国家授时中心长距离光纤光学频率传递研究进展

刘杰，邓雪，张翔,3，臧琦,3，王丹,3，焦东东，高静,3，王东杰,3，周茜,3，刘涛,3，张首刚,3

国家授时中心长距离光纤光学频率传递研究进展

刘杰1,2，邓雪1,2，张翔1,2,3，臧琦1,2,3，王丹1,2,3，焦东东1,2，高静1,2,3，王东杰1,2,3，周茜1,2,3，刘涛1,2,3，张首刚1,2,3

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

光纤光学频率传递是新一代时间频率体系和地基授时系统的重要组成部分，利用光纤实现高精度光学频率传递具有明显的精度优势和应用前景。本文报道了中国科学院国家授时中心在高精度光纤光学频率传递方面的研究进展。112km实地光纤上国内首次实现万秒稳定度 7.5×10-20的光频传递；利用光外差锁相方案实现了光频级联传递技术突破，在224 km实地光纤上光频传递稳定度万秒稳定度7.7×10-19;首次提出并验证了一种基于本地测量的光纤光频双向比对,50 km频率比对稳定度秒稳达到1.2×10-16，4万秒稳定度达到1.3×10-21。最新进展为在860 km实地光纤上实现了稳定度2×10-19@200s的光频传递。

光学频率传递；时间频率标准；光纤网络；光纤授时系统

0 引言

光钟可用于构建最精确的频率基准[1]，其中单离子光钟已实现系统不确定度10-19量级[2]，冷原子光晶格钟的频率稳定度已经达到了4.8×10-17@1 s[3]。光钟的复杂性和昂贵价格使它们只可能在少数研究中心研制和运行，因此有必要建立一个高保真的传输系统，提供光钟的光频信号给不同地域的多个用户，同时有助于实现不同地域不同光钟的日常频率比对。光纤光学频率传递是目前主流的方法，自2010年起法国、德国和美国等国的多个研究机构都开展了光纤光频传递相关研究：2012年法国小组在540 km光纤上实现了光频两级级联传递，稳定度达到5×10-20@20 h[4]；2013年德国MPQ小组和PTB小组将光频直连传递的距离扩展到了1 840 km，实现了传递稳定度4×10-19@100 s[5]；2016年PTB小组与法国巴黎十三大学联合演示了1415 km实地光纤光钟远程精密比对[6]，3 ks光钟比对精度3×10-17，比卫星双向比对的比对精度提高了近10倍，达到同等精度的测量时间减小了4个量级。国内的光纤光频传递研究起步较晚，中国科学院国家授时中心、华东师范大学、中国科学院上海光学精密机械研究所等单位都开展了相关研究：2014年国家授时中心已完成了光纤光频直连传递样机的研制，率先开展实地光纤光频传递测试，2016年在112 km实地光纤上获得2×10-16@1 s，4×10-20@10 ks的传递稳定度[7-8]；2015年华东师范大学在82km的实地+线绕光纤上利用再生放大中继站实现两级光频级联传递，稳定度4×10-19@ 10 ks[9]；2019年中科院上海光机所采用了基于光学注入锁定技术对传递光进行中继放大，220 km两级光频传递稳定度在20 ks进入7.1×10-20量级[10]。

中国科学院国家授时中心承担了“十三五”国家重大科技基础设施项目—高精度地基授时系统，将于2021年正式开工建设。为高精度地基授时系统预研，光纤光频传递课题组在运营商提供的上千km光纤网络上开展了光纤光频传递的长距离实地测试。本文报道了自2016年以来国家授时中心在光纤光频传递方面的研究进展，以及运营商光纤网络上的长距离光频传递测试结果。

1 光纤光频直连传递研究

激光在光纤中传输时，受外界环境的影响导致传输光纤的光学路径发生变化，传输光场的相位发生波动，等效于附加的激光频率噪声。光纤光频传递的目标是，尽量减少各种因素对光场相位的影响，对不能消除的附加频率噪声实时抑制，使用户可以在光纤远端获得与本地端相近稳定度和准确度的光学频率信号，即实现光学频率信号的高保真远程传递。

中国科学院国家授时中心自2010年起开始光纤光学频率传递研究，国内率先搭建了光纤光频传递实验室样机，后续工作中研究了光纤光频直连传递技术，光纤光频中继传递技术，多用户光纤光频传递技术等关键技术，研制了光纤光频传递发送/接收设备、双向掺铒光纤放大器（EDFA）设备、基于两级EDFA的中继设备等多种光频传递设备的工程样机。

1.1 实验原理和装置

基于多普勒噪声抑制的光纤光频传递装置为一发一收型传递系统，其组成结构如图1所示。

图1 光纤光频直连传递装置组成结构示意图

由超稳窄线宽激光器[11]产生的超稳光学频率信号进入本地发送端后，经过光纤分束器和声光调制器AOM1后进入传输光纤，在远程接收端，再次经过声光调制器AOM2后分束，一部分原路返回，一部分输出给远程端用户。返回的激光在本地发送端与参考激光作光外差拍频探测，从探测到的拍频信号解出光纤链路噪声引起的激光频率噪声，并通过AOM1完成噪声抑制。

接收端的AOM2用于区分信号光和光纤中节点反射光、瑞利散射光，应用法拉第镜FM1和FM2可使拍频时信号光与参考光的偏振状态保持一致，较为便捷地规避偏振变化的影响实现拍频信号功率的最大化。伺服电路用于驱动声光调制器，对拍频信号解调，并生成反馈信号通过AOM1进行噪声抑制。

1.2 112 km实地光纤光频传递

利用光纤光频直连传递装置在112 km实地光纤上开展了光频传递测试。光纤链路由一对从国家授时中心临潼本部到航天城试验场区的56 km光纤构成，如图2所示。

图2 112 km实地光纤示意图

将这一对光纤在航天城试验场区直接跳接，测试时在临潼的实验室将一对光纤分别接入光频传递的发送端和接收端，即可利用环回法测量传递光频信号的质量。

测试时将接收端分出的一部分给用户的传输光，与光源分出的一部分参考光进行光外差拍频探测，通过信号源分析仪（SRS SR785）测量拍频信号的相位噪声谱密度（PSD），通过频率计数器（安捷伦 53230A）测量拍频信号的频率起伏，计算频率传输稳定度，即可获知传递光频信号的质量。

测量结果如图3所示。

图3 112 km实地光纤相位噪声抑制和传输稳定度

图3（a）为噪声抑制前后光纤相位噪声抑制情况，可以看出噪声抑制在1 Hz处超过50 dB，接近光纤传输引起的噪声抑制极限。图3（b）为噪声抑制前后的传输频率稳定度情况，噪声抑制后频率稳定度为2.5×10-16@1 s，7.5×10-20@ 10 ks。这也是国内首次报道的百km级的光纤光学频率传递，稳定度达到10-20量级。

1.3 406 km实地光纤光频传递

为测试光频直连传递在更长距离上的效果，课题组在运营商提供的临潼—宁陕的406 km实地光纤上测试光学频率传递。链路如图4所示。

图4 406 km光频传递链路

这段光纤单程203 km，包括3段：临潼—西华门57 km，西华门—纸坊64 km，纸坊—筒车湾82 km。同样为完成环回测试，在筒车湾将一对光纤连接起来，发送端和接收端同样放在临潼，这样光纤链路往返达到406 km，总衰减达到了120 dB。为了补偿链路衰减，测试中应用了5台双向掺铒光纤放大器（Bi-EDFA），分别放置在西华门、纸坊和筒车湾，如图5所示。Bi-EDFA增益控制在16 dB以下，避免引起激射影响光纤噪声抑制。

图5 406 km光频传递装置

光频传递装置的发送端、接收端和信号质量评估装置与上面类似。获得频率传输稳定度测量结果如图6所示。

图6 406 km光频传递链路频率传输稳定度

2 光纤光频级联传递方法研究

光纤光频直连传递中，随着传递距离的增长信号传输延时增长，引起系统控制带宽下降的同时噪声抑制的理论极限也有所降低，限制了频率传递精度。同时，为了避免光纤链路中杂散反射和瑞利散射引起的激光效应，利用多个Bi-EDFA构成长距离传递时EDFA（两级单向）增益必须有所限制。

作为长距离直连传递的一种替代方案，级联传输可以将一个长距离光纤链路分成较短的几段，每段之间均为传输延时较小的直连传递，降低了传输延时的影响从而提高了光纤相位噪声抑制能力，能有效提高光频传输的稳定度[12-13]。光频级联传递时，需要中继设备将前级传递而来的微弱光频信号（0.1 μW左右）高保真放大至～10 mW作为下一级传递的光源，需要提供超过50 dB的高增益光频信号放大。目前可用于光频级联传递的中继放大方案有高增益EDFA放大的中继、注入锁定中继、光外差相位锁定的再生光中继。

高增益EDFA放大的光频中继方案是由国家授时中心自主提出并经过验证的一种光频传递中继方案，其核心思想是利用高增益的EDFA实现光频信号高增益放大，同时抑制放大过程中引入的频率噪声。目前该方案已经过220 km实验室光纤和实地光纤224 km上的验证，具体实验结果正在发表。但基于EDFA的放大方案存在噪声大的问题，两个串联的EDFA会降低系统的信噪比。

注入锁定中继技术是利用光学环形器将前级传递来的微弱光信号作为种子光注入从激光器，激光器输出光频信号增益可达70dB以上。该方案最早由德国和英国研究小组于2015年提出[14]，2019年上海光机所改进了光注入锁定方案，实现了220 km实验室光纤上的光频级联传递[10]。注入锁定放大带宽约100 MHz，虽远小于EDFA带宽，但仍然大于传递链路控制带宽，会放大链路中的杂散信号，降低信噪比。

光外差相位锁定的再生光中继传递方案是另外一种将本地激光器相位锁定在上一级光频传递输出的微弱光信号上的中继方案，最早由法国提出[4]。国家授时中心利用光外差相位锁定方案搭建了光频传递再生光中继模块，2018年在224 km实地光纤上演示了光频两级级联传递[15]。再生中继方案带宽仅为几十kHz，放大增益可达60 dB，适用于传递链路中的中继放大。本章节主要介绍国家授时中心光外差锁定再生光中继的光频级联传递实验结果。

2.1 光外差相位锁定再生光中继原理和实验装置

光外差锁相的中继放大装置原理如图7（a）所示，基于这种中继放大方案的两级级联传递装置示意图如图7（b）所示。

图7 基于光外差锁相的中继和224 km两级级联装置示意图

如图7（a）所示，光外差相位锁定模块通过两个反馈器件压电陶瓷（PZT）和声光调制器（AOM）将光纤激光器（线宽约1 kHz）相位锁定到光学参考腔超稳激光器的相位（线宽约2 Hz）[13]。光纤激光器输出光经AOM移频75 MHz后，利用光纤分束器分出10%通过光纤耦合器与入射的超稳激光进行拍频，拍频信号由光电探测器探测后鉴相获得误差信号，再分别经过PI1和PI2反馈给AOM和PZT。以PZT抑制带宽几kHz以内的慢速频率噪声，而AOM抑制较高傅里叶频率的噪声。鉴相器前应用的40倍模拟分频器，能够提高锁相的动态范围。

通过计算拍频信号的Allan偏差（ADEV），研究了光外差锁相中继模块的长期性能，1 ks时频率稳定度达到6×10-20，表明光外差锁相中继模块能够作为稳定的、可靠的光频传递中继放大器。

2.2 224 km实验室光纤两级级联传递

为了研究光外差相位锁定模块在级联传递中的效果，演示了一个112 km+112 km的光纤光频两级级联传递链路。光频传递实验用的光纤仍是连接国家授时中心临潼本部和航天城试验场区的光纤链路，长度为56 km。串联了该光缆中4根光纤，总长达到224 km，链路衰减0.28 dB/km，总衰减达到63 dB。

两级级联传输装置如图7（b）所示，上面框中是第一级传输，下面框中是第二级传输，两级传输装置的结构与图1所示直连传递装置基本一致。在级联传递中第一级传输接收装置的输出光注入到光外差锁相模块中作为参考激光，通过PZT补偿和AOM补偿将其中光纤激光器的输出激光相位锁定到参考激光上，实现从0.08 μW到16 mW的信号再生放大，增益达到53 dB。放大后的光频信号注入第二级的发送装置，完成第二级光频传递。通过调整光外差锁相模块的频点，使再生放大输出激光与输入激光频差为-160MHz，即可补偿第一级传递AOM1和AOM2引入的频移，避免随着级联级数增加引起频率偏移量的累积。

用快速傅里叶变换（FFT）分析仪测量了224 km光频级联传递的各级相位噪声抑制情况，各级控制带宽如表1所示。

表1 224 km两级级联传递各级控制带宽

从表1可以看出两级传输延时均对应112 km传输延时，控制带宽约为400 Hz，比较符合理论极限446.4 Hz，比224 km直接传递的实际控制带宽200 Hz大了一倍，噪声抑制效果两级112 km级联也明显优于224 km直接传递。

此外还发现光外差锁相的控制带宽约为4.2 kHz，在该频率以外光外差锁相模块输出光的相位与内部光纤激光器保持一致，而不受信号激光的影响。可以推论，当光外差锁相模块控制带宽以外本地激光器相位噪声低于前级光纤链路引起的相位噪声时，光外差锁相模块将作为传输链路中的光学滤波器，对光频信号传递有净化的作用。

图8 224 km两级光频级联传递传输稳定度

3 基于本地测量的光纤光频双向比对

原子钟之间的高精度频率比对在许多研究领域有重要应用，包括计量学、基础物理研究、大地测量等。基于光纤的双向光学频率比对研究已被多次报道，但大多是通过光纤链路两端本地激光与远程激光之间的拍频来测量频差。光纤双向光学频率比对假设两个方向的光纤噪声相同，通过对数据进行同步和事后处理，可以有效地抑制额外噪声，但在同步精度不高的情况下，短期的激光噪声会降低频率比对精度。

提出了一种改进的不需要时钟同步的光纤光学频率双向比对方法：光纤链路一端的远程信号被发送回来，在光纤链路的另一端用单台光电探测器和多通道相位记录仪同时测量了本地激光器与远程激光器之间的拍频以及本地激光器与往返传输后激光的拍频。由于可以直接减去单次传输噪声，不需要进行后处理，可以实现实时频率比对。此外，由于拍频信号探测是基于相同的探测器，具有更好的共模噪声抑制效果。

3.1 原理和装置

基于本地测量的光纤光频双向比对原理和装置如图9所示。

图9 本地测量的光频双向比对原理和装置示意图

3.2 实验结果

图10显示了50 km线绕光纤双向光频比对相对频率稳定度，用频率计数器测量拍频信号频率值，计算ADEV表示了无噪声抑制的单向光频传输（圆点）和双向光频比对（方块）的相对稳定度。双向光频比对的稳定度在1 s时为1.2×10-16，40 ks时为1.3×10-21。频率比对的性能已经远远超出了最先进的全球定位系统和双向载波相位等频率比对手段。

图10 50 km线绕光纤双向光频比对相对频率稳定度

在不使用有源光纤噪声抑制的情况下，光纤双向光频比对链路具有很好的鲁棒性。基于本地测量的光纤光频双向比对方法相比传统方法还具有在单一站点完成实时比对而无需通过数据通信进行远程事后比对的优点。有望替代传统方法完成光钟及其他先进的原子钟的高精度远程比对。

4 高精度地基授时系统千km级光频传递预研

在高精度地基授时系统中，光纤授时系统的建设目标依托我国光纤网络资源，构建我国独立自主的高精度地基光纤时间频率传递骨干网络，为用户提供高精度的光学频率、微波频率、时间信号服务。其中光频传递的指标要求是频率传输稳定度日稳10-19量级。为高精度地基授时系统预研，课题组多次在运营商提供的实地光纤网络上开展光频传递测试，近期在880 km实地光纤上开展了国内首次近千km实地光纤上的光频传递，200多秒传输稳定度达到2.0×10-19。

4.1 880 km光纤线路和实验装置

880 km实地光纤线路由临潼—涝峪往返260 km和临潼—山阳往返620 km两部分组成。光纤线路如图11所示。

图11 880 km实地光纤线路示意图

两条线路中各段光纤的距离和光纤损耗如表2所示。单程距离合计440 km，损耗～120 dB，往返距离达到880 km，光纤总损耗达到～240 dB。

表2 880 km光纤距离和损耗统计

光纤损耗导致传输光频信号功率太小无法正常探测，为补偿光纤链路损耗，同样在光纤中间站点引入了11个Bi-EDFA，每个放大器增益设置在～16 dB左右避免引起激射影响光纤噪声抑制，如图12所示。

图12 880 km实地光纤光频传递装置连接图

4.2 结果

测量评估时同样用频率计数器测量了环外拍频信号，计算了880 km实地光纤光频传递频率稳定度。其结果如图13所示。

图13 880 km实地光纤光频传递频率稳定度

5 结语

高精度地基授时系统是对现有天基授时系统的有效补充和增强，其中高精度光纤授时系统是目前授时精度最高的授时手段，主要用于科学实验和重要的工程系统。本文介绍了中国科学院国家授时中心在光纤光学频率传递方面的研究情况：突破并掌握了光纤光频直连传递技术，通过链路中间插入双向掺铒光纤放大器可将单幅传递距离扩展至近千km；研究了基于两级EDFA放大中继和光学锁相再生光中继两种级联传递技术，打破了直连传递固有传输延时限制，有望应用于高精度地基授时系统实现全国范围内万km以上的光频传递网络；探索新方法，研究基于本地测量的光纤光频双向比对，可在光纤光频传递网的基础上实现更实时的比对精度10-21量级光频比对。最后还报道了为地基授时项目预研在千km级实地光纤上的光纤光频传递实验结果。在880 km实地光纤上频率传递的稳定度2×10-19（平均时间200多秒），基本满足地基授时系统光频传递网的设计指标需求。

[1] LUDLOW A D, BOYD M M, YE J, et al. Optical atomic clocks[J]. Reviews of Modern Physics, 2015, 87(2): 637-701.

[2] BREWER S M, CHEN J S, HANKIN A M, et al. An27Al+quantum-logic clock with a systematic uncertainty below 10-18[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(3): 033201.

[3] OELKER E, HUTSON R B, KENNEDY C J, et al. Demonstration of 4.8×10−17stability at 1s for two independent optical clocks[J]. Nature Photonics, 2019, 13(10): 714-719.

[4] LOPEZ O, HABOUCHA A, CHANTEAU B, et al. Ultra-stable long distance optical frequency distribution using the Internet fiber network[J]. Optics Express, 2012, 20(2): 23518.

[5] DROSTE S, OZIMEK F, UDEM T, et al. Optical-frequency transfer over a single-span 1840 km fiber link[J]. Physics Review Letters, 2013, 111(11): 110801.

[6] LISDAT C, GROSCHE G, QUINTIN N, et al. A clock network for geodesy and fundamental science[J]. Optics Communications, 2016, 7: 12443.

[7] 刘杰, 高静, 许冠军, 等. 基于光纤的光学频率传递研究[J]. 物理学报, 2015, 64(12): 106-114.

[8] DENG X, LIU J, JIAO D D, et al. Coherent transfer of optical frequency over 112 km with instability at the 10−20Level[J]. Chinese Physics Letters, 2016, 33(11): 114202.

[9] MA C, WU L, JIANG Y Y, et al. Coherence transfer of subhertz-linewidth laser light via an 82-km fiber link[J]. Applied Physics Letters, 2015, 107(26): 261109 .

[10] FENG Z T, ZHANG X, WU R, et al. High-gain optical injection locking amplifier in phase-coherent optical frequency transmission[J]. IEEE Photonics Journal, 2019, 11(1): 7200909.

[11] JIAN D D, GAO J, LIU J, et al. Development and application of communication band narrow linewidth lasers[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(19): 190601.

[12] FUJIEDA M, KUMAGAI M, NAGANO S. Coherent microwave transfer over a 204-km telecom fiber link by a cascaded system[J]. IEEE Transaction Ultrasonics Ferroelectrics Frequency Control, 2010, 57(1): 168-174.

[13] LOPEZ O, HABOUCHA A, CHANTEAU B, et al. Ultra-stable long distance optical frequency distribution using the Internet fiber network[J]. Optics Express, 2012, 20(21): 23518-23526.

[14] KIM J, SCHNATZ H, WU D S, et al. Optical injection locking-based amplification in phase-coherent transfer of optical frequencies[J]. Optics Letters, 2015, 40(18): 4198-4201.

[15] DENG X, LIU J, JIAO D D, et al. Coherent transfer of optical frequency over 112 km with instability at the 10-20level[J]. Chinese Physics Letters, 2016, 33(11): 114202.

Progress of fiber-based optical frequency transfer in NTSC

LIU Jie1,2, DENG Xue1,2, ZHANG Xiang1,2,3, ZANG Qi1,2,3, WANG Dan1,2,3, JIAO Dong-dong1,2, GAO Jing1,2,3, WANG Dong-jie1,2,3, ZHOU Qian1,2,3, 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)

Fiber-based optical frequency transfer is an important part of the new generation of Time-Frequency System and the Ground-based Time Service System, and has shown the advantage of high precision and a potential for the future application. In this paper, we reported the new results of the fiber-based optical frequency transfer in NTSC. For the first time in China, the optical frequency transfer over a 110-kilometer-long urban fiber showed an instability of 7.5×10-20at a 10 ks average time. By using the heterodyne optical phase locking as the optical regeneration, we demonstrated an optical frequency transfer of the two-stage cascade link comprising two 112 km-long links, with an instability of 7.7×10-19at 10 ks. We demonstrated an improved local two-way optical phase comparison method without the requirement of synchronization, and implemented a real-time frequency comparison over a bi-directional 50-km fiber spool, with the relative frequency stability being 1.2×10-16at 1 s and 1.3×10-21at 40 ks. Recently, another optical frequency transfer link was implemented, and the 880 km link showed a transfer instability of 2×10-19at 200 s.

optical frequency transfer；time and frequency standards；optical fiber network；fiber based time and frequency transfer

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0231-13

刘杰，邓雪，张翔, 等. 国家授时中心长距离光纤光学频率传递研究进展[J]. 时间频率学报, 2021, 44(4): 231-243.

2021-04-30；

2021-06-18

国家自然科学基金资助项目（91636101；91836301；11803041）