远距离高稳定光纤频率传递技术研究

王正勇，蔚保国，尹继凯，王崇阳

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

高质量的时间频率基准是一体化综合电子信息系统的重要共性基础之一，是电子系统性能的重要决定因素。卫星导航地面远控系统、航天地面测控系统等都采用高性能、高稳定度的铯原子钟或者氢原子钟作为系统的时间频率基准。这需要在整个地面站范围内将时频基准传输到每一级节点设备，而经过传输后的频率信号应尽量减少频率稳定度、相位噪声及杂谐波等指标恶化，经过传输后时间信号应尽量保证准确稳定[1-6]。

射频同轴电缆由于其损耗大、相位不稳定等缺点，无法实现频率信号的远距离高稳定传输。利用光纤传递频率信号因具有低损耗、高稳定度、传输距离远的优势而逐渐发展成为一种新型时频传递技术，全球各研究机构相继开展了对该技术的研究。

目前，国内外研究机构使用的补偿方法主要是光学相位补偿技术和电子相位补偿技术。2种补偿方法各有特点，光学相位补偿方法结构简单，补偿更为直接，但是补偿范围受限于所用光纤延迟线的调谐范围，且体积大不易集成化设计；电子相位补偿法补偿范围大，但是系统结构比较复杂。法国巴黎天文台的时间空间实验室(LNE-SYRTE)和巴黎大学激光物理实验室(LPL)合作研究了一种光学补偿系统，采用机械控制光纤延迟线和温控光纤延迟线在88 km的光纤链路上实现了3×10-15@1 s，2×10-18@105s的稳定度传输指标[7]。日本通信技术研究院NICT、澳大利亚国家计量院NMI及韩国标准研究所KRISS等单位采用电子相位补偿的方法也都实现了光纤频率传递链路秒稳10-14量级、天稳10-17量级等指标[8-11]。

本文介绍了卫星导航系统与装备技术国家重点实验室采用电子相位补偿法的光纤频率传递技术研究进展。通过将电子相位补偿与自适应环路控制相结合的传递方案，实现了光调制频率为1 GHz的远距离光纤频率传递。所选补偿器件压控晶振自身动态范围很大，对光纤链路附加相位噪声抑制能力强。

1 光纤频率传递技术原理

光纤频率传递技术主要是解决频率基准信号在传输过程中无失真、低时延以及高稳定度等问题。由于光纤链路所处环境(温度、振动等)的影响，随着光纤传输链路的增加，对传输信号会不断引入附加相位噪声，严重恶化传输信号的频率稳定性。因此利用光纤实现频率信号高稳定度的传输，需要采取措施对传输过程中的附加相位进行修正及补偿。

1.1 光纤频率传递链路中时延的变化分析

由于外界环境的影响，如温度、应力以及振动等，会导致光纤的等效长度发生变化；当温度变化时，光纤折射率会随之发生变化，且光纤本身会因为温度改变产生物理上热膨胀或压缩，使得光信号在光纤中传输的时延发生变化，从而接收端接收到的时频光信号会发生抖动，产生附加相位噪声。

单模光纤折射率关于波长λ和温度T的函数关系式可表示为[12-15]：

ng(λ，T)=n(λ，T)+

(1)

则光纤频率信号通过长度为L的光纤传输时延τ的变化可以表示为：

(2)

式中，c为真空中光速；L为光纤的长度；λ为光信号波长；ng为光纤群折射率；A，B，C，D，E为Sellmeier系数(不考虑温度变化时为常数)。时延关于波长和温度的函数表明了时延将随温度的变化而变化，即温度变化会产生时延抖动。

时延随温度的变化通常用光纤时延温度漂移系数Kf来表征，简称温漂系数。它是指当某一波长的光在光纤上传输时，由单位温度变化引起的单位长度光纤传输时延的变化，因此单模光纤的温漂系数可表示为：

(3)

通过计算可得在λ=1.55 μm波长处，在-30 ℃～60 ℃范围内的平均温漂系数约为38.23 ps/km·℃。

光纤频率传递链路中时延变化的实测结果如图1所示，图中的2个波形分别是10 MHz信号与其经过光纤传递100 km后的信号，通过改变光纤环境温度3 ℃，可观察到图1(b)所示的时延变化约11 ns。

图1 频率信号经过光纤传输后的时延变化

1.2 光纤频率传递基本原理

图2为光纤频率传递基本原理。

图2 光纤频率传递基本原理

图2(a)中原子钟输出的10 MHz频率信号的相位为φref，经过光纤传输后，由链路引入的附件相位为φp，随着传输时间的积累，φp不断变化导致接收端10 MHz频率稳定度不断恶化；图2(b)中通过使用光学手段在单根光纤中通过往返传输的方式可以在发射端预先获得2φp，假设往返传输光信号所产生的附加相位近似相同；因此图2(c)中通过在发射端加入往返传输环路伺服控制装置，可以实时在10 MHz信号光纤传输前对其进行预补偿处理，从而在光纤链路的接收端获得频率稳定度和发射端相同的10 MHz信号。

环路伺服控制装置一般选择某种可调谐的电学器件或者光学器件，如压控振荡器或电/光延迟线等。使用电/光延迟线作为伺服控制装置是通过改变电/光链路的长度实现补偿，是一种直接的补偿方案，但是由于延迟线补偿范围有限，适用于短距离传输应用。使用压控振荡器作为伺服控制装置是将抖动信号锁定至压控振荡器，以改变输出频标相位，该方案传输稳定性好，适合远距离传输，是当前技术条件下比较合适的方案[16-20]。

2 光纤频率传递系统设计

光纤频率传递系统设计方案如图3所示。100 MHz压控晶体振荡器VCXO作为系统执行单元补偿光纤频率信号传递过程中的相位抖动，100 MHz VCXO调谐范围大，满足对大动态相位抖动的补偿。100 MHz信号首先经过低相噪锁相环变频至1 GHz作为光调制信号，激光器选用高稳定、窄线宽、分布反馈半导体激光器，其优异的线宽特性保证了在远距离时频传输时具有很小的色散效应。激光器输出1 550 nm波段光信号，并通过低噪声掺铒光纤放大器EDFA将其放大至+15 dBm(低于光纤传输中的受激布里渊散射阈值)。隔离器的主要作用是防止后向散射信号损坏EDFA。图中，扰偏器主要作用是通过偏振扰动消除EDFA输出的信号的偏振态，可以减小光纤中信号双向传输时由于偏振模色散现象导致的传输时延非对称性。

图3 光纤频率传递系统设计方案

在接收端，为了补偿光纤链路的传输损耗，首先用EDFA将光信号放大后再由光电探测器将其转化为1 GHz电信号。在未补偿的情况下，单向光纤传输引入的附加相位为φp，则传输到远端的1 GHz信号可表示为φ0+φp；为了量化附加相位φp，对远端信号进行功率分配，并将其中一路再次调制到光信号上经过相同的光纤链路传输到近端，形成控制环路。回传到近端的信号可以表示为φ0+2φp，输入至PID反馈控制系统，并将误差信号转化为压控信号实时控制VCXO输出信号相位，光纤链路中的时延变化导致控制电压的变化，实现了整个光纤时频传输环路自适应主动补偿。在光纤传输远端获得了与参考信号φref相干的频率信号φ0+φp，实现10 MHz频率信号基于光纤链路的稳相传输。

3 光纤频率传递系统试验结果

光纤频率传递系统频率稳定度试验结果如图4所示。光纤链路长度100 km，测试时间19天，测试仪器为Microsemi公司生产的TSC 5125A相噪测试系统，测试曲线为标准的阿伦方差，从图中可以看出，光纤频率传递链路的频率稳定度指标为1.13×10-14@1 s，1.03×10-16@103s，2.19×10-17@104s，1.87×10-17@105s，所有指标均高于目前商用氢原子钟输出的频率信号的频率稳定度1个数量级以上，实现了氢钟信号100 km的高稳定度无损传输。

图4 100 km光纤频率传递链路稳定度结果

如图5所示为光纤频率传递链路环境温度变化统计结果。

图5 光纤频率传递链路环境温度变化数据

在19天的测试过程中光纤链路所处的环境温度变化量为3.7 ℃：如果利用光纤直接单向传输，温度变化3.7 ℃时光纤传输频信号的相位变化为14 145 ps；通过使用电子相位补偿后经光纤输出的频率信号相位变化值为3.4 ps，如图6所示，传输性能提升了4 000倍。可见，光纤频率传输系统能有效抑制光纤链路所处环境变化对频率信号性能的影响。

图6 光纤链路输出频率信号相位变化数据

4 结束语

本文介绍了基于电子相位补偿技术的高稳定光纤频率传递系统方案设计和实验结果，实现了原子钟频率信号100 km高稳定光纤传递，传输稳定度为1.13×10-14@1 s，2.19×10-17@104s，1.87×10-17@105s，频率传递稳定度高于目前商用氢钟至少一个数量级，有效地补偿了环境温度变化引起的光纤链路的相位扰动。研究结果表明，基于PID环路控制的电子相位补偿技术能有限补偿光纤链路引入的附加噪声，是一种可行的实现原子钟频率信号高稳定光纤传递的技术。