测应用。在发射端1550.12nm和1550.92nm做密集波分复用合波；在接收端，1550.12nm和1550.92nm做密集波分复用分波，1550.92nm波长进入光检测进行光电转换，1550.12nm波长做终端终结。从而实现光学相位共轭，抑制激光雷达的大气湍流扰动、温度和环境应变产生的相位噪声。
多基地雷达必须保证时间、频率和相位同步；在天文观测及航天测控中，为了获得高的分辨率，需要大孔径的天线，单个天线的最大孔径受技术条件所限无法过大，为了降低成本、提高系统灵活性，采用天线组阵的方式：即通过位于不同位置的多个天线相位相干地接收信号，便可合成为一个具有很大等效孔径的天线，关键之处在于必须保证天线组阵中各个天线单元接收到的信号间相位关系的一致性。
请参阅图7，图7是本发明一个实施例天线/雷达光纤组阵结构示意图，如图7所示，在天线/雷达光纤组阵的应用中，1550.92nm波长作为天线/雷达光纤组阵传输，采用光载波通信ROF、光毫米波通信或者THz Over Fiber(太赫兹光通信)传输雷达、射电望远镜或者航天测控频率信号。稳相传输光发射机(Tx)，λ为1550.12nm波长，具有SBS抑制功能。1550.12nm波长和1550.92nm波长(上行和下行均采用此波长)进行波分复用，1550.12nm波长作为天线/雷达光纤组阵的高精度时钟频率传输设备，同时能够有效抑制1550.92nm波长微波光子传输的光纤温度和应变产生的相位噪声。
一些实施例中，1550.92nm波长工作信号频率和高精度时钟频率混频，采用SBS抑制，稳相传输能够有效抑制1550.92nm波长微波光子传输的光纤温度和应变产生的相位噪声，则可以不需要1550.12nm波长设备和密集波分复用。
请参阅图8，图8是本发明一个实施例全球卫星导航系统结构示意图。全球导航卫星系统实现光纤稳相传输到接收机端。实时消除各天线到接收机的硬件延时抖动，使得天线接收到的信号以很小的相位抖动传输至接收机，从而明显提高了高程精度，使之与水平精度相当。实现高精度姿态测量或基础建设结构健康监测。
可以理解为，本发明所提供的一种微波光子传输系统，通过光发射装置获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，第一波长的功率信号为经过光谱展宽得到SBS抑制的功率信号；获得第二激光器输出的第二波长的功率信号；将第一波长的功率信号与第二波长的功率信号送入密集波分复用合波器，进行密集波分复用，输出合波功率信号。通过控制入射光的光谱线宽大于光纤的SBS增益带宽，基于光谱展宽实现SBS抑制，能够有效抑制SBS，从而能够抑制微波光子传输中温度变化、应变变化等引起的相位抖动，有利于改善微波光子传输系统性能，能够实现光学相位共轭，抑制激光雷达或者卫星通信的大气湍流扰动、温度和环境应变产生的相位噪声。
作为上述实施例的进一步改进，光发射装置1包括：第一激光器、第二激光器以及密集波分复用合波器，
所述密集波分复用合波器的一个输入端与所述第一激光器的输出端连接；
所述密集波分复用合波器的另一个输入端与所述第二激光器的输出端连接。
上述连接方式为直接调制方式：采用信号源第二激光器和稳相源第一激光器密集波分复用的方式，根据传输介质(光纤、大气、液体等)，确定第一激光器的光谱线宽，从而在光学上实现SBS抑制。当然，也可选择可调谐线宽激光器实现SBS抑制。
此外，SPM和EPM对微波光子传输系统也具有影响。
自相位调制SPM(Self Phase Modulation)：长距离微波光子传输系统中，光纤中的自相位调制与ITU-T G652光纤的色散结合在一起，通过相位－强度转换过程，造成信号较大的二阶失真。自相位调制是光纤中的一种非线性效应，它显现在光纤中的光波太强之时。由于强电场引起SiO2分子的非线性极化(Kerr效应)，使光纤折射率n出现与光强成正比的成分。在长距离微波光子系统，光纤中的SPM和色散是造成系统性能劣化的主要因素。为了达到长距离传输一定要减少光纤的色散常数。采用色散补偿的方式是最为有效的方式。
外相位调制EPM(External-Phase Modulations)：对于稳相传输光发射机来说，在集成的MZM和相位调制器中，利用大的相位调制指数可以得到高的SBS阈值。EPM效应是外相位调制和强度调制的转换，并且和非线性色散的光纤相互作用。EPM也会对二阶产生失真。相位调制产生的SBS阈值增加由下面公式给出：
Figure BDA0003858562940000131
因此，在微波光子传输系统中，①采用合适的SBS阀值，适应不同的传输距离；②使用DCM(色散补偿)逐个中继段进行补偿。通过①和②措施抑制SPM(自相位调制)和EPM(外相位调制)造成的系统劣化。
因此，作为上述实施例的进一步改进，请参阅图9，图9是本发明另一个实施例中光发射装置结构示意图；如图9所示，光发射装置1还包括：第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器；
第一马赫曾德调制器输入端与第一激光器输出端连接，用于接收第一波长的功率信号，对第一波长功率信号进行调制；
第二马赫曾德调制器输入端与第二激光器输出端连接，用于接收第二波长的功率信号，频率为fRF的射频信号作为第二马赫曾德调制器的驱动，实现对第二波长的功率信号的调制。
第一激光器输出光谱展宽得到SBS抑制信号，输入到第一马赫曾德调制器和第二激光器输出的工作信号波长信号输入到第二马赫曾德调制器，做密集波分复用合波，从而保证第二激光器的工作信号波长能够有效抑制相位噪声。
马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator)是将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路。这两个光支路采用的材料是电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。
具体地，所述第一马赫曾德调制器的输出端与密集波分复用合波器的第一输入端连接；
所述第二马赫曾德调制器的输出端与密集波分复用合波器的第二输入端连接。
第一激光器的光谱展宽得到SBS抑制，输入到第一马赫曾德调制器和将第二激光器输出的工作信号波长，输入到第二马赫曾德调制器，再做密集波分复用合波，从而保证第二激光器输出的工作信号波长能够有效抑制相位噪声。
外调制方式：采用信号源第二激光器和稳相源第一激光器密集波分复用的方式，根据传输介质(光纤、大气、液体等)，确定第一激光器的光谱线宽，从而在光学上实现SBS抑制，例如：采用0.1nm光谱线宽激光器，从而在光学上实现24.4dBm的SBS抑制；第一激光器可选择可调谐线宽激光器实现SBS抑制，例如从10KHz到10GHz，即SBS抑制3.4～23.4dBm连续调谐。激光器2是工作信号波长，采用窄线宽激光器。
在另一个实施例中，还包括双平行马赫曾德调制器，
两个输入端分别位于双平行马赫曾德调制器的两个支路臂上的两个平行的马赫曾德调制器上，其中一个输入端与第一激光器连接，另一个输入端与第二激光器连接，并且有频率为fRF的射频信号的输入。
图10是本发明另一个实施例中光发射装置结构示意图；如图10所示，将图8中的第一马赫曾德调制器与密集波分复用合波器与第二马赫曾德调制器替换为双平行马赫曾德调制器，图10的工作原理与图9相同，这里不再赘述。
得益于光放大器的发明，使得长距离传输不需要经过光电、电光转化就可以实现信号放大。ASE噪声即放大器自发辐射噪声(Amplifier Spontaneous Emission)。ASE噪声与信号混合在一起，成为放大器的噪声。在无光放大器时的载噪比和光调制度给定的前提下，光放大器的噪声系数越低同时输入光功率越大，则系统载噪比损失越小。因此，在实际应用中，尽可能的提高光放大器输入光功率和采用低噪声的光放大器。
需要说明的是，光放大器对CNR的劣化，ASE噪声即放大器自发辐射噪声(Amplifier Spontaneous Emission)。ASE噪声与信号混合在一起，成为放大器的噪声。在无光放大器时的载噪比和光调制度给定的前提下，光放大器的噪声系数越低同时输入光功率越大，则系统载噪比损失越小。因此尽可能的提高光放大器输入光功率和采用低噪声的光放大器。由光放大器引起的载噪比损失为：
Figure BDA0003858562940000151
/>
其中，CNRC为无光放大器载噪比；Be为RF工作带宽；NF为光放大器噪声系数；m为光调制度；C＝λν，λ＝1550nm，C＝3×108m/s；h＝6.625×10-34J·S；Pin为输入光放大器的功率。
因此，减少光放大器引起的载噪比损失的措施有：①提高输入光放大器的功率；②采用低噪声的光放大器，现有EDFA/YEDFA的噪声系数为4～8dB，在噪声系数为4dB时载噪比损失为2dB；③可采用噪声系数极低的FRA拉曼放大器做集中式使用，代替现有的EDFA/YEDFA，可将载噪比损失降为0.5以内；④在长距离光纤传输时，由于级联的EDFA和FRA数量较多，为了减少信号光以外的杂散波长以及降低EDFA和FRA的ASE噪声，应该考虑光滤波器的使用，能够将系统多级载噪比损失有效降低1.2～1.5dB左右。
在一个实施例中，光放大装置2包括第一光放大器和第二光放大器，光中继装置3包括第一色散补偿模块和第二色散补偿模块：
第一光放大器，用于对第一波长的功率信号做放大处理以形成第一放大光束信号；
第一色散补偿模块与所述第一光放大器连接，用于接收第一放大光束信号，并对第一放大光束信号进行色散补偿处理以形成第一补偿光束信号；
第二光放大器与第一色散补偿模块连接，用于接收第一补偿光束信号，并对第一补偿光束信号做放大处理以形成第二放大光束信号；
第二色散补偿模块与第二光放大器连接，用于接收第二放大光束信号，并对所述第二放大光束信号做补偿处理以形成第二补偿光束信号。
具体地，第一放大装置为前置光放大器，第二放大装置为拉曼放大器。
EDFA/YEDFA功率光放大器输入范围：-10～+10dBm，前置光放大器输入范围-20～+3dBm，采用APC(自动功率控制)和ACC(自动电流控制)，使EDFA/YEDFA的输出光功率偏差锁定为±0.1dB。
一些实施例中，RFA集中式拉曼放大器代替现有的EDFA/YEDFA，可将载噪比损失降为0.5以内。适用于微波光子传输、太赫兹光通信、激光雷达和空间通信等。
而采用分布式拉曼放大器，能够有效将空间光通信链路增益提高10dB以上，并且有效降低载噪比损失。
本领域技术人员可根据实际情况，灵活选用。
一些实施例中，还包括设置于第一光放大器与第二光放大器之间的遥泵装置，遥泵装置用于对第一放大光束信号进行远程放大。
需要说明的，遥泵装置为现有技术，本发明未对遥泵装置进行结构改进，本发明将遥泵技术应用与微波光子传输系统中，从而实现超长距离大跨度高精度光纤时间频率的传递。本领域技术人员可以根据实际需求选择合适的遥泵装置。
请参阅图11，图11是本发明一个实施例超长距离微波光子通信系统结构示意图，如图11所示，钟源时钟频率输入到稳相传输光发射装置(Tx)，通过EDFA放大、EDFA和DCM组合、遥泵技术(跨度达到300Km)、FRA(光纤拉曼放大器，分布式应用，跨度达到150公里以上)和DCM组合；可采用集中式FRA替代EDFA，减少载噪比损失，可实现10000Km传输距离；双向传输骨干网的DWDM可采用环形器替代。频偏均值为-2.6×10-20，长期频率稳定度为1×10-19。由于温度变化、应变变化(外界振动等)等引起相位抖动被有效的降低到5×10-3ps/(K·Km)以内，结合时间间隔计数器的精度，10000Km的时间精度可控制在100ps以内。可应用于通信网、电力、互联网、航天军工、交通运输等行业用户。
请参阅图12，图12是本发明一个实施例5G/6G光纤直连结构示意图。
需要说明的是，5G主频段：Sub6G，以3.5GHz为主；5G扩展频段为毫米波，以28/39/60/73GHz为主。6G太赫兹频段为0.1～10THz，有约10THz候选频谱。采用微波光子(MPL)、光载波通信ROF、光毫米波通信或者THz Over Fiber(太赫兹光通信)传输，仅需要一对光收发模块就可以解决大部分的频段覆盖。
例如：采用预失真电路或者线性激光器的40GHz微波光子模块除了全频段覆盖2G、3G、4G和Sub6G以外，还可以覆盖部分5G扩展频段毫米波，运营商的频段几乎全覆盖，极大节省了运营成本。
本发明中，1550.92nm波长作为2G、3G、4G、5G和6G前传，采用微波光子传输。稳相传输光发射装置(Tx)，λ为1550.12nm波长，具有SBS抑制功能。1550.12nm波长和1550.92nm波长(上行和下行均采用此波长)进行密集波分复用，1550.12nm波长作为DU/AAU的高精度时钟频率传输设备，同时能够有效抑制1550.92nm波长微波光子传输的光纤温度和应变产生的相位噪声。
请参阅图13，图13是本发明一个实施例中5G/6G无源密集波分复用结构示意图，如图13所示，每个AAU采用不同波长作为2G、3G、4G、5G和6G前传，采用微波光子传输。稳相传输光发射装置(Tx)，λ为1550.12nm波长，具有SBS抑制功能。1550.12nm波长作为无源DWDM的一个波长和每个AAU波长(上行和下行)作波分复用，1550.12nm波长作为DU/AAU的高精度时钟频率传输设备，同时能够有效抑制每个AAU波长微波光子传输的光纤温度和应变产生的相位噪声。
可应用于ITS和轨道交通系统：①智能交通系统(IntelligentTransport System，ITS)用于提供高精度授时、交通实时路况和最佳行驶路线等信息业务等。目前ITS主要有两类：路际到车辆的通信(Road to Vehicle Comunication，RVC)和车辆内通信(InterVehicle Comunication，IVC)。RVC接入系统能够多业务宽带接入，同时具有安装简单、成本低的特点。②微波光子传输技术不仅应用于ITS，而且被应用于轨道交通系统和高速铁路，利用沿路分布的天线，可以形成沿铁道无缝覆盖的无线网络。在具体实现上提供高精度授时，每个基站用微波光子技术实现射频拉远，提高覆盖面积的有效利用率，并且将切换问题简单化。
其他波长工作信号频率和高精度时钟频率混频，采用SBS抑制，稳相传输能够有效抑制其他波长微波光子传输的光纤温度和应变产生的相位噪声，则可以不需要1550.12nm波长设备和DWDM。
RIN和IIN对微波光子传输系统影响
相对强度噪声(RIN)直接跟光纤链路有关，RIN起源于谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏，是激光器所固有的，本身固有强度噪声不高，一般小于-160dB/Hz,但在系统中却显示出很大的强度噪声，劣化甚至会增加10-20dB，这是由于从光纤不连续点(如活动连接器或光纤熔接点)反射到激光器腔体内的光所造成的噪声或不连续点之间经过多重反射的光造成的噪声。
对于微波光子传输系统还存在干涉强度噪声问题(IIN)，由于沿光纤系统的多重反射所形成的所谓干涉强度噪声引起相对噪声的增加，干涉强度噪声是由于两个相干的光束到达光探测器的时间不同，把激光器的调频相位噪声转换成为调幅的干涉强度噪声。
由于光链路存在大量的光无源器件，并且光反射能导致RIN和IIN的大大增加，因此选择适当的激光器偏置电流；加设光隔离器；选用优质的反射损耗大的活动连接器，如SC/APC反射损耗<-60dB；适用于不同工作波长系统的隔离度大的光耦合器(分路器)；适当减少活动连接器的数量；光缆接续点采用高质量的施工工艺等改善措施可以减少系统的强度噪声，从而高标准的建设长距离微波光子传输网络。
如图14所示，图14是本发明一个实施例中超长距离大跨距光纤量子通信结构示意图，量子通信光信号比稳相光传输系统(超长距离高精度大跨度光纤时频传递)的光信号低很多数量级。做WDM(DWDM或者CWDM)传输时，一般的WDM(DWDM或者CWDM)器件相邻隔离度<30dB，稳相光传输系统的光信号容易串扰到量子通信的光信号中，造成量子通信激光器RIN噪声和光探测器的强度噪声增加。因此，需要提高WDM器件的相邻隔离度。
需要说明的是，波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。
DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexer，密集波分复用器)，DWDM(密集波分复用)技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。与通用的单信道系统相比，DWDM不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点。
CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexer，稀疏波分复用器)，也称粗波分复用器，CWDM是一种面向城域网接入层的低成本WDM传输技术。从原理上讲，CWDM就是利用光复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端，借助光解复用器将光纤中的混合信号分解为不同波长的信号，连接到相应的接收设备。
量子信号特别脆弱，实际应用场景中的声音、震动、温度变化等都会产生干扰，同时光缆的热胀冷缩效应，以及同一光缆中不同光纤间的信号串扰等，都使得现场实现非常困难。因此，稳相传输光发射装置(Tx)，λ1为1550.12nm波长，具有SBS抑制功能，作为量子通信的高精度时钟频率传输设备，同时能够有效抑制量子通信光纤温度和应变产生的相位噪声。λ2为1550.92nm作为量子通信传输。
量子通信跟具有SBS抑制功能的时钟频率传输系统合波做传输时，需要DWDM(密集波分复用)或者CWDM(粗波分复用，例如λ1为1550.12nm波长，则量子通信可选择1490nm或者1310nm波长)；量子通信光信号可根据需要通过DWDM或者CWDM跳过EDFA和遥泵等光放大设备。
量子通信光信号比稳相光传输系统的光信号低很多数量级。做WDM(DWDM或者CWDM)传输时，一般的WDM(DWDM或者CWDM)器件相邻隔离度<30dB，稳相光传输系统的光信号容易串扰到量子通信的光信号中，造成量子通信激光器RIN噪声和光探测器的强度噪声增加。因此，需要提高WDM器件的相邻隔离度。
基于以上，本发明一些实施例中还包括：光隔离装置，所述光隔离装置包括隔离器和TFF型WDM器，所述隔离器与所述TFF型WDM器连接，所述光隔离装置的输入端与所述密集波分复用合波器输出端连接。
如图15所示，图15是本发明一个实施例中光隔离装置的结构示意图，如图14所示，采用两级TFF型WDM器连接，TFF薄膜滤波(Thin Film Filter)技术，可选择DWDM或者CWDM方式。相邻隔离度：一级≥30dB，二级≥60dB。
如图16所示，图16是本发明一个实施例中光隔离装置结构示意图，本发明与上述不同的是将二级TFF型WDM器件更换为隔离器，使得相邻隔离度≥80dB。
需要说明的是，隔离器为现有技术，本发明未对隔离器结构进行改进，本发明的改进方式是实现二级或多级的串联，本领域技术人员可根据实际需求进行选用隔离器。
一些实施例中，第一激光器为可调谐线宽激光器，第二激光器为窄线宽激光器；第一激光器产生波长为1550.12nm的激光信号；第二激光器产生波长为1550.92nm的激光信号。
本发明提供的微波光子通信系统可应用于微波光子链路(Microwave PhotonicLink)、微波光子MWP；模拟光纤链路(Analog Optical Link)；光载波通信(Radio OverFiber)；光射频通信(RF Over Fiber)；光毫米波通信(Millimeter wave Over Fiber)；太赫兹光通信(THz Over Fiber)；5G/6G传输；GNSS Over Fiber；射电望远镜/雷达光纤组阵；激光雷达；光纤量子通信(Optical Quantum communication)；长距离高精度光纤时间频率传递等，本发明基于光谱展宽实现SBS抑制，能够有效抑制SBS，从而能够抑制微波光子传输中温度变化、应变变化等引起的相位抖动，有利于改善微波光子传输系统性能，能够实现光学相位共轭，抑制激光雷达或者卫星通信的大气湍流扰动、温度和环境应变产生的相位噪声。
综上所述，本发明提供了一种微波光子传输系统，包括：采用合适的SBS(Stimulated Brillouin Scattering)能够抑制微波光子传输中温度变化、应变变化(外界振动等)等引起的相位抖动；采用集中式拉曼FRA能够将系统载噪比损失降低；采用合适的SBS阀值，适应不同的传输距离和使用DCM(色散补偿)逐个光纤中继段进行补偿等措施抑制SPM(自相位调制)和EPM(外相位调制)造成的系统劣化；相对强度噪声RIN和干涉强度噪声IIN对微波光子传输系统的影响及改进措施。本发明系统解决了微波光子稳相传输的相位抖动等噪声，还提供了基于微波光子稳相传输系统的各种设备以及各种应用场景实现。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变形。

Claims (10)

1.一种微波光子传输系统，其特征在于，包括：
光发射装置，用于获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，所述第一波长的功率信号为经过SBS抑制的功率信号；
光放大装置，与所述光发射装置连接，所述光放大装置用于放大所述第一波长的功率信号的功率；
光中继装置，与所述光放大装置连接，所述光中继装置用于对所述第一波长的功率信号进行光功率补偿，输出第一波长的功率补偿信号；
光接收装置，与所述光中继装置连接，所述光接收装置用于将所述第一波长的功率补偿信号解调为电信号。
2.根据权利要求1所述的微波光子传输系统，其特征在于，所述光发射装置还用于获得第一激光器输出的第一波长的功率信号，所述第一波长的功率信号为经过光谱展宽得到SBS抑制的功率信号；
获得第二激光器输出的第二波长的功率信号；
将所述第一波长的功率信号与所述第二波长的功率信号送入密集波分复用合波器，进行密集波分复用后输出合波功率信号。
3.根据权利要求2所述的微波光子传输系统，其特征在于，所述光发射装置包括：第一激光器、第二激光器以及密集波分复用合波器，
所述密集波分复用合波器的一个输入端与所述第一激光器的输出端连接；
所述密集波分复用合波器的另一个输入端与所述第二激光器的输出端连接。
4.根据权利要求2或3所述的微波光子传输系统，其特征在于，还包括：第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器；
所述第一马赫曾德调制器输入端与所述第一激光器输出端连接，用于接收所述第一波长的功率信号，对所述第一波长功率信号进行调制；
所述第二马赫曾德调制器输入端与所述第二激光器输出端连接，用于接收所述第二波长的功率信号，频率为fRF的射频信号作为第二马赫曾德调制器的驱动，实现对所述第二波长的功率信号的调制。
5.根据权利要求4所述的微波光子传输系统，其特征在于，
所述第一马赫曾德调制器的输出端与密集波分复用合波器的第一输入端连接；
所述第二马赫曾德调制器的输出端与密集波分复用合波器的第二输入端连接。
6.根据权利要求2或3所述的微波光子传输系统，其特征在于，还包括双平行马赫曾德调制器，两个输入端分别位于所述双平行马赫曾德调制器的两个支路臂上的两个平行的马赫曾德调制器上，其中一个输入端与所述第一激光器连接，另一个输入端与所述第二激光器连接，并且有频率为fRF的射频信号的输入。
7.根据权利要求1所述的微波光子传输系统，其特征在于，所述光放大装置包括第一光放大器和第二光放大器，所述光中继装置包括第一色散补偿模块和第二色散补偿模块：
所述第一光放大器，用于对所述第一波长的功率信号做放大处理以形成第一放大光束信号；
所述第一色散补偿模块与所述第一光放大器连接，用于接收所述第一放大光束信号，并对所述第一放大光束信号进行色散补偿处理以形成第一补偿光束信号；
第二光放大器，与所述第一色散补偿模块连接，用于接收所述第一补偿光束信号，并对所述第一补偿光束信号做放大处理以形成第二放大光束信号；
第二色散补偿模块，与所述第二光放大器连接，用于接收所述第二放大光束信号，并对所述第二放大光束信号做补偿处理以形成第二补偿光束信号。
8.根据权利要求7所述的微波光子传输系统，其特征在于，所述第一光放大器为前置光放大器，所述第二光放大器为拉曼放大器。
9.根据权利要求8所述的微波光子传输系统，其特征在于，还包括设置于所述第一光放大器与所述第二光放大器之间的遥泵装置，所述遥泵装置用于对所述第一放大光束信号进行远程放大。
10.根据权利要求1所述的微波光子传输系统，其特征在于，还包括：光隔离装置，所述光隔离装置包括隔离器和TFF型WDM器，所述隔离器与所述TFF型WDM器连接，所述光隔离装置的输入端与所述密集波分复用合波器输出端连接。
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