基于210km实地通信链路的高稳定性光学频率信号传递

利用西安和咸阳之间的电信省级骨干光纤网构建了210km的光学频率信号传递测试链路,链路损耗为0.23dB/km。实验中采用可搬运、基于光纤干涉仪、线宽约为200 Hz的激光器作为光源,利用两台低噪声双向掺铒光纤放大器(EDFA)补偿光纤链路损耗和增加光信号的传输距离,放大器平均增益控制在15dB左右,以防止激射。通过测量和分析不同情况下光纤链路的附加相位噪声,可观测到铁路震动引起的规律性干扰。当噪声抑制系统在锁定状态时,链路的相位噪声被抑制了23dB,在剔除铁路干扰时段数据后,获得的210km实地通信链路的秒级频率稳定度达到了1.51×10-14,万秒频率稳定度达到了5×10-17。利用210km通信链路进行了光学频率信号的远程传递测试,分析了限制频率稳定度的主要影响因素,并针对现行光纤布设方式提出了补充要求。该研究为基于通信链路的高精度光学频率信号的传递与比对提供理论支撑。     

用于长距离光学频率传递链路的双向掺铒光纤放大器的优化设计

光纤链路中高精度光学频率传递对光钟比对有重要意义,双向掺铒光纤放大器(EDFA)有助于在长距离光学频率传递中对信号进行损耗补偿和高精度传输。基于铒粒子受激放大的基本原理,设计了可用于光纤光学频率传递链路中的低噪声、高增益双向EDFA,并对其参数进行了仿真优化。实验结果表明,该双向EDFA的噪声指数为3.86dB,增益为20.14dB,引入的相位噪声在频率为1Hz处仅为0.1rad2/Hz。将该双向EDFA作为放大补偿器件应用于200km光纤光学频率传递链路中,获得了3.8×10-16/s的秒级频率稳定度及2.8×10-19/(104 s)的万秒级频率稳定度,在频率信号传递和光钟比对领域有着广阔的应用前景。     

混沌-脉冲混合信号光时域反射仪

研制了一种混沌-脉冲混合信号光时域反射仪,其工作原理是通过连续混沌光与离散脉冲光分别对光纤中的菲涅尔反射与后向瑞利散射进行高精度测量,将2次测量结果进行线性叠加得到光纤故障测量曲线,该仪器解决了传统混沌光时域反射仪无法测量光纤损耗事件的问题。实验中利用G.652.B单模光纤作为被测对象,对该仪器进行了实际测试,测试结果表明:所研制的混沌-脉冲混合信号光时域反射仪在104 km测量范围内实现了与距离无关的35 cm空间分辨率测量,对光纤损耗事件也有良好的检测效果。     

频率串扰对光纤频标传递性能的影响

在高精度光纤频标传递过程中,需要对光纤链路引入的相位波动进行测量和补偿,其中引入的频率串扰是影响频标传递性能因素之一。为评估频率串扰对光纤频标传递性能影响,建立了频率串扰对频率传递稳定度的影响模型。在光纤链路温度变化条件下,通过仿真分析和实验研究了频率串扰与稳定度损失之间的关系。结果表明,频标的稳定度损失与串扰因子和频率有关。串扰因子越大,信号的阿伦方差曲线整体上移幅度越大,且串扰因子和稳定度损失峰值近似呈线性关系;频标频率变化时,频标传递的长期稳定度并非只受由温度缓慢变化引起的时延缓慢漂移的影响,也与频率点和时延波动量有关。频率升高时,频率稳定度损失的峰值点向短稳移动。     

基于单光子探测的高精度长距离光纤双向时间比对

在长距离光纤时间传递链路中,为了避免使用中继放大导致双向传输时延不对称以及引入附加的噪声,提出一种基于单光子探测的长距离光纤时间传递方案。将经过主端（从端） 1 pulse/s时间信号控制的激光脉冲序列作为发送信号,利用从端（主端）具有极高探测灵敏度的单光子探测器接收到达信号,并基于双向时分复用同纤同波时间比对方案得到双向光纤链路传输时延变化,进而根据时间相关单光子计数和高斯拟合的数据处理方式得到两端之间钟差的时间稳定度。为了实现单光子探测器在门控模式下对长距离光纤实验系统的长期测试,设计并实现了外部触发门控工作方式下动态调整的触发控制系统。通过利用光纤链路传输时延变化量,实现对门控触发信号的控制。350 km单模光纤和对应长度的色散补偿光纤（链路总损耗约为100 dB）的时间传递系统实验结果表明,时间传递稳定度优于1.5 ps@1 s和0.4 ps@8192 s。所提方法为长距离高精度光纤时间传递提供了一种有效的解决方案。     

光频梳下变频信号光纤延时频率恢复方法

针对光频梳下变频信号接收过程中存在的频率信息丢失问题,提出了一种基于频率-相位映射的信号频率恢复方法,该方法使用可调光纤延迟线在两路光频梳变频链路之间产生一组固定已知的时延,时延在信号原始频率与下变频信号相位差之间建立映射关系,利用该映射关系可以从测得的相位差计算出信号的原始频率。分析了时延值等参数对频率恢复的影响,估计了该方法对相位测量不确定度的限值要求,最后给出了该方法具体实施方案中关键参数的设置策略。所有下变频信号的相位差可以通过快速傅里叶变换等数据处理一次性得出,因此该方法的时间代价和计算成本几乎不随着信号个数增加而增加。在不考虑下变频信号混叠的情况下,本文所提出的方法在理论上对处理信号的数量没有限制,因此相比于已有的光频梳下变频信号频率恢复方法,在多信号频率恢复方面更具有优势。     

高精度光纤时频伺服传递实验研究

阐述了光纤高精度时间频率伺服传递的基本原理、误差来源和系统技术方案。实验上完成了100km光纤链路温度缓变和剧变条件的授时实验,实验授时同步误差峰峰值小于400ps。实验结果表明光纤高精度时间频率伺服系统的性能可以满足商用原子钟间的高精度时间比对与传递要求。     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。     

基于100km光纤链路的时间和频率同时传递

提出了一种基于光纤的时间和频率同时传递方案。采用基于温控光纤延迟线和压电陶瓷(PZT)光纤延迟线的光学相位噪声补偿技术实现高稳定的频率传递。同时,通过波分复用技术在稳定的光纤链路上进行基于时分复用的高精度同纤同波双向时间传递。在100 km的光纤链路上进行了时间和频率同时传递实验,光纤频率传递链路的秒稳定度和天稳定度分别达到5.25×10-14和1.9×10-17;双向时间比对在1 s处的时间传递秒稳定度优于40ps,在平均时间1000 s处优于1.5 ps。时间差抖动的峰-峰值和标准差分别小于400 ps和45 ps。     

平衡式光学互相关方案测量光脉冲传输抖动的理论和实验研究

给出了平衡式光学互相关方案的理论数学计算和各相关参数对测量性能的影响。研究了该测量方案的工作原理,并给出相应的数学计算,分析了脉冲宽度,倍频晶体长度以及两垂直脉冲光在晶体中的群速度对测量动态范围和灵敏度的影响。在理论分析的基础上,搭建了个平衡式互相关器的实验平台,测量光脉冲经过100m光纤链路传输后产生的时间抖动。实验结果表明,定标曲线与理论计算吻合,在有光纤振动的情况下,1～100Hz频率范围内的传输抖动均方根值约为20fs。     

基于单模光纤的交叉相位调制型频率分辨光学开关超短脉冲测量

利用单模光纤中的光弹效应和交叉相位调制(XPM)效应,提出了一种频率分辨光学开关法测量超短脉冲的新方案.在本方案中,单模光纤的前一部分产生可变延迟,后一部分作为非线性介质产生非线性效应.该方案只需一根单模光纤,无须复杂的光路校准,结构简单,损耗低;光纤中的XPM效应易发生,无须相位匹配.对提出的方案进行了数值模拟,采用基于矩阵的主元素广义投影算法,恢复出待测脉冲的幅度和相位信息,并研究了光纤长度和待测超短脉冲的脉冲宽度对测量结果的影响.结果表明:测量准确度随着光纤长度的增加而提高,选取长度为2 km的光纤,就可以实现对超短脉冲的准确测量;本文方案适用于脉冲宽度不小于80 fs的超短光脉冲的测量.     

光纤时间频率传输的时延抖动主动补偿

介绍了使用飞秒锁模激光实现稳定的时间频率传输的实验进展。采用1.2 km通信光纤传输89.7 MHz飞秒激光脉冲,同时其中插入一个主动延迟线,通过比较光纤返回的脉冲信号与激光器本地信号的第10次谐波的相位,将180 ps的时延补偿到了36 ps,证明了此方法在光纤传输时频信号的有效性。理论上本系统的延迟时间测量分辨率应为10 fs,由于噪声的原因,实际分辨率有所降低。进一步的工作正在进行,以提高信噪比和系统的稳定性。     

一种光学频率梳绝对测距的新方法

采用光学频率梳的高精度绝对距离测量技术在航空航天、科学研究和工业生产等领域都发挥着重要作用.提出一种利用光学频率梳技术,通过检测光强实现绝对距离测量的新方法,研究了光学频率梳发出脉冲的时间相干性,分析了光强与被测距离之间的关系、干涉条纹峰值点位置与被测距离之间的关系.建立了基于Michelson干涉原理的测距系统,通过测量光强信息得到被测距离.以高精度纳米位移平台的位移量作为长度基准进行了绝对测距实验,在每个被测距离点都重复进行了10次实验,将10次实验测得的光强值取平均后用于距离的计算.实验结果表明,该方法可以实现绝对距离测量,在10μm测量范围内,最大误差为47 nm.因此,该方法可以应用于大尺寸高精度的绝对距离测量.     

频域反射法光纤延时精密测量

本文提出了一种应用于光纤延时系统中实现光纤延时精密测量的新方法,用以提高光纤延时测量的精度和准确性.该方法以1064 nm激光调制信号作为光源,通过测量回波信号的幅值和相位信息得到被测通道的频率响应,采用快速傅里叶逆变换得到被测目标的延时信息,实现光纤延时测量.本文通过理论分析和延时测量实验对频域反射法与传统的时域测量方法进行对比,使用频域反射法在调制频率范围10—200 MHz,采样频率间隔0.5 MHz的实验条件下,实现了3.3 ps延时测量分辨率,并证明了该方法具有比时域方法更高的测量精度,测量结果的准确性更好.     

基于GPS和短波的高精度时钟系统研究与设计

介绍了全球定位系统GPS、短波授时技术;在对高稳恒温晶振及其频率特性进行分析的基础上,设计了一种基于GPS卫星、短波无线电授时的高精度时钟系统;系统通过利用GPS接收处理模块、短波授时接收模块得到的秒脉冲信号、时间信息,经过信号检测,时延修正处理、性能优选,脉冲数量统计、脉冲滤波与卡尔曼算法处理、PWM脉冲调压控制,实现对高稳恒温晶振频率的校准,获得一个短期及长期频率准确度都比较优良的时间频率标准,同时利用校频后恒温晶振分频出的1 pps信号对RTC时间芯片进行校准,对外输出高精度时间信息;对恒温晶振校频系统的基本工作原理及关键技术进行了详细说明,试验结果表明,在时间不长于1 h内,频率准确度优于0.9*10-9;该系统实用方便,达到了将恒温晶振校准到较高指标的目的。     

基于微波光子滤波器的高分辨率光纤横向负载传感器

提出了一种基于微波光子滤波器的高分辨率光纤横向负载传感器。与传统的基于光谱分析的光纤传感器不同,本传感器的信号解调是在微波域内完成的。其工作原理是利用保偏光纤光栅(PMFBG)构建偏振稳定的双波长光纤环形激光器,微波信号经电光调制器调制到激光器输出的光波上,借助长距离光纤形成的时延,形成一个两抽头的微波光子滤波器。理论和实验研究表明,该滤波器的频率响应与PMFBG上所受的横向压力之间存在线性关系,通过测量滤波器的微波谐振频率的变化,即可还原出待测横向压力的大小。实验获得了9.87MHz·N-1的高灵敏度,实验结果与理论分析一致,证实了该方法的可行性。     

基于相位波动远端补偿的微波频率光纤传递新方法

为研究微波信号光纤传递的性能,提出了一种对相位波动在远端进行抵消补偿的微波信号光纤传递新方法。该方法利用法拉第旋转镜将远端返回的光信号再次返射至远端,对光纤链路因温度、压力变化引入的相位波动通过远端的倍频混频电路进行抵消补偿。理论仿真与验证实验证实了该方法的有效性。在微波调制频率为1GHz,光纤链路长度为25.2km的实验中,频率传递的稳定度损失为2×10-12 s-1和6×10-17 d-1。此方法优化了本地端的结构,本地端不需要光电光转换,无需设计相位信息的精确测量与实时补偿系统,且光纤链路引入的相位扰动对长期稳定度的影响可以降低约三个数量级。     

亚皮秒级时间分辨率的光取样示波器实验样机

利用自行开发的高稳定、低抖动和重复频率可调的“σ”型被动锁模光纤激光器作为高性能光学取样源,与待测的80 Gb/s光脉冲信号同时输入到100 m高非线性光纤中,通过四波混频效应实现了对被测光信号的全光采样。然后利用自行开发的数字信号处理与计算机图形显示软件,精确地重现了被测试的基于RZ码型的80 Gb/s光脉冲信号波形图。同时,还利用该光学取样示波器实验样机系统对重复频率为10 GHz、脉宽为1.8 ps的商用半导体主动锁模激光器的输出波形进行测量,所显示的脉冲宽度值为2.0 ps。这表明开发出的实验样机系统的时间分辨率优于900 fs。     

光纤光栅中孤子时延特性研究

从光纤光栅慢光产生的物理机理和非线性耦合模方程组,仿真分析了均匀布拉格光栅中光栅孤子传输时的减速特性;利用高速示波器搭建了测量高能量、窄脉冲通过布拉格光纤光栅后时延特性的实验系统,分别测量了由普通单模光纤和高非线性光纤制作的均匀光栅对光脉冲的时延特性.实验结果为:用5 cm长普通单模光纤制作的布拉格光栅可以使在其中传输...     

光纤放大器中的受激布里渊散射阈值

 从受激布里渊散射(SBS)耦合波理论出发,根据双包层光纤放大器中的受激布里渊散射阈值模型,理论仿真了信号带宽、纤芯直径、放大器增益对SBS阈值的影响,并从实验上研究了单频百纳秒脉冲信号在掺镱双包层光纤放大器中的受激布里渊散射现象。实验中输入脉冲信号重复频率1 Hz,脉宽200 ns,对不同的输入脉冲信号放大,前向放大脉冲在脉冲能量660 nJ、峰值功率3.3 W时出现畸变,产生后向SBS窄脉冲,达到了SBS阈值,实验计算的SBS阈值与理论分析结果基本一致。