光纤时间频率信号传递研究

刘涛，刘杰，邓雪，焦东东，高静，臧琦,3，曹群,3，赵侃，陈法喜，董瑞芳，张首刚



光纤时间频率信号传递研究

刘涛1,2，刘杰1,2，邓雪1,2，焦东东1,2，高静1,2，臧琦1,2,3，曹群1,2,3，赵侃1,3，陈法喜1,3，董瑞芳1,2，张首刚1,2

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

随着时间频率标准和光纤通信网络的发展，利用通信光纤传输时间频率信号体现出巨大的精度优势。报告了中国科学院国家授时中心在光纤时间频率传递方面的研究进展。利用PDH方法和超低膨胀系数玻璃光学参考腔获得用作光频传输光源的1.9Hz线宽1550nm超稳窄线宽激光，并在实验室光纤上进行传输相位噪声抑制，获得8.5×10-17的传输稳定度（110km，秒稳），在实地光纤112km上也获得了接近的光频传输稳定度。提出并验证光纤光频传递相位噪声的用户端补偿方法，可用于光频传输多用户网络。利用临潼—西安56 km实地光纤将UTC（NTSC）信号传递到西安航天城，实现两地的时间同步，同步稳定度优于30ps。

光纤网络；时间频率标准；频率传递；时间传递

0 引言

近期随着光钟领域的重大技术突破，美国JILA实验室和日本东京大学的原子光钟精度都达到1×10-18量级[1-2]，优于目前作为基准钟的铯原子喷泉钟。法国等国家已经开始探索利用光钟实现秒单位的定义。如何高精度地比对全球各时频实验室的光钟是用光钟来复现“秒”定义的一个技术瓶颈。与此同时，利用蓬勃发展的光纤通讯网络传输时间和频率信号已展现出巨大的技术优势和高精度潜力。世界上多个国家的时频实验室开展相关的研究工作并取得了较好的结果，包括利用光纤传输时间信号、微波频率信号，光学频率信号和光学频率梳信号等。特别是其中利用通讯光纤来传输光学频率信号，积分时间10 ks的传输稳定度达到1×10-19量级[3-10]，可以满足光钟远程比对的需求。西澳大利亚大学还在分支光纤网络上的光频传输方面进行探索，同时给两个光纤支路的远端传输光频信号，传输稳定度秒稳均在1×10-17左右。国内多家单位也在开展高精度光纤时间频率传递研究，其中清华大学—计量院联合实验小组在80km光纤上实现秒级稳定度7×10-15的射频频率传递[11]，华东师范大学在50 km光纤上实现2×10-17/s的光学频率传输稳定度[12]。中国科学院国家授时中心、上海交通大学、上海光机所、南京理工大学等单位也开展光纤时间频率传递研究。本文主要介绍国家授时中心在光纤时间频率传递方面的研究进展：研制了用于光频传输的通信波段超窄线宽激光并在110km实验室光纤上进行了光频传递实验，探索用于实地光纤上的长距离光频传输和多用户网络化光频传输，同时在时间传递方面利用临潼-西安56km实地光纤实现了两地间的时间同步。

1 1550nm超稳窄线宽激光

1.1 研究背景

窄线宽激光具有极高的频率稳定性，在重力波探测[13-14]、高分辨率光谱学[15]、高精度原子钟研制[16-17]以及时间频率传递[18]等领域有重要应用。在目前传递精度最高的光纤时间频率传递领域，通信波段窄线宽激光器是实现超远距离超高精度光学频率传递的重要保证。目前商用通信波段激光器的线宽最小为102赫兹量级，不能满足频率传递的要求，因此需要研制具有超高稳定度的通信波段窄线宽激光。

1.2 基本原理及实验装置

本文以商用光纤激光器（NKT Koheras E15）作为光源，采用10 cm长的超低膨胀系数玻璃（ULE）参考腔作为频率参考，通过激光器内部压电陶瓷PZT和外部声光频移器AOM相结合的控制方式实现激光器线宽压窄。窄线宽激光系统总体方案如图1所示。激光中心波长1550.12 nm，自由运转线宽约1 kHz，输出功率最大45 mW，PZT最大扫描范围2.8 GHz。实验中通过调节消光比约50 dB的格兰泰勒棱镜PGT使激光偏振与电光调制器EOM光轴重合，利用EOM对激光进行相位调制，输出的激光经过声光调制器AOM1发生衍射。一级衍射光通过偏振分束器PBS1分为两束，反射光经一根长度为5m的单模光纤传到第2套窄线宽激光系统，透射光经过匹配透镜L1进入光学参考腔CAV1。CAV1反射光经过四分之一波片后由PBS1反射到光电探测器PD1，将PD1探测到的信号通过混频解调出误差信号，该信号分为两路，一路经过慢速比例积分电路PI1反馈到激光器PZT，另一路经过快速比例积分电路PI2反馈到AOM1的射频驱动信号源RF1。通过对激光器PZT和声光调制器AOM1的联合控制，从而实现第1套激光器的频率锁定。

图1 窄线宽激光实验装置图

1.3 实验结果与讨论

为评估激光稳频效果，实验中我们利用声光频移器将第一套窄线宽激光系统的输出激光再次锁定到第二套参考腔上，通过分析声光频移器驱动频率，测得单台激光的线宽约为1.9Hz，秒级频率稳定度约为1.7×10-14，该指标优于国内同类报道。对第一套窄线宽激光系统中的频率伺服系统控制带宽进行测量，测量结果约为50kHz。然后根据系统特点，采用不同方式测得两个光学参考腔的精细度分别为344 000和296 000，并在实验中观测到精细度与入射光偏振的相关性。我们还应用研制的超窄线宽激光器在50 km光纤盘上实现光学频率传递，实验结果（如图2所示）显示激光器锁定之后（激光线宽~1.9 Hz）光频传输相对稳定度（小方块数据点）秒稳约为7.5×10-17，较不锁定直接采用商用激光器作光源时（激光线宽~1kHz）的传输相对稳定度（小圆点数据点）秒稳2.4×10-16提高了3.2倍，三角形数据点为激光器未锁定同时光纤噪声未补偿时测得的结果[19]。

图2 50 km光纤盘频率传递稳定度

2 光纤光学频率传递

2.1 实验原理与装置

激光在光纤中传输时，各种环境因素，如温度和振动等，会导致传输光场的相位波动，等效于激光的频率噪声。上述光纤噪声会造成传输激光的线宽展宽，降低光学频率的传递精度。为测试光纤传输路径的相位噪声，我们使一部分被传递的激光原路返回，在本地端与参考光拍频来获得误差信号，从而补偿光纤链路中的相位噪声[20]。实验装置如图3所示。

图3 实验装置图

实验中我们采用自制的窄线宽激光源作为传输光源，在本地端通过光纤耦合器将光源分为两部分，一部分用作传输光，另一部分作为参考光。传输光再由50/50光纤耦合器分为两束，一部分由法拉第镜FM1反射后再次经过耦合器到达光电探测器PD1处作为光外差拍频的参考光，另一部分经过声光调制器AOM1移频之后输出至传输光纤。在远程用户端光路部分，传输光由声光调制器AOM2再次移频后，分出一臂光（10%）提供给远程用户应用；另一臂光（90%）经由FM2反射后，再依次通过AOM2，传输光纤和AOM1原路径返回，最终到达源端PD1处和参考光进行光外差拍频。

如上所述，PD1得到的外差探测信号包含往返传输路径导致的相位噪声，为单次传输噪声的两倍，据此我们对AOM1加入相应的补偿以实现激光传输光纤噪声的抑制。而AOM2的应用是考虑到实际光纤系统中存在一定的节点反射光和瑞利散射光。在用户端法拉第镜FM2前放置AOM2，可将有用信号与其他干扰信号在频域上分离，进而实现光纤相位噪声的精密测量。法拉第镜FM1和FM2的应用，有助于使PD1处的两个拍频激光的偏振状态保持一致，这样不需要加入复杂的偏振调节器件即可实现拍频信号功率的最大化。为评估光学频率传输稳定度，我们利用光电探测器PD2测量参考光与待测光的拍频信号[21]。

整个光路系统为全光纤器件，为减小外部环境对系统噪底的影响，我们通过熔接光纤将光学器件之间的长度尽可能缩短，而且整个系统都被放置在密闭的铝盒中以隔离外部噪声影响。

2.2 110km缠绕光纤光频传输

以110 km缠绕光纤作为传输光纤进行光频传输实验，传输光纤损耗为24 dB，由于光纤输入功率应低于布里渊散射阈值（这里为6 mW），因此只有纳瓦量级的光从远程端返回到本地端，但我们仍获得较好的噪声抑制，因此光路中我们并没有采取光学放大措施。实验结果如图4所示，从左图相位噪声可见1 Hz位置噪声抑制比达到~50 dB，右图为测试噪声抑制后的传输相对稳定度结果（Agilent 53230A， 连续模式），方块点线为自由运转时，三角点线为噪声补偿后测得的传输相对稳定度，频率测量时应用了2 Hz的窄带跟踪滤波器以降低高频链路噪声的影响，测试结果秒稳约为8.5×10-17，当平均时间为10 ks时下降到4.4×10-20，接近1/线形下降。

图4 锁定前后的光纤相位噪声（左图）和系统传输稳定度（右图）

我们将传输光纤改为112 km实地光纤（国家授时中心临潼本部——西安航天城场区，全长56 km，往返112 km），进行了光频传输相对频率稳定度的测试，测试结果如图4右中圆点线所示，传输相对稳定度秒稳约为2.5×10-16，当平均时间为10 ks时下降到7.5×10-20，同样接近1/线形下降，相关结果发表在Chinese Physics Letters上[22]。

2.3 利用双向EDFA放大实现75km+75km光纤光频传输

由于光纤对光的损耗随着光纤长度增加而增加，更长距离（大于120km）的光频传输由于返回光功率太小而无法直接用2.2节中的方案来实现。在150km实验室缠绕光纤上进行光频传输实验时，为补偿光纤衰减我们在传输光纤的中间位置加入一个自制双向EDFA（掺铒光纤放大器），其增益可调范围约15dB到30 dB，噪声系数约为3.8 dB，其原理如图5所示。

图5 双向EDFA实验装置图

实验中， EDFA的增益为15dB，测量了150km（75km+75km）缠绕光纤的传输稳定度（如图6所示），频率测量时仍使用53230A倒数模式，但测量带宽限制在2Hz以内，计算得到传输稳定度秒稳约为1×10-16，呈1/线形下降，说明EDFA引入噪声可忽略不计。

图6 150 km光纤光频传递稳定度

3 光纤光频传输网络化

光纤通信网络的复杂性决定光纤光学频率传输不仅局限于单点对单点的传输结构，很多情况下需要将光学频率信号从一个源端站点同时发送给多个远程用户站点。在构建这种一发多收式传输网络时若仍采用在源端进行光纤噪声补偿的方案（简称为源端补偿方案），会使链路结构更为复杂。例如分支式的一发两收光纤传输网络中一个源端装置无法补偿两条链路的光纤噪声。西澳大利亚大学的研究小组提出的可用于分支网络光频传输的用户端补偿[23]，是将信号光在同一根传输光纤中传输3次，与传输1次的激光在用户端进行拍频得到误差信号进行补偿。该方案将光纤噪声补偿改在用户端，在构建分支网络时每条链路的用户端各自补偿其光纤链路噪声，将源端发射装置设计为共用装置，网络结构大大简化。由于信号光在光纤中传输3次经过3次光纤衰减因而光功率较小，且各种散射光引起的干扰较大，传输距离也较短[17]。与之不同，我们提出另一种在用户端补偿光纤链路噪声的方案，利用两条并行的光纤链路规避一条光纤中光信号多次传输引起的大量杂散反射光。我们的方案虽然占用了较多的光纤资源，但是能够有效地提高光纤相位噪声补偿的信噪比，提高传输相对稳定度，增加传输距离。

我们提出的光纤相位噪声用户端补偿方案，其基本原理如图7所示。光学频率信号通过光纤A传递到用户端后和上述源端补偿装置中的一样，沿原路返回，返回的信号光与参考光在源端光纤耦合器的一个端口合束，该混合光场经掺铒光纤放大器EDFA放大后再由另一个光纤B传输到用户端。由于在光纤B 中传输时，信号光和参考光的传输噪声基本是共模成分，对拍频信号噪声的贡献在一定程度上可以忽略。远端用户通过测量光纤B末端的拍频信号即可精确测得光纤A的光纤噪声，进而利用用户端的AOM2实现对光纤A的光纤噪声抑制。与传统源端补偿方法相比，光纤噪声的测量和抑制都是在用户端完成，极大地简化了源端复杂度，利于增加传输支路，构建树形传输网络。

图 7 用户端补偿的光纤光学频率传递实验装置

我们利用50km实验室线绕光纤进行用户端补偿光频传输的简单验证实验，结果如图8所示。50km光纤对1550nm激光的单次传输衰减是~15dB，我们使用的EDFA增益设定为17dB。

图8 50 km光纤上用户端补偿的光纤光频传输稳定度

如图8所示，50 km光纤上用户端补偿方案进行光频传输的相对稳定度（小圆点数据线）秒稳约为1.3×10-15，接近于同为50km光纤源端补偿方案（小方块数据线）的秒稳8.9×10-16，三角形数据线为系统噪底。用户端补偿方案在传输稳定度上与源端补偿方案相当。

4 光纤时间同步

4.1 基本原理

基于环回法的光纤时间同步原理如图9所示。在本地端钟源产生的1PPS时间信号经过时间延迟模块进行时间延迟后，输入到本地端发射机，发射机输出光通过光纤链路传递到用户端，在用户端利用接收机将光信号转换成1PPS信号后输出给用户，同时1PPS信号通过用户端的发射机再次转换成光信号并沿着相同的光纤链路回传，在本地端使用光接收机将回传的光信号转换成1PPS时间信号。输出的1PPS信号和本地端的1PPS 信号进行比对，时间间隔计数器（TIC）用来测量1PPS信号在光纤链路中往返传输的时间延迟量，并根据测量值计算出能够使远地和本地端时间信号同步的时延值输入到时延产生模块，达到两地之间时间信号同步的效果。

图9 环回法光纤时间同步原理示意图

4.2 实验结果

目前，建立了国家授时中心的位于临潼的本部与西安航天城场区之间的光纤授时网，全长56 km。授时服务信道2路，一主一备。每个信道可以同时传输1PPS信号、时间编码信号和10MHz频率信号。在授时中心处，时间同步的本地端设备输入信号包括UTC（NTSC）1PPS信号和10MHz氢钟信号。时间同步用户端设备输出1PPS信号、时间编码信号和10 MHz频率信号。

为了评估光纤时间同步性能，利用用户端的主备两路信号进行了比对测试。图10中显示连续30d的测试结果，利用TDEV计算得到稳定度优于30 ps。利用该同步链路，自 2015年6月起为西安地区北斗卫星导航系统地面监控站提供时间溯源服务。

图10 两路时间同步信号比对测试

5 结语

本文介绍了中科院国家授时中心在光纤时间频率传递方面的研究进展。研制了用于光频传输的通信波段窄线宽激光。利用该光源，在110km实验室盘纤上实现了光频传递，获得了8.5×10-17/s的传递稳定度。本文提出并验证了光纤光频传递相位噪声的用户端补偿方法，利用该方法设计了更为简化的一发多收式传输网络。利用临潼—西安56km实地光纤实现了两地间的时间同步，同步稳定度优于30ps。

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Research on fiber-based time and frequency transfer

LIU Tao1,2, LIU Jie1,2, DENG Xue1,2, JIAO Dong-dong1,2, GAO Jing1,2, ZANG Qi1,2,3,CAO Qun1,2,3, ZHAO Kan1,3, CHEN Fa-xi1,3, DONG Rui-fang1,2, ZHANG Shou-gang1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Along with the development of time and frequency standards and fiber networks, the potential of higher accuracy and stability has been found from the fiber-based time and frequency transfer. The latest results on time and frequency transfer via fiber in the national time service center is reported. A 1550-nm CW laser with a bandwidth of only 1.9 Hz, which is obtained by locking a commercial fiber laser to an ULE optical cavity using the so-called P-D-H method, is applied as the optical carrier of optical frequency transfer. The transfer stability via 110-km coiled fiber is 8.5×10-17at 1s averaging time, while the 112-km urban fiber links show the similar transfer stability. Simultaneously, a new fiber-noise compensating method is presented to compensate the fiber induced phase noise of laser at the user’s end. A 56km urban fiber is applied to transfer the UTC(NTSC) signal from Lintong to Xi’an and the transfer stability is less than 30ps.

fiber networks; time and frequency standards; frequency transfer; time transfer

TN929.11

A

1674-0637(2016)03-0207-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-03-0207-09

2016-01-20

国家自然科学基金委重大科研仪器设备研制专项资助项目（61127901）；国家自然科学基金资助项目（11273024；61025023；91636101）；国家自然科学基金青年科学基金资助项目（11403031）；中国科学院重点部署资助项目（KJZD-EW-W02）；中国科学院战略性先导科技专项（B类）资助（XDB21030800）

刘涛，男，研究员，主要从事超稳窄线宽激光和光纤时间频率传递研究。