一种基于延时的光学频率传递装置和方法，该装置由本地端、传递链路和中继端组成，本地端的输入光信号通过传递链路传输到中继端，同时中继端的从激光器的输出光信号在经过相同的传递链路传输到本地端后再次被反射回中继端。该方法中两路经过传递链路的信号光到达中继端后输入至光学频率延时比对单元获得主激光器和从激光器之间的相对频率偏差，使用该相对频率偏差反馈控制从激光器的输出光的信号频率，使得从激光器和本地端输入光信号之间的频率相对稳定。通过对两路光信号施加不同的附加时间延迟进行频率比传统传递方法可以减小传递链路引入的相位噪声。中继站采用相位补偿方式可向下一个链路进行光学频率传递，实现级联的光学频率传递。
1.一种基于延时的光学频率传递装置，其特征在于，由依次相连的本地端(1)、传递链路(2)和中继端(3)构成，所述的本地端(1)由主激光器(4)、第一光隔离器(5)、第一光耦合器(6)、第一法拉第旋转镜(7)、第一声光移频器(8)和第一微波源(9)组成，所述的主激光器(4)的输出端与所述的第一光隔离器(5)的输入端相连，所述的第一光隔离器(5)的输出端与所述的第一光耦合器(6)的1端口相连，所述的第一光耦合器(6)的2、3端口分别与所述的第一法拉第旋转镜(7)、所述的第一声光移频器(8)相连1端口，所述的第一声光移频器(8)的2端口及射频信号输入口分别与所述的传递链路(2)、第一微波源(9)相连；
所述的中继端(3)包括第二微波源(10)、第二声光移频器(11)、第二光耦合器(12)、第二光隔离器(13)、光频延时比对模块(14)、光频反馈模块(15)、从激光器(16)、第三光耦合器(17)和第二法拉第旋转镜(18)，所述的传递链路(2)与所述的第二声光移频器(11)的1端口相连，所述的第二声光移频器(11)的2端口及射频信号输入口分别与第二光耦合器(12)的1端口、所述的第二微波源(10)的输出端相连，所述的第二光耦合器(12)的2、3、4端口分别与所述的第二法拉第旋转镜(18)、所述的第二光隔离器(13)的输出端口、所述的光频延时比对模块(14)的输入端口相连，所述的第二光隔离器(13)的输入端口与所述的第三光耦合器(17)的1端口相连，所述的第三光耦合器(17)的3端口与所述的从激光器(16)的输出端口相连，所述的光频延时比对模块(14)的输出端口与所述的光频反馈模块(15)的输入端口相连，所述的光频反馈模块(15)的输出端口与所述的从激光器(16)的反馈控制端口相连，所述的第三光耦合器(17)的2端口为所述的中继端(3)的光频信号输出端口。
2.根据权利要求1所述的基于延时的光学频率传递装置，其特征在于，所述的中继端(3)还包括第三声光移频器(19)，所述的第二光隔离器(13)的输入端口与所述的第三光耦合器(17)的1端口相连，所述的光频反馈模块(15)的输出端口与所述的第三声光移频器(19)的射频信号输入口相连，所述的第三声光移频器(19)的1端口与所述的第三光耦合器(17)的2端口相连，所述的第三声光移频器(19)的2端口为所述的中继端(3)光频信号的输出端口。
3.根据权利要求1所述的基于延时的光学频率传递装置，其特征在于，所述的传递链路(2)为光纤链路或者自由空间链路。
4.利用权利要求1所述的基于延时的光学频率传递装置进行光学频率传递方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)所述的本地端(1)的主激光器(4)输出的信号光称为主光学频率信号E1，该主光学频率信号E1依次经所述的第一光隔离器(5)、第一光耦合器(6)、第一声光移频器(8)、传递链路(2)后注入所述的中继端(3)，该主光学频率信号E1经所述的第二声光移频器(11)、第二光耦合器(12)后注入至所述的光频延时比对模块(14)；
2)所述的从激光器(16)输出的从光学频率信号E2经所述的第三光耦合器(17)、第二光隔离器(13)、所述的第二光耦合器(12)后被分为从光学频率信号E2和参考光信号E0两部分：所述的从光学频率信号E2依次经所述的第二声光移频器(11)、传递链路(2)、第一声光移频器(8)、第一光耦合器(6)后注入所述的第一法拉第旋转镜(7)，该从光学频率信号E2被所述的第一法拉第旋转镜(7)反射后，依次经所述的第一光耦合器(6)、第一声光移频器(8)、传递链路(2)后返回中继端(3)，并经所述的第二声光移频器(11)、所述的第二光耦合器(12)后注入所述的光频延时比对模块(14)；所述的参考光信号E0被所述的第二法拉第旋转镜(18)反射后经所述的第二光耦合器(12)注入至所述的光频延时比对模块(14)用来提供相干探测的参考光信号；
3)在所述的光频延时比对模块(14)中，所述的参考光信号E0、主光学频率信号E1、从光学频率信号E2会产生三种频率不同的微波信号：式中， 其中，
为从光学频率信号E2在所述的传递链路(2)中往返传播过程中引入的相位噪声，为主光学频率信号E1在所述的传递链路(2)中向所述的本地端(1)传播过程中引入的相位噪声， 为主光学频率信号E1在所述的传递链路(2)中向所述的中继端(3)传播过程中引入的相位噪声， 为主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对相位；
4)在所述的光频延时比对模块(14)中，还会产生上述三个信号延时δτ的微波信号，其表达式分别为：
假设所述的传递链路(2)引入的是慢变的相位噪声，那么有如下关系：
5)根据步骤3)和步骤4)中微波信号的相位，选择不同的微波信号组合来获得主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对频率偏差，三种方法的相位操作过程如下：方法1：
实际上，即使假设所述的传递链路(2)引入的是慢变的相位噪声，在使用所述的方法1‑
3时，所述的传递链路(2)引入的相位噪声仍有一部分残余，对于所述的方法1‑3，所述的传递链路(2)引入的残余相位噪声的功率谱密度分别表示为：其中，τ表示光信号在所述的传递链路(2)中的传播时间，S0(ω)为光信号在所述的传递链路(2)中单次传播引入的相位噪声功率谱密度；
如果不引入延时(即δτ＝0)，那么所述的传递链路残余噪声的功率谱密度均为：
6)对于获得主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对频率偏差 的方法1‑3分别施加时间延迟τ/2、τ/2和τ时，将所述的传递链路(2)引入的残余相位噪声的功率谱密度进一步降低为：
7)因此，将步骤5中三种方法的任意一种得到的 反馈给所述的从激光器(16)，均将所述的从激光器(16)锁定至所述的主激光器(4)，且对所述的传递链路(2)引入的相位噪声抑制效果更好。
5.根据权利要求4所述的光学频率传递方法，其特征在于，所述的反馈控制采用直接法，即将所述的光频反馈模块(15)的输出直接控制所述的从激光器(16)内部参数，进而直接控制所述的从激光器(16)的输出光学频率，即控制所述的中继端(3)的输出光学频率，实现光学频率传递。
6.根据权利要求4所述的光学频率传递方法，其特征在于，所述的反馈控制采用间接法，即将所述的从激光器(16)的输出通过所述的第三光耦合器(17)和第三声光移频器(19)后作为所述的中继端(3)的光频信号输出，此时，将所述的光频反馈模块(15)的输出信号通过所述的第三声光移频器(19) 间接控制所述的中继端(3)的输出光学频率，实现光学频率传递。
基于延时的光学频率传递装置和光学频率传递方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光学频率传递，特别是一种基于延时的光学频率传递装置和光学频率传递方法。
背景技术
[0002] 高精度时间频率传递技术在基础科学、应用科学、民生国防等方面发挥着重要的作用。如今，随着光原子钟的准确度和稳定度的不断提升，光学频率信号稳定传递技术也成为了构建大范围光原子钟网络的重要组成部分。然而，光学频率信号在传递的过程中，传递链路将会产生两方面的影响：(1)传递链路的衰减将导致光学频率信号远距离传输时功率变弱，如果使用光放大器进行功率放大，将引入额外的自发辐射噪声，恶化光学频率信号的频率稳定度；(2)传递链路的时延抖动将对光学频率信号引入的相位噪声，恶化光学频率信号的稳定度。并且，传递链路引入的相位噪声功率谱密度与传递链路距离平方成正比，距离越长，恶化效果越明显。此外，随着光纤距离的增长，频率传递系统的补偿带宽会受限于光纤链路的时延。2014年意大利天文台提出了一种电学延时的方法可减小光纤链路引入的时延[参见Calosso,C.E.,Bertacco,E.K.,Calonico,D.,Clivati,C.,Costanzo,G.A.,Frittelli,M.,Levi,F.,Micalizio,S.,Mura,A.and Godone,A.,2015.Doppler‑stabilized fiber link with 6dB noise improvement below the classical limit.Optics letters,40(2),pp.131‑134.]，但是该方法需要对数据进行预测，不适用于光学频率传递的需求。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于延时的光学频率传递装置和光学频率传递方法。本发明通过将中继站点的从激光器与所传递的光学频率信号进行延时比对，既可以将从激光器的输出光学信号的频率锁定至所传递的光学频率信号，又可以抑制光学频率信号在传递链路引入的相位噪声。
[0004] 本发明的技术解决方案如下：
[0005] 一种基于延时的光学频率传递装置，其特点在于，由依次相连的本地端、传递链路和中继端构成，
[0006] 所述的本地端由主激光器、第一光隔离器、第一光耦合器、第一法拉第旋转镜、第一声光移频器和第一微波源组成，所述的主激光器的输出端与所述的第一光隔离器的输入端相连，所述的第一光隔离器的输出端与所述的第一光耦合器的1端口相连，所述的第一光耦合器的2、3端口分别与所述的第一法拉第旋转镜、所述的第一声光移频器1端口相连，所述的第一声光移频器的2端口及射频信号输入口分别与所述的传递链路、第一微波源相连；
[0007] 所述的中继端包括第二微波源、第二声光移频器、第二光耦合器、第二光隔离器、光频延时比对模块、光频反馈模块、从激光器、第三光耦合器和第二法拉第旋转镜，所述的传递链路与所述的第二声光移频器的1端口相连，所述的第二声光移频器的2端口及射频信号输入口分别与第二光耦合器的1端口、所述的第二微波源的输出端相连，所述的第二光耦合器的2、3、4端口分别与所述的第二法拉第旋转镜、所述的第二光隔离器的输出端口、所述的光频延时比对模块的输入端口相连，所述的第二光隔离器的输入端口与所述的第三光耦合器的1端口相连，所述的第三光耦合器的3端口与所述的从激光器的输出端口相连，所述的光频延时比对模块的输出端口与所述的光频反馈模块的输入端口相连，所述的光频反馈模块的输出端口与所述的从激光器的反馈控制端口相连，所述的第三光耦合器的2端口为所述的中继端的光频信号输出端口。
[0008] 所述的中继端还包括第三声光移频器，所述的第二光隔离器的输入端口与所述的第三光耦合器的1端口相连，所述的光频反馈模块的输出端口与所述的第三声光移频器的射频信号输入口相连，所述的第三声光移频器的1端口与所述的第三光耦合器的2端口相连，所述的第三声光移频器的2端口为所述的中继端光频信号的输出端口。
[0009] 所述的传递链路为光纤链路或者自由空间链路。
[0010] 利用上述基于延时的光学频率传递装置进行光学频率传递方法，该方法包括如下步骤：
[0011] 1)所述的本地端的主激光器输出的信号光称为主光学频率信号E1，该主光学频率信号E1依次经所述的第一光隔离器、第一光耦合器、第一声光移频器、传递链路后注入所述的中继端，该主光学频率信号E1经所述的第二声光移频器、第二光耦合器后注入至所述的光频延时比对模块；
[0012] 2)所述的从激光器输出的从光学频率信号E2经所述的第三光耦合器、第二光隔离器、所述的第二光耦合器后被分为从光学频率信号E2和E0两部分：所述的从光学频率信号E2依次经所述的第二声光移频器、传递链路、第一声光移频器、第一光耦合器后注入所述的第一法拉第旋转镜，该从光学频率信号E2被所述的第一法拉第旋转镜反射后，依次经所述的第一光耦合器、第一声光移频器、传递链路后返回中继端，并经所述的第二声光移频器、所述的第二光耦合器后注入所述的光频延时比对模块；所述的E0被所述的第二法拉第旋转镜反射后经所述的第二光耦合器注入至所述的光频延时比对模块用来提供相干探测的参考光信号；
[0013] 3)在所述的光频延时比对模块中，所述的参考光信号E0、主光学频率信号E1、从光学频率信号E2会产生三种频率不同的微波信号：
[0014]
[0015]
[0016]
[0017] 式中， 其中， 为从光学频率信号E2在所述的传递链路中往返传播过程中引入的相位噪声，为主光学频率信号E1在所述的传递链路中向所述的本地端传播过程中引入的相位噪声， 为主光学频率信号E1在所述的传递链路中向所述的中继端传播过程中引入的相位噪声， 为主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对相位；
[0018] 4)在所述的光频延时比对模块中，还会产生上述三个信号延时δτ的微波信号，其表达式分别为：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 式中，
[0023]
[0024] 假设所述的传递链路引入的是慢变的相位噪声，那么有如下关系：
[0025]
[0026] 5)根据步骤3)和步骤4)中微波信号的相位，可以选择不同的微波信号组合来获得主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对频率偏差，三种方法的相位操作过程如下：
[0027] 方法1：
[0028] 方法2：
[0029] 方法3：
[0030] 实际上，即使假设所述的传递链路引入的是慢变的相位噪声，在使用所述的方法1‑3时，所述的传递链路引入的相位噪声仍有一部分残余，对于所述的方法1‑3，所述的传递链路引入的残余相位噪声的功率谱密度可以分别表示为：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 其中，τ表示光信号在所述的传递链路中的传播时间，S0(ω)为光信号在所述的传递链路中单次传播引入的相位噪声功率谱密度；
[0035] 如果不引入延时(即δτ＝0)，那么所述的传递链路残余噪声的功率谱密度均为：
[0036]
[0037] 6)对于获得主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对频率偏差 的方法1‑3分别施加时间延迟τ/2、τ/2和τ时，可以将所述的传递链路引入的残余相位噪声的功率谱密度进一步降低为：
[0038]
[0039] 7)因此，将步骤5中三种方法的任意一种得到的 反馈给所述的从激光器，均可以将所述的从激光器锁定至所述的主激光器，且对所述的传递链路引入的相位噪声抑制效果更好。
[0040] 所述的反馈控制可以采用直接法，即将所述的光频反馈模块的输出直接控制所述的从激光器内部参数(如工作温度、工作电流等)，进而直接控制所述的从激光器的输出光学频率，即控制所述的中继端的输出光学频率，实现光学频率传递。
[0041] 所述的反馈控制也可以采用间接法，即将所述的从激光器的输出通过所述的第三光耦合器和所述的第三声光移频器后作为所述的中继端的光频信号输出，此时，将所述的光频反馈模块的输出信号通过所述的第三声光移频器间接控制所述的中继端的输出光学频率，实现光学频率传递。
[0042] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043] 本发明通过使用延时频率比对的方法，实现了进一步抑制传递链路引入的相位噪声，相应地提高频率传递的稳定度。
附图说明
[0044] 图1是本发明基于延时的光学频率传递装置实施例1的结构示意图；
[0045] 图2是本发明基于延时的光学频率传递装置实施例2的结构示意图。
具体实施方式
[0046] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0047] 先请参阅图1，图1为本发明基于延时的光学频率传递装置的实施例1的结构示意图，由图可见，本发明基于延时的光学频率传递装置，由依次相连的本地端1、传递链路2和中继端3构成，
[0048] 所述的本地端1由主激光器4、第一光隔离器5、第一光耦合器6、第一法拉第旋转镜7、第一声光移频器8和第一微波源9组成，所述的主激光器4的输出端与所述的第一光隔离器5的输入端相连，所述的第一光隔离器5的输出端与所述的第一光耦合器6的1端口相连，所述的第一光耦合器6的2、3端口分别与所述的第一法拉第旋转镜7、所述的第一声光移频器8相连1端口，所述的第一声光移频器8的2端口及射频信号输入口分别与所述的传递链路
2、第一微波源9相连；
[0049] 所述的中继端3包括第二微波源10、第二声光移频器11、第二光耦合器12、第二光隔离器13、光频延时比对模块14、光频反馈模块15、从激光器16、第三光耦合器17和第二法拉第旋转镜18，所述的传递链路2与所述的第二声光移频器11的1端口相连，所述的第二声光移频器11的2端口及射频信号输入口分别与第二光耦合器12的1端口、所述的第二微波源10的输出端相连，所述的第二光耦合器12的2、3、4端口分别与所述的第二法拉第旋转镜18、所述的第二光隔离器13的输出端口、所述的光频延时比对模块14的输入端口相连，所述的第二光隔离器13的输入端口与所述的第三光耦合器17的1端口相连，所述的第三光耦合器
17的3端口与所述的从激光器16的输出端口相连，所述的光频延时比对模块14的输出端口与所述的光频反馈模块15的输入端口相连，所述的光频反馈模块15的输出端口与所述的从激光器16的反馈控制端口相连，所述的第三光耦合器17的2端口为所述的中继端3的光频信号输出端口。
[0050] 参阅图2，图2是本发明基于延时的光学频率传递装置实施例2的结构示意图。图2与图1相比，就是图2的中继端3多了第三声光移频器19，所述的第二光隔离器13的输入端口与所述的第三光耦合器17的1端口相连，所述的光频反馈模块15的输出端口与所述的第三声光移频器19的射频信号输入口相连，所述的第三声光移频器19的1端口与所述的第三光耦合器17的2端口相连，所述的第三声光移频器19的2端口为所述的中继端3光频信号的输出端口。
[0051] 所述的传递链路2为光纤链路或者自由空间链路。
[0052] 利用上述基于延时的光学频率传递装置进行光学频率传递方法，该方法包括如下步骤：
[0053] 1)所述的本地端1的主激光器4输出的信号光称为主光学频率信号E1，该主光学频率信号E1依次经所述的第一光隔离器5、第一光耦合器6、第一声光移频器8、传递链路2后注入所述的中继端3，该主光学频率信号E1经所述的第二声光移频器11、第二光耦合器12后注入至所述的光频延时比对模块14；
[0054] 2)所述的从激光器16输出的从光学频率信号E2经所述的第三光耦合器17、第二光隔离器13、所述的第二光耦合器12后被分为从光学频率信号E2和E0两部分：所述的从光学频率信号E2依次经所述的第二声光移频器11、传递链路2、第一声光移频器8、第一光耦合器6后注入所述的第一法拉第旋转镜7，该从光学频率信号E2被所述的第一法拉第旋转镜7反射后，依次经所述的第一光耦合器6、第一声光移频器8、传递链路2后返回中继端3，并经所述的第二声光移频器11、所述的第二光耦合器12后注入所述的光频延时比对模块14；所述的E0被所述的第二法拉第旋转镜18反射后经所述的第二光耦合器12注入至所述的光频延时比对模块14用来提供相干探测的参考光信号E0；
[0055] 3)在所述的光频延时比对模块14中，所述的参考光信号E0、主光学频率信号E1、从光学频率信号E2会产生三种频率不同的微波信号：
[0056]
[0057]
[0058]
[0059] 式中， 其中， 为从光学频率信号E2在所述的传递链路2中往返传播过程中引入的相位噪声，为主光学频率信号E1在所述的传递链路2中向所述的本地端1传播过程中引入的相位噪声， 为主光学频率信号E1在所述的传递链路2中向所述的中继端3传播过程中引入的相位噪声， 为主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对相位；
[0060] 4)在所述的光频延时比对模块14中，还会产生上述三个信号延时δτ的微波信号，其表达式分别为：
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 式中，
[0065]
[0066] 假设所述的传递链路2引入的是慢变的相位噪声，那么有如下关系：
[0067]
[0068] 5)根据步骤3)和步骤4)中微波信号的相位，可以选择不同的微波信号组合来获得主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对频率偏差，三种方法的相位操作过程如下：
[0069] 方法1：
[0070] 方法2：
[0071] 方法3：
[0072] 实际上，即使假设所述的传递链路2引入的是慢变的相位噪声，在使用所述的方法1‑3时，所述的传递链路2引入的相位噪声仍有一部分残余，对于所述的方法1‑3，所述的传递链路2引入的残余相位噪声的功率谱密度可以分别表示为：
[0073]
[0074]
[0075]
[0076] 其中，τ表示光信号在所述的传递链路2中的传播时间，S0(ω)为光信号在所述的传递链路2中单次传播引入的相位噪声功率谱密度；
[0077] 如果不引入延时(即δτ＝0)，那么所述的传递链路残余噪声的功率谱密度均为：
[0078]
[0079] 6)对于获得主光学频率信号E1和从光学频率信号E2之间的相对频率偏差 的方法1‑3分别施加时间延迟τ/2、τ/2和τ时，可以将所述的传递链路2引入的残余相位噪声的功率谱密度进一步降低为：
[0080]
[0081] 7)因此，将步骤5中三种方法的任意一种得到的 反馈给所述的从激光器(16)，均可以将所述的从激光器(16)锁定至所述的主激光器4，且对所述的传递链路2引入的相位噪声抑制效果更好。
[0082] 图1，所述的反馈控制可以采用直接法，即将所述的光频反馈模块15的输出直接控制所述的从激光器16内部参数，进而直接控制所述的从激光器16的输出光学频率，即控制所述的中继端3的输出光学频率，实现光学频率传递。
[0083] 图2，所述的反馈控制也可以采用间接法，即将所述的从激光器16的输出通过所述的第三光耦合器17和所述的第三声光移频器19后作为所述的中继端3的光频信号输出，此时，将所述的光频反馈模块15的输出信号通过所述的第三声光移频器19间接控制所述的中继端3的输出光学频率，实现光学频率传递。
[0084] 实验表明，本发明通过将中继站点的从激光器与所传递的光学频率信号进行延时比对，既可以将从激光器的输出光学信号的频率锁定至所传递的光学频率信号，又可以抑制光学频率信号在传递链路引入的相位噪声。中继站采用相同的相位补偿方式可向下一个链路进行光学频率传递，实现级联的光学频率传递。
