高精度光纤频率传输系统技术方案

一种高精度光纤频率传输系统，包括PID电路板、鉴相器、光电探测器、法拉第旋转反射镜、微波光子移相器、2×2光耦合器、环形器、从激光器、频率参考信号源、主激光发射机、隔离器、光纤链路和时频收发模块，本发明专利技术在单纤双向还回误差信号获取方式的基础上，基于注入锁定相干探测和微波光子移相器进行光纤链路噪声补偿，从而实现高精度的光纤频率传输，可在远地端高精度地恢复本地端的频率参考信号。可以在一个微波光子移相器，器件上同时实现相位改变所需要的高带宽响应和大动态范围两个特征，有助于减轻系统复杂度，增加系统稳定性和适用性。可应用于光钟/原子钟等时钟比对、频率传输等领域。

High precision optical fiber frequency transmission system

A high precision optical frequency transmission system, including PID circuit board, phase detector, photoelectric detector, Faraday rotation mirror, microwave photonic phase shifter, 2 * 2 optical coupler, circulator, laser, frequency reference signal from the source, the main laser transmitter, isolator, fiber link and time frequency transceiver module of the invention. In the bidirectional return error signal acquisition method based on injection locking of fiber optic link noise compensation coherent detection and microwave photonic phase shifter based on optical fiber transmission frequency, in order to achieve high precision, can be on the far side of the high precision frequency reference signal local recovery. In a microwave photonic phase shifter, phase change device while achieving the required high bandwidth response and large dynamic range two characteristics, helps to reduce the complexity of the system, increase the system stability and applicability. Can be used in optical clock / atomic clock clock comparison, frequency transmission etc..

【技术实现步骤摘要】
高精度光纤频率传输系统
本专利技术涉及高精度频率传输，特别是一种高精度光纤频率传输系统，主要目的是对光纤中频率传递的链路噪声进行补偿，从而在远地端高精度地恢复本地端的频率参考信号，可应用于光钟/原子钟等时钟比对、频率传输等领域。
技术介绍
频率标准是现代社会各种重要技术的基础，比如导航定位、互联通信、物理常数的精确测试等。随着氢钟、冷原子钟、喷泉钟、光钟等高精度时钟的顺利研发，频率标准精度越来越高、技术越来越成熟，比如铯原子喷泉微波钟的频率不确定度可小于1E-15，原子光钟的频率稳定性和不确定度都可达到1E-18量级。另一方面，随着GPS/北斗等天基导航定位系统的发展，其授时、定位精度也需要不断地提高，以便应对越来越复杂的社会需求。所以需要对频率标准进行更高精度的比对和分发，也就是需要进行高精度的频率传输。传统的频率传输主要通过卫星完成，但是这种传统方式的传递精度、连续性和时效性等已经难以满足越来越高的应用需求。近年来很多实验室开展了基于光纤的频率传输方法的研究，已经通过实验证实基于光纤可以获得比卫星更高的传输精度。但是光纤在传输频率的过程中会受到环境变化的影响，比如光纤所受的温度变化等，从而引起频率信号在光纤中传输时延的变化，增加传输噪声，也就会造成频率稳定性的较低，所以在光纤中进行频率传递，必须对这些噪声进行抑制或者补偿，才能获得高精度的频率传输结果。为了进行这样的噪声抑制与补偿，人们提出了多种解决方案。在先技术一：B.Wang,C.Gao,W.L.Chen,J.Miao,X.Zhu,Y.Bai,J.W.Zhang,Y.Y.Feng,T.C.Li,L.J.Wang."PreciseandContinuousTimeandFrequencySynchronisationatthe5310-19AccuracyLevel[J]."SCIENTIFICREPORTS,2012,2:556-560，提出了基于电子学锁相环的噪声补偿方式。该方法首先将从本地端传递到远地端的频率信号沿原来的光纤链路还回到本地端，并与本地端的频率参考信号进行相位比较，然后获得频率信号与原始频率参考的拍频信号，即频率参考信号在往返传输后积累的误差信号，再将该误差信号进行滤波处理后通过电子学锁相环反馈控制本地端频率信号本身的相位，从而实现待传频率参考信号的噪声补偿。显然该方法的噪声抑制只能针对频率信号自身，对不同的频率参考信号，都需要独立的一套噪声抑制设备，如果在光纤中需要传输多种类型的参考信号，那么每一种参考信号都需要这样的一套误差信号获取并加上锁相环反馈补偿的设备，比如该文献中需要传输的另一路时间参考信号，就需要另一套独立的误差补偿设备，这必然会增加系统复杂度。在先技术二：O.Lopez,A.Amy-Klein,C.Daussy,C.Chardonnet,F.Narbonneau,M.Lours,G.Santarelli."86-kmopticallinkwitharesolutionof2x10(-18)forRFfrequencytransfer[J]."EuropeanPhysicalJournalD,2008,48(1):35-41，提出了基于光纤延迟线的噪声补偿方式。该方法仍然采用和在先技术一相同的方式即单纤双向还回来获取误差信号，但是误差信号在经过滤波处理后是用于控制压控光纤延迟线，改变光纤延迟线的长度，从而根据传输噪声控制频率信号在光纤延迟线中的传输时延，也就是对后续光纤链路上的传输时延噪声进行预补偿。由于该方法是对整个光纤链路的传输真时延进行了稳定，所以只需要这样的一路频率信号即可实现链路的稳定，然后在该光纤链路上可以传输很多组不同的频率参考信号，而其它的频率信号都不再需要进行专门的噪声补偿。但是该方法中采用的光纤延迟线很难同时实现高带宽响应和大动态范围两个特征，所以实际使用过程中往往采用的都是将具有小动态范围高带宽响应(压电陶瓷控制)和大动态范围低带宽响应(温度控制)特征的两个光纤延迟线进行级联，这样的结果也会导致系统复杂度的增加，并且由于压电陶瓷和温度控制的光纤环非常容易引起偏振相关损耗等一些其它问题，限制了系统精度的进一步提升。
技术实现思路
本专利技术提出一种高精度光纤频率传输系统，该系统在单纤双向返回误差信号获取方式的基础上，基于注入锁定相干探测和微波光子移相器进行噪声补偿，可实现高精度的光纤频率传输。本专利技术的技术解决方案如下：一种高精度光纤频率传输系统，其特点在于，包括PID电路板、鉴相器、光电探测器、法拉第旋转反射镜、微波光子移相器、2×2光耦合器、环形器、从激光器、频率参考信号源、主激光发射机、隔离器、光纤链路和时频收发模块；所述的频率参考信号源发出两路频率参考信号：第一路本地频率参考信号进入鉴相器的第一输入端口，第二路频率参考信号进入所述的主激光发射机的微波输入端口，对所述的主激光发射机的激光进行调制后使其形成具有调制边带的激光输出，该主激光发射机的激光输出端经所述的隔离器与所述的2×2光耦合器的第3端口相连，该2×2光耦合器的第2端口与所述的从激光器相连，该2×2光耦合器的第1端口与所述的微波光子移相器的第2端口相连，该微波光子移相器的第2端口输出的光由所述的法拉第旋转反射镜反射，经所述的微波光子移相器返回所述的2×2光耦合器的第一端口，两路返回的光再经过2×2光耦合器合束后经过2×2光耦合器的第四个端口进入所述的环形器的第一端口，再从环形器的第二个端口输出进入所述的光纤链路到达远地端，被远地端的收发模块返回经所述的光纤链路、所述的环形器的第二端口、第三端口进入所述的光电探测器，经光电探测器相干探测后形成和频率参考信号同频率的微波信号，该微波信号输入鉴相器的第二输入端口，该鉴相器比较本地频率标准信号和返回的微波频率信号的相位差，称为误差信号，该误差信号经过PID电路滤波后经所述的微波光子移相器的控制端输入，反馈控制所述的微波光子移相器内的主激光的相位。从而使主激光与从激光的拍频信号相位能够跟随误差信号而变化，对链路的传输噪声进行预补偿，最终在远地端的收发模块通过解调接收到的激光信号就可以在远地端高精度地恢复本地端的频率标准信号。所述的微波光子移相器为PZT光纤延迟线。本专利技术的特点和优点是：1)本专利技术采用的微波光子移相器，直接在光频域改变频率信号的相位，其相位改变量远大于光纤延迟线中针对微波信号的相位改变量，同时还能保持较高的响应带宽，这就可以在一个器件上同时实现相位改变所需要的高带宽响应和大动态范围两个特征。2)本专利技术相对于两种在先技术，在噪声抑制与补偿方面基于不同的原理，采用了不同的反馈执行元件和机制。从而不需要涉及复杂的电子学锁相处理电路，也不需要复杂的快变和慢变压控光纤延迟线，有助于增加系统稳定性和适用性。附图说明图1是本专利技术高精度光纤频率传递系统框图；图2是本专利技术的实施例的原理框图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。先请参阅图1，图1是本专利技术高精度光纤频率传递系统框图，由图可见，本专利技术高精度光纤频率传输系统，包括PID电路板11、鉴相器12、光电探测器13、法拉第旋转反射镜14、微波光子移相器15、2×2光耦合器16、环形器17、从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度光纤频率传输系统，其特征在于，包括PID电路板(11)、鉴相器(12)、光电探测器(13)、法拉第旋转反射镜(14)、微波光子移相器(15)、2×2光耦合器(16)、环形器(17)、从激光器(18)、频率参考信号源(19)、主激光发射机(20)、隔离器(21)、光纤链路(22)和时频收发模块(30)；所述的频率参考信号源(19)发出两路频率参考信号：第一路本地频率参考信号(191)进入鉴相器(12)的第一输入端口(121)，第二路频率参考信号(192)进入所述的主激光发射机(20)的微波输入端口(201)，对所述的主激光发射机(20)的激光进行调制后使其形成具有调制边带的激光输出，该主激光发射机(20)的激光输出端(202)经所述的隔离器(21)与所述的2×2光耦合器(16)的第3端口(163)相连，该2×2光耦合器(16)的第2端口(162)与所述的从激光器(18)相连，该2×2光耦合器(16)的第1端口(161)与所述的微波光子移相器(15)的第2端口(152)相连，该微波光子移相器(15)的第1端口(152)输出的光由所述的法拉第旋转反射镜(14)反射，经所述的微波光子移相器(15)返回所述的2×2光耦合器(16)的第一端口(161)，两路返回的光再经过2×2光耦合器(16)合束后经过2×2光耦合器(16)的第四个端口(164)进入所述的环形器(17)的第一端口(171)，再从环形器(17)的第二个端口(172)输出进入所述的光纤链路(22)到达远地端，被远地端的收发模块(30)返回经所述的光纤链路(22)、所述的环形器(17)的第二端口(172)、环形器(17)的第三端口(173)进入所述的光电探测器(13)，经光电探测器(13)相干探测后形成和频率参考信号同频率的微波信号，该微波信号输入鉴相器(12)的第二输入端口(122)，该鉴相器(12)比较本地频率标准信号和返回的微波频率信号的相位差，称为误差信号，该误差信号经过PID电路板(11)滤波后输入所述的微波光子移相器(15)的控制端上，反馈控制所述的微波光子移相器(15)内的主激光的相位。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度光纤频率传输系统，其特征在于，包括PID电路板(11)、鉴相器(12)、光电探测器(13)、法拉第旋转反射镜(14)、微波光子移相器(15)、2×2光耦合器(16)、环形器(17)、从激光器(18)、频率参考信号源(19)、主激光发射机(20)、隔离器(21)、光纤链路(22)和时频收发模块(30)；所述的频率参考信号源(19)发出两路频率参考信号：第一路本地频率参考信号(191)进入鉴相器(12)的第一输入端口(121)，第二路频率参考信号(192)进入所述的主激光发射机(20)的微波输入端口(201)，对所述的主激光发射机(20)的激光进行调制后使其形成具有调制边带的激光输出，该主激光发射机(20)的激光输出端(202)经所述的隔离器(21)与所述的2×2光耦合器(16)的第3端口(163)相连，该2×2光耦合器(16)的第2端口(162)与所述的从激光器(18)相连，该2×2光耦合器(16)的第1端口(161)与所述的微波光子移相器(15)的第2端口(152)相连，该微波光子移相器(15)的第1端口(152)输出的光由所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨飞，冯子桐，张茜，蔡海文，桂有珍，程楠，魏芳，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31