一种基于DFB模拟直调激光器的双收双发光纤稳相装置

本发明涉及微波光子学领域，尤其是涉及一种基于dfb模拟直调激光器的双收双发光纤稳相装置。

背景技术：

1、光纤介质易受环境温度起伏、机械振动、外部应力等外界因素干扰，会同步引发光纤折射率、物理长度的随机波动，沿链路持续累积大量相位噪声，最终造成远端输出射频信号出现剧烈相位抖动、频率稳定度劣化，无法满足高相参系统对信号相位一致性的严苛要求，因此行业普遍采用相位闭环补偿架构抵消光纤引入的相位漂移。光纤介质易受环境温度起伏、机械振动、外部应力等外界因素干扰，会同步引发光纤折射率、物理长度的随机波动，沿链路持续累积大量相位噪声，最终造成远端输出射频信号出现剧烈相位抖动、频率稳定度劣化，无法满足高相参系统对信号相位一致性的严苛要求，因此行业普遍采用相位闭环补偿架构抵消光纤引入的相位漂移。

2、当前主流光纤稳相系统大多依托电光外调制光路完成射频信号光加载，该方案虽具备低信号失真、宽工作带宽的优势，但整体光路器件层级多、系统集成难度大，硬件采购与工程部署成本偏高，难以适配小型化、低功耗、轻量化的设备使用场景。分布反馈式（dfb）激光器凭借结构精简、体积小巧、可直接调制等特性逐步进入稳相传输研究视野，直接强度调制光路能够大幅简化系统架构，但dfb模拟直调工作模式会不可避免产生频率啁啾、非线性失真与光功率起伏噪声，严重恶化光纤链路相位噪声性能；同时传统单向补偿环路对长距离光纤双向传输扰动的抑制能力存在固有短板，补偿精度与动态稳定范围受限。

3、为改善长链路稳相性能，业内衍生出双发射或双接收多路校准架构，依靠多通道信号交叉校验提升相位误差修正能力。但现有多路校准方案大多仍依赖高成本电光外调制光源，整机造价与体积优势不突出；且在多路射频频率规划、多级混频链路匹配、环路时延抑制、相位噪声协同优化等关键环节存在诸多技术难点，若光路、射频链路设计匹配度不足，极易造成拍频输出信号信噪比恶化、闭环补偿带宽收窄，直接拉低整套稳相系统的长期工作稳定度，难以兼顾高相位稳定度、低成本、小型集成化三类核心工程需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于dfb模拟直调激光器的双收双发光纤稳相装置，解决了传统外调制光纤稳相系统结构复杂成本高、普通dfb直调链路噪声劣化严重、单向补偿架构难以抑制长距离光纤双向相位扰动、现有多路稳相方案拍频信噪比差且无冗余可靠性低，无法兼顾小型低成本与超高长期频率稳定度的问题。本发明采用两个dfb模拟直调激光器作为光源进行双发射，通过比例-积分-微分pid算法进行传输延时变化量测量和预补偿，能够实现10-19/10000s的频率稳定度。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于dfb模拟直调激光器的双收双发光纤稳相装置，包括中心站模块、远端站模块和模块外器件，所述模块外器件分别与中心站模块、远端站模块连接，所述中心站模块与远端站模块通过光纤盘连接；所述中心站模块作为发射一方，主动探测并预补偿光纤传输引入相位噪声；所述远端站模块作为发射一方，与中心站模块形成环路提高信号传输稳定性，得到相位锁定于参考频率源的频率信号；

3、所述中心站模块包括第三带通滤波器bpf3、第一锁相介质振荡器dro1、第二混频器、第一恒温压控振荡器ocxo1、第二锁相介质振荡器dro2、第一光电探测器pd1、第一dfb模拟直调激光器dml1、第一光纤扰偏器ps1、第一环形器、第一光滤波器of1；

4、所述第三带通滤波器bpf3的输出端与第一锁相介质振荡器dro1的输入端连接，所述第一锁相介质振荡器dro1的输出端与第二混频器的lo端连接；

5、所述第二混频器的if端输出信号通过pid算法计算传输时延，将传输时延输入第一恒温压控振荡器ocxo1，所述第一恒温压控振荡器ocxo1的输出端依次连接第二锁相介质振荡器dro2、第一dfb模拟直调激光器dml1、第一光纤扰偏器ps1、第一环形器，所述第一环形器分别与光纤盘的另一端、第一光滤波器of1的输入端连接，所述第一光滤波器of1的输出端与第一光电探测器pd1的输入端连接，所述第一光电探测器pd1的输出端与第二混频器的rf端连接；

6、所述第一环形器的1端口与第一光纤扰偏器ps1的输出端连接，所述第一环形器的2端口与g.652光纤盘的另一端连接，所述第一环形器的3端口与第一光滤波器of1的输入端连接；

7、所述远端站模块包括第二环形器、第二光滤波器of2、第二光电探测器pd2、第三混频器、第二恒温压控振荡器ocxo2、第三电功分器ps3、第三锁相介质振荡器dro3、第四电功分器ps4、第五带通滤波器bpf5、第二dfb模拟直调激光器dml2、第二光纤扰偏器ps2、第四带通滤波器bpf4、第二电功分器ps2、第六带通滤波器bpf6、第四锁相介质振荡器dro4，所述第二环形器的2端口与g.652光纤盘的一端连接，所述第二环形器的3端口与第二光滤波器of2的输入端连接，所述第二光滤波器of2的输出端与第二光电探测器pd2的输入端连接，所述第二光电探测器pd2的输出端与第三混频器的rf端连接；

8、所述第三混频器的lo端与第四带通滤波器bpf4的输出端连接、所述第四带通滤波器bpf4的输入端与第四电功分器ps4的1端口连接，所述第四电功分器ps4的2端口与第五带通滤波器bpf5的输入端连接，所述第五带通滤波器bpf5的输出端依次连接第二dfb模拟直调激光器dml2和第二光纤扰偏器ps2，所述第二光纤扰偏器ps2的输出端与第二环形器1端口连接；

9、所述第四电功分器ps4的s端口与第三锁相介质振荡器dro3的输出端连接，所述第三锁相介质振荡器dro3的输入端与第三电功分器ps3的2端口连接，所述第三电功分器ps3的1端口与第二电功分器ps2的s端口连接，所述第二电功分器ps2的1端口与第六带通滤波器bpf6的输入端连接，所述第二电功分器ps2的2端口与第四锁相介质振荡器dro4的输入端连接；

10、所述第三电功分器ps3的s端口与第二恒温压控振荡器ocxo2的输出端连接，所述第三混频器的if端输出的信号经pid算法计算，输入第二恒温压控振荡器ocxo2中，所述第六带通滤波器bpf6与第一混频器的rf端连接。

11、优选的，所述模块外器件包括铷原子钟、第一带通滤波器bpf1、第一电功分器ps1、第二带通滤波器bpf2、第一混频器、低通滤波器lpf、数字万用表、计算机，所述铷原子钟与第一带通滤波器bpf1的输入端连接，所述第一带通滤波器bpf1的输出端与第一电功分器ps1的s端连接，所述第一电功分器ps1的1端与第二带通滤波器bpf2的输入端连接，所述第二带通滤波器bpf2的输出端与第一混频器的lo端连接，所述第一混频器的if端与低通滤波器lpf的输入端连接，所述低通滤波器lpf的输出端依次连接数字万用表和计算机；所述第一混频器的rf端与远端站模块的输出端连接，所述远端站模块的输入端与光纤盘的一端连接，所述光纤盘的另一端与中心站模块的输出端连接，所述中心站模块的输入端通过第三带通滤波器bpf3与第一电功分器ps1的2端连接。

12、优选的，所述光纤盘的型号为g.652，链路损耗＜11db；

13、所述铷原子钟输出100mhz的信号，所述信号的输出功率为9~13dbm，稳定度＜10-14/s；

14、所述第一带通滤波器bpf1、第二带通滤波器bpf2的工作频率为95~105mhz，滤波带宽＜10mhz，插入损耗＜5db；

15、所述第一电功分器ps1的允许带宽为2~500mhz，插入损耗＜1.5db；

16、所述第一混频器的lo端和rf端工作带宽均为0.5-500mhz，if端工作带宽为dc-500mhz，变频损耗≤8db；

17、所述低通滤波器lpf的工作频率≤1mhz，隔离度＜40db；

18、所述数字万用表噪音本底≤100mv，71/2测量精度。

19、优选的，所述第一环形器的插入损耗＜3db，工作波长为c波段，所述环形器的各端口之间隔离度＞60db；

20、所述第三带通滤波器bpf3的工作频率为95~105mhz，滤波带宽＜10mhz，插入损耗＜5db；

21、所述第一锁相介质振荡器dro1、第二锁相介质振荡器dro2的信号输出功率均≥13dbm，相位噪声≤-113dbc/hz@1khz；

22、所述第一恒温压控振荡器ocxo1的信号输出功率均为≥15dbm，相位噪声≤-110dbc@1khz；

23、所述第一dfb模拟直调激光器dml1的工作波长为1550nm、输出功率最高≤12dbm、调制带宽≤18ghz、斜效率＞0.14mw/ma、线宽＜10mhz、相对强度噪声＜-145db/hz；

24、所述第一光纤扰偏器ps1的工作波长为1260-1650nm，插入损耗＜0.5db，回波损耗＞65db；

25、所述第一光滤波器of1工作波长为1550.116nm，工作带宽＜0.1nm，插入损耗≤0.8db；

26、所述第一光电探测器pd1的工作波长为c波段，工作带宽≥10ghz；

27、所述第二混频器的lo端和rf端工作带宽均为7-34ghz，if端工作带宽为dc-8ghz，变频损耗≤15db。

28、优选的，所述第二环形器的插入损耗＜3db，工作波长为c波段，所述环形器的各端口之间隔离度＞60db；

29、所述第二dfb模拟直调激光器dml2的工作波长为1550.8nm、输出功率最高≤13dbm、调制带宽≤19ghz、斜效率＞0.14mw/ma、线宽＜2mhz、相对强度噪声＜-150db/hz；

30、所述第二光纤扰偏器ps2的工作波长为1260-1650nm，插入损耗＜0.5db，回波损耗＞65db；

31、所述第二光滤波器of2工作波长为1550.918nm，工作带宽＜0.1nm，插入损耗≤0.8db。

32、优选的，所述第三锁相介质振荡器dro3、第四锁相介质振荡器dro4的信号输出功率均≥13dbm，相位噪声≤-113dbc/hz@1khz；

33、所述第二恒温压控振荡器ocxo2的信号输出功率均为≥15dbm，相位噪声≤-110dbc@1khz；

34、所述第四带通滤波器bpf4、第五通滤波器bpf5的工作频率为8.9~9.1ghz，滤波带宽＜200mhz，插入损耗＜3db；第六带通滤波器bpf6的工作频率为95~105mhz，滤波带宽＜10mhz，插入损耗＜5db；

35、所述第二电功分器ps2和第三电功分器ps3的允许带宽为2~500mhz，插入损耗＜1.5db；第四电功分器ps4的允许带宽为7~12.4ghz，插入损耗＜1db。

36、优选的，所述第三混频器的lo端和rf端工作带宽均为7-34ghz，if端工作带宽为dc-8ghz，变频损耗≤15db；

37、所述第二光电探测器pd2的工作波长为c波段，工作带宽≥10ghz。

38、因此，本发明采用上述的一种基于dfb模拟直调激光器的双收双发光纤稳相装置，技术效果如下：

39、1、本发明采用dfb激光器进行直接调制，相较于传统外调制结构，显著简化系统结构，降低器件数量和成本，同时通过优化频率规划与链路设计，有效抑制直接调制引入的啁啾和非线性效应，使得传输后的射频相位噪声得到明显改善。

40、2、本发明通过在中心站与远端站分别设置双通道发射与双通道接收结构，实现链路双向、双路的互校准与互补偿，使拍频信号具有更高信噪比及更稳定的相位特性，从而增强稳相环路中误差检测与补偿的精度。

41、3、本发明通过合理配置本lo与rf信号的混频关系，并引入多级带通滤波与低通滤波模块，有效抑制串扰、旁瓣及不必要的谐波成分，使最终获得的中频拍频信号更加纯净，提高了稳相环路的锁定精度与稳定性。

42、4、本发明在中心站和远端站均设置相位反馈与pid控制模块，并通过双路链路反馈信息进行综合补偿，大幅降低环境扰动（温度突变、应力变化等）引起的光纤相位漂移，使系统在长距离传输中仍能够实现10-19/10000s的频率稳定度。