一种光纤光频、微波、时间信号的同时传递系统与方法与流程

1.本发明属于光纤通信领域，尤其涉及一种光纤光频、微波、时间信号的同时传递系统与方法。


背景技术：

2.时间是七个国际基本单位中测量精度最高的一个 ,在深空探测、射电天文、基础物理研究、地球物理测量、导航定位、精密计量、大地测量与观测等前沿科学研究以及重大基础设施与工程中，精准的时间频率都发挥着至关重要的作用。随着光学频率标准技术的飞速发展，已经成为下一代时间频率基准的有力竞争者。虽然光学频率具有较高的频率传递稳定度，但是现在全球商用的频率标准还是以微波原子钟为主。因此，实现光学频率信号、微波频率信号和时间信号的同时传递有着重要的应用价值和现实意义。本技术实现了光学频率信号、微波频率信号和时间信号的同时传递。
3.其次，现有技术通过宽带电光耦合和移频模块实现的微波信号稳定度较低，基于时差测量比对实现的光纤时间传递信号准确度和稳定度较低，例如现有技术的专利文件cn110061778a中提出了光纤微波与光学频率同时传递装置与传递方法，其通过宽带电光耦合和移频模块实现微波和光学频率的宽带耦合和相位噪声的系统补偿，实现光纤微波和光学频率同时传递。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤光频、微波、时间信号的同时传递系统，包括：原子钟、时差测量模块、时间信号产生模块、第一飞秒光梳、第二飞秒光梳、超稳光模块、编码调制模块、第一解调解码模块、第二解调解码模块、激光器、光放大模块、光纤光频传递发射机、光纤光频传递接收机、第一环形器、第二环形器、第一波分复用器、第二波分复用器、分束器和光纤链路；所述原子钟分别连接所述第一飞秒光梳、编码调制模块和时差测量模块，用于将产生的时间参考信号一路送入时差测量模块作为参考，另一路送入编码调制模块作为调制信号，将产生的频率参考信号送入第一飞秒光梳；所述第一飞秒光梳分别连接所述超稳光模块和编码调制模块，用于将产生的重复频率信号送入所述编码调制模块作为载波信号，同时将输出的光信号发送至所述超稳光模块，所述第一飞秒光梳和超稳光模块共同将频率参考信号变换为光学频率信号，所述超稳光模块连接所述光纤光频传递发射机，用于将光学频率信号送至所述光纤光频传递发射机；第一波分复用器分别连接所述光纤光频传递发射机、第一环形器和光纤链路，所述第一环形器连接所述激光器；所述光纤光频传递发射机输出光学频率信号至第一波分复用器，所述第一环形器接连接所述第一解调解码模块，用于将来自第一波分复用器的光信号送入第一解调解码模
块；所述第一环形器用于将来自激光器的光信号送入第一波分复用器，所述第一波分复用器用于将来自光纤光频传递发射机和第一环形器的光信号合成一束，送入光纤链路；所述第一解调解码模块连接所述时差测量模块，用于将光信号解调解码为时间信号送入所述时差测量模块；所述时差测量模块又连接编码调制模块，用于测量来自原子钟的时间信号和第一解调解码模块的时间信号的差值，送入编码调制模块；所述编码调制模块连接所述激光器，用于将第一飞秒光梳的信号、原子钟的时间信号和时差测量模块的实时测量值编码调制后送入所述激光器；激光器连接所述第一环形器，用于将来自编码调制模块的信号调制在固定波长的激光上，并送入第一环形器；所述第二波分复用器分别连接所述光纤光频传递接收机、第二环形器和光纤链路，用于将来自所述光纤光频传递接收机的光信号和第二环形器的光信号合成一束，送入所述光纤链路，同时将来自所述光纤链路的光信号送入光纤光频传递接收机和第二环形器；所述第二环形器连接所述分束器，用于将接收到的第二波分复用器的信号送入分束器，同时将来自分束器的光信号送入第二波分复用器；所述光纤光频传递接收机连接用户和第二分秒光梳，用于将输出的光频信号送入所述第二飞秒光梳和用户；所述第二飞秒光梳连接所述时间信号产生模块，用于将光频信号变换为微波信号，一路送入时间信号产生模块，一路输出给用户；所述第二解调解码模块连接所述时间信号产生模块，用于将来自分束器的信号解调解码为时间信号和实时的往返链路时差值，并送入所述时间信号产生模块；所述时间信号产生模块根据解调出的时间信号的差值计算出时间补偿量，对所述时间信号进行补偿，输出给用户。
5.进一步地，还包括第一光电探测器、第二光电探测器和光放大模块；所述第一光电探测器连接所述第一环形器和第一解调解码模块，用于将来自第一环形器的光信号转换为电信号，并送入第一解调解码模块；所述第二光电探测器连接所述分束器和第二解调解码模块，所述光放大模块分别连接所述第二环形器和所述分束器，所述第二光电探测器用于将光信号转换为电信号送入所述第二解调解码模块，所述光放大模块将接收到的第二环形器的信号放大后送入分束器，所述分束器根据分束比输出光信号至第二光电探测器及第二环形器。
6.进一步地，第一飞秒光梳和超稳光模块共同将频率参考信号变换为λ1波段的光学频率信号，激光器发出波长为λ
2 的光信号，所述第一波分复用器的波长通道为λ1和λ2，用于将来自光纤光频传递发射机波长为λ1的光信号和来自第一环形器波长为λ2的光信号合成一束，送入光纤链路，同时接收来自光纤链路的光信号，将来自于光纤光频传递接收机的波长为λ1的光信号送入光纤光频传递发射机，将波长为λ
2 的光信号送入第一环形器。
7.进一步地，所述时间信号产生模块用于产生1pps时间信号，并根据解调出的1pps时间信号的差值，计算出时间信号产生模块需要进行的时间补偿量，对1pps时间信号进行补偿，输出给用户。
8.本发明还提出了一种光纤光频、微波、时间信号的同时传递方法，用于实现上述传递系统，包括如下步骤：通过原子钟产生时间参考信号和频率参考信号；将时间参考信号一路送入时差测量模块作为参考，另一路送入编码调制模块作为调制信号；将产生的频率参考信号送入第一飞秒光梳；将第一飞秒光梳产生的重复频率信号送入编码调制模块作为载波信号，同时将第一飞秒光梳输出的光信号发送至超稳光模块，共同将频率参考信号变换为λ1的光学频率信号，并送至光纤光频传递发射机；将光纤光频传递发射机输出光学频率信号和来自激光器的光信号发送至第一波分复用器，第一波分复用器将光信号送入第一解调解码模块，将来自光纤光频传递发射机和第一环形器的光信号合成一束，送入光纤链路；利用第一解调解码模块将光信号解调解码为时间信号送入时差测量模块，对来自原子钟的时间信号和第一解调解码模块的时间信号的差值进行测量并送入编码调制模块；利用编码调制模块将第一飞秒光梳的信号、原子钟的时间信号和时差测量模块的实时测量值编码调制后送入所述激光器；激光器将来自编码调制模块的信号调制在固定波长的激光上，并送入第一环形器；通过第二波分复用器将来自所述光纤光频传递接收机的光信号和第二环形器的光信号合成一束，送入所述光纤链路，同时将来自所述光纤链路的光信号送入光纤光频传递接收机和第二环形器；通过第二环形器将接收到的第二波分复用器的信号送入分束器，同时将来自分束器的光信号送入第二波分复用器；光纤光频传递接收机将输出的光频信号送入第二飞秒光梳和用户，第二飞秒光梳将光频信号变换为微波信号，一路送入时间信号产生模块，一路输出给用户；通过第二解调解码模块将来自分束器的信号解调解码为时间信号和实时的往返链路时差值，并送入所述时间信号产生模块根据解调出的时间信号的差值计算出时间补偿量，对时间信号进行补偿，输出给用户。
9.进一步地，通过第一光电探测器将来自第一环形器的光信号转换为电信号送入第一解调解码模块；通过第二光电探测器将光信号转换为电信号送入第二解调解码模块，通过光放大模块将接收到的第二环形器的信号放大后送入分束器，根据分束比输出光信号至第二光电探测器及第二环形器。
10.进一步地，第一飞秒光梳和超稳光模块共同将频率参考信号变换为λ1波段的光学频率信号，激光器发出波长为λ
2 的光信号，所述第一波分复用器的波长通道为λ1和λ2，用于将来自光纤光频传递发射机波长为λ1的光信号和来自第一环形器波长为λ2的光信号合成一束，送入光纤链路，同时接收来自光纤链路的光信号，将来自于光纤光频传递接收机的波长为λ1的光信号送入光纤光频传递发射机，将波长为λ
2 的光信号送入第一环形器。
11.进一步地，所述时间信号产生模块用于产生1pps时间信号，并根据解调出的1pps时间信号的差值，计算出时间信号产生模块需要进行的时间补偿量，对1pps时间信号进行补偿，输出给用户。
12.本发明的技术方案基于飞秒光梳的光频、微波、时间信号的同时传递。原子钟的频率参考信号锁定在第一飞秒光梳上，同时将超稳光模块信号锁定在第一飞秒光梳；第一飞秒光梳的频率信号又作为光纤时间信号传递的频率参考；微波信号也是通过光学光频传递接收机输出的光学信号，经第二飞秒光梳生成；飞秒光梳在光纤光频、微波、时间传递系统及方法中起着重要的桥梁作用。
13.光纤微波信号的输出基于光纤光频传递，通过第二飞秒光梳锁定在光频信号上，其输出精度基于光频传递信号；光纤时间信号的链路时延补偿由时间信号产生模块进行补偿，链路时延的变化量由光纤光频传递接收机，通过第二飞秒光梳输出的频率信号进行实时补偿；由于光纤光频、微波、时间信号传递均基于光纤光频传递的光频信号，其相位关联；光纤微波、时间信号的精度均基于光纤光频传递的精度，而光频信号目前采用1550nm激光信号较多，根据其传递原理，其传递精度优于1e-15，光纤时间信号、微波信号其传递精度依托于光纤光频传递精度和飞秒光梳锁定稳定度，从而提高了微波和时间传递的稳定度。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是光纤光频传递原理图；图2是本发明的光纤光频、微波、时间信号的同时传递系统原理图。
具体实施方式
16.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
17.在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
18.激光在光纤中传输时，由于传输延时的存在导致光纤输出的激光存在相位差。在外界环境的影响下，导致传输光纤的光学路径发生变化，导致传输光场的相位发生波动，等效于附加的激光频率噪声。光纤光频传递技术的目标是，尽量消除各种因素对光场相位的影响，使得用户可以在光纤远端获得与光纤本地端类似稳定度和准确度的光学频率信号，即实现光学频率信号的远程传递。
19.如图1所示，为光纤光频传递原理图，激光器发出的激光经过分束后一部分注入传输光纤，经过光纤传输到达用户端，在用户端一部分光供用户使用，一部分光被反射并按原路径返回，并与参考激光进行拍频，利用光电探测器探测拍频信号，则可得激光在光纤上往返传输时引入的总相位变化：
。
20.利用上述假定，激光在光纤上往返传输时引入的相位变化是近似相等的，通过激光拍频探测出激光往返两次通过光纤的相位变化即可得出单次通过光纤引入的相位噪声。由伺服控制产生一个对应的，通过声光调制器对激光相位进行动态补偿。
21.本发明的光纤光频、微波、时间信号的同时传递系统如图2所示，传递系统100包括：原子钟10，时差测量模块20，时间信号产生模块21，第一飞秒光梳30，第二飞秒光梳31，超稳光模块40，编码调制模块50，第一解调解码模块51，第二解调解码模块52，激光器60，第一光电探测器61，光放大模块62，第二光电探测器63，光纤光频传递发射机70，光纤光频传递接收机71，第一环形器80，第二环形器81，第一波分复用器82，第二波分复用器83，分束器85，光纤链路90。
22.原子钟10产生待传输的频率参考信号和时间参考信号；时间参考信号一路送入时差测量模块20作为参考，另一路送入编码调制模块50作为调制信号；频率参考信号送入第一飞秒光梳30。本实施例中频率参考信号为10mhz信号，时间参考信号为1pps秒信号。
23.原子钟作为业界公认的时间频率参考源，其准确度和稳定度高，本传递系统及方法的传递精度较高，若采用其它参考源，就无须采用本系统及方法。
24.第一飞秒光梳30将产生的重复频率信号送入编码调制模块50作为载波信号，第一飞秒光梳30同时将输出的光信号发送至超稳光模块40，第一飞秒光梳30锁定在频率参考信号为10mhz信号上。本实施例中重复频率信号为200mhz。
25.所述超稳光模块40输出光信号的频率锁定在第一飞秒光梳输出的某个梳齿的光信号的频率上，并输出波长为1550.12nm的通信波段的光学频率信号至光纤光频传递发射机70。
26.所述光纤光频传递发射机70输出光学频率信号至第一波分复用器82，并接收来自第一波分复用器82的光学频率信号。
27.所述第一波分复用器82的波长为1550.12nm和1550.92nm，用于将来自光纤光频传递发射机70和第一环形器80的光信号合成一束，送入光纤链路90，并接收来自光纤链路90的光信号，将波长为1550.12nm的光信号送入光纤光频传递发射机70，将波长为1550.92nm的光信号送入第一环形器80。
28.所述编码调制模块50接收第一飞秒光梳30的200mhz信号、原子钟10的1pps信号和时差测量模块20的实时测量值，采用曼彻斯特编码调制后送入激光器60，其中编码信息1秒为一帧，1pps信号编码后的码元作为帧头，实时测量值编码的码元在后，空余码元用码元1填充。
29.所述激光器60将来自编码调制模块50的信号调制在波长为1550.92nm的激光上，并送入第一环形器80。
30.所述第一环形器80用于将来自激光器60的光信号送入第一波分复用器82，并接收来自第一波分复用器82的光信号，送入第一光电探测器61。
31.所述第一光电探测器61用于将来自第一环形器80的光信号转换为电信号，并送入
第一解调解码模块51。
32.所述第一解调解码模块51用于将来自第一光电探测器61混合信号解调解码为1pps时间信号，并送入时差测量模块20。
33.所述时差测量模块20，测量来自原子钟10的1pps时间信号和第一解调解码模块51的1pps时间信号的差值，记为，并送入编码调制模块50。
34.所述第二波分复用器83的波长通道为1550.12nm和1550.92nm，用于将来自光纤光频传递接收机71的波长为1550.12nm的光信号和第二环形器81的波长为和1550.92nm的光信号合成一束，送入光纤链路90，同时将来自光纤链路90的波长为1550.12nm的光信号送入光纤光频传递接收机71，将波长为1550.92nm的光信号送入第二环形器81。
35.所述光纤光频传递接收机71结合光纤光频传递发射机70通过系统内部的实时测量和补偿共同实现了光学频率信号的传递，并输出光频信号，输出的光频信号分别送入第二飞秒光梳31和用户使用。
36.所述第二飞秒光梳31用于将光频信号变换为200mhz信号，一路送入时间信号产生模块21，一路输出给用户使用。
37.所述第二环形器81将接收到的第二波分复用器83的信号送入光放大模块62，接收来自分束器85的光信号送入第二波分复用器83。
38.所述光放大模块62将接收到的第二环形器81的信号放大后送入分束器85。
39.所述分束器85根据实际情况采用适当分束比，本实施例将1:99分束比作为示例，比例为1的端口输出的光信号送入第二光电探测器63，比例为99的端口输出的光信号送入第二环形器81。
40.所述第二光电探测器63用于将光信号转换为电信号，送入第二解调解码模块52。
41.所述第二解调解码模块52用于将来自第二光电探测器63混合信号解调解码出1pps时间信号和实时的往返链路时差值，并送入时间信号产生模块21。
42.所述时间信号产生模块21用于产生1pps时间信号，输出给用户使用，其中时间信号产生模块21根据解调出的1pps时间信号的差值，计算出时间信号产生模块21需要进行的时间补偿量，对1pps时间信号进行补偿，输出给用户；其中光纤链路时延的变化量则通过实时的和光纤光频传递的分频后的频率相位保持一致，来修正补偿。
43.其中所述第二飞秒光梳31用于将光频信号变换为200mhz信号，也可为其它频率信号。
44.其中原子钟10输出到第一飞秒光梳30的信号也可以为光学信号，第一飞秒光梳30锁定在光学信号上即可。
45.本发明实现了光学频率信号、微波频率信号和时间信号的同时传递。
46.本发明基于飞秒光梳的光频、微波、时间信号的同时传递，原子钟10的频率参考信号锁定在第一飞秒光梳30上，同时将超稳光模块40信号锁定在第一飞秒光梳30上，通过光纤光频传递发射机70、光纤光频传递接收机71和第一波分复用器82、光纤链路90、第二波分复用器83实现了光频信号的传递。
47.第一飞秒光梳30的频率信号作为参考提供给编码调制模块50，编码调制模块50将原子钟10的时间参考信号和时差测量模块20测量的往返链路时差值编码调制，通过激光器
60，第一环形器80，第一波分复用器82，光纤链路90，第二环形器81，第二波分复用器83，分束器85，第二光电探测器63，第二解调解码模块52传输到时间信号产生模块21，通过光放大模块62，第二环形器81，第二波分复用器83，光纤链路90，第一波分复用器82，第一环形器80，第一光电探测器61，第一解调解码模块51，解调出时间信号给时差测量模块20,时间信号产生模块21产生时间信号，输出给用户使用，以上实现了光纤时间信号的传递。
48.光学光频传递接收机71输出的光学频率信号作为光学参考，锁定在第二飞秒光梳31，第二飞秒光梳31产生的微波信号提供给用户使用，实现了光纤微波信号的传递。
49.原子钟10的频率参考信号锁定在第一飞秒光梳30上，同时将超稳光模块40的信号锁定在第一飞秒光梳30；第一飞秒光梳30的频率信号又作为光纤时间信号传递的频率参考；微波信号也是通过光学光频传递接收机71输出的光学信号，经第二飞秒光梳31生成；飞秒光梳在光纤光频、微波、时间传递系统及方法中起着重要的桥梁作用。
50.光纤微波信号的输出基于光纤光频传递，通过第二飞秒光梳31锁定在光频信号上，其输出精度基于光频传递信号；光纤时间信号的链路时延由时间信号产生模块21补偿，链路时延的变化量基于光纤光频传递接收机71，通过第二飞秒光梳31输出的频率信号实时补偿；由于光纤光频、微波、时间信号传递均基于光纤光频传递的光频信号，其相位关联；光纤微波、时间信号的精度均基于光纤光频传递的精度，而光频信号目前采用1550nm激光信号较多，根据其传递原理，其传递精度优于1e-15，光纤时间信号、微波信号其传递精度依托于光纤光频传递精度和飞秒光梳锁定稳定度，从而，提高了微波和时间传递稳定度。
51.基于本发明的光纤光频、微波、时间信号的同时传递系统与方法，其输出相位关联，传递精度依托于飞秒光梳的稳定度和光纤光频传递的稳定度，提高了微波和时间传递稳定度。
52.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，ssd))等。
53.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。