基于1085 km 實(shí)地光纖鏈路的雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步研究*

陳法喜 趙侃 李博 劉博 郭新興 孔維成3)陳國(guó)超3) 郭寶龍 劉濤 張首剛

1) (西安電子科技大學(xué), 西安 710071)

2) (中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 西安 710600)

3) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100039)

在長(zhǎng)距離高精度光纖時(shí)間同步系統(tǒng)中, 為了減少后向反射光與光纖色散對(duì)傳輸精度的影響, 本文在雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步傳輸方法之上, 提出了一種具有色散誤差修正功能的雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步傳輸方法.以自行研制的工程樣機(jī)在長(zhǎng)度約為800 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上和1085 km 的實(shí)地光纖鏈路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 也是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)實(shí)地光纖時(shí)間同步傳輸.在實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上, 測(cè)得傳輸鏈路色散補(bǔ)償后的色散時(shí)延誤差為10 ps, 時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差為5.7 ps, 穩(wěn)定度為1.12 ps@105 s, 不確定度為18.4 ps.在實(shí)地光纖鏈路上,測(cè)得傳輸鏈路色散補(bǔ)償后的色散時(shí)延誤差為60 ps, 時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差為18 ps, 穩(wěn)定度為5.4 ps@4 × 104 s, 不確定度為63.5 ps.

1 引 言

高精度時(shí)間頻率信號(hào)傳輸技術(shù)在許多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用, 如全球衛(wèi)星導(dǎo)航[1]、深空探測(cè)[2]、射電天文[3]以及精密物理測(cè)量[4?6]等.在時(shí)間頻率信號(hào)傳輸領(lǐng)域, 衛(wèi)星共視(CV)[7,8]和衛(wèi)星雙向比對(duì)(TWSTFT)[9,10]是目前最為常用的授時(shí)手段,可實(shí)現(xiàn)的時(shí)間頻率傳輸日穩(wěn)定度最高為10–15量級(jí)[11], 時(shí)間同步精度為納秒量級(jí)[12].隨著高精度原子鐘技術(shù)的不斷進(jìn)步, 銫噴泉鐘的日穩(wěn)定度已達(dá)到10–15量級(jí)[13], 光鐘的日穩(wěn)定度也已達(dá)到了10–19量級(jí)[14], 已遠(yuǎn)超目前的衛(wèi)星授時(shí)精度.為了保證這些高精度的時(shí)間頻率信號(hào)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸與比對(duì), 需要發(fā)展具有更高精度的時(shí)間頻率信號(hào)傳輸手段.由于光纖具有抗電磁干擾、受外界環(huán)境干擾較小、低損耗以及傳輸帶寬大等優(yōu)勢(shì), 被認(rèn)為是目前最適合用于高精度時(shí)間頻率傳輸?shù)囊环N工具.歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家均已開(kāi)展了光纖時(shí)間頻率信號(hào)傳輸方面的研究, 并取得了突破性的進(jìn)展[15?22].2010 年,捷克教育科研網(wǎng)中心利用波分復(fù)用(DWDM)雙向時(shí)間比對(duì)的方法, 在744 km 的實(shí)地光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步傳輸, 穩(wěn)定度優(yōu)于100 ps@1 s, 不確定度為112 ps[20].2016 年, 荷蘭國(guó)家計(jì)量院VSL采用雙向光放大器結(jié)構(gòu)與White Rabbit 系統(tǒng), 在274 km 的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步傳輸, 不確定度優(yōu)于8.2 ns[21].2019 年, 波蘭克拉科夫AGH科技大學(xué)提出了一種通過(guò)改變光纖色散補(bǔ)償模塊的長(zhǎng)度或溫度來(lái)修正相位延遲的方法, 在1550 km的實(shí)地光纖鏈路上獲得了優(yōu)于20 ps 的時(shí)間傳輸穩(wěn)定度[22].在國(guó)內(nèi), 相關(guān)小組在光纖時(shí)間頻率傳輸領(lǐng)域也開(kāi)展了研究, 并取得了一定的成果[23?31].2017 年, 清華大學(xué)在25 km 的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了高精度多路光纖時(shí)間信號(hào)同步傳輸, 時(shí)間同步傳輸穩(wěn)定度優(yōu)于3 ps@1 s 和10 ps@104s, 不確定度約為100 ps[30].2019 年, 上海交通大學(xué)提出了一種在商用波分復(fù)用系統(tǒng)中通過(guò)光監(jiān)控信道進(jìn)行時(shí)間傳輸?shù)姆椒? 在100 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上獲得了優(yōu)于15 ps@1 s 和2 ps@104s 的時(shí)間傳輸穩(wěn)定度[23].2020 年, 上海光機(jī)所將時(shí)間信號(hào)和微波信號(hào)同時(shí)加載到同一波長(zhǎng)激光上, 在110 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)間信號(hào)傳輸, 其時(shí)間傳輸穩(wěn)定度為16 ps@1 s 和0.91 ps@104s[32].

在光纖時(shí)間同步傳輸系統(tǒng)中, 后向散射光會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的信噪比降低, 從而對(duì)傳輸精度產(chǎn)生影響,通?？刹捎蒙闲泄馀c下行光傳輸不同波長(zhǎng)激光的方法來(lái)消除后向散射光對(duì)傳輸精度的影響.但在長(zhǎng)距離的光纖時(shí)間同步系統(tǒng)中, 波長(zhǎng)差異引起的色散時(shí)延誤差會(huì)隨著鏈路的增加而變得越為明顯, 為了解決這一問(wèn)題, 本文提出一種具有色散誤差修正功能的雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步傳輸方法, 該方法通過(guò)測(cè)量出各段光纖鏈路中的色散系數(shù)及距離, 系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出鏈路中的色散時(shí)延誤差, 直接反饋給遠(yuǎn)程端的時(shí)延相位控制器, 對(duì)輸出的秒脈沖信號(hào)(1PPS)進(jìn)行補(bǔ)償.首先, 對(duì)光纖時(shí)間同步鏈路中各個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備的誤差進(jìn)行了修正, 使設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延誤差優(yōu)于15 ps.同時(shí), 以光纖色散系數(shù)13.36 ps/(km·ns)對(duì)800 km 實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路中的色散進(jìn)行補(bǔ)償, 測(cè)得補(bǔ)償后的色散時(shí)延誤差約為10 ps.以光纖色散系數(shù)16.67 ps/(km·ns)對(duì)1085 km 實(shí)地光纖鏈路中的色散進(jìn)行補(bǔ)償, 測(cè)得補(bǔ)償后的色散時(shí)延誤差約為60 ps.其次, 以自行研制工程樣機(jī)在長(zhǎng)度約為800 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上, 實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)差為5.7 ps, 穩(wěn)定度分別為4.54 ps@1 s和1.12 ps@105s, 不確定度為18.4 ps.在1085 km的實(shí)地光纖鏈路上, 測(cè)得時(shí)間同步傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)差為18 ps, 穩(wěn)定度分別為9.2 ps@1 s 和5.4 ps@4 ×104s, 通過(guò)分析得到該1085 km 實(shí)地光纖鏈路的時(shí)間同步傳輸不確定度約為63.5 ps.最后, 對(duì)光纖時(shí)間同步傳輸系統(tǒng)中的相關(guān)影響因素進(jìn)行了分析討論, 并提出了相應(yīng)的解決方案, 以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的提高.

2 基本原理

2.1 雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步的基本原理

雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步的基本原理如圖1 所示,本地端的1PPS 信號(hào)及光纖色散參數(shù)等信息通過(guò)編碼器加載到激光器1 上, 通過(guò)波分復(fù)用器后傳遞到遠(yuǎn)程端, 光電探測(cè)器2 探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼后, 光纖色散參數(shù)等信息輸入到運(yùn)算控制器上,1PPS 信號(hào)與遠(yuǎn)程端守時(shí)模塊的1PPS 信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)差測(cè)量模塊進(jìn)行比對(duì), 再將測(cè)量到的時(shí)差信號(hào)輸送給運(yùn)算控制器, 運(yùn)算控制器將光纖色散帶來(lái)的誤差及比對(duì)的時(shí)差數(shù)據(jù)處理后, 利用延遲控制器調(diào)節(jié)守時(shí)模塊輸出的1PPS 信號(hào).遠(yuǎn)程端輸出1PPS信號(hào)通過(guò)編碼器2 加載到激光器2 上返回到本地端, 光電探測(cè)器1 探測(cè)到的信號(hào)通過(guò)解碼器1 進(jìn)行解調(diào),并將解調(diào)得到的信號(hào)輸送給時(shí)差測(cè)量模塊與本地端的1PPS 信號(hào)進(jìn)行比對(duì), 從而實(shí)現(xiàn)高精度光纖時(shí)間同步.

圖1 雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步原理圖(λ1, λ2, 激光波長(zhǎng))Fig.1.Schematic diagram of dual wavelength time transfer.( λ1 , λ 2 , Laser wavelength).

根據(jù)雙向時(shí)間比對(duì)的基本原理, 可以得到雙波長(zhǎng)時(shí)間同步過(guò)程中的時(shí)延補(bǔ)償控制量為

其中,TLR,TRL分別為本地端與遠(yuǎn)程端的雙向時(shí)間比對(duì)測(cè)量結(jié)果, 可直接通過(guò)時(shí)差測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量.TDL,TDR分別為從本地端到遠(yuǎn)程端與遠(yuǎn)程端到本地端的光纖鏈路傳輸時(shí)延.TSE為本地端和遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi)電子學(xué)和光學(xué)部分傳輸時(shí)延引入的系統(tǒng)誤差, 實(shí)驗(yàn)上可以對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)修正, 從圖1 中可以看出TSE對(duì)應(yīng)的值應(yīng)該為

其中,TDDLS為本地端設(shè)備內(nèi)發(fā)送部分的時(shí)延,TDDRR為遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi)接收部分的時(shí)延,TDDLR為本地端設(shè)備內(nèi)接收部分的時(shí)延,TDDRS為遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi)發(fā)送部分的時(shí)延.為了避免后向散射的影響,本文中遠(yuǎn)程端與本地端采用的激光器波長(zhǎng)不相同, 因此, 由于光纖色散產(chǎn)生的影響使得DR.對(duì)于光纖色散產(chǎn)生的鏈路時(shí)延, 可通過(guò)(3)式得到,

其中,D為光纖鏈路的色散系數(shù),L為光纖的長(zhǎng)度,λ1和λ2分別為本地端與遠(yuǎn)程端激光器的輸出波長(zhǎng).理想情況下, 同批生產(chǎn)的光纖色散系數(shù)應(yīng)該相同,對(duì)應(yīng)的時(shí)延誤差與光纖長(zhǎng)度成正比.則雙波長(zhǎng)時(shí)間同步過(guò)程中的時(shí)延補(bǔ)償控制量為

2.2 雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步的實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步裝置圖(OEO: 光-電-光信號(hào)凈化處理模塊; λ1, λ2: 激光波長(zhǎng); PLL: 鎖相環(huán))Fig.2.Device diagram of dual wavelength time transfer.(OEO: Optical-electric-optical signal purification and processing module;λ1, λ2: Laser wavelength; PLL: Phase locked loop).

雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步的實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖2所示, 本地端設(shè)備與遠(yuǎn)程端設(shè)備之間的雙向時(shí)間同步傳輸比對(duì), 主要是利用波分復(fù)用器與兩個(gè)標(biāo)稱波長(zhǎng)相差一個(gè)波道的激光器實(shí)現(xiàn)的.本地端設(shè)備通過(guò)編碼器1 將時(shí)碼信息、10 MHz 信號(hào)、1PPS 時(shí)間信號(hào)、光纖色散參數(shù)信息以及比對(duì)后的時(shí)差數(shù)據(jù)加載到激光器1 的輸出激光上, 且激光器1 的輸出波長(zhǎng)為λ1.激光器1 的輸出光作為下行光信號(hào), 經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器、光纖鏈路及中繼設(shè)備后到達(dá)遠(yuǎn)程端設(shè)備.為了減小后向反射光的影響, 中繼設(shè)備采用波分復(fù)用器對(duì)下行光與上行光進(jìn)行了分離處理.同時(shí), 利用自行研制的光-電-光中繼凈化再生設(shè)備(OEO)對(duì)接收到的載波信號(hào)進(jìn)行凈化處理, 以提高鏈路中載波信號(hào)的信噪比.遠(yuǎn)程端設(shè)備n將來(lái)自本地端標(biāo)稱波長(zhǎng)為λ1的下行光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器n轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 并且分為兩路.一路通過(guò)載波恢復(fù)模塊獲得10 MHz 信號(hào), 另一路通過(guò)解碼器n解調(diào)出1 PPS 時(shí)間信號(hào)、時(shí)碼信息、光纖色散誤差以及時(shí)差數(shù)據(jù).恢復(fù)的10 MHz 信號(hào)經(jīng)過(guò)PLL模塊凈化處理后, 作為遠(yuǎn)程端設(shè)備內(nèi)部守時(shí)模塊的頻率參考源.當(dāng)遠(yuǎn)程端設(shè)備n被呼叫時(shí), 該遠(yuǎn)程端設(shè)備守時(shí)模塊輸出的1PPS 時(shí)間信號(hào)與解調(diào)出的1PPS 時(shí)間信號(hào)通過(guò)時(shí)差測(cè)量模塊n進(jìn)行比對(duì).再將比對(duì)后的時(shí)差信號(hào)與解調(diào)出的光纖色散信息輸入到運(yùn)算控制模塊n中進(jìn)行處理, 處理后的信號(hào)直接反饋給時(shí)延相位控制器, 從而對(duì)守時(shí)模塊輸出的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行修正, 使遠(yuǎn)程端的時(shí)間信號(hào)與本地端的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行同步.同時(shí), 將遠(yuǎn)程端輸出的1PPS時(shí)間信號(hào)、10 MHz 信號(hào)以及運(yùn)算控制器n輸出的時(shí)間差數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼器n編碼后, 加載到標(biāo)稱波長(zhǎng)為λ2的激光器2 上.激光器2 的輸出光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器、中繼設(shè)備、光纖鏈路和波分復(fù)用器后到達(dá)本地端設(shè)備.本地端設(shè)備將接收到的光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器1 轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 再將解調(diào)得到的1PPS時(shí)間信號(hào)與本地端1PPS 時(shí)間信號(hào)進(jìn)行比對(duì), 從而實(shí)現(xiàn)光纖鏈路的雙向時(shí)間比對(duì)傳輸.其中, 每個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備基本相同, 且每個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備、中繼設(shè)備都有各自惟一的設(shè)備地址.本地端設(shè)備可采用時(shí)分多址的方式對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備進(jìn)行輪詢雙向時(shí)間比對(duì)傳輸, 從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)遠(yuǎn)程端與本地端的時(shí)間同步.

3 測(cè)試方法與數(shù)據(jù)分析

在長(zhǎng)距離高精度雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中, 為了減少設(shè)備時(shí)延誤差及光纖色散誤差帶來(lái)的影響, 利用短光纖對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn), 同時(shí)也對(duì)傳輸鏈路中光纖色散帶來(lái)的誤差進(jìn)行了補(bǔ)償.為了驗(yàn)證自行研制的設(shè)備在千公里級(jí)實(shí)地光纖時(shí)間同步研究工作中的可靠性, 首先在800 km的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上對(duì)本方案進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估, 最后在1085 km 實(shí)地光纖鏈路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 獲得時(shí)間同步穩(wěn)定度為9.2 ps@1 s 和5.4 ps@4 × 104s.

3.1 設(shè)備誤差修正

在設(shè)備的研制過(guò)程中, 很難保證每個(gè)設(shè)備的參數(shù)完全相同, 如設(shè)備中光路的不對(duì)稱性和電路的傳輸時(shí)延, 都會(huì)導(dǎo)致每臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生一定的時(shí)延誤差.由于該1085 km 的實(shí)地光纖鏈路被分為16 個(gè)站點(diǎn), 包含15 個(gè)中繼設(shè)備以及16 個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備, 因此為了保證各個(gè)站點(diǎn)之間的時(shí)間同步傳輸精度, 將各個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備按照?qǐng)D3 所示的方法進(jìn)行連接, 對(duì)每個(gè)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行修正.在設(shè)備校準(zhǔn)前, 將信號(hào)源輸出的1PPS 信號(hào)通過(guò)脈沖分配放大器分為兩路, 一路1PPS 信號(hào)通過(guò)同軸線直接輸入到時(shí)差測(cè)量模塊(SR620)上, 另一路1PPS 信號(hào)通過(guò)兩根互相連接的同軸線后輸入到SR620 上, 測(cè)量出兩路1PPS 信號(hào)之間的時(shí)延差, 并記錄為τ.在對(duì)設(shè)備校準(zhǔn)時(shí), 首先將其中一路的兩根同軸線拆開(kāi), 分別接在本地端的輸入端與遠(yuǎn)程端1 的輸出端, 利用SR620 測(cè)量出此時(shí)的時(shí)差τ+ Δτ1.然后再通過(guò)遠(yuǎn)程端1 的時(shí)延相位控制模塊來(lái)調(diào)節(jié)其時(shí)延值, 直至SR620 的測(cè)量結(jié)果接近τ為止.在遠(yuǎn)程端1 的時(shí)延校準(zhǔn)完后, 將遠(yuǎn)程端1 輸出端的同軸線接在遠(yuǎn)程端2 的輸出端, 對(duì)其輸出的時(shí)延值進(jìn)行修正.同理, 采用同樣的方法對(duì)其他遠(yuǎn)程端設(shè)備的時(shí)延輸出值依次進(jìn)行修正.其中, 本地端、中繼及遠(yuǎn)程端之間采用1 m 的光纖和15 dB 的衰減器進(jìn)行連接.

在設(shè)備誤差修正的測(cè)試過(guò)程中, 由于采用長(zhǎng)度為1 m 的光纖對(duì)各個(gè)站點(diǎn)之間的設(shè)備進(jìn)行連接,因此激光波長(zhǎng)引入的色散誤差可忽略不計(jì).每個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備的時(shí)延誤差測(cè)量結(jié)果如表1 第2 列與第5 列所列, 可以看出, 每個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備的時(shí)延測(cè)量結(jié)果保持在1300—2500 ps 之間.在開(kāi)始自動(dòng)時(shí)延補(bǔ)償時(shí), 測(cè)量出各個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備1 PPS 時(shí)間信號(hào)與信號(hào)源1 PPS 時(shí)間信號(hào)之間的時(shí)差, 同時(shí)在各個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備上輸入相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修正.每個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備修正后的時(shí)延誤差測(cè)量結(jié)果如表1 第3 列與第6 列所列.從表中可以看出, 每個(gè)站點(diǎn)的時(shí)延誤差都優(yōu)于15 ps.

圖3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試連接圖Fig.3.Scheme of laboratory test.

表1 各個(gè)站點(diǎn)設(shè)備時(shí)延誤差測(cè)量結(jié)果Table 1.Measurement results of equipment delay error in each station.

在測(cè)試中, 采用了16 個(gè)中心波長(zhǎng)為1543.730 nm的激光器和31 個(gè)中心波長(zhǎng)為1542.936 nm 的激光器.其中, 16 臺(tái)中心波長(zhǎng)為1543.730 nm 的激光器分別放置在15 個(gè)中繼設(shè)備及本地端, 31 臺(tái)中心波長(zhǎng)為1542.936 nm 的激光器放置在15 個(gè)中繼設(shè)備及16 個(gè)遠(yuǎn)程端.這47 臺(tái)激光器的輸出波長(zhǎng)通過(guò)波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行逐一測(cè)量標(biāo)定, 誤差分別小于0.2 pm.為了避免實(shí)驗(yàn)室溫度變化(峰峰值2 ℃/d)對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)的影響, 對(duì)激光器外部進(jìn)行了溫度控制,使輸出波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度變化小于0.1 pm/℃.

3.2 鏈路色散誤差修正方法

在單模光纖中, 激光的波長(zhǎng)越長(zhǎng), 則波導(dǎo)色散越明顯, 傳輸?shù)臅r(shí)延誤差也隨著增大.通常光纖鏈路中的時(shí)延補(bǔ)償是建立在雙向時(shí)延對(duì)稱的基礎(chǔ)之上, 而在雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步系統(tǒng)中, 下行光與上行光的波長(zhǎng)差異會(huì)使各個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備輸出的1PPS時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生時(shí)延差, 該時(shí)延差可通過(guò)(3)式得到.理想情況下, 同批生產(chǎn)的光纖色散系數(shù)應(yīng)該相同,對(duì)應(yīng)的時(shí)延誤差與光纖長(zhǎng)度成正比.但在實(shí)際應(yīng)用中, 光纖中材質(zhì)分布差異會(huì)導(dǎo)致每段光纖散射系數(shù)不同.

由于本方案采用的是雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步方法, 其中下行光的標(biāo)稱波長(zhǎng)為λ1= 1543.730 nm,上行光的標(biāo)稱波長(zhǎng)為λ2= 1542.936 nm, 因此, 在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生明顯的色散誤差, 從而對(duì)鏈路的時(shí)間傳輸精度產(chǎn)生影響.為了保證光纖時(shí)間傳輸系統(tǒng)的精度, 在光纖時(shí)間同步設(shè)備誤差修正的基礎(chǔ)之上, 利用圖3 所示的鏈路結(jié)構(gòu)對(duì)光纖鏈路的色散誤差進(jìn)行修正, 其中, 將各個(gè)設(shè)備之間的1 m 光纖跳線改為16 捆同批次的50 km 光纖盤(pán).在色散誤差補(bǔ)償功能開(kāi)啟前, 僅開(kāi)啟設(shè)備中鏈路時(shí)延補(bǔ)償功能, 通過(guò)SR620 測(cè)量出各個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備輸出的1PPS 信號(hào)引入的時(shí)延偏差, 即光纖色散時(shí)延偏差.再根據(jù)光纖鏈路長(zhǎng)度計(jì)算出各段光纖鏈路的色散系數(shù), 并輸入到本地端設(shè)備與各個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備.在色散誤差功能開(kāi)啟后, 本地端會(huì)根據(jù)雙向比對(duì)的數(shù)據(jù)計(jì)算出每段的光纖鏈路的長(zhǎng)度, 根據(jù)(3)式自動(dòng)計(jì)算出光纖鏈路中的色散誤差, 再通過(guò)各個(gè)遠(yuǎn)程端的時(shí)延相位控制模塊對(duì)輸出的1PPS 信號(hào)時(shí)延進(jìn)行調(diào)節(jié).

對(duì)800 km 實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路中各個(gè)遠(yuǎn)程端的色散時(shí)延誤差進(jìn)行了測(cè)量, 并結(jié)合(1)式計(jì)算出了各段光纖鏈路的平均色散系數(shù), 測(cè)量結(jié)果如表2 所列, 其中各段的時(shí)延偏差如第2 和第6 列所列, 光纖色散系數(shù)如第3 列與第7 列所列.從表中可以看出, 每段光纖的色散系數(shù)都不相同, 這可能是由于每個(gè)光纖盤(pán)的材質(zhì)存在差異.實(shí)驗(yàn)上將各段鏈路的光纖色散系數(shù)及距離進(jìn)行編號(hào), 并輸入到本地端設(shè)備中, 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出各段光纖鏈路的色散時(shí)延誤差.在開(kāi)啟系統(tǒng)的色散時(shí)延自動(dòng)補(bǔ)償功能時(shí), 本地端設(shè)備根據(jù)編寫(xiě)好的地址呼叫各個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備,并將各段光纖鏈路產(chǎn)生的色散時(shí)延差發(fā)送給遠(yuǎn)程端, 通過(guò)時(shí)延相位補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償.各個(gè)遠(yuǎn)程端的1PPS 時(shí)間信號(hào)與本地端1PPS 時(shí)間信號(hào)之間的時(shí)差測(cè)量結(jié)果如表2 中第4 列與第8 列所列.從表中可以看出, 在開(kāi)啟遠(yuǎn)程端設(shè)備的色散時(shí)延自動(dòng)補(bǔ)償功能后, 各個(gè)遠(yuǎn)程端的時(shí)間傳輸誤差優(yōu)于20 ps,這表明所研制設(shè)備的色散誤差補(bǔ)償精度基本不受光纖距離的影響, 同時(shí)也具有一定的可靠性.在標(biāo)稱800 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上, 測(cè)得光纖的色散系數(shù)為13.36 ps/(km·ns).

表2 800 km 實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路的詳細(xì)參數(shù)Table 2.Detailed parameters of 800 km fiber link in the laboratory.

圖4 實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路的時(shí)間同步測(cè)量結(jié)果 (a)光纖鏈路的時(shí)差測(cè)量結(jié)果(藍(lán)色曲線: 系統(tǒng)噪底.黑色曲線: 800 km 實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路); (b)光纖鏈路的時(shí)間同步穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果(藍(lán)色曲線: 系統(tǒng)噪底; 紅色曲線: 800 km 實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路)Fig.4.Time synchronization measurement results of the laboratory fiber link: (a) The measured time interval variation results of the laboratory fiber link (bule line: noise floor of the system; black line: 800 km fiber link in laboratory): (b) the measured time deviation results of the laboratory fiber link (bule line: noise floor of the system; black line: 800 km fiber link in laboratory).

3.3 實(shí)驗(yàn)室光纖時(shí)間同步測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證雙波長(zhǎng)色散誤差補(bǔ)償方案的可行性,首先利用自行研制的時(shí)間同步設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上進(jìn)行了時(shí)間同步的穩(wěn)定度測(cè)試.該實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路由16 盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)的50 km 光纖盤(pán)、16 個(gè)遠(yuǎn)程端以及15 個(gè)中繼組成, 以滿足實(shí)地光纖鏈路的測(cè)試模型.該光纖測(cè)試鏈路的結(jié)構(gòu)如圖3 所示, 將各個(gè)設(shè)備之間的光纖跳線改為50 km 的標(biāo)準(zhǔn)光纖盤(pán).將1 臺(tái)本地端設(shè)備、15 臺(tái)中繼設(shè)備、16 臺(tái)遠(yuǎn)程端設(shè)備以及測(cè)量設(shè)備放置在同一個(gè)地點(diǎn), 便于對(duì)本地端的輸入信號(hào)與各個(gè)遠(yuǎn)程端的輸出信號(hào)進(jìn)行精確比對(duì)測(cè)量.

當(dāng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)正常工作時(shí), 將遠(yuǎn)程端16 個(gè)輸出的1PPS 信號(hào)與本地端的1PPS 信號(hào)輸入到時(shí)差測(cè)量設(shè)備(SR620)中進(jìn)行比對(duì), 測(cè)量結(jié)果如圖4(a)中黑色曲線所示, 其峰峰值約為50 ps,通過(guò)計(jì)算得到其標(biāo)準(zhǔn)差值為5.7 ps, 其中藍(lán)色曲線表示采用1 m 光纖跳線時(shí), 整個(gè)光纖時(shí)間同步鏈路的噪聲極限.將采集到的時(shí)差數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理, 得到的時(shí)間同步傳輸穩(wěn)定度如圖4(b)中紅色曲線所示, 分別為4.9 ps@1 s 和1.12 ps@105s.整個(gè)光纖鏈路的時(shí)間信號(hào)傳輸穩(wěn)定度極限如圖4(b)中藍(lán)色曲線所示, 分別為4.0 ps@1 s 和0.083 ps@105s.從圖4(b)中可以看出, 在1000 s 以內(nèi), 該光纖鏈路的時(shí)間傳輸穩(wěn)定度較為接近鏈路噪底.在1000 s以上, 由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度變化的影響, 各個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備時(shí)延和激光波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移, 從而導(dǎo)致長(zhǎng)期穩(wěn)定度出現(xiàn)了一定程度的惡化.由于實(shí)驗(yàn)室空調(diào)溫度變化的周期約為16 min, 因此導(dǎo)致系統(tǒng)的噪底在1000 s 附近變差.

3.4 1085 km 實(shí)地光纖時(shí)間同步測(cè)試

為了驗(yàn)證自行研制的時(shí)間同步設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性, 利用千公里級(jí)實(shí)地光纖鏈路實(shí)現(xiàn)了ps 量級(jí)的時(shí)間同步傳遞研究, 該鏈路的地理位置分布如圖5 所示.以中科院國(guó)家授時(shí)中心臨潼園區(qū)為光纖鏈路的始發(fā)站, 途徑一長(zhǎng)、澇峪、筒車灣、洋縣、漢中、勉縣、寧強(qiáng)7 個(gè)站點(diǎn), 最后整個(gè)光纖鏈路又返回到國(guó)家授時(shí)中心臨潼園區(qū), 其中勉縣和寧強(qiáng)兩個(gè)站點(diǎn)之間利用四根光纖進(jìn)行了兩次往返傳輸.在國(guó)家授時(shí)中心臨潼園區(qū)放置一臺(tái)光纖時(shí)間同步本地端設(shè)備和一臺(tái)遠(yuǎn)程端設(shè)備, 其余各個(gè)站點(diǎn)分別放置一臺(tái)遠(yuǎn)程端設(shè)備和一臺(tái)中繼設(shè)備.利用光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)對(duì)實(shí)地光纖鏈路的長(zhǎng)度和衰減情況進(jìn)行了分段測(cè)試, 測(cè)試結(jié)果如表3 所列.經(jīng)統(tǒng)計(jì), 光纖鏈路全程為1085 km, 總衰減為287.5 dB.實(shí)驗(yàn)測(cè)試前, 通過(guò)環(huán)回測(cè)試得到整段鏈路的平均色散系數(shù)為16.67 ps/(km·ns), 引入的色散誤差為7180 ps, 修正后的色散誤差優(yōu)于60 ps.

圖5 實(shí)地光纖鏈路地理位置Fig.5.Geographical distribution of the field fiber link.

以自行研制的工程樣機(jī)在往返約1085 km 的實(shí)地光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了光纖時(shí)間同步傳輸測(cè)試.將位于國(guó)家授時(shí)中心的遠(yuǎn)程端1PPS 時(shí)間信號(hào)與本地端1 PPS 時(shí)間信號(hào)輸入到時(shí)差測(cè)量設(shè)備(SR620)中進(jìn)行比對(duì), 測(cè)量結(jié)果如圖6(a)所示, 其中黑色曲線表示光纖鏈路自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的時(shí)差測(cè)量結(jié)果, 藍(lán)色曲線表示的是光纖鏈路補(bǔ)償后的時(shí)差測(cè)量結(jié)果.從圖6(a)中可以看出, 當(dāng)光纖鏈路自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 時(shí)差峰峰值達(dá)到了160 ns, 時(shí)差變化的標(biāo)準(zhǔn)差為47 ns.當(dāng)對(duì)光纖鏈路補(bǔ)償后, 時(shí)差峰峰值為170 ps, 時(shí)差變化標(biāo)準(zhǔn)差為18 ps.從測(cè)量結(jié)果可以明顯地看出,在鏈路自由運(yùn)轉(zhuǎn)和鎖定時(shí), 鏈路中的時(shí)差測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)出24 h 周期性變化, 這主要是由于晝夜環(huán)境溫度變化導(dǎo)致光纖鏈路長(zhǎng)度發(fā)生改變而引起的.光纖鏈路補(bǔ)償后的時(shí)間同步傳輸測(cè)量結(jié)果如圖6(b)所示, 其時(shí)間傳輸穩(wěn)定度為9.2 ps@1 s 和5.4 ps@4 × 104s.由于外界環(huán)境的干擾以及系統(tǒng)控制帶寬的限制, 使1085 km 實(shí)地光纖鏈路的短期傳輸穩(wěn)定度相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室800 km 光纖鏈路發(fā)生惡化.同時(shí), 由于晝夜環(huán)境溫度變化以及各個(gè)站點(diǎn)之間溫度變化的差異, 從而對(duì)光纖鏈路的長(zhǎng)期傳輸穩(wěn)定度產(chǎn)生影響.

3.5 時(shí)間同步不確定度分析

本文對(duì)雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步系統(tǒng)各個(gè)部分的不確定進(jìn)行了分析和估算, 根據(jù)(5)式可得到系統(tǒng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定Uc為

圖6 1085 km 實(shí)地光纖鏈路的時(shí)間同步測(cè)量結(jié)果 (a)光纖鏈路的時(shí)差測(cè)量結(jié)果(黑色曲線: 自由運(yùn)轉(zhuǎn)鏈路, 藍(lán)色曲線: 補(bǔ)償后的鏈路); (b)補(bǔ)償后鏈路的時(shí)間同步穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果Fig.6.Time synchronization measurement results of 1085 km field fiber link: (a) The measured time interval variation results of the laboratory fiber link (black line: free running fiber link; blue line: compensated fiber link); (b) the measured time deviation results of the field fiber link after compensated.

其中,uDT為本地端和遠(yuǎn)程端設(shè)備時(shí)延溫漂, 實(shí)驗(yàn)測(cè)得每臺(tái)設(shè)備的漂移約為3 ps/℃, 實(shí)驗(yàn)室溫度變化峰峰值約2 ℃, 各個(gè)站點(diǎn)機(jī)房?jī)?nèi)部溫度變化的峰峰值約4 ℃.在800 km 實(shí)驗(yàn)室光纖測(cè)試中, 設(shè)備時(shí)延溫漂引入的不確定度約為6 ps.在1085 km的實(shí)地光纖測(cè)試中, 設(shè)備時(shí)延溫漂引入的不確定度約為12 ps;uTIM為時(shí)差測(cè)量誤差, 表示本地端和遠(yuǎn)程端在雙向比對(duì)過(guò)程中時(shí)差測(cè)量模塊引入的誤差, 不確定度約為10 ps;uΔλ為激光器波長(zhǎng)變化引起的光纖色散誤差(0.5D·L), 經(jīng)過(guò)對(duì)激光器進(jìn)行溫度控制, 各個(gè)站點(diǎn)的激光器輸出波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度變化小于0.1 pm/℃.按照實(shí)驗(yàn)室和不同機(jī)房之間的晝夜溫差變化約為15 ℃計(jì)算, 激光器波長(zhǎng)單向的累計(jì)變化約為1.5 pm.對(duì)于800 km 實(shí)驗(yàn)室光纖, 其光纖色散系數(shù)約為13.36 ps/(km·ns), 則由激光器波長(zhǎng)變化引入的不確定度約為8.0 ps.對(duì)于1085 km 的實(shí)地光纖鏈路, 其色散系數(shù)取16.67 ps/(km·ns), 激光器波長(zhǎng)變化引入的不確定度約為13.8 ps;uDerr為光纖鏈路色散系數(shù)測(cè)量引起的誤差(0.5Derr·?λL),Derr為光纖色散系數(shù)測(cè)量誤差, ?λ為雙向激光波長(zhǎng)的差值.實(shí)驗(yàn)上采用調(diào)制相移法對(duì)光纖的色散系數(shù)進(jìn)行測(cè)量, 對(duì)于800 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖, 可逐段進(jìn)行測(cè)量, 測(cè)得其精度約為0.037 ps/(km·ns), 所以光纖色散系數(shù)引起的誤差約為9.6 ps.對(duì)于1085 km 實(shí)地光纖鏈路,由于每段光纖鏈路的兩端不在同一個(gè)地點(diǎn), 采用調(diào)制相移法測(cè)量難以逐段精確測(cè)量.只能將鏈路上的兩芯光纖進(jìn)行環(huán)回測(cè)量, 測(cè)量出兩芯光纖的平均色散系數(shù), 其測(cè)量結(jié)果約為0.13 ps/(km·ns), 計(jì)算得到光纖色散系數(shù)引起的誤差約為56.7 ps;uΔD為光纖色散參數(shù)隨溫度變化引入的誤差, 光纖色散系數(shù)隨溫度變化約為4.5 × 10–3ps·(nm·km·℃)–1, 實(shí)驗(yàn)室溫度變化的峰峰值按2 ℃計(jì)算, 在800 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖測(cè)試中, 光纖色散系數(shù)變化引起的誤差約為2.9 ps.實(shí)地光纖鏈路的晝夜溫度變化約為20 ℃, 在1085 km 實(shí)地光纖測(cè)試中, 光纖色散系數(shù)引起的誤差約為19.5 ps.光纖時(shí)間同步測(cè)試系統(tǒng)中各部分的不確定度估算結(jié)果如表4 所示, 通過(guò)(5)式可得到800 km 實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路的時(shí)間同步不確定度約為18.4 ps, 1085 km 實(shí)地光纖鏈路的時(shí)間同步不確定度約為63.5 ps.

本方案采用的是雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步, 當(dāng)光纖鏈路中接入的站點(diǎn)增加時(shí), 將使得上行光與下行光波長(zhǎng)的差異逐漸增加, 從而導(dǎo)致光纖色散對(duì)時(shí)間同步的穩(wěn)定度及不確定度影響較為明顯.為了提高光纖時(shí)間同步系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度, 下一步將通過(guò)對(duì)激光器的控溫進(jìn)行改進(jìn), 進(jìn)一步提高上行光的波長(zhǎng)與下行光的波長(zhǎng)穩(wěn)定性, 以減小色散對(duì)光纖時(shí)間同步鏈路的影響.同時(shí), 對(duì)本地端設(shè)備及遠(yuǎn)程端設(shè)備的溫控進(jìn)行改進(jìn), 以減小溫度變化對(duì)設(shè)備中的光路不對(duì)稱產(chǎn)生影響.

表4 光纖時(shí)間傳遞不確定度分析Table 4.The uncertainty analysis of the fiber synchronized timing signal.

4 結(jié) 論

為了減小后向反射光與光纖色散對(duì)光纖時(shí)間同步傳輸精度的影響, 本文在雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步傳輸方法之上, 提出了一種具有色散誤差修正功能的雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步傳輸方法.基于該方法自行研制了用于光纖時(shí)間同步傳輸?shù)脑O(shè)備, 并在800 km的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路與1085 km 的實(shí)地光纖鏈路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 時(shí)間同步傳輸穩(wěn)定度達(dá)到了ps 量級(jí), 優(yōu)于其他相關(guān)報(bào)道, 也是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)實(shí)地光纖時(shí)間同步傳輸.首先, 通過(guò)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行誤差修正, 使設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延誤差優(yōu)于15 ps.以光纖色散系數(shù)13.36ps/(km·ns)和16.67 ps/(km·ns)分別對(duì)800 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路和1085 km 的實(shí)地光纖進(jìn)行了色散補(bǔ)償, 補(bǔ)償后的色散時(shí)延誤差為10ps 和60 ps.其次, 利用自行研制的工程樣機(jī)在800 km 的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 測(cè)得時(shí)間同步傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)差為5.7 ps, 穩(wěn)定度為1.12 ps@105s, 不確定度為18.4 ps.在1085 km 的實(shí)地光纖鏈路上, 測(cè)得時(shí)間同步傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)差為18 ps, 穩(wěn)定度為5.4 ps@4 ×104s, 不確定度為63.5 ps.最后, 對(duì)該光纖時(shí)間同步傳輸系統(tǒng)中的主要影響因素進(jìn)行了分析, 并提出了相應(yīng)的解決方案.在本文提出的光纖時(shí)間同步傳輸方法的基礎(chǔ)上, 下一步將結(jié)合多站點(diǎn)同步方法進(jìn)行更高精度的長(zhǎng)距離多站點(diǎn)時(shí)間同步傳輸研究, 為全國(guó)網(wǎng)絡(luò)化的光纖時(shí)間同步傳輸研究奠定基礎(chǔ).