應康 桂有珍 孫延光? 程楠 熊曉鋒王家亮 楊飛 蔡海文

1) (中國科學院上海光學精密機械研究所,中國科學院空間激光信息傳輸與探測技術重點實驗室,上海 201800)

2) (中國科學院上海光學精密機械研究所,中國科學院量子光學重點實驗室,上海 201800)

(2018 年11 月11 日收到; 2019 年1 月9 日收到修改稿)

針對沙漠環(huán)境實地鏈路存在的溫度變化大、室外風力、地表振動等多種復雜噪聲來源,通過對系統(tǒng)反饋補償帶寬、反饋補償強度、光功率等時頻傳遞系統(tǒng)關鍵參數(shù)的優(yōu)化配置,研究了不同反饋補償參數(shù)下復雜鏈路噪聲的有效抑制技術. 全鏈路的頻率傳遞穩(wěn)定度8 × 10–14@1 s,1 × 10–16@1000 s,千秒尺度下時間信號傳遞的時間方差僅為1.2 ps. 實現(xiàn)了氫鐘信號在200 km 量級沙漠環(huán)境實地鏈路的無損傳輸. 該驗證實驗在基于短基線干涉測量的衛(wèi)星測軌系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用.

1 引 言

隨著現(xiàn)代原子鐘技術的不斷進步,商用化的氫鐘秒穩(wěn)定度已經(jīng)達到10?13量級,而近年來隨著光鐘技術的飛速發(fā)展,其精度達到了10–19量級[1?8].隨著鐘源技術的發(fā)展,采用傳統(tǒng)的基于衛(wèi)星的時頻傳遞手段,例如全球定位系統(tǒng)(GPS)共視、雙向衛(wèi)星比對等,由于受大氣環(huán)境的影響,已不能完全滿足目前的應用需求[9?11],并且該方法只能通過長時間的平均來獲得頻率性能,很難在秒級時間尺度上提供良好的短期穩(wěn)定性. 而在基線干涉測量、深空探測等應用領域,需要各觀察站之間的時頻信號的高精度同步[12]. 因此,研究室外復雜實地鏈路環(huán)境下的高精度時頻同步技術,構建高精度時頻同步系統(tǒng)顯得至關重要.

近年來,由于光纖具有低損耗、抗電磁干擾、高穩(wěn)定性等特征,基于光纖的時頻傳遞技術發(fā)展迅速,相關研究結果已經(jīng)證實了該方法能實現(xiàn)比傳統(tǒng)衛(wèi)星傳遞方式更高的時頻傳遞精度,得到國內(nèi)外同行的廣泛重視. 國際上,法國和波蘭的研究工作者先后報道了在商用鏈路上的射頻信號傳遞[13,14]; 德國的研究工作者實現(xiàn)了光頻信號在1840 km 光纖上的穩(wěn)相傳輸[15]. 在國內(nèi),本研究組通過波分復用的方式實現(xiàn)了氫鐘頻率信號和秒脈沖信號的同時傳遞,通過兩級級聯(lián)方式實現(xiàn)了430 km 長距離實驗驗證[16,17]; 清華大學相關研究組實現(xiàn)了時間頻率共同傳遞并實現(xiàn)了50 ps 的時間傳遞精度[18]. 然而,長距離實際光纖鏈路的環(huán)境要比實驗室鏈路復雜得多,特別是沙漠光纖鏈路存在溫度變化大、室外風力、地表振動等多種復雜噪聲來源. 實際鏈路中由于線路老化、租用的運營商線路接續(xù)點多等導致光纖端面反射帶來的雜散噪聲大,長距離傳輸鏈路補償帶寬受限,鏈路大范圍時延突變的補償能力要求等都是需要重點考慮的因素. 盡管國內(nèi)外在基于實際光纖鏈路的時頻傳遞技術有較多研究,但是在諸如沙漠條件等極端惡劣環(huán)境下的長距離光纖時頻傳遞系統(tǒng)研究鮮有報道. 沙漠條件下實際光纖鏈路架空光纜長、溫度變化劇烈?guī)淼拇蠓秶鷷r延突變以及線路老化等原因帶來光功率損耗大等是主要技術難點. 因此,研究在沙漠等極端條件下影響光纖時頻傳輸系統(tǒng)性能的限制因素,探索其中的關鍵技術難點,可為未來滿足戰(zhàn)場條件或惡劣環(huán)境條件下的高精度長距離時頻同步需求提供可能的解決方案.

本文報道了在新疆某基地沙漠條件的復雜實地鏈路環(huán)境下,通過光纖時頻穩(wěn)相傳輸,將氫鐘產(chǎn)生的10 MHz 和1 pps 信號傳遞到距離200 km 左右的兩個觀測站. 本文針對上述沙漠環(huán)境下光纖時頻傳遞系統(tǒng)的主要技術難點,分析了鏈路中噪聲的成分和來源,重點研究了在時頻穩(wěn)相傳輸過程中,反饋補償帶寬、補償強度、光載波強度等系統(tǒng)參數(shù)對傳遞穩(wěn)定度的影響,得到了復雜實地鏈路環(huán)境下的光纖時頻傳遞補償反饋參數(shù)優(yōu)化配置方案. 該光纖穩(wěn)相時頻傳輸系統(tǒng)在基于短基線干涉測量的衛(wèi)星測軌系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用.

2 系統(tǒng)結構和實地鏈路噪聲分析

我們的高精度時頻傳遞系統(tǒng)所使用的實地光纖鏈路如圖1 所示,通過兩條光纖鏈路分別連接深空站(deep space station)與首區(qū)(central station)兩個站點以及首區(qū)與新區(qū)(outer station)兩個站點,將置于深空站節(jié)點的氫鐘時頻信號向首區(qū)和新區(qū)兩個站點傳遞,使用的光纖為架空與埋地混合鋪設的商用光纖,且中間經(jīng)過多個通信機房(unicom room)并在機房內(nèi)通過法蘭盤和FC/PC 接頭尾纖跳接,其中一級鏈路為180 km,包含大約40 km架空光纖; 二級鏈路為25 km 架空光纖. 一級鏈路沿路共有大約20 個連接點,總損耗達到60 dB,因此在中間放置了3 臺自研的低噪聲摻鉺光纖放大器(EDFA)來補償鏈路傳輸損耗,放置位置如圖中紅五角星表示. 鑒于一級鏈路長度遠大于二級鏈路,因此對一級鏈路時頻信號傳輸性能的描述更能反映極端復雜鏈路條件下的噪聲抑制能力,故以下將重點闡述對于一級長距離鏈路的時頻傳遞相位噪聲抑制和氫鐘時頻信號高精度傳遞結果.

高精度光纖時頻傳遞系統(tǒng)如圖2 所示,包含兩級傳遞系統(tǒng): 一級傳遞系統(tǒng)將深空站處的時頻信號傳到遠端首區(qū)節(jié)點再生,同時作為用戶信號和往二級傳遞系統(tǒng)傳遞,最終送往新區(qū)節(jié)點. 由于兩級系統(tǒng)的組成結構和實現(xiàn)方式都是相同的,在圖2 中只畫出了一級系統(tǒng)結構,本文也僅對一級系統(tǒng)做詳細介紹. 將深空站節(jié)點處的氫原子鐘的10 MHz 正弦頻率信號倍頻到1 GHz 后經(jīng)過光發(fā)射端機調(diào)制到波長為C37 的光波信號上,采用更高的頻率可以有效地提高傳輸?shù)男旁氡? 同時將本地端的1 pps時間信號調(diào)制到C34 的光波信號上,并通過波分復用技術經(jīng)過環(huán)形器進入到光纖鏈路中. 到達遠地端首區(qū)節(jié)點后,通過探測器解調(diào)分別得到頻率和時間信號,一部分通過降頻器降頻作為時頻信號輸出給首區(qū)節(jié)點處的用戶使用,另一部分通過調(diào)制光波信號繼續(xù)傳遞給下一級鏈路. 鏈路頻率穩(wěn)定度的測量是通過鑒相設備采集得到鏈路頻率傳輸?shù)南辔徊疃秳訑?shù)據(jù),并對相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可以得到噪聲的阿倫方差表征. 由于在實地外場實驗中,受實際條件的限制,本地端和遠地端的時頻信號處于不同的物理位置,難以直接評估遠地端與本地端時頻信號的相對波動,因此通過中心站測量本地頻率和遠端環(huán)回頻率的相位穩(wěn)定性來評估時頻傳遞系統(tǒng)的性能. 而關于此系統(tǒng)的對稱性我們在實驗室條件下做過細致的驗證,驗證結果表明中心站的測量結果足夠表征遠端頻率的相位穩(wěn)定性.

圖1 實地光纖鏈路鋪設情況Fig. 1. Schematic of urban fiber link.

圖2 高精度光纖時頻傳遞系統(tǒng)Fig. 2. Schematic diagram of the frequency transfer and time synchronization system.

圖3 (a)環(huán)境溫度波動測量結果; (b)頻率相位快速抖動噪聲Fig. 3. (a) Environmental temperature vibration; (b) fast frequency phase jitter noise.

由于實地鏈路同時包含架空及埋地光纜,會受到室外風力、地表振動等多種干擾,噪聲來源非常復雜,因此在詳細研究不同系統(tǒng)補償反饋參數(shù)對于鏈路噪聲的抑制能力前,需要對鏈路噪聲成分做一些半定量化的系統(tǒng)分析,從而為提出抑制室外復雜實地鏈路噪聲的光纖時頻傳遞補償反饋參數(shù)配置方案提供數(shù)據(jù)支撐.

首先,為了對反饋補償系統(tǒng)的動態(tài)范圍進行有效設計,需要了解整體光纖鏈路隨環(huán)境變化而產(chǎn)生的長時間時延漂移. 在實驗中,將時頻傳遞系統(tǒng)置于開環(huán)測試環(huán)境,通過相位分析,測量頻率信號的相對相位漂移,根據(jù)光纖相位與溫度的關系,反演出作用在光纖鏈路上的溫度波動,測試結果如圖3(a)所示. 由于180 km 光纖中有140 km 是埋地光纜,因此180 km 整體光纖溫度平均變化范圍較小,為4 ℃左右,對應時延變化范圍為24 ns 左右. 然而40 km 架空光纜的晝夜溫差大于16 ℃,這反映了沙漠環(huán)境下溫差變化大的特征,如圖3(a)內(nèi)插圖所示. 為此,設計了一款中心風道散熱的溫控延遲線,如圖4(a)所示. 在兼顧體積與功耗的前提下,得到了較大的時延變化范圍. 在此結構設計的基礎上,一個5 km 的溫控延遲線可以具有7 ns以上的時延動態(tài)范圍,這樣通過6 組5 km 溫控延遲線的組合,得到了大于42 ns 的時延動態(tài)變化范圍,其時延變化測試結果如圖4(b)所示,保證了對于環(huán)境變化引起的長時間時延漂移的足量補償.

其次,在室外光纖鏈路的情況下,除了由溫度變化帶來的大范圍緩慢時延漂移外,還存在著由于風力、機械振動等引起的頻率相位快速抖動. 將系統(tǒng)置于僅有溫控延遲線的弱反饋補償環(huán)境下,以便觀察鏈路中的快速相位抖動噪聲,實驗結果如圖3(b)所示. 由圖3(b)可見,在長時間的緩慢相位抖動漂移被溫控延遲線成功抑制的情況下,系統(tǒng)還存在著大量的相位快速抖動噪聲,根據(jù)相位與時延的換算關系,可知此類快變噪聲帶來的時延變化幅度在10 ps 左右. 對于此類噪聲,設計了壓電陶瓷(PZT)延遲線,通過快速拉伸改變光纖長度來實現(xiàn)補償,其響應速度達到kHz 量級,補償范圍約為17 ps.

圖4 (a)溫控延遲線構造示意圖; (b) 5 km 溫控延遲線性能測試結果Fig. 4. (a) Construction of fiber delay line; (b) test result of fiber delay line.

此外,對于時間信號而言,由于時間信號和頻率信號經(jīng)過相同的光纖鏈路,光纖延時線在穩(wěn)定頻率信號的同時,也抑制了鏈路噪聲對于時間信號的影響,但由于時間與頻率傳遞采用了不同的激光頻率,鏈路噪聲對時間信號和頻率信號的影響仍存在差異. 我們之前的研究結果表明200 km 鏈路產(chǎn)生的殘余信號抖動小于20 ps[19],遠小于1 pps 信號自身產(chǎn)生的抖動,據(jù)此可以認為本文系統(tǒng)同時實現(xiàn)了時間與頻率信號的穩(wěn)相傳輸.

基于以上分析,下文主要詳述頻率信號傳遞的相位抖動噪聲抑制及高精度時頻信號傳遞結果. 通過詳細研究不同系統(tǒng)補償反饋參數(shù)對于鏈路噪聲的抑制能力,來重點探究得到能有效抑制室外復雜實地鏈路噪聲的光纖時頻傳遞補償反饋參數(shù)配置方案.

3 光纖時頻傳遞補償反饋參數(shù)配置方案研究

通過上文分析可知,由于實地鏈路環(huán)境擾動的噪聲來源非常復雜,因此本文以下將詳細描述不同系統(tǒng)補償反饋參數(shù)對于鏈路噪聲的抑制能力. 重點研究在沙漠等極端條件下影響光纖時頻傳輸系統(tǒng)性能的限制因素,探索其中的關鍵技術難點,得到能有效抑制室外復雜實地鏈路噪聲的光纖時頻傳遞補償反饋參數(shù)配置方案,為未來滿足戰(zhàn)場條件或惡劣環(huán)境條件下的高精度長距離時頻同步需求提供可能的解決方法.

首先,由于鏈路中噪聲成分的復雜性,需要精細地調(diào)整補償系統(tǒng)的反饋強度和帶寬,力求得到最好的鏈路噪聲抑制效果. 在反饋強度方面,通過改變溫控延遲線的工作電流來進行反饋強度的改變,相關的實驗結果如圖5 所示. 由圖5(a)藍線可見,當慢變延遲線工作電流較低時,相位波動中存在很多抖動噪聲無法被有效地抑制. 這是由于在較低的工作電流時,溫控延遲線的升降溫速率較慢,因此當鏈路中噪聲帶來的時延抖動速率大于延遲線的最快補償速率時,就會在相位波動曲線中形成一個尖峰; 而隨著慢變延遲線工作電流的增加,抖動噪聲被更好地抑制,如圖5(a)黑線所示. 將得到的相位抖動數(shù)據(jù)計算得到阿侖方差,如圖5(b)所示. 由圖5(b)可見,通過調(diào)整慢變延遲線工作功率,低于1 Hz 傅里葉頻率的低頻噪聲得到不同程度的抑制,這和慢變延遲線的補償帶寬也是一致的. 此外,在實驗中發(fā)現(xiàn)進一步提高慢變延遲線的工作電流已經(jīng)不能得到更好的相位抖動抑制結果,這說明此時圖5 中殘余的相位抖動噪聲的帶寬已經(jīng)大于慢變延遲線的補償范圍. 而過大的慢變延遲線工作電流反而會對延遲線自身帶來更大的散熱壓力,因此針對我們所應用的具體鏈路環(huán)境,優(yōu)化設定慢變延遲線工作電流為1.6 A. 當鏈路所處環(huán)境溫度特性發(fā)生改變時,需要對于不同的實際環(huán)境實地優(yōu)化溫控電流設置值,以取得最佳的效果. 目前也正在研究自適應的時頻系統(tǒng)補償方案,基本原理是通過反饋模塊的誤差信號變化值感知鏈路中的時延變化,并通過時延變化量的大小和快慢設置最佳的溫度延遲線電流設置值,以提升系統(tǒng)的實用性.

圖5 (a)不同延時線工作電流下的相位抖動; (b)不同延時線工作電流下的阿倫方差Fig. 5. (a) Phase jitter for different delay line’s working current; (b) the Allan deviation for different delay line’s working current.

圖6 (a)不同反饋帶寬下的相位抖動噪聲; (b)不同反饋帶寬下的噪聲阿倫方差; (c)不同情況下的鏈路相噪測試結果Fig. 6. (a) Phase jitter in different feedback bandwidth; (b) the Allan deviation in in different feedback bandwidth; (c) phase noise in different conditions.

其次,對于圖5(a)中殘余鏈路相位抖動噪聲,可以由更高時延補償帶寬的快速光纖PZT 延時線進行補償. 在實驗中,通過在反饋控制程序中加入特定的固有程序延時來得到不同的補償帶寬,并觀察不同補償帶寬下相位抖動噪聲抑制后的情況,實驗結果如圖6 所示. 由圖6(a)可見,隨著反饋補償帶寬的不斷加大,鏈路中存在的快速相位抖動噪聲不斷地被抑制; 而另一方面,鏈路中的補償帶寬應小于1/4t(t為單向傳輸時延),否則會引入額外的噪聲[20]. 更進一步地,在遠端通過降頻及鎖相凈化技術得到10 MHz 頻率信號,由于電子鎖相環(huán)的有限帶寬(<100 Hz),鎖相帶寬外的高頻噪聲不會引入到恢復頻標信號中. 因此結合不同補償帶寬下的實驗結果與180 km 的鏈路傳輸距離,通過反饋控制程序的精確控制,將系統(tǒng)補償帶寬優(yōu)化調(diào)整為100 Hz. 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化配置后得到的噪聲抑制效果如圖6(a)綠線所示. 由圖6(b)可見,Allan 方差在補償帶寬內(nèi)呈現(xiàn)了良好的 1 /τ特征,說明鏈路抖動噪聲得到了很好的抑制,隨著補償帶寬的逐漸提高,最終得到的鏈路抖動噪聲在全測試帶寬下都呈現(xiàn)了 1 /τ特征. 為了更進一步地明確沙漠環(huán)境下的光纖鏈路快變噪聲成分以及我們的補償系統(tǒng)對于鏈路的快變相位噪聲的抑制效果,對頻率信號的相位噪聲進行了測試,結果如圖6(c)所示. 由圖6(c)可以看出,在沙漠環(huán)境下,其室外光纖鏈路在100 Hz以下頻率的相噪比在實驗室內(nèi)的光纖鏈路要高很多,而當采用合理的反饋補償方案對鏈路相位抖動進行補償反饋時,其在補償帶寬內(nèi)(100 Hz)的相位抖動噪聲被很好地抑制了(如圖6(c)黑線所示),這進一步說明了本文的反饋補償方案實現(xiàn)了對于沙漠環(huán)境下鏈路復雜噪聲的有效抑制.

最后,如前文所述,我們通過放置3 臺自研的低噪聲摻鉺光纖放大器來補償鏈路光功率的傳輸損耗. 更進一步地,摻鉺光纖放大器的增益倍數(shù)必須合理地設置,過小的光功率會使遠端的信號解調(diào)過程帶來較大的噪聲,過大的光功率也會帶來額外的非線性效應和散射噪聲. 在實驗中,通過光纖放大器的增益系數(shù)的改變實現(xiàn)對光纖鏈路的光功率管理并詳細測試了不同鏈路光功率下得到的頻率相位抖動噪聲,實驗結果如圖7 所示. 在實驗中,光纖放大器均工作在自動功率控制模式,即通過調(diào)整增益倍數(shù),使得在光纖放大器的輸入光功率在–25 dBm 至–15 dBm 范圍時,輸出的放大后光功率穩(wěn)定在一個固定值. 由圖7 可見,當鏈路中光功率較大時,會激發(fā)非線性效應的散射噪聲,由此產(chǎn)生較大的相位抖動噪聲; 而當鏈路中光功率較小時,探測器解調(diào)信號過程中進入探測器光功率較低,又會由于探測器的熱噪聲和散粒噪聲得到較低的信噪比. 因此結合本文實驗結果和分析,通過對光纖放大器增益倍數(shù)的精確調(diào)整,我們將通過自動功率控制技術將光纖放大器的輸出穩(wěn)定在5 dBm左右,得到最低的鏈路相位抖動噪聲. 此外由于EDFA 器件本身的發(fā)熱特性,因此在實驗中通過采取散熱片和風扇共同散熱的方式,將它對頻率長期穩(wěn)定性的影響降到最低.

圖7 (a)不同鏈路光功率下的的相位抖動噪聲; (b)不同鏈路光功率下的噪聲阿倫方差Fig. 7. (a) Phase jitter in different link optical powers;(b) the Allan deviation in in different link optical powers.

4 200 km 沙漠環(huán)境實地鏈路高精度時頻傳遞性能

針對實際光纖鏈路環(huán)境,通過上述對復雜鏈路噪聲反饋補償系統(tǒng)的優(yōu)化配置,獲得噪聲抑制前后的頻率信號阿倫方差和1 pps 信號的時間方差,如圖8 所示. 在鏈路自由狀態(tài)下,由于鏈路途經(jīng)高速公路、橋梁,且架空線較多,受到復雜環(huán)境波動的影響,頻率信號的秒穩(wěn)定度約為9 × 10–12,鏈路受到溫度波動的影響更為顯著,表現(xiàn)為頻率信號傳遞的千秒穩(wěn)定度僅為1 × 10–14. 從時延抖動偏差來看,長期穩(wěn)定度隨著時間的推進不斷劣化,千秒尺度下的時間方差約為344 ps. 當系統(tǒng)進入噪聲抑制狀態(tài)時,頻率信號傳遞的短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度都有了顯著的改善,秒穩(wěn)定度可達8 × 10–14,長期穩(wěn)定度進入10–17量級,與此同時,千秒尺度的時間方差僅為1.2 ps. 在超過200 km 的沙漠環(huán)境實地光纖鏈路中,氫鐘信號遠距離傳輸后由傳輸鏈路帶來的不穩(wěn)定度遠低于氫鐘信號自身的頻率穩(wěn)定度,因此實現(xiàn)了氫鐘信號在極端環(huán)境條件下的長距離無損傳輸,可以滿足對于氫鐘信號遠距離頻率同源和時間同步應用的需求,如在基于短基線干涉測量系統(tǒng)中對于各觀測站之間的時頻同步應用.

圖8 (a)反饋補償前后的相位噪聲阿倫方差; (b)反饋補償前后的時延抖動偏差Fig. 8. (a) The Allan deviation in free running and compensated conditions; (b) time deviation (TEDV) in free running and compensated conditions.

5 結 論

綜上所述,本文針對沙漠實地光纖鏈路環(huán)境下光纖時頻傳遞存在的架空光纜長、溫度變化大、噪聲來源復雜、光功率損耗大等主要技術難點,系統(tǒng)地研究了在時頻穩(wěn)相傳輸過程中反饋補償帶寬、補償強度、光載波強度等系統(tǒng)參數(shù)對傳遞穩(wěn)定度的影響. 通過優(yōu)化配置合適的反饋補償動態(tài)范圍和補償帶寬,并對光纖中光功率的精確控制,整個鏈路的頻率穩(wěn)定度達到8 × 10–14@1 s,1 × 10–16@1000 s,千秒尺度的時間方差也達到1.2 ps. 實現(xiàn)了在長距離商用鏈路中高精度氫鐘信號的無損傳遞,該光纖穩(wěn)相時頻傳輸系統(tǒng)在基于短基線干涉測量的衛(wèi)星測軌系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用.