高精度光纤频率传递系统中的相位噪声补偿技术研究

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高精度的频标信号远程传递技术在精密计量、基础科学研究和国防等领域发挥着重要的作用,如基本物理常数测量、相对论验证、卫星导航、甚长基线干涉测量以及基于加速器的Χ射线脉冲源等均要求远距离高精度频率传递。然而,现有基于卫星的时频传递技术最高只能提供10-15/天的稳定度,在短的时间尺度上的稳定度更差,已不能满足新一代高稳定频率基准传递的需求。  光纤链路的稳定性(特别是在短时间内尺度上)比自由空间通路的更高,而且同时具有低损耗、受外界环境的影响较小、高带宽等优点。因此,利用光纤传输系统实现高精度的频率传递引起了越来越多的研究者的关注,被认为是一种极有前途的解决方案。然而在光纤传输过程中会引入额外的噪声,使传递的频标信号的稳定度恶化。基于此,本文的主要工作是系统地分析光子链路传输引入的相位噪声及其对频率传递稳定度的影响,研究光子链路的相位噪声抑制技术及新的频率传递方案,并开展光纤频率传递的实验研究。本文的主要工作如下:  (1)系统地分析了光纤传输中引入的各类噪声,建立了噪声与频率稳定度的数学模型,从理论上给出了各噪声对频率稳定度的影响。对激光器的FM噪声、EDFA的ASE噪声等引入的相位噪声及其对频率稳定度的影响进行实验测试,验证了数学模型的正确性、理论分析的有效性。  (2)在分析噪声特性的基础上,研究光子链路的相位噪声抑制技术。采用低偏置电光调制器偏置电压的方案来降低光子链路的本底相位噪声。针对光纤传输引入的相位噪声,从理论上分析了环路相位噪声补偿技术的性能,仿真了补偿系统的相位噪声补偿效果,也探究了限制相位噪声抑制比的因素。  (3)设计了基于数字式主动光学相位噪声补偿的频率传递方案,在该方案中,采用双混频时域差分技术实现了高精度时延抖动检测,采用FPGA实现了数字相位噪声补偿控制器,提高了补偿的精度,同时增加了系统的灵活性和扩展性。基于数字式相位噪声补偿方案开展了100 km光纤频率传递实验,传递的稳定度达到5×10-14/秒,2×10-17/天。  (4)提出了一种基于微波光子移相器的光纤频率传递方案,设计了一个基于双平行调制器和光滤波器的微波光子移相器,相对于文献中报道的基于电移相器的方案,本文设计的微波光子移相器是在光域对微波信号进行移相,具有更好的线性和更宽的移相范围,同时可以将移相器和光发射机集成一体,简化系统。以微波光子移相器为相位噪声补偿器开展了20 km的光纤频率传递实验,实验结果验证了其有效性。
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