一种光学频率标准传递中的超低噪声的光放大器，包括PID电路板、鉴相器、光电探测器、电光调制器、声光调制器、1×2光耦合器、环形器、从激光器、压控振荡器、低通滤波器、带通滤波器和射频放大器，基于从激光器注入锁定原理，设计了两级PID反馈环路。本发明反馈环路一保证了注入光频和从激光器光频的大范围实时跟踪，自动锁定，通过第二级的反馈环路实现了注入光频和从激光器输出光频相位的锁定，从而实现传输光频的超低噪声放大。可在远地端高精度地再生出传输的光学频率参考信号，整个系统同时实现了窄带宽、高增益、超低噪声，适用于光钟比对、光学频率标准传递等领域，有助于减轻传输系统复杂度，提高系统的传输精度。
1.一种光学频率标准传递中的超低噪声放大器，其特征在于，包括第一1×2光耦合器(11)、电光调制器(12)、声光调制器(13)、环形器(14)、从激光器(15)、第二1×2光耦合器(16)、第三1×2光耦合器(17)、第四1×2光耦合器(18)、射频带通滤波器(19)、第一射频放大器(20)、射频参考信号电路(21)、第一鉴相器(22)、第一PID电路板(23)、射频低通滤波器(24)、第二射频放大器(25)、第二鉴相器(26)、第二PID电路板(27)、第一光电探测器(28)、第二光电探测器(29)和压控振荡器(30)；
所述的射频参考信号电路(21)发出三路频率参考信号：第一路本地频率参考信号(211)进入第一鉴相器(22)的参考频率输入端口(221)，第二路频率参考信号(212)进入第二鉴相器(26)的参考频率输入端口(261)，第三路频率参考信号进入所述的电光调制器(12)的微波输入端口(122)；
所述的第一1×2光耦合器(11)的输入端(111)接收到光频参考信号后，通过该第一1×
2光耦合器(11)的第一输出端口(112)输出光学频率标准信号，并经电光调制器(12)的光学输入端口(121)输入至电光调制器(12)，通过电光调制器(12)调制形成具有调制边带的激光后，经该电光调制器(12)的输出端(123)和声光调制器(13)的光学输入端(131)输入至声光调制器(13)，该声光调制器(13)的输出口(133)连接环形器(14)的第一端口(141)，环形器(14)的第二端口(142)的输出光经从激光器(15)的光学端口(152)注入从激光器(15)，经该从激光器(15)放大后经该从激光器(15)的光学端口(152)输出，依次经环形器(14)的第二端口(142)、第三端口(143)和第二1×2光耦合器(16)的输入端(161)输入第二1×2光耦合器(16)，该第二1×2光耦合器(16)将输入光分为二路，一路经第二1×2光耦合器(16)的第一输出端(162)输出，入射到第一光电探测器(28)产生射频信号后依次经射频带通滤波器(19)、射频放大器(20)和第一鉴相器(22)的信号频率输入端(222)输入第一鉴相器(22)，并与所述的本地频率参考信号(211)比对产生误差信号后由第一鉴相器(22)的输出端(223)输出，经第一PID电路板(23)输出控制信号经从激光器(15)的电流调制口(151)输入，对从激光器(15)进行电流调制；另一路经第二1×2光耦合器(16)的第二输出端(163)输出，经第三1×2光耦合器(17)再分为两路，其中一路从第三1×2光耦合器(17)的第一输出端(172)输出作为放大后的光频输出注入到下一路光纤链路中或提供给用户使用，另外一路从第三1×2光耦合器(17)的第二输出端(173)输出，和通过该第一1×2光耦合器(11)的第二输出端口(113)输出的光频参考信号在所述的第四1×2光耦合器(18)上合束后，经第四1×2光耦合器(18)的输出端(183)输出到第二光电探测器(29)拍频产生射频信号，该射频信号依次经射频低通滤波器(24)和第二射频放大器(25)后，通过第二鉴相器(26)的信号频率输入端口(262)输入到第二鉴相器(26)中，并和第二路频率参考信号(212)比对后经由第二鉴相器(26)的输出端口(263)输出误差信号至第二PID电路板(27)，经该第二PID电路板(27)输出控制信号作用于压控振荡器(30)，该压控振荡器(30)输出射频信号作用于声光调制器(13)，从而驱动声光调制器(13)进行频率调制，完成第二级PID环路反馈。
2.根据权利要求1所述的光学频率标准传递中的超低噪声放大器，其特征在于，所述的从激光器(15)的注入锁定过程由两级PID反馈环路进行锁定，第一级用于注入光频和从激光器光频的自动大范围频率锁定，第二级用于注入光频和从激光器光频的相位锁定。
一种光学频率标准传递中的超低噪声放大器
技术领域
[0001] 本发明涉及高精度光纤光学频率传输，特别是一种长距离光纤光学频率传输系统中的超低噪声放大器，主要目的是对长距离光纤传递中信号光功率的损耗进行补偿，从而在远地端高精度地恢复本地端的频率参考信号，可应用于光钟比对、光学频率传输等领域。
背景技术
[0002] 高精度频率标准及其传递与比对是精准守时授时、精密导航定位、雷达组网、深空探测、精密计量与测量等重大基础设施建设和前沿科学研究中的共性基础问题和核心关键技术之一。标准方面随着现代时钟技术的不断进步， GPS/北斗使用的地面氢原子钟的秒稳-13定度已达到1×10 量级，同时建立当前国际时频标准的铯原子喷泉钟的频率不确定度可小于1×10-15。近年来，有望成为新一代时频标准的光钟的频率稳定性和不确定度都已达到
1×10-18量级。为了传递如此高精度的光学频率标准，传统的卫星传递方法已经远远不能满足需求，因而基于光纤的高精度光学频率传递技术应运而生。现已证明，基于光纤的频率传递技术可以满足光学频率标准的传递需求，但是此项技术除了在传递过程当中需要对光纤链路引入的噪声进行补偿之外，对长距离链路传输所造成的信号功率损耗进行补偿，提高探测信号的信噪比也是极其重要的。
[0003] 为了对信号功率的损失进行补偿，人们提出了多种解决方案。在先技术一：Grosche G,Terra O,Predehl K,et al.Optical frequency transfer via 146km fiber link with 10-19relative accuracy[J].Optics letters,2009,34(15):2270-2272，通过使用双向掺铒光纤放大器(EDFA)来对损失的信号功率进行补偿。但是由于双向EDFA的放大带宽大且双向工作不能使用任何光隔离器，所以链路中的端面反射、瑞利散射光均会对EDFA产生不必要的光反馈，触发EDFA 的受激效应，这便限制了EDFA的增益(通常为18-
20dB)，且会劣化光频传递的稳定性。
[0004] 在先技术二：Terra O,Grosche G,Schnatz H.Brillouin amplification in phase coherent transfer of optical frequencies over 480km fiber[J].Optics express,2010, 18(15):16102-16111，提出了光纤布里渊放大的方案。光纤布里渊放大器的优点是信号的放大带宽小(通常小于30MHz)。在一个典型的光学频率传递的场景中，光频信号在光纤中双向传递且两个方向的光频相差几十MHz。这样在使用光纤布里渊放大器时，两个方向的光频可以分别放大，从而避免了瑞利背向散射信号的放大对放大器增益和传递稳定性的影响。然而，由于光纤布里渊放大器小的增益带宽，为了保证放大的效果，通常布里渊泵浦激光的光频需要锁定在被放大光信号的光频上，增加了系统的复杂度，且由于其依然要使用光泵浦，所以在一定程度上也会劣化传递系统的性能。
发明内容
[0005] 本发明提出一种光学频率标准传递中的超低噪声放大器，该放大器在从激光器注入锁定实现窄带宽、高增益光放大的基础上，设计了两级PID反馈环路，第一级反馈环路保证了注入光频和从激光器光频的大范围实时跟踪，自动锁定；第二级的反馈环路实现了注入光频和从激光器输出光频相位的锁定，从而实现传输光频的超低噪声放大。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] 一种光学频率标准传递中的超低噪声放大器，其特点在于，包括第一1 ×2光耦合器、电光调制器、声光调制器、环形器、从激光器、第二1×2光耦合器、第三1×2光耦合器、第四1×2光耦合器、射频带通滤波器、第一射频放大器、射频参考信号电路、第一鉴相器、第一PID电路板、射频低通滤波器、第二射频放大器、第二鉴相器、第二PID电路板、第一光电探测器、第二光电探测器和压控振荡器；
[0008] 所述的射频参考信号电路发出三路频率参考信号：第一路本地频率参考信号进入第一鉴相器的参考频率输入端口，第二路频率参考信号进入第二鉴相器的参考频率输入端口，第三路频率参考信号进入所述的电光调制器的微波输入端口，光频参考信号经第一1×2光耦合器的输入端口输入后，通过该第一1×2光耦合器的第一输出端口输出的光学频率标准信号经电光调制器的光学输入端口输入，通过电光调制器调制形成具有调制边带的激光，经该电光调制器的输出端与声光调制器的光学输入端相连，该声光调制器的输出口连接环形器的第一端口，环形器的第二端口的输出光注入从激光器的光学端口，经从激光器放大后从该光学端口输出，返回环形器的第二端口，再由环形器的第三端口输出到第二1×
2光耦合器，经第二1×2光耦合器将输入光分为二路，一路经第二1×2光耦合器的第一输出端输出，入射到第一光电探测器产生射频信号后依次经射频带通滤波器和射频放大器输入第一鉴相器的信号频率输入端，与所述的本地频率参考信号比对产生误差信号后由鉴相器输出端输出，经PID电路输出控制信号经从激光器的电流调制口输入，对从激光器进行电流调制；另一路经第二1×2光耦合器的第二输出端输出，经第三1×2光耦合器分为两路，其中一路从第三1×2光耦合器的第一输出端输出作为放大后的光频输出注入到下一路光纤链路中或提供给用户使用，另外一路从第三1×2光耦合器的第二输出端口输出，和通过该第一1×2光耦合器的第二输出端口输出的光频参考信号在所述的第四1×2光耦合器上合束后，经第四1×2光耦合器的输出端输出到第二光电探测器拍频产生射频信号，该射频信号依次经射频低通滤波器和第二射频放大器后通过第二鉴相器的信号频率输入端口输入到第二鉴相器中，并和第二路频率参考信号比对后经由第二鉴相器的输出端口输出误差信号至第二PID电路，经该第二PID电路输出控制信号作用于压控振荡器，该压控振荡器输出射频信号作用于声光调制器，从而驱动声光调制器进行频率调制，完成第二级PID环路反馈。
[0009] 所述的从激光器的注入锁定过程由两级PID反馈环路进行锁定，第一级用于注入光频和从激光器光频的自动大范围频率锁定，第二级用于注入光频和从激光器光频的相位锁定。
[0010] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0011] 1)基于从激光器的注入锁定原理，在锁定状态时，从激光器的输出特性和注入光频的特性相一致，并且在弱光注入时，注入光频和从激光器光频的锁定带宽较小，所以在将其作为信号的再生放大使用时，可以同时满足窄带宽(小于100MHz)、高增益(40-50dB)两个特征。相比于EDFA，其增益带宽小，增益高；相比于光纤布里渊放大器，其不需要光学泵浦，结构简单，易于使用。
[0012] 2)设计了两级PID反馈环路，第一级反馈环路保证了注入光频和从激光器光频的大范围实时跟踪，自动锁定；第二级的反馈环路将从激光器放大的光频信号的相位锁定在了注入光频的相位上，消除了注入锁定过程引入的附加相位波动(附加频率波动小于1mHz)，相比于上述两种光学放大手段，实现了传输光频的超低噪声放大。
附图说明
[0013] 图1是本发明光学频率标准传递中的超低噪声放大器结构示意图；
具体实施方式
[0014] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0015] 请参阅图1，图1是本发明光学频率标准传递中的超低噪声放大器结构示意图，由图可见，一种光学频率标准传递中的超低噪声放大器，包括第一1 ×2光耦合器11、电光调制器12、声光调制器13、环形器14、从激光器15、第二1×2光耦合器16、第三1×2光耦合器17、第四1×2光耦合器18、射频带通滤波器19、第一射频放大器20、射频参考信号电路21、第一鉴相器 22、第一PID电路板23、低通滤波器24、第二射频放大器25、第二鉴相器 26、第二PID电路板27、第一光电探测器28、第二光电探测器29和压控振荡器30。
[0016] 图1中所述的射频参考信号电路21发出三路频率参考信号：第一路本地频率参考信号211进入反馈环路一中第一鉴相器22的频率参考输入端口221，第二路频率参考信号212进入反馈环路二中第二鉴相器26的频率参考输入端口261，第三路频率参考信号进入所述的电光调制器12的微波输入端口122。
[0017] 上述的射频参考信号电路至少有三路射频信号输出。在本发明的一个实施例中211端口和212端口输出1GHz射频信号，213端口输出80MHz射频信号。如果鉴相器的鉴相输入频率范围增大，则211端口和212端口输出的射频频率可以增大。在实际使用中，可以将此射频参考信号电路锁定在标准射频源上(例如铷钟)，从而提高两个反馈环路的性能。
[0018] 图1中光频参考信号经第一1×2光耦合器11的输入端111输入，其后再从该第一1×2光耦合器11的输出端112输出后，输入电光调制器12的光学输入端121进行调制使其形成具有调制边带的激光，该电光调制器12的光学输出端123与声光调制器13的光学输入端131相连，该声光调制器13的光学输出口133连接环形器14的第一端口141，环形器14的第二端口142的输出光注入从激光器15的光学端口152，而后经从激光器15放大后的光信号返回该端口152并输入环形器14的第二端口142，再由环形器14的第三端口 143输出。
[0019] 上述的环形器14的第三端口143的输出即为放大后的光频信号。在本发明的一个实施例中，注入从激光器15的光信号功率<1uw，从激光器15的输出为20mw，因此该放大增益>40dB。实际中的放大增益由从激光器15的输出功率和注入光功率决定，注入光功率可以通过调节第一1×2光耦合器11 的耦合比来进行调节，在本发明的一个实施例中1×2光耦合器11的耦合比为2:8。
[0020] 环形器14的第三端口143输出的放大后的光信号输入到第二1×2光耦合器16的输入端口161，该第二1×2光耦合器16将输入光一分为二，一路光经第一输出端口162输入到反馈环路一中的第一光电探测器28进行直接探测，探测到的射频信号依次经由射频带通滤波器19、射频放大器20处理后输入第一鉴相器22的信号频率输入端口222，与前述的射频参考信号221比对产生误差信号，该误差信号由第一鉴相器22输出口223输出给PID电路23 的输入口231，经过比例-积分-微分信号处理后从232口输出控制信号给从激光器15的电流调制口151，从而对从激光器进行频率调制。
[0021] 上述过程实现了反馈环路一。在本发明的一个实施例中，第一光电探测器 28的调制边带为1GHz，当保持注入锁定状态时，没有误差信号产生，而一旦注入光频和从激光器15的光频发生偏移，则第一鉴相器22输出误差信号，经由PID电路23处理后产生控制信号调制从激光器15的驱动电流，使得从激光器15的光频移动，直到注入光频和从激光器15光频保持一致重新锁定时误差信号为零，此时从激光器15的光频停止移动。该反馈保证了注入光频和从激光器光频的大范围实时跟踪，自动锁定。
[0022] 图1中第二1×2光耦合器16的第二输出端口163输出的光经过第三1 ×2光耦合器17分为两路，其中一路172端口作为放大后的光频输出注入到下一路光纤链路中或提供给用户使用，另一路173端口输出和第一1×2光耦合器11的第二输出端口113的输出在第四1×2光耦合器18上合束，该第四 1×2光耦合器18的输出端口183输出光信号到反馈环路二的第二光电探测器 29上，得到的拍频信号依次经过射频低通滤波器24和射频放大器25后输入到第二鉴相器26的信号频率输入端口262中，与前述的参考信号261比对后的误差信号经由第二鉴相器26的输出端口263输入到PID电路27的输入口271，经比例-积分-微分电路信号处理之后从272口输出控制信号作用于压控振荡器30的频率调制端口301，该压控振荡器的输出作用于声光调制器13的射频输入口132从而驱动声光调制器13进行频率调制。
[0023] 上述过程实现了反馈环路二。当注入光频和从激光器光频差在注入锁定带宽内时，从激光器的光频是锁定在注入信号光频上的，但是它们的相对相位表达式如下：
[0024]
[0025] 从上式可以看出，即使实现了反馈环路一，使得从激光器光频锁定在注入光频上，它们之间的相对相位依然会随着诸多参量的变化而变化，使得经放大后的信号引入额外的相位噪声。在本发明的一个实施实例中，使用中心频率为80MHz的AOM作为相位锁定的执行器件，将注入光频和从激光器光频进行相位锁定，保证了注入锁定过程中的附加频率波动小于1mHz。从而实现传输光频的超低噪声放大。
