[發(fā)明專利]一種光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞中的超低噪聲放大器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710693022.4
• 申請日: 2017-08-14
• 公開（公告）號: CN107490918B
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡海文;馮子桐;楊飛;張茜;桂有珍;程楠;魏芳
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G02F1/39
• 分類號: G02F1/39;H01S3/10
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞中的超低噪聲的光放大器，包括PID電路板、鑒相器、光電探測器、電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、1×2光耦合器、環(huán)形器、從激光器、壓控振蕩器、低通濾波器、帶通濾波器和射頻放大器，基于從激光器注入鎖定原理，設(shè)計(jì)了兩級PID反饋環(huán)路。本發(fā)明反饋環(huán)路一保證了注入光頻和從激光器光頻的大范圍實(shí)時(shí)跟蹤，自動(dòng)鎖定，通過第二級的反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)了注入光頻和從激光器輸出光頻相位的鎖定，從而實(shí)現(xiàn)傳輸光頻的超低噪聲放大。可在遠(yuǎn)地端高精度地再生出傳輸?shù)墓鈱W(xué)頻率參考信號，整個(gè)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了窄帶寬、高增益、超低噪聲，適用于光鐘比對、光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞等領(lǐng)域，有助于減輕傳輸系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的傳輸精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高精度光纖光學(xué)頻率傳輸，特別是一種長距離光纖光學(xué)頻率傳輸系統(tǒng)中的超低噪聲放大器，主要目的是對長距離光纖傳遞中信號光功率的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，從而在遠(yuǎn)地端高精度地恢復(fù)本地端的頻率參考信號，可應(yīng)用于光鐘比對、光學(xué)頻率傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

背景技術(shù)

高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)及其傳遞與比對是精準(zhǔn)守時(shí)授時(shí)、精密導(dǎo)航定位、雷達(dá)組網(wǎng)、深空探測、精密計(jì)量與測量等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和前沿科學(xué)研究中的共性基礎(chǔ)問題和核心關(guān)鍵技術(shù)之一。標(biāo)準(zhǔn)方面隨著現(xiàn)代時(shí)鐘技術(shù)的不斷進(jìn)步， GPS/北斗使用的地面氫原子鐘的秒穩(wěn)定度已達(dá)到1×10^-13量級，同時(shí)建立當(dāng)前國際時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)的銫原子噴泉鐘的頻率不確定度可小于1×10^-15。近年來，有望成為新一代時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)的光鐘的頻率穩(wěn)定性和不確定度都已達(dá)到1×10^-18量級。為了傳遞如此高精度的光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的衛(wèi)星傳遞方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，因而基于光纖的高精度光學(xué)頻率傳遞技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)已證明，基于光纖的頻率傳遞技術(shù)可以滿足光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的傳遞需求，但是此項(xiàng)技術(shù)除了在傳遞過程當(dāng)中需要對光纖鏈路引入的噪聲進(jìn)行補(bǔ)償之外，對長距離鏈路傳輸所造成的信號功率損耗進(jìn)行補(bǔ)償，提高探測信號的信噪比也是極其重要的。

為了對信號功率的損失進(jìn)行補(bǔ)償，人們提出了多種解決方案。在先技術(shù)一：Grosche G,Terra O,Predehl K,et al.Optical frequency transfer via 146km fiberlink with 10^-19relative accuracy[J].Optics letters,2009,34(15):2270-2272，通過使用雙向摻鉺光纖放大器(EDFA)來對損失的信號功率進(jìn)行補(bǔ)償。但是由于雙向EDFA的放大帶寬大且雙向工作不能使用任何光隔離器，所以鏈路中的端面反射、瑞利散射光均會(huì)對EDFA產(chǎn)生不必要的光反饋，觸發(fā)EDFA 的受激效應(yīng)，這便限制了EDFA的增益(通常為18-20dB)，且會(huì)劣化光頻傳遞的穩(wěn)定性。

在先技術(shù)二：Terra O,Grosche G,Schnatz H.Brillouin amplification inphase coherent transfer of optical frequencies over 480km fiber[J].Opticsexpress,2010, 18(15):16102-16111，提出了光纖布里淵放大的方案。光纖布里淵放大器的優(yōu)點(diǎn)是信號的放大帶寬小(通常小于30MHz)。在一個(gè)典型的光學(xué)頻率傳遞的場景中，光頻信號在光纖中雙向傳遞且兩個(gè)方向的光頻相差幾十MHz。這樣在使用光纖布里淵放大器時(shí)，兩個(gè)方向的光頻可以分別放大，從而避免了瑞利背向散射信號的放大對放大器增益和傳遞穩(wěn)定性的影響。然而，由于光纖布里淵放大器小的增益帶寬，為了保證放大的效果，通常布里淵泵浦激光的光頻需要鎖定在被放大光信號的光頻上，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，且由于其依然要使用光泵浦，所以在一定程度上也會(huì)劣化傳遞系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞中的超低噪聲放大器，該放大器在從激光器注入鎖定實(shí)現(xiàn)窄帶寬、高增益光放大的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩級PID反饋環(huán)路，第一級反饋環(huán)路保證了注入光頻和從激光器光頻的大范圍實(shí)時(shí)跟蹤，自動(dòng)鎖定；第二級的反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)了注入光頻和從激光器輸出光頻相位的鎖定，從而實(shí)現(xiàn)傳輸光頻的超低噪聲放大。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：