CN211791545U - 一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，包括结构相同的A站和B站，所述A站和B站分别采用飞秒激光器进行光纤双向比对传递，将解调出来的脉冲信号与调制前的基准脉冲信号进行时间间隔测量，以输出误差信号并反馈至时延器，以调节输出时延，最终实现A、B两站间的同步。本实用新型利用被动飞秒激光器时域脉冲极窄，进而减小光电探测所解调出来的同步脉冲的宽度，使其上升沿更陡，达到亚百皮秒量级。本实用新型将解调出来的脉冲与调制前的基准脉冲信号进行时间间隔测量，其测量的精量也可优于百皮秒。

Description

一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统

技术领域

本实用新型属于光纤通信及信号同步的技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统。

背景技术

随着科技的发展，各行各业对时间同步的要求越来越高，高精度的时间同步为航空航天、雷达同步、尖端武器操控、高速通信、深空探测等领域提供了安全可靠的保障。利用光纤进行同步的研究自产生至今仍是国际研究热点。光纤同步技术具有安全、可靠、稳定等诸多优势，它除了具有高精度高稳定性能外，由于以地面光纤为承载网络，通信资源丰富，通信能力较强，用于构建时间同步管理系统具有天然的优势。利用光纤时间同步方法可以达到百皮秒的同步精度，其精度远高于GPS授时和卫星双向比对法，因此光纤时间传递技术已成为授时同步技术领域中热门的研究方向，广泛用于需要高精度授时的场合。

然而，现有光纤时间传递技术均采用连续激光作为光源，通过将时钟脉冲信息调制到连续激光上在双站之间进行双向传递，经过双向比对获得双站间的时延差，进而调节时延器实现同步。在该同步系统的调制方式中，同步脉冲调制得到的光脉冲其时域宽度通常为微秒和纳秒级，以此进行光电探测所解调出来的同步脉冲，其上升沿受限于光脉冲的宽度，通常为百皮秒量级。在此条件下，将解调出来的脉冲与调制前的基准脉冲信号进行时间间隔测量，其测量的精量也不优于百皮秒。因此，以连续激光为载波所实现的同步系统其同步精度受时间间隔测量的限制，很难优于百皮秒。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，旨在解决现有光纤同步技术中同步精度较难突破白皮秒的问题。

本实用新型主要通过以下技术方案实现：一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，包括结构相同的A站和B站，所述A站和B站分别采用飞秒激光器进行光纤双向比对传递，将解调出来的脉冲信号与调制前的基准脉冲信号进行时间间隔测量，以输出误差信号并反馈至时延器，以调节输出时延，最终实现A、B两站间的同步。

所述A站和B站包括飞秒激光器、时间间隔测量器、时延器，所述A站和B站分别采用飞秒激光器进行光纤双向比对传递，并通过时间间隔测量器对解调出来的脉冲信号与调制前的基准脉冲信号进行时间间隔测量，以输出误差信号并反馈至时延器，以调节输出时延，最终实现A、B两站间的同步。

本实用新型首先采用飞秒激光器提高同步精度，本实用新型采用被动低噪声飞秒激光进行光纤双向比对传递，利用被动飞秒激光器时域脉冲极窄（可达到几百飞秒），进而减小光电探测所解调出来的同步脉冲的宽度，使其上升沿更陡，达到亚百皮秒量级。

其次本实用新型结合双向比对的方案进一步的实现双站间的任意同步。现有飞秒激光器同步技术大多采用单向往返传输，只能实现主站到从站的同步，无法实现双站间的任意同步。而本实用新型采用飞秒激光的双向同步，可以实现双站间的任意同步。本实用新型突破现有基于连续激光器的光纤双向同步系统在时间间隔测量精度上百皮秒的限制，可将原同步精度由百皮秒提升至几十皮秒。

为了更好地实现本实用新型，进一步的，所述A站和B站分别包括时钟源以及依次连接的飞秒激光器、分束器、高速光电管、数字锁相环，且数字锁相环与飞秒激光器连接；所述时钟源与数字锁相环连接，所述数字锁相环将飞秒激光器与时钟源进行锁相；所述飞秒激光器通过分束器输出一路激光信号，并通过一支高速光电管获得电脉冲信号，所述数字锁相环将电脉冲信号锁定到时钟源。

为了更好地实现本实用新型，进一步的，还包括环形器，所述分束器与环形器连接；将已锁定的飞秒激光通过分束器与环形器输入到光纤，所述A站和B站之间的光信号通过光纤进行双向传递。

为了更好地实现本实用新型，进一步的，还包括时间间隔测量器，所述时间间隔测量器通过高速光电管与环形器连接，且与时延器连接；所述时钟源分别与时延器、时间间隔测量器连接。

为了更好地实现本实用新型，进一步的，利用高速光电管将光信号转变为电脉冲信号，并与本地基准进行时间间隔测量获得A->B传递或者B->A传递的时延信号，以计算出来光在光纤链路中传播的时延，通过时间间隔测量器输出误差信号并反馈至时延器。

为了更好地实现本实用新型，进一步的，所述数字锁相环包括时间间隔测量器、波形整形器、原子钟、倍频器、PID控制器、数模转换器、高压驱动器，所述时钟源通过波形整形器与时间间隔测量器连接，所述时间间隔测量器与高速光电管之间设置有波形整形器；所述原子钟通过倍频器与时间间隔测量器连接；所述时间间隔测量器依次连接PID控制器、数模转换器、高压驱动器、飞秒激光器。

为了更好地实现本实用新型，进一步的，所述时钟源以及由高速光电管恢复出来的脉冲信号分别输入波形整形器进行整形，以得到符合数字信号标准的脉冲信号，再分别送入由原子钟作为时基的时间间隔测量器，将时间间隔测量结果送入数字PID控制器实现误差调节，再经过数模转换器得到模拟信号，最后通过高压驱动器反馈给飞秒激光器的压电元件，调整激光器的频率和相位，以达到飞秒激光器与时钟源锁相的目的。

本实用新型实现A站和B站两站之间的同步，即A站输出与B站输出的电脉冲信号达到同步状态，通常情况下为脉冲上升沿达到一致。本实用新型中涉及到的飞秒激光器、时钟源、时间间隔测量器、波形整形器、原子钟、倍频器、PID控制器、数模转换器、高压驱动器均为现有技术且不是本实用新型的主要改进点，故不再赘述。

本实用新型采用的被动飞秒激光器可输出极窄的光脉冲，此脉冲通过高速光电管后获得上升沿极陡的电脉冲信号。利用该电脉冲信号与基准信号进行时间间隔测量，可获得百皮秒级以下的分辨率，进而实现百皮秒级以下精度的同步。而之前利用连续激光器调制的光脉冲，其脉宽远不如飞秒激光器的窄，所探测得到的电信号其上升沿也有局限，实现的时间间隔测量仅到百皮秒级的分辨率，最终达到的同步精度也不低于百皮秒。

双向比对时延的计算过程如下:

如图3所示，Δt为A、B两站间时延差，A站发射与接收设备的时延分别为t_a和r_a，B站发射与接收设备的时延分别为t_b和r_b，A站到B站路径传播时延为τ_a，B站到A站路径传播时延为τ_b，则两时间间隔测量值分别为：

T_a=Δt+t_b+τ_b+r_a(1)

T_b=-Δt+t_a+τ_a+r_b(2)

因为A、B两站双向传播路径相同，即τ_a=τ_b，由式（1）（2），可得：

Δt=（T_a-T_b）/2+（（t_b+r_a）-（t_a+r_b））/2

上式中t_a和r_a，以及t_b和r_b是设备的硬件时延，可以通过事先标定，时间间隔测量值已知，因此可以计算出两站时差Δt。得到两站时差之后，A站或者B站可以通过调节时延器将两站间输出脉冲调到一致，从而实现同步。

本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型采用被动低噪声飞秒激光进行光纤双向比对传递，利用被动飞秒激光器时域脉冲极窄（可达到几百飞秒），进而减小光电探测所解调出来的同步脉冲的宽度，使其上升沿更陡，达到亚百皮秒量级。在此条件下，将解调出来的脉冲与调制前的基准脉冲信号进行时间间隔测量，其测量的精量也可优于百皮秒。因此，以飞秒激光为载波所实现的同步系统其同步精度可优于百皮秒，达到几十皮秒，甚至是十皮秒。

（2）本方案利用的飞秒激光器可从根本上解决时间间隔测量分辨率的问题，进而实现双站之间百皮秒级以下的同步，这是本实用新型的一个重大创新。

（3）本实用新型中的数字锁相环具有的显著优点是可以将飞秒激光器锁定到外部时钟源上，实现超长时间的零相位绝对同步锁定。

（4）在本实用新型的锁相环的结构中，PID单元和原子钟的使用具有创新性，PID可以调节相位锁定的绝对精度，即可实现零度的相位锁定，使飞秒激光输出与时钟源真正达到绝对相位零误差；时间间隔测量器采用原子钟作为基准，由于原子钟的极高稳定性，该结构可实现超长时间的相位锁定。以普通铷原子为例，在数月时间相位锁定依然可以保持稳定。

附图说明

图1为基于飞秒激光的光纤双向比对同步结构示意图；

图2为数字锁相环结构示意图；

图3为双向比对同步时延计算示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，如图1所示，包括结构相同的A站和B站，所述A站和B站分别采用飞秒激光器进行光纤双向比对传递，将解调出来的脉冲信号与调制前的基准脉冲信号进行时间间隔测量，以输出误差信号并反馈至时延器，以调节输出时延，最终实现A、B两站间的同步。

本实用新型首先采用飞秒激光器提高同步精度，本实用新型采用被动低噪声飞秒激光进行光纤双向比对传递，利用被动飞秒激光器时域脉冲极窄（可达到几百飞秒），进而减小光电探测所解调出来的同步脉冲的宽度，使其上升沿更陡，达到亚百皮秒量级。

其次本实用新型结合双向比对的方案进一步的实现双站间的任意同步。现有飞秒激光器同步技术大多采用单向往返传输，只能实现主站到从站的同步，无法实现双站间的任意同步。而本实用新型采用飞秒激光的双向同步，可以实现双站间的任意同步。本实用新型突破现有基于连续激光器的光纤双向同步系统在时间间隔测量精度上百皮秒的限制，可将原同步精度由百皮秒提升至几十皮秒。

本实用新型采用的被动飞秒激光器可输出极窄的光脉冲，此脉冲通过高速光电管后获得上升沿极陡的电脉冲信号。利用该电脉冲信号与基准信号进行时间间隔测量，可获得百皮秒级以下的分辨率，进而实现百皮秒级以下精度的同步。而之前利用连续激光器调制的光脉冲，其脉宽远不如飞秒激光器的窄，所探测得到的电信号其上升沿也有局限，实现的时间间隔测量仅到百皮秒级的分辨率，最终达到的同步精度也不低于百皮秒。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，所述A站和B站分别包括时钟源以及依次连接的飞秒激光器、分束器、高速光电管、数字锁相环，且数字锁相环与飞秒激光器连接；所述时钟源与数字锁相环连接，所述数字锁相环将飞秒激光器与时钟源进行锁相；所述飞秒激光器通过分束器输出一路激光信号，并通过一支高速光电管获得电脉冲信号，所述数字锁相环将电脉冲信号锁定到时钟源。还包括环形器，所述分束器与环形器连接；将已锁定的飞秒激光通过分束器与环形器输入到光纤，所述A站和B站之间的光信号通过光纤进行双向传递。还包括时间间隔测量器，所述时间间隔测量器通过高速光电管与环形器连接，且与时延器连接；所述时钟源分别与时延器、时间间隔测量器连接。本实用新型中的数字锁相环具有的显著优点是可以将飞秒激光器锁定到外部时钟源上，实现超长时间的零相位绝对同步锁定。

如图1所示，A站与B站结构完全相同，两站各有一台低重复频率，可以采用10kHz或者更低的频率的1550nm波长被动飞秒激光器。首先利用分束器在两站各输出一路激光信号，并用一支高速光电管获得电脉冲信号，再利用数字锁相环，将两台激光器的电脉冲分别锁定到A站和B站的时钟源上。再将已锁定的A站和B站飞秒激光通过分束器和环形器送入光纤，A站的光信号通过光纤送到B站，而B站的光信号通过光纤送到了A站，以实现双向传递。

在B站，利用高速光电管将由A站发来的光信号转变为电脉冲信号，并与本地基准进行时间间隔测量获得A->B传递的时延信号。同理，在A站，利用高速光电管将由B站发来的光信号转变为电脉冲信号，并与本地基准进行时间间隔测量获得B->A传递的时延信号。利用双向比对方法，获得这两个时延信号后，可以计算出来光在光纤链路中传播的时延，通过时间间隔测量器输出误差信号并反馈至时延器，以调节输出时延（可调A也可调B），最终实现A、B两站间的同步。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化，所述数字锁相环包括时间间隔测量器、波形整形器、原子钟、倍频器、PID控制器、数模转换器、高压驱动器，所述时钟源通过波形整形器与时间间隔测量器连接，所述时间间隔测量器与高速光电管之间设置有波形整形器；所述原子钟通过倍频器与时间间隔测量器连接；所述时间间隔测量器依次连接PID控制器、数模转换器、高压驱动器、飞秒激光器。

在本实用新型的锁相环的结构中，PID单元和原子钟的使用具有创新性，PID可以调节相位锁定的绝对精度，即可实现零度的相位锁定，使飞秒激光输出与时钟源真正达到绝对相位零误差；时间间隔测量器采用原子钟作为基准，由于原子钟的极高稳定性，该结构可实现超长时间的相位锁定。以普通铷原子为例，在数月时间相位锁定依然可以保持稳定。

如图2所示，利用数字锁相环将被动飞秒激光器与时钟源进行锁相。先将时钟源和由光电管恢复出来的脉冲信号进行整形，得到符合数字信号标准的脉冲信号，再分别送入由原子钟为作时基的时间间隔测量器。将精确的时间间隔测量结果送入数字PID控制器实现误差调节，再经过数模转换器得到模拟信号，最后通过高压驱动反馈给被动飞秒激光器的压电元件，调整激光器的频率和相位，以达到飞秒激光器与时钟源锁相的目的。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，其特征在于，包括结构相同的A站和B站，所述A站和B站分别采用飞秒激光器进行光纤双向比对传递，将解调出来的脉冲信号与调制前的基准脉冲信号进行时间间隔测量，以输出误差信号并反馈至时延器，以调节输出时延，最终实现A、B两站间的同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，其特征在于，所述A站和B站分别包括时钟源以及依次连接的飞秒激光器、分束器、高速光电管、数字锁相环，且数字锁相环与飞秒激光器连接；所述时钟源与数字锁相环连接，所述数字锁相环将飞秒激光器与时钟源进行锁相；所述飞秒激光器通过分束器输出一路激光信号，并通过一支高速光电管获得电脉冲信号，所述数字锁相环将电脉冲信号锁定到时钟源。

3.根据权利要求2所述的一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，其特征在于，还包括环形器，所述分束器与环形器连接；将已锁定的飞秒激光通过分束器与环形器输入到光纤，所述A站和B站之间的光信号通过光纤进行双向传递。

4.根据权利要求3所述的一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，其特征在于，还包括时间间隔测量器，所述时间间隔测量器通过高速光电管与环形器连接，且与时延器连接；所述时钟源分别与时延器、时间间隔测量器连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，其特征在于，利用高速光电管将光信号转变为电脉冲信号，并与本地基准进行时间间隔测量获得A->B传递或者B->A传递的时延信号，以计算出来光在光纤链路中传播的时延，通过时间间隔测量器输出误差信号并反馈至时延器。

6.根据权利要求2-5任一项所述的一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，其特征在于，所述数字锁相环包括时间间隔测量器、波形整形器、原子钟、倍频器、PID控制器、数模转换器、高压驱动器，所述时钟源通过波形整形器与时间间隔测量器连接，所述时间间隔测量器与高速光电管之间设置有波形整形器；所述原子钟通过倍频器与时间间隔测量器连接；所述时间间隔测量器依次连接PID控制器、数模转换器、高压驱动器、飞秒激光器。

7.根据权利要求6所述的一种基于飞秒激光双向比对的光纤同步系统，其特征在于，所述时钟源以及由高速光电管恢复出来的脉冲信号分别输入波形整形器进行整形，以得到符合数字信号标准的脉冲信号，再分别送入由原子钟作为时基的时间间隔测量器，将时间间隔测量结果送入数字PID控制器实现误差调节，再经过数模转换器得到模拟信号，最后通过高压驱动器反馈给飞秒激光器的压电元件，调整激光器的频率和相位，以达到飞秒激光器与时钟源锁相的目的。

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