高精度長距離光纖時間傳遞的研究進展及應用

陳法喜，孔維成，趙侃，李博，劉博，郭新興，陳國超，張首剛，劉濤,，董瑞芳,

高精度長距離光纖時間傳遞的研究進展及應用

陳法喜1,2，孔維成1,3，趙侃1，李博1，劉博1,3，郭新興1,3，陳國超1,3，張首剛1,3，劉濤1,3,*，董瑞芳1,3,*

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2. 西安電子科技大學，西安 710071；3. 中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 100049）

中國科學院國家授時中心已啟動建設國家高精度地基授時系統(tǒng)。光纖時間傳遞分系統(tǒng)作為高精度授時系統(tǒng)的重要組成部分，需要不斷針對關(guān)鍵技術(shù)問題提出解決方案，從而提升光纖時間同步的準確度與穩(wěn)定度，以達到構(gòu)建與國家標準時間偏差優(yōu)于100ps的高精度光纖時間同步網(wǎng)絡的目標。本文報告了中國科學院國家授時中心在長鏈路光纖時間傳遞的研究進展。利用研制的光纖時間同步設備在871.6 km的實地光纖鏈路上得到了29.8ps的時間同步標準差，3.85ps@1ks的時間穩(wěn)定度，25.4ps的不確定度；在此基礎上針對后向反射光噪聲的關(guān)鍵問題進行技術(shù)改進，在總長度為1085km的實地光纖鏈路上實現(xiàn)了色散誤差修正功能的雙波長光纖時間同步，得到了18ps的時間同步標準差，5.4ps@4×104s的穩(wěn)定度，63.5ps的不確定度。

高精度；長距離；實地光纖；時間傳遞

0 引言

高精度時間頻率信號在諸多領(lǐng)域，如航空航天、國防安全等國家重大系統(tǒng)；導航定位、交通運輸?shù)裙こ碳夹g(shù)領(lǐng)域；天文學、物理學等基礎研究領(lǐng)域中都承擔著很重要的角色。隨著原子鐘、光鐘等計時儀器領(lǐng)域取得了重大進展，目前已經(jīng)在單離子光鐘和光晶格鐘上實現(xiàn)了10-18量級的頻率不確定度和穩(wěn)定度指標[1-3]，由美國國家標準與技術(shù)研究院NIST實驗室的鐿原子鐘已經(jīng)實現(xiàn)了10-19量級的頻率不確定度和穩(wěn)定度指標[4]，但光鐘系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜，主要用于計量機構(gòu)和大學等科研單位[5]。為了能夠?qū)⑦@些高精度的時間基準信號廣泛應用于國家重大系統(tǒng)、工程技術(shù)及基礎研究領(lǐng)域，需要高精度的授時技術(shù)作為支撐。

衛(wèi)星雙向比對時間傳遞（TWSTFT）和全球定位系統(tǒng)共視（GPS CV）是目前比較常用的授時手段，但由于多重因素的影響，時間同步精度一般在納秒量級[6-7]。光纖時間傳遞以其傳輸介質(zhì)穩(wěn)定、損耗低、抗電磁干擾、受環(huán)境干擾較小、路徑單一等明顯的穩(wěn)定性與安全性優(yōu)勢，逐漸成為高精度時間傳遞技術(shù)的發(fā)展方向[8]。在中國科學院國家授時中心提出的高精度地基授時系統(tǒng)中，光纖時間傳遞分系統(tǒng)將依托現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)，構(gòu)建與國家標準時間偏差優(yōu)于100 ps的高精度光纖時間同步網(wǎng)絡。網(wǎng)絡化的光纖授時系統(tǒng)，不僅可以滿足各地用戶的需求，更可以利用網(wǎng)絡化的特點，大大增強該授時系統(tǒng)的可靠性與抗打擊能力，為我國基礎科研領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及諸多工程應用領(lǐng)域提供我國最高精度的時間信號以滿足各類用戶的需求。

近年來，國外多家研究機構(gòu)在實地光纖時間傳遞方面展開了研究測試，2009年瑞典SP技術(shù)研究所（SP Technical Research Institute of Sweden）在560 km的光纖鏈路上實現(xiàn)了優(yōu)于1 ns的光纖時間同步指標[9]；2010年捷克教育科研網(wǎng)絡（CESNET）在744 km的光纖鏈路上實現(xiàn)了時間傳遞的秒級穩(wěn)定度優(yōu)于100 ps，時間同步不確定度為112 ps的光纖時間傳遞[10]；2013年法國巴黎天文臺在540 km的光纖鏈路上實現(xiàn)了時間偏差20 ps的時間同步精度[11]；同年波蘭克拉科夫理工大學在420 km光纖鏈路上實現(xiàn)了時間傳遞，其穩(wěn)定度優(yōu)于50 ps@1 s[12]。在2011年，歐洲還發(fā)起了歐洲精確時頻傳輸網(wǎng)絡（NEAT-FT）聯(lián)合研究項目擬建設時間同步不確定度優(yōu)于100 ps的歐洲時頻光纖同步網(wǎng)絡[13-14]。

國內(nèi)的多個研究機構(gòu)在光纖時間同步領(lǐng)域也開展了研究，2010年解放軍理工大學通信工程學院在125km室內(nèi)光纖上的時間同步精度優(yōu)于0.5ns[15]；2014年清華大學在實地80 km的光纖鏈路上實現(xiàn)了 ±50 ps的時間同步指標[16]；2016年中國科學院上海光學精密機械研究所在實地230 km（150 km+80 km級聯(lián)）光纖鏈路上的時間同步準確度為90 ps，平均時間102～ 104s時的時間穩(wěn)定度為3.5 ps[17]；同年上海交通大學在約6 000 km實驗室光纖鏈路上的光纖時間同步偏差小于70 ps[18]；從2003年開始，國家授時中心就持續(xù)開展設備研制與實驗測試，現(xiàn)已建立了多條完整的千km實地光纖時間頻率傳遞實驗平臺。

本文介紹了國家授時中心在光纖時間傳遞方面的研究工作進展，包括在蘇南廣電871.6 km實地光纖鏈路與陜西電信陜南1085 km實地光纖鏈路上完成的光纖時間同步測試結(jié)果。目前已在千km實地光纖鏈路中實現(xiàn)18 ps的時間同步標準差；5.4 ps @ 4×104s的時間穩(wěn)定度；63.5 ps的不確定度[19]，為全國土覆蓋的高精度地基授時系統(tǒng)中，構(gòu)建全網(wǎng)光纖總長度約2萬km的光纖時間傳遞分系統(tǒng)奠定了技術(shù)及工程基礎。

1 光纖時間傳遞基本原理

光纖時間傳遞利用光纖作為信號傳遞信道，將時間信號從本地端傳遞到光纖末端用戶，通過實時測量光纖鏈路的傳輸時差，并予以補償使得用戶得到與本地端高精度同步的時間信號。目前高精度光纖時間傳遞多采用基于密集波分復用（DWDM）的時間同步方案，在鏈路對稱的情況下，主要通過環(huán)回法[17]和雙向比對法[20]兩種方式[21]計算傳輸時差并補償，實現(xiàn)高精度光纖時間同步。

環(huán)回法一般采用本地端補償，其優(yōu)勢在于遠程端接收到的信號是與本地端高度同步的信號，可供用戶直接使用，無需數(shù)據(jù)后處理。基于雙向比對的光纖時間同步可選擇本地端補償也可選擇遠程端補償，遠程端補償方式在比對過程得到誤差數(shù)據(jù)，在遠程端控制時差實現(xiàn)時間同步，更易于擴展遠程端，可為使用一個本地端對多個遠程端進行時間同步奠定基礎，資源利用率較高，利于實現(xiàn)光纖時間頻率傳遞的網(wǎng)絡化。

圖1 光纖時間傳遞雙向時間比對法遠程端補償基本結(jié)構(gòu)框圖

本地端A，遠程端B分別通過各自的時差測量器A與B，來測量設備內(nèi)部時間信號和接收到時間信號的時間間隔，它們分別可表示為：

由于高精度地基授時系統(tǒng)不僅需要長距離高精度的光纖時間同步還需要配合靈活且合理的組網(wǎng)方式。因此，光纖時間傳遞在1對1時間同步方案的基礎上發(fā)展了適應光纖網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的1對多的時分多址多用戶時間同步方案，時分多址多用戶光纖時間同步系統(tǒng)原理圖如圖2所示。本地端設備通過時分復用的方式對各個遠程端設備進行輪詢呼叫，中繼設備在放大光信號的同時，通過指令來切換光開關(guān)，至本地端設備接收到來自遠程端設備的光信號，則成功建立了雙向時間比對鏈路，從而實現(xiàn)長距離多站點高精度光纖時間同步。值得注意的是，每個站點的遠程端設備及中繼設備具有很高的可復制性，但系統(tǒng)分別為其分配了唯一的設備地址。

注：Am為光學放大器；Ci為光學環(huán)形器

2 871.6 km實地光纖時間傳遞實驗

基于雙向時間比對遠程端補償及時分多址多用戶光纖時間同步原理，國家授時中心于2017年利用一個波長信道同時對1 PPS（pluse per second）信號、時碼信號以及10 MHz信號進行傳遞，并使用時分多址多用戶和凈化再生的方式實現(xiàn)了多站點高精度光纖時間同步，該871.6 km的實地光纖鏈路共計11個站點，共放置了1臺本地端設備、10臺中繼設備及11臺遠程端設備。為驗證方案的可行性，首先在每兩個站點間間隔50 km總長為550 km的實驗室光纖鏈路上，進行了驗證性測試，實驗室光纖測試方案如圖3所示。

圖3 實驗室光纖測試方案

由于測試儀器設備有限，選擇分別位于在50，300，550 km處的“遠程端1”、“遠程端6”和“遠程端11”作為時間同步的比對測試對象，同時進行實驗測試測量。在測試過程中，遠程端與本地端間的光纖傳輸時差如表1所示。

表1 各遠程端與本地端間的光纖傳輸時差 單位：ps

當實驗測試系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，同時對編號為1，6，9的遠程端設備輸出的時間信號與本地端的時間信號進行時差測量，結(jié)果如圖4所示，曲線為各遠程端輸出的1 PPS信號與本地端1 PPS信號的時差變化：圖（a）為遠程端1的時差變化，其標準差值為16.7 ps；圖（b）為遠程端6的時差變化，其標準差值為16.8 ps；圖（c）為遠程端11的時差變化，其標準差值為18.4 ps。具體時差變化與峰峰值數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 實驗室光纖時差測試結(jié)果圖

表2 各遠程端輸出1 PPS信號與本地端1 PPS信號間的實時時差

采集到的時差數(shù)據(jù)經(jīng)處理，得到的時間穩(wěn)定度如圖5所示，遠程端的秒級時間信號傳遞穩(wěn)定度均小于為15 ps@1 s，傳遞穩(wěn)定度在500 s左右最小，均小于4 ps。此外，最遠端設備11的時間信號穩(wěn)定度為13.8 ps@1 s，2.92 ps@1 ks。

圖5 實驗室環(huán)境下時間穩(wěn)定度測試結(jié)果

實驗測試結(jié)果高度表明了方案的可行性及設備的可靠性。進一步在以南京中心機房為起止點，途徑鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州、常熟、南通、海安、泰州、揚州、六合，沿途共11個站點，光纖鏈路總長度為871.6 km的實地光纖鏈路上進行了測試，實地光纖測試方案如圖6所示。

圖6 實地光纖測試方案

在南京中心機房，將南京遠程端設備輸出的1PPS信號與輸入到南京本地端設備的1PPS信號進行比對測試，在測試過程中，871.6 km光纖鏈路的總傳輸時差平均值為4 303 540 527 ps，時差變化的峰-峰值為66 423 ps，時間同步標準差為29.8 ps，時間穩(wěn)定度為3.85 ps @ 1 ks。

將測試結(jié)果與550 km實驗室環(huán)境情況相比較，其結(jié)果如圖7所示。圖（a）曲線代表550 km實驗室光纖鏈路時差變化；圖（b）曲線表示871.6 km實地光纖鏈路時差變化。時間同步穩(wěn)定度如圖8所示，下方曲線表示經(jīng)過550 km實驗室光纖測試的TDEV（時間同步穩(wěn)定度）數(shù)據(jù)；上方曲線表示經(jīng)過871.6 km實地光纖測試的TDEV。

圖7 實驗室環(huán)境與實地環(huán)境下的時差測試結(jié)果

注：實驗室環(huán)境下TDEV變化如下方圓點曲線所示；實地環(huán)境下TDEV變化如上方方塊曲線所示

經(jīng)分析，影響550 km實驗室光纖鏈路與871.6 km實地光纖鏈路時間傳遞的不確定度因素主要包含以下4個方面：

表3 光纖時間傳遞不確定度分析

3 1085km實地光纖時間傳遞實驗

為進一步拓展光纖時間同步的鏈路長度及提升光纖時間同步指標，2020年聚焦于后向反射光與光纖色散對長距離光纖時間同步指標的影響，提出了一種雙波長光纖時間同步方法，此方法可修正色散誤差，實驗原理如圖9所示，本地端設備與各遠程端設備采用的激光器可輸出相差一個波道的兩種標稱波長，雙波長光纖時間同步方案在雙向時間比對方案的基礎上，將光纖色散信息通過編碼方式一起與時間頻率信號及時碼信息通過光纖鏈路傳輸至遠程端，并采用波分復用的方式使得上行光與下行光分離，從而降低了后向反射光的干擾；為提高傳遞過程中載波信號的信噪比，在中繼設備內(nèi)采用光電光方式（OEO）對載波信號進行了凈化再生處理，使遠程端獲得一個高穩(wěn)時間頻率源，進一步地，遠程端通過修正凈化再生后的時間信號，從而實現(xiàn)與本地端時間信號的同步。

圖9 具有色散誤差修正功能的雙波長光纖時間同步實驗原理

圖10 實驗室光纖測試方案

為測試系統(tǒng)性能，將本地端1 PPS信號與遠程端16輸出的1 PPS信號接到SR620（時差測量設備）上，進行時差測量，測試結(jié)果如圖11所示，下方曲線表示經(jīng)800 km實驗室光纖鏈路傳遞后的時差峰峰值約為50 ps，經(jīng)計算此次測量結(jié)果的標準差值為5.7 ps，當各設備采用1 m光纖跳線連接時，可測得整個時間同步的噪聲極限，測試結(jié)果如圖11上方曲線所示。

注：系統(tǒng)噪底情況如上方曲線所示；800 km實驗室光纖鏈路時差測試結(jié)果如下方曲線所示

為表示本系統(tǒng)時間同步穩(wěn)定度，將圖11所示時差數(shù)據(jù)進行計算得到TDEV數(shù)據(jù)，如圖12所示，上方三角曲線表示800km實驗室光纖鏈路的時間同步穩(wěn)定度情況，TEDV秒穩(wěn)為4.9ps，十萬秒穩(wěn)為1.12 ps。下方圓點曲線表示系統(tǒng)噪底TDEV秒穩(wěn)為4.0 ps，十萬秒穩(wěn)為0.083 ps。值得注意的是，1ks以上時，800 km實驗室光纖的長期穩(wěn)定度開始惡化，其原因主要是實驗室溫度變化導致了激光波長及設備時差的漂移。

注：系統(tǒng)噪底TDEV變化如下方圓點曲線所示；800 km實驗室光纖鏈路TDEV變化如上方三角曲線所示

實驗測試結(jié)果高度表明了方案的可行性及設備的可靠性。進一步在以中科院國家授時中心臨潼園區(qū)為光纖鏈路的始發(fā)站，沿途設置了一長、澇峪、筒車灣、洋縣、漢中、勉縣、寧強7個站點，在末端的勉縣及寧強兩個站點進行了兩次往返傳輸，鏈路最終至環(huán)回國家授時中心臨潼園區(qū)，沿途共16個站點，光纖鏈路總長度為1085 km。實地光纖鏈路的地理位置分布如圖13所示。在國家授時中心臨潼園區(qū)放置本地端設備與遠程端16號設備，其余各站點分別放置一臺遠程端設備與一臺中繼設備。

圖13 實地光纖鏈路具體位置

為測試實地光纖時間同步指標在國家授時中心園區(qū)采用SR620對本地端設備與遠程端16號設備輸出的1PPS信號進行時差測量，測試結(jié)果如圖14所示，未加補償?shù)墓饫w自由運轉(zhuǎn)鏈路的時差測試結(jié)果如圖14中幅度較大的波動曲線所示，時差峰峰值為160 ns，經(jīng)計算，其標準差為47 ns；經(jīng)鏈路補償后的時差測試結(jié)果如圖14中較為穩(wěn)定的中心曲線所示，時差峰峰值為170 ps，經(jīng)計算其標準差為18 ps。由圖可見自由運轉(zhuǎn)時時差值呈周期性波動，主要是由每天的溫度波動引起。

注：1 085 km實地光纖鏈路自由運轉(zhuǎn)時的測試結(jié)果由幅度較大的波動曲線所示；1 085 km實地光纖補償鏈路的時間同步測試結(jié)果由較為穩(wěn)定的中心曲線所示

1085 km實地光纖補償鏈路的TDEV計算結(jié)果如圖15所示，其TDEV秒穩(wěn)為9.2 ps、4萬秒穩(wěn)為 5.4 ps。對比于實驗室環(huán)境下，短期穩(wěn)定度發(fā)生明顯惡化的主要原因在于外界環(huán)境噪聲較為復雜及系統(tǒng)控制帶寬的限制，而長期穩(wěn)定度惡化的主要原因在于各站點之間的溫度差及晝夜較大溫差變化的影響。

圖15 1 085 km實地光纖補償鏈路的TDEV變化

表4 光纖時間傳遞不確定度分析 單位：ps

4 結(jié)論

本文介紹了中國科學院國家授時中心在長鏈路光纖時間傳遞的研究進展。目前利用研制的光纖時間同步設備在871.6 km的實地光纖鏈路上得到了時間同步標準差為29.8 ps，TDEV千秒穩(wěn)定度為3.85 ps，不確定度為25.4ps的實驗結(jié)果；在此基礎上針對后向反射光噪聲的關(guān)鍵問題進行技術(shù)改進，在總長度為1085km的實地光纖鏈路上實現(xiàn)了色散誤差修正功能的雙波長光纖時間同步，時間同步標準差為18 ps，TDEV 4萬秒穩(wěn)定度為5.4 ps，不確定度為63.5 ps。測試結(jié)果為高精度地基授時系統(tǒng)的進一步開展提供了重要支撐，接下來我們將繼續(xù)針對關(guān)鍵問題進行深入研究，不斷提升光纖時間同步準確度與穩(wěn)定度，以早日達到全國土覆蓋的高精度地基授時系統(tǒng)的要求。

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Research on high-precision long-distance optical fiber time transfer and its application

CHEN Fa-xi1,2, KONG Wei-cheng1,3, ZHAO Kan1, LI Bo1, LIU Bo1,3, GUO Xin-xing1,3,CHEN Guo-chao1,3, ZHANG Shou-gang1,3,LIU Tao1,3,*, DONG Rui-fang1,3,*

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Xidian University, Xi’an 710071, China;3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The National Time Service Center of the Chinese Academy of Sciences has launched the National High-precision Ground-based Time Service System. As an important part of the Ground-based Time Service System, the fiber-optic time transfer subsystem aims for realizing high-precision time synchronization network with its deviation from the national standard time within 100 ps. This article reports the development progress of the National Time Service Center in long-distance fiber-optic time transfer. Using the self-developed optical fiber time synchronization equipment, the experimental results on an 871.6 km field optical fiber link have shown a time synchronization standard deviation of 29.8 ps, time stability of 3.85 ps at 1 ks, and uncertainty of 25.4 ps. Further utilizing the technique of dual-wavelength fiber time synchronization with dispersion error correction function to suppress the inherent retro-reflected optical noise in the fiber transfer, the time synchronization on the field optical fiber link with a record length of 1 085 km has been implemented. The time synchronization standard deviation achieves 18 ps and the stability is 5.4 ps at 4×104s, the uncertainty is 63.5 ps.

high precision; long distance;field fiber link; time transmission

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0266-13

陳法喜, 孔維成, 趙侃, 等. 高精度長距離光纖時間傳遞的研究進展及應用[J]. 時間頻率學報, 2021, 44(4): 266-278.

2021-05-01；

通訊作者

國家自然科學基金資助項目（91636101；91836301；12033007；61801458；12003042）；中國科學院戰(zhàn)略先導B專項（XDB21030200）；廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃（2018B030325001）；中國科學院前沿重點研究資助項目（QYZDB-SW-SLH007）