光纤时频传递技术进展

杨文哲，杨宏雷，赵环，王学运，张升康

光纤时频传递技术进展

杨文哲1,2,3，杨宏雷1,2，赵环1,2，王学运1,2，张升康1,2

（1. 北京无线电计量测试研究所，北京 100854；2. 计量与校准技术国家级重点实验室，北京 100854；3. 中国航天科工集团二院研究生院，北京 100854）

光纤信道具有传输稳定、带宽大、不易受干扰等特点，近年来在高精度时间频率传递方面得到广泛的应用。目前，在区域地区内通过光纤网络传递时间频率信号的实现方案主要分为3类：光纤微波时间频率传递方案、光纤光频传递方案、基于光学频率梳的光纤时间频率传递方案。最新的报道表明，光纤微波时间频率传递方案的频率传递稳定度已达到5×10-19/d，时间传递稳定度达到11 ps/d；光纤光频传递方案的频率传递稳定度达到7.5×10-20/10 ks；基于光学频率梳的光纤时间频率传递方案的频率传递稳定度达到1.7×10-18/100 s，时间传递稳定度达到飞秒量级。鉴于光纤时频传递技术的飞速发展，综述了光纤时间频率传递技术的发展历史，总结了各类光纤时频传递的具体实现方案及其性能，评述了各种光纤时频传递的实现方案。

光纤网络；时间传递；频率传递

0 引言

随着互联网和自动控制设备逐步覆盖生活中的每一个角落，时间频率传递技术成为设备协同工作甚至是整个社会正常运转的重要保证。高精度的时间频率传递技术已经广泛地应用在科学研究、军事安全、航空航天、导航定位、金融证券、铁路运输等诸多领域。例如，国际原子时（International Atomic Time，TAI）是目前的国际时间标准，是通过对世界上多个国家守时实验室中的原子钟进行比对，并对比对数据进行加权计算得到的[1]。原子钟比对过程离不开远程时间频率传递技术。在基础物理学[2-4]、大地测量学[5]、无线电天文学[6]等很多学科的大量基础实验中，远程时间频率传递技术能够为天线阵列、射电天文望远镜等大型实验设备提供精确、稳定、一致的时间频率参考信号，保证实验设备的长期稳定运行及测量精度。目前，GNSS共视法[7-8]，GNSS全视法和卫星双向时间频率传递法[9-10]是应用广泛、技术成熟的基于卫星的时间频率传递方法。这3种方法在原子时比对、时间统一和雷达探测等领域广泛应用，其时间比对不确定度均在纳秒量级，频率比对不确定度可达10-15/d。

然而，近年来随着原子钟性能指标的不断提升以及光钟的出现，铯喷泉原子钟的不确定度已经达到10-15量级[11]，光钟系统的不确定度已经达到10-19量级[12]。GNSS共视法、GNSS全视法和卫星双向时间频率传递法已经无法完成这些新型原子钟和光钟之间的比对，以及时间频率标准的播发、导航定位系统、武器装备、量子物理学、测绘学等各方面的应用需求。因此，亟需研究更高精度的时间频率传递技术。由于光纤信道传输稳定、带宽大、不易受干扰，时频计量领域的专家学者们开始尝试通过光纤传输高精度的时间频率标准信号。时至今日，各个时频计量实验室已经在光纤时间频率传递技术上取得了巨大的进展。最新的报道表明，光纤微波时间频率传递方案的频率传递稳定度已达到5×10-19/d；时间传递稳定度达到11 ps/d；光纤光频传递方案的频率传递稳定度达到7.5×10-20/105s；基于光学频率梳的光纤时间频率传递方案的频率传递稳定度达到1.7×10-18/100 s，时间传递稳定度达到飞秒量级。并且随着光纤时间频率传递的不断发展，区域范围内的大规模光纤时频同步网络建设已经被各国提上日程。2012年，由欧盟9国（德国、法国、英国、奥地利、意大利、荷兰、瑞典、芬兰、捷克）共同出资合作开展的联合研究项目NEAT-FT正式启动[13]，旨在建设一个频率传输稳定度优于10-17/d，时间同步不确定度优于100 ps的欧洲时频光纤同步网络。本文综述了光纤时间频率传递技术的发展历史，总结了光纤时频传递的具体实现方案及其性能，评述了各种光纤时频传递的实现方案。

1 光纤时间频率传递的发展历史

光纤时间频率传递技术起源于美国国家航空航天局（NASA）对数千千米距离无衰减传递时间频率标准信号的需求。1970年代末期，在NASA深太空网络（deep space network，DSN）的空间导航和跟踪功能建设中，以及无线电科学实验中，都需要使用高精度的时间频率信号。然而，同轴电缆传输逐渐无法满足系统稳定性、可靠性等方面的需求。于是，具有低损耗、低噪声、抗电磁干扰等优点的光纤光缆成为了新的传输媒介。NASA下设的喷气推动实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）开展了光纤光缆时频信号传递技术研究[14]，并开始铺设光缆。1980年，JPL实验室安装了第一条光纤实验链路，从时间频率实验室到频率标准建筑，使用62.5/125 μm多模光纤，单向距离1.5 km。实验成功传输100 MHz的氢钟频率标准信号[15]，证实光纤能够取代同轴电缆和微波链路，传递频率参考信号。随后，NASA在DSN站点间铺设了单模光纤光缆。1989年，NASA DSN GDSCC（Deep-space Communications Complexes located near Goldstone，CA）中心首次实现了通过光纤光缆传递时间频率信号[16]，为所有天线同时提供时间和频率参考信号，传输距离10 km。随着DSN不断建设和升级，NASA大力推动了光纤时频传递技术的发展。在1990年代，JPL实验室研制了光纤播发集成器（fiber-optic distribution assembly，FODA），并建立了基于FODA的开环频率播发系统[17]，为深太空网络的各种天线提供高稳定度的频率参考信号。同时深入测试了光电设备、光纤光缆等各方面引入的噪声对于频率传递稳定度的影响，并提出了主动相位稳定技术，设计形成了Stabilized FODA（SFODA）闭环频率播发系统[18-19]，其长期稳定度比之前的开环系统提升了3个量级，应用于需要更高精度频率参考信号的新型天线和特殊实验。

NASA DSN成功通过光纤传递时间频率信号[20]，开启了通过光纤链路实现高精度时间频率传递和比对的先河。随后，大量专家学者对NASA研制的时间频率传递技术进行了改进，如增加噪声消除设备，解决光纤色散问题等，并在此后的几十年里不断地改进和突破，利用10 MHz，1 PPS，B码等微波时间频率信号对激光信号强度进行调制，并通过反馈结构补偿链路噪声，使接收端通过光电探测技术获得与发射端一致的时间频率信号，从而实现了时间频率传递，逐渐形成了以微波时间频率信号调制光信号为主要方式的一类传递方法。本文将这类方法称为光纤微波时间频率传递。同时，随着光钟技术日益成熟，全球出现了大量超高稳定度的光钟，而这些光钟需要新的高稳定度的传递方法来相互比对。2003年NIST的Ye Jun等人进行了了光学频率标准的相干相位传递[21]，并利用光学频率梳系统进行测量，最终获得了很高的频率传递稳定度，优于光纤微波频率传递方法。此后，各国学者们不断深入研究并改进试验装置，通过超窄线宽激光信号的直接传输，并利用拍频技术测量链路相位噪声，利用反馈控制结构补偿链路噪声，最终实现了超稳光学频率传递，逐渐形成了以光载波直接传递为主要方式的一类频率传递方法。本文将这类方法称为光纤光频传递。自2005年诺贝尔物理学奖涉及飞秒光学频率梳以来，飞秒光学频率梳优良的时域和频域特性使其在绝对距离测量、光学频率测量等领域备受关注。目前，部分学者利用光纤链路传输飞秒光学频率梳产生的脉冲光信号，通过测量脉冲光信号的重复频率实现微波频率的传递；通过测量二次谐波信号，得到两束脉冲光信号之间的时间差，最终实现了飞秒量级的时间同步。本文将这类新兴的方法称为基于飞秒光学频率梳的光纤时间频率传递。

2 光纤时间频率传递技术综述

如前文所述，在区域地区范围内通过光纤网络传递时间频率信号的实现方案主要分为3类：①光纤微波时间频率传递；②光纤光频传递；③基于飞秒光学频率梳的光纤时间频率传递。

2.1 光纤微波时间频率传递

光纤微波时间频率传递是利用电光调制技术使时间频率信息搭载到光信号上完成远距离传递。根据所用的调制信号类型，光纤微波时间频率传递又可以分为光纤微波频率传递和光纤微波时间同步。

2.1.1 光纤微波频率传递

光纤微波频率传递的基本思想是，利用10 MHz，100 MHz等频率标准信号对连续激光信号进行电光调制，使其携带微波频率标准信息；经光纤链路传递到用户端后，利用光电探测技术解调激光信号，恢复出微波频率标准信号，其原理装置图如图1所示。

实际上，频率传递补偿系统的原理和组成并不唯一，而补偿系统的效果也决定着整个系统的频率传递稳定度结果。因此目前国内外学者们正在不断地改进补偿系统，提升系统频率传递稳定度。M. Fujieda[22]等根据双混频时差方法，利用下变频器和商用TS 5110A构建了一个高精度相位差测量系统，将需要测量的往返信号与本地信号之间的相位差扩大了100倍，从而提高了测量分辨率，更加精确地补偿链路噪声，最终在51 km光纤卷轴中完成了频率传递，频率稳定度达到10-17/60 ks。王波[23]等利用9.1 GHz信号调制连续光信号，并通过混频鉴相结构反馈控制调制信号相位，补偿光纤链路相位噪声的同时，补偿了激光器、放大器等设备引入的相位噪声，最终在80 km实地光纤链路中实现了高精度频率传递，频率稳定度高达5×10-19/d。

2.1.2 光纤微波时间同步

光纤微波时间同步的基本思想是，首先参考1 PPS时间标准信号产生编码信号，利用编码信号对连续激光信号进行电光调制，使其携带微波时间标准信息；通过光纤链路连接的两端站点同时向对方发射出光信号，在接收到光信号后，利用光电探测技术解调激光信号，恢复出编码信号，经过解码后恢复出1 PPS信号；再测量发射与接收时刻的时间间隔，并根据双向法原理，解算两端时钟钟差，其原理装置图如图2所示。根据round-trip原理同样能够完成时间同步，同步过程与频率传递过程相似。而双向法与round-trip法基本相似，都是基于信号在光纤中双方向传输噪声近似相等的原理，通常用于时间同步，具体流程如图2所示。

图2 光纤微波时间同步原理装置图

公式（6）和（7）相减可得：

最终，两站之间的时差可以通过两站时间间隔测量结果和链路传输不对称时延计算得到，实现两站点时间同步。因此，系统时间同步精度和不确定度取决于时间间隔测量设备的性能指标以及光纤链路、发射接收等环节所引入的双向传输不对称时延。目前国内外学者们致力于解决双向传输时延不相等的问题。P. Krehlik[24]等提出光纤链路双向传输时延不相等的两个主要因素是发射机波长不同所带来的色散效应和光纤双折射带来的偏振膜色散效应。所幸偏振膜色散影响很小，系数通常小于0.05 ps/km-1/2，可以忽略。通过减小双向传输波长差的方式，能够有效地减小色散效应引起的时延失配量。理论上，使双方传输波长完全相等能够彻底消除色散效应，但是如此一来瑞利后向散射光会带来极大的噪声，直接影响时间传递的短期不确定度，增大频率传递的相位噪声。因此，选择采用不同双向传输波长，抑制了瑞利后向散射噪声，并对色散效应引起的延迟失配量进行校准[25]。这种校准方法在短距离系统中能够解决问题，但是随着传输距离的增加，校准过程变复杂，校准不确定度下降。随后，胡亮[26]等提出了双向时分复用形式的光纤时间同步技术，在一根光纤中采用相同的双向传输波长，消除了色散效应引起的延迟失配量；再利用时分复用技术错开光发射和光接收的时刻，保证光接收机不会接收到瑞利后向散射光。最终，时间同步不确定度达到40 ps/s，11 ps/d。

除了光纤链路会引入双向传输不对称时延之外，系统设备时延同样会造成双向时延不相等，如光发射接收机、双向光放大器等。J. Kodet[27]等提出光纤双向时间同步系统内部时延会造成双向传输时延失配，并且在短距离同步中影响程度大于色散等因素占据主导地位。因此，深入研究了系统端机内部时延随温度变化的情况，并提出了电学、光学领域两种补偿方法。最终时间同步不确定度达到亚皮秒量级。张浩[28]等发明了一种单纤双向时分复用光放大装置，控制双向光信号在不同的时刻通过同一个放大装置，彻底解决了放大器在双向上传输时延不相等的问题。

2.1.3 小结

相比其他两类方法，光纤微波时间频率传递方案发展时间最长，技术成果最多，大量研究单位已经在商用光纤中证实了可行性。此外，光纤级联式系统[29-30]、链路多点下载[31]、用户端补偿[32]等网络构建应用技术已经被提出，大大提升了光纤微波时间频率传递方案的工程实用性，为大规模光纤时频网络的建设提供了技术基础。因此该方案适合用于传输目前广泛应用的原子钟所产生的时间频率标准信号，适合用于建设各种大中小型的光纤时频网络。但是该方案的时间同步不确定度和频率传递稳定度结果普遍低于其他两类方法。因为这类技术并没有应用光信号的特性，只是将光纤作为传输媒介，光信号作为传输工具。

2.2 光纤光频传递

光纤光频传递的基本思想是，超稳连续波激光器系统产生光载波信号，信号经过光纤链路到达用户端，用户端从光载波信号中能够直接获得具有高稳定度的光学频率，通过光学频率梳能够得到其他光学频率和微波频率，其原理装置如图3所示。与2.1节相同，为了根据round-trip原理消除光纤链路引入的相位噪声，需要形成闭环链路。在用户端放置法拉第镜，将光载波信号反射回到本地端，并加入光放大器，补偿传输损耗。本地端对往返光信号和本地光信号进行拍频，得到光纤链路引入的噪声，进而通过反馈控制单元控制声光调制器，将发射信号移频以补偿相位噪声；而用户端的声光调制器将回传信号移频，以便于本地端区分接收到的回传信号和链路节点反射光、瑞利散射光等干扰信号。

图3 光纤光频传递原理装置图

光纤光频传递方案的系统装置简单，由于不需要色散补偿且对偏振膜色散不敏感，适合长距离传递。K. Predehl等在920 km[33]超长实地光纤链路中成功传递光载波信号，利用低噪声掺饵光纤放大器EDFA和光纤布里渊放大器FBA补偿链路中高于200 dB的功率损耗，系统不稳定度达到5×10-15/s，10-18/1ks，并且发现光纤链路不稳定度在整个系统的不稳定度中只占小部分。因此，随后这一小组的S. Droste等在1 840 km[34]光纤链路中完成了光频传递，系统频率传递秒稳定度在10-15量级，没有因为距离的增加而大幅恶化。此外，光纤光频传递方案不再将光信号仅仅作为传输载波，直接利用光学频率完成高精度频率传递。因此，该方案的频率传递稳定度结果非常高，相比光纤微波频率传递提升了1~2个量级。刘涛[35]等通过自研的超稳窄线宽激光器在112 km实地光纤中完成了高精度光学频率传递，相对频率秒稳定度达到2.5×10-16/s，长期稳定度达到7.5×10-20/10 ks。同时，该方案与光钟频率信号十分契合，适用于高精度光钟比对。2009年日本NMIJ 研究所的F. L. Hong等经过120 km光纤远距离测量87Sr光钟[36]，最终测量不确定度为6×10-16。2011年日本NICT 研究所的M. Fujieda等人建立了全光链路，采用光纤光频传递方案，实现了两地87Sr光钟比对[37]，其链路传递稳定度为2×10-15/s，4×10-18/1 ks。

在实现了超高稳定度频率传递的同时，通过波分复用技术将光纤微波时间传递方案和光纤光频传递方案相结合，能够实现高精度时间传递。例如，O. Lopez[38]等在使用超稳激光器传递光学频率信息的同时，利用光相位调制技术将时间信号调制到光信号上进行传输，时间信号由卫星双向调制解调器提供，最终使用一台激光器同时实现了时间和频率传递，时间稳定度达到20ps/1ks。总之，光纤光频传递方案具有频率传递稳定度高、适合长距离传输等优点，适用于高精度光钟比对，为新一代光钟研制工作提供了重要保障。

2.3 基于飞秒光学频率梳的光纤时间频率传递

飞秒光学频率梳信号是脉冲形式的光信号，脉冲宽度达到飞秒量级，并且能够同时提供稳定的微波频率和光学频率，因此飞秒光学频率梳成为了时间频率同时传递的理想源。基于飞秒光学频率梳的光纤时间频率传递的基本思想是，锁定到时间频率源上的飞秒光学频率梳产生脉冲信号，经过光纤链路传递到用户端；用户端通过测量飞秒脉冲时延和重复频率分别获得高精度时间信号和高稳定度频率信号，其原理装置如图4所示。图中BS为半透半反镜，它将一部分飞秒脉冲信号被反射回到本地端，另一部分被用户端接收。与2.1和2.2节相同，回传信号经过测量后用于补偿光纤链路噪声。

图4 基于飞秒光学频率梳的时间频率传递方案原理图

目前，主要采用快速光电探测技术测量重复频率。2010年英国国家物理研究所（National Physical Laboratory，NPL）的G. Marra等在86 km光纤链路中成功传输了重复频率为250 MHz的飞秒光学频率梳信号[39]，并通过测量重复频率的高次谐波实现了高精度的频率传递，最终传递秒稳定度为5×10-15，长期稳定度为4×10-17/1 600 s。2016年，北京大学的张志刚小组在120 km光纤链路中同样实现了基于飞秒光学频率梳的频率传递[40]，传递秒稳定度为5.28×10-16，长期稳定度为1.7×10-18/100 s；同时运用密集波分复用技术，结合光纤微波时间传递技术实现了时间频率同传。不同于重复频率的测量，飞秒量级时延测量系统不能使用传统的光电探测技术，因为传统光电测量会引入皮秒量级的时间抖动，大于脉冲信号的宽度。2007年，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的J. Kim，J. A. Cox等提出了一种单晶体平衡互相关方法[41]，利用二次谐波信号，测量两个飞秒脉冲之间的时间偏差，并使用该方法在300 m实验室光纤链路中实现了光-光和光-微波之间的长期时间同步[42]，同步稳定度分别为9×10-21/12 h，1.9×10-19/10 h。2016年，北京无线电计量测试研究所的石凡等根据飞秒脉冲二次谐波相关探测原理，使用BBO倍频晶体，构建高精度的时间同步测量系统[43]，系统能够实现10 fs量级的时间同步。由于飞秒光学频率梳信号脉宽非常窄，因此这一方案的时间传递结果明显优于2.1小节中所述的光纤微波时间传递方案，等效稳定度结果也提升了数个量级。

基于飞秒光学频率梳的时间频率传递方案中，频率传递方案与光纤微波频率传递方案有相似之处，发展较快，技术成熟，时间同步方案则发挥了脉冲光信号的特点，实现了超高精度的时间同步。不过，目前各国学者的时间同步研究成果都是在实验室中或实地的短距离光纤中完成的，在长距离光纤中没有成功的案例。由此可见，基于飞秒光学频率梳的时间同步方案尚不成熟，处于实验室研究阶段，仍有待改进。此外，从工程应用的角度来看，精密的飞秒光学频率梳成本高昂且工作环境严苛，因此该方案仅适用于时频领域实验室之间的时间同步和频率比对，难以用于大规模的光纤时频网络以及不具备精密实验环境的情况。

3 结语

目前光纤时间频率技术主要分为3类：①光纤微波时间频率传递方案；②光纤光频传递方案；③基于飞秒光学频率梳的光纤时间频率传递方案。光纤微波时间频率传递方案发展时间长，工程实践经验充足，适合用于传输原子钟所产生的时间频率标准信号，适合用于建设各种大中小型的光纤时频网络。而光纤光频传递方案则利用了连续波光信号的特性，其频率传递稳定度高，秒稳定度达到10-15量级，长期稳定度达到10-19量级，能够满足光钟所产生的光学频率标准传递和比对的使用需求。基于飞秒光学频率梳的时间频率传递方案利用了脉冲光信号的特性，其时间传递不确定度非常高，能够达到飞秒量级，但该技术尚不成熟，还没有在长距离光纤链路中成功实现的案例，且飞秒光学频率梳成本高昂，工作环境严苛。未来各国学者们还将继续致力于研究和完善更高精度、更适应各个应用领域需求的光纤时间频率传递方案，能够预见光纤时间频率传递方案将在时间频率计量领域发挥十分重要的作用。

[1] PETIT G. The long term stability of EAL and TAI (revisited)[C] // 2007 Frequency Control Symposium, Geneva: Joint with the 21st European Frequency and Time Forum, 2007.

[2] SCHILLER S, TINO G M, GILL P, et al. Einstein gravity explorera medium-class fundamental physics mission[J]. Experimental Astronomy, 2010, 23(2): 573-610.

[3] WOLF P, BORDÉ C J, CLAIRON A, et al. Quantum physics exploring gravity in the outer solar system: the SAGAS project[J]. Experimental Astronomy, 2009, 23(2): 651-687.

[4] SHELKOVNIKOV A, BUTCHER R J, CHARDONNET C, et al. Stability of the proton-to-electron mass ratio[J]. Physical Review Letters, 2008, 100(15): 150801.

[5] BONDARESCU R, BONDARESCU M, HETÉNYI G, et al. Geophysical applicability of atomic clocks: direct continental geoid mapping[J]. Geophysical Journal International, 2012, 191(1): 78-82.

[6] CLICHE J F, SHILLUE B. Precision timing control for radio astronomy: maintaining femtosecond synchronization in the Atacama Large Millimeter Array[J]. Control Systems IEEE, 2006, 26(1): 19-26.

[7] LEWANDOWSKI W, AZOUBIB J, KLEPCZYNSKI W J. GPS: primary tool for time transfer[J]. Proceedings of the IEEE, 1999, 87(1): 163-172.

[8] LOMBARDI M, NELSON L M, NOVICK A N, et al. Time and frequency measurements using the global positioning system[J]. Cal. Lab. Int. j. metrology, 2001, 24(10): 848-853.

[9] 王学运, 张升康. 用于卫星双向时间传递系统的调制器设计[J]. 电讯技术, 2012, 52(3): 400-403.

[10] 张升康, 王宏博, 杨军. 卫星双向时间频率传递链路中的功率预算分析[J]. 宇航计测技术, 2009, 29(3): 34-38.

[11] HEAVNER T P, DONLEY E A, LEVI F, et al. First accuracy evaluation of NIST-F2[J]. Metrologia, 2014, 51(3): 174-182.

[12] CAMPBELL S L, HUTSON R B, Marti G E, et al. A fermi-degenerate three-dimensional optical lattice clock[J]. Science, 2017, 358(6359): 90-94.

[13] SCHNATZ H, BOLOGNINI G, CALONICO D, et al. NEAT-FT: the European fiber link collaboration[C]//European Frequency and Time Forum,Neuch_tel：Scientific Committee of the EFTF 2014, 2014.

[14] LAYLAND J W, RAUCH L L. The evolution of technology in the deep space Network: a history of the advanced systems program[J]. Telecommunications & Data Acquisition Progress Report, 1994, 130: 1-44.

[15] LUTES G F. Experimental optical fiber communications link[R/OL]. (1981-01-03)[2019-01-20] https://ntrs.nasa.gov/archive/ nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19800024931.pdf.

[16] LUTES G, CALHOUN M. Simultaneous transmission of a frequency reference and a time code over a single optical fiber[C] // Precise Time and Material Interval. California: Proceedings of the Twenty-first Annual Precise Time and Material Interval (PTTI) Applications and Planning Meeting, 1989.

[17] CALHOUN M, KUHNLE P. Ultrastable reference frequency distribution utilizing a fiber optic link[C]//24th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Applications and Planning Meeting, 1992.

[18] CALHOUN M, SYDNOR R, DIENER W. A stabilized 100-megahertz and 1-gigahertz reference frequency distribution for cassini radio science[R/OL]. (1981-01-03)[2019-01-20]https://ipnpr.jpl.nasa.gov/ progress_report/42-148/148L.pdf.

[19] CALHOUN M, WANG R, KIRK A, et al. Stabilized reference frequency distribution for radio science with the cassini spacecraft and the deep space network[R/OL]. (1981-01-03)[2019-01-20] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs. nasa.gov/19800024931.pdf.

[20] CALHOUN M, HUANG S, TJOELKER R L. Stable photonic links for frequency and time transfer in the deep-space network and antenna arrays[J]. Proceedings of the IEEE, 2007, 95(10): 1931-1946.

[21] YE J, PENG J L, JONES R J, et al. Delivery of high-stability optical and microwave frequency standards over an optical fiber network[J]. Journal of the Optical Society of America B, 2003, 20(7): 1459-1467.

[22] FUJIEDA M, KUMAGAI M, GOTOH T, et al. Ultrastable frequency dissemination via optical fiber at NICT[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement, 2009, 58(4): 1223-1228.

[23] WANG B, GAO C, CHEN W L, et al. Precise and continuous time and frequency synchronisation at the 5×10-19accuracy Level[J]. Scientific Reports, 2012, 2(2): 556.

[24] KREHLIK P, LIPIŃSKI M, ŚLIWCZYŃSK I, et al. Optical fibers in time and frequency transfer[J]. Measurement Science & Technology, 2010, 21(7): 075302.

[25] ŚLIWCZYŃSK I, ŁUKAS Z, KREHLIK P, et al. Dissemination of time and RF frequency via a stabilized fibre optic link over a distance of 420 km[J]. Metrologia, 2013, 50(2): 133-145.

[26] HU L, WU G, ZHANG H, et al. A 300-kilometer optical fiber time transfer using bidirectional TDM dissemination[C]//Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting, Boston: Proceedings of the 46th Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting, 2014.

[27] KODET J, PÁNEK P, PROCHÁZKA I. Two-way time transfer via optical fiber providing subpicosecond precision and high temperature stability[J]. Metrologia, 2015, 53(1): 18.

[28] 张浩, 吴龟灵, 陈建平. 单纤双向时分复用光放大装置: 中国, CN105790845A[P]. 2016.

[29] FUJIEDA M, KUMAGAI M, NAGANO S. Coherent microwave transfer over a 204 km telecom fiber link by a cascaded system[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, 2010, 57(1): 168-174.

[30] 刘琴, 韩圣龙, 王家亮, 等. 采用级联方式实现430 km高精度频率传递[J]. 中国激光, 2016(9): 205-209.

[31] BAI Y, WANG B, GAO C, et al. Fiber-based multiple-access ultrastable radio and optical frequency dissemination[C] // 2013 Joint European Frequency and Time Forum & International Frequency Control Symposium, Progue: IEEE, 2013: 1014-1017.

[32] CHEN X, LU J, CUI Y, et al. Simultaneously precise frequency transfer and time synchronization using feed-forward compensation technique via 120 km fiber link[J]. Scientific Reports, 2015(5): 18343.

[33] PREDEHL K, GROSCHE G, RAUPACH S M, et al. A 920-kilometer optical fiber link for frequency metrology at the 19th decimal place[J]. Science, 2012, 336(6080): 441.

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

[35] 刘涛, 刘杰, 邓雪, 等. 光纤时间频率信号传递研究[J]. 时间频率学报, 2016, 39(3): 207-215.

[36] HONG F L, MUSHA M, TAKAMOTO M, et al. Frequency measurement of a Sr optical lattice clock using a coherent optical link over a 120-km fiber[C] // 2009 Conference on Quantum Electronics and Laser Science Conference, Baltimore: IEEE, 2009: 1-2.

[37] FUJIEDA M, KUMAGAI M, NAGANO S, et al. All-optical link for direct comparison of distant optical clocks[J]. Optics Express, 2011, 19(17): 16498.

[38] LOPEZ O, CHARDONNET C, KLEIN A, et al. Simultaneous remote transfer of accurate timing and optical frequency over a public fiber network[J]. Applied Physics B, 2013, 110(1): 3-6.

[39] MARRA G, SLAVÍK R, MARGOLIS H S, et al. High-resolution microwave frequency transfer over an 86 km long optical fiber network using a mode-locked laser[J]. Optics Letters, 2011, 36(4): 511-3.

[40] CHEN X, LU J, CUI Y, et al. Simultaneously precise frequency transfer and time synchronization using feed-forward compensation technique via 120 km fiber link[J]. Scientific Reports, 2015(5): 18343.

[41] KIM J, CHEN J, ZHANG Z, et al. Long-term femtosecond timing link stabilization using a single-crystal balanced cross correlator[J]. Optics Letters, 2007, 32(9): 1044-1046.

[42] KIM J, COX J A, CHEN J, et al. Drift-free femtosecond timing synchronization of remote optical and microwave sources[J]. Nature Photonics, 2008, 2(12): 733-736.

[43] 石凡, 张升康, 尚怀赢, 等. 基于飞秒脉冲相关法的高精度时间同步测量[J]. 系统工程与电子技术, 2016, 38(2): 265-269.

Technical progress of fiber-based time and frequency transfer

YANG Wen-zhe1,2,3, YANG Hong-lei1,2, ZHAO Huan1,2, WANG Xue-yun1,2, ZHANG Sheng-kang1,2

(1. Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement, Beijing 100854, China;2. Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory, Beijing 100854, China;3. The Graduate School of the Second Academy of China Aerospace, Beijing 100854, China)

In recent years, the optical fiber has been widely applied in the field of high-precision time and frequency transfer due to its reliability, wide bandwidth and interference immunity. So far, the realization schemes of transmitting time-frequency signals via optical fiber links can be divided into three types: (i) simultaneous microwave time and frequency transfer based on electro-optical modulation; (ii) optical frequency transfer; (iii) simultaneous time and frequency transfer based on optical frequency comb.More recently, it has been reported that the frequency and time transfer instability of type (i) has reached 5×10-19/d and 11 ps/d, respectively; the frequency transfer instability of type (ii) has reached7.5×10-20/105s; the frequency transfer instability of type (iii)has reached1.7×10-18/100 s and time transfer one reached several femtoseconds level. In this paper, the development history of time and frequency transfer via optical fiber is summarized, different methods of time and frequency transfer via optical fiber and their properties are classified and commented.

optical fiber network; time transfer; frequency transfer

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0214-10

2019-01-24；

2019-03-23

杨文哲，男，博士研究生，主要从事时间同步与校准技术研究。