基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞*

陳法喜 趙侃 李立波? 郭寶龍

1) (西安電子科技大學,西安 710071)

2) (濟南量子技術研究院,濟南 250101)

時間傳遞不確定度是光纖時間傳遞系統的核心指標,商用通訊激光模塊波長的不一致和波長的漂移所引入的光纖色散效應是影響時間傳遞不確定度的主要因素.本文提出了一種基于激光波長跟蹤的高精度時間傳遞方法,在雙向同波分時方案基礎上,通過波長測量并利用雙層控溫保持了雙向波長的長期一致性,進而大幅改善了時間傳遞不確定度指標,該方法在長距離光纖時間傳遞系統中尤其重要.為了驗證該方法的可行性,在0.005,250,500,750 km 不同長度的實驗室光纖鏈路上進行了實驗驗證,時間同步偏差均優于5 ps,并在750 km 實驗室鏈路上實現了穩定度為4.7 ps@1 s,0.4 ps@4×104 s 和時間傳遞不確定度8.4 ps 的高精度時間傳遞,為遠距離高精度光纖時間傳遞工程奠定技術基礎.

1 引言

高精度時間頻率體系在導航定位、航空航天、大地測量、精密計量、深空探測、引力波探測等前沿科學研究和重大基礎設施中都發揮著舉足輕重的作用[1?4].目前時間頻率領域的研究飛速發展,冷原子微波原子鐘的天穩定度已達10–16量級[5],鍶原子光鐘穩定度達到2×10–17τ–1/2[6],τ為頻率穩定度的平均時間,鋁離子光鐘準確度達8.6×10–18[7].為了使高精度時間頻率基準的性能不在傳遞過程中惡化,時間頻率傳遞的精度必須比被傳遞的時頻基準高出一個量級以上.因此,如何提高時間傳遞精度,成為科學家們關注的重大課題之一.

由于光纖具有抗電磁干擾、受外界環境干擾較小、低損耗以及傳輸帶寬大等優勢,被認為是目前最適合用于高精度時間傳遞的工具.歐美發達國家一直以來都高度重視光纖授時技術的發展,并使光纖時間傳遞的指標得到大幅提升[8,9].光纖時間傳遞的主要指標包括時間傳遞的穩定度和準確度,穩定度描述傳遞引入的時間信號的附加抖動和漂移,一般用TDEV 表示;準確度描述傳遞引入的時間同步偏差,由于影響準確度的因素較多且難以全部直接測量,故通常采用不確定度表示.2013 年,波蘭克拉科夫AGH 科技大學在420 km 的實地光纖鏈路上獲得了優于112 ps 的時間傳遞不確定度[10].2020 年,?liwczyński 等[11]開展了激光波長穩定技術方面的研究,雖然提高了TDEV,但由于雙向激光頻率差異在12.5 GHz 左右,難以有效改善時間傳遞不確定度.2018 年法國巴黎天文臺和巴黎第二大學等機構為探索更高精度的光纖時間傳遞方案,采用一臺激光器模擬兩個異地光源的方法,驗證了在雙向激光波長差異極小的情況下,獲得更高時間傳遞性能指標的可能,并在86 km 實地城市光纖鏈路上,實現了4.2 ps@1 s和0.4 ps@1000 s的時間傳輸穩定度[12].該實驗僅進行了雙向時間比對,沒有對輸出時間進行補償,未能給出不確定度指標,但該方案為本文方案提供了一定的研究參考.國內多個研究小組在光纖時間傳遞領域陸續開展了研究,并取得了重要突破[13?18].上海交通大學在2020 年使用多波長波分復用的方案,在200 km鏈路上實現了時間傳遞不確定度為28 ps,TDEV為29.8 ps@1 s 和5.2 ps@1×104s 的長距離和多站點時間同步[19,20],但是色散對時間傳遞不確定度的影響依然未得到有效解決.2016 年,中國科學院上海光學精密機械研究所在430 km 的實際商用鏈路上采用同纖雙向波分復用的光纖授時方案,時間傳遞不確定度為94 ps[21].國家授時中心于2020 年在1085 km實地光纖鏈路中實現了5.4 ps@4×104s的TDEV 和63.5 ps 的不確定度[22].

影響長距離光纖時間傳遞不確定度的主要因素是雙向激光波長不一致導致雙向傳輸延時的不對稱性,從而引起時間傳遞的色散偏差.雙向同纖波分復用時間傳遞方案有效抑制了瑞利后向散射和接頭端面反射的影響,但是長達千公里的光纖鏈路上,色散參數不易精確測量并且光纖色散系數溫度漂移也難以抑制.目前國內外在長距離光纖時間傳遞中多采用雙向同纖同波時分復用方案來克服上述問題,該方案是采用相同標稱波長的激光以時分復用的方式進行兩地雙向時間比對,使雙向傳輸延時的不對稱性得到較好的抑制,但不同激光器的波長依然存在皮米量級的差異,且波長差異會隨溫度和老化等因素產生變化,產生幾十皮秒的偏差[15,23],使得時間傳遞的不確定度難以進一步提升.雖然可以采用超穩腔或原子光譜作為參考進行激光穩頻,但往往由于系統過于復雜,難以滿足長距離高精度光纖系統廣泛的工程應用需求.

為了解決這一問題并滿足工程應用需求,本文提出了一種基于激光波長跟蹤的高精度時間傳遞方法,在雙向同波分時方案基礎上,采用商用的通信激光模塊,經雙層控溫和波長跟蹤后保證了雙向波長的長期一致性.在雙向時間比對過程中,用本地端發出的激光作為參考光,系統中其他激光器跟蹤該參考光,并使雙向激光波長的差異足夠小且保持長期穩定,從而大幅減小雙向激光波長不一致引入的時間傳遞偏差.通過在實驗室對0.005,250,500,750 km 長度的光纖鏈路進行實驗驗證,結果表明采用激光波長跟蹤后不同長度光纖鏈路的時間傳遞偏差均優于5 ps,并在750 km 鏈路上獲得4.7 ps@1 s,0.4 ps@4×104s 的時間傳遞穩定度和8.4 ps 的不確定度,為遠距離高精度光纖時間傳遞工程奠定基礎.

2 基本原理及實驗裝置

2.1 基于雙向同波分時方案的光纖時間傳遞基本原理

基于雙向同波分時方案的光纖時間傳遞基本原理如圖1 所示,本地端和遠程端在不同的時段分別向對端發送各自的時間信號,確保在任意時段光纖鏈路上只有上行光或下行光在傳播.在本地端用事件計時器1 比對來自遠程端的時間信號與本地端時間信號,并將時間間隔值發送給遠程端;遠程端用事件計時器2 比對來自本地端的時間信號與遠程端時間信號,并根據事件計時器2 測得的時間間隔值和來自本地端的時間間隔值,控制時延補償器的時延補償量,使輸出的時間信號與輸入到本地端的時間信號精確同步.

圖1 雙向同波分時光纖時間傳遞原理Fig.1.Functional block diagram of bidirectional same-wave time division optical fiber time transfer.

由雙向時間比對的原理可計算出時延補償控制量為

其中,TLR和TRL分別為本地端與遠程端比對得到的時間間隔值,TDL為λ1波長的激光從本地端到遠程端的傳輸時延,TDR為λ2波長的激光從遠程端到本地端的傳輸時延.TLR和TRL由事件計時器直接測得,而TDL和TDR無法直接測量.在光纖時間傳遞系統中往往假設雙向傳輸時延對稱,即令TDL=TDR,則可以計算出鏈路時延的補償量,其表達式為TDA=(TLR-TRL)/2.但實際λ1λ2,即TDLTDR.此時,雙向傳輸時延存在不對稱性,引入時間傳遞的不確定度為

其中,D為光纖的色散系數,L為光纖鏈路的長度.根據(2)式可知,光纖時間傳遞距離越長,色散偏差問題越突出.

密集波分復用-小型可插拔(DWDM-SFP)通信光模塊內部使用的激光模塊存在波長老化問題,根據國際電信聯盟電信標準分局(ITU-T)的相關標準,波長長期漂移在10 pm 量級.例如在1000 km的光纖鏈路上,雙向激光波長漂移10 pm,色散系數D=17 ps/(km·nm),時間傳遞中色散偏差引入的不確定度約為85 ps;如果雙向激光波長差異減小到0.5 pm,則色散偏差引入的不確定度約為4 ps.由此可見保證雙向激光波長的長期一致性,對改善時間傳遞的不確定度有重要意義.

2.2 波長跟蹤原理

為了解決由于雙向激光波長不一致引入的時間傳遞色散偏差的問題,本文提出了激光波長跟蹤方法,通過拍頻測量兩束激光的波長差,采用控制被控激光器工作溫度的方法使其與參考激光信號波長保持足夠小的偏差,從而實現波長跟蹤,具體原理如圖2 所示.激光器LD1 的激光信號作為參考光,激光器LD2 的激光信號作為跟蹤光,LD1與LD2 的激光拍頻后由光電探測器轉換為電信號,再經過分頻器后使用頻率測量單元測量其頻差;運算控制單元根據頻差數據,自動精密控制激光管LD2 的工作溫度,使其波長λ2=λ1+Δλ,Δλ為波長差的設置值,從而實現波長自動跟蹤.

圖2 激光波長自動跟蹤原理框圖Fig.2.Functional block diagram of laser wavelength automatic tracking.

參考光信號受鏈路傳播過程的影響,偏振狀態不穩定,拍頻輸出電信號的功率存在起伏.本文結合自動增益控制技術和限幅放大技術,獲得50 dB的增益動態范圍,可將拍頻后信號轉換為幅度穩定的方波,便于分頻和頻率測量.

2.3 實驗裝置工作原理

基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞實驗裝置原理如圖3 所示,在本地端中,10 MHz 參考頻率信號經過10 倍頻后作為載波信號輸入到編碼器,對輸入的1 秒脈沖時間信號(1 pulse per second,1PPS)、時碼信息、比對時差數據,以及正在建立雙向比對的遠程端設備地址信息等進行編碼,編碼信號調制在激光上并由光學環形器耦合到光纖鏈路中,作為系統的下行光.來自遠程端的上行光信號通過光學環形器輸出到光電探測器,解調出正在進行雙向時間比對的遠程端的編碼信號,經過解碼器和時間再生輸出來自遠程端的時間信號,并通過事件計時器與本地端1PPS 信號進行比對.

圖3 基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞實驗裝置原理Fig.3.Schematic diagram of high-precision optical fiber time transfer experimental device based on laser wavelength tracking.

在遠程端,來自本地端的下行光經過光纖鏈路和中繼設備到光電探測器,解調出編碼信號,通過載波恢復得到載波信號.恢復出的載波信號與編碼信號一起輸入到解碼器中,得到來自本地端的幀頭脈沖信號、比對時差與時碼信息等數據,由此時間再生模塊再生出來自本地端的1PPS 信號.恢復出的載波信號和再生的時間信號經過時延補償模塊后,輸出補償過的1PPS 信號和頻率信號.事件計時器測量時延補償模塊輸出的1PPS 信號與時間再生輸出的1PPS 信號之間的時間差,完成遠程端的時間比對.運算控制器根據來自本地端的比對數據和遠程端測得的比對數據,控制時延補償模塊的延遲,使其輸出的1PPS 信號與本地端參考1PPS信號同步.同時,時延補償模輸出的頻率信號經過10 分頻后得到的10 MHz 信號也實現了對本地端的參考10 MHz 信號同步.

為了阻斷鏈路的光噪聲在級間的傳遞和累加,提高信噪比,中繼設備采用光-電-光(OEO)的方式.OEO 中繼部分同樣采用波長跟蹤技術,保證輸入與輸出的激光波長的差值足夠小且保持長期穩定,并通過合理設置各個中繼設備的跟蹤波長差值將雙向時間比對中各段鏈路的殘余的雙向時延不對稱誤差相互抵消.中繼設備通過增加分束器和光開關實現時分多址時間傳遞功能.下行光經過OEO 中繼后再經過分束器分兩路,90%的光經過光學環形器耦合到往下一個遠程端設備方向的光學鏈路中,10%的光輸入到位于該站點的遠程端設備的光電探測器中.

基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞系統工作時序如圖4 所示,一個控制周期TCTR內包含n次雙向比對進程和兩次波長跟蹤進程,每個遠程端在一個控制周期內都完成一次雙向時間比對.為了保證各個激光波長的精確跟蹤,激光波長跟蹤進程中激光器都處于無調制狀態,即斷開本地端和遠程端設備內的調制開關.

圖4 基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞系統工作時序圖Fig.4.Working sequence diagram of high-precision optical fiber time transfer system based on laser wavelength tracking.

本地端閉合光開關發送下行光信號,并通過下行光信號控制鏈路上的中繼設備閉合其內部的下行光信號光開關,從而使每個遠程端設備都可以接收到下行光,此時中繼設備內的上行光選擇開關保持關斷.下行光信號中包含下一進程中參與雙向比對的遠程端設備的地址信息.各個遠程端設備內的事件計時模塊比對來自本地端的時間信號與各自內部的守時模塊保持的時間信號.本地端關斷輸出下行光信號的光開關,進入下一進程.此時,參與雙向比對的遠程端將上行光選擇開關切換到該節點的輸出光信號上,參與雙向時間比對,其余中繼設備內的上行光開關切換到來自下一個遠程端的光信號上,起到中繼的作用,使上行光信號到達本地端.本地端的事件計時模塊依次比對來自各個遠程端的時間信號與本地端輸入的時間信號,并將雙向比對數據在下一個進程中發送到各個遠程端.遠程端設備內的運算控制器根據雙向比對數據,控制其內部的時延補償模塊的延遲,使遠程端的輸出時間信號與輸入本地端的時間信號同步,從而實現高精度光纖時間傳遞.

3 實驗測試與數據分析

3.1 波長跟蹤實驗

為了驗證激光波長跟蹤性能,本文設計了雙層恒溫外調制激光器,搭建了激光波長自動跟蹤實驗裝置,進行了激光波長跟蹤實驗測試.激光波長跟蹤實驗裝置如圖5 所示,波長計用于監測激光器LD1 和LD2 的波長λ1和λ2,頻率計數器實時記錄拍頻光信號分頻前的頻率用于觀察兩個波長的相對偏差.經過實驗測試,自行研制的雙層恒溫外調制激光器波長穩定度可以優于0.04 pm,激光管工作溫度設定為20 ℃,波長設置在2 nm 左右.實驗中將波長差 Δλ設置為0.5 pm,即拍頻信號目標頻率設定為62.5 MHz.雖然波長差值越小,引入的時間傳遞的色散偏差越小,但要保證系統運行過程中不會因為激光線寬和短期穩定度的影響導致拍頻信號正負極性的變化,引起波長跟蹤錯誤.

圖5 激光波長自動跟蹤實驗裝置圖Fig.5.Experimental device diagram of laser wavelength automatic tracking.

實驗開始時,用波長計測得波長λ1的10 s 平均值為1542.921613 nm.隨后,波長跟蹤控制模塊通過改變LD2 激光管工作溫度,在±2 ℃范圍掃描拍頻信號,找到波長差正負極性的正確工作溫度,然后啟動波長自動跟蹤.待系統穩定后用波長計測得波長λ2的10 s 平均值為1542.921118 nm,說明波長跟蹤功能正常.經過近24 h 測試,波長相對抖動如圖6(a)所示,其標準差λSTD=55 fm.激光波長跟蹤相對穩定度如圖6(b)所示,長期相對穩定度優于5 fm@1×104s,保證了兩個激光器波長差值長期穩定保持在0.5 pm 左右.

圖6 激光波長跟蹤測試結果 (a) 波長跟蹤抖動;(b) 波長跟蹤穩定度Fig.6.Laser wavelength tracking test results: (a) Wavelength tracking jitter;(b) wavelength tracking stability.

3.2 基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞實驗

基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞方案的測試系統,如圖7 所示.測試系統包含1 個本地端設備、5 個中繼設備以及5 個遠程端設備.此外,共包含16 個標稱波長為1542.9 nm 的激光器,其中本地端設備1 個,每個中繼設備各2 個,每個遠程端設備各1 個.在實驗開始前,先用1 m 光纖和30 dB 衰減器代替長距離光纖鏈路,進行系統時延校準,以校正中繼設備和遠程端設備內部的系統時延偏差.

圖7 基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞測試系統Fig.7.High precision optical fiber time transfer test system based on laser wavelength tracking.

實驗測得系統中用到的16 個自行研制的激光器,未經波長校準時,波長存在±100 pm 左右的離散度.為了驗證激光波長跟蹤對時間傳遞的色散偏差的改善效果,先將下行光方向的6 個激光器的波長,經波長計校準后設置為1542.9 nm,上行光方向的10 個激光器的波長設置為1542.8 nm,關閉波長自動跟蹤功能,1 m 光纖和30 dB 衰減器連接各個節點,測試每個遠程端設備輸出的1PPS 時間信號的時延;同理用50 km 光纖加20 dB 衰減器、100 km 光纖加10 dB 衰減器、150 km 光纖連接各個節點,分別測試每個遠程端設備輸出的1PPS時間信號的時延,并記錄每次測試的數據.然后開啟激光波長跟蹤,重復上述實驗.激光波長跟蹤的波長差值設置如圖8 所示,由于連接每個節點的各段光纖的長度差異較小,遠程端2 號和4 號由雙向波長差異引入的色散偏差基本消除;遠程端1,3,5 號色散偏差殘差Tλerr=0.5Δλ·D·ΔL,ΔL只是一段光纖鏈路的長度,接入5 段150 km光纖時,Tλerr約為0.6 ps.接入不同長度光纖鏈路,在開啟激光波長自動跟蹤前后時間偏差數據見表1.激光波長跟蹤關閉時,由于色散偏差導致遠程端設備輸出的1PPS 信號產生了滯后,偏差值隨光纖鏈路長度的增加而增加,遠程端5 號在750 km 光纖上出現了569 ps 的偏差.激光波長自動跟蹤開啟后,色散偏差大大降低,在不同的光纖鏈路長度下每個遠程端設備偏差都在±5 ps 內.

圖8 測試系統波長跟蹤差值設置Fig.8.Wavelength tracking difference setting of test system.

表1 不同長度光纖鏈路開啟激光波長跟蹤前后時延值 (單位: ps)Table 1.Time delay before and after laser wavelength tracking for different length fiber links (in ps).

對基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞系統的穩定度進行測試,先用1 m 光纖和30 dB的衰減器連接各個節點,測試遠程端5 號輸出的1PPS 時間信號與輸入到本地端的1PPS 時間信號的時間間隔,并用計算機采集數據;再用150 km實驗室光纖連接各個節點,重復上述測試.實驗過程數據采集時間超過100 h,室溫變化約2 ℃.如圖9 所示,使用5 m 光纖時,遠程端5 的時間信號標準差為4.26 ps,TDEV 為4.2 ps@1 s,0.2 ps@4×104s;使用750 km 光纖鏈路時,標準差為5.81 ps,TDEV 為4.7 ps@1 s,0.4 ps@4×104s.使用實驗室750 km 光纖鏈路時長期穩定度有所惡化,主要原因是光纖鏈路一天內的時延變化約為60 ns,鏈路時延測量的非線性和溫度漂移不容忽視.

圖9 基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞系統穩定度測試結果 (a) 時間抖動;(b) 時間傳遞穩定度Fig.9.Stability test results of high-precision optical fiber time transfer system based on laser wavelength tracking: (a) Time jitter;(b) time transfer stability.

3.3 不確定度分析

基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞方案的不確定度主要因素為設備系統時延的溫度漂移誤差、時間間隔測量的誤差,而雙向激光波長差異引起的時間傳遞的色散偏差由于采用了激光波長跟蹤后得到有效抑制.偏振模色散也會對時間傳遞的不確定度產生影響,但可以通過在鏈路中加入擾偏器進行抑制,此處不討論.采用以下公式來評估系統的合成不確定度Uc:

其中,uDT為設備系統時延的溫度漂移引入的不確定度,uTIM為時間間隔測量不確定度,uΔλ為光纖色散偏差引入的不確定度,uΔD為光纖色散系數變化引入的不確定度.由于雙向時間比對過程中采用事件計時器模塊測量時間間隔,減小了系統時延的漂移問題,經過實驗測得設備系統時延的溫度系數約為2 ps/℃,實驗室室溫變化峰峰值約為2 ℃,該項引入約4 ps 的不確定度.時間間隔測量不確定度uTIM包括系統時延校準過程、本地端和遠程端設備在雙向時間比對時對鏈路傳輸時延的測量過程引入的誤差.系統時延校準過程采用時間間隔測量模塊進行測量,引入的不確定度約為6 ps;雙向時間比對過程采用事件計時器模塊進行測量,單個計時器模塊引入的不確定度約為3 ps,所以整個測量過程引入約7.3 ps 的不確定度.

雙向激光波長差異因引入的色散偏差對不確定度的影響可以從長期和短期兩個方面分析.長期不確定度uΔλ=0.5D·Δλ·ΔL,Δλ為雙向激光波長的差異,約為0.5 pm,D為光纖的色散系數,ΔL為色散偏差未被抵消的部分的光纖鏈路長度.短期不確定度主要受到每個激光器波動的影響,并隨著中繼級數的增加隨之增大.短期不確定度uΔλ=0.5D·λSTD·L·,其中n為中繼級數,λSTD為激光波動的標準差55 fm,L為光纖鏈路總長度.在實驗室750 km 光纖鏈路測試中,ΔL為150 km,長期不確定度約為0.6 ps,短期不確定度約為0.8 ps.由于光纖色散系數變化引入的不確定度uΔD=0.5Δλ·ΔD·ΔL,其中,ΔD為色散系數的變化量,色散系數的溫度漂移系數典型值為4.5 fs·(nm·km·℃)–1在750 km 的實驗室光纖測試中,光纖色散系數變化引起的誤差約為0.3 fs,可以忽略不計.

基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞方案主要的不確定度見表2,750 km 實驗室光纖鏈路的合成不確定度約為8.4 ps.基于激光波長跟蹤的高精度光纖時間傳遞方案的不確定度主要來自時間間隔測量的不確定度和設備溫度漂移引起的不確定度,而光纖鏈路的長度對不確定度的影響得到有效抑制.對于不同長度的光纖鏈路其時間傳遞不確定度理論計算結果如圖10 所示,可以看出在僅考慮設備系統時延的溫度漂移誤差、時間間隔測量的誤差和雙向激光波長差異這3 個因素的情況下,當鏈路長度達到4000 km 時,依然可獲得約12.8 ps 的時間傳遞不確定度.但在實地光纖鏈路中,需要進一步解決光纖鏈路鋪設引起的Sagnac效應與偏振模色散等影響因素,才可以得到接近理論分析的時間傳遞不確定度.

圖10 時間傳遞不確定與鏈路長度關系Fig.10.Relationship between time transfer uncertainty and link length.

表2 750 km 實驗室光纖時間傳遞不確定度Table 2.Uncertainty of 750 km optical fiber time transfer in laboratory.

4 結論

本文提出了一種基于激光波長跟蹤的高精度時間傳遞方法,解決了由于雙向激光波長不一致引入的時間傳遞的色散偏差的科學問題.通過在實驗室使用0.005,25,500,750 km 不同長度的光纖鏈路驗證了其可行性,不同長度光纖鏈路的時間同步偏差均優于5 ps,在750 km 鏈路上時間傳遞穩定度分別為4.7 ps@1 s,0.4 ps@4×104s,不確定度為8.4 ps.在光纖時間傳遞工程應用中,可通過優化系統工作時序,減少遠程端時間保持時長,進一步提高光纖時間傳遞精度,為實現遠距離高精度光纖時間傳遞工程奠定基礎.