温度对波分复用时频传输双向时延波动差的影响

谭小容，许江宁，陈 丁，梁益丰，吴 苗

温度对波分复用时频传输双向时延波动差的影响

谭小容1,2，许江宁1，陈 丁1,2，梁益丰1，吴 苗1

（1. 中国人民解放军海军工程大学 电气工程学院，武汉 430033；2. 九江学院 电子信息工程学院，江西 九江 332005）

为了明确温度变化时双向波长的选择对时延不对称的具体影响，利用传输时延与温度的关系模型，选择多组相邻波长在双向波分复用时频传输系统中仿真双向时延波动差。结果表明，选择常规波段中任意两个相邻波长进行双向传输，一天内温度变化最大时双向时延波动差最小值为0.04 fs/km，最大值为0.0634 fs/km。该数据可为长距离、高精度时频系统的传输延迟补偿和色散补偿方法的研究以及波分复用系统双向传输波长的选择提供参考。

波分复用；时频传输；传输时延；时延波动

0 引言

在导航定位中，精确位置实际上是由精确时间来决定，可以说高精度的导航定位必须由高准确度和高稳定度的原子频标和时频传输系统来支撑。光纤因具有频带宽、损耗低、抗干扰能力强、保真度高等独特优点而被广泛用于高精度、高可靠时频信号传输[1-4]。两路时频信号在同一根光纤的不同信道或两根并行光纤中相向传输时传输链路经历着相同的外界环境变化，这样可使得大部分往返路径时延波动相互抵消。在要求不高的应用场景中，多数情况下视为双向时延波动完全抵消。然而，在实际环境中，还有一小部分波动差不对称在影响时频传输系统的精度和稳定度。文献[5]讨论了温度变化对时延波动差的影响，并对波动值作了定性分析，但没有考虑温度对不同间隔的两个波长的影响。经分析，相同温度影响下不同波长间隔的两个波长在双向波分复用系统中传输时波动差也有所差别。本文利用传输时延与温度的关系模型，选择多组相邻波长在双向波分复用时频传输系统中仿真双向时延波动差，并讨论温度变化时双向波长的选择对时延不对称的具体影响。

1 光纤双向波分复用时频传输时延分析

1.1 光纤波分复用时频传输双向链路时延差

基于波分复用的时频传输是通过链路对称性计算并补偿双向传输时延差，使得两端的时间频率信号达到高度一致。它适用于远距离、高精度场景，是实现光纤时频同步的常用方式，目前主要通过环路和双向比对两种方法完成[6]。环路法和双向比对法波分复用时频传输系统的传输模型可用图1表示。

图1 双向波分复用时频传输系统示意图

1.2 光纤链路传输时延定量分析

表1 纤芯折射率参数

独立学院大多依托母体学院建立实验室，资金大多自筹，而且要层层审批，造成在实验室建设方面会受到种种限制。资金缺乏，场地缺乏，人员缺乏，是现在大多数独立学院所面临的困难。一个实验室从规划到建成，审批手续繁琐，建设周期长。所以很多院校就减少了实验室建设的数目，特别是专业实验室，由于其成本高，利用率低，往往被学院从规划中去掉。

2 温度对光纤链路传输时延波动分析

2.1 光源和光纤温度变化模型

光纤的温度变化对光纤热膨胀、折射率变化和色散效应引起的时延波动有直接和间接的影响。但在光纤时频传输的过程中，光纤温度的变化量很难获取。在此，采用环境温度变化模型来模拟光纤温度变化。利用正弦函数构建环境温度日变化方程，以当天的日最高值为波峰和日最低值为波谷得到日变化曲线[7]。实际应用中，由于光纤处于昼夜温差较小的地下掩埋环境，环境温度变化较为平缓，光纤温度变化基本与其保持一致，这是温度慢变的情况。温度快变时，光纤温度与环境温度不同步，如果计算过程中仍然用环境温度模型近似处理，这将导致额外误差，本文不予考虑光纤温度快变情况。由文献[5]和文献[8]得到一天内温度变化模型为

2.2 光源和光纤温度变化对传输链路时延波动分析

式中：、、、分别为表1中折射率参数、、、的斜率。

最终得到光纤链路总时延波动为

最终得到整个传输链路总波动时延为

3 双向波分复用时频传输时延波动差仿真及分析

为了得到特定温度和波长下光纤传输时延、环境温度慢变以及光源动态结温度快变对时频传输系统时延波动，采用基于单根光纤密集波分复用的双向时频传输系统进行仿真测试，并根据测试结果对双向时延不对称性进行分析。

3.1 双向波分复用时频传输时延波动差仿真

表2 不同波长对应的参数值

3.2 双向波分复用时频传输时延波动差分析

图2显示了双向传输波长为1546.12 nm和1548.51 nm时由传输光纤引起的时延波动差及其与温度波动的关系。图3显示了双向波长为1543.73 nm与1546.12 nm时光源引起的时延波

图2 光纤温度波动时两波长的时延波动差

图3 光源温度变化时两波长的时延波动差

动差以及其与温度波动的关系。由此可见，波分复用时频传输系统中波长的选择非常关键，应尽量选择相邻波长进行双向传输。即便是相邻两波长中也有时延波动差较大的情况，所以在选择双向波长值之前应先估算时延波动差值。如果选择合适，则双向时延波动差可以相互抵消，达到很好的传输时延对称性。

同等条件下环路法双向时延波动差应大于双向比对法，因为环路法中光收发端RT1到RT2的起始时间与RT2到RT1的起始时间间隔值远远大于双向比对法，而不同时间间隔情况下，温度对传输时延波动的影响不同，尤其是温度快变的情况。

4 结束语

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[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] 陈丁, 许江宁, 李振中, 等. 光纤双向比对时间同步技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(13): 57-65.

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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

谭小容，许江宁，陈丁，等. 温度对波分复用时频传输双向时延波动差的影响[J]. 导航定位学报, 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

国家自然科学基金项目（41804076）；湖北省自然科学基金项目（2018CFB544）；国家重点研发计划项目（2016YFB0501700，2016YFB0501701）；九江学院科研课题项目（2014SKYB009）。

谭小容（1976—），重庆人，博士研究生，讲师，研究方向为PNT体系守时授时。

吴苗（1978—），江苏南京人，博士，副教授，研究方向为国家综合PNT体系守时授时。