本發(fā)明涉及高精度頻率傳輸，特別是一種高精度光纖頻率傳輸系統(tǒng)，主要目的是對光纖中頻率傳遞的鏈路噪聲進行補償，從而在遠地端高精度地恢復本地端的頻率參考信號，可應用于光鐘/原子鐘等時鐘比對、頻率傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

背景技術(shù)：

頻率標準是現(xiàn)代社會各種重要技術(shù)的基礎(chǔ)，比如導航定位、互聯(lián)通信、物理常數(shù)的精確測試等。隨著氫鐘、冷原子鐘、噴泉鐘、光鐘等高精度時鐘的順利研發(fā)，頻率標準精度越來越高、技術(shù)越來越成熟，比如銫原子噴泉微波鐘的頻率不確定度可小于1E-15，原子光鐘的頻率穩(wěn)定性和不確定度都可達到1E-18量級。另一方面，隨著GPS/北斗等天基導航定位系統(tǒng)的發(fā)展，其授時、定位精度也需要不斷地提高，以便應對越來越復雜的社會需求。所以需要對頻率標準進行更高精度的比對和分發(fā)，也就是需要進行高精度的頻率傳輸。傳統(tǒng)的頻率傳輸主要通過衛(wèi)星完成，但是這種傳統(tǒng)方式的傳遞精度、連續(xù)性和時效性等已經(jīng)難以滿足越來越高的應用需求。近年來很多實驗室開展了基于光纖的頻率傳輸方法的研究，已經(jīng)通過實驗證實基于光纖可以獲得比衛(wèi)星更高的傳輸精度。但是光纖在傳輸頻率的過程中會受到環(huán)境變化的影響，比如光纖所受的溫度變化等，從而引起頻率信號在光纖中傳輸時延的變化，增加傳輸噪聲，也就會造成頻率穩(wěn)定性的較低，所以在光纖中進行頻率傳遞，必須對這些噪聲進行抑制或者補償，才能獲得高精度的頻率傳輸結(jié)果。

為了進行這樣的噪聲抑制與補償，人們提出了多種解決方案。在先技術(shù)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."Precise and Continuous Time and Frequency Synchronisation at the 5310-19 Accuracy Level[J]."SCIENTIFIC REPORTS,2012,2:556-560，提出了基于電子學鎖相環(huán)的噪聲補償方式。該方法首先將從本地端傳遞到遠地端的頻率信號沿原來的光纖鏈路還回到本地端，并與本地端的頻率參考信號進行相位比較，然后獲得頻率信號與原始頻率參考的拍頻信號，即頻率參考信號在往返傳輸后積累的誤差信號，再將該誤差信號進行濾波處理后通過電子學鎖相環(huán)反饋控制本地端頻率信號本身的相位，從而實現(xiàn)待傳頻率參考信號的噪聲補償。顯然該方法的噪聲抑制只能針對頻率信號自身，對不同的頻率參考信號，都需要獨立的一套噪聲抑制設(shè)備，如果在光纖中需要傳輸多種類型的參考信號，那么每一種參考信號都需要這樣的一套誤差信號獲取并加上鎖相環(huán)反饋補償?shù)脑O(shè)備，比如該文獻中需要傳輸?shù)牧硪宦窌r間參考信號，就需要另一套獨立的誤差補償設(shè)備，這必然會增加系統(tǒng)復雜度。

在先技術(shù)二：O.Lopez,A.Amy-Klein,C.Daussy,C.Chardonnet,F.Narbonneau,M.Lours,G.Santarelli."86-km optical link with a resolution of 2x10(-18)for RF frequency transfer[J]."European Physical Journal D,2008,48(1):35-41，提出了基于光纖延遲線的噪聲補償方式。該方法仍然采用和在先技術(shù)一相同的方式即單纖雙向還回來獲取誤差信號，但是誤差信號在經(jīng)過濾波處理后是用于控制壓控光纖延遲線，改變光纖延遲線的長度，從而根據(jù)傳輸噪聲控制頻率信號在光纖延遲線中的傳輸時延，也就是對后續(xù)光纖鏈路上的傳輸時延噪聲進行預補償。由于該方法是對整個光纖鏈路的傳輸真時延進行了穩(wěn)定，所以只需要這樣的一路頻率信號即可實現(xiàn)鏈路的穩(wěn)定，然后在該光纖鏈路上可以傳輸很多組不同的頻率參考信號，而其它的頻率信號都不再需要進行專門的噪聲補償。但是該方法中采用的光纖延遲線很難同時實現(xiàn)高帶寬響應和大動態(tài)范圍兩個特征，所以實際使用過程中往往采用的都是將具有小動態(tài)范圍高帶寬響應(壓電陶瓷控制)和大動態(tài)范圍低帶寬響應(溫度控制)特征的兩個光纖延遲線進行級聯(lián)，這樣的結(jié)果也會導致系統(tǒng)復雜度的增加，并且由于壓電陶瓷和溫度控制的光纖環(huán)非常容易引起偏振相關(guān)損耗等一些其它問題，限制了系統(tǒng)精度的進一步提升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種高精度光纖頻率傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)在單纖雙向返回誤差信號獲取方式的基礎(chǔ)上，基于注入鎖定相干探測和微波光子移相器進行噪聲補償，可實現(xiàn)高精度的光纖頻率傳輸。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種高精度光纖頻率傳輸系統(tǒng)，其特點在于，包括PID電路板、鑒相器、光電探測器、法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡、微波光子移相器、2×2光耦合器、環(huán)形器、從激光器、頻率參考信號源、主激光發(fā)射機、隔離器、光纖鏈路和時頻收發(fā)模塊；

所述的頻率參考信號源發(fā)出兩路頻率參考信號：第一路本地頻率參考信號進入鑒相器的第一輸入端口，第二路頻率參考信號進入所述的主激光發(fā)射機的微波輸入端口，對所述的主激光發(fā)射機的激光進行調(diào)制后使其形成具有調(diào)制邊帶的激光輸出，該主激光發(fā)射機的激光輸出端經(jīng)所述的隔離器與所述的2×2光耦合器的第3端口相連，該2×2光耦合器的第2端口與所述的從激光器相連，該2×2光耦合器的第1端口與所述的微波光子移相器的第2端口相連，該微波光子移相器的第2端口輸出的光由所述的法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡反射，經(jīng)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，兩路返回的光再經(jīng)過2×2光耦合器合束后經(jīng)過2×2光耦合器的第四個端口進入所述的環(huán)形器的第一端口，再從環(huán)形器的第二個端口輸出進入所述的光纖鏈路到達遠地端，被遠地端的收發(fā)模塊返回經(jīng)所述的光纖鏈路、所述的環(huán)形器的第二端口、第三端口進入所述的光電探測器，經(jīng)光電探測器相干探測后形成和頻率參考信號同頻率的微波信號，該微波信號輸入鑒相器的第二輸入端口，該鑒相器比較本地頻率標準信號和返回的微波頻率信號的相位差，稱為誤差信號，該誤差信號經(jīng)過PID電路濾波后經(jīng)所述的微波光子移相器的控制端輸入，反饋控制所述的微波光子移相器內(nèi)的主激光的相位。從而使主激光與從激光的拍頻信號相位能夠跟隨誤差信號而變化，對鏈路的傳輸噪聲進行預補償，最終在遠地端的收發(fā)模塊通過解調(diào)接收到的激光信號就可以在遠地端高精度地恢復本地端的頻率標準信號。

所述的微波光子移相器為PZT光纖延遲線。

本發(fā)明的特點和優(yōu)點是：

1)本發(fā)明采用的微波光子移相器，直接在光頻域改變頻率信號的相位，其相位改變量遠大于光纖延遲線中針對微波信號的相位改變量，同時還能保持較高的響應帶寬，這就可以在一個器件上同時實現(xiàn)相位改變所需要的高帶寬響應和大動態(tài)范圍兩個特征。

2)本發(fā)明相對于兩種在先技術(shù)，在噪聲抑制與補償方面基于不同的原理，采用了不同的反饋執(zhí)行元件和機制。從而不需要涉及復雜的電子學鎖相處理電路，也不需要復雜的快變和慢變壓控光纖延遲線，有助于增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和適用性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明高精度光纖頻率傳遞系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明的實施例的原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明高精度光纖頻率傳遞系統(tǒng)框圖，由圖可見，本發(fā)明高精度光纖頻率傳輸系統(tǒng)，包括PID電路板11、鑒相器12、光電探測器13、法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡14、微波光子移相器15、2×2光耦合器16、環(huán)形器17、從激光器18、頻率參考信號源19、主激光發(fā)射機20、隔離器21、光纖鏈路22和時頻收發(fā)模塊30；

所述的頻率參考信號源19發(fā)出兩路頻率參考信號：第一路本地頻率參考信號191進入鑒相器12的第一輸入端口121，第二路頻率參考信號192進入所述的主激光發(fā)射機20的微波輸入端口201，對所述的主激光發(fā)射機20的激光進行調(diào)制后使其形成具有調(diào)制邊帶的激光輸出，該主激光發(fā)射機20的激光輸出端202經(jīng)所述的隔離器21與所述的2×2光耦合器16的第3端口163相連，該2×2光耦合器16的第2端口162與所述的從激光器18相連，該2×2光耦合器16的第1端口161與所述的微波光子移相器15的第2端口152相連，該微波光子移相器15的第1端口151輸出的光由所述的法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡14反射，經(jīng)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161，兩路返回的光再經(jīng)過2×2光耦合器16合束后經(jīng)過2×2光耦合器16的第四個端口164進入所述的環(huán)形器17的第一端口171，再從環(huán)形器17的第二個端口172輸出進入所述的光纖鏈路22到達遠地端，被遠地端的收發(fā)模塊30返回依次經(jīng)所述的光纖鏈路22、所述的環(huán)形器17的第二端口172、環(huán)形器17的第三端口173進入所述的光電探測器13，經(jīng)光電探測器13相干探測后形成和頻率參考信號同頻率的微波信號，該微波信號經(jīng)鑒相器12的第二輸入端口122輸入，該鑒相器12比較本地頻率標準信號和返回的微波頻率信號的相位差，稱為誤差信號，該誤差信號經(jīng)過PID電路板11濾波后輸入所述的微波光子移相器15的控制端上，反饋控制所述的微波光子移相器15內(nèi)的主激光的相位，從而使主激光與從激光的拍頻信號相位能夠跟隨誤差信號而變化，對鏈路的傳輸噪聲進行預補償，最終在遠地端的收發(fā)模塊通過解調(diào)接收到的激光信號就可以在遠地端高精度地恢復本地端的頻率標準信號。

本發(fā)明高精度光纖頻率傳輸系統(tǒng)的具體實施例如下：

本實施例如圖2所示。電光調(diào)制器EOM 205和RIO平面波導外腔LD 200構(gòu)成主激光發(fā)射機20，本地端的頻率參考信號源19的第一端口191與hmc439鑒相器12的第一輸入端口121相連，頻率參考信號源19的第二端口192與電光調(diào)制器EOM 205的微波信號輸入端口201相連，而EOM 205的光輸入端口203與RIO平面波導外腔LD 200相連，EOM 205的光輸出端口202與隔離器21的輸入端口相連，隔離器21的輸出端口與2×2光耦合器16的第三端口163相連，而2×2光耦合器16的第一端口161與PZT光纖延遲線150的第二端口152相連，PZT光纖延遲線150充當微波光子移相器15的功能，同時其第一端口151與法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡14相連，2×2光耦合器16的第二端口162與作為從激光器18的DFB LD 180相連，2×2光耦合器16的第四端口164與環(huán)形器17的第一端口171相連，環(huán)形器17的第三端口173與光電探測器13的光輸入端口相連，光電探測器13的輸出端口輸出微波頻率信號并與hmc439鑒相器12的第二輸入端口122相連，hmc439鑒相器12的輸出端口123與PID電路板11的輸入端口相連，而PID電路板11的輸出端口與PZT光纖延遲線150的控制信號輸入端口153相連；環(huán)形器17的第二端口172與光纖22的一端221相連，光纖22作為微波信號的傳輸鏈路，光纖22的另一端222與遠地端的時頻收發(fā)模塊30連接并往本地端返回傳輸頻率信號。在本實施例中時頻收發(fā)模塊30由環(huán)形器25、光電探測器24、微波分束器23、隔離器26、EOM 27、RIO平面波導外腔LD 270、法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡28、2×2光耦合器29、DFB LD31共同組成。連接方式上光纖22的另一端222與遠地端環(huán)形器25的第二輸入端口252相連，環(huán)形器25的第三端口253與光電探測器24的光輸入端口相連，光電探測器24的微波輸出端口與微波分束器23的輸入端口231相連，而微波分束器23的第一輸出端口232作為遠地端的頻率標準信號輸出端口輸出本地端傳過來的頻率標準信號，微波分束器23的第二輸出端口233與電光調(diào)制器EOM 27的微波輸入端口271相連，電光調(diào)制器EOM 27的光輸入端口273與RIO平面波導外腔LD 270相連，電光調(diào)制器EOM 27的輸出端口272與隔離器26的輸入端口相連，而隔離器26的輸出端口與2×2光耦合器29的第四端口294相連，2×2光耦合器29的第一端口291與法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡28相連，2×2光耦合器29的第二端口292與作為從激光器的DFB LD 31相連，2×2光耦合器29的第三端口293與環(huán)形器25的第一端口251相連。

由于光波或者微波信號的相位變化與時延變化Δt的關(guān)系可以表示為：

式中，ν₀表示光波或者微波信號的頻率?？梢钥闯?，如果由于光纖22的噪聲引起其中傳輸?shù)奈⒉l率信號的相位變化了也就是意味著本地端主激光和從激光的相位差變化了那么只需要在本地端控制微波光子移相器(在本實施例中對應PZT光纖延遲線150)使其中的主激光波長也改變那么就能達到在對光纖鏈路22中主激光和從激光的相位差進行預補償?shù)哪康?，因為在同時進入2×2光耦合器16的兩個端口161和162的時候，從激光的波長不會發(fā)生變化。另外由于激光頻率(～193THz)是微波頻率(～10MHz–10GHz)的10⁴～10⁸倍，因此PZT光纖延遲線150的光纖長度只需要通過控制機構(gòu)改變普通針對微波信號的1/10⁴～1/10⁸倍，從而具備大的動態(tài)范圍，另一方面PZT本身可以達到10kHz的響應帶寬，所以本系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)高帶寬響應和大動態(tài)范圍兩個特征的相位改變。