阅读说明：本技术 一种用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪方法及系统 (Laser wavelength automatic tracking method and system for optical fiber time transmission ) 是由 陈法喜 赵侃 李博 刘博� 郭新兴 刘涛 张首刚 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪方法及系统,将跟踪光信号与参考光信号使用光电探测器进行拍频,拍频得到的信号经过分频器后采用频率测量单元进行测量,运算控制单元测得的频率值,计算跟踪光信号与参考光信号的波长差异,控制跟踪激光器的工作温度,使跟踪光信号的波长长期与参考光信号的波长保持高度一致。本发明采用激光波长高精度自动跟踪方法,可消除温度、老化等因素对双向激光波长差异的影响,能够极大提高双向传输时延的对称性,可提升长距离光纤时间传递准确度。(The invention discloses a laser wavelength automatic tracking method and a system for optical fiber time transmission, wherein a tracking optical signal and a reference optical signal are subjected to beat frequency by using a photoelectric detector, a signal obtained by beat frequency is measured by using a frequency measuring unit after passing through a frequency divider, a frequency value measured by a control unit is calculated, the wavelength difference between the tracking optical signal and the reference optical signal is calculated, and the working temperature of a tracking laser is controlled, so that the wavelength of the tracking optical signal is kept highly consistent with the wavelength of the reference optical signal for a long time. The invention adopts a high-precision automatic tracking method of laser wavelength, can eliminate the influence of factors such as temperature, aging and the like on the difference of the bidirectional laser wavelength, can greatly improve the symmetry of bidirectional transmission time delay, and can improve the time transmission accuracy of long-distance optical fibers.)

一种用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪方法及系统

技术领域

本发明属于光纤时间传递的激光波长锁定技术领域，特别涉及一种用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪方法及系统。

背景技术

高精度光纤时间频率传递技术以其安全、可靠、稳定的诸多优势，已经成为了航空航天、高速通信、大地测量、精密计量、深空探测、引力波探测等领域的关键支撑技术之一。双向传输延时的不对称性是影响长距离光纤时间传递准确度和稳定度的主要因素之一，为提高光纤时间传递的准确度和稳定度，目前国内外多采用双向同纤同波方案来克制双向传输延时的对称性。

在实际应用中，双向同纤同波方案由于双向激光波长随着温度和激光器老化等因素存在差异，会影响光纤时间传递的准确度，这个影响会随着传递距离的增加而进一步增大。

为了保证双向激光波长差异控制在足够小的范围，可以采用原子分子光谱、参考腔等激光波长锁定的方法，但这些传统方法不仅结构复杂，而且价格昂贵，与光纤时间传递广泛应用的场景不符，难以推广应用，亟需一种高精度激光波长锁定的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对实际光纤时间传递过程中存在的由于双向激光波长差异引起的时延不对称性问题，提供一种用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪方法及系统，以减小双向激光波长差异引入的时间传递的准确度偏差。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪方法，包括：

步骤1，对跟踪激光器发出的跟踪光信号及参考激光器发出的参考光信号进行拍频，获得拍频信号；

步骤2，对步骤1获得的拍频信号进行分频处理，获得处理后的信号；

步骤3，对步骤2获得的处理后的信号进行测量，获得跟踪光信号和参考光信号的频率差值Δf；

步骤4，根据步骤3获得的频率差值Δf计算获得跟踪光信号和参考光信号的波长差值Δλ；

其中，计算公式为，

式中，c为实验环境中的光速，λ₁为参考光标称波长，λ₂为跟踪光标称波长；

步骤5，根据步骤4获得的波长差值Δλ控制跟踪光激光器的工作温度来调整跟踪激光器的波长，使双向激光波长差异保持在预设的阈值之内，实现激光波长自动跟踪。

本发明的进一步改进在于，步骤1具体包括：将跟踪激光器发出的跟踪光信号与参考激光器发出的参考光信号，通过一个合束器一同输入到光电探测器进行拍频，获得拍频信号。

本发明的进一步改进在于，步骤2具体包括：将步骤1中光电探测器输出的拍频信号输入N倍分频器，获得N倍分频器处理后的信号。

本发明的进一步改进在于，步骤3具体包括：将获得的N倍分频器处理后的信号输入频率测量单元，测量其频率差值Δf；然后将频率差值Δf输入运算控制单元，通过运算控制单元计算获得波长差值Δλ。

本发明的进一步改进在于，步骤5中，跟踪激光器工作温度与激光波长的关系表达式为，

E(T)的计算表达式为，

式中，T为工作温度；E₀为跟踪激光器常数，a＝5.405*10^-4，b＝204。

本发明的进一步改进在于，步骤5中，根据获得的波长差值Δλ采用高精度数字控温的方法，对跟踪激光器的激光管进行控温，使跟踪激光器的工作温度改变至T_out，使双向激光波长差异保持在预设的阈值之内；

其中，T_out的计算表达式为，

本发明的进一步改进在于，能够使双向激光波长的差值小于等于0.02pm。

本发明的一种用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪系统，包括：

光电探测器，用于对跟踪激光器发出的跟踪光信号及参考激光器发出的参考光信号进行拍频，获得拍频信号；

分频器，用于对光电探测器获得的拍频信号进行分频处理，获得处理后的信号；

频率测量单元，用于对分频器获得的处理后的信号进行测量，获得跟踪光信号和参考光信号的频率差值Δf；

运算控制单元，用于根据频率测量单元获得的频率差值Δf计算获得跟踪光信号和参考光信号的波长差值Δλ；

其中，计算公式为，

式中，c为实验环境中的光速，λ₁为参考光标称波长，λ₂为跟踪光标称波长；

精密控温单元，用于根据运算控制单元获得的波长差值Δλ控制跟踪光激光器的工作温度来调整跟踪激光器的波长，使双向激光波长差异保持在预设的阈值之内，实现激光波长自动跟踪。

本发明的进一步改进在于，精密控温单元中，跟踪激光器工作温度与激光波长的关系表达式为，

E(T)的计算表达式为，

式中，T为工作温度；E₀为跟踪激光器常数，a＝5.405*10^-4，b＝204。

本发明的进一步改进在于，精密控温单元中，采用高精度数字控温的方法，对跟踪激光器的激光管进行控温，使跟踪激光器的工作温度改变至T_out，使双向激光波长差异保持在预设的阈值之内；

其中，T_out的计算表达式为，

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的激光波长高精度自动跟踪方法，能够减小双向激光波长差异引入的时间传递的准确度偏差。本发明将跟踪光信号与参考光信号使用光电探测器进行拍频，拍频得到的信号经过分频器后采用频率测量单元进行测量，通过运算控制单元测得的频率值，计算跟踪光信号与参考光信号的波长差异，控制跟踪激光器的工作温度，可使跟踪光信号的波长长期与参考光信号的波长保持高度一致。本发明采用激光波长高精度自动跟踪方法，可消除温度、老化等因素对双向激光波长差异的影响，能够极大提高双向传输时延的对称性，从而提升长距离光纤时间传递准确度，可延长时间传递的距离；与此同时，本发明可降低成本，简化结构，有利于在实际工程广泛应用。

本发明采用激光波长高精度自动跟踪方法，可实现激光波长的长期自动跟踪，使光纤时间传递系统中双向激光波长保持一致，始终可优于0.02pm；因此，在1千公里光纤链路上引入的准确度误差理论上将小于0.2ps。

本发明的系统能够减小双向激光波长差异引入的时间传递的准确度偏差，可提升长距离光纤时间传递准确度，可延长时间传递的距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种应用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪系统的示意框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种应用于光纤时间传递的激光波长自动跟踪方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将跟踪激光器发出的光信号(其波长为λ₂)与参考激光器发出的光信号(其波长为λ₁)通过一个合束器一同输入到光电探测器进行拍频；

步骤2：将步骤1中光电探测器输出的拍频信号输入N倍分频器；

步骤3：将步骤2中经过N倍分频器后的信号输入频率测量单元，测量其频率值Δf；

步骤4：将步骤3中频率测量单元所测得的频率值Δf送入运算控制单元；

步骤5：运算控制单元依据频率波长关系如公式(1)所示：

式中，c为实验环境中的光速，由于已知参考光标称波长λ₁与跟踪光标称波长λ₂，实际参考光波长表示为λ₁'，则参考光频率实际值为

将实际跟踪光波长表示为λ₂'，则跟踪光频率实际值为故实际跟踪光与参考光的频率差值为

Δf可由步骤3中频率测量单元测得。

步骤6：根据频率波长关系可推得频率差与波长差的关系为

值得注意的是，标称波长与实际波长差异在10pm量级，故实际工程中可认为λ₁'λ₂'＝λ₁λ₂，故可得频率差与波长差的计算公式如公式(2)所示：

步骤7：通过控制跟踪光激光器的工作温度来控制其波长，激光器工作温度与激光波长的关系如公式(3)所示：

式(3)中T为温度，E(T)可由公式(4)来明确表示：

式中，E₀为激光器常数，a＝5.405*10^-4，b＝204。

运算控制单元再根据步骤6中计算出的波长差Δλ数据，采用高精度数字控温的方法，对跟踪激光器的激光管进行控温，使跟踪激光器的工作温度改变至T_out，计算关系如式(5)所示。

从而使双向激光波长保持一致，至此，实现了激光波长的自动跟踪。

本发明采用激光波长高精度自动跟踪方法，可实现激光波长的长期自动跟踪，使光纤时间传递系统中双向激光波长保持一致，始终可优于0.02pm，因此，在1千公里光纤链路上引入的准确度误差理论上将小于0.2ps。本发明消除了温度、老化等因素对双向激光波长差异的影响，减小了由双向激光波长差异引入的时间传递的准确度偏差，从而提升了光纤时间传递的准确度，延长了时间传递的距离，降低了成本，大大推动了实际工程中的广泛应用。其中，本发明可使双向激光波长差异保持在亚皮秒量级范围之内，实现激光波长自动跟踪。

请参阅图1，图1是激光波长高精度自动跟踪原理框图；本发明实施例的系统中包含激光器LD₁、激光器LD₂、光电探测器、分频器、频率测量单元、运算控制单元和精密控温电路。

用LD₁的激光信号作为LD₂激光器的参考光，通过环路实现LD₂的波长跟踪LD₁的波长。

光电探测器，用于对跟踪激光器发出的跟踪光信号及参考激光器发出的参考光信号进行拍频，获得拍频信号；

分频器，用于对光电探测器获得的拍频信号进行分频处理，获得处理后的信号；

频率测量单元，用于对分频器获得的处理后的信号进行测量，获得跟踪光信号和参考光信号的频率差值Δf；

运算控制单元，用于根据频率测量单元获得的频率差值Δf计算获得跟踪光信号和参考光信号的波长差值Δλ；

其中，计算公式为，

式中，c为实验环境中的光速，λ₁为参考光标称波长，λ₂为跟踪光标称波长；

精密控温单元，用于根据运算控制单元获得的波长差值Δλ控制跟踪光激光器的工作温度来调整跟踪激光器的波长，使双向激光波长保持一致，实现激光波长自动跟踪。

本发明实施例具体实施步骤如下：

步骤1：将跟踪激光器发出的光信号(其波长为λ₂＝1542.94nm)与参考激光器发出的光信号(其波长为λ₁＝1542.94nm)通过一个合束器一同输入到光电探测器进行拍频；

步骤2：将步骤1中光电探测器输出的拍频信号输入10倍分频器；

步骤3：将步骤2中经过10倍分频器后的信号输入频率测量单元，测量其频率；

步骤4：将步骤3中频率测量单元所测得的频率值Δf送入运算控制单元；

步骤5：运算控制单元依据频率波长关系如公式(1)所示：

式中c为实验环境中的光速，由于已知参考光标称波长λ₁与跟踪光标称波长λ₂，实际参考光波长表示为λ₁'，则参考光频率实际值为

将实际跟踪光波长表示为λ₂'，则跟踪光频率实际值为

故实际跟踪光与参考光的频率差值为

Δf可由步骤3中频率测量单元测得。

步骤6：根据频率波长关系可推得频率差与波长差的关系为经测定标称波长与实际波长差异约为8pm，故可认为λ₁'λ₂'＝λ₁λ₂，故可得频率差与波长差的计算公式如公式(2)所示：

步骤7：通过控制跟踪光激光器的工作温度来控制其波长，激光器工作温度与激光波长的关系如公式(3)所示：

式(3)中T为温度，E(T)可由公式(4)来明确表示：

式中，E₀为激光器常数，a＝5.405*10^-4，b＝204。

运算控制单元再根据步骤6中计算出的波长差Δλ数据，采用高精度数字控温的方法，对跟踪激光器的激光管进行控温，使跟踪激光器的工作温度改变至T_out，计算关系如式(5)所示。

从而使双向激光波长保持一致。

至此，实现了激光波长的自动跟踪。经24小时连续测试，跟踪光与参考光波长最大差异为0.015pm。

综上所述，本发明针对实际光纤时间传递过程中存在的由于双向激光波长差异引起的时延不对称性问题，提供了一种激光波长高精度自动跟踪的方法和系统，能够减小双向激光波长差异引入的时间传递的准确度偏差。本发明将跟踪光信号与参考光信号使用光电探测器进行拍频，拍频得到的信号经过分频器后采用频率测量单元进行测量，运算控制单元测得的频率值，计算跟踪光信号与参考光信号的波长差异，控制跟踪激光器的工作温度，使跟踪光信号的波长长期与参考光信号的波长保持高度一致。本发明采用激光波长高精度自动跟踪方法，消除了温度、老化等因素对双向激光波长差异的影响，极大提高了双向传输时延的对称性，从而提升了长距离光纤时间传递准确度；与此同时，降低了成本，简化了结构，有利于在实际工程广泛应用。本发明采用激光波长高精度自动跟踪方法，可实现激光波长的长期自动跟踪，使光纤时间传递系统中双向激光波长保持一致，始终可优于0.02pm，因此，在1千公里光纤链路上引入的准确度误差理论上将小于0.2ps。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。