高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法技术方案

一种高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法，装置包括本地端、传递链路和用户端，本地端与用户端通过传递链路连接；本发明专利技术通过双外差检测的方式将传递链路相位噪声转换到两个中频信号上处理，将两路中频信号比较后通过伺服控制模块控制任一光载波相位补偿模块完成锁定，即可实现稳定的毫米波/太赫兹信号传递。本发明专利技术无需借助于毫米波信号同步的本地参考微波源即可实现传递链路的相位补偿，同时还有效地抑制了系统中的后向散射噪声。此外还具有补偿范围无限，可靠性高的特点。可靠性高的特点。可靠性高的特点。

【技术实现步骤摘要】
高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法


[0001]本专利技术涉及光纤时间与频率传递，特别是一种高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法。

技术介绍

[0002]精准的时间频率信号在众多前沿科学研究中发挥着至关重要的作用。随着各国对于高新技术的投入，原子频标以每7
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10年提升一个量级的速度快速发展。目前，基于卫星链路的频率传递以无法满足当前众多领域的需求。为了克服卫星链路频率传递的问题，光纤以其高可靠、大带宽、不受电磁干扰、受外界扰动小等优点，被证明是实现高精度、长距离频率传递的理想选择。此外，为了实现空地一体化的时频传递，基于自由空间链路的光学频率传递同样引起了国内外学者的广泛关注。在天文学，超长基线干涉仪、相控阵毫米波天线等领域中，具有高相位稳定性的毫米波参考是必不可少的。近些年来，诸多课题组针对光学毫米波传递提出了许多优秀的传递方案。2014年上海交通大学提出了一种基于压控器补偿的光纤毫米波传递方案，该方案利用外差探测的方式很好解决了毫米波传递中电带宽的不足，此外由于压控振荡器作为补偿单元，该方案具备传递长距离的潜力[参见Sun,Dongning,et al."Distribution of high
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stability 100.04GHz millimeter wave signal over 60km optical fiber with fast phase
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error
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correcting capability."Optics letters 39.10(2014):2849
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2852]。然而，该方案需借助本地参考源与毫米波信号同步才能实现链路的相位补偿，这增加了系统的复杂度和实现难度。此外该方案存在后向散射噪声的问题，这会降低系统的可靠性和稳定度指标。2021年北京航空航天大学提出了一种基于可调光延迟线的毫米波传递方案，该方案无需借助本地端参考源即可实现相位噪声补偿，然而该方案所用的可调光延迟线补偿范围有限，无法适用于长距离系统，此外该方案同样也存在着后向散射噪声的问题[参见Yu,Chunlong,et al."Self
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referenced distribution of millimeter waves over 10km optical fiber with high frequency stability."Optics Letters 46.16(2021):3949
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3952]。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术以及工作的不足，提供一种高精度光学毫米波/太赫兹传递系统和传递方法。本专利技术通过双外差检测的方式将传递链路相位噪声转换到两个中频信号上处理，将中频信号输入到单载波相位补偿模块完成锁定，即可实现稳定的毫米波信号传递。本专利技术无需借助本地参考源与毫米波信号同步即可实现传递链路的相位补偿，同时还有效地抑制了系统中的后向散射噪声。此外还具有补偿范围无限，可靠性高的特点。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]一种高精度光学毫米波/太赫兹传递系统，其特点在于，包括本地端、传递链路和用户端：
[0006]所述的本地端包括光隔离器单元、第一光耦合器、第一法拉第旋转镜、第二光耦合器、第一光滤波器、第二光滤波器、第一声光移频器、第一微波源、第二声光移频器、第三光耦合器、第三光滤波器、第四光滤波器、第一光电转换单元、第二光电转换单元、第一电滤波器、第二电滤波器、第一混频器、伺服控制单元、压控振荡器和第四光耦合器；
[0007]所述的用户端包括第三声光移频器、第二微波源、第五光耦合器、第二法拉第旋转镜、第六光耦合器、第三微波源、第一光锁相单元、微波功分器、第二光锁相单元、第七光耦合器、第三光电转换单元和第三电滤波器；
[0008]待传光载毫米波信号E0经依次经光隔离器和第一光耦合器后分为两路，其中一路经第一法拉第旋转镜反射后，返回所述的第一光耦合器作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器；另一路经所述的第二光耦合器再次分为二路，分别经第一光滤波器和第一声光移频器，以及第二光滤波器和第二声光移频器输出，二路信号经所述的第四光耦合器合束后，经所述的传递链路传递到达用户端；
[0009]在所述的用户端依次经所述的第三声光移频器和所述的第五光耦合器后E3信号被分为两部分，其中一部分经所述的第二法拉第旋转镜反射后，经所述的传递链路传递到本地端，再次经第四光耦合器分束后，沿原路返回，经所述的第二光耦合器合束后，经第一光耦合器的3端口输入，4端口输出后，与本地参考光一起输入所述的第三光耦合器，经第三光耦合器再次分为二路，一路依次经所述的第三光滤波器、第一光电转换单元和所述的第一电滤波器后进入所述的第一混频器，另一路依次经所述的第四光滤波器、第二光电转换单元和所述的第二电滤波器后进入所述的第一混频器，二路信号经该第一混频器混频取下边带后，输出直流误差信号进入所述的伺服控制单元；
[0010]另一部分E3信号经过所述的第六光耦合器后被分为两路，一路经所述的第一光锁相单元，另一路经所述的第二光锁相单元，经光锁相后的两路光信号分别进入经所述的第七光耦合器合束后，经所述的第三光电转换单元以及所述的第三电滤波器滤波后即可得到稳定的毫米波信号。
[0011]所述的传递链路为光纤链路或者自由空间链路，所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。
[0012]利用上述高精度光学毫米波/太赫兹传递系统的毫米波/太赫兹传递方法，具体步骤如下：
[0013]1)本地端待传递的光载毫米波信号为其中两个角频率和相位的差值分别与毫米波的频率和相位相匹配，即ω2‑
ω1＝ω
mmW
，所述的光载毫米波信号E0经过所述的光隔离器、所述的第一光耦合器后分为两部分：一部分光载毫米波信号E0经过所述的第一法拉第旋转镜反射经所述的第一光耦合器后作为本地参考光输入到所述的第三光耦合器上，另一部分光载毫米波信号E0经所述的第二光耦合器分为两路后，一路经过所述的第一光滤波器和所述的第一声光移频器后输出的信号记为E1,另一路经过所述的第二光滤波器和所述的第二声光移频器后输出的信号记为E2,所述的E1和E2信号表达式为：
[0014][0015][0016]式中，分别为所述的第一声光移频器射频工作的频率和初始相位，ω
vco
，分别为所述的第二声光移频器射频工作的频率和初始相位；
[0017]2)所述的E1、E2信号经过所述的第四光耦合器合束后进入所述的传递链路，在所述的用户端经过所述的第三声光移频器后，输出信号E3的表达式为：
[0018][0019]式中，和分别表示传递链路引入的相位噪声，ω
RF2
和分别为所述的第三声光移频器射频工作的频率和初始相位；需要注意的是，系统中所用的微波源均与待传递的光载毫米波信号没有相位同步关系。所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度光学毫米波及太赫兹传递系统，包括本地端(1)、传递链路(2)和用户端(3)，其特征在于，所述的本地端(1)包括光隔离器单元(10)、第一光耦合器(11)、第一法拉第旋转镜(12)、第二光耦合器(13)、第一光滤波器(14)、第二光滤波器(15)、第一声光移频器(16)、第一微波源(17)、第二声光移频器(18)、第三光耦合器(19)、第三光滤波器(20)、第四光滤波器(21)、第一光电转换单元(22)、第二光电转换单元(23)、第一电滤波器(24)、第二电滤波器(25)、第一混频器(26)、伺服控制单元(27)、压控振荡器(28)和第四光耦合器(29)；所述的用户端(3)包括第三声光移频器(30)、第二微波源(31)、第五光耦合器(32)、第二法拉第旋转镜(33)、第六光耦合器(34)、第三微波源(35)、第一光锁相单元(36)、微波功分器(37)、第二光锁相单元(38)、第七光耦合器(39)、第三光电转换单元(40)和第三电滤波器(41)；待传光载毫米波信号E0经依次经光隔离器(10)和第一光耦合器(11)后分为两路，其中一路经第一法拉第旋转镜(12)反射后，返回所述的第一光耦合器(11)作为本地参考光信号E0输入到所述的第三光耦合器(19)；另一路经所述的第二光耦合器(13)再次分为二路，分别经第一光滤波器(14)和第一声光移频器(16)，以及第二光滤波器(15)和第二声光移频器(18)输出，二路信号E1、E2经所述的第四光耦合器(29)合束后，经所述的传递链路(2)传递到达用户端(3)；在所述的用户端(3)依次经所述的第三声光移频器(30)和所述的第五光耦合器(32)后信号E3被分为两部分，其中一部分经所述的第二法拉第旋转镜(33)反射后，经所述的传递链路(2)传递到本地端(1)，再次经第四光耦合器(29)分束后，沿原路返回，经所述的第二光耦合器(13)合束后，经第一光耦合器(11)的3端口输入，4端口输出后，与本地参考光一起输入所述的第三光耦合器(19)，经第三光耦合器(19)再次分为二路，一路依次经所述的第三光滤波器(20)、第一光电转换单元(22)和所述的第一电滤波器(24)后进入所述的第一混频器(26)，另一路依次经所述的第四光滤波器(21)、第二光电转换单元(23)和所述的第二电滤波器(25)后进入所述的第一混频器(26)，二路信号经该第一混频器(26)混频取下边带后，输出直流误差信号进入所述的伺服控制单元(27)，驱动所述的压控振荡器(28)实现相位噪声补偿；另一部分E3信号经过所述的第六光耦合器(34)后被分为两路，分别进入第一光锁相单元(36)和第二光锁相单元(38)，所述的第三微波源(35)输出射频信号经微波功分器(37)分为二路分别进入第一光锁相单元(36)和第二光锁相单元(38)，将两束光锁相后的信号分别进入所述的第七光耦合器(39)合束后，经所述的第三光电转换单元(40)以及所述的第三电滤波器(41)滤波后即可得到稳定的毫米波信号。2.根据权利要求1所述的高精度光学毫米波/太赫兹传递系统，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，所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。3.利用权利要求1或2所述的高精度光学毫米波/太赫兹...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡亮，李奇，吴龟灵，刘娇，陈建平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：