基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递*

陈法喜 赵侃 李立波‡ 郭宝龙

1) (西安电子科技大学,西安 710071)

2) (济南量子技术研究院,济南 250101)

时间传递不确定度是光纤时间传递系统的核心指标,商用通讯激光模块波长的不一致和波长的漂移所引入的光纤色散效应是影响时间传递不确定度的主要因素.本文提出了一种基于激光波长跟踪的高精度时间传递方法,在双向同波分时方案基础上,通过波长测量并利用双层控温保持了双向波长的长期一致性,进而大幅改善了时间传递不确定度指标,该方法在长距离光纤时间传递系统中尤其重要.为了验证该方法的可行性,在0.005,250,500,750 km 不同长度的实验室光纤链路上进行了实验验证,时间同步偏差均优于5 ps,并在750 km 实验室链路上实现了稳定度为4.7 ps@1 s,0.4 ps@4×104 s 和时间传递不确定度8.4 ps 的高精度时间传递,为远距离高精度光纤时间传递工程奠定技术基础.

1 引言

高精度时间频率体系在导航定位、航空航天、大地测量、精密计量、深空探测、引力波探测等前沿科学研究和重大基础设施中都发挥着举足轻重的作用[1−4].目前时间频率领域的研究飞速发展,冷原子微波原子钟的天稳定度已达10–16量级[5],锶原子光钟稳定度达到2×10–17τ–1/2[6],τ为频率稳定度的平均时间,铝离子光钟准确度达8.6×10–18[7].为了使高精度时间频率基准的性能不在传递过程中恶化,时间频率传递的精度必须比被传递的时频基准高出一个量级以上.因此,如何提高时间传递精度,成为科学家们关注的重大课题之一.

由于光纤具有抗电磁干扰、受外界环境干扰较小、低损耗以及传输带宽大等优势,被认为是目前最适合用于高精度时间传递的工具.欧美发达国家一直以来都高度重视光纤授时技术的发展,并使光纤时间传递的指标得到大幅提升[8,9].光纤时间传递的主要指标包括时间传递的稳定度和准确度,稳定度描述传递引入的时间信号的附加抖动和漂移,一般用TDEV 表示;准确度描述传递引入的时间同步偏差,由于影响准确度的因素较多且难以全部直接测量,故通常采用不确定度表示.2013 年,波兰克拉科夫AGH 科技大学在420 km 的实地光纤链路上获得了优于112 ps 的时间传递不确定度[10].2020 年,Śliwczyński 等[11]开展了激光波长稳定技术方面的研究,虽然提高了TDEV,但由于双向激光频率差异在12.5 GHz 左右,难以有效改善时间传递不确定度.2018 年法国巴黎天文台和巴黎第二大学等机构为探索更高精度的光纤时间传递方案,采用一台激光器模拟两个异地光源的方法,验证了在双向激光波长差异极小的情况下,获得更高时间传递性能指标的可能,并在86 km 实地城市光纤链路上,实现了4.2 ps@1 s和0.4 ps@1000 s的时间传输稳定度[12].该实验仅进行了双向时间比对,没有对输出时间进行补偿,未能给出不确定度指标,但该方案为本文方案提供了一定的研究参考.国内多个研究小组在光纤时间传递领域陆续开展了研究,并取得了重要突破[13−18].上海交通大学在2020 年使用多波长波分复用的方案,在200 km链路上实现了时间传递不确定度为28 ps,TDEV为29.8 ps@1 s 和5.2 ps@1×104s 的长距离和多站点时间同步[19,20],但是色散对时间传递不确定度的影响依然未得到有效解决.2016 年,中国科学院上海光学精密机械研究所在430 km 的实际商用链路上采用同纤双向波分复用的光纤授时方案,时间传递不确定度为94 ps[21].国家授时中心于2020 年在1085 km实地光纤链路中实现了5.4 ps@4×104s的TDEV 和63.5 ps 的不确定度[22].

影响长距离光纤时间传递不确定度的主要因素是双向激光波长不一致导致双向传输延时的不对称性,从而引起时间传递的色散偏差.双向同纤波分复用时间传递方案有效抑制了瑞利后向散射和接头端面反射的影响,但是长达千公里的光纤链路上,色散参数不易精确测量并且光纤色散系数温度漂移也难以抑制.目前国内外在长距离光纤时间传递中多采用双向同纤同波时分复用方案来克服上述问题,该方案是采用相同标称波长的激光以时分复用的方式进行两地双向时间比对,使双向传输延时的不对称性得到较好的抑制,但不同激光器的波长依然存在皮米量级的差异,且波长差异会随温度和老化等因素产生变化,产生几十皮秒的偏差[15,23],使得时间传递的不确定度难以进一步提升.虽然可以采用超稳腔或原子光谱作为参考进行激光稳频,但往往由于系统过于复杂,难以满足长距离高精度光纤系统广泛的工程应用需求.

为了解决这一问题并满足工程应用需求,本文提出了一种基于激光波长跟踪的高精度时间传递方法,在双向同波分时方案基础上,采用商用的通信激光模块,经双层控温和波长跟踪后保证了双向波长的长期一致性.在双向时间比对过程中,用本地端发出的激光作为参考光,系统中其他激光器跟踪该参考光,并使双向激光波长的差异足够小且保持长期稳定,从而大幅减小双向激光波长不一致引入的时间传递偏差.通过在实验室对0.005,250,500,750 km 长度的光纤链路进行实验验证,结果表明采用激光波长跟踪后不同长度光纤链路的时间传递偏差均优于5 ps,并在750 km 链路上获得4.7 ps@1 s,0.4 ps@4×104s 的时间传递稳定度和8.4 ps 的不确定度,为远距离高精度光纤时间传递工程奠定基础.

2 基本原理及实验装置

2.1 基于双向同波分时方案的光纤时间传递基本原理

基于双向同波分时方案的光纤时间传递基本原理如图1 所示,本地端和远程端在不同的时段分别向对端发送各自的时间信号,确保在任意时段光纤链路上只有上行光或下行光在传播.在本地端用事件计时器1 比对来自远程端的时间信号与本地端时间信号,并将时间间隔值发送给远程端;远程端用事件计时器2 比对来自本地端的时间信号与远程端时间信号,并根据事件计时器2 测得的时间间隔值和来自本地端的时间间隔值,控制时延补偿器的时延补偿量,使输出的时间信号与输入到本地端的时间信号精确同步.

图1 双向同波分时光纤时间传递原理Fig.1.Functional block diagram of bidirectional same-wave time division optical fiber time transfer.

由双向时间比对的原理可计算出时延补偿控制量为

其中,TLR和TRL分别为本地端与远程端比对得到的时间间隔值,TDL为λ1波长的激光从本地端到远程端的传输时延,TDR为λ2波长的激光从远程端到本地端的传输时延.TLR和TRL由事件计时器直接测得,而TDL和TDR无法直接测量.在光纤时间传递系统中往往假设双向传输时延对称,即令TDL=TDR,则可以计算出链路时延的补偿量,其表达式为TDA=(TLR-TRL)/2.但实际λ1λ2,即TDLTDR.此时,双向传输时延存在不对称性,引入时间传递的不确定度为

其中,D为光纤的色散系数,L为光纤链路的长度.根据(2)式可知,光纤时间传递距离越长,色散偏差问题越突出.

密集波分复用-小型可插拔(DWDM-SFP)通信光模块内部使用的激光模块存在波长老化问题,根据国际电信联盟电信标准分局(ITU-T)的相关标准,波长长期漂移在10 pm 量级.例如在1000 km的光纤链路上,双向激光波长漂移10 pm,色散系数D=17 ps/(km·nm),时间传递中色散偏差引入的不确定度约为85 ps;如果双向激光波长差异减小到0.5 pm,则色散偏差引入的不确定度约为4 ps.由此可见保证双向激光波长的长期一致性,对改善时间传递的不确定度有重要意义.

2.2 波长跟踪原理

为了解决由于双向激光波长不一致引入的时间传递色散偏差的问题,本文提出了激光波长跟踪方法,通过拍频测量两束激光的波长差,采用控制被控激光器工作温度的方法使其与参考激光信号波长保持足够小的偏差,从而实现波长跟踪,具体原理如图2 所示.激光器LD1 的激光信号作为参考光,激光器LD2 的激光信号作为跟踪光,LD1与LD2 的激光拍频后由光电探测器转换为电信号,再经过分频器后使用频率测量单元测量其频差;运算控制单元根据频差数据,自动精密控制激光管LD2 的工作温度,使其波长λ2=λ1+Δλ,Δλ为波长差的设置值,从而实现波长自动跟踪.

图2 激光波长自动跟踪原理框图Fig.2.Functional block diagram of laser wavelength automatic tracking.

参考光信号受链路传播过程的影响,偏振状态不稳定,拍频输出电信号的功率存在起伏.本文结合自动增益控制技术和限幅放大技术,获得50 dB的增益动态范围,可将拍频后信号转换为幅度稳定的方波,便于分频和频率测量.

2.3 实验装置工作原理

基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递实验装置原理如图3 所示,在本地端中,10 MHz 参考频率信号经过10 倍频后作为载波信号输入到编码器,对输入的1 秒脉冲时间信号(1 pulse per second,1PPS)、时码信息、比对时差数据,以及正在建立双向比对的远程端设备地址信息等进行编码,编码信号调制在激光上并由光学环形器耦合到光纤链路中,作为系统的下行光.来自远程端的上行光信号通过光学环形器输出到光电探测器,解调出正在进行双向时间比对的远程端的编码信号,经过解码器和时间再生输出来自远程端的时间信号,并通过事件计时器与本地端1PPS 信号进行比对.

图3 基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递实验装置原理Fig.3.Schematic diagram of high-precision optical fiber time transfer experimental device based on laser wavelength tracking.

在远程端,来自本地端的下行光经过光纤链路和中继设备到光电探测器,解调出编码信号,通过载波恢复得到载波信号.恢复出的载波信号与编码信号一起输入到解码器中,得到来自本地端的帧头脉冲信号、比对时差与时码信息等数据,由此时间再生模块再生出来自本地端的1PPS 信号.恢复出的载波信号和再生的时间信号经过时延补偿模块后,输出补偿过的1PPS 信号和频率信号.事件计时器测量时延补偿模块输出的1PPS 信号与时间再生输出的1PPS 信号之间的时间差,完成远程端的时间比对.运算控制器根据来自本地端的比对数据和远程端测得的比对数据,控制时延补偿模块的延迟,使其输出的1PPS 信号与本地端参考1PPS信号同步.同时,时延补偿模输出的频率信号经过10 分频后得到的10 MHz 信号也实现了对本地端的参考10 MHz 信号同步.

为了阻断链路的光噪声在级间的传递和累加,提高信噪比,中继设备采用光-电-光(OEO)的方式.OEO 中继部分同样采用波长跟踪技术,保证输入与输出的激光波长的差值足够小且保持长期稳定,并通过合理设置各个中继设备的跟踪波长差值将双向时间比对中各段链路的残余的双向时延不对称误差相互抵消.中继设备通过增加分束器和光开关实现时分多址时间传递功能.下行光经过OEO 中继后再经过分束器分两路,90%的光经过光学环形器耦合到往下一个远程端设备方向的光学链路中,10%的光输入到位于该站点的远程端设备的光电探测器中.

基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递系统工作时序如图4 所示,一个控制周期TCTR内包含n次双向比对进程和两次波长跟踪进程,每个远程端在一个控制周期内都完成一次双向时间比对.为了保证各个激光波长的精确跟踪,激光波长跟踪进程中激光器都处于无调制状态,即断开本地端和远程端设备内的调制开关.

图4 基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递系统工作时序图Fig.4.Working sequence diagram of high-precision optical fiber time transfer system based on laser wavelength tracking.

本地端闭合光开关发送下行光信号,并通过下行光信号控制链路上的中继设备闭合其内部的下行光信号光开关,从而使每个远程端设备都可以接收到下行光,此时中继设备内的上行光选择开关保持关断.下行光信号中包含下一进程中参与双向比对的远程端设备的地址信息.各个远程端设备内的事件计时模块比对来自本地端的时间信号与各自内部的守时模块保持的时间信号.本地端关断输出下行光信号的光开关,进入下一进程.此时,参与双向比对的远程端将上行光选择开关切换到该节点的输出光信号上,参与双向时间比对,其余中继设备内的上行光开关切换到来自下一个远程端的光信号上,起到中继的作用,使上行光信号到达本地端.本地端的事件计时模块依次比对来自各个远程端的时间信号与本地端输入的时间信号,并将双向比对数据在下一个进程中发送到各个远程端.远程端设备内的运算控制器根据双向比对数据,控制其内部的时延补偿模块的延迟,使远程端的输出时间信号与输入本地端的时间信号同步,从而实现高精度光纤时间传递.

3 实验测试与数据分析

3.1 波长跟踪实验

为了验证激光波长跟踪性能,本文设计了双层恒温外调制激光器,搭建了激光波长自动跟踪实验装置,进行了激光波长跟踪实验测试.激光波长跟踪实验装置如图5 所示,波长计用于监测激光器LD1 和LD2 的波长λ1和λ2,频率计数器实时记录拍频光信号分频前的频率用于观察两个波长的相对偏差.经过实验测试,自行研制的双层恒温外调制激光器波长稳定度可以优于0.04 pm,激光管工作温度设定为20 ℃,波长设置在2 nm 左右.实验中将波长差 Δλ设置为0.5 pm,即拍频信号目标频率设定为62.5 MHz.虽然波长差值越小,引入的时间传递的色散偏差越小,但要保证系统运行过程中不会因为激光线宽和短期稳定度的影响导致拍频信号正负极性的变化,引起波长跟踪错误.

图5 激光波长自动跟踪实验装置图Fig.5.Experimental device diagram of laser wavelength automatic tracking.

实验开始时,用波长计测得波长λ1的10 s 平均值为1542.921613 nm.随后,波长跟踪控制模块通过改变LD2 激光管工作温度,在±2 ℃范围扫描拍频信号,找到波长差正负极性的正确工作温度,然后启动波长自动跟踪.待系统稳定后用波长计测得波长λ2的10 s 平均值为1542.921118 nm,说明波长跟踪功能正常.经过近24 h 测试,波长相对抖动如图6(a)所示,其标准差λSTD=55 fm.激光波长跟踪相对稳定度如图6(b)所示,长期相对稳定度优于5 fm@1×104s,保证了两个激光器波长差值长期稳定保持在0.5 pm 左右.

图6 激光波长跟踪测试结果 (a) 波长跟踪抖动;(b) 波长跟踪稳定度Fig.6.Laser wavelength tracking test results: (a) Wavelength tracking jitter;(b) wavelength tracking stability.

3.2 基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递实验

基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递方案的测试系统,如图7 所示.测试系统包含1 个本地端设备、5 个中继设备以及5 个远程端设备.此外,共包含16 个标称波长为1542.9 nm 的激光器,其中本地端设备1 个,每个中继设备各2 个,每个远程端设备各1 个.在实验开始前,先用1 m 光纤和30 dB 衰减器代替长距离光纤链路,进行系统时延校准,以校正中继设备和远程端设备内部的系统时延偏差.

图7 基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递测试系统Fig.7.High precision optical fiber time transfer test system based on laser wavelength tracking.

实验测得系统中用到的16 个自行研制的激光器,未经波长校准时,波长存在±100 pm 左右的离散度.为了验证激光波长跟踪对时间传递的色散偏差的改善效果,先将下行光方向的6 个激光器的波长,经波长计校准后设置为1542.9 nm,上行光方向的10 个激光器的波长设置为1542.8 nm,关闭波长自动跟踪功能,1 m 光纤和30 dB 衰减器连接各个节点,测试每个远程端设备输出的1PPS 时间信号的时延;同理用50 km 光纤加20 dB 衰减器、100 km 光纤加10 dB 衰减器、150 km 光纤连接各个节点,分别测试每个远程端设备输出的1PPS时间信号的时延,并记录每次测试的数据.然后开启激光波长跟踪,重复上述实验.激光波长跟踪的波长差值设置如图8 所示,由于连接每个节点的各段光纤的长度差异较小,远程端2 号和4 号由双向波长差异引入的色散偏差基本消除;远程端1,3,5 号色散偏差残差Tλerr=0.5Δλ·D·ΔL,ΔL只是一段光纤链路的长度,接入5 段150 km光纤时,Tλerr约为0.6 ps.接入不同长度光纤链路,在开启激光波长自动跟踪前后时间偏差数据见表1.激光波长跟踪关闭时,由于色散偏差导致远程端设备输出的1PPS 信号产生了滞后,偏差值随光纤链路长度的增加而增加,远程端5 号在750 km 光纤上出现了569 ps 的偏差.激光波长自动跟踪开启后,色散偏差大大降低,在不同的光纤链路长度下每个远程端设备偏差都在±5 ps 内.

图8 测试系统波长跟踪差值设置Fig.8.Wavelength tracking difference setting of test system.

表1 不同长度光纤链路开启激光波长跟踪前后时延值 (单位: ps)Table 1.Time delay before and after laser wavelength tracking for different length fiber links (in ps).

对基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递系统的稳定度进行测试,先用1 m 光纤和30 dB的衰减器连接各个节点,测试远程端5 号输出的1PPS 时间信号与输入到本地端的1PPS 时间信号的时间间隔,并用计算机采集数据;再用150 km实验室光纤连接各个节点,重复上述测试.实验过程数据采集时间超过100 h,室温变化约2 ℃.如图9 所示,使用5 m 光纤时,远程端5 的时间信号标准差为4.26 ps,TDEV 为4.2 ps@1 s,0.2 ps@4×104s;使用750 km 光纤链路时,标准差为5.81 ps,TDEV 为4.7 ps@1 s,0.4 ps@4×104s.使用实验室750 km 光纤链路时长期稳定度有所恶化,主要原因是光纤链路一天内的时延变化约为60 ns,链路时延测量的非线性和温度漂移不容忽视.

图9 基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递系统稳定度测试结果 (a) 时间抖动;(b) 时间传递稳定度Fig.9.Stability test results of high-precision optical fiber time transfer system based on laser wavelength tracking: (a) Time jitter;(b) time transfer stability.

3.3 不确定度分析

基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递方案的不确定度主要因素为设备系统时延的温度漂移误差、时间间隔测量的误差,而双向激光波长差异引起的时间传递的色散偏差由于采用了激光波长跟踪后得到有效抑制.偏振模色散也会对时间传递的不确定度产生影响,但可以通过在链路中加入扰偏器进行抑制,此处不讨论.采用以下公式来评估系统的合成不确定度Uc:

其中,uDT为设备系统时延的温度漂移引入的不确定度,uTIM为时间间隔测量不确定度,uΔλ为光纤色散偏差引入的不确定度,uΔD为光纤色散系数变化引入的不确定度.由于双向时间比对过程中采用事件计时器模块测量时间间隔,减小了系统时延的漂移问题,经过实验测得设备系统时延的温度系数约为2 ps/℃,实验室室温变化峰峰值约为2 ℃,该项引入约4 ps 的不确定度.时间间隔测量不确定度uTIM包括系统时延校准过程、本地端和远程端设备在双向时间比对时对链路传输时延的测量过程引入的误差.系统时延校准过程采用时间间隔测量模块进行测量,引入的不确定度约为6 ps;双向时间比对过程采用事件计时器模块进行测量,单个计时器模块引入的不确定度约为3 ps,所以整个测量过程引入约7.3 ps 的不确定度.

双向激光波长差异因引入的色散偏差对不确定度的影响可以从长期和短期两个方面分析.长期不确定度uΔλ=0.5D·Δλ·ΔL,Δλ为双向激光波长的差异,约为0.5 pm,D为光纤的色散系数,ΔL为色散偏差未被抵消的部分的光纤链路长度.短期不确定度主要受到每个激光器波动的影响,并随着中继级数的增加随之增大.短期不确定度uΔλ=0.5D·λSTD·L·,其中n为中继级数,λSTD为激光波动的标准差55 fm,L为光纤链路总长度.在实验室750 km 光纤链路测试中,ΔL为150 km,长期不确定度约为0.6 ps,短期不确定度约为0.8 ps.由于光纤色散系数变化引入的不确定度uΔD=0.5Δλ·ΔD·ΔL,其中,ΔD为色散系数的变化量,色散系数的温度漂移系数典型值为4.5 fs·(nm·km·℃)–1在750 km 的实验室光纤测试中,光纤色散系数变化引起的误差约为0.3 fs,可以忽略不计.

基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递方案主要的不确定度见表2,750 km 实验室光纤链路的合成不确定度约为8.4 ps.基于激光波长跟踪的高精度光纤时间传递方案的不确定度主要来自时间间隔测量的不确定度和设备温度漂移引起的不确定度,而光纤链路的长度对不确定度的影响得到有效抑制.对于不同长度的光纤链路其时间传递不确定度理论计算结果如图10 所示,可以看出在仅考虑设备系统时延的温度漂移误差、时间间隔测量的误差和双向激光波长差异这3 个因素的情况下,当链路长度达到4000 km 时,依然可获得约12.8 ps 的时间传递不确定度.但在实地光纤链路中,需要进一步解决光纤链路铺设引起的Sagnac效应与偏振模色散等影响因素,才可以得到接近理论分析的时间传递不确定度.

图10 时间传递不确定与链路长度关系Fig.10.Relationship between time transfer uncertainty and link length.

表2 750 km 实验室光纤时间传递不确定度Table 2.Uncertainty of 750 km optical fiber time transfer in laboratory.

4 结论

本文提出了一种基于激光波长跟踪的高精度时间传递方法,解决了由于双向激光波长不一致引入的时间传递的色散偏差的科学问题.通过在实验室使用0.005,25,500,750 km 不同长度的光纤链路验证了其可行性,不同长度光纤链路的时间同步偏差均优于5 ps,在750 km 链路上时间传递稳定度分别为4.7 ps@1 s,0.4 ps@4×104s,不确定度为8.4 ps.在光纤时间传递工程应用中,可通过优化系统工作时序,减少远程端时间保持时长,进一步提高光纤时间传递精度,为实现远距离高精度光纤时间传递工程奠定基础.