光纖時(shí)頻傳遞技術(shù)進(jìn)展

楊文哲，楊宏雷，趙環(huán)，王學(xué)運(yùn)，張升康

光纖時(shí)頻傳遞技術(shù)進(jìn)展

楊文哲1,2,3，楊宏雷1,2，趙環(huán)1,2，王學(xué)運(yùn)1,2，張升康1,2

（1. 北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100854；2. 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854；3. 中國航天科工集團(tuán)二院研究生院，北京 100854）

光纖信道具有傳輸穩(wěn)定、帶寬大、不易受干擾等特點(diǎn)，近年來在高精度時(shí)間頻率傳遞方面得到廣泛的應(yīng)用。目前，在區(qū)域地區(qū)內(nèi)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳遞時(shí)間頻率信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方案主要分為3類：光纖微波時(shí)間頻率傳遞方案、光纖光頻傳遞方案、基于光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)間頻率傳遞方案。最新的報(bào)道表明，光纖微波時(shí)間頻率傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度已達(dá)到5×10-19/d，時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到11 ps/d；光纖光頻傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度達(dá)到7.5×10-20/10 ks；基于光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)間頻率傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度達(dá)到1.7×10-18/100 s，時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)。鑒于光纖時(shí)頻傳遞技術(shù)的飛速發(fā)展，綜述了光纖時(shí)間頻率傳遞技術(shù)的發(fā)展歷史，總結(jié)了各類光纖時(shí)頻傳遞的具體實(shí)現(xiàn)方案及其性能，評(píng)述了各種光纖時(shí)頻傳遞的實(shí)現(xiàn)方案。

光纖網(wǎng)絡(luò)；時(shí)間傳遞；頻率傳遞

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制設(shè)備逐步覆蓋生活中的每一個(gè)角落，時(shí)間頻率傳遞技術(shù)成為設(shè)備協(xié)同工作甚至是整個(gè)社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證。高精度的時(shí)間頻率傳遞技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在科學(xué)研究、軍事安全、航空航天、導(dǎo)航定位、金融證券、鐵路運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域。例如，國際原子時(shí)（International Atomic Time，TAI）是目前的國際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，是通過對(duì)世界上多個(gè)國家守時(shí)實(shí)驗(yàn)室中的原子鐘進(jìn)行比對(duì)，并對(duì)比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到的[1]。原子鐘比對(duì)過程離不開遠(yuǎn)程時(shí)間頻率傳遞技術(shù)。在基礎(chǔ)物理學(xué)[2-4]、大地測(cè)量學(xué)[5]、無線電天文學(xué)[6]等很多學(xué)科的大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，遠(yuǎn)程時(shí)間頻率傳遞技術(shù)能夠?yàn)樘炀€陣列、射電天文望遠(yuǎn)鏡等大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供精確、穩(wěn)定、一致的時(shí)間頻率參考信號(hào)，保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行及測(cè)量精度。目前，GNSS共視法[7-8]，GNSS全視法和衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法[9-10]是應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的基于衛(wèi)星的時(shí)間頻率傳遞方法。這3種方法在原子時(shí)比對(duì)、時(shí)間統(tǒng)一和雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其時(shí)間比對(duì)不確定度均在納秒量級(jí)，頻率比對(duì)不確定度可達(dá)10-15/d。

然而，近年來隨著原子鐘性能指標(biāo)的不斷提升以及光鐘的出現(xiàn)，銫噴泉原子鐘的不確定度已經(jīng)達(dá)到10-15量級(jí)[11]，光鐘系統(tǒng)的不確定度已經(jīng)達(dá)到10-19量級(jí)[12]。GNSS共視法、GNSS全視法和衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法已經(jīng)無法完成這些新型原子鐘和光鐘之間的比對(duì)，以及時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的播發(fā)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、武器裝備、量子物理學(xué)、測(cè)繪學(xué)等各方面的應(yīng)用需求。因此，亟需研究更高精度的時(shí)間頻率傳遞技術(shù)。由于光纖信道傳輸穩(wěn)定、帶寬大、不易受干擾，時(shí)頻計(jì)量領(lǐng)域的專家學(xué)者們開始嘗試通過光纖傳輸高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。時(shí)至今日，各個(gè)時(shí)頻計(jì)量實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在光纖時(shí)間頻率傳遞技術(shù)上取得了巨大的進(jìn)展。最新的報(bào)道表明，光纖微波時(shí)間頻率傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度已達(dá)到5×10-19/d；時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到11 ps/d；光纖光頻傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度達(dá)到7.5×10-20/105s；基于光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)間頻率傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度達(dá)到1.7×10-18/100 s，時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)。并且隨著光纖時(shí)間頻率傳遞的不斷發(fā)展，區(qū)域范圍內(nèi)的大規(guī)模光纖時(shí)頻同步網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)被各國提上日程。2012年，由歐盟9國（德國、法國、英國、奧地利、意大利、荷蘭、瑞典、芬蘭、捷克）共同出資合作開展的聯(lián)合研究項(xiàng)目NEAT-FT正式啟動(dòng)[13]，旨在建設(shè)一個(gè)頻率傳輸穩(wěn)定度優(yōu)于10-17/d，時(shí)間同步不確定度優(yōu)于100 ps的歐洲時(shí)頻光纖同步網(wǎng)絡(luò)。本文綜述了光纖時(shí)間頻率傳遞技術(shù)的發(fā)展歷史，總結(jié)了光纖時(shí)頻傳遞的具體實(shí)現(xiàn)方案及其性能，評(píng)述了各種光纖時(shí)頻傳遞的實(shí)現(xiàn)方案。

1 光纖時(shí)間頻率傳遞的發(fā)展歷史

光纖時(shí)間頻率傳遞技術(shù)起源于美國國家航空航天局（NASA）對(duì)數(shù)千千米距離無衰減傳遞時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的需求。1970年代末期，在NASA深太空網(wǎng)絡(luò)（deep space network，DSN）的空間導(dǎo)航和跟蹤功能建設(shè)中，以及無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，都需要使用高精度的時(shí)間頻率信號(hào)。然而，同軸電纜傳輸逐漸無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等方面的需求。于是，具有低損耗、低噪聲、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)的光纖光纜成為了新的傳輸媒介。NASA下設(shè)的噴氣推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）開展了光纖光纜時(shí)頻信號(hào)傳遞技術(shù)研究[14]，并開始鋪設(shè)光纜。1980年，JPL實(shí)驗(yàn)室安裝了第一條光纖實(shí)驗(yàn)鏈路，從時(shí)間頻率實(shí)驗(yàn)室到頻率標(biāo)準(zhǔn)建筑，使用62.5/125 μm多模光纖，單向距離1.5 km。實(shí)驗(yàn)成功傳輸100 MHz的氫鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[15]，證實(shí)光纖能夠取代同軸電纜和微波鏈路，傳遞頻率參考信號(hào)。隨后，NASA在DSN站點(diǎn)間鋪設(shè)了單模光纖光纜。1989年，NASA DSN GDSCC（Deep-space Communications Complexes located near Goldstone，CA）中心首次實(shí)現(xiàn)了通過光纖光纜傳遞時(shí)間頻率信號(hào)[16]，為所有天線同時(shí)提供時(shí)間和頻率參考信號(hào)，傳輸距離10 km。隨著DSN不斷建設(shè)和升級(jí)，NASA大力推動(dòng)了光纖時(shí)頻傳遞技術(shù)的發(fā)展。在1990年代，JPL實(shí)驗(yàn)室研制了光纖播發(fā)集成器（fiber-optic distribution assembly，F(xiàn)ODA），并建立了基于FODA的開環(huán)頻率播發(fā)系統(tǒng)[17]，為深太空網(wǎng)絡(luò)的各種天線提供高穩(wěn)定度的頻率參考信號(hào)。同時(shí)深入測(cè)試了光電設(shè)備、光纖光纜等各方面引入的噪聲對(duì)于頻率傳遞穩(wěn)定度的影響，并提出了主動(dòng)相位穩(wěn)定技術(shù)，設(shè)計(jì)形成了Stabilized FODA（SFODA）閉環(huán)頻率播發(fā)系統(tǒng)[18-19]，其長期穩(wěn)定度比之前的開環(huán)系統(tǒng)提升了3個(gè)量級(jí)，應(yīng)用于需要更高精度頻率參考信號(hào)的新型天線和特殊實(shí)驗(yàn)。

NASA DSN成功通過光纖傳遞時(shí)間頻率信號(hào)[20]，開啟了通過光纖鏈路實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間頻率傳遞和比對(duì)的先河。隨后，大量專家學(xué)者對(duì)NASA研制的時(shí)間頻率傳遞技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，如增加噪聲消除設(shè)備，解決光纖色散問題等，并在此后的幾十年里不斷地改進(jìn)和突破，利用10 MHz，1 PPS，B碼等微波時(shí)間頻率信號(hào)對(duì)激光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，并通過反饋結(jié)構(gòu)補(bǔ)償鏈路噪聲，使接收端通過光電探測(cè)技術(shù)獲得與發(fā)射端一致的時(shí)間頻率信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了時(shí)間頻率傳遞，逐漸形成了以微波時(shí)間頻率信號(hào)調(diào)制光信號(hào)為主要方式的一類傳遞方法。本文將這類方法稱為光纖微波時(shí)間頻率傳遞。同時(shí)，隨著光鐘技術(shù)日益成熟，全球出現(xiàn)了大量超高穩(wěn)定度的光鐘，而這些光鐘需要新的高穩(wěn)定度的傳遞方法來相互比對(duì)。2003年NIST的Ye Jun等人進(jìn)行了了光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的相干相位傳遞[21]，并利用光學(xué)頻率梳系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，最終獲得了很高的頻率傳遞穩(wěn)定度，優(yōu)于光纖微波頻率傳遞方法。此后，各國學(xué)者們不斷深入研究并改進(jìn)試驗(yàn)裝置，通過超窄線寬激光信號(hào)的直接傳輸，并利用拍頻技術(shù)測(cè)量鏈路相位噪聲，利用反饋控制結(jié)構(gòu)補(bǔ)償鏈路噪聲，最終實(shí)現(xiàn)了超穩(wěn)光學(xué)頻率傳遞，逐漸形成了以光載波直接傳遞為主要方式的一類頻率傳遞方法。本文將這類方法稱為光纖光頻傳遞。自2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)涉及飛秒光學(xué)頻率梳以來，飛秒光學(xué)頻率梳優(yōu)良的時(shí)域和頻域特性使其在絕對(duì)距離測(cè)量、光學(xué)頻率測(cè)量等領(lǐng)域備受關(guān)注。目前，部分學(xué)者利用光纖鏈路傳輸飛秒光學(xué)頻率梳產(chǎn)生的脈沖光信號(hào)，通過測(cè)量脈沖光信號(hào)的重復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)微波頻率的傳遞；通過測(cè)量二次諧波信號(hào)，得到兩束脈沖光信號(hào)之間的時(shí)間差，最終實(shí)現(xiàn)了飛秒量級(jí)的時(shí)間同步。本文將這類新興的方法稱為基于飛秒光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)間頻率傳遞。

2 光纖時(shí)間頻率傳遞技術(shù)綜述

如前文所述，在區(qū)域地區(qū)范圍內(nèi)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳遞時(shí)間頻率信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方案主要分為3類：①光纖微波時(shí)間頻率傳遞；②光纖光頻傳遞；③基于飛秒光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)間頻率傳遞。

2.1 光纖微波時(shí)間頻率傳遞

光纖微波時(shí)間頻率傳遞是利用電光調(diào)制技術(shù)使時(shí)間頻率信息搭載到光信號(hào)上完成遠(yuǎn)距離傳遞。根據(jù)所用的調(diào)制信號(hào)類型，光纖微波時(shí)間頻率傳遞又可以分為光纖微波頻率傳遞和光纖微波時(shí)間同步。

2.1.1 光纖微波頻率傳遞

光纖微波頻率傳遞的基本思想是，利用10 MHz，100 MHz等頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)連續(xù)激光信號(hào)進(jìn)行電光調(diào)制，使其攜帶微波頻率標(biāo)準(zhǔn)信息；經(jīng)光纖鏈路傳遞到用戶端后，利用光電探測(cè)技術(shù)解調(diào)激光信號(hào)，恢復(fù)出微波頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其原理裝置圖如圖1所示。

實(shí)際上，頻率傳遞補(bǔ)償系統(tǒng)的原理和組成并不唯一，而補(bǔ)償系統(tǒng)的效果也決定著整個(gè)系統(tǒng)的頻率傳遞穩(wěn)定度結(jié)果。因此目前國內(nèi)外學(xué)者們正在不斷地改進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)，提升系統(tǒng)頻率傳遞穩(wěn)定度。M. Fujieda[22]等根據(jù)雙混頻時(shí)差方法，利用下變頻器和商用TS 5110A構(gòu)建了一個(gè)高精度相位差測(cè)量系統(tǒng)，將需要測(cè)量的往返信號(hào)與本地信號(hào)之間的相位差擴(kuò)大了100倍，從而提高了測(cè)量分辨率，更加精確地補(bǔ)償鏈路噪聲，最終在51 km光纖卷軸中完成了頻率傳遞，頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-17/60 ks。王波[23]等利用9.1 GHz信號(hào)調(diào)制連續(xù)光信號(hào)，并通過混頻鑒相結(jié)構(gòu)反饋控制調(diào)制信號(hào)相位，補(bǔ)償光纖鏈路相位噪聲的同時(shí)，補(bǔ)償了激光器、放大器等設(shè)備引入的相位噪聲，最終在80 km實(shí)地光纖鏈路中實(shí)現(xiàn)了高精度頻率傳遞，頻率穩(wěn)定度高達(dá)5×10-19/d。

2.1.2 光纖微波時(shí)間同步

光纖微波時(shí)間同步的基本思想是，首先參考1 PPS時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生編碼信號(hào)，利用編碼信號(hào)對(duì)連續(xù)激光信號(hào)進(jìn)行電光調(diào)制，使其攜帶微波時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信息；通過光纖鏈路連接的兩端站點(diǎn)同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)射出光信號(hào)，在接收到光信號(hào)后，利用光電探測(cè)技術(shù)解調(diào)激光信號(hào)，恢復(fù)出編碼信號(hào)，經(jīng)過解碼后恢復(fù)出1 PPS信號(hào)；再測(cè)量發(fā)射與接收時(shí)刻的時(shí)間間隔，并根據(jù)雙向法原理，解算兩端時(shí)鐘鐘差，其原理裝置圖如圖2所示。根據(jù)round-trip原理同樣能夠完成時(shí)間同步，同步過程與頻率傳遞過程相似。而雙向法與round-trip法基本相似，都是基于信號(hào)在光纖中雙方向傳輸噪聲近似相等的原理，通常用于時(shí)間同步，具體流程如圖2所示。

圖2 光纖微波時(shí)間同步原理裝置圖

公式（6）和（7）相減可得：

最終，兩站之間的時(shí)差可以通過兩站時(shí)間間隔測(cè)量結(jié)果和鏈路傳輸不對(duì)稱時(shí)延計(jì)算得到，實(shí)現(xiàn)兩站點(diǎn)時(shí)間同步。因此，系統(tǒng)時(shí)間同步精度和不確定度取決于時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備的性能指標(biāo)以及光纖鏈路、發(fā)射接收等環(huán)節(jié)所引入的雙向傳輸不對(duì)稱時(shí)延。目前國內(nèi)外學(xué)者們致力于解決雙向傳輸時(shí)延不相等的問題。P. Krehlik[24]等提出光纖鏈路雙向傳輸時(shí)延不相等的兩個(gè)主要因素是發(fā)射機(jī)波長不同所帶來的色散效應(yīng)和光纖雙折射帶來的偏振膜色散效應(yīng)。所幸偏振膜色散影響很小，系數(shù)通常小于0.05 ps/km-1/2，可以忽略。通過減小雙向傳輸波長差的方式，能夠有效地減小色散效應(yīng)引起的時(shí)延失配量。理論上，使雙方傳輸波長完全相等能夠徹底消除色散效應(yīng)，但是如此一來瑞利后向散射光會(huì)帶來極大的噪聲，直接影響時(shí)間傳遞的短期不確定度，增大頻率傳遞的相位噪聲。因此，選擇采用不同雙向傳輸波長，抑制了瑞利后向散射噪聲，并對(duì)色散效應(yīng)引起的延遲失配量進(jìn)行校準(zhǔn)[25]。這種校準(zhǔn)方法在短距離系統(tǒng)中能夠解決問題，但是隨著傳輸距離的增加，校準(zhǔn)過程變復(fù)雜，校準(zhǔn)不確定度下降。隨后，胡亮[26]等提出了雙向時(shí)分復(fù)用形式的光纖時(shí)間同步技術(shù)，在一根光纖中采用相同的雙向傳輸波長，消除了色散效應(yīng)引起的延遲失配量；再利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)錯(cuò)開光發(fā)射和光接收的時(shí)刻，保證光接收機(jī)不會(huì)接收到瑞利后向散射光。最終，時(shí)間同步不確定度達(dá)到40 ps/s，11 ps/d。

除了光纖鏈路會(huì)引入雙向傳輸不對(duì)稱時(shí)延之外，系統(tǒng)設(shè)備時(shí)延同樣會(huì)造成雙向時(shí)延不相等，如光發(fā)射接收機(jī)、雙向光放大器等。J. Kodet[27]等提出光纖雙向時(shí)間同步系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)延會(huì)造成雙向傳輸時(shí)延失配，并且在短距離同步中影響程度大于色散等因素占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，深入研究了系統(tǒng)端機(jī)內(nèi)部時(shí)延隨溫度變化的情況，并提出了電學(xué)、光學(xué)領(lǐng)域兩種補(bǔ)償方法。最終時(shí)間同步不確定度達(dá)到亞皮秒量級(jí)。張浩[28]等發(fā)明了一種單纖雙向時(shí)分復(fù)用光放大裝置，控制雙向光信號(hào)在不同的時(shí)刻通過同一個(gè)放大裝置，徹底解決了放大器在雙向上傳輸時(shí)延不相等的問題。

2.1.3 小結(jié)

相比其他兩類方法，光纖微波時(shí)間頻率傳遞方案發(fā)展時(shí)間最長，技術(shù)成果最多，大量研究單位已經(jīng)在商用光纖中證實(shí)了可行性。此外，光纖級(jí)聯(lián)式系統(tǒng)[29-30]、鏈路多點(diǎn)下載[31]、用戶端補(bǔ)償[32]等網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)被提出，大大提升了光纖微波時(shí)間頻率傳遞方案的工程實(shí)用性，為大規(guī)模光纖時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。因此該方案適合用于傳輸目前廣泛應(yīng)用的原子鐘所產(chǎn)生的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，適合用于建設(shè)各種大中小型的光纖時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)。但是該方案的時(shí)間同步不確定度和頻率傳遞穩(wěn)定度結(jié)果普遍低于其他兩類方法。因?yàn)檫@類技術(shù)并沒有應(yīng)用光信號(hào)的特性，只是將光纖作為傳輸媒介，光信號(hào)作為傳輸工具。

2.2 光纖光頻傳遞

光纖光頻傳遞的基本思想是，超穩(wěn)連續(xù)波激光器系統(tǒng)產(chǎn)生光載波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過光纖鏈路到達(dá)用戶端，用戶端從光載波信號(hào)中能夠直接獲得具有高穩(wěn)定度的光學(xué)頻率，通過光學(xué)頻率梳能夠得到其他光學(xué)頻率和微波頻率，其原理裝置如圖3所示。與2.1節(jié)相同，為了根據(jù)round-trip原理消除光纖鏈路引入的相位噪聲，需要形成閉環(huán)鏈路。在用戶端放置法拉第鏡，將光載波信號(hào)反射回到本地端，并加入光放大器，補(bǔ)償傳輸損耗。本地端對(duì)往返光信號(hào)和本地光信號(hào)進(jìn)行拍頻，得到光纖鏈路引入的噪聲，進(jìn)而通過反饋控制單元控制聲光調(diào)制器，將發(fā)射信號(hào)移頻以補(bǔ)償相位噪聲；而用戶端的聲光調(diào)制器將回傳信號(hào)移頻，以便于本地端區(qū)分接收到的回傳信號(hào)和鏈路節(jié)點(diǎn)反射光、瑞利散射光等干擾信號(hào)。

圖3 光纖光頻傳遞原理裝置圖

光纖光頻傳遞方案的系統(tǒng)裝置簡單，由于不需要色散補(bǔ)償且對(duì)偏振膜色散不敏感，適合長距離傳遞。K. Predehl等在920 km[33]超長實(shí)地光纖鏈路中成功傳遞光載波信號(hào)，利用低噪聲摻餌光纖放大器EDFA和光纖布里淵放大器FBA補(bǔ)償鏈路中高于200 dB的功率損耗，系統(tǒng)不穩(wěn)定度達(dá)到5×10-15/s，10-18/1ks，并且發(fā)現(xiàn)光纖鏈路不穩(wěn)定度在整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定度中只占小部分。因此，隨后這一小組的S. Droste等在1 840 km[34]光纖鏈路中完成了光頻傳遞，系統(tǒng)頻率傳遞秒穩(wěn)定度在10-15量級(jí)，沒有因?yàn)榫嚯x的增加而大幅惡化。此外，光纖光頻傳遞方案不再將光信號(hào)僅僅作為傳輸載波，直接利用光學(xué)頻率完成高精度頻率傳遞。因此，該方案的頻率傳遞穩(wěn)定度結(jié)果非常高，相比光纖微波頻率傳遞提升了1~2個(gè)量級(jí)。劉濤[35]等通過自研的超穩(wěn)窄線寬激光器在112 km實(shí)地光纖中完成了高精度光學(xué)頻率傳遞，相對(duì)頻率秒穩(wěn)定度達(dá)到2.5×10-16/s，長期穩(wěn)定度達(dá)到7.5×10-20/10 ks。同時(shí)，該方案與光鐘頻率信號(hào)十分契合，適用于高精度光鐘比對(duì)。2009年日本NMIJ 研究所的F. L. Hong等經(jīng)過120 km光纖遠(yuǎn)距離測(cè)量87Sr光鐘[36]，最終測(cè)量不確定度為6×10-16。2011年日本NICT 研究所的M. Fujieda等人建立了全光鏈路，采用光纖光頻傳遞方案，實(shí)現(xiàn)了兩地87Sr光鐘比對(duì)[37]，其鏈路傳遞穩(wěn)定度為2×10-15/s，4×10-18/1 ks。

在實(shí)現(xiàn)了超高穩(wěn)定度頻率傳遞的同時(shí)，通過波分復(fù)用技術(shù)將光纖微波時(shí)間傳遞方案和光纖光頻傳遞方案相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度時(shí)間傳遞。例如，O. Lopez[38]等在使用超穩(wěn)激光器傳遞光學(xué)頻率信息的同時(shí)，利用光相位調(diào)制技術(shù)將時(shí)間信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上進(jìn)行傳輸，時(shí)間信號(hào)由衛(wèi)星雙向調(diào)制解調(diào)器提供，最終使用一臺(tái)激光器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和頻率傳遞，時(shí)間穩(wěn)定度達(dá)到20ps/1ks。總之，光纖光頻傳遞方案具有頻率傳遞穩(wěn)定度高、適合長距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，適用于高精度光鐘比對(duì)，為新一代光鐘研制工作提供了重要保障。

2.3 基于飛秒光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)間頻率傳遞

飛秒光學(xué)頻率梳信號(hào)是脈沖形式的光信號(hào)，脈沖寬度達(dá)到飛秒量級(jí)，并且能夠同時(shí)提供穩(wěn)定的微波頻率和光學(xué)頻率，因此飛秒光學(xué)頻率梳成為了時(shí)間頻率同時(shí)傳遞的理想源?；陲w秒光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)間頻率傳遞的基本思想是，鎖定到時(shí)間頻率源上的飛秒光學(xué)頻率梳產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過光纖鏈路傳遞到用戶端；用戶端通過測(cè)量飛秒脈沖時(shí)延和重復(fù)頻率分別獲得高精度時(shí)間信號(hào)和高穩(wěn)定度頻率信號(hào)，其原理裝置如圖4所示。圖中BS為半透半反鏡，它將一部分飛秒脈沖信號(hào)被反射回到本地端，另一部分被用戶端接收。與2.1和2.2節(jié)相同，回傳信號(hào)經(jīng)過測(cè)量后用于補(bǔ)償光纖鏈路噪聲。

圖4 基于飛秒光學(xué)頻率梳的時(shí)間頻率傳遞方案原理圖

目前，主要采用快速光電探測(cè)技術(shù)測(cè)量重復(fù)頻率。2010年英國國家物理研究所（National Physical Laboratory，NPL）的G. Marra等在86 km光纖鏈路中成功傳輸了重復(fù)頻率為250 MHz的飛秒光學(xué)頻率梳信號(hào)[39]，并通過測(cè)量重復(fù)頻率的高次諧波實(shí)現(xiàn)了高精度的頻率傳遞，最終傳遞秒穩(wěn)定度為5×10-15，長期穩(wěn)定度為4×10-17/1 600 s。2016年，北京大學(xué)的張志剛小組在120 km光纖鏈路中同樣實(shí)現(xiàn)了基于飛秒光學(xué)頻率梳的頻率傳遞[40]，傳遞秒穩(wěn)定度為5.28×10-16，長期穩(wěn)定度為1.7×10-18/100 s；同時(shí)運(yùn)用密集波分復(fù)用技術(shù)，結(jié)合光纖微波時(shí)間傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間頻率同傳。不同于重復(fù)頻率的測(cè)量，飛秒量級(jí)時(shí)延測(cè)量系統(tǒng)不能使用傳統(tǒng)的光電探測(cè)技術(shù)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)光電測(cè)量會(huì)引入皮秒量級(jí)的時(shí)間抖動(dòng)，大于脈沖信號(hào)的寬度。2007年，美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的J. Kim，J. A. Cox等提出了一種單晶體平衡互相關(guān)方法[41]，利用二次諧波信號(hào)，測(cè)量兩個(gè)飛秒脈沖之間的時(shí)間偏差，并使用該方法在300 m實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路中實(shí)現(xiàn)了光-光和光-微波之間的長期時(shí)間同步[42]，同步穩(wěn)定度分別為9×10-21/12 h，1.9×10-19/10 h。2016年，北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所的石凡等根據(jù)飛秒脈沖二次諧波相關(guān)探測(cè)原理，使用BBO倍頻晶體，構(gòu)建高精度的時(shí)間同步測(cè)量系統(tǒng)[43]，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)10 fs量級(jí)的時(shí)間同步。由于飛秒光學(xué)頻率梳信號(hào)脈寬非常窄，因此這一方案的時(shí)間傳遞結(jié)果明顯優(yōu)于2.1小節(jié)中所述的光纖微波時(shí)間傳遞方案，等效穩(wěn)定度結(jié)果也提升了數(shù)個(gè)量級(jí)。

基于飛秒光學(xué)頻率梳的時(shí)間頻率傳遞方案中，頻率傳遞方案與光纖微波頻率傳遞方案有相似之處，發(fā)展較快，技術(shù)成熟，時(shí)間同步方案則發(fā)揮了脈沖光信號(hào)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了超高精度的時(shí)間同步。不過，目前各國學(xué)者的時(shí)間同步研究成果都是在實(shí)驗(yàn)室中或?qū)嵉氐亩叹嚯x光纖中完成的，在長距離光纖中沒有成功的案例。由此可見，基于飛秒光學(xué)頻率梳的時(shí)間同步方案尚不成熟，處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，仍有待改進(jìn)。此外，從工程應(yīng)用的角度來看，精密的飛秒光學(xué)頻率梳成本高昂且工作環(huán)境嚴(yán)苛，因此該方案僅適用于時(shí)頻領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室之間的時(shí)間同步和頻率比對(duì)，難以用于大規(guī)模的光纖時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)以及不具備精密實(shí)驗(yàn)環(huán)境的情況。

3 結(jié)語

目前光纖時(shí)間頻率技術(shù)主要分為3類：①光纖微波時(shí)間頻率傳遞方案；②光纖光頻傳遞方案；③基于飛秒光學(xué)頻率梳的光纖時(shí)間頻率傳遞方案。光纖微波時(shí)間頻率傳遞方案發(fā)展時(shí)間長，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)充足，適合用于傳輸原子鐘所產(chǎn)生的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，適合用于建設(shè)各種大中小型的光纖時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)。而光纖光頻傳遞方案則利用了連續(xù)波光信號(hào)的特性，其頻率傳遞穩(wěn)定度高，秒穩(wěn)定度達(dá)到10-15量級(jí)，長期穩(wěn)定度達(dá)到10-19量級(jí)，能夠滿足光鐘所產(chǎn)生的光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞和比對(duì)的使用需求?；陲w秒光學(xué)頻率梳的時(shí)間頻率傳遞方案利用了脈沖光信號(hào)的特性，其時(shí)間傳遞不確定度非常高，能夠達(dá)到飛秒量級(jí)，但該技術(shù)尚不成熟，還沒有在長距離光纖鏈路中成功實(shí)現(xiàn)的案例，且飛秒光學(xué)頻率梳成本高昂，工作環(huán)境嚴(yán)苛。未來各國學(xué)者們還將繼續(xù)致力于研究和完善更高精度、更適應(yīng)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域需求的光纖時(shí)間頻率傳遞方案，能夠預(yù)見光纖時(shí)間頻率傳遞方案將在時(shí)間頻率計(jì)量領(lǐng)域發(fā)揮十分重要的作用。

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Technical progress of fiber-based time and frequency transfer

YANG Wen-zhe1,2,3, YANG Hong-lei1,2, ZHAO Huan1,2, WANG Xue-yun1,2, ZHANG Sheng-kang1,2

(1. Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement, Beijing 100854, China;2. Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory, Beijing 100854, China;3. The Graduate School of the Second Academy of China Aerospace, Beijing 100854, China)

In recent years, the optical fiber has been widely applied in the field of high-precision time and frequency transfer due to its reliability, wide bandwidth and interference immunity. So far, the realization schemes of transmitting time-frequency signals via optical fiber links can be divided into three types: (i) simultaneous microwave time and frequency transfer based on electro-optical modulation; (ii) optical frequency transfer; (iii) simultaneous time and frequency transfer based on optical frequency comb.More recently, it has been reported that the frequency and time transfer instability of type (i) has reached 5×10-19/d and 11 ps/d, respectively; the frequency transfer instability of type (ii) has reached7.5×10-20/105s; the frequency transfer instability of type (iii)has reached1.7×10-18/100 s and time transfer one reached several femtoseconds level. In this paper, the development history of time and frequency transfer via optical fiber is summarized, different methods of time and frequency transfer via optical fiber and their properties are classified and commented.

optical fiber network; time transfer; frequency transfer

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0214-10

2019-01-24；

2019-03-23

楊文哲，男，博士研究生，主要從事時(shí)間同步與校準(zhǔn)技術(shù)研究。