基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置及其稳定方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种基于飞秒激光的光纤链路稳定系统。
【背景技术】
[0002]大科学装置在基础科学探索、生物医药、国民经济发展等领域起到越来越重要的推动作用。由于其具有建设规模大、结构复杂、技术综合等特点，因此对各功能构件之间的协同控制提出了苛刻的要求。比如X射线自由电子激光器(XFEL)作为第四代光源可以产生高重复频率、高相干性、超高亮度的飞秒X射线脉冲，其亮度比第三代同步辐射光源高九个数量级，是国际上大科学装置研究的新制高点。而XFEL基于直线加速器结构，长度在数百米至几公里不等，其稳定运转与性能发挥取决于沿线上由光纤连接的诸多射频源与激光源的精密时钟同步;大规模天线组阵可以获得单个天线无法企及的角分辨率和灵敏度，探索宇宙起源，而其中由光纤连接的各测站之间，本振参考信号分布至任何一个测站的时钟误差必须控制在飞秒(fs，lfs = 10—15s)量级，否则将会导致成像模糊甚至干涉成像失效。
[0003]目前，国内的各种时频分布手段实现的时钟同步度普遍在皮秒(ps)量级，很难实现上述大科学装置对时钟同步精度的要求，而这项指标恰恰是国内开展大科学装置研究必须达到的。
[0004]飞秒激光相对于普通激光光源而言，由于其脉冲宽度窄、频谱宽、时间抖动低、时间分辨率高等特点，可以很好地作为光纤链路中传输的时钟信号，使飞秒或亚飞秒级别的时钟信号同步成为可能。同时，采用基于飞秒激光脉冲序列的平衡光学互相关技术可以实现亚飞秒时间分辨的延迟误差探测，从而可以进一步补偿延时误差。
【发明内容】
[0005]针对大科学装置如X射线自由电子激光器(XFEL)和大规模天线组阵对于时钟同步的高精度要求，本发明结合飞秒激光器的优势，提供一种基于飞秒激光的光纤链路时频信号分布装置，从而实现了公里级光纤链路中飞秒级别的时钟同步误差，满足了上述大科学装置的要求。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置，包括主时钟发射器、隔离器、二分之一波片、偏振分束器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一反射镜、压电陶瓷光纤拉伸器、光纤链路、掺Er3+光纤放大器、法拉第旋光镜和时钟误差检测单元，所述主时钟发射器采用锁定到氢原子钟的飞秒激光器，所述第一反射镜与一步进电机为一体;所述法拉第旋光镜的反射透射比为50:50;所述时钟误差检测单元包括平衡光学互相关系统、PI控制器、数据采集卡和计算机;所述平衡光学互相关系统包括第二反射镜、第一双色镜、第二双色镜、凸透镜、周期性极化PPKTP晶体和平衡光电二极管;所述飞秒激光器发射的光脉冲信号依次通过隔离器和二分之一波片后进入到偏振分束器中，然后分成两束相互垂直的线偏振光，其中:一束线偏振光是:偏振光通过第一四分之一波片、压电陶瓷光纤拉伸器和光纤链路后，再经过掺Er3+光纤放大器放大，最后经法拉第旋光镜的反射原路返回至所述偏振分束器；另一束线偏振光是:偏振光通过第二四分之一波片和第一反射镜返回至所述偏振分束器;通过调节第一四分之一波片和第二四分之一波片，最终两束线偏振光一同进入所述平衡光学互相关系统;进入所述平衡光学互相关系统的两束线偏振光，通过第一双色镜和凸透镜后进入周期性极化PPKTP晶体产生一束和频光信号；然后这两束线偏振光的残余部分经过第二双色镜的反射再次通过周期性极化PPKTP晶体产生另一束和频光信号;所述的一束和频光信号通过第二双色镜进入平衡光电二极管的其中一个探头，所述的另一束和频光信号经过凸透镜和第一双色镜，通过第二反射镜后进入平衡光电二极管的另一个探头;两束和频光信号在平衡光电二极管中相减并转化成电信号传输到所述PI控制器之中；然后将PI控制器输出的电信号分别传输给所述压电陶瓷光纤拉伸器和数据采集卡，所述数据采集卡将电信号传给计算机，所述计算机控制与第一反射镜为一体的步进电机。
[0007]采用基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置实现光纤链路稳定的方法，步骤如下:
[0008]步骤一、两束线偏振光进入平衡光学互相关系统后，产生这两束线偏振光的相对时钟误差信号，并将其转化成电信号后进入所述PI控制器;通过调节PI控制器的参数，并与压电陶瓷光纤拉伸器相配合，将两束光脉冲信号的相对时钟误差控制在相应地范围之内；
[0009]步骤二、在实时接收和处理时钟误差过程中，判断若两束光脉冲信号的相对时钟误差在压电陶瓷光纤拉伸器的补偿范围内，则使用该压电陶瓷光纤拉伸器进行补偿，否则，驱动步进电机移动第一反射镜使得该两束光脉冲信号的相对时钟误差再次进入压电陶瓷光纤拉伸器的补偿范围之内；
[0010]往复循环步骤二，通过压电陶瓷光纤拉伸器和步进电机的配合补偿时钟误差，使光纤链路长时间稳定。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0012]本发明基于飞秒激光的光纤链路时频信号分布装置结合飞秒激光器的优势，采用锁定到氢原子钟的基于非线性偏振旋转(NPE)的掺铒光纤飞秒激光器作为主时钟发射器，同时，利用平衡光学互相关技术，采用压电陶瓷光纤拉伸器和步进电机的配合补偿，实现了公里级光纤链路中飞秒级别的时钟同步误差，保证光纤链路长时间稳定。
【附图说明】
[0013]图1是本发明基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置构成示意图；
[0014]图2是图1中所示平衡光学互相关系统8的示意图。
[0015]图中:
[0016]1-飞秒激光器 2-隔离器3-二分之一波片
[0017]4-偏振分束器 5-第二四分之一波片6-第一反射镜
[0018]7-第一四分之一波片 8-平衡光学互相关系统81-第一双色镜
[0019]82-凸透镜 83-周期性极化PPKTP晶体84-第二双色镜
[0020]85-第二反射镜 86-平衡光电二极管9-PI控制器
[0021]10-数据采集卡 11-计算机12-压电陶瓷光纤拉伸器
[0022]13-光纤链路 14-掺Er3+光纤放大器15-法拉第旋光器
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0024]为实现大科学装置对于时钟同步的高精度指标，本发明提出的一种基于飞秒激光的光纤链路时频分布装置，其结构如图1所示，包括主时钟发射器、隔离器2、二分之一波片
3、偏振分束器4、第一四分之一波片7、第二四分之一波片5、第一反射镜6、压电陶瓷光纤拉伸器12、光纤链路13、掺Er3+光纤放大器14、法拉第旋光镜15和时钟误差检测单元。如图1中的虚线框所示，所述时钟误差检测单元包括平衡光学互相关系统8、PI控制器9、数据采集卡10和计算机11。
[0025]本发明中的所述主时钟发射器采用锁定到氢原子钟的飞秒激光器1，所述第一反射镜6与一由程序控制的步进电机为一体;所述法拉第旋光镜15的反射透射比为50:50。
[0026]如图1所示，所述飞秒激光器1发射的光脉冲信号依次通过隔离器2和二分之一波片3后进入到偏振分束器4中，然后分成两束相互垂直的线偏振光，其中:一束线偏振光是:偏振光通过第一四分之一波片7、压电陶瓷光纤拉伸器12和光纤链路13后，再经过掺Er3+光纤放大器14放大，最后经法拉第旋光镜15的反射原路返回至所述偏振分束器4;另一束线偏振光是:偏振光通过第二四分之一波片5和装载在Labvi