国家授时中心高精度光纤微波频率传递研究进展

全洪雷，薛文祥，赵文宇，邢燕，姜海峰，刘涛，张首刚

国家授时中心高精度光纤微波频率传递研究进展

全洪雷1,2,3，薛文祥1,2，赵文宇1,2,3，邢燕1,2，姜海峰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）

为了实现远距离用户间的高精度频率信号同步，以及满足高精度地基授时系统的建设需求，中国科学院国家授时中心开展了高精度光纤微波频率传递研究。利用微波相位补偿方案，在112 km实地光纤上实现了高精度微波频率传递，获得了4.2×10-15@1s和1.6×10-18@1d的传递稳定度。与光学相位补偿方案相比微波相位补偿方案的实验结构更加简单，更加廉价，更适合大规模的工程建设。结合地基授时系统的长距离光纤微波频率的传递需求，基于同样的微波相位补偿方案，搭建了3套单段100 km的光纤微波频率传递系统，在300 km的光纤卷轴上进行了级联传递实验，获得了1.1×10-14@1s和6.8×10-18@105s的传递稳定度，该实验结果对高精度地基授时系统的建设有着支撑作用。

光纤；微波频率；频率传递；稳定度

0 引言

高精度频率信号远距离传递在基础物理研究[1]、射电天文观测[2-3]、时间频率计量[4]等领域中有着重要的应用。目前进行高精度频率信号的传递方式主要有：基于卫星链路的卫星共视[5]、卫星双向时间频率传递[6-8]，以及基于光纤链路的频率信号传递。虽然基于卫星链路的时间频率传递距离可以达到数千km，可以用于洲际间传递，但易受大气扰动，卫星轨道波动等因素的影响，基于卫星链路的传递手段抗干扰性较差。而基于光纤链路的频率信号传递借助于光纤介质的损耗低、抗干扰性强、可持续性强等优点，可以实现更高精度的频率传递。在过去的二十年中，基于光纤的时间频率传递引起了世界各国的广泛研究[7]。目前，欧洲已经建成泛欧的光纤时频传递网络[9-12]，我国也启动了覆盖全国的基于实地通讯光纤的时间频率传递网络建设（国家十三五重大科技基础设施—高精度地基授时系统）。

基于光纤的频率信号传递方法，可以根据所传递的信号种类分为光频传递、光学频率梳信号传递和微波信号传递。光纤光频传递可以实现1×10-20@104s的传递稳定度[11-13]，满足光钟频率信号的远距离传递，但所传递的是光学频率无法被电子学设备直接使用，通常需要借助于光学频率梳。光纤光学频率梳传递具有同时传递光频信号与微波信号的优点[14-15]，但使用时会受限于光学频率梳的高成本。光纤微波频率传递利用微波频率信号强度调制到载波激光上，通过光纤传递到远端。目前，广泛应用的原子频标都工作在微波频段，而且微波信号也可以被电子学设备直接使用，所以光纤微波频率传递具有广泛的应用需求。根据对光纤链路噪声的补偿原理不同，基于光纤的微波频率传递可以分为：光学相位补偿与微波相位补偿两类。光学相位补偿是通过光纤拉伸器与温控光纤卷轴同时作用，控制信号光在光纤链路中的传输时延，实现对光纤链路的附加扰动噪声的补偿。2006—2010年法国巴黎天文台基于光学相位补偿原理，在86 km实地通信光纤上进行了一系列实验研究[13, 16-17]，在2010年实现传递稳定度为1×10-15@1 s和2×10-19@1 d的9.15 GHz微波频率信号传递[17]。2020年中国科学院国家授时中心基于光学相位补偿原理，实现10 GHz频率信号50 km传递，稳定度为4.38×10-15@ 1 s和2.80×10-18@ 65.5×103s[18]。而微波相位补偿，通过调整发射信号的相位，实现对光纤链路噪声的补偿。2012年清华大学—中国计量科学研究院联合实验小组利用微波相位补偿方案，在80km光纤上，实现稳定度为7×10-15@1s和 5.3×10-19@1d的9.1 GHz微波频率信号传递[19]。但无论采用哪种补偿方式，单段光纤微波频率传递的噪声补偿带宽会随着传递距离的增加而减小，解调的传递信号信噪比也随着传递的距离的增加而降低。所以对于超长距离的微波频率传递，需要将光纤链路分割成多段链路，进行级联传递。在实际应用中，如果多个远端用户呈线性分布，采用级联的方式进行频率传递，还可以同时为多个用户提供标准频率信号。2010年日本国家信息与通信研究院在204 km城市光纤上进行级联微波频率传递实验，稳定度为6× 10−14@1 s和5×10−17@1d[20]。2015年清华大学利用基于微波相位补偿的传递设备在实验室光纤上实现了145 km的级联传递，稳定度为1.3×10−14@ 1 s和4.1×10−17@ 104s[21]。2016年上光所基于光学相位补偿在京沪光纤干线上实现了430 km的级联传递，稳定度为1.02×10−13@ 1 s和8.24×10−17@ 104s[22]。由于光学相位补偿需要同时使用光纤拉伸器与温控光纤卷轴，以及光纤温控卷轴的体积较大。在进行多段传递设备级联传递时，实验结构更为复杂繁琐。相比于光学相位补偿方案，结构简单的微波相位补偿方案更适合于级联传递，实现超远距离微波频率传递。中国科学院国家授时中心针对高精度地基授时系统的建设需要，也开展了基于微波相位补偿的级联光纤微波频率长距离传递研究。

本文将介绍国家授时中心在光纤微波频率传递方面的研究工作进展，包括光纤微波频率传递系统的研制，单段112 km光纤微波频率传递实验[23]，以及利用实验室光纤进行300 km级联光纤微波频率传递实验[24]。

1 传递系统基本原理

当频率信号沿光纤链路传递时，由于外界的机械振动与温度变化的影响使标准频率信号的相位噪声恶化，降低了传递稳定度。为了实现频率信号的高精度传递，通常使信号沿着相同的光纤链路往返传递一次，并假定往返传递所需的时延相同。传递系统在本地端通过比较往返传递信号的相位变化，获得单向传递时光纤链路所引入的相位扰动，并在本地端利用锁相环对光纤引入的相位扰动进行实时补偿，使远端用户获得稳定的频率信号。

注：PDRO为锁相介质谐振振荡器（phase-lock dielectric resonance oscillator）；PD为光电探测器（photodetector）；DCF为色散补偿光纤（dispersion compensation fiber）；PLL为锁相环（phase locked loop）

图1 传递系统基本原理

光纤链路的色散会使信号光展宽，进而造成信号光所携带的微波信号相位发生改变，使光电探测器解调得到的微波信号时引入额外的噪声，使传递稳定度下降。为了避免光纤链路色散的影响，通常会在光纤链路中接色散补偿光纤，引入与光纤链路色散量相等的负色散，以改善光电探测器解调的微波信号的相噪，提高传递稳定度。

随着传递距离的增加，光纤链路的衰减使远端解调得到的微波信号的信噪比下降，降低传递稳定度。同时光纤频率传递的控制带宽受限于1/4（为光纤链路的传输时延），所以控制带宽随传递距离的增大而减小，造成对链路噪声的补偿能力下降。为实现远距离光纤微波频率传递，通常将多段传递系统级联起来，即上一段传递系统的远端接收信号为下一段传递系统的参考信号，如图2所示。这样既可以保证远端探测得到的微波信号的信噪比，也可以提高链路噪声的抑制能力。

图2 级联传递系统

2 单段112 km光纤微波频率传递

根据上述原理我们将参考频率选择为4 GHz，发射频率为10 GHz，搭建了一个10 GHz光纤微波频率传递实验系统，如图3所示。我们利用该系统在国家授时中心临潼本部—西安导航试验场区间的实地通信光纤上进行微波频率传递实验。一般实地光纤链路损耗较大，经测试，临潼本部—西安导航试验场区—临潼本部112 km的光纤链路总衰减达到36 dB（折合约0.32 dB/km），大于光纤的标称值22.4 dB（0.2 dB/km）。为提高信噪比，我们在西安导航试验场区接入一个双向掺铒光纤放大器（EDFA），其增益约为15 dB。

在本地端10 GHz PDRO产生10 GHz发射信号，并通过马赫曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM），将发射信号强度调制到波长为1 547.71 nm的载波激光上，经光纤发送到远端。在远端将该微波信号利用PD解调出来并4分频（HMC365）后，调制到波长为1 548.51 nm的载波激光上回传到本地端。在本地端进行链路噪声测量，并利用锁相环控制微波发射信号相位对链路噪声进行实时补偿，使远端获得稳定的频率信号。实验中，我们将发射端激光波长设为1 547.71 nm，接收端激光波长设为1 548.51nm；使发射端与接收端的激光波长略微差开0.8 nm，以避免相干瑞利散射的影响。在112 km的光纤链路（SM-28e）中总色散量为：112 km×17 ps/（nm·km），长距离光纤链路的色散会使信号光展宽，使PD解调的微波信号的信噪比下降，降低传递稳定度。为了降低色散的影响，在光纤链路中接入与112 km光纤链路色散量对应的负色散补偿光纤，对光纤链路的色散进行补偿，改善接收信号的相噪，提高传递的稳定度。色散补偿光纤的损耗约为10 dB，因此我们在发射端与112 km光纤链路间接入另一个双向掺铒光纤放大器（EDFA）以对光的衰减进行补偿。

注：LNA为低噪声放大器；Bi-EDFA为双向掺铒光纤光放大器；EDFA为单向掺铒光纤光放大器；PD为光电探测器

为了评估该传递系统的性能，我们测量远端复现的10 GHz信号相对于本地端4 GHz参考信号在时域中的稳定度—用Allan方差来表征。在频域中测量远端10 GHz信号相对于本地端4 GHz参考信号的剩余相位噪声。

自由链路和补偿链路剩余噪声如图4所示，其中曲线（a）为远端10 GHz接收信号相对于本地端10 GHz发射信号的剩余相位噪声，该曲线可以直接反应出112 km自由光纤链路的噪声情况。曲线（b）为112 km补偿链路的剩余相位噪声。曲线（c）为0 km光纤链路（利用光纤衰减器代替实际光纤链路）补偿后的剩余噪声，可以反映传递系统所能补偿的极限。曲线（b）与（c）在1～100 Hz处的噪声相当，说明系统可以很好地对链路噪声进行补偿。

图4 112 km传递剩余相位噪声

图5中的圆点曲线（a）展示了10 GHz传递系统在112 km光纤上所获得的传递稳定度，稳定度为4.2×10-15@1 s和1.6×10-18@1 d。方块曲线（b）为自由链路运转时，将10 GHz标准频率信号直接经光纤发送到远端，远端接收的10 GHz信号相对于本地端10 GHz标准信号的稳定度。为了确定系统的传递稳定度极限，通常利用光纤衰减器来代替光纤链路，以达到无链路噪声引入的条件。三角曲线（c）为利用光纤衰减器代替光纤链路的传递系统底噪。系统的112 km传递稳定度与系统的底噪的短期稳定度有着很好的吻合。实验中由于本地端与远端均位于同一间实验室内，本地端的10 GHz发射信号的相位处于不断的变化中，由于微波泄露使发射信号泄漏到测试模块中，形成信号串扰，使112 km的长期传递稳定度恶化。同时室外温度的波动使光纤链路的折射率处于变化中，而由于往返传递的信号光的波长不同导致，往返传递的信号存在一定的时延差使长期稳定度变差。两者共同作用使112 km的传递稳定度高于系统的传递底噪。

图5 112 km传递稳定度

我们将法国巴黎天文台（LNE-SYRTE）、清华大学（THU）已报道的成果总结在表1中。我们传递的频率是较高的10 GHz可以获得很好的鉴相分辨率，同时我们往返传递信号采用不同的频率可以很好地避免寄生反射的影响。所以我们获得了很好的短期稳定度。长期稳定度主要受限于载波激光波长差造成的往返传递时延不对称，当外界环境温度变化时光纤链路的折射率也随温度变化，使往返传递的时延差出现波动，使长期稳定度下降。这种由于光纤链路色散引起的往返传递时延差的波动，可以通过减小往返载波激光的波长进行改善。由于该传递系统具有避免寄生发射影响的能力，对环境的适应性较强，非常适合在情况复杂多变的城市通信光纤上进行微波频率传递。

表1 单段传递系统指标对比

3 300 km光纤微波频率级联传递实验

为了实现级联传递，我们根据上述原理搭建了两套9 GHz传递系统，与上述112 km传递实验中所用的10 GHz传递系统，共同进行光纤微波频率级联传递实验。根据锁相关系9 GHz传递系统的参考频率为3.6 GHz。将3套传递设备以如图6所示的顺序先后级联起来，形成一个3段级联微波频率传递实验系统。

图6 级联300 km光纤微波频率传递

根据锁相原理，经过第一段10 GHz传递系统在远端1获得10 GHz频率信号。而第二段9 GHz传递系统却需要3.6 GHz参考信号。于是需要在远端1与本地端2之间加入一个10 GHz转3.6 GHz低噪声频率转换模块如图7（a）所示。远端1的10 GHz信号经过一个谐波丰富的十分频器分频后功分两路，其中一路利用4 GHz带通滤波器，选择出4 GHz谐波；另一路利用2 GHz带通滤波器选择出2 GHz谐波，随后将2 GHz进行5分频，得到400 MHz信号。该400 MHz信号与4GHz信号进行混频得到3.6 GHz信号，随后该3.6 GHz利用低噪声放大器放大后输入到9 GHz传递系统中。同理远端2与本地端3之间也需要一个9 GHz转3.6 GHz低噪声频率转换模块，如图7（b）所示。首先将远端2接收到的9 GHz标准频率信号，利用一个谐波丰富的9分频器进行分频，并利用3.6 GHz带通滤波器筛选出3.6 GHz谐波，利用低噪声放大器放大后将3.6 GHz输入到第3段9 GHz光纤微波频率传递系统中。

两个低噪声频率转换模块的附加噪声属于系统的环外噪声，不能被系统中的噪声补偿执行机构补偿掉。因此两个低噪声频率转换模块的附加噪声要尽可能的小，否则将会对级联系统的传递稳定度造成很大的影响。为了使频率转换模块噪声尽可能低，在设计中严格遵循了4个基本的设计原则：① 避免大系数分频；② 减少频率变换的次数；③ 选用低噪声芯片；④ 尽可能使变换模块小型化。每种低噪声频率转换模块我们均制作了两个，并将同源的10 GHz或者9 GHz参考信号，输入到频率转换模块中，利用与2中相同的鉴相电压稳定度测量法测量输出3.6 GHz的频率稳定度，如图7（b）所示。

图7 低噪声频率转换模块

为了评估级联光纤微波频率传递系统的性能，我们同样采用外差法测量法测试了级联系统的传递稳定度。我们在300 km级联传递系统稳定度进行测试，也测量了级联传递系统中每个单段传递系统的传递稳定度，如图8（a）所示。第一段与第三段的短期传递稳定度都可以达到4×10-15@1s量级，由于3个单段的传递设备的一致性不是很好，造成三段传递稳定度曲线下降斜率不一致，第二段的传递实验中由于没有使用色散补偿光纤，造成第二段传递的稳定度较差。10～3.6 GHz低噪声频率转换模块（low noise frequency conversion 1，FC1）的稳定度达到3.9×10-15@1 s，其稳定度主要受限于相对较多的频率变换次数。9～3.6 GHz的低噪声频率转换模块（low noise frequency conversion 2，FC2）的稳定度为1.5×10-15@1s优于单段光纤微波频率传递系统。但由于实验室内的温度波动，造成频率转换模块的稳定度曲线在200 s处出现变平。如图8（b）所示。

图8 级联传递系统的传递稳定度

图9展示了测量的300 km级联的传递稳定度，1.1×10-14@ 1 s和6.8×10-18@105s（方块曲线）。

图9 300 km级联传递稳定度

根据级联传递稳定度与传递系统内各部分的稳定度关系：

表2 级联传递系统指标对比

我们将近年来已报道的日本国家信息与通信研究院（NICT）、清华大学（THU）和上海光学与精密机械研究所（SIOM）的级联传递研究成果总结在表2中。级联系统中每一级的传递频率为10 GHz或者9 GHz以保证鉴相分辨率，每一级均采用不同频率的往返传递信号以保证系统对各种光纤链路条件的适应性。相比于光学相位补偿方案，我们采用通用的PDRO作为链路噪声的补偿器件，可以使实验结构更加简单，成本更加低廉，非常适合地基授时系统中大规模光纤微波频率传递网络建设的工程应用。

4 结论

本文介绍了中国科学院国家授时中心在光纤微波频率传递方面的进展。利用研制的10 GHz光纤微波频率传递设备在112 km实地光纤上进行实验，获得了4.2×10-15@1 s和1.6×10-18@1 d的传递稳定度。基于同样的实验原理，搭建了3套微波频率传递系统，并在300 km的实验室光纤上进行了级联传递实验，获得了1.1×10-14@1 s和6.8×10-18@105s。传递系统可以很好地避免链路上寄生反射的影响，具有较好的光纤链路适应性，可以在连接点较多的、衰减较大的复杂光纤链路上开展传递实验，可靠性较高。相比于光学相位补偿方案，我们的传递系统采用微波相位补偿方案，传递系统结构简单，便于大规模的工程应用，高精度地基授时系统中光纤微波频率传递分系统的建设工作将以上述实验结果为基础展开。

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Progress of high-resolution fiber-based microwave frequency dissemination in NTSC

QUAN Hong-lei1,2,3, XUE Wen-xiang1,2, ZHAO Wen-yu1,2,3, XING Yan1,2,JIANG Hai-feng1,2,3, 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)

In order to achieve the synchronization of the high-precision frequency signal between the long-distance users and meet construction needs of the High-precision Ground-based Time ServiceSystem, the National Time Service Center (NTSC) has carried out the research on fiber-based microwave frequency transmission. Based on microwave phase compensation, the single-stage microwave frequency dissemination experiment via a 112 km urban fiber was carried out, and an instability of 4.2×10-15at 1 s and 1.6×10-18at 1 d was achieved. Furthermore, a cascaded fiber-based microwave frequency dissemination experiment was carried out via 300 km fiber spools with three 100 km single-stage dissemination systems, exhibiting an instability of 1.1×10-14at1s and 6.8×10-18at 105s. Compared to the optical phase compensation scheme, the microwave phase compensation scheme is of sample structure and less pricy, and is thus more suitable for large-scale engineering construction. The results of this research are a good support for the construction of the High-precision Ground-based Time ServiceSystem.

fiber; microwave frequency; frequency dissemination; instability

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0255-11

全洪雷, 薛文祥, 赵文宇, 等. 国家授时中心高精度光纤微波频率传递研究进展[J]. 时间频率学报, 2021, 44(4): 255-265.

2021-04-28；

2021-07-09

中国科学院“西部之光”人才培养计划“西部青年学者”资助项目（29202082）