CN116938342A - 基于单向放大器的光学频率双向放大系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于单向放大器的光学频率双向放大系统与方法，可以实现基于单向放大器结构实现对双向传递的光频信号放大，采用该结构可以实现双向传递的光频信号增益的单独调节，实现增益的最优化配置，两路单向放大链路之间的非共模噪声可通过外差探测进行实时补偿。本发明通过采用单向放大器实现双向放大可实现双向传输信号增益进行单独优化，同时可有效降低放大器的自发辐射噪声。
Description
技术领域
本发明涉及光学频率传递领域，特别是适用于一种基于主动相位补偿的可重复光学频率传递再生中继。
背景技术
随着光学频率标准技术的飞速发展，频率稳定度和准确度接近10-19量级，光学频率标准成为下一代时间频率基准的有力竞争者。基于光纤的光学频率传输技术被多次证明是突破现有技术限制、实现超长距离传递的一种有效解决方案，但是光纤存在损耗特别是长距离传输后。目前在光学频率传递光纤链路损耗放大技术方面，其中，最广泛采用的是双向掺铒光纤放大器(BEDFA)，双向放大器在保持双向性的同时实现双向放大，但由于瑞利散射会导致增益介质饱和并产生有害影响，需要将增益保持在20dB以下。为此，德国PTB采用了布里渊放大器对光纤链路进行放大，布里渊方法可以承受非常高的增益，而不会由于沿光纤的分布增益而产生激光振荡或振荡，增益可达到50dB，由于布里渊放大器的窄带特性，需要精确控制泵浦光的频率。此外，布里渊放大只有单向放大的特性，需要链路两端同时放大才能实现双向放大。与布里渊一样，拉曼放大器同样具有相关优势，可以承受非常高的增益，而不会由于沿光纤的分布增益而产生激光振荡或振荡，拉曼放大器具有较大的带宽并且是双向的，但拉曼放大器的效率比布里渊放大低两个数量级。因此，要达到相同的倍数需要较大的泵浦功率。2010年法国激光物理实验室报道了采用激光中继站，级联光纤链路，通过采用两个双向方法器和一个激光中继站有效放大了300km带来的100dB的衰减；2015年英国南安普顿大学提出了一种激光注入锁定的方法对信号进行放大，可实现大于40dB的放大能力。在上述方案中基于EDFA的方案较易实现，但是单纤双向放大结构噪声较大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于单向放大器的光学频率双向放大系统与方法，可以实现基于单向放大器结构实现对双向传递的光频信号放大，采用该结构可以实现双向传递的光频信号增益的单独调节，实现增益的最优化配置，两路单向放大链路之间的非共模噪声可通过外差探测进行实时补偿。本发明通过采用单向放大器实现双向放大可实现双向传输信号增益。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一方面，本发明提供一种基于单向放大器的光学频率双向放大系统与方法，其特点在于，包括第一Y型光耦合器、第二Y型光耦合器、第一光环形器、第一单向光放大器、第一移频器、第二移频器、第二单向光放大器、第二光环形器、第三Y型光耦合器、第四Y型光耦合器、第三移频器、第一光电探测器、第二光电探测器、微波源、鉴频鉴相器、伺服控制器、压控振荡器。
所述的第一Y型光耦合器的第1、2、3端口分别与所述的第二Y型光耦合器的第1端口、所述的第一光电探测器的光信号输入端、上一级传递链路相连，所述的第二光耦合器的第2、3端口分别与所述的第一光环形器的第1端口、所述的第三Y型光耦合器的第2端口相连，所述的第一光环形器的第2、3端口分别与第一单向光放大器的输出端口、所述的第二移频器的第1端口相连，所述的第一单向放大器的输入端口与所述的第一移频器的第1端口相连，所述的第一移频器的射频端口与所述的微波源的第1输出端口相连，所述的微波源的第2输出端口与所述的第一移频器相连，所述的第一移频器的第2端口与所述的第二光环形器的第3端口相连，所述的第二光环形器的第1、2端口分别与所述的第三Y型光耦合器的第3端口、所述的第二单向光放大器的输出端口相连，所述的第二移频器的第2端口与所述的第二单向光放大器的输入端相连，所述的第四Y型光耦合器的第1、2、3端口分别与所述的第三Y型光耦合器的第1端口、所述的第三移频器的第1端口、所述的第一光电探测器的光输入端口相连，所述的鉴频鉴相器第1、2输入端口分别与第一光电探测器的输出端口、第二光电探测器的输出端口相连，所述的鉴频鉴相器的输出端口与所述的伺服控制器的输入端口相连，所述的伺服控制器的输出端口与所述的压控振荡器的压控端相连，所述的压控振荡器的输出端与所述的第二移频器的设频输入端口相连。
另一方面，本发明还提供一种基于单向放大器的光学频率双向放大方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
上一级链路输入的光学频率信号经过所述的第一Y型光耦合器和所述的第二Y型光耦合器后分成两路：一部分光信号经过所述的第一光环形器、所述的第二移频器、所述的第二单向光放大器、所述的第二光环形器、所述的第三Y型光耦合器、所述的第四Y型光耦合器后一部分光到达所述的第一光电探测器，信号可表示为：
其中，ωa为所述的第二移频器的射频工作频率，为所述的压控振荡器的补偿相位，/>为传输链路引入的相位噪声；另一部分光经过所述的第三Y型光耦合器、所述的第四Y型光耦合器后达到所述的第一光电探测器，可表示为：
其中为传输链路引入的相位噪声。两束光信号的拍频信号可表示为：
所述的第四Y型光耦合器(10)输出到下一家链路的信号可表示为：
同样的下一级链路输入的光学频率信号经过所述的第四Y型光耦合器和所述的第三Y型光耦合器后分成两路：一部分光信号经过所述的第二光环形器、所述的第一移频器(其微波信号由所述的微波信号提供)、所述的第一单向光放大器、所述的第一光环形器、所述的第二Y型光耦合器、所述的第一Y型光耦合器后一部分光到达所述的第二光电探测器，信号可表示为：
其中，ωa为所述的第二移频器的射频工作频率，为传输链路引入的相位噪声；另一部分光经过所述的第二Y型光耦合器、所述的第一Y型光耦合器后达到所述的第二光电探测器，可表示为：
其中为传输链路引入的相位噪声。两束光信号的拍频信号可表示为：
所述的第一Y型光耦合器输出到上一级链路的信号可表示为：
将所述的第一光电探测器(和所述的第二光电探测器输出的信号Eb1和Eb2输入到所述的鉴频鉴相器后，通过所述的伺服控制器后，控制所述的压控振荡器，使得：
将式(7)代入式(4)，可得：可见上式经过放大器后其附加噪声与式(8)相同。因此，双向传输信号经过双向放大器的所经历的相位噪声是相同的，可以采用主动或者被动相位噪声补偿方案进行抑制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过采用两个单向放大器实现双向传递的光频信号增益的单独调节，并通过鉴频鉴相器对上下级链路的光学频率信号进行外差探测，从而实现对两路单向放大链路之间的非共模噪声实时补偿，本发明通过对两个单向放大器增益的单独调节实现双向传递链路增益的最优化配置。
附图说明
图1为本发明基于单向放大器的光学频率双向放大系统实施例示意图。
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。
请参阅图1，图1为本发明基于单向放大器的光学频率双向放大系统实施例示意图，如图所示，一种基于单向放大器的光学频率双向放大系统包括第一Y型光耦合器1、第二Y型光耦合器2、第一光环形器3、第一单向光放大器4、第一移频器5、第二移频器6、第二单向光放大器7、第二光环形器8、第三Y型光耦合器9、第四Y型光耦合器10、第三移频器11、第一光电探测器12、第二光电探测器13、微波源14、鉴频鉴相器15、伺服控制器16、压控振荡器17。
所述的第一Y型光耦合器1的第1、2、3端口分别与所述的第二Y型光耦合器2的第1端口、所述的第一光电探测器4的光信号输入端、上一级传递链路相连，所述的第二光耦合器2的第2、3端口分别与所述的第一光环形器3的第1端口、所述的第三Y型光耦合器的第2端口相连，所述的第一光环形器3的第2、3端口分别与第一单向光放大器4的输出端口、所述的第二移频器6的第1端口相连，所述的第一单向放大器4的输入端口与所述的第一移频器5的第1端口相连，所述的第一移频器5的射频端口与所述的微波源14的第1输出端口相连，所述的微波源14的第2输出端口与所述的第一移频器5相连，所述的第一移频器5的第2端口与所述的第二光环形器8的第3端口相连，所述的第二光环形器的第1、2端口分别与所述的第三Y型光耦合器9的第3端口、所述的第二单向光放大器7的输出端口相连，所述的第二移频器6的第2端口与所述的第二单向光放大器7的输入端相连，所述的第四Y型光耦合器10的第1、2、3端口分别与所述的第三Y型光耦合器9的第1端口、所述的第三移频器11的第1端口、所述的第一光电探测器12的光输入端口相连，所述的鉴频鉴相器15第1、2输入端口分别与第一光电探测器12的输出端口、第二光电探测器3的输出端口相连，所述的鉴频鉴相器15的输出端口与所述的伺服控制器16的输入端口相连，所述的伺服控制器16的输出端口与所述的压控振荡器17的压控端相连，所述的压控振荡器17的输出端与所述的第二移频器6的设频输入端口相连。
本发明基于单向放大器的光学频率双向放大系统的工作原理如下：：
上一级链路输入的光学频率信号其中，ωf为，/>为。。，依次经第一Y型光耦合器1和第二Y型光耦合器2后分成两路信号：
一路信号依次经第一光环形器3、第二移频器6、第二单向光放大器7、第二光环形器8、第三Y型光耦合器9和第四Y型光耦合器10后，由第一光电探测器12接收，记为：其中，ωa为所述的第二移频器6的射频工作频率，为所述的压控振荡器17的补偿相位，/>为传输链路引入的相位噪声；
另一路信号依次经第三Y型光耦合器9和第四Y型光耦合器10后，由第一光电探测器12接收，记为其中/>为传输链路引入的相位噪声。两束光信号的拍频信号表示为：/>
第四Y型光耦合器10输出到下一级链路的信号，表示为：
同样的下一级链路输入的光学频率信号其中，ωf为上一级第二移频器的射频工作频率，/>为上一级压控振荡器的补偿相位；
依次经过第四Y型光耦合器10和第三Y型光耦合器9后分成两路信号：
一路信号依次经第二光环形器8、第一移频器5、第一单向光放大器4、第一光环形器3、第二Y型光耦合器2和第一Y型光耦合器1后，由第二光电探测器13探测，记为：其中，ωa为所述的第二移频器6的射频工作频率，/>为传输链路引入的相位噪声。
另一路信号依次经第二Y型光耦合2和第一Y型光耦合器1后，由第二光电探测器13探测，记为：其中/>为传输链路引入的相位噪声。
两束光信号的拍频信号可表示为：
第一Y型光耦合器1输出到上一级链路的信号，表示为：
第一光电探测器12输出的拍频信号Eb1和第二光电探测器13输出的拍频信号Eb2经鉴频鉴相器15产生控制信号，通过伺服控制器16控制压控振荡器17，使压控振荡器17的补偿相位满足如下公式
从而使即双向传输信号经过双向放大器的所经历的相位噪声是相同的，采用主动或者被动相位噪声补偿方案进行抑制。
Claims (5)
1.一种基于单向放大器的光学频率双向放大系统，其特征在于，包括第一耦合模块、第二耦合模块、双向放大模块、第一光电探测器、第二光电探测器、鉴频鉴相器、伺服控制器、压控振荡器；
所述第一耦合模块将上一级传递链路输入的光学频率信号Ef分为两路，一路经双向放大模块和第二耦合模块后，由第一光电探测器探测，记为信号Ef1，另一路经第二耦合模块后由第一光电探测器探测，记为信号Ef2；所述信号Ef1与信号Ef2拍频，形成第一拍频信号Eb1，输入至鉴频鉴相器，所述第二耦合模块的输出信号，记为信号Ef3，作为下一级传递链路的输入信号；
所述第二耦合模块将下一级传递链路输入的光学频率信号Er分为两路，一路经双向放大模块和第一耦合模块后，由第二光电探测器探测，记为信号Er1，另一路经第一耦合模块后由第二光电探测器探测，记为信号Er2；所述信号Er1与信号Er2拍频，形成第二拍频信号Eb2，输入至鉴频鉴相器，所述第一耦合模块的输出信号，记为信号Er3，作为上一级传递链路的输入信号；
将第一拍频信号Eb1和第二拍频信号Eb2输入到所述的鉴频鉴相器(15)产生控制信号，通过伺服控制器16控制压控振荡器17，使压控振荡器17的补偿相位满足如下公式
2.根据权利要求1所述的基于单向放大器的光学频率双向放大系统，其特征在于，所述双向放大模块由第一光环形器(3)、第一单向光放大器(4)、第一移频器(5)、第二移频器(6)、第二单向光放大器(7)和第二光环形器(8)构成，所述第一移频器(5)和第二移频器(6)的射频工作频率均为ωa。
3.根据权利要求2所述的基于单向放大器的光学频率双向放大系统，其特征在于，所述第二耦合模块的输出端连接有射频工作频率为-ωa的第三移频器(11)，微波源(14)加载在所述第三移频器(11)上。
4.根据权利要求1或2所述的基于单向放大器的光学频率双向放大系统，其特征在于，所述第一耦合模块由依次连接的第一Y型光耦合器(1)和第二Y型光耦合器(2)组成，所述第二耦合模块由依次连接的第三Y型光耦合器(9)和第四Y型光耦合器(10)组成。
5.根据权利要求4所述的基于单向放大器的光学频率双向放大系统，其特征在于，
上一级链路输入的光学频率信号其中，ωf为上一级第二移频器的射频工作频率，/>为上一级压控振荡器的补偿相位；
信号Ef经所述的第一Y型光耦合器(1)和第二Y型光耦合器(2)后分成两路信号：
一路信号经过所述的第一光环形器(3)、所述的第二移频器(6)、所述的第二单向光放大器(7)、所述的第二光环形器(8)、所述的第三Y型光耦合器(9)、所述的第四Y型光耦合器(10)后到达所述的第一光电探测器(12)，第一探测信号Ef1表示为：
其中，ωa为所述的第二移频器的射频工作频率，为所述的压控振荡器(17)的补偿相位，/>为传输链路引入的相位噪声；
另一路信号经过所述的第三Y型光耦合器(9)和第四Y型光耦合器(10)后由到达所述的第一光电探测器(12)，第二探测信号Ef2表示为：
其中为传输链路引入的相位噪声；
第一探测信号Ef1和第二探测信号Ef2拍频，形成第一拍频信号Eb1，表示为：
所述的第四Y型光耦合器(10)输出到下一家链路的信号可表示为：
同样的下一级链路输入的光学频率信号经过所述的第三移频器(11)、所述的第四Y型光耦合器(10)和所述的第三Y型光耦合器(9)后分成两路：一部分光信号经过所述的第二光环形器(8)、所述的第一移频器(5)、所述的第一单向光放大器(4)、所述的第一光环形器(3)、所述的第二Y型光耦合器(2)、所述的第一Y型光耦合器(1)后一部分光到达所述的第二光电探测器(13)，信号表示为：
其中，ωa为所述的第二移频器(6)的射频工作频率，为传输链路引入的相位噪声；另一部分光经过所述的第二Y型光耦合器(2)、所述的第一Y型光耦合器(1)后达到所述的第二光电探测器(13)，表示为：
其中为传输链路引入的相位噪声。两束光信号的拍频信号表示为：
所述的第一Y型光耦合器(1)输出到上一级链路的信号可表示为：
将所述的第一光电探测器(12)和所述的第二光电探测器(13)输出的信号Eb1和Eb2输入到所述的鉴频鉴相器(15)后，通过所述的伺服控制器(16)后，控制所述的压控振荡器(17)，使得：
将(9)代入到式(1)，此时有：
式(10)和式(9)表明前向经历了相同的相位噪声双向传输具有对称，没有引入非对称的相位噪声。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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