全洪雷，薛文祥，趙文宇，邢燕，姜海峰，劉濤，張首剛

國(guó)家授時(shí)中心高精度光纖微波頻率傳遞研究進(jìn)展

全洪雷1,2,3，薛文祥1,2，趙文宇1,2,3，邢燕1,2，姜海峰1,2,3，劉濤1,2,3，張首剛1,2,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離用戶(hù)間的高精度頻率信號(hào)同步，以及滿(mǎn)足高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的建設(shè)需求，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心開(kāi)展了高精度光纖微波頻率傳遞研究。利用微波相位補(bǔ)償方案，在112 km實(shí)地光纖上實(shí)現(xiàn)了高精度微波頻率傳遞，獲得了4.2×10-15@1s和1.6×10-18@1d的傳遞穩(wěn)定度。與光學(xué)相位補(bǔ)償方案相比微波相位補(bǔ)償方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，更加廉價(jià)，更適合大規(guī)模的工程建設(shè)。結(jié)合地基授時(shí)系統(tǒng)的長(zhǎng)距離光纖微波頻率的傳遞需求，基于同樣的微波相位補(bǔ)償方案，搭建了3套單段100 km的光纖微波頻率傳遞系統(tǒng)，在300 km的光纖卷軸上進(jìn)行了級(jí)聯(lián)傳遞實(shí)驗(yàn)，獲得了1.1×10-14@1s和6.8×10-18@105s的傳遞穩(wěn)定度，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的建設(shè)有著支撐作用。

光纖；微波頻率；頻率傳遞；穩(wěn)定度

0 引言

高精度頻率信號(hào)遠(yuǎn)距離傳遞在基礎(chǔ)物理研究[1]、射電天文觀測(cè)[2-3]、時(shí)間頻率計(jì)量[4]等領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。目前進(jìn)行高精度頻率信號(hào)的傳遞方式主要有：基于衛(wèi)星鏈路的衛(wèi)星共視[5]、衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞[6-8]，以及基于光纖鏈路的頻率信號(hào)傳遞。雖然基于衛(wèi)星鏈路的時(shí)間頻率傳遞距離可以達(dá)到數(shù)千km，可以用于洲際間傳遞，但易受大氣擾動(dòng)，衛(wèi)星軌道波動(dòng)等因素的影響，基于衛(wèi)星鏈路的傳遞手段抗干擾性較差。而基于光纖鏈路的頻率信號(hào)傳遞借助于光纖介質(zhì)的損耗低、抗干擾性強(qiáng)、可持續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的頻率傳遞。在過(guò)去的二十年中，基于光纖的時(shí)間頻率傳遞引起了世界各國(guó)的廣泛研究[7]。目前，歐洲已經(jīng)建成泛歐的光纖時(shí)頻傳遞網(wǎng)絡(luò)[9-12]，我國(guó)也啟動(dòng)了覆蓋全國(guó)的基于實(shí)地通訊光纖的時(shí)間頻率傳遞網(wǎng)絡(luò)建設(shè)（國(guó)家十三五重大科技基礎(chǔ)設(shè)施—高精度地基授時(shí)系統(tǒng)）。

基于光纖的頻率信號(hào)傳遞方法，可以根據(jù)所傳遞的信號(hào)種類(lèi)分為光頻傳遞、光學(xué)頻率梳信號(hào)傳遞和微波信號(hào)傳遞。光纖光頻傳遞可以實(shí)現(xiàn)1×10-20@104s的傳遞穩(wěn)定度[11-13]，滿(mǎn)足光鐘頻率信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳遞，但所傳遞的是光學(xué)頻率無(wú)法被電子學(xué)設(shè)備直接使用，通常需要借助于光學(xué)頻率梳。光纖光學(xué)頻率梳傳遞具有同時(shí)傳遞光頻信號(hào)與微波信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)[14-15]，但使用時(shí)會(huì)受限于光學(xué)頻率梳的高成本。光纖微波頻率傳遞利用微波頻率信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制到載波激光上，通過(guò)光纖傳遞到遠(yuǎn)端。目前，廣泛應(yīng)用的原子頻標(biāo)都工作在微波頻段，而且微波信號(hào)也可以被電子學(xué)設(shè)備直接使用，所以光纖微波頻率傳遞具有廣泛的應(yīng)用需求。根據(jù)對(duì)光纖鏈路噪聲的補(bǔ)償原理不同，基于光纖的微波頻率傳遞可以分為：光學(xué)相位補(bǔ)償與微波相位補(bǔ)償兩類(lèi)。光學(xué)相位補(bǔ)償是通過(guò)光纖拉伸器與溫控光纖卷軸同時(shí)作用，控制信號(hào)光在光纖鏈路中的傳輸時(shí)延，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖鏈路的附加擾動(dòng)噪聲的補(bǔ)償。2006—2010年法國(guó)巴黎天文臺(tái)基于光學(xué)相位補(bǔ)償原理，在86 km實(shí)地通信光纖上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究[13, 16-17]，在2010年實(shí)現(xiàn)傳遞穩(wěn)定度為1×10-15@1 s和2×10-19@1 d的9.15 GHz微波頻率信號(hào)傳遞[17]。2020年中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心基于光學(xué)相位補(bǔ)償原理，實(shí)現(xiàn)10 GHz頻率信號(hào)50 km傳遞，穩(wěn)定度為4.38×10-15@ 1 s和2.80×10-18@ 65.5×103s[18]。而微波相位補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)整發(fā)射信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖鏈路噪聲的補(bǔ)償。2012年清華大學(xué)—中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組利用微波相位補(bǔ)償方案，在80km光纖上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定度為7×10-15@1s和 5.3×10-19@1d的9.1 GHz微波頻率信號(hào)傳遞[19]。但無(wú)論采用哪種補(bǔ)償方式，單段光纖微波頻率傳遞的噪聲補(bǔ)償帶寬會(huì)隨著傳遞距離的增加而減小，解調(diào)的傳遞信號(hào)信噪比也隨著傳遞的距離的增加而降低。所以對(duì)于超長(zhǎng)距離的微波頻率傳遞，需要將光纖鏈路分割成多段鏈路，進(jìn)行級(jí)聯(lián)傳遞。在實(shí)際應(yīng)用中，如果多個(gè)遠(yuǎn)端用戶(hù)呈線(xiàn)性分布，采用級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行頻率傳遞，還可以同時(shí)為多個(gè)用戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。2010年日本國(guó)家信息與通信研究院在204 km城市光纖上進(jìn)行級(jí)聯(lián)微波頻率傳遞實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)定度為6× 10?14@1 s和5×10?17@1d[20]。2015年清華大學(xué)利用基于微波相位補(bǔ)償?shù)膫鬟f設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室光纖上實(shí)現(xiàn)了145 km的級(jí)聯(lián)傳遞，穩(wěn)定度為1.3×10?14@ 1 s和4.1×10?17@ 104s[21]。2016年上光所基于光學(xué)相位補(bǔ)償在京滬光纖干線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)了430 km的級(jí)聯(lián)傳遞，穩(wěn)定度為1.02×10?13@ 1 s和8.24×10?17@ 104s[22]。由于光學(xué)相位補(bǔ)償需要同時(shí)使用光纖拉伸器與溫控光纖卷軸，以及光纖溫控卷軸的體積較大。在進(jìn)行多段傳遞設(shè)備級(jí)聯(lián)傳遞時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜繁瑣。相比于光學(xué)相位補(bǔ)償方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的微波相位補(bǔ)償方案更適合于級(jí)聯(lián)傳遞，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離微波頻率傳遞。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心針對(duì)高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的建設(shè)需要，也開(kāi)展了基于微波相位補(bǔ)償?shù)募?jí)聯(lián)光纖微波頻率長(zhǎng)距離傳遞研究。

本文將介紹國(guó)家授時(shí)中心在光纖微波頻率傳遞方面的研究工作進(jìn)展，包括光纖微波頻率傳遞系統(tǒng)的研制，單段112 km光纖微波頻率傳遞實(shí)驗(yàn)[23]，以及利用實(shí)驗(yàn)室光纖進(jìn)行300 km級(jí)聯(lián)光纖微波頻率傳遞實(shí)驗(yàn)[24]。

1 傳遞系統(tǒng)基本原理

當(dāng)頻率信號(hào)沿光纖鏈路傳遞時(shí)，由于外界的機(jī)械振動(dòng)與溫度變化的影響使標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的相位噪聲惡化，降低了傳遞穩(wěn)定度。為了實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的高精度傳遞，通常使信號(hào)沿著相同的光纖鏈路往返傳遞一次，并假定往返傳遞所需的時(shí)延相同。傳遞系統(tǒng)在本地端通過(guò)比較往返傳遞信號(hào)的相位變化，獲得單向傳遞時(shí)光纖鏈路所引入的相位擾動(dòng)，并在本地端利用鎖相環(huán)對(duì)光纖引入的相位擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，使遠(yuǎn)端用戶(hù)獲得穩(wěn)定的頻率信號(hào)。

注：PDRO為鎖相介質(zhì)諧振振蕩器（phase-lock dielectric resonance oscillator）；PD為光電探測(cè)器（photodetector）；DCF為色散補(bǔ)償光纖（dispersion compensation fiber）；PLL為鎖相環(huán)（phase locked loop）

圖1 傳遞系統(tǒng)基本原理

光纖鏈路的色散會(huì)使信號(hào)光展寬，進(jìn)而造成信號(hào)光所攜帶的微波信號(hào)相位發(fā)生改變，使光電探測(cè)器解調(diào)得到的微波信號(hào)時(shí)引入額外的噪聲，使傳遞穩(wěn)定度下降。為了避免光纖鏈路色散的影響，通常會(huì)在光纖鏈路中接色散補(bǔ)償光纖，引入與光纖鏈路色散量相等的負(fù)色散，以改善光電探測(cè)器解調(diào)的微波信號(hào)的相噪，提高傳遞穩(wěn)定度。

隨著傳遞距離的增加，光纖鏈路的衰減使遠(yuǎn)端解調(diào)得到的微波信號(hào)的信噪比下降，降低傳遞穩(wěn)定度。同時(shí)光纖頻率傳遞的控制帶寬受限于1/4（為光纖鏈路的傳輸時(shí)延），所以控制帶寬隨傳遞距離的增大而減小，造成對(duì)鏈路噪聲的補(bǔ)償能力下降。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖微波頻率傳遞，通常將多段傳遞系統(tǒng)級(jí)聯(lián)起來(lái)，即上一段傳遞系統(tǒng)的遠(yuǎn)端接收信號(hào)為下一段傳遞系統(tǒng)的參考信號(hào)，如圖2所示。這樣既可以保證遠(yuǎn)端探測(cè)得到的微波信號(hào)的信噪比，也可以提高鏈路噪聲的抑制能力。

圖2 級(jí)聯(lián)傳遞系統(tǒng)

2 單段112 km光纖微波頻率傳遞

根據(jù)上述原理我們將參考頻率選擇為4 GHz，發(fā)射頻率為10 GHz，搭建了一個(gè)10 GHz光纖微波頻率傳遞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示。我們利用該系統(tǒng)在國(guó)家授時(shí)中心臨潼本部—西安導(dǎo)航試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)間的實(shí)地通信光纖上進(jìn)行微波頻率傳遞實(shí)驗(yàn)。一般實(shí)地光纖鏈路損耗較大，經(jīng)測(cè)試，臨潼本部—西安導(dǎo)航試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)—臨潼本部112 km的光纖鏈路總衰減達(dá)到36 dB（折合約0.32 dB/km），大于光纖的標(biāo)稱(chēng)值22.4 dB（0.2 dB/km）。為提高信噪比，我們?cè)谖靼矊?dǎo)航試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)接入一個(gè)雙向摻鉺光纖放大器（EDFA），其增益約為15 dB。

在本地端10 GHz PDRO產(chǎn)生10 GHz發(fā)射信號(hào)，并通過(guò)馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM），將發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制到波長(zhǎng)為1 547.71 nm的載波激光上，經(jīng)光纖發(fā)送到遠(yuǎn)端。在遠(yuǎn)端將該微波信號(hào)利用PD解調(diào)出來(lái)并4分頻（HMC365）后，調(diào)制到波長(zhǎng)為1 548.51 nm的載波激光上回傳到本地端。在本地端進(jìn)行鏈路噪聲測(cè)量，并利用鎖相環(huán)控制微波發(fā)射信號(hào)相位對(duì)鏈路噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，使遠(yuǎn)端獲得穩(wěn)定的頻率信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，我們將發(fā)射端激光波長(zhǎng)設(shè)為1 547.71 nm，接收端激光波長(zhǎng)設(shè)為1 548.51nm；使發(fā)射端與接收端的激光波長(zhǎng)略微差開(kāi)0.8 nm，以避免相干瑞利散射的影響。在112 km的光纖鏈路（SM-28e）中總色散量為：112 km×17 ps/（nm·km），長(zhǎng)距離光纖鏈路的色散會(huì)使信號(hào)光展寬，使PD解調(diào)的微波信號(hào)的信噪比下降，降低傳遞穩(wěn)定度。為了降低色散的影響，在光纖鏈路中接入與112 km光纖鏈路色散量對(duì)應(yīng)的負(fù)色散補(bǔ)償光纖，對(duì)光纖鏈路的色散進(jìn)行補(bǔ)償，改善接收信號(hào)的相噪，提高傳遞的穩(wěn)定度。色散補(bǔ)償光纖的損耗約為10 dB，因此我們?cè)诎l(fā)射端與112 km光纖鏈路間接入另一個(gè)雙向摻鉺光纖放大器（EDFA）以對(duì)光的衰減進(jìn)行補(bǔ)償。

注：LNA為低噪聲放大器；Bi-EDFA為雙向摻鉺光纖光放大器；EDFA為單向摻鉺光纖光放大器；PD為光電探測(cè)器

為了評(píng)估該傳遞系統(tǒng)的性能，我們測(cè)量遠(yuǎn)端復(fù)現(xiàn)的10 GHz信號(hào)相對(duì)于本地端4 GHz參考信號(hào)在時(shí)域中的穩(wěn)定度—用Allan方差來(lái)表征。在頻域中測(cè)量遠(yuǎn)端10 GHz信號(hào)相對(duì)于本地端4 GHz參考信號(hào)的剩余相位噪聲。

自由鏈路和補(bǔ)償鏈路剩余噪聲如圖4所示，其中曲線(xiàn)（a）為遠(yuǎn)端10 GHz接收信號(hào)相對(duì)于本地端10 GHz發(fā)射信號(hào)的剩余相位噪聲，該曲線(xiàn)可以直接反應(yīng)出112 km自由光纖鏈路的噪聲情況。曲線(xiàn)（b）為112 km補(bǔ)償鏈路的剩余相位噪聲。曲線(xiàn)（c）為0 km光纖鏈路（利用光纖衰減器代替實(shí)際光纖鏈路）補(bǔ)償后的剩余噪聲，可以反映傳遞系統(tǒng)所能補(bǔ)償?shù)臉O限。曲線(xiàn)（b）與（c）在1～100 Hz處的噪聲相當(dāng)，說(shuō)明系統(tǒng)可以很好地對(duì)鏈路噪聲進(jìn)行補(bǔ)償。

圖4 112 km傳遞剩余相位噪聲

圖5中的圓點(diǎn)曲線(xiàn)（a）展示了10 GHz傳遞系統(tǒng)在112 km光纖上所獲得的傳遞穩(wěn)定度，穩(wěn)定度為4.2×10-15@1 s和1.6×10-18@1 d。方塊曲線(xiàn)（b）為自由鏈路運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將10 GHz標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)直接經(jīng)光纖發(fā)送到遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)端接收的10 GHz信號(hào)相對(duì)于本地端10 GHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的穩(wěn)定度。為了確定系統(tǒng)的傳遞穩(wěn)定度極限，通常利用光纖衰減器來(lái)代替光纖鏈路，以達(dá)到無(wú)鏈路噪聲引入的條件。三角曲線(xiàn)（c）為利用光纖衰減器代替光纖鏈路的傳遞系統(tǒng)底噪。系統(tǒng)的112 km傳遞穩(wěn)定度與系統(tǒng)的底噪的短期穩(wěn)定度有著很好的吻合。實(shí)驗(yàn)中由于本地端與遠(yuǎn)端均位于同一間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，本地端的10 GHz發(fā)射信號(hào)的相位處于不斷的變化中，由于微波泄露使發(fā)射信號(hào)泄漏到測(cè)試模塊中，形成信號(hào)串?dāng)_，使112 km的長(zhǎng)期傳遞穩(wěn)定度惡化。同時(shí)室外溫度的波動(dòng)使光纖鏈路的折射率處于變化中，而由于往返傳遞的信號(hào)光的波長(zhǎng)不同導(dǎo)致，往返傳遞的信號(hào)存在一定的時(shí)延差使長(zhǎng)期穩(wěn)定度變差。兩者共同作用使112 km的傳遞穩(wěn)定度高于系統(tǒng)的傳遞底噪。

圖5 112 km傳遞穩(wěn)定度

我們將法國(guó)巴黎天文臺(tái)（LNE-SYRTE）、清華大學(xué)（THU）已報(bào)道的成果總結(jié)在表1中。我們傳遞的頻率是較高的10 GHz可以獲得很好的鑒相分辨率，同時(shí)我們往返傳遞信號(hào)采用不同的頻率可以很好地避免寄生反射的影響。所以我們獲得了很好的短期穩(wěn)定度。長(zhǎng)期穩(wěn)定度主要受限于載波激光波長(zhǎng)差造成的往返傳遞時(shí)延不對(duì)稱(chēng)，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)光纖鏈路的折射率也隨溫度變化，使往返傳遞的時(shí)延差出現(xiàn)波動(dòng)，使長(zhǎng)期穩(wěn)定度下降。這種由于光纖鏈路色散引起的往返傳遞時(shí)延差的波動(dòng)，可以通過(guò)減小往返載波激光的波長(zhǎng)進(jìn)行改善。由于該傳遞系統(tǒng)具有避免寄生發(fā)射影響的能力，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，非常適合在情況復(fù)雜多變的城市通信光纖上進(jìn)行微波頻率傳遞。

表1 單段傳遞系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)比

3 300 km光纖微波頻率級(jí)聯(lián)傳遞實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)傳遞，我們根據(jù)上述原理搭建了兩套9 GHz傳遞系統(tǒng)，與上述112 km傳遞實(shí)驗(yàn)中所用的10 GHz傳遞系統(tǒng)，共同進(jìn)行光纖微波頻率級(jí)聯(lián)傳遞實(shí)驗(yàn)。根據(jù)鎖相關(guān)系9 GHz傳遞系統(tǒng)的參考頻率為3.6 GHz。將3套傳遞設(shè)備以如圖6所示的順序先后級(jí)聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)3段級(jí)聯(lián)微波頻率傳遞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖6 級(jí)聯(lián)300 km光纖微波頻率傳遞

根據(jù)鎖相原理，經(jīng)過(guò)第一段10 GHz傳遞系統(tǒng)在遠(yuǎn)端1獲得10 GHz頻率信號(hào)。而第二段9 GHz傳遞系統(tǒng)卻需要3.6 GHz參考信號(hào)。于是需要在遠(yuǎn)端1與本地端2之間加入一個(gè)10 GHz轉(zhuǎn)3.6 GHz低噪聲頻率轉(zhuǎn)換模塊如圖7（a）所示。遠(yuǎn)端1的10 GHz信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)諧波豐富的十分頻器分頻后功分兩路，其中一路利用4 GHz帶通濾波器，選擇出4 GHz諧波；另一路利用2 GHz帶通濾波器選擇出2 GHz諧波，隨后將2 GHz進(jìn)行5分頻，得到400 MHz信號(hào)。該400 MHz信號(hào)與4GHz信號(hào)進(jìn)行混頻得到3.6 GHz信號(hào)，隨后該3.6 GHz利用低噪聲放大器放大后輸入到9 GHz傳遞系統(tǒng)中。同理遠(yuǎn)端2與本地端3之間也需要一個(gè)9 GHz轉(zhuǎn)3.6 GHz低噪聲頻率轉(zhuǎn)換模塊，如圖7（b）所示。首先將遠(yuǎn)端2接收到的9 GHz標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，利用一個(gè)諧波豐富的9分頻器進(jìn)行分頻，并利用3.6 GHz帶通濾波器篩選出3.6 GHz諧波，利用低噪聲放大器放大后將3.6 GHz輸入到第3段9 GHz光纖微波頻率傳遞系統(tǒng)中。

兩個(gè)低噪聲頻率轉(zhuǎn)換模塊的附加噪聲屬于系統(tǒng)的環(huán)外噪聲，不能被系統(tǒng)中的噪聲補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)補(bǔ)償?shù)?。因此兩個(gè)低噪聲頻率轉(zhuǎn)換模塊的附加噪聲要盡可能的小，否則將會(huì)對(duì)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的傳遞穩(wěn)定度造成很大的影響。為了使頻率轉(zhuǎn)換模塊噪聲盡可能低，在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵循了4個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則：① 避免大系數(shù)分頻；② 減少頻率變換的次數(shù)；③ 選用低噪聲芯片；④ 盡可能使變換模塊小型化。每種低噪聲頻率轉(zhuǎn)換模塊我們均制作了兩個(gè)，并將同源的10 GHz或者9 GHz參考信號(hào)，輸入到頻率轉(zhuǎn)換模塊中，利用與2中相同的鑒相電壓穩(wěn)定度測(cè)量法測(cè)量輸出3.6 GHz的頻率穩(wěn)定度，如圖7（b）所示。

圖7 低噪聲頻率轉(zhuǎn)換模塊

為了評(píng)估級(jí)聯(lián)光纖微波頻率傳遞系統(tǒng)的性能，我們同樣采用外差法測(cè)量法測(cè)試了級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的傳遞穩(wěn)定度。我們?cè)?00 km級(jí)聯(lián)傳遞系統(tǒng)穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試，也測(cè)量了級(jí)聯(lián)傳遞系統(tǒng)中每個(gè)單段傳遞系統(tǒng)的傳遞穩(wěn)定度，如圖8（a）所示。第一段與第三段的短期傳遞穩(wěn)定度都可以達(dá)到4×10-15@1s量級(jí)，由于3個(gè)單段的傳遞設(shè)備的一致性不是很好，造成三段傳遞穩(wěn)定度曲線(xiàn)下降斜率不一致，第二段的傳遞實(shí)驗(yàn)中由于沒(méi)有使用色散補(bǔ)償光纖，造成第二段傳遞的穩(wěn)定度較差。10～3.6 GHz低噪聲頻率轉(zhuǎn)換模塊（low noise frequency conversion 1，F(xiàn)C1）的穩(wěn)定度達(dá)到3.9×10-15@1 s，其穩(wěn)定度主要受限于相對(duì)較多的頻率變換次數(shù)。9～3.6 GHz的低噪聲頻率轉(zhuǎn)換模塊（low noise frequency conversion 2，F(xiàn)C2）的穩(wěn)定度為1.5×10-15@1s優(yōu)于單段光纖微波頻率傳遞系統(tǒng)。但由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度波動(dòng)，造成頻率轉(zhuǎn)換模塊的穩(wěn)定度曲線(xiàn)在200 s處出現(xiàn)變平。如圖8（b）所示。

圖8 級(jí)聯(lián)傳遞系統(tǒng)的傳遞穩(wěn)定度

圖9展示了測(cè)量的300 km級(jí)聯(lián)的傳遞穩(wěn)定度，1.1×10-14@ 1 s和6.8×10-18@105s（方塊曲線(xiàn)）。

圖9 300 km級(jí)聯(lián)傳遞穩(wěn)定度

根據(jù)級(jí)聯(lián)傳遞穩(wěn)定度與傳遞系統(tǒng)內(nèi)各部分的穩(wěn)定度關(guān)系：

表2 級(jí)聯(lián)傳遞系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)比

我們將近年來(lái)已報(bào)道的日本國(guó)家信息與通信研究院（NICT）、清華大學(xué)（THU）和上海光學(xué)與精密機(jī)械研究所（SIOM）的級(jí)聯(lián)傳遞研究成果總結(jié)在表2中。級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中每一級(jí)的傳遞頻率為10 GHz或者9 GHz以保證鑒相分辨率，每一級(jí)均采用不同頻率的往返傳遞信號(hào)以保證系統(tǒng)對(duì)各種光纖鏈路條件的適應(yīng)性。相比于光學(xué)相位補(bǔ)償方案，我們采用通用的PDRO作為鏈路噪聲的補(bǔ)償器件，可以使實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，成本更加低廉，非常適合地基授時(shí)系統(tǒng)中大規(guī)模光纖微波頻率傳遞網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的工程應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文介紹了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心在光纖微波頻率傳遞方面的進(jìn)展。利用研制的10 GHz光纖微波頻率傳遞設(shè)備在112 km實(shí)地光纖上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了4.2×10-15@1 s和1.6×10-18@1 d的傳遞穩(wěn)定度?；谕瑯拥膶?shí)驗(yàn)原理，搭建了3套微波頻率傳遞系統(tǒng)，并在300 km的實(shí)驗(yàn)室光纖上進(jìn)行了級(jí)聯(lián)傳遞實(shí)驗(yàn)，獲得了1.1×10-14@1 s和6.8×10-18@105s。傳遞系統(tǒng)可以很好地避免鏈路上寄生反射的影響，具有較好的光纖鏈路適應(yīng)性，可以在連接點(diǎn)較多的、衰減較大的復(fù)雜光纖鏈路上開(kāi)展傳遞實(shí)驗(yàn)，可靠性較高。相比于光學(xué)相位補(bǔ)償方案，我們的傳遞系統(tǒng)采用微波相位補(bǔ)償方案，傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模的工程應(yīng)用，高精度地基授時(shí)系統(tǒng)中光纖微波頻率傳遞分系統(tǒng)的建設(shè)工作將以上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)展開(kāi)。

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Progress of high-resolution fiber-based microwave frequency dissemination in NTSC

QUAN Hong-lei1,2,3, XUE Wen-xiang1,2, ZHAO Wen-yu1,2,3, XING Yan1,2,JIANG Hai-feng1,2,3, LIU Tao1,2,3, ZHANG Shou-gang1,2,3

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

In order to achieve the synchronization of the high-precision frequency signal between the long-distance users and meet construction needs of the High-precision Ground-based Time ServiceSystem, the National Time Service Center (NTSC) has carried out the research on fiber-based microwave frequency transmission. Based on microwave phase compensation, the single-stage microwave frequency dissemination experiment via a 112 km urban fiber was carried out, and an instability of 4.2×10-15at 1 s and 1.6×10-18at 1 d was achieved. Furthermore, a cascaded fiber-based microwave frequency dissemination experiment was carried out via 300 km fiber spools with three 100 km single-stage dissemination systems, exhibiting an instability of 1.1×10-14at1s and 6.8×10-18at 105s. Compared to the optical phase compensation scheme, the microwave phase compensation scheme is of sample structure and less pricy, and is thus more suitable for large-scale engineering construction. The results of this research are a good support for the construction of the High-precision Ground-based Time ServiceSystem.

fiber; microwave frequency; frequency dissemination; instability

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0255-11

全洪雷, 薛文祥, 趙文宇, 等. 國(guó)家授時(shí)中心高精度光纖微波頻率傳遞研究進(jìn)展[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(4): 255-265.

2021-04-28；

2021-07-09

中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃“西部青年學(xué)者”資助項(xiàng)目（29202082）