一種基于遠(yuǎn)程端補(bǔ)償?shù)墓饫w光學(xué)頻率傳遞方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳輸技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種光纖光學(xué)頻率傳遞方法，尤其是一種基 于遠(yuǎn)程端補(bǔ)償?shù)墓饫w光學(xué)頻率傳遞方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用光纖可W高保真地傳輸光學(xué)載波頻率信號(hào)，目前光學(xué)頻率傳遞的穩(wěn)定度達(dá)到 lE-15/s量級(jí)，千秒穩(wěn)可W達(dá)到1E-19量級(jí)。傳遞精度在現(xiàn)有所有頻率傳遞技術(shù)中最高。利 用光纖傳遞光學(xué)頻率信號(hào)不僅可W滿足時(shí)間頻率領(lǐng)域的需求，還可W廣泛應(yīng)用于精密物理 常數(shù)測(cè)量、甚長(zhǎng)基線干設(shè)儀（VLBI)、深空探測(cè)等科學(xué)及工程應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003]當(dāng)激光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，各種環(huán)境因素如溫度和振動(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致傳輸光場(chǎng)的 相位波動(dòng)，等效于激光的頻率噪聲。上述光纖噪聲會(huì)造成傳輸激光的線寬展寬，降低光學(xué)頻 率的傳遞精度。為補(bǔ)償光纖傳輸路徑的相位噪聲，1994年馬龍生等人提出了多普勒噪聲抑 制的方法，如圖1所示的多普勒噪聲抑制方法的原理示意圖。
[0004] 傳輸光纖位相噪聲主要是由光學(xué)路徑長(zhǎng)度和折射率變化引起的，與傳輸方向無(wú) 關(guān)，因此可認(rèn)為正向傳輸時(shí)引入的相位變化自與反向傳輸時(shí)的&&自是近似相等的，該正 是多普勒消除方法的主要依據(jù)。通過(guò)在遠(yuǎn)程端使部分激光原路徑返回，在本地發(fā)送端可得 到返回光與參考光的拍頻信號(hào)，其包含的相位差正是：
[000引 4郵+4反向 >2<1)1恤，（1)
[0006] 據(jù)此可W參照拍頻信號(hào)上解調(diào)出的相位差利用發(fā)送端的相位補(bǔ)償器件（如聲光 調(diào)制器A0M)對(duì)激光進(jìn)行相位/頻率噪聲的預(yù)補(bǔ)償，該樣就可W消除傳輸光纖噪聲的影響， 在光纖遠(yuǎn)端得到與發(fā)送端相同的光學(xué)頻率信號(hào)。
[0007]W上述多普勒噪聲消除方法為基礎(chǔ)，多國(guó)研究小組開展了光纖光學(xué)頻率傳輸研 究，并取得了一定的進(jìn)展。目前，德國(guó)建立了點(diǎn)到點(diǎn)式的光學(xué)頻率傳輸光纖鏈路，總長(zhǎng)約 1840km，傳輸精度在1E-19量級(jí)。此外，有少數(shù)工作報(bào)道了頻率傳遞組網(wǎng)方法研究，主要是 關(guān)于點(diǎn)到點(diǎn)傳輸路徑上實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)下載，也有樹形結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方案研究。
[0008] 在實(shí)際應(yīng)用中，城市間的遠(yuǎn)距離傳遞一般采用菊花鏈結(jié)構(gòu)，而城區(qū)內(nèi)或者園區(qū)內(nèi) 適合采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，在目前的光纖頻率傳遞系統(tǒng)中，控制部分主要集中在本地 端，包括光纖噪聲的探測(cè)和補(bǔ)償都是在本地端進(jìn)行。將現(xiàn)有光頻傳遞技術(shù)應(yīng)用到星形網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)時(shí)，本地端設(shè)備數(shù)量與用戶數(shù)有關(guān)。隨著用戶的增多，本地端不可避免地變得復(fù)雜，不 利于大規(guī)模組網(wǎng)。
[0009] 針對(duì)現(xiàn)有光纖光學(xué)頻率傳遞技術(shù)在星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中擴(kuò)網(wǎng)的困難，提出一種遠(yuǎn)程端 補(bǔ)償傳遞技術(shù)，降低本地端系統(tǒng)復(fù)雜度，便于大規(guī)模組網(wǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于遠(yuǎn)程端補(bǔ)償?shù)墓饫w光 學(xué)頻率傳遞方法，其在保證相同傳輸精度的條件下，光頻傳輸裝置可使發(fā)送裝置大大簡(jiǎn)化， 有利于擴(kuò)展為單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸，w及進(jìn)一步構(gòu)造拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。
[0011] 本發(fā)明的目的是通過(guò)W下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0012] 該種基于遠(yuǎn)程端補(bǔ)償?shù)墓饫w光學(xué)頻率傳遞方法，其首先使光信號(hào)從本地端出發(fā)， 經(jīng)過(guò)傳輸光纖A傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端，然后利用另一根連接本地端和遠(yuǎn)程端的光纖B，將本地端 的拍頻探測(cè)光傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端，在遠(yuǎn)程端實(shí)現(xiàn)光纖噪聲的準(zhǔn)確測(cè)量。
[0013] 進(jìn)一步，W上方法具體為：
[0014] 光信號(hào)E從本地端出發(fā)，該光信號(hào)E的初始位相為物，經(jīng)過(guò)傳輸光纖A傳輸?shù)竭h(yuǎn) 程端，光纖A導(dǎo)致的激光相位延遲為(p/，光信號(hào)記為CPoi%;該光信號(hào)在遠(yuǎn)程端被光學(xué)接收 裝置反射，并再次沿著光纖A原路返回到本地端，返回至本地端的光信號(hào)記為cpo+2柳此返 回光信號(hào)與本地參考光信號(hào)q>〇在合束器處混合，并從合束器的另一端口輸出混合光；
[0015] 然后采用另一根光纖B將該混合光傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收端，在光纖B傳輸時(shí)，混合光 的兩成分?jǐn)睾颓嫂?2(|)/感受到相似的光纖相位噪聲q>'/，兩光分別記為(p〇+(p'j和 柳+鄒/坤'/，利用光電探測(cè)器仰）測(cè)量?jī)墒獾呐念l信號(hào)（(p〇+2(p/Hp'/)-(巧〇+私')， 得到光纖相位噪聲信號(hào)2((V，在遠(yuǎn)程端利用伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纖噪聲補(bǔ)償。
[0016] 進(jìn)一步，上述光學(xué)接收裝置為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡或部分反射鏡。
[0017] 進(jìn)一步，在本地端利用聲光頻移器和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡為核屯、器件，組成本地端邁克 爾遜干設(shè)儀式光學(xué)裝置的參考臂，消除本地端參考光與光纖傳輸路徑的反向雜散光同頻的 影響。具體為：首先將激光信號(hào)分束為兩束，其中一束信號(hào)光經(jīng)由傳輸光纖A傳輸?shù)?遠(yuǎn)程端并被法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（FM1)反射回本地端；其中，光纖傳輸路徑的雜散光記為U〇t+恥， 遠(yuǎn)程端回傳信號(hào)光相位記為其中，U。為激光頻率，t是時(shí)間，斬為光纖路徑上雜 散光的隨機(jī)相位噪聲，9/是光纖導(dǎo)致的相位延遲；另外一束信號(hào)光則依次經(jīng)過(guò)聲光頻移器 偏移激光信號(hào)的頻率，在法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（FM0)處反射并旋轉(zhuǎn)激光的偏振態(tài)，再經(jīng)過(guò)A0M0 移頻后，與從遠(yuǎn)程端的反射光在合束器BS處拍頻；拍頻信號(hào)包括[(1)0+2/0)1-(1)0什2暫化和 兩項(xiàng)，通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)的濾波方式消除光纖路徑雜散光的干 擾。
[0018] 進(jìn)一步，上述在遠(yuǎn)程端利用伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纖噪聲補(bǔ)償具體為；首先對(duì)傳輸 到遠(yuǎn)端的拍頻光進(jìn)行光電探測(cè)得到頻率為的射頻拍頻信號(hào)，其中f。為射頻驅(qū)動(dòng)頻 率，為工作頻率，對(duì)該拍頻信號(hào)進(jìn)行濾波和功率穩(wěn)定信號(hào)調(diào)理后再進(jìn)行模擬鑒相或者數(shù) 字鑒相得到其位相噪聲，即為光纖鏈路引入的傳輸噪聲，再經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器后反饋給遠(yuǎn)程 端聲光調(diào)制器A0M1的驅(qū)動(dòng)VC0,通過(guò)A0M1對(duì)激光的位相進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)光纖噪聲的補(bǔ) 償。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0020] 本發(fā)明中光纖光頻傳輸裝置遠(yuǎn)程端補(bǔ)償方案，是不同于目前常見(jiàn)的本地補(bǔ)償式光 學(xué)頻率傳輸裝置的一種新方案。該方案在多普勒噪聲消除方法的基礎(chǔ)上，利用兩束激光在 同一光纖中傳輸時(shí)光纖引入的噪聲是共模成分的原理，創(chuàng)造性的將返回信號(hào)光與參考光的 混合光用另一束光纖發(fā)送到遠(yuǎn)端進(jìn)行噪聲探測(cè)和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了光纖噪聲的遠(yuǎn)程補(bǔ)償。相比 于本地補(bǔ)償方案，本發(fā)明的本地端裝置大大簡(jiǎn)化，有利于星形光學(xué)頻率傳輸網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。
[0021] 進(jìn)一步，本發(fā)明在光纖干設(shè)儀參考臂加入了聲光頻移器A0M0,可將拍頻參考光頻 率從V"(v。為激光初始頻率）移頻為V。+2片，避免光纖雜散光的干擾。此外，將聲光頻移 器移到參考臂，減小了光纖傳輸路徑上的光功率需求。具體如下，激光在光纖A中傳輸時(shí)， 由于散射、反射等因素引起的雜散光在激光初始頻率V。處有較大的成分。如果沒(méi)有參考 光沒(méi)有頻率移動(dòng)，則遠(yuǎn)程反射光既可W與參考光拍頻，也可W與雜散光拍頻，而且兩個(gè)拍頻 信號(hào)的頻率一致。而雜散光部分的拍頻信號(hào)不能準(zhǔn)確反映光纖噪聲，不利于光纖噪聲的準(zhǔn) 確測(cè)量。為防止V。頻率附近的反向雜散光在拍頻時(shí)混入?yún)⒖技す庵谐蔀樵肼?，通過(guò)在參 考臂加入聲光頻移器（A0M0)可W改變參考光的頻率，將參考光的拍頻信號(hào)與雜散光的拍 頻信號(hào)在頻域上進(jìn)行了分離，從而提高了光纖噪聲測(cè)量的精度。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡FM0的作用 是與遠(yuǎn)程端的另一個(gè)FM1-起消除傳輸過(guò)程中激光偏振變化對(duì)拍頻信號(hào)的不良影響。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為多普勒噪聲抑制方法的原理示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明光纖遠(yuǎn)程端噪聲測(cè)量方案原理示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明光頻傳輸遠(yuǎn)程端補(bǔ)償方案本地裝置信號(hào)流圖；
[00巧]圖4為本發(fā)明光頻傳輸遠(yuǎn)程端補(bǔ)償方案遠(yuǎn)程端裝置信號(hào)流圖；
[0026] 圖5為光纖光頻傳輸遠(yuǎn)程端補(bǔ)償裝置原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 本發(fā)明基于遠(yuǎn)程端補(bǔ)償?shù)墓饫w光學(xué)頻率傳遞方法：首先，使光信號(hào)從本地端出發(fā)， 經(jīng)過(guò)傳輸光纖A傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端，然后利用另一根連接本地端和遠(yuǎn)程端的光纖B，將本地端的 拍頻探測(cè)光傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端，在遠(yuǎn)程端實(shí)現(xiàn)光纖噪聲的準(zhǔn)確測(cè)量。該方法具體為：
[0028] 光信號(hào)E從本地端出發(fā)，該光信號(hào)E的初始位相為9〇,經(jīng)過(guò)傳輸光纖A傳輸?shù)竭h(yuǎn) 程端，光纖A導(dǎo)致的激光相位延遲為％，光信號(hào)記為斬+暫；該光信號(hào)在遠(yuǎn)程端被光學(xué)接收 裝置反射，并再次沿著光纖A原路返回到本地端，返回至本地端的光信號(hào)記為90+2帶1此 返回光信號(hào)與本地參考光信號(hào)斬在合束器處混合，并從合束器的另一端口輸出混合光；然 后采用另一根光纖B將該混合光傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收端，在光纖B傳輸時(shí)，混合光的兩成分?jǐn)?和(p()+2 (()/'感受到相似的光纖相位噪聲護(hù)/，兩光分別記為（po+cp/和柳+邸片9'/，利用 光電探測(cè)器（PD)測(cè)量?jī)墒獾呐念l信號(hào)（90+29/坤>)-(斬+9>)，得到光纖相位噪聲信 號(hào)2斬'，在遠(yuǎn)程端利用伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纖噪聲補(bǔ)償。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡或反射鏡與聲光頻 移器一起構(gòu)成本地端核屯、器件，組成本地端邁克爾遜干設(shè)儀式光學(xué)裝置的參考臂，消除本 地端參考光與光纖傳輸路徑的反向雜散光同頻的影響。
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0030]關(guān)鍵點(diǎn)1，利用另一根連接本地端和遠(yuǎn)程端的光纖B，將本地端的拍頻探測(cè)光傳輸 到遠(yuǎn)程端，在遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)光纖噪聲的準(zhǔn)確測(cè)量。
[003。具體如下姻圖2所示，光信號(hào)巧=E，初始位相為斬，簡(jiǎn)記為斬0從本地端出 發(fā)，經(jīng)過(guò)傳輸光纖（光纖A)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端，考慮到光纖導(dǎo)致的激光相位延遲9/'，光信號(hào)可記 為cpo+cp/。該光信號(hào)在遠(yuǎn)程端被光學(xué)接收裝置（如法拉第旋轉(zhuǎn)鏡Ml或部分反射鏡等）反射， 并再次沿著光纖A原路返回到本地端，光信號(hào)可記為90+2斬。此返回光與本地參考光(po 在合束器（如禪合器B巧處混合，并從合束器的另一端口輸出混合光。與傳統(tǒng)光纖頻率傳 遞方法不同，本專利提出采用另外一根光纖（如光纖B)將該混合光傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收端。在 光纖B傳輸時(shí)，混合光的兩成分（p0和(p0+2qy感覺(jué)到相似的光纖相位噪聲9'/，兩光分別 記為cpo+cp'/和90+2聲/坤'/。利用光電探測(cè)器仰）測(cè)量?jī)墒獾呐念l信號(hào)（(p0+2q>/坤>) -(cpo+cp'P，可得到光纖相位噪聲信號(hào)2qy，測(cè)得的信號(hào)與傳統(tǒng)光纖噪聲抑制技術(shù)相同?；?于此，可W在遠(yuǎn)程端利用伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纖噪聲補(bǔ)償（如圖2所示）。
[0032] 技術(shù)效果是，將拍頻探測(cè)光傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端，從而可W在遠(yuǎn)程端實(shí)現(xiàn)光纖噪聲的探 測(cè)和補(bǔ)償。具體如下；將攜帶光纖A噪聲的返回光和