光纤时间频率同步技术及应用.pdf

第 45 卷 第 2 期2024 年 2 月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol.45 No.2Feb.2024DOI:10.19650/ki.cjsi.J2311910收稿日期:2023-09-11 Received Date:2023-09-11基金项目:国家自然科学基金(61971259,62171249)、科技部重点研发计划(2021YFA1402102)、清华大学自主科研计划项目资助光纤时间频率同步技术及应用陈雨锋1,2,3,4,王 波1,2,3(1.清华大学精密仪器系 北京 100084;2.时空信息精密感知技术全国重点实验室 北京 100084;3.光子测控技术教育部重点实验室 北京 100084;4.中国兵器工业导航与控制技术研究所 北京 100089)摘 要:时间是人类目前测量和复现不确定度指标最高的物理量,代表了人类科技发展的最高水平。光纤时频同步技术经过几十年的发展,目前已广泛应用于量子计量、射电干涉测量、定位导航、现代通信、电力电网、高能物理、大地测量等诸多领域,成为人类社会高效运行的重要支撑。得益于光纤时频同步技术的高可靠性和高稳定度,综合原子时“分布式”和“实时性”这一长期存在的矛盾得到了解决。文章介绍了光纤时频同步技术的发展历史、各技术路径的研究现状,以及基于北京地区光纤时频同步网生成的分布式实时综合原子时。在此基础上,指出光纤时频同步的发展重点正从技术研究转为大规模网络化应用,开展基于光网络的多功能、多应用融合研究,实现一体化通信、感知、计算、测量、控制,将是未来的重要发展趋势。关键词:光纤网络;时间同步;频率同步;光载射频;综合原子时中图分类号:TH7 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:460.40Fiber-optic time and frequency synchronization technology and its applicationsChen Yufeng1,2,3,4,Wang Bo1,2,3(1.Department of Precision Instrument,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.State Key Laboratory of Precision Space-time Information Sensing Technology,Beijing 100084,China;3.Key Laboratory of Photonic Control Technology(Ministry of Education),Beijing 100084,China;4.China Ordnance Navigation and Control Technology Research Institute,Beijing 100089,China)Abstract:Time is the physical quantity with the best measurement uncertainty at present,representing the highest level of science and technology.After decades of development,fiber-optic time and frequency synchronization(FOTFS)technology has been widely used in many fields such as quantum metrology,radio interferometry,navigation,modern communication,power grid,high-energy physics,geodesy and so on.It has become a vital support for the efficient operation of human society.Thanks to the high reliability and stability of FOTFS technology,the long-standing contradiction between“distribution”and“real-time”of ensemble time scale has been solved.The paper introduces the development history of FOTFS technology and the research status of each technology path.At the same time,a real-time free-running time scale based on the Beijing FOTFS network is also introduced.Based on this foundation,it is pointed out that the development focus of FOTFS is shifting from technical research to large-scale networked applications.Conducting multi-functional and multi-application integrated research based on optical networks,to achieve integrated communication,sensing,computing,measurement,and control,will be an important development trend in the future.Keywords:fiber network;time synchronization;frequency synchronization;radio over fiber;ensemble time scale0 引 言 作为国际单位制的 7 个基本物理量之一,时间是人类目前测量和复现不确定度指标最高的物理量,代表了人类文明发展的最高水平,许多物理单位的复现均需溯源至时间。而频率作为时间的“孪生”物理量,与时间紧密联系,相辅相成,共同构筑人类社会高效运行的时频基石。随着量子频标的出现和发展,国际秒定义从原来的天文定义转到了量子基准1,而量子频标的发展进一步48 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷推动了时间频率同步技术的发展。光纤具有传输损耗低、传输稳定度高、抗电磁干扰等特性,是传输时间频率信号的良好媒介。而且,全球光纤资源丰富,目前铺设的光纤总里程已超过 30 亿千米,光纤网络已经成为人类社会最大的基础设施之一2。此外,光纤时频同步技术还广泛应用于射电干涉测量、高能物理、定位导航、电力电网、现代通信、大地测量学等诸多领域3-13,成为人类社会高效运行的重要支撑技术。以射电天文观测为例,平方公里阵列(square kilometre array,SKA)是由中国、英国、南非、澳大利亚等 16 个国家共同参与的国际大科学工程。作为下一代射电望远镜,SKA 建成后将成为全世界最大、分辨率最高、最灵敏的综合孔径射电望远镜14。SKA 采用干涉测量技术,将天线以阵列的形式连接在一起。为了让数百甚至数千个天线能够像一个望远镜一样连贯地工作,SKA 需要高精度的光纤时频同步系统,以保证天线阵列在观测时的高相参以及用于记录数据的时间戳的同时性。一直以来,受限于原子钟信号传输过程中引入的噪声,空间分散的多个原子钟组难以生成实时综合原子时信号;而空间集中的原子钟组,虽然能生成实时综合原子时信号,却无法消除同地钟组的关联影响,进而影响综合原子时的稳定度。由于上述矛盾的存在,分布式实时综合原子时的研究基本为空白。随着高精度光纤时频同步技术的发展,异地原子钟的实时高精度比对得以实现,这也使得原子钟组的“分布式”和综合原子时的“实时性”这一矛盾关系有望解决。本文简要回顾了光纤时频同步技术的发展历史,并详细介绍了光纤频率同步技术的三种实现方式:光载射频传输、光频传递以及光频梳传输。接着介绍了现有的两种主要的光纤时间同步方法:光纤双向时间比对法和光纤环回法。这两种方法均需先解算光纤链路传输时延才能实现时间同步,过程较为复杂。进一步介绍了一种基于时间反转的光纤时间同步方法,不需要解算光纤链路传输时延就能实现时间同步。最后介绍了光纤时频同步技术的应用分布式实时综合原子时生成,解决了原子钟组的“分布式”和综合原子时的“实时性”这一矛盾。在此基础上,指出光纤时频同步的发展重点正从技术研究转为大规模网络化应用,开展基于光网络的多功能、多应用融合研究,实现一体化通信、感知、计算、测量、控制,将是未来的重要发展趋势。1 光纤时频同步技术的发展历史及分布式实时综合原子时生成背景 光纤时频同步技术最早可追溯至 20 世纪 70 年代。1973 年,康宁公司 Keck 等15通过优化制造工艺将光纤的衰减系数降低至 2 dB/km,成为低损耗光纤的一个重要里程碑。低损耗光纤的出现和半导体激光器的发展为光纤传输提供了良好的传输介质和光源,极大促进了光纤传输技术的发展,也进一步启发人们思考光纤的潜在应用方向。美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的频率与授时系统研究组在 1978 年提出:可发展基于光纤的频率和授时信号分发技术,用于降低深空网(deep space network,DSN)的成本以及提升观测性能。DSN 的建设目的是利用多天线的连线干涉测量,实现对航天器的定位、导航和追踪。在干涉测量中,各天线的时间频率参考信号的同步尤为关键。DSN 一开始利用同轴电缆和微波链路传输时频信号,但该传输方式存在链路损耗大、成本高、易受电磁干扰、传输性能受限等诸多问题16。为了解决上述问题,JPL 在 1980 年建立了一条1.5 km 的多模光纤链路,并成功实现了 100 MHz 氢钟信号的传输。传输结果表明:光纤链路可替代之前的同轴电缆和微波链路,用于实现参考频率信号的分发16。1986 年,JPL 进一步在铺设的长达 7 km 的单模光纤上实现了 100 MHz 氢钟信号分发,进一步拓展了光纤分发的距离。从环回比对的传输稳定度结果可以看出,氢钟的稳定度没有明显的恶化。JPL 在早期铺设了单模光纤网,用于将数据处理中心的频率参考分发至远端的深空站。光纤传输受温度、应力等因素影响,会引入相位扰动,且随着链路长度的增加,该相位扰动的累积量也会增加。为了降低环境温度对频率传输性能的影响,JPL 曾提出采用热不灵敏光纤进行传输,其温度灵敏度是普通单模光纤的 1/70。不过该特种光纤成本昂贵,难以用于长距离大规模光纤频率传输网的建设。因此在 1989 年,JPL 开展了基于主动稳相技术的光纤频率传输研究17,往返传输探测链路相位扰动,并通过电学相位共轭的方式将链路引入的相位扰动进行反转,再利用高性能压控振荡器(voltage-controlled oscillator,VCO)进行链路噪声的预补偿。相关研究工作开启了光纤时频同步技术的先河。20 世纪 90 年代,激光稳频技术的发展使得稳频激光器在科学研究和工业生产等领域广泛应用。在当时,稳定的激光频率参考通常由光学平台上一系列光学器件组成,难以搬运。因此,将本地端稳定的光频信号通过光纤传输至远端成为稳频激光实际应用的关键环节。而光纤链路引入的相位扰动容易恶化激光的相噪,这对于追求高相噪水平光学频率参考的应用(如光学频率标准和量子光学)是不可接受的。为了实现光频的稳相传输,美国天体物理联合实验室(Joint Institute for Laboratory Astrophysics,JILA)研究团队在 1994 年提出了一种光频传递方法:通过往返传输光频信号,探测光纤链路往返传 第 2 期陈雨锋 等:光纤时间频率同步技术及应用49 输的总相位扰动,再基于光纤传输良好的互易性,可实现对链路扰动的补偿18。其补偿方式为反馈控制发射端的声光调制器。最终的实验结果表明:激光的相噪恶化能以 mHz 量级的精度进行补偿。该研究团队提出的光频传递方案为之后基于光频传递的光纤频率同步提供了重要参考,其反馈控制声光调制器的补偿方式成为光频传递中链路相位扰动的主要补偿方式。基于光频传递的光纤时频同步的传输距离长、同步稳定度高,主要用于异地光钟的比对,助力实现基于光学频率跃迁的下一代“秒”定义。基于光载射频传输的光纤时频同步能够在远端复现可直接使用的时频信号,系统可长期连续运行、可靠性高,目前已广泛应用于射电望远镜阵列、远程原子钟比对与协同、电力电网、分布式守时网络构建等领域。目前,随着光纤资源的日益丰富,建设大规模光纤时频网是未来的一个重要发展趋势。欧洲目前已开始建设基于光纤网络的时频网(time and frequency over optical networks,TiFOON),旨在发展基于光纤的时频同步技术,使之成为时间、频率计量的通用工具,并拓展其在大地测量学、地球观测等领域的应用。我国也已启动大科学装置“高精度地基授时系统”建设工作,利用通信光纤网建设覆盖主要城市和重要用户的光纤时频传递骨干网。由于基于卫星的时频同步系统同步稳定度受限,综合原子时一直无法同时具备分布式和实时性这两大特性。其中,分布式特性使得综合原子时可有效利用各地高性能原子钟资源,有效避免同地原子钟“同快同慢”的关联影响;而实时性特性可有效提升综合原子时性能,避免长时间预测带来的偏差影响。因此,传统的综合原子时主要有三类:以国际原子时和世界协调时为代表的分布式滞后综合原子时;以中国科学院国家授时中心的独立原子时为代表的集中式滞后综合原子时19;以美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)提出的 AT1 为代表的集中式实时综合原子时20。如果能兼具分布式和实时性这两大特性,那么产生的综合原子时可具备高可靠、高性能、关联免疫、保障战略安全等优势,对守时系统的建设具有重要意义。光纤时频同步技术的发展为该问题的解决带来了曙光。与卫星时频同步相比,光纤时频同步的同步稳定度高、实时性强。清华大学研究团队基于光纤时频同步技术,首次实现了分布式实时综合原子时生成,解决了分布式和实时性难以兼具的矛盾。2 光纤频率同步技术 广义的光纤频率同步有 3 个主要目的:频率比对、频率信号传递以及频率信号分发。频率比对一般用于异地原子钟的比对,主要用于测量频率源之间的相对频率差,并以此构建分布式守时系统。频率信号传递将高准确度和高稳定度的频率信号传输至用户单位,以提供精确的频率基准,是量值传递与溯源的关键环节19-20。频率信号分发是指将发射端的参考信号分发至系统的多个接收端,以建立系统内部统一的频率标准,常用于要求高相参信号的联合测量,如干涉测量领域。典型应用包括深空探测网络、射电望远镜阵列以及分布式相控阵雷达。无论是哪种目的,其实现方法都是在远端复现与本地端同步的频率信号,即频率同步,其技术难点在于对链路噪声的探测和补偿能力、传输距离、以及网络化应用能力。根据传输信号的类型,光纤频率同步的实现方式可分为:光载射频传输、光频传递以及光频梳传输。无论是何种方式,实现光纤频率同步的关键是补偿光纤链路引入的相位扰动,从而保证远端复现的频率信号与本地端的参考信号具有相位一致性,即相位差保持一致。2.1 基于光频传递的光纤频率同步 在光频传递中,由于探测光纤链路噪声的信号是频率高达百太赫兹的光频信号,因此对链路噪声的探测灵敏度高,频率同步稳定度高。而且,窄线宽激光器使得该方法具有很长的相干长度(2105 km 以上),因此基于光频传递的光纤频率同步方法传输距离远,容易实现千公里量级的光纤频率同步,而且受色散影响程度低,不需要进行严格的色散控制。2003 年,NIST 的研究团队利用 3.45 km 的光纤链路实现了 JILA 和 NIST 之间光学频率标准的传递和比对21。在主动补偿光纤链路引入的噪声之后,1 s 的平均时间上,频率同步的稳定度为 310-15。2007 年,NIST的研究团队在 251 km 光纤链路上开展了光频传递实验,在 100 s 的平均时间上实现了 610-19的频率传输稳定度,并进一步理论分析了光纤链路对传输稳定度的影响22。2012 年,德国马克斯普朗克量子光学研究所(Max-Planck Institute of Quantum Optics,MPQ)和德国联邦物理技术研究院(National Metrology Institute of Germany,PTB)开展合作研究,在 920 km 的通信光纤上实现了光频信号的稳相传输23,频率传输稳定度在 1 s 的平均时间为510-15,在 2 000 s 的平均时间为 410-19。该研究成果为建设大尺度光频同步网络奠定了重要基础。2013 年,德国 MPQ 和 PTB 在原来 920 km 光频传递的研究基础上,进一步实现了 1 840 km 光纤链路上的光频传递,在 100 s 的平均时间上实现了 410-19的频率传输稳定度24。美国 NIST 和德国 PTB 的光频传递的基本原理如图 1 所示。在图 1 中,发射端的激光器输出的待传输光频信号可表示为:EL=cos(Lt)(1)50 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷图 1 光频传递的典型原理示意图Fig.1 The typical schematic diagram of the optical frequency transfer为了简化分析,主要讨论信号的相位变化项,而忽略信号的幅值项。将 EL分成两路,一路作为本地拍频的参考信号 E1,另一路经过光纤环形器和声光调制器 1(acousto-optic modulator,AOM)后,再经过光纤链路传输至接收 端,得 到 信 号 E2。令 AOM1 的 驱 动 信 号 为cos(1t+1),则 E2可表示为:E2=cos(L+1)t+1+P(2)其中,P是单程的光纤链路引入的相位扰动。光信号 E2在接收端经 AOM2 移频后得到 E3。令 AOM2 的驱动信号为 cos(2t+2),则 E3可由下式表示:E3=cos(L+1+2)t+1+2+P(3)光信号 E3被分成两路,一路为接收端的用户提供可用的光频信号,另一路由原光纤链路返回至发射端,得到 E4:E4=cos(L+21+22)t+21+22+2P(4)在发射端,E4和E1由光电探测器拍频探测可得到拍频信号 Ebeat:Ebeat=cos(21+22)t+21+22+2P(5)利用鉴相器将 Ebeat与参考信号E0=cos(21+22)t进行混频鉴相(参考信号一般为原子钟信号),得到误差信号:Eerr=cos(21+22+2P)t(6)再利用锁相环(phase-locked loop,PLL)对压控振荡器进行锁相控制,系统稳定锁相时有 21+22+2P=C,C 为常数。接收端复现的光频信号为:E3=cos(L+1+2)t+C2(7)复现的光频信号 E3和发射端激光器输出的光频信号 EL保持频率同步。我国相关单位也陆续开展了光频传递技术的有关研究。华东师范大学研究团队利用亚赫兹线宽的激光器在82 km 光纤链路上开展了光频传递实验,实现了 410-17/s,410-19/104 s 的频率传递稳定度25。中科院国家授时中心利用级联传输和低噪声光信号放大的方式,在 224 km 光纤链 路 上 实 现 了 传 递 稳 定 度 为 3.39 10-16/s,8.3610-19/104 s 的光频传递26。中科院上海光机所在96 km 的城市光纤中开展了光频传递实验,并对光频传输系统的影响因素进行了深入分析,实现了 1.910-16/s,2.210-18/104 s 的频率传递稳定度27。2.2 基于光载射频传输的光纤频率同步 光频传递的同步稳定度高,传输距离远,常用于光钟的比对,但系统的整体建设成本高。在一些只需要传输微波原子钟信号的应用中,如射电望远镜阵列,基于光载射频传输的光纤频率同步是一种高性价比的方式,具有成本低、系统复杂度低、可靠性高,且能够长期稳定连续运行等优势。从链路噪声补偿的方式看,基于光载射频传输的光纤频率同步可分为被动补偿方式和主动补偿方式。1)被动补偿方式被动补偿方式主要利用频率成倍数关系的射频信号构建相位共轭关系。相位共轭后的信号再次传输时可实现链路相位扰动的自动抵消。从频率的倍数关系,被动补偿主要可分为“1f-2f”方案28-32和“1f-3f”方案33-36。其中,“1f-2f”方案主要原理如图 2 所示32。图 2 中,1f信号 V1在光纤链路中进行往返传输,引入了相位扰动P。在发射端,利用混频等操作对 P实现相位共轭,产生的新信号 V3的频率是 V1信号频率的两倍,而 V3中跟光纤链路扰动相关的相位为-P。因此,当 V3在原光纤链路中传输时,单程链路所引入的相位扰动为 P,与相位共轭的-P直接抵消,实现了相位被动补偿。图 2“1f-2f”方案的原理示意图32Fig.2 The schematic diagram of the“1f-2f”scheme“1f-3f”方案的主要原理如图 3 所示。在发射端,信号 V3f的频率是信号 V1f的3 倍。V3f经过单程链路引入的 第 2 期陈雨锋 等:光纤时间频率同步技术及应用51 相位扰动和V1f经过3次单程链路引入的相位扰动近似相等,都为 3P。因此,在接收端对 V3f_R以及 V1f_R进行混频,可以消除链路扰动 3P,实现了相位被动补偿。图 3“1f-3f”方案的原理示意图Fig.3 The schematic diagram of the“1f-3f”scheme2013 年,北京邮电大学课题组提出了一种“1f-2f”方案,在 10 km 光纤上补偿后相位抖动小于 0.05 rad28。2015 年,清华大学课题组提出了一种“1f-3f”方案,在10 km 光纤链路上频率传输稳定度可达到:610-15/s 以及 710-17/104 s33。2016 年,上海交通大学课题组基于“1f-2f”的被动补偿方案,在 45 km 光纤链路上开展频率传输实验,实现了 10-17/20 000 s 的传输稳定度31。被动补偿方式原理简单,补偿范围大。由于未使用主动补偿器件,系统控制难度较低,且当光纤同步链路突然经历大幅度的扰动时,可很快恢复正常工作状态。但由于需要对成正整数比例关系的射频信号做混频操作,容易受混频器泄露和非线性效应影响。而且,由于未对误差信号进行比例-积分控制,被动补偿方式对链路快速变化的噪声抑制能力较差。2)主动补偿方式主动补偿方式主要利用探相信号的往返传输探测光纤链路的相位扰动,再利用锁相环等反馈控制环路对主动补偿器件进行控制,从而实现射频信号的稳相传输。根据主动补偿器件,主动补偿方式可分为光程控制方法以及相位控制方法。光程控制方法主要利用长度可变的光纤器件作为主动补偿器件,其中利用绕制在压电陶瓷上的光纤可以补偿快变的链路噪声,利用放置在温控箱的光纤盘纤可以补偿慢变的链路噪声。2010 年,法国LNE-SYTRE 实验室利用光程控制方法在 86 km 光纤链路上实现了 1.310-15/s,天稳优于 10-18的高稳定度频率同步37。2015 年,上海光机所利用光程控制方法在50 km 光纤上实现了时间频率信号综合传输38,其中频率传输稳定度为 510-14/s,210-17/104 s。2019 年,重庆光电技术研究所利用光程控制方法实现了宽频带微波频率信号的分发39。光程控制方法的传输稳定度高,由于补偿方式是改变预置光纤的长度,因此该方法可实现同一光纤链路中多路光信号的同时补偿。但是预置可变光纤延迟线的补偿范围有限,因而限制了传输距离和应用场景。相位控制方法主要利用锁相环对压控晶振输出频率信号的相位进行控制,从而实现光纤链路扰动的补偿。以清华大学提出的频率同步方案为例进行原理介绍40,如图 4 所示。该频率同步方案噪声补偿的基本原理为:往返探测链路噪声,并在发射端利用辅助信号构造相位共轭关系,再通过锁相环控制 VCO 输出信号的相位,从而实现噪声的主动补偿。在图 4 中,锁相介质振荡器1 和2(phase-locked dielectric resonant oscillator,PDRO)均参考 100 MHz 原子钟信号,输出的信号分别为Vr1和 Vr2:Vr1=cos(r1t+r1)(8)Vr2=cos(r2t+r2)(9)PDRO3 参考的是 VCO 输出的 100 MHz 信号,其输出信号 V0可表示为:V0=cos(0t+0)(10)将探测链路噪声的探相信号 V0调制到波长为1 550 nm 波段的激光器上,经过一段长度的光纤链路后到达接收端。经掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier,EDFA)放大后分成两路信号,一路沿原光纤链路传输回发射端,被光电探测器解调后得到 V2;另一路作为接收端的可用信号 V1。V2可表示为:V2=cos(0t+0+2P)(11)其中,P是探相信号在单程光纤传输时引入的相位扰动。由于光纤链路具有良好的互易性,因此可认为探相信号在光纤链路两个方向传输所引入的相位扰动相等。在发射端,为了构建相位共轭关系,利用辅助信号Vr1和 Vr2分别与 V0和 V2进行混频,得到 V4和 V3。将 V4和 V3输入至鉴相器,可得误差信号 Verror:Verror=cos(r1+r2-20)t-2P-20(12)其中,r1和 r2分别是 Vr1和 Vr2的角频率。将该误差信号输入至锁相环,稳定锁相时有:0=(r1+r2)/2(13)2P+20=C(14)式中:C 为常数。令参考信号 r=(r2+r1)/2,接收端可用信号 V1可表示为:V1=cos rt+C2()(15)因此,在接收端复现的频率信号 V1与发射端的参考原子钟信号实现了频率同步。2012 年,清华大学基于该方案在连接清华大学和中国计量科学研究院昌平园区的80 km 光纤链路上,实现了 710-15/s 和 510-19/d 的频率同步稳定度,能够满足光钟比对以外的绝大部分频率同步应用的稳定度指标要求40。2017 年,上海交通大学利用相位主动补偿方法,并采用载波抑制的双边带调制,在实验室 40 km 光纤上实现 3.910-14/s 和 210-16/104 s 的频率同步稳定度41。52 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷图 4 清华大学频率同步方案原理示意图Fig.4 The schematic diagram of the frequency synchronization scheme proposed by Tsinghua University2018 年,北京邮电大学利用高性能的锁相环,对实验室1 007 km 光纤链路引入的相位扰动进行主动补偿,取得了 1.210-13/s 和 5.110-16/20 000 s 的频率同步稳定度42。2019 年,上海交通大学和北京理工大学合作,利用相位主动补偿方法在 80 km 光纤链路上实现了传输稳定度为 1.310-13/s 和 1.510-17/104 s 的频率传输43。基于锁相环和压控晶振的相位控制方案具有补偿范围大、原理和系统较为简单、反馈控制方便、同步稳定度高等优势,且能够长期连续稳定运行,适合长距离频率传输。该方案的不足在于只能补偿单一频率信号的相位延迟变化,无法对同一光纤的多路光信号同时进行补偿。2.3 基于光频梳传输的光纤频率同步 光频梳信号具有多个频率差固定的光频分量,相邻分量之间的差频即为传输的射频信号。与光频传递相比,基于光频梳传输的光纤频率同步可在远端产生直接可用 的 射 频 信 号。2012 年,英 国 国 家 物 理 研 究 院(National Physical Laboratory,NPL)开展了基于光程补偿的光频梳传输研究,其实验系统如图 5 所示44。在图 5所示的方案中,锁定于氢钟的光频梳信号,其重复频率为100 MHz。利用光分束器将光频梳信号分成两路,一路留在发射端,被 AOM 移频 104 MHz。另一路经过单模光纤和色散补偿光纤往返传输后,环回至发射端,并与移频后的光频梳信号在光电探测器上进行拍频,得到的拍频再与锁定于氢钟的 104 MHz 射频信号进行比相,产生的误差信号对光纤拉伸器和温控光纤盘纤进行反馈控制。最终,NPL 实现了稳定度为 210-18/4 000 s 的光频同步以及 410-17/4 000 s 的射频信号同步44。图 5 NPL 的光频梳传输方案原理示意图44Fig.5 The schematic diagram of the optical frequency comb transfer proposed by NPL北京大学在光频梳传递方面开展了深入研究。与光程补偿方式不同,北京大学提出了一种控制锁模光纤激光器的腔长和泵浦功率进行链路噪声主动补偿的光频梳传输方案45-46。并进一步提出了基于被动补偿原理的光频梳传输方案47-48。北京邮电大学在链路噪声补偿方式上也进行了相关研究,提出了一种光学微波锁相的方案49。光频梳传递容易受色散影响。为了减少单模光纤的累计色散对传递稳定度的影响,英国南安普顿大学在 2022 年利用空芯光纤代替单模光纤,在 7.7 km 空芯光纤上开展光频梳传递。在 4 000 s 的平均时间上实现了 1.910-19的光频同步以及 1.510-17的射频信号同步,为该课题组当时所已知的光频梳最佳传递性能50。光频梳信号是链接射频信号和光信号的“桥梁”,可以下转换为射频信号用作各设备的参考信号。因此,基于光频梳传输的光纤频率同步是未来光钟实际应用的重要支撑。但是该方案存在设备成本高、系统较为复杂、远距离传输容易受色散影响等问题。2.4 长距离光纤频率同步 随着全球光纤资源的日益丰富,建设大尺度光纤时频网络将是未来的一个重要发展方向。该网络可为下一代通信 B5G/6 G、下一代射电望远镜以及分布式守时授时网络建设提供重要支撑。由于基于光载射频传输的光纤频率同步具有成本低、系统复杂度低、可靠性高、能长期稳定连续运行等优势,因此该技术方案被广泛用于射电天文观测、分布式授时网络等实际应用中。该技术方案也是未来大尺度光纤时频网络构建的重要方案。因此,本节重点介绍国际各研究单位基于光载射频传输所实现的长距离光纤频率同步性能,其在长距离频率传输中的主要限制因素包括链路损耗、色散、非理想散射和非线性效应。这些因素通过影响传输信号的信噪比造成同步误差。随着传输距离的增加,同步误差的不断累计,进 第 2 期陈雨锋 等:光纤时间频率同步技术及应用53 而限制频率传输稳定度。基于光载射频的光纤频率同步在扩展距离时主要有两种方式:一种是利用 EDFA 等光放大器件进行光功率衰减的及时补偿,该方式为全光传输方式;另一种是对射频信号进行解调再生,再重新调制到新的激光器上,该方式为级联传输方式。两种方式如图 6 所示。在级联传输方式中,每一段的传输距离短,系统调节相对简单。但级联传输方式通常在链路中间使用一套新的接收系统和发射系统,导致系统整体建设成本高。而全光传输方式在链路中间只需要放置双向光放大模块,建设成本明显降低,但对光放大器的性能和整体增益优化有较高要求。图 6 不同传输方式对比示意图Fig.6 Comparison diagram of different transmission methods2010 年,日本信息与通信研究所(National Institute of Information and Communications Technology,NICT)以全光传输的方式在 204 km 的光纤链路上实现了频率同步,同步稳定度为 5.310-14/s,5.110-17/40 000 s51。2015 年,波兰AGH 科技大学以全光传输的方式在490 km 光纤链路上开展频率同步实验,同步稳定度为 5.310-14/10 s,1.110-17/105 s52。2016,中科院上海光机所以级联传输的方式在430 km 光纤链路上开展频率同步实验,同步稳定度为 210-13/s,1.310-16/104 s53。2018 年,澳大利亚国家计量研究院以全光传输的方式在 310 km 的光纤链路上实现了频率同步,同步稳定度为 710-14/s,810-17/105 s54。同年,北京邮电大学以全光传输的方式在 1 007 km 的光纤链路上实现了频率同步,同步稳定度为 1.310-13/s,510-16/20 000 s42。2022 年,法国巴黎天文台以级联传输的方式在 500 km 光纤链路上开展频率同步实验,同步稳定度为210-12/s,3.110-15/105 s55。同年,上海交通大学以全光传输的方式在 540 km 光纤链路上开展频率同步 实 验,同 步 稳 定 度 为 7.3 10-14/s,1.7 10-16/104 s56。2023 年,北京邮电大学基于锁相环相位共轭方案,利用级联方案在实验室 3 009.8 km 光纤链路上实现了 8.810-14/s 和 8.410-17/104 s 的频率传输57。基于光载射频传输的光纤频率同步在长距离应用时容易受色散的影响,恶化传输性能。色散的影响主要体现在两方面:一方面导致接收端解调的射频信号功率的降低,降低的功率值随光纤链路长度而呈现周期性变化(功率衰荡效应);另一方面色散可与激光器噪声相互作用,恶化传输信号的信噪比。常用的色散补偿方法为色散补偿光纤,但该方法存在插入损耗大、信号延迟高等问题。而啁啾光纤布拉格光栅(chirped fiber Bragg grating,CFBG)在补偿色散时具有插入损耗小、信号延迟低等优势,适用于长距离光纤频率同步。基于此,清华大学研究团队提出了一种色散啁啾控制增强的双向光放大方法,如图 7 所示58。图 7 所示的方法能够同时实现色散补偿、背向瑞利散射抑制和增益可控的非对称光放大。非对称光放大是指两个方向的光放大增益存在明显区别。在实际链路中,由于中继节点两个方向所连接的光纤长度不同,需要放大的光功率也不同,因此非对称放大是实际链路中一个重要需求。图 7 色散啁啾控制增强的双向光放大方法示意图58Fig.7 The schematic diagram of the bidirectional optical amplification method enhanced by dispersion chirp control利用该双向光放大方法,清华大学研究团队在 2022年构建了 500 km 光纤链路,该链路由 50 km100 km150 km100 km100 km 共 5 节光纤组成,其中包含了一段长达 150 km 中间无光放大的链路。链路的每个中继节点都存在非对称的光放大需求。在 500 km 光纤链路上以全光传输的方式开展了频率同步实验,为了方便传输稳定度测试,发射端和接收端放置于同一房间,再利用频率传输稳定度测试设备 5125A 进行实时测量。在测试的 14 天时间内,相位时间差始终维持在 3 ps,频率传输稳定度为1.710-14/s,6.710-18/d,如图8 所示57,其中 100 s 处的小鼓包是测试房间温度的周期性波动所导致的。高稳定度的频率传输结果验证了所提出的色散啁啾控制增强的双向光放大方法在长距离光纤频率同步的可行性,且能够有效解决各中继节点非对称放大需求,能够适用于复杂的实际链路。54 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷图 8 在 500 km 光纤上的频率同步稳定度58Fig.8 The freq