一种基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置

1.本发明属于时间同步精度的检测领域，具体是一种基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置。


背景技术：

2.目前，白兔协议中的标准连接是由两个支持白兔协议的时频传递模块，通过光纤链路串联形成的。如图1所示，每个时频传递模块都有一个支持白兔协议的时钟电路、控制模块和光模块。根据时间同步模式，可以将这两个模块所在节点分为主节点和从节点。在主节点，可以接入时频基准提供的高精度时频信号作为参考。时钟电路根据白兔协议生成时钟信号，通过控制模块与通信信号结合，由光模块生成携带白兔时钟信号的光信号，进入光纤链路传递到远端节点，由远端的时频传递模块对信号进行相应的处理。
3.在频率传递方面，主节点的时频传递模块根据参考频率生成固定速率的数据流并调制信号光，传输到从节点后，根据数据流的速率恢复频率信号，从而实现频率传递；
4.在时间同步方面，时钟信号在主、从节点进行双向传递，通过记录时钟信号收、发的时间点，计算两节点之间的传输延迟以及时钟偏差，在从节点进行时间同步。
5.在白兔协议中，输入时钟信号通过数字混频生成了相位不变、频率更低的输出时钟信号，从而提高了时域信号检测的精度。结合以上内容，标准白兔连接装置时间同步的不确定度在亚纳秒级。
6.由于通常的脉冲序列探测会引入皮秒级的不确定度，标准白兔连接的时间同步性能很难进一步提高。
7.相似现有技术：
8.1.标准白兔连接，相比之前的网络时间同步连接，达到了亚纳秒级的不稳定度，通过数字混频检测时钟信号，检测精度皮秒级；如文献1：p.moreira,j.serrano,t.wlostowski,et al.,“white rabbit:sub-nanosecond timing distribution over ethernet,”in 2009international symposium on precision clock synchronization for measurement,control and communication(2009),1-5.
9.2.射频调制增强白兔连接，通过基于射频调制的技术，增强了白兔连接的频率传递性能，
10.如文献2：z,lu,y.gui,j.wang,et al,“fiber-optic time-frequency transfer in gigabit ethernet networks over urban fiber links,”opt.express 29(8),11693-11701(2021)，将射频信号调制到调制有白兔信号的光载波上，并在接收端恢复成射频信号和白兔信号，通过恢复的射频信号和白兔信号进行时频传递，主要增强了频率传递性能；


技术实现要素：

11.本发明提出了一种基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置，采用基于白兔协议的时间同步技术，进行光学频率梳脉冲检测中所需要的宽尺度探测，同时通过白兔连接的
通信功能传递了光学频率梳脉冲检测中所需要的外差信号，实现了飞秒级的时间同步，提高了白兔连接的时间同步精度。
12.所述的基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置，具体包括：对称的两个密集波分复用器通过光纤链路连接的传输链路；密集波分复用器包括第一密集波分复用器和第二密集波分复用器；
13.其中，主节点包括时频基准(微波原子钟、光钟等)，第一时频传递模块，鉴相器，第一控制器，第一光学频率梳，第三光学频率梳，第一外差检测模块，第三外差检测模块和第一密集波分复用器；
14.从节点包括：第二时频传递模块，第二控制器，第二光学频率梳，第二外差检测模块和第二密集波分复用器；
15.第一时频传递模块同时连接时频基准、第一外差检测模块和第三外差检测模块；时频基准和第一光学频率梳连接到鉴相器，鉴相器连接到控制器；控制器连接到第一光学频率梳；第一光学频率梳和第三光学频率梳连接到第一外差检测模块，第三光学频率梳和第一密集波分复用器连接到第三外差检测模块；第一时频传递模块和第三光学频率梳连接到第一密集波分复用器；
16.第一密集波分复用器与光纤链路连接，光纤链路另一端连接到第二密集波分复用器；
17.第二密集波分复用器和第二外差检测模块连接到第二时频传递模块；第二时频传递模块连接到第二控制器；第二控制器连接到第二光学频率梳；第二光学频率梳和第二密集波分复用器连接到第二外差检测模块；第二光学频率梳连接到第二密集波分复用器；
18.本发明的优点在于：
19.1、一种基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置，利用标准白兔连接实现了光学频率梳脉冲检测和同步，通过数字混频将时间同步精度提升到飞秒级。
20.2、一种基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置，通过检测光学频率梳脉冲提高时间同步的精度，而检测光学频率梳脉冲需要结合三个光学频率梳的外差信息和链路时延，并利用白兔连接校准装置的固有时延，测量了链路时延并传递了外差信息，完成了光学频率梳脉冲检测，并通过第二控制器控制第二光学频率梳，实现与第一光学频率梳的时间同步。
21.3、一种基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置，相比现有的以射频调制增强白兔连接技术，通过相位幅度调制将射频信号调制到调制有白兔时钟信号的信号光上，调制深度会影响射频信号传递的稳定性与白兔时钟信号的误码率；本发明的光学频率梳脉冲传递的光与白兔连接使用的光载波波长不同，通过密集波分复用技术进行并行传输，互不干扰。
22.4、一种基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置，主要利用检测光学频率梳的脉冲序列，相比于白兔连接内部的时钟信号检测，增强了时间同步性能。
附图说明
23.图1为现有技术中标准白兔连接装置示意图。
24.图2为本发明基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置的示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
26.本发明提出了一种基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置，在标准白兔连接装置的基础上，增加了光学频率梳，通过检测光学频率梳的超短脉冲进行精细同步，使得增强后的白兔连接装置时间同步性能达到飞秒级。
27.所述的基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置，如图2所示，为了结合基于白兔协议的时频传递和基于光学频率梳的时间同步，利用第一密集波分复用器160、光纤链路和第二密集波分复用器161作为传输链路。首先，本装置采用时频基准120提供参考信号，为第一时频传递模块110提供频率参考信号。基于白兔协议的第一时频传递模块110经过传输链路与第二时频传递模块170串联，建立白兔连接。
28.第一时频传递模块110同时连接时频基准120、第一外差检测模块150和第三外差检测模块151；时频基准120和第一光学频率梳130连接到鉴相器131，鉴相器131连接到第一控制器132；第一控制器132连接到第一光学频率梳130；第一光学频率梳130和第三光学频率梳140连接到第一外差检测模块150，第三光学频率梳140和第一密集波分复用器160连接到第三外差检测模块151；第一时频传递模块110和第三光学频率梳140连接到第一密集波分复用器160；
29.第一密集波分复用器160与光纤链路连接，光纤链路另一端连接到第二密集波分复用器161；
30.第二密集波分复用器161和第二外差检测模块190连接到第二时频传递模块170；第二时频传递模块170连接到第二控制器181；第二控制器181连接到第二光学频率梳180；第二光学频率梳180和第二密集波分复用器161连接到第二外差检测模块190；第二光学频率梳180连接到第二密集波分复用器161；
31.所述的基于白兔协议的光学频率梳时频传递装置实现时间同步的过程为：
32.步骤一、时频基准为第一时频传递模块提供频率参考信号，第一时频传递模块经过传输链路与第二时频传递模块串联，建立白兔连接,测量得到装置的粗时间差τ和传输链路的传输时延t
link
；
33.步骤二、第一光学频率梳的输出通过与时频基准给出的参考频率信号，一起经过鉴相器进行鉴相，输出相差信号驱动第一控制器调节第一光学频率梳，完成第一光学频率梳对光钟的锁定，重复频率为fr。
34.步骤三、第三光学频率梳与第一光学频率梳的重复频率有偏差δfr，两者的输出脉冲序列在第一外差检测模块进行检测，对两光学频率梳脉冲序列互相关的干涉图提取峰值的时间信息，进行缩放后，得到的外差信号s1发送到第一时频传递模块。
[0035][0036]
其中，n是与干涉图峰值数目有关的整数，τi、τ
iii
分别为第一、第三光学频率梳脉冲序列的时间延迟。
[0037]
步骤四、第三光学频率梳的输出脉冲序列经过传输链路传递到从节点，与第二光学频率梳的输出脉冲序列在第二外差检测模块进行检测，对两光学频率梳脉冲序列互相关的干涉图提取峰值位置，进行缩放后，检测结果s2发送到第二时频传递模块。
[0038][0039]
τ
ii
为第二光学频率梳脉冲序列的时间延迟。
[0040]
从节点的第二光学频率梳的重复频率与第一光学频率梳基本一致。
[0041]
步骤五、第二光学频率梳的脉冲序列经过传输链路传到主节点，与第三光学频率梳输出的脉冲序列在第三外差检测模块进行检测，对两光学频率梳脉冲序列互相关的干涉图提取峰值位置，进行缩放后，检测结果s3发送给第一时频传递模块；
[0042][0043]
步骤六、第一时频传递模块利用白兔连接的通信功能，将来自第一外差检测模块和第三外差检测模块的检测结果s1和s3，传递给第二时频传递模块；
[0044]
步骤七、第二时频传递模块结合接收到的三方外差检测结果s1，s2和s3，计算得到第二光学频率梳和第一光学频率梳输出脉冲序列的时间偏差；
[0045][0046]
其中δn是与脉冲序列有关的整数；
[0047]
步骤八、根据相位偏移通过第二控制器调节第二光学频率梳，使其输出脉冲序列的相位与第一光学频率梳输出脉冲序列的相位保持一致，完成高精度的时间同步。