陳法喜 趙侃 周旭劉濤 張首剛

1)(中國科學(xué)院國家授時中心,西安 710600)

2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

3)(中國科學(xué)院時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室,西安 710600)

長距離多站點高精度光纖時間同步?

陳法喜1)3)?趙侃1)3)周旭1)2)3)劉濤1)3)張首剛1)3)

1)(中國科學(xué)院國家授時中心,西安 710600)

2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

3)(中國科學(xué)院時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室,西安 710600)

光纖光學(xué),時間同步,同步網(wǎng)絡(luò)

為了保證長距離多站點間的高精度時間同步,在利用雙向時間比對法實現(xiàn)高精度長距離時間同步的基礎(chǔ)上,提出了一種利用一個波長信道同時對1 PPS(pluse per second)信號、時碼信號以及10 MHz信號進行傳遞,并使用時分多址和凈化再生的方式實現(xiàn)多站點高精度光纖時間同步的方法.以自行研制的工程樣機在長度約550 km的實驗室光纖鏈路以及871.6 km的實地光纖鏈路上進行了實驗驗證.在實驗室光纖鏈路上,同時在50,300,550 km處測量得到的時間同步標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.7,16.8,18.4 ps,時間穩(wěn)定度分別為1.78 ps@1000 s,2.09 ps@1000 s,2.92 ps@1000 s.在實地光纖鏈路上,實現(xiàn)了光纖鏈路沿途11個站點的時間同步,測得871.6 km傳遞鏈路的時間同步標(biāo)準(zhǔn)差為29.8 ps,時間穩(wěn)定度為3.85 ps@1000 s,不確定度為25.4 ps.

1 引 言

近年來,原子鐘技術(shù)的不斷發(fā)展進步,不僅提高了時間頻率測量的精度,而且還為一些基礎(chǔ)物理研究提供了精密的測量手段[1?3],同時也促進了全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位、深空探測等應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展研究[4?6].常用的銫束原子鐘的日穩(wěn)定度已達到10?14量級,氫原子鐘的日穩(wěn)定度達到10?15量級[7],同時隨著光鐘的出現(xiàn),其日穩(wěn)定度已達到了10?18量級[8,9].為了能夠?qū)@些高精度的時間基準(zhǔn)信號進行精確的傳輸,則需要一種傳輸精度遠高于傳遞時間精度的傳輸手段對時間信號進行傳輸,這對高精度時間頻率傳輸領(lǐng)域的研究帶來了巨大的挑戰(zhàn).

在利用同軸電纜對時間信號的傳輸方式中,由于傳遞電纜的帶寬及損耗的限制,傳輸距離一般限制在1 km以內(nèi),無法滿足遠程高精度時間傳遞的要求.衛(wèi)星雙向比對時間傳遞[10,11]和全球定位系統(tǒng)共視[12,13]是目前最常見的時間授時手段,其傳輸距離可達數(shù)千乃至上萬公里,但由于衛(wèi)星軌道的波動、大氣層溫度變化、終端環(huán)境不穩(wěn)定等因素的影響,時間頻率傳輸?shù)娜辗€(wěn)定度最高為10?15量級[14],時間同步精度為納秒量級.為了提高時間頻率傳輸?shù)姆€(wěn)定度,光纖以其受環(huán)境干擾較小、抗電磁干擾、路徑單一、低損耗及帶寬大等優(yōu)勢,逐漸引起了國內(nèi)外各研究小組的關(guān)注.2013年,波蘭克拉科夫理工大學(xué)采用密集波分復(fù)用(DWDM)Roudtrip法,在420 km實地光纖鏈路上實現(xiàn)了時間傳遞的穩(wěn)定度優(yōu)于50 ps@1 s[15].2010年,捷克教育科研網(wǎng)中心所采用DWDM雙向時間比對方法,在744 km的光纖鏈路上實現(xiàn)了時間傳遞的穩(wěn)定度優(yōu)于100 ps@1 s,時間同步不確定度為112 ps[16].同時,日本、瑞典、德國、美國等發(fā)達國家也在利用光纖進行時間頻率傳遞方面已經(jīng)實現(xiàn)了不同方案的光纖時間頻率傳遞研究,為下一代高精度光纖時間頻率同步研究提供了重要的基礎(chǔ)[17?21].近幾年,國內(nèi)多個小組在光纖時間頻率傳遞方面也展開了相關(guān)研究工作,并取得了突破性進展[22?29].2016年,上海交通大學(xué)采用雙向時分復(fù)用同波光纖時間傳遞方案,并利用自循環(huán)的方式,在實驗室光纖鏈路上實現(xiàn)了800,6000 km的光纖時間傳遞實驗,測得光纖時間傳遞的穩(wěn)定度分別為40 ps@1 s和5 ps@105s,190 ps@1 s和61 ps@105s,6000 km時間同步不確定度為69.5 ps[22].2017年,清華大學(xué)在光纖時間雙向比對的基礎(chǔ)上,在30 km的實驗室光纖上實現(xiàn)了高精度多路由的光纖時間信號同步,測得光纖時間傳遞的穩(wěn)定度為100 ps@1 s,時間同步不確定度為100 ps[29].

本文主要介紹了國家授時中心在利用光纖進行長距離多站點高精度時間傳遞方面開展的研究.在利用雙向時間比對法實現(xiàn)高精度長距離時間同步的基礎(chǔ)上,提出了一種只占用一個波長的信道就完成對1 PPS(pulse per second)信號、時碼信號及10 MHz信號同時進行傳遞,并采用時分多址和凈化再生的方式對多個站點進行時間同步的新方案.首先,對實驗原理及實驗裝置設(shè)備進行了詳細描述;其次,以自行研制的體積為1 U標(biāo)準(zhǔn)機箱的工程樣機,在長度約為550 km的實驗室光纖及871.6 km的實地光纖鏈路上對本方案進行了實驗測試驗證.在55 km實驗室光纖上,同時測得50,300,550 km處的時間同步標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.7,16.8,18.4 ps,時間穩(wěn)定度分別為13.2 ps@1 s和1.78 ps@1000 s,13.8 ps@1 s和2.09 ps@1000 s,13.0 ps@1 s和2.92 ps@1000 s,550 km光纖鏈路的時間同步不確定度為22.5 ps.在871.6 km實地光纖鏈路上,以南京為起點,對光纖鏈路沿途的10個城市站點進行了時間同步.由于測量條件的限制,只對最長距離光纖鏈路站點之間進行了測量,測得時間同步標(biāo)準(zhǔn)差為29.8 ps,時間穩(wěn)定度為15.1 ps@1 s,3.85 ps@1000 s,通過分析得到871.6 km實地光纖的時間同步不確定度為25.4 ps.最后,對實驗中影響時間同步精度的相關(guān)因素進行了分析討論,并提出了相應(yīng)的解決方案,以備進一步提高.

2 實驗原理與裝置

2.1 實驗原理

長距離多站點高精度光纖時間同步系統(tǒng)的基本原理如圖1所示,光纖時間同步本地端設(shè)備首先將時間信號加載到光上,再通過光纖鏈路傳遞到第一個站點的中繼設(shè)備1,中繼設(shè)備1中的光學(xué)環(huán)形器(Ci1)將來自本地端下行方向的光信號分離出來,并經(jīng)過光放大器(Am1)放大后由光學(xué)分束器分為兩路,一路輸出給站點1的光纖時間同步遠程端設(shè)備,另一路輸入到中繼設(shè)備1內(nèi)的另一個光學(xué)環(huán)形器(Ci2)繼續(xù)傳遞到下一站點.下行方向的光信號到達第二個站點的中繼設(shè)備2后,采取與在中繼設(shè)備1中相同的方法,一路輸出給站點2的光纖時間同步遠程端設(shè)備,另一路繼續(xù)傳遞到下一站點的中繼設(shè)備.如此繼往傳遞到下一站點的中繼設(shè)備,直到最后一個站點的遠程端設(shè)備,則可實現(xiàn)各個站點遠程端設(shè)備持續(xù)接收來自本地端設(shè)備下行方向的光信號.同時,來自第n個站點的遠程端設(shè)備的光信號,到達第n?1站點的中繼設(shè)備后,通過環(huán)形器(Ci2n-2)后到達光放大器(Am2n-2),放大后的光信號經(jīng)環(huán)形器(Ci2n-3)到達第n?2個站點的中繼設(shè)備,同樣以此類推,直至本地端設(shè)備接收到來自遠程端設(shè)備n的光信號,則可實現(xiàn)遠程端設(shè)備與本地端設(shè)備時間信號的雙向比對鏈路.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)長距離多站點光纖時間同步系統(tǒng)原理圖(Am,光放大器;Ci,光學(xué)環(huán)形器)Fig.1.(color online)Schematic diagram of the time synchronization on the multi-sites-connected longdistance fi ber link(Am,optical ampli fi er;Ci,optical circulator).

各個站點的遠程端設(shè)備都有各自惟一的設(shè)備地址,本地端設(shè)備采用時分多址的方式實現(xiàn)對各個站點的遠程端設(shè)備進行輪詢同步.當(dāng)某個站點處的遠程設(shè)備接收到本地端設(shè)備的呼叫指令時,該站點處中繼設(shè)備內(nèi)的光開關(guān)將會被切換到遠程設(shè)備的輸出激光上,未接收到呼叫指令時,光開關(guān)會切換到來自下一站點的上行光上.即本地端通過對某個站點的設(shè)備地址進行呼叫來切換光開關(guān),從而建立本地端設(shè)備與該站點遠程端設(shè)備之間的雙向時間比對鏈路.通過雙向時間比對,控制各個站點遠程端設(shè)備內(nèi)的時延和相位控制模塊,實現(xiàn)各個站點與本地端設(shè)備的時間同步.

本地端與遠程端設(shè)備間雙向信號的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示.每幀信號的長度為10 ms,其中前100μs包含設(shè)備地址、時碼信息、比對數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù),剩余9.9 ms是10 MHz載波信號.每個站點的遠程端設(shè)備都可以連續(xù)接收到本地端設(shè)備發(fā)送的幀信號,通過內(nèi)部解碼器進行解析,其中10 MHz載波信號用于內(nèi)部守時模塊,使遠程端設(shè)備具有良好的守時能力,為時分多址提供保障.

圖2 本地端與遠程端設(shè)備間信號的幀結(jié)構(gòu)Fig.2.Frame structure of the timing signal between local and remote ends.

2.2 實驗裝置

圖3 本地端與遠程端實驗裝置圖Fig.3.Experimental setup at the local and remote ends.

實驗裝置如圖3所示,本地端設(shè)備與遠程端設(shè)備間的雙向時間比對是由兩個波長相等的激光器通過光學(xué)環(huán)形器實現(xiàn)的.本地端設(shè)備將輸入的時碼信息、10 MHz信號、時間信號及雙向時間比對的時差數(shù)據(jù)輸入到控制編碼器內(nèi),將編碼后的信號加載到激光器的輸出激光上,激光器發(fā)出的光信號作為下行光信號,經(jīng)過環(huán)形器、光纖鏈路及中繼設(shè)備后到達某一個站點處的遠程端設(shè)備.遠程端設(shè)備內(nèi)將來自本地端設(shè)備的下行光信號通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號并分為兩路,一路通過載波恢復(fù)模塊獲得10 MHz載波信號,另一路通過解碼器解調(diào)出時間信號、時碼信息以及雙向時間比對的數(shù)據(jù).恢復(fù)得到的10 MHz載波信號經(jīng)過鎖相環(huán)(PLL)模塊凈化后作為遠程端設(shè)備內(nèi)部守時模塊的時鐘源.當(dāng)該站點的遠程端設(shè)備被呼叫時,該遠程端設(shè)備將守時模塊輸出的時間信號與解調(diào)出的時間信號通過時差測量模塊進行比對,將得到的比對結(jié)果輸入到運算控制模塊中,通過時延和相位控制對守時模塊輸出的時間信號進行反饋修正,最后再將輸出的時間信號、10 MHz信號以及當(dāng)前進行雙向時間比對的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼器編碼后,加載到激光器輸出的激光上,經(jīng)過環(huán)形器的上行光路、中繼設(shè)備、光纖鏈路和環(huán)形器后到達本地端設(shè)備.本地端設(shè)備利用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,將解碼器解調(diào)出來的時間信號與輸入的參考時間信號進行時間比對,實現(xiàn)光纖鏈路的雙向時間比對.遠程端設(shè)備再將雙向時間比對的數(shù)據(jù)經(jīng)解碼器解調(diào)出后,通過運算控制器控制其內(nèi)部的時延和相位控制模塊,使其輸出的時間信號與輸入到本地端設(shè)備的時間信號同步.

為了保證各個站點之間互不影響,各個遠程端都設(shè)置了不同的設(shè)備地址號.各個站點的遠程端設(shè)備都是持續(xù)接收來自本地端設(shè)備的信號,利用PLL模塊對其中的載波頻率信號進行凈化處理,凈化后的載波頻率信號通過守時模塊再生出時間信號,這樣不僅使遠程端設(shè)備具有良好的時間和相位保持能力,而且提高了遠程端設(shè)備時間頻率信號的短期穩(wěn)定度,減小光纖鏈路引入的噪聲.

3 實驗方案與結(jié)果分析

在長距離多站點高精度光纖時間同步的實驗測試中,通常由于本地端和遠程端設(shè)備不在同一個地點、測量設(shè)備及測量人員數(shù)量等條件的限制,給本方案在實地光纖鏈路中的驗證帶來了一定的困難,因此在對實地光纖進行實驗驗證之前,首先采用實驗室光纖對本方案進行了測試評估,最后再采用實地光纖鏈路進行實驗驗證.

3.1 實驗室光纖鏈路測量結(jié)果與分析

實驗室光纖鏈路的測試結(jié)構(gòu)如圖4所示.將1臺本地端設(shè)備、11臺接收端設(shè)備以及測量設(shè)備放置在同一個地點,便于對本地端的輸入信號與各個遠程端的輸出信號進行精確比對,測試中以11捆50 km的實驗室光纖作為傳遞鏈路.由于實驗測試中使用的儀器設(shè)備數(shù)量有限,抽取“遠程端1”,“遠程端6”和“遠程端11”作為時間同步的比對測試對象,并同時進行實驗測試.

圖4 實驗室測試方案Fig.4.Scheme of laboratory test.

一般在實際應(yīng)用中,由于相鄰兩個站點之間的距離較長,需利用中繼對傳輸信號進行放大.直接采用摻鉺光纖放大器(EDFA)進行級聯(lián)放大,引入的噪聲會惡化時間信號的傳輸質(zhì)量,影響系統(tǒng)的正常工作.本實驗采用光-電-光中繼放大的方式,避免了光纖鏈路噪聲和EDFA自身噪聲被逐級疊加放大帶來的影響.在采用光-電-光中繼放大的方式中,激光器輸出光波長的一致性和穩(wěn)定性對時間同步的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度起著至關(guān)重要的作用.在實驗測試中,采用了32個輸出中心波長為1542.936 nm的激光器,其中20個激光器用在10個中繼設(shè)備內(nèi),11個激光器用在11個遠程端設(shè)備內(nèi),1個激光器用在本地端設(shè)備內(nèi).這32個激光器的輸出波長是通過波長計進行逐一測量標(biāo)定,誤差小于0.0002 nm.為了避免實驗室溫度變化(峰-峰值為2°C/d)對激光器輸出波長的影響,對激光器外部進行了溫度控制,使輸出波長隨環(huán)境溫度的變化小于0.0001 nm/°C.

在測試過程中,遠程端1與本地端間的光纖傳輸時延為251458378 ps,時延變化峰值為3886 ps,遠程端6與本地端設(shè)備間的光纖傳輸時延為1500799014 ps,時延變化峰值為24305 ps,遠程端11與本地端間的光纖傳輸時延為2772999504 ps,時延變化峰值為44641 ps.當(dāng)整個實驗測試系統(tǒng)正常工作時,同時對這三個遠程端設(shè)備輸出的1 PPS信號與輸入到本地端的1 PPS信號進行比對測試,時延測量結(jié)果如圖5所示,紅色線段表示遠程端1輸出的1 PPS信號與輸入到本地端的1 PPS信號的時差變化,其標(biāo)準(zhǔn)差值為16.7 ps,峰-峰值為121 ps;黑色線段表示遠程端6輸出的1 PPS信號與輸入到本地端的1 PPS信號的時差變化,其標(biāo)準(zhǔn)差值為16.8 ps,峰-峰值為132 ps;藍色線段表示遠程端11輸出的1 PPS信號與輸入到本地端的1 PPS信號的時差變化,其標(biāo)準(zhǔn)差值為18.4 ps,峰-峰值為158 ps.將采集到的時差數(shù)據(jù)經(jīng)處理,得到的時間穩(wěn)定度如圖6所示,遠程端1的時間信號穩(wěn)定度為13.2 ps@1 s,1.78 ps@1000 s,遠程端6的時間信號穩(wěn)定度為13.0 ps@1 s,2.09 ps@1000 s,遠程端11的時間信號穩(wěn)定度為13.8 ps@1 s,2.92 ps@1000 s.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)實驗室光纖時差測量結(jié)果圖(紅色線段為50 km光纖,黑色線段為300 km光纖,藍色線段為550 km光纖)Fig.5.(color online)Time interval measurement results of laboratory fi ber link(red line,50 km fi ber link;black line,300 km fi ber link;blue line,550 km fi ber link).

圖6 (網(wǎng)刊彩色)實驗室光纖鏈路時間穩(wěn)定度測量結(jié)果(紅色曲線為50 km光纖,黑色曲線為300 km光纖,藍色曲線為550 km光纖)Fig.6.(color online)Time deviation measurement results of laboratory fi ber link time stability(red line,50 km fi ber link;black line,300 km fi ber link;blue line,550 km fi ber link).

3.2 實地光纖鏈路測量結(jié)果與分析

以自行研制的工程樣機在江蘇南部871.6 km的實地光纖鏈路上進行實驗測試的地理位置圖如圖7所示.光纖鏈路以南京中心機房為出發(fā)點,途徑鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州、常熟、南通、海安、泰州、揚州、六合10個站點,最后回到南京中心機房.圖8是本次測試的方案示意圖,在南京中心機房放置一臺光纖時間同步本地端設(shè)備和一臺遠程端設(shè)備,在其余站點各放置一臺遠程端設(shè)備和一臺中繼設(shè)備.以南京機房為中心機房,對各個站點(包括南京站點)遠程端設(shè)備進行時間同步,并在南京機房測試遠程端11輸出的時間信號.

圖7 實地光纖鏈路地理位置Fig.7.Geographical distribution of the fi eld fi ber link.

圖8 實地光纖測試方案Fig.8.Scheme of fi eld fi ber test.

表1 光纖鏈路的詳細參數(shù)Table 1.Detailed parameters of the individual sites in the fi eld fi ber link.

實驗前,利用光時域反射計(OTDR)對實地光纖鏈路的長度和衰減情況進行分段測試,測試結(jié)果如表1所列.經(jīng)統(tǒng)計,光纖鏈路全程為871.6 km,總衰減為203 dB.其中表1第5列表示實驗過程中通過實驗設(shè)備內(nèi)部的實時時延測量功能測得的本地端與各個站點遠程端之間的光纖鏈路時延及其變化情況.從表1中可以看出,871.6 km光纖鏈路的總傳輸時延平均值為4303540527 ps,時延變化的峰值為66423 ps.

在南京中心機房,將南京遠程端設(shè)備輸出的1 PPS信號與輸入到南京本地端設(shè)備的1 PPS信號進行比對測試,并將測量結(jié)果與550 km實驗室光纖的情況進行對比,結(jié)果如圖9所示.550 km實驗室光纖鏈路時差變化的標(biāo)準(zhǔn)差值為18.4 ps,峰-峰值為158 ps;871.6 km實地光纖鏈路時差變化的標(biāo)準(zhǔn)差值為29.8 ps,峰-峰值為285 ps.時間同步穩(wěn)定度如圖10所示,紅色曲線表示經(jīng)過550 km實驗室光纖后,其時間穩(wěn)定度為13.8 ps@1 s,2.92 ps@1000 s,黑色曲線表示經(jīng)過871.6 km實地光纖鏈路后,其時間穩(wěn)定度為15.1 ps@1 s,3.85 ps@1000 s.

從測量結(jié)果可以看出,實地光纖鏈路時間同步結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差值及時間穩(wěn)定度相對采用實驗室光纖鏈路的測量結(jié)果有較大惡化,這是由于實地光纖鏈路受到的機械振動、聲音及各種噪聲的影響較大,并且這些噪聲的頻譜比較寬,采用光電光中繼和PLL凈化的方式難以徹底消除,從而對時間同步的結(jié)果帶來了一定的影響.這從測量結(jié)果可以看出,實地光纖鏈路前100 s的時間穩(wěn)定度明顯比實驗室光纖鏈路較差;同時由于測量環(huán)境溫度的變化,導(dǎo)致本地端、遠程端及中繼設(shè)備內(nèi)的激光器的輸出波長和電子線路的傳輸時延發(fā)生變化,這將對時間同步的長期穩(wěn)定度產(chǎn)生嚴重的影響,從時間穩(wěn)定度測量的結(jié)果中也可以看出,其穩(wěn)定度在1000 s之后發(fā)生了嚴重的惡化.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)實驗室光纖與實地光纖鏈路時差變化測量結(jié)果(紅色曲線表示實驗室光纖,黑色曲線表示實地光纖)Fig.9.(color online)The measured time interval variation results of the laboratory fi ber link(red line)and the fi led fiber link(black line).

圖10 (網(wǎng)刊彩色)實驗室光纖與實地光纖鏈路時間傳遞穩(wěn)定度測量結(jié)果(紅色曲線表示實驗室光纖鏈路,黑色曲線表示實地光纖鏈路)Fig.10.(color online)The measured time deviation results of the laboratory fi ber link(red line)and the fi led fi ber link time stability(black line).

3.3 時間同步標(biāo)準(zhǔn)差及不確定度分析

3.3.1 時間同步標(biāo)準(zhǔn)差分析

表2列出了550 km實驗室光纖鏈路與871.6 km實地光纖的時間傳遞的穩(wěn)定度主要因素影響.其中電子線路延時誤差主要是由工作溫度變化引起的,實驗室溫度變化峰-峰值約2°C,各個站點機房總溫度變化峰-峰值約4°C;補償滯后誤差、測量模塊誤差及校準(zhǔn)誤差由系統(tǒng)自身決定;光纖殘余噪聲是由光纖鏈路噪聲導(dǎo)致系統(tǒng)中信噪比降低而產(chǎn)生的,主要是由外界環(huán)境振動及聲音引起的.

表2 光纖時間同步標(biāo)準(zhǔn)差分析Table 2.Instability analysis of the fi ber synchronized timing signal.

3.3.2 時間同步不確定度分析

表3列出了550 km實驗室光纖鏈路與871.6 km實地光纖的時間傳遞的不確定度主要因素影響.其中主要包括以下幾個方面:本地端和遠程端設(shè)備時延溫漂,每臺設(shè)備的漂移約為3 ps/°C,實驗室溫度變化峰-峰值約2°C,各個站點機房總溫度變化峰-峰值約4°C;時差測量的誤差(本地端和遠程端設(shè)備的時延校準(zhǔn)誤差以及設(shè)備在運行過程中對光纖鏈路傳輸時延的測量誤差);激光器波長變化引起的光纖色散誤差,經(jīng)過對激光器外部的溫度控制,輸出波長隨環(huán)境溫度的變化小于0.0001 nm/°C;中繼放大器引入的時延不對稱性誤差約5 ps.表3中,D為光纖的色散系數(shù),典型值為17 ps/(nm·km),L為光纖鏈路長度.

本方案采用時分多址的方式,當(dāng)接入設(shè)備數(shù)量增加時會延長系統(tǒng)的輪詢周期,對時間同步穩(wěn)定度及不確定度會產(chǎn)生一定影響.下一步我們計劃對遠程端設(shè)備內(nèi)的PLL采用數(shù)字鎖相方式,這樣不僅可增大鎖相環(huán)路的時常數(shù),也可更大程度地抑制帶外噪聲,獲得更好的時間同步短期穩(wěn)定度,并對激光器、本地端設(shè)備及遠程端設(shè)備的溫控進行改進,以減小溫度變化對時間同步長期穩(wěn)定度及不確定度的影響.

表3 光纖時間傳遞不確定度分析Table 3.Uncertainty analysis of the fi ber synchronized timing signal.

4 結(jié) 論

介紹了中國科學(xué)院國家授時中心在高精度光纖時間同步方面的研究進展.以自行研制的工程樣機,在長度為550 km長的實驗室光纖及871.6 km的實地光纖鏈路上進行了實驗測試.在長度為550 km的實驗室光纖鏈路上,測得50,300,550 km處的時間同步的標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.7,16.8,18.4 ps,時間同步的穩(wěn)定度分別為1.78 ps@1000 s,2.09 ps@1000 s,2.92 ps@1000 s.在實地光纖鏈路上,由于條件的限制,只對經(jīng)過871.6 km光纖鏈路后的時間信號進行了測量,測得時間同步的標(biāo)準(zhǔn)差為29.8 ps,時間同步的穩(wěn)定度為3.85 ps@1000 s,時間同步不確定度為25.4 ps.通過實驗實現(xiàn)了光纖鏈路中多個站點的遠程端設(shè)備與本地端設(shè)備的時間同步,也驗證了本方案的可行性,并對實驗中的主要影響因素進行了分析.在本文提出的方案的基礎(chǔ)上,下一步將采用星形和鏈形連接相組合的多站點同步方法和級聯(lián)傳遞方式進行高精度的時間同步,這將為全國性的網(wǎng)絡(luò)化光纖時間同步研究奠定一定的基礎(chǔ).

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High-precision long-haul fi ber-optic time transfer between multi stations?

Chen Fa-Xi1)3)?Zhao Kan1)3)Zhou Xu1)2)3)Liu Tao1)3)Zhang Shou-Gang1)3)

1)(National Time Service Centre,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710600,China)
2)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)
3)(Key Laboratory of Time and Frequency Standards,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710600,China)

7 May 2017;revised manuscript

5 July 2017)

To achieve high-precision fi ber-optic time transfer,the method of two-way transmission is usually used.Therefore in this paper we propose to develop a high-precision long-haul fi ber-optic time transfer between multi stations by simultaneously transferring the 1 pluse per second signal,time code signal and 10 MHz frequency signal over single fi ber with the same wavelength,and adopting the time division multi address(TDMA)as well as the puri fi cation and regeneration method at individual station.In this proposal,the equipment at each remote station has its own address,and the equipment at the local station can establish the periodic two-way time transfer with any remote station by using the TDMA method,therefore each remote station is synchronized with the local station.To avoid the superimposed e ff ect of optical noises during propagation in fi ber,the optical-electro-optical relay ampli fi ers are utilized.In the meantime the propagation delay of the fi ber link is compensated for at each remote station.With the self-developed engineering prototypes,the experimental veri fi cations are subsequently conducted both in laboratory and real fi eld.In the laboratory,the experimental setup is built by cascading 11 rolls of 50 km-long fi ber coils,and locating three monitoring devices at different fi ber distances of 50,300,and 550 km from the local station.The stabilities of the time transfer at these three points are achieved to be 16.7,16.8,and 18.4 ps in standard deviation,and the time deviations are 1.78,2.09,and 2.92 ps at an averaging time of 1000 s respectively.In the real fi eld test,a fi eld fi ber link of 871.6 km in length is utilized,along which 11 self-developed time-frequency transceivers are set at the cascaded fi ber-optic stations.Since only the 11th remote station is co-located at the local station,the performance and the time transfer between the 11th remote station and the local station are measured accurately.The time transfer is experimentally demonstrated with the time standard deviation of 29.8 ps and the time deviations of 3.85 ps/1000 s.The timing uncertainty on the fi eld fi ber link is also checked and gives a value of 25.4 ps.To further improve the long-term stability of time transfer,the more accurate thermal control of the lasers used in the system should be adopted to reduce the optical wavelength drift.By compressing the bandwidth of the phase locked loop module in each remote device,the short-term stability of time synchronization can also be better.This proposal can also be extended to the fi ber networks with star-shaped and chain-shaped connections.Therefore time synchronization in even larger areas and more stations can be realized.

fi ber optics,time synchronization,synchronization network

(2017年5月7日收到;2017年7月5日收到修改稿)

10.7498/aps.66.200701

?國家自然科學(xué)基金重大項目(批準(zhǔn)號:91636101)、國家重點研發(fā)計劃(批準(zhǔn)號:2016YFF0200200)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:11273024)資助的課題.

?通信作者.E-mail:cfx2006xd@163.com

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:07.60.Vg,06.30.–k,42.81.UvDOI:10.7498/aps.66.200701

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.91636101,11273024)and the National Key Research and Development Plan of China(Grant No.2016YFF0200200).

?Corresponding author.E-mail:cfx2006xd@163.com