光纤频率传递系统中的光学相位噪声补偿方案的优化与实现

摘要

随着频率源频率稳定度的不断提高,对频率传递系统的性能也提出了更高的要求。相较于卫星双向时频传递等传统的频率传递方法而言,光纤频率传递具有带宽高、损耗小、抗干扰性强等优点,现在已被广泛研究并用于高精度频标的传递工作中。
　　在光纤频率传递系统中,温度以及一些外部环境变化等所产生的相位噪声会对整个系统的频率传递稳定度带来极大的影响。本文主要研究了温控光纤延迟线和压电陶瓷(PZT)光纤延迟线组合而成的主动光学相位补偿方案,开发了基于FPGA的软件算法,在光纤频率传递系统中进行实验验证,有效拟制了相位噪声对频率传递稳定度的影响。实验结果表明,在基于Round-Trip方案的20km光纤传递1GHz频率信号中运用动态范围约为21ns的温控光纤延迟线能够达到优于±2.5ps的控制精度;用动态范围约为4ns的温控光纤延迟线能够达到优于±0.6ps的控制精度,传递系统能够达到8×10-14的秒稳定度与4×10-17的10000秒稳定度。并用动态范围约为4ns的温控光纤延迟线进行100km的光纤频率传递能够达到优于±1ps的控制精度。经过光学相位补偿后的光纤频率传递系统能够满足高稳定度频率源传递需求。
　　本文的主要工作包括:
　　(1)设计了光学相位噪声补偿方案的软硬件以及上位机。软件上主要是FPGA平台的软件算法的模块设计、划分及实现;硬件上主要是基于FPGA的控制电路板的设计与实现;上位机是基于LabVIEW开发的可视化界面。
　　(2)依据光纤延迟线时延变化与温度变化的关系以及半导体制冷片的基本工作原理设计制作了了大动态范围的温控光纤延迟线,同时还设计制作了温控光纤延迟线的驱动电路。
　　(3)在光纤频率传递系统中测试了所设计的温控光纤延迟线的各项指标;进行了基于光学相位补偿方案的频率传递系统测试;得到了本系统的稳态相位抖动以及以频率传递稳定度。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 频率稳定度的表征

1.3 光纤频率传递方案对比

1.4 光纤延迟线研究现状

1.5 本文主要工作

2 光纤频率传递系统中的光学相位噪声补偿方案

2.1 光纤频率传递系统简介

2.2 光学相位噪声补偿方案设计

2.3 本章小结

3 光学相位噪声补偿方案的硬件设计与实现

3.1 温控光纤延迟线基本原理

3.2 温控光纤延迟线设计与制作

3.3 温控光纤延迟线的驱动电路设计与实现

3.4 光学相位噪声补偿方案的控制电路板

3.5 本章小结

4 光学相位噪声补偿方案的软件设计与实现

4.1 软件实现方案总述

4.2 FPGA中各模块的设计以及实现

4.3 LabVIEW上位机的设计以及实现

4.4 本章小结

5 光纤频率传递系统中的相位噪声补偿实验验证

5.1 温控光纤延迟线开环动态性能测试

5.2 光纤频率传递系统性能测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢

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