溫度對波分復用時頻傳輸雙向時延波動差的影響

譚小容，許江寧，陳 丁，梁益豐，吳 苗

溫度對波分復用時頻傳輸雙向時延波動差的影響

譚小容1,2，許江寧1，陳 丁1,2，梁益豐1，吳 苗1

（1. 中國人民解放軍海軍工程大學 電氣工程學院，武漢 430033；2. 九江學院 電子信息工程學院，江西 九江 332005）

為了明確溫度變化時雙向波長的選擇對時延不對稱的具體影響，利用傳輸時延與溫度的關系模型，選擇多組相鄰波長在雙向波分復用時頻傳輸系統(tǒng)中仿真雙向時延波動差。結果表明，選擇常規(guī)波段中任意兩個相鄰波長進行雙向傳輸，一天內(nèi)溫度變化最大時雙向時延波動差最小值為0.04 fs/km，最大值為0.0634 fs/km。該數(shù)據(jù)可為長距離、高精度時頻系統(tǒng)的傳輸延遲補償和色散補償方法的研究以及波分復用系統(tǒng)雙向傳輸波長的選擇提供參考。

波分復用；時頻傳輸；傳輸時延；時延波動

0 引言

在導航定位中，精確位置實際上是由精確時間來決定，可以說高精度的導航定位必須由高準確度和高穩(wěn)定度的原子頻標和時頻傳輸系統(tǒng)來支撐。光纖因具有頻帶寬、損耗低、抗干擾能力強、保真度高等獨特優(yōu)點而被廣泛用于高精度、高可靠時頻信號傳輸[1-4]。兩路時頻信號在同一根光纖的不同信道或兩根并行光纖中相向傳輸時傳輸鏈路經(jīng)歷著相同的外界環(huán)境變化，這樣可使得大部分往返路徑時延波動相互抵消。在要求不高的應用場景中，多數(shù)情況下視為雙向時延波動完全抵消。然而，在實際環(huán)境中，還有一小部分波動差不對稱在影響時頻傳輸系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度。文獻[5]討論了溫度變化對時延波動差的影響，并對波動值作了定性分析，但沒有考慮溫度對不同間隔的兩個波長的影響。經(jīng)分析，相同溫度影響下不同波長間隔的兩個波長在雙向波分復用系統(tǒng)中傳輸時波動差也有所差別。本文利用傳輸時延與溫度的關系模型，選擇多組相鄰波長在雙向波分復用時頻傳輸系統(tǒng)中仿真雙向時延波動差，并討論溫度變化時雙向波長的選擇對時延不對稱的具體影響。

1 光纖雙向波分復用時頻傳輸時延分析

1.1 光纖波分復用時頻傳輸雙向鏈路時延差

基于波分復用的時頻傳輸是通過鏈路對稱性計算并補償雙向傳輸時延差，使得兩端的時間頻率信號達到高度一致。它適用于遠距離、高精度場景，是實現(xiàn)光纖時頻同步的常用方式，目前主要通過環(huán)路和雙向比對兩種方法完成[6]。環(huán)路法和雙向比對法波分復用時頻傳輸系統(tǒng)的傳輸模型可用圖1表示。

圖1 雙向波分復用時頻傳輸系統(tǒng)示意圖

1.2 光纖鏈路傳輸時延定量分析

表1 纖芯折射率參數(shù)

獨立學院大多依托母體學院建立實驗室，資金大多自籌，而且要層層審批，造成在實驗室建設方面會受到種種限制。資金缺乏，場地缺乏，人員缺乏，是現(xiàn)在大多數(shù)獨立學院所面臨的困難。一個實驗室從規(guī)劃到建成，審批手續(xù)繁瑣，建設周期長。所以很多院校就減少了實驗室建設的數(shù)目，特別是專業(yè)實驗室，由于其成本高，利用率低，往往被學院從規(guī)劃中去掉。

2 溫度對光纖鏈路傳輸時延波動分析

2.1 光源和光纖溫度變化模型

光纖的溫度變化對光纖熱膨脹、折射率變化和色散效應引起的時延波動有直接和間接的影響。但在光纖時頻傳輸?shù)倪^程中，光纖溫度的變化量很難獲取。在此，采用環(huán)境溫度變化模型來模擬光纖溫度變化。利用正弦函數(shù)構建環(huán)境溫度日變化方程，以當天的日最高值為波峰和日最低值為波谷得到日變化曲線[7]。實際應用中，由于光纖處于晝夜溫差較小的地下掩埋環(huán)境，環(huán)境溫度變化較為平緩，光纖溫度變化基本與其保持一致，這是溫度慢變的情況。溫度快變時，光纖溫度與環(huán)境溫度不同步，如果計算過程中仍然用環(huán)境溫度模型近似處理，這將導致額外誤差，本文不予考慮光纖溫度快變情況。由文獻[5]和文獻[8]得到一天內(nèi)溫度變化模型為

2.2 光源和光纖溫度變化對傳輸鏈路時延波動分析

式中：、、、分別為表1中折射率參數(shù)、、、的斜率。

最終得到光纖鏈路總時延波動為

最終得到整個傳輸鏈路總波動時延為

3 雙向波分復用時頻傳輸時延波動差仿真及分析

為了得到特定溫度和波長下光纖傳輸時延、環(huán)境溫度慢變以及光源動態(tài)結溫度快變對時頻傳輸系統(tǒng)時延波動，采用基于單根光纖密集波分復用的雙向時頻傳輸系統(tǒng)進行仿真測試，并根據(jù)測試結果對雙向時延不對稱性進行分析。

3.1 雙向波分復用時頻傳輸時延波動差仿真

表2 不同波長對應的參數(shù)值

3.2 雙向波分復用時頻傳輸時延波動差分析

圖2顯示了雙向傳輸波長為1546.12 nm和1548.51 nm時由傳輸光纖引起的時延波動差及其與溫度波動的關系。圖3顯示了雙向波長為1543.73 nm與1546.12 nm時光源引起的時延波

圖2 光纖溫度波動時兩波長的時延波動差

圖3 光源溫度變化時兩波長的時延波動差

動差以及其與溫度波動的關系。由此可見，波分復用時頻傳輸系統(tǒng)中波長的選擇非常關鍵，應盡量選擇相鄰波長進行雙向傳輸。即便是相鄰兩波長中也有時延波動差較大的情況，所以在選擇雙向波長值之前應先估算時延波動差值。如果選擇合適，則雙向時延波動差可以相互抵消，達到很好的傳輸時延對稱性。

同等條件下環(huán)路法雙向時延波動差應大于雙向比對法，因為環(huán)路法中光收發(fā)端RT1到RT2的起始時間與RT2到RT1的起始時間間隔值遠遠大于雙向比對法，而不同時間間隔情況下，溫度對傳輸時延波動的影響不同，尤其是溫度快變的情況。

4 結束語

[1] DING X, WU G L, ZUO F X, et al. Bidirectional optical amplifier for time transfer using bidirectional WDM transmission[J]. Optoelectronics Letters, 2019, 15(6): 401-405.

[2] 楊文哲,楊宏雷,趙環(huán),等. 光纖時頻傳遞技術進展[J]. 時間頻率學報, 2019, 42(3): 214-223.

[3] LIN T C, WU G L, LI H W, et al. Passive phase noise compensation for fiber-optic radio frequency transfer with a nonsynchronized source[J]. Chinese Optics Letters, 2018, 16(10): 9-12.

[4] 陳丁, 許江寧, 李振中, 等. 光纖雙向比對時間同步技術研究進展[J]. 激光與光電子學進展, 2020, 57(13): 57-65.

[5] 李得龍, 程清明, 張寶富, 等. 光纖鏈路時延波動對頻率傳遞穩(wěn)定度的影響[J]. 激光與光電子學進展, 2014, 51(1): 62-68.

[6] 梁益豐, 許江寧, 吳苗, 等. 光纖時頻同步技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J/OL]. 激光與光電子學進展, 2020[2021-03-15]. https://kns.cnki.net/kns8/defaultresult/index.

[7] 李東瑾, 梅進杰, 胡登鵬, 等. 高精度頻率遠距離光纖傳輸信道特性研究[J]. 中國激光, 2016, 43(8): 240-247.

[8] 姜會飛, 溫德永, 李楠, 等. 利用正弦分段法模擬氣溫日變化[J]. 氣象與減災研究, 2010, 33(3): 61-65.

[9] 李金義, 杜振輝, 齊汝賓, 等. 利用熱敏電阻精確測量DFB激光器動態(tài)結溫度[J]. 儀器儀表學報, 2012, 33(9): 2088-2093.

[10] ANDRE P S, PINTO A N, PINTO J L. Effect of temperature on the single mode fibers chromatic dispersion[C]// Proceedings of the 2003 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference. [S.l.]: IEEE, 2003:231-234.

[11] 張巍. DWDM波長分配表[EB/OL]. [2021-03-15]. https://wenku.baidu.com/u/zw15369_1?from=wenku.

[12] HAMP M J, WRIGHT J, HUBBARD M, et al. Investigation into the temperature dependence of chromatic dispersion in optical fiber[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2002, 14(11): 1524-1526.

Influence of temperature on bidirectional delay fluctuation difference of WDM time-frequency transmission

TAN Xiaorong1,2, XU Jiangning1, CHEN Ding1,2, LIANG Yifeng1, WU Miao1

（1. College of Electrical Engineering, Chinese People’s Liberation Army Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Electronic and Information Engineering, Jiujiang University, Jiujiang, Jiangxi 332005, China）

For the sake of making clear the specific influence of bidirectional wavelength selection on time delay asymmetry when the temperature changes, this paper utilized the relationship model between transmission delay and temperature to simulate the bidirectional delay fluctuation difference when multiple groups of adjacent wavelengths were selected for bidirectional time-frequency transmission simulation in Wavelength Division Multiplexing (WDM) system. The result showed that choosing any two adjacent wavelengths in the conventional band for bidirectional transmission, the minimum value of bidirectional delay fluctuation difference was 0.04 fs/km and the maximum value was 0.0634 fs/km when the temperature change was the largest in one day. The data can provide a reference for the study of transmission delay compensation and dispersion compensation methods in long-distance and high-precision time-frequency systems and the selection of bidirectional transmission wavelength in WDM systems.

wavelength division multiplexing; time-frequency transmission; transmission delay; delay fluctuation

P228

A

2095-4999(2021)06-0050-06

譚小容，許江寧，陳丁，等. 溫度對波分復用時頻傳輸雙向時延波動差的影響[J]. 導航定位學報, 2021, 9(6): 50-55.（TAN Xiaorong, XU Jiangning, CHEN Ding, et al. Influence of temperature on bidirectional delay fluctuation difference of WDM time-frequency transmission[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(6): 50-55.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210608.

2021-03-15

國家自然科學基金項目（41804076）；湖北省自然科學基金項目（2018CFB544）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0501700，2016YFB0501701）；九江學院科研課題項目（2014SKYB009）。

譚小容（1976—），重慶人，博士研究生，講師，研究方向為PNT體系守時授時。

吳苗（1978—），江蘇南京人，博士，副教授，研究方向為國家綜合PNT體系守時授時。