一种用于双向光学频率比对的再生放大中继的制作方法

本发明涉及光学频率比对，特别是适用于一种用于双向光学频率比对的再生放大中继。

背景技术：

1、建立大规模长距离的光学频率时钟网络对多种应用具有重要的意义，包括时间和频率计量学、射电天文学和基于时钟的大地测量学等。为了比较位于远距离的两个站点之间的光学频率信号，双向光学频率比对技术得到了广泛的发展。然而对于长距离的双向光学频率比对而言，接收光功率会随着链路长度的增加而减小，系统评估困难。虽然可以采用级联双向掺饵光纤放大器的方式对双向光学频率信号进行放大，但链路中被放大的自发辐射噪声以及后向瑞利散射噪声会降低接收信号的信噪比，从而在系统评估时引起潜在的误判。虽然可以采用在线优化算法对各个放大器的增益进行调节以获得最优的信噪比，参见[wangl,liu y,jiao w,et al.fast and on-line link optimization for the long-distance two-way fiber-optic time and frequency transfer[j].optics express,2022,30(14):25522-25535.]，但信噪比随着链路增长引起的恶化是不可避免的。在光学频率传递系统中，为了解决信噪比恶化的问题，法国巴黎十三大学lopez等人提出了一种用于再生放大接收光信号的激光中继站[lopez o,habouchaa,kéfélian f,et al.cascadedmultiplexed optical link on a telecommunication network for frequencydissemination[j].opticsexpress,2010,18(16):16849-16857.]，通过锁相环的方式将中继站中的再生激光器锁定至前向接收光的相位上并作为待传递光向下一级发送。这种中继方式能够有效改善长距离光学频率传输时的信噪比，能够实现超长距离的光学频率传递。然而，对于长距离的光学频率比对系统而言，仍然欠缺一种合适的双向再生光放大方案以改善接收到的比对光信号的信噪比。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种用于双向光学频率比对的再生放大中继。通过两个锁相环将两个再生激光器的相位锁定至前向和后向接收到的待比对光学频率信号的相位上，实现两个接收光信号的再生与放大，能够适用于长距离的光学频率比对系统中。

2、为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

3、一种用于双向光学频率比对的再生放大中继，其特点在于，包括第一光学移频器、第一信号发生器、第一在线式法拉第镜、第一四端口环形器、第一光电探测器、第一伺服控制器、第二信号发生器、第一压电陶瓷、第一激光器、第二在线式法拉第镜、第二光学移频器、第三信号发生器、第三在线式法拉第镜、第二四端口环形器、第二光电探测器、第二伺服控制器、第四信号发生器、第二压电陶瓷以及第二激光器。所述的第一光学移频器的输入端连接至第一待比对光学频率信号(e1)，所述的第一光学移频器的输出端与射频输入端分别与所述的第一在线式法拉第镜的输入端以及所述的第一信号发生器的输出端相连，所述的第一在线式法拉第镜的输出端与所述的第一四端口环形器的第二端口相连，所述的第一四端口环形器的第一、第三和第四端口分别与所述的第一激光器的输出端、第二在线式法拉第镜的输入端以及第一光电探测器的输入端相连，所述的第一光电探测器的输出端与所述的第一伺服控制器的第一输入端相连，所述的第一伺服控制器的第二输入端和输出端分别与所述的第二信号发生器的输出端以及第一压电陶瓷的输入端相连，所述的第一压电陶瓷的输出端与所述的第一激光器的控制端相连，所述的第二光学移频器的输入端连接至第二待比对光学频率信号(e2)，所述的第二光学移频器的输出端与射频输入端分别与所述的第三在线式法拉第镜的输入端以及所述的第三信号发生器的输出端相连，所述的第三在线式法拉第镜的输出端与所述的第二四端口环形器的第二端口相连，所述的第二四端口环形器的第一、第三和第四端口分别与所述的第二激光器的输出端、所述的第二在线式法拉第镜的输出端以及所述的第二光电探测器的输入端相连，所述的第二光电探测器的输出端与所述的第二伺服控制器的第一输入端相连，所述的第二伺服控制器第二输入端和输出端分别与所述的第四信号发生器的输出端以及第二压电陶瓷的输入端相连，所述的第二压电陶瓷的输出端与所述的第二激光器的控制端相连。

4、用于光学频率比对的再生放大方法，其特点在于，该方法具体步骤如下：

5、假设上一级传递链路中的第一待比对光学频率信号e1可以表示为：

6、

7、其中，v1与分别为上一级传递链路中的第一待比对光学频率信号的角频率与初始相位。该信号经过第一光学移频器、第一在线式法拉第镜、第一四端口环形器、第二在线式法拉第镜、第二四端口环形器后进入第二光电探测器。

8、假设第二激光器产生的光学频率信号为：

9、

10、其中，v3与分别为第二激光器产生的光学频率信号的角频率与初相位，为第二压电陶瓷控制第二激光器引起的相位变化。该信号经过第二四端口环形器并被第三在线式法拉第镜反射回第二四端口环形器，经过第二在线式法拉第镜后被反射回第二四端口环形器后进入第二光电探测器，得到的拍频信号可以表示为：

11、

12、其中，ω1为第一光学移频器的驱动角频率。该拍频信号直接输入至第二伺服控制器，与参考信号鉴相后反馈控制第二压电陶瓷使第二激光器的频率与第一待比对光学频率信号之间的频率差为-ω1-ω2，其中，ω2为第二光学移频器的驱动角频率。当第二伺服控制器工作在锁定状态时，可以得到：

13、v3-v1-ω1＝-ω1-ω2

14、

15、环路锁定后，第二激光器产生的光学频率信号可以改写为：

16、

17、此时，第一待比对光学频率信号的相位得到了再生，由于第二激光器的光功率远大于经过前向链路后的接收到的光功率，因此该过程实现了前向接收光信号的再生放大。该信号经过第二四端口环形器、第三在线式法拉第镜、第二光学移频器后进入下一级链路，此时的信号可以表示为：

18、

19、在第二光学移频器的帮助下，再生后的信号同时也还原了第一待比对光学频率信号的角频率，可用于下一级链路的再生放大或稳定度评估。

20、类似地，假设下一级传递链路中的第二待比对光学频率信号e2可以表示为：

21、

22、其中，v2与分别为下一级传递链路中的第二待比对光学频率信号的角频率与初始相位。该信号经过第二光学移频器、第三在线式法拉第镜、第二四端口环形器、第二在线式法拉第镜、第一四端口环形器后进入第一光电探测器。

23、假设第一激光器309产生的光学频率信号为：

24、

25、其中，v4与分别为第一激光器产生的光学频率信号的角频率与初相位，为第一压电陶瓷控制第一激光器引起的相位变化。该信号经过第一四端口环形器并被第一在线式法拉第镜反射回第一四端口环形器，经过第二在线式法拉第镜后被反射回第一四端口环形器304后进入第一光电探测器，得到的拍频信号可以表示为：

26、

27、该拍频信号直接输入至第一伺服控制器，与参考信号鉴相后反馈控制第一压电陶瓷使第一激光器的频率与第二待比对光学频率信号之间的频率差为-ω1-ω2。当第一伺服控制器工作在锁定状态时，可以得到：

28、v4-v2-ω2＝-ω1-ω2

29、

30、环路锁定后，第一激光器产生的光学频率信号可以改写为：

31、

32、此时，第二待比对光学频率信号的相位也得到了再生与放大。该信号经过第一四端口环形器、第一在线式法拉第镜、第一光学移频器后进入上一级链路，此时的信号可以表示为：

33、

34、在第一光学移频器的帮助下，再生后的信号同时也还原了第二待比对光学频率信号的角频率，可用于上一级链路的再生放大或稳定度评估。由此，该装置实现了对前向和后向接收光学频率信号的再生放大，且由于环形器的存在，避免了接收信号对发送信号的频率混叠。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、1)本发明首次提出了一种用于双向光学频率比对系统的再生放大中继，能够同时再生放大前向和后向接收到的光学频率信号；

37、2)本发明对干涉仪进行了优化，采用在线式法拉第的结构有效抑制了带外路径，测试过程中不会引入带外相位噪声；

38、3)本发明采用环形器的方式进行外差探测，将前向和后向接收到的低功率的光学频率信号与向下一级或上一级传递的光学频率信号进行了有效隔离，避免了光学频率信号引起的频率混叠或串扰；

39、4)相比于直接放大的方式，采用本发明的再生放大中继能够改善接收信号的信噪比。对于距离较长的应用，可以级联多个再生放大中继，适用于长距离下的光学频率比对；

40、5)本发明将两个再生激光器的频率分别锁定至两个接收到的待比对光学频率信号的频率，没有引入额外的移频，能够有效还原待比对信号的频率与相位信息。