一种用于光纤稳相传输设备的校准装置

文档序号:1925069 发布日期:2021-12-03 浏览:28次 >En<

阅读说明:本技术 一种用于光纤稳相传输设备的校准装置 (Calibration device for optical fiber phase-stabilized transmission equipment ) 是由 岳耀笠 张首刚 高帅和 胡珍源 李鹏伟 张昕 眭明 农定鹏 于 2021-09-18 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种用于光纤稳相传输设备的校准装置,包括一次连接的稳频激光器、基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊光纤干涉仪、第一波分复用器WDM-1、第二波分复用器WDM-2和设有第一光电探测器PD1及第二光电探测器PD2解调电路板。这种装置采用稳频激光器作为光源、光纤干涉仪进行传输延时变化量测量,能实现1fs量级或亚飞秒量级的传输延时变化量测量分辨率和测量准确度。(The invention discloses a calibration device for optical fiber phase-stabilized transmission equipment, which comprises a frequency-stabilized laser, a Michelson optical fiber interferometer based on a 3 x 3 optical fiber coupler, a first wavelength division multiplexer (WDM-1), a second wavelength division multiplexer (WDM-2) and a demodulation circuit board provided with a first photoelectric detector PD1 and a second photoelectric detector PD2, wherein the frequency-stabilized laser is connected at one time. The device adopts the frequency stabilized laser as a light source and an optical fiber interferometer to measure the transmission delay variation, and can realize the measurement resolution and the measurement accuracy of the transmission delay variation with the magnitude of 1fs or the magnitude of sub-femtosecond.)

一种用于光纤稳相传输设备的校准装置

技术领域

本发明涉及光纤传输技术,具体是一种用于光纤稳相传输设备的校准装置。

背景技术

光纤稳相传输技术广泛应用于时频传递、卫星测控、相参信号传输等领域,并且达到了较高的技术水平,其中,基于微波鉴相、光域补偿的光纤稳相传输技术的传输延时变化量测量及补偿精度达到了0.1ps量级,基于光纤干涉仪相干检测、光域补偿的光纤稳相传输技术的传输延时变化量测量及补偿精度达到了1fs量级。然而,当前尚无成熟的技术和仪器支持对以上光纤稳相传输设备的传输延时变化量进行飞秒级高精度的标定校准,也无法对以上光纤稳相传输设备进行有效的技术性能检验。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足,而提供一种用于光纤稳相传输设备的校准装置。这种装置采用稳频激光器作为光源、光纤干涉仪进行传输延时变化量测量,能实现1fs量级或亚飞秒量级的传输延时变化量测量分辨率和测量准确度。

实现本发明目的的技术方案是:

一种用于光纤稳相传输设备的校准装置, 包括稳频激光器、基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊光纤干涉仪、第一波分复用器WDM-1、第二波分复用器WDM-2和设有第一光电探测器PD1及第二光电探测器PD2解调电路板,其中,稳频激光器输出窄线宽稳频激光,窄线宽稳频激光接入3×3光纤耦合器的1端口并分成三束,分别由3×3光纤耦合器的4、5、6端口输出,3×3光纤耦合器的4端口连接第一波分复用器WDM-1的反射端口,第一波分复用器WDM-1的公共端外接光纤相位补偿器的输入端,光纤相位补偿器输出端连接传输光纤,传输光纤另一端连接第二波分复用器WDM-2的公共端,第二波分复用器WDM-2的反射端连接第三法拉第磁旋转反射镜FRM-3,由第三法拉第磁旋转反射镜FRM-3将稳频激光原路反射回3×3光纤耦合器的稳频激光作为探测光信号,由3×3光纤耦合器6端口输出、进入与3×3光纤耦合器6端口连接的第四法拉第磁旋转反射镜FRM-4并被反射回3×3光纤耦合器的的稳频激光作为参考光信号,此外,第一波分复用器WDM-1的透射端连接第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1,第二波分复用器WDM-2的透射端连接第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2,3×3光纤耦合器的2端口、3端口分别连接解调板上的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2,由解调板输出检测到的光纤相位补偿器实时补偿效果到外接的计算机,当外接的光纤相位补偿器内部设有输入端光纤干涉仪、输出端光纤干涉仪时,光纤相位补偿器自身发射的一路相位漂移检测激光由输入端发射,输出至第一波分复用器WDM-1的公共端,并由第一波分复用器WDM-1的透射端输出,进入第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1、并原路反射回光纤相位补偿器输入端光纤干涉仪;光纤相位补偿器自身发射的另一路相位漂移检测激光由输出端发射,经传输光纤输出至第二波分复用器WDM-2的公共端,并由第二波分复用器WDM-2透射端输出,进入第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2、并原路反射回光纤相位补偿器输出端光纤干涉仪,完成光纤相位补偿器的输入光纤、输出光纤的相位漂移检测闭环,进一步完成传输光纤链路的补偿闭环;当光纤相位补偿器内部仅存在输出端光纤干涉仪时,光纤相位补偿器自身发射的相位漂移检测激光由输出端发射,经传输光纤输出至第二波分复用器WDM-2公共端,并由第二波分复用器WDM-2透射端输出,进入第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2、并原路反射回光纤相位补偿器输出端光纤干涉仪,完成光纤相位补偿器的输入光纤、输出光纤的相位漂移检测闭环,进一步完成传输光纤链路的补偿闭环,第一波分复用器WDM-1、第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1则不起作用。

所述稳频激光器的工作波长与外接的光纤相位补偿器内置激光器的工作波长至少相差0.8nm、频率间隔100GHz。

所述稳频激光器的激光线宽需达到低于迈克尔逊光纤干涉仪臂长差所需相干长度对应激光线宽的一个数量级。

所述稳频激光器需满足:

假设迈克尔逊光纤干涉仪臂长差为L,L的单位为m、光纤稳相传输设备校准装置允 许测量误差D,D的单位为fs,稳频激光器的激光频率为f,光纤纤芯折射率为n,c为真空光 速,则稳频激光器的频率稳定性天稳指标为:

假设3×3光纤耦合器至第一波分复用器WDM-1的光纤长度为L1、第一波分复用器WDM-1至第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1的光纤长度为L2、第二波分复用器WDM-2至第三法拉第磁旋转反射镜FRM-3的光纤长度为L3、第二波分复用器WDM-2至第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2的光纤长度为L4、3×3光纤耦合器至第四法拉第磁旋转反射镜FRM-4的光纤长度为L5,L1-L5所用光纤需工作在同一温度环境下,且满足以下关系:

所述第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2均设有公共端、透射端、反射端三个光纤端口,其中反射端的工作带宽覆盖稳频激光器的工作波长,透射端的工作带宽覆盖外接光纤相位补偿器的工作波长;或反射端的工作带宽覆盖稳频激光器的工作波长,透射端的工作带宽覆盖外接光纤相位补偿器的工作波长,此时第一波分复用器WDM-1的反射端连接3×3光纤耦合器的4端口,第一波分复用器WDM-1的反射端连接第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1,第一波分复用器WDM-1的公共端外接光纤相位补偿器的输入端,第二波分复用器WDM-2的透射端连接第三法拉第磁旋转反射镜FRM-3,第二波分复用器WDM-2的反射端连接第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2,第二波分复用器WDM-2的公共端外接光纤相位补偿器的输出端。

所述3×3光纤耦合器的1、2、3端口可互换且都位于3×3光纤耦合器的同一侧,3×3光纤耦合器的4、5、6端口也可互换,且都位于3×3光纤耦合器的另一侧即与3×3光纤耦合器的1、2、3端口不同侧。

本技术方案采用条纹计数法进行传输延时变化量测量,实测计数值乘以1个计数值对应的延时变化分辨率就是光纤稳相传输设备的传输延时变化量补偿误差。

与现有技术相比,本技术方案可以在系统误差可控的条件下实现飞秒级的光纤传输延时变化量测量,给光纤稳相传输设备的补偿性能、系统误差控制性能提供测量依据。

这种装置采用稳频激光器作为光源、光纤干涉仪进行传输延时变化量测量,能实现1fs量级或亚飞秒量级的传输延时变化量测量分辨率和测量准确度。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述,但不是对本发明的限定。

实施例:

参照图1,一种用于光纤稳相传输设备的校准装置, 包括稳频激光器、基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊光纤干涉仪、第一波分复用器WDM-1、第二波分复用器WDM-2和设有第一光电探测器PD1及第二光电探测器PD2解调电路板,其中,稳频激光器输出窄线宽稳频激光,窄线宽稳频激光接入3×3光纤耦合器的1端口并分成三束,分别由3×3光纤耦合器的4、5、6端口输出,3×3光纤耦合器的4端口连接第一波分复用器WDM-1的反射端口,第一波分复用器WDM-1的公共端外接光纤相位补偿器的输入端,光纤相位补偿器输出端连接传输光纤,传输光纤另一端连接第二波分复用器WDM-2的公共端,第二波分复用器WDM-2的反射端连接第三法拉第磁旋转反射镜FRM-3,由第三法拉第磁旋转反射镜FRM-3将稳频激光原路反射回3×3光纤耦合器的稳频激光作为探测光信号,由3×3光纤耦合器6端口输出、进入与3×3光纤耦合器6端口连接的第四法拉第磁旋转反射镜FRM-4并被反射回3×3光纤耦合器的稳频激光作为参考光信号,此外,第一波分复用器WDM-1的透射端连接第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1,第二波分复用器WDM-2的透射端连接第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2,3×3光纤耦合器的2端口、3端口分别连接解调板上的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2,由解调板输出检测到的光纤相位补偿器实时补偿效果到外接的计算机,当外接的光纤相位补偿器内部设有输入端光纤干涉仪、输出端光纤干涉仪时,光纤相位补偿器自身发射的一路相位漂移检测激光由输入端发射,输出至第一波分复用器WDM-1的公共端,并由第一波分复用器WDM-1的透射端输出,进入第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1、并原路反射回光纤相位补偿器输入端光纤干涉仪;光纤相位补偿器自身发射的另一路相位漂移检测激光由输出端发射,经传输光纤输出至第二波分复用器WDM-2的公共端,并由第二波分复用器WDM-2透射端输出,进入第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2、并原路反射回光纤相位补偿器输出端光纤干涉仪,完成光纤相位补偿器的输入光纤、输出光纤的相位漂移检测闭环,进一步完成传输光纤链路的补偿闭环;当光纤相位补偿器内部仅存在输出端光纤干涉仪时,光纤相位补偿器自身发射的相位漂移检测激光由输出端发射,经传输光纤输出至第二波分复用器WDM-2公共端,并由第二波分复用器WDM-2透射端输出,进入第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2、并原路反射回光纤相位补偿器输出端光纤干涉仪,完成光纤相位补偿器的输入光纤、输出光纤的相位漂移检测闭环,进一步完成传输光纤链路的补偿闭环,第一波分复用器WDM-1、第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1则不起作用。

所述稳频激光器的工作波长与外接的光纤相位补偿器内置激光器的工作波长至少相差0.8nm、频率间隔100GHz,本例中稳频激光器的工作波长为1550.12nm,光纤相位补偿器内置激光器的工作波长为1550.92nm,两者波长相差0.8nm。

所述稳频激光器的激光线宽需达到低于迈克尔逊光纤干涉仪臂长差所需相干长度对应激光线宽的一个数量级,本例中稳频激光器的激光线宽为1Hz,对应迈克尔逊光纤干涉仪内相干长度最大100000km,实际迈克尔逊光纤干涉仪臂长差光纤长度即光纤相位补偿器及传输光纤长度为2.5km,远小于100000km一个数量级以上。

所述稳频激光器需满足:

假设迈克尔逊光纤干涉仪臂长差为L,L的单位为m、光纤稳相传输设备校准装置允许测量误差D,D的单位为fs,稳频激光器的激光频率为f,光纤纤芯折射率为n,c为真空光速,则稳频激光器的频率稳定性天稳指标为:

本例中,迈克尔逊光纤干涉仪臂长差为L=2.5km,光纤稳相传输设备校准装置允许 测量误差D=10fs,稳频激光器的工作频率f=193.4THz(对应波长1550.12nm),真空光速c=3 ×108,光纤折射率n=1.468,则稳频激光器的频率稳定性天稳指标需满足以下关系:

假设3×3光纤耦合器至第一波分复用器WDM-1的光纤长度为L1、第一波分复用器WDM-1至第一法拉第磁旋转反射镜FRM-1的光纤长度为L2、第二波分复用器WDM-2至第三法拉第磁旋转反射镜FRM-3的光纤长度为L3、第二波分复用器WDM-2至第二法拉第磁旋转反射镜FRM-2的光纤长度为L4、3×3光纤耦合器至第四法拉第磁旋转反射镜FRM-4的光纤长度为L5,L1-L5所用光纤需工作在同一温度环境下,且满足以下关系:

L5=(L1-L2)+(L3-L4),

本例中,L1=2m,L2=1m,L3=2m,L4=1m,L5=(L1-L2)+(L3-L4)=(2m-1m)+(2m-1m)=2m。

所述第一波分复用器WDM-1和第二波分复用器WDM-2均设有公共端、透射端、反射端三个光纤端口,其中反射端的工作带宽覆盖稳频激光器的工作波长,透射端的工作带宽覆盖外接光纤相位补偿器的工作波长。

所述3×3光纤耦合器的1、2、3端口可互换且都位于3×3光纤耦合器的同一侧,3×3光纤耦合器的4、5、6端口也可互换,且都位于3×3光纤耦合器的另一侧即与3×3光纤耦合器的1、2、3端口不同侧。

本例装置采用条纹计数法进行传输延时变化量测量,以干涉输出功率的中间点为计数阈值,即以正弦波的半波周期为一个计数值,则对应1550nm激光的计数分辨率为1.29fs;假设24小时内实测计数值最小值-100、最大值+100,则光纤稳相传输设备的传输延时变化量补偿误差为258fs。

本例中光纤干涉仪的测量臂和参考臂的臂长差与光纤相位补偿器输入端、输出端 法拉第磁旋转反射镜之间的光纤长度相等,或者说与光纤相位补偿器的闭环光链路的光纤 长度相等,且与参考臂光纤等长的测量臂光纤和参考臂光纤工作在同一温度下,在稳频激 光器的频率稳定性小于时,可以在系统误差可控的条件下实现飞秒级的光纤传输延时 变化量测量,给光纤稳相传输设备的补偿性能、系统误差控制性能提供测量依据。

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