楊文哲，楊宏雷，趙環(huán)，王學運，張升康

光纖時頻傳遞技術進展

楊文哲1,2,3，楊宏雷1,2，趙環(huán)1,2，王學運1,2，張升康1,2

（1. 北京無線電計量測試研究所，北京 100854；2. 計量與校準技術國家級重點實驗室，北京 100854；3. 中國航天科工集團二院研究生院，北京 100854）

光纖信道具有傳輸穩(wěn)定、帶寬大、不易受干擾等特點，近年來在高精度時間頻率傳遞方面得到廣泛的應用。目前，在區(qū)域地區(qū)內(nèi)通過光纖網(wǎng)絡傳遞時間頻率信號的實現(xiàn)方案主要分為3類：光纖微波時間頻率傳遞方案、光纖光頻傳遞方案、基于光學頻率梳的光纖時間頻率傳遞方案。最新的報道表明，光纖微波時間頻率傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度已達到5×10-19/d，時間傳遞穩(wěn)定度達到11 ps/d；光纖光頻傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度達到7.5×10-20/10 ks；基于光學頻率梳的光纖時間頻率傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度達到1.7×10-18/100 s，時間傳遞穩(wěn)定度達到飛秒量級。鑒于光纖時頻傳遞技術的飛速發(fā)展，綜述了光纖時間頻率傳遞技術的發(fā)展歷史，總結了各類光纖時頻傳遞的具體實現(xiàn)方案及其性能，評述了各種光纖時頻傳遞的實現(xiàn)方案。

光纖網(wǎng)絡；時間傳遞；頻率傳遞

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和自動控制設備逐步覆蓋生活中的每一個角落，時間頻率傳遞技術成為設備協(xié)同工作甚至是整個社會正常運轉的重要保證。高精度的時間頻率傳遞技術已經(jīng)廣泛地應用在科學研究、軍事安全、航空航天、導航定位、金融證券、鐵路運輸?shù)戎T多領域。例如，國際原子時（International Atomic Time，TAI）是目前的國際時間標準，是通過對世界上多個國家守時實驗室中的原子鐘進行比對，并對比對數(shù)據(jù)進行加權計算得到的[1]。原子鐘比對過程離不開遠程時間頻率傳遞技術。在基礎物理學[2-4]、大地測量學[5]、無線電天文學[6]等很多學科的大量基礎實驗中，遠程時間頻率傳遞技術能夠為天線陣列、射電天文望遠鏡等大型實驗設備提供精確、穩(wěn)定、一致的時間頻率參考信號，保證實驗設備的長期穩(wěn)定運行及測量精度。目前，GNSS共視法[7-8]，GNSS全視法和衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞法[9-10]是應用廣泛、技術成熟的基于衛(wèi)星的時間頻率傳遞方法。這3種方法在原子時比對、時間統(tǒng)一和雷達探測等領域廣泛應用，其時間比對不確定度均在納秒量級，頻率比對不確定度可達10-15/d。

然而，近年來隨著原子鐘性能指標的不斷提升以及光鐘的出現(xiàn)，銫噴泉原子鐘的不確定度已經(jīng)達到10-15量級[11]，光鐘系統(tǒng)的不確定度已經(jīng)達到10-19量級[12]。GNSS共視法、GNSS全視法和衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞法已經(jīng)無法完成這些新型原子鐘和光鐘之間的比對，以及時間頻率標準的播發(fā)、導航定位系統(tǒng)、武器裝備、量子物理學、測繪學等各方面的應用需求。因此，亟需研究更高精度的時間頻率傳遞技術。由于光纖信道傳輸穩(wěn)定、帶寬大、不易受干擾，時頻計量領域的專家學者們開始嘗試通過光纖傳輸高精度的時間頻率標準信號。時至今日，各個時頻計量實驗室已經(jīng)在光纖時間頻率傳遞技術上取得了巨大的進展。最新的報道表明，光纖微波時間頻率傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度已達到5×10-19/d；時間傳遞穩(wěn)定度達到11 ps/d；光纖光頻傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度達到7.5×10-20/105s；基于光學頻率梳的光纖時間頻率傳遞方案的頻率傳遞穩(wěn)定度達到1.7×10-18/100 s，時間傳遞穩(wěn)定度達到飛秒量級。并且隨著光纖時間頻率傳遞的不斷發(fā)展，區(qū)域范圍內(nèi)的大規(guī)模光纖時頻同步網(wǎng)絡建設已經(jīng)被各國提上日程。2012年，由歐盟9國（德國、法國、英國、奧地利、意大利、荷蘭、瑞典、芬蘭、捷克）共同出資合作開展的聯(lián)合研究項目NEAT-FT正式啟動[13]，旨在建設一個頻率傳輸穩(wěn)定度優(yōu)于10-17/d，時間同步不確定度優(yōu)于100 ps的歐洲時頻光纖同步網(wǎng)絡。本文綜述了光纖時間頻率傳遞技術的發(fā)展歷史，總結了光纖時頻傳遞的具體實現(xiàn)方案及其性能，評述了各種光纖時頻傳遞的實現(xiàn)方案。

1 光纖時間頻率傳遞的發(fā)展歷史

光纖時間頻率傳遞技術起源于美國國家航空航天局（NASA）對數(shù)千千米距離無衰減傳遞時間頻率標準信號的需求。1970年代末期，在NASA深太空網(wǎng)絡（deep space network，DSN）的空間導航和跟蹤功能建設中，以及無線電科學實驗中，都需要使用高精度的時間頻率信號。然而，同軸電纜傳輸逐漸無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等方面的需求。于是，具有低損耗、低噪聲、抗電磁干擾等優(yōu)點的光纖光纜成為了新的傳輸媒介。NASA下設的噴氣推動實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）開展了光纖光纜時頻信號傳遞技術研究[14]，并開始鋪設光纜。1980年，JPL實驗室安裝了第一條光纖實驗鏈路，從時間頻率實驗室到頻率標準建筑，使用62.5/125 μm多模光纖，單向距離1.5 km。實驗成功傳輸100 MHz的氫鐘頻率標準信號[15]，證實光纖能夠取代同軸電纜和微波鏈路，傳遞頻率參考信號。隨后，NASA在DSN站點間鋪設了單模光纖光纜。1989年，NASA DSN GDSCC（Deep-space Communications Complexes located near Goldstone，CA）中心首次實現(xiàn)了通過光纖光纜傳遞時間頻率信號[16]，為所有天線同時提供時間和頻率參考信號，傳輸距離10 km。隨著DSN不斷建設和升級，NASA大力推動了光纖時頻傳遞技術的發(fā)展。在1990年代，JPL實驗室研制了光纖播發(fā)集成器（fiber-optic distribution assembly，F(xiàn)ODA），并建立了基于FODA的開環(huán)頻率播發(fā)系統(tǒng)[17]，為深太空網(wǎng)絡的各種天線提供高穩(wěn)定度的頻率參考信號。同時深入測試了光電設備、光纖光纜等各方面引入的噪聲對于頻率傳遞穩(wěn)定度的影響，并提出了主動相位穩(wěn)定技術，設計形成了Stabilized FODA（SFODA）閉環(huán)頻率播發(fā)系統(tǒng)[18-19]，其長期穩(wěn)定度比之前的開環(huán)系統(tǒng)提升了3個量級，應用于需要更高精度頻率參考信號的新型天線和特殊實驗。

NASA DSN成功通過光纖傳遞時間頻率信號[20]，開啟了通過光纖鏈路實現(xiàn)高精度時間頻率傳遞和比對的先河。隨后，大量專家學者對NASA研制的時間頻率傳遞技術進行了改進，如增加噪聲消除設備，解決光纖色散問題等，并在此后的幾十年里不斷地改進和突破，利用10 MHz，1 PPS，B碼等微波時間頻率信號對激光信號強度進行調(diào)制，并通過反饋結構補償鏈路噪聲，使接收端通過光電探測技術獲得與發(fā)射端一致的時間頻率信號，從而實現(xiàn)了時間頻率傳遞，逐漸形成了以微波時間頻率信號調(diào)制光信號為主要方式的一類傳遞方法。本文將這類方法稱為光纖微波時間頻率傳遞。同時，隨著光鐘技術日益成熟，全球出現(xiàn)了大量超高穩(wěn)定度的光鐘，而這些光鐘需要新的高穩(wěn)定度的傳遞方法來相互比對。2003年NIST的Ye Jun等人進行了了光學頻率標準的相干相位傳遞[21]，并利用光學頻率梳系統(tǒng)進行測量，最終獲得了很高的頻率傳遞穩(wěn)定度，優(yōu)于光纖微波頻率傳遞方法。此后，各國學者們不斷深入研究并改進試驗裝置，通過超窄線寬激光信號的直接傳輸，并利用拍頻技術測量鏈路相位噪聲，利用反饋控制結構補償鏈路噪聲，最終實現(xiàn)了超穩(wěn)光學頻率傳遞，逐漸形成了以光載波直接傳遞為主要方式的一類頻率傳遞方法。本文將這類方法稱為光纖光頻傳遞。自2005年諾貝爾物理學獎涉及飛秒光學頻率梳以來，飛秒光學頻率梳優(yōu)良的時域和頻域特性使其在絕對距離測量、光學頻率測量等領域備受關注。目前，部分學者利用光纖鏈路傳輸飛秒光學頻率梳產(chǎn)生的脈沖光信號，通過測量脈沖光信號的重復頻率實現(xiàn)微波頻率的傳遞；通過測量二次諧波信號，得到兩束脈沖光信號之間的時間差，最終實現(xiàn)了飛秒量級的時間同步。本文將這類新興的方法稱為基于飛秒光學頻率梳的光纖時間頻率傳遞。

2 光纖時間頻率傳遞技術綜述

如前文所述，在區(qū)域地區(qū)范圍內(nèi)通過光纖網(wǎng)絡傳遞時間頻率信號的實現(xiàn)方案主要分為3類：①光纖微波時間頻率傳遞；②光纖光頻傳遞；③基于飛秒光學頻率梳的光纖時間頻率傳遞。

2.1 光纖微波時間頻率傳遞

光纖微波時間頻率傳遞是利用電光調(diào)制技術使時間頻率信息搭載到光信號上完成遠距離傳遞。根據(jù)所用的調(diào)制信號類型，光纖微波時間頻率傳遞又可以分為光纖微波頻率傳遞和光纖微波時間同步。

2.1.1 光纖微波頻率傳遞

光纖微波頻率傳遞的基本思想是，利用10 MHz，100 MHz等頻率標準信號對連續(xù)激光信號進行電光調(diào)制，使其攜帶微波頻率標準信息；經(jīng)光纖鏈路傳遞到用戶端后，利用光電探測技術解調(diào)激光信號，恢復出微波頻率標準信號，其原理裝置圖如圖1所示。

實際上，頻率傳遞補償系統(tǒng)的原理和組成并不唯一，而補償系統(tǒng)的效果也決定著整個系統(tǒng)的頻率傳遞穩(wěn)定度結果。因此目前國內(nèi)外學者們正在不斷地改進補償系統(tǒng)，提升系統(tǒng)頻率傳遞穩(wěn)定度。M. Fujieda[22]等根據(jù)雙混頻時差方法，利用下變頻器和商用TS 5110A構建了一個高精度相位差測量系統(tǒng)，將需要測量的往返信號與本地信號之間的相位差擴大了100倍，從而提高了測量分辨率，更加精確地補償鏈路噪聲，最終在51 km光纖卷軸中完成了頻率傳遞，頻率穩(wěn)定度達到10-17/60 ks。王波[23]等利用9.1 GHz信號調(diào)制連續(xù)光信號，并通過混頻鑒相結構反饋控制調(diào)制信號相位，補償光纖鏈路相位噪聲的同時，補償了激光器、放大器等設備引入的相位噪聲，最終在80 km實地光纖鏈路中實現(xiàn)了高精度頻率傳遞，頻率穩(wěn)定度高達5×10-19/d。

2.1.2 光纖微波時間同步

光纖微波時間同步的基本思想是，首先參考1 PPS時間標準信號產(chǎn)生編碼信號，利用編碼信號對連續(xù)激光信號進行電光調(diào)制，使其攜帶微波時間標準信息；通過光纖鏈路連接的兩端站點同時向?qū)Ψ桨l(fā)射出光信號，在接收到光信號后，利用光電探測技術解調(diào)激光信號，恢復出編碼信號，經(jīng)過解碼后恢復出1 PPS信號；再測量發(fā)射與接收時刻的時間間隔，并根據(jù)雙向法原理，解算兩端時鐘鐘差，其原理裝置圖如圖2所示。根據(jù)round-trip原理同樣能夠完成時間同步，同步過程與頻率傳遞過程相似。而雙向法與round-trip法基本相似，都是基于信號在光纖中雙方向傳輸噪聲近似相等的原理，通常用于時間同步，具體流程如圖2所示。

圖2 光纖微波時間同步原理裝置圖

公式（6）和（7）相減可得：

最終，兩站之間的時差可以通過兩站時間間隔測量結果和鏈路傳輸不對稱時延計算得到，實現(xiàn)兩站點時間同步。因此，系統(tǒng)時間同步精度和不確定度取決于時間間隔測量設備的性能指標以及光纖鏈路、發(fā)射接收等環(huán)節(jié)所引入的雙向傳輸不對稱時延。目前國內(nèi)外學者們致力于解決雙向傳輸時延不相等的問題。P. Krehlik[24]等提出光纖鏈路雙向傳輸時延不相等的兩個主要因素是發(fā)射機波長不同所帶來的色散效應和光纖雙折射帶來的偏振膜色散效應。所幸偏振膜色散影響很小，系數(shù)通常小于0.05 ps/km-1/2，可以忽略。通過減小雙向傳輸波長差的方式，能夠有效地減小色散效應引起的時延失配量。理論上，使雙方傳輸波長完全相等能夠徹底消除色散效應，但是如此一來瑞利后向散射光會帶來極大的噪聲，直接影響時間傳遞的短期不確定度，增大頻率傳遞的相位噪聲。因此，選擇采用不同雙向傳輸波長，抑制了瑞利后向散射噪聲，并對色散效應引起的延遲失配量進行校準[25]。這種校準方法在短距離系統(tǒng)中能夠解決問題，但是隨著傳輸距離的增加，校準過程變復雜，校準不確定度下降。隨后，胡亮[26]等提出了雙向時分復用形式的光纖時間同步技術，在一根光纖中采用相同的雙向傳輸波長，消除了色散效應引起的延遲失配量；再利用時分復用技術錯開光發(fā)射和光接收的時刻，保證光接收機不會接收到瑞利后向散射光。最終，時間同步不確定度達到40 ps/s，11 ps/d。

除了光纖鏈路會引入雙向傳輸不對稱時延之外，系統(tǒng)設備時延同樣會造成雙向時延不相等，如光發(fā)射接收機、雙向光放大器等。J. Kodet[27]等提出光纖雙向時間同步系統(tǒng)內(nèi)部時延會造成雙向傳輸時延失配，并且在短距離同步中影響程度大于色散等因素占據(jù)主導地位。因此，深入研究了系統(tǒng)端機內(nèi)部時延隨溫度變化的情況，并提出了電學、光學領域兩種補償方法。最終時間同步不確定度達到亞皮秒量級。張浩[28]等發(fā)明了一種單纖雙向時分復用光放大裝置，控制雙向光信號在不同的時刻通過同一個放大裝置，徹底解決了放大器在雙向上傳輸時延不相等的問題。

2.1.3 小結

相比其他兩類方法，光纖微波時間頻率傳遞方案發(fā)展時間最長，技術成果最多，大量研究單位已經(jīng)在商用光纖中證實了可行性。此外，光纖級聯(lián)式系統(tǒng)[29-30]、鏈路多點下載[31]、用戶端補償[32]等網(wǎng)絡構建應用技術已經(jīng)被提出，大大提升了光纖微波時間頻率傳遞方案的工程實用性，為大規(guī)模光纖時頻網(wǎng)絡的建設提供了技術基礎。因此該方案適合用于傳輸目前廣泛應用的原子鐘所產(chǎn)生的時間頻率標準信號，適合用于建設各種大中小型的光纖時頻網(wǎng)絡。但是該方案的時間同步不確定度和頻率傳遞穩(wěn)定度結果普遍低于其他兩類方法。因為這類技術并沒有應用光信號的特性，只是將光纖作為傳輸媒介，光信號作為傳輸工具。

2.2 光纖光頻傳遞

光纖光頻傳遞的基本思想是，超穩(wěn)連續(xù)波激光器系統(tǒng)產(chǎn)生光載波信號，信號經(jīng)過光纖鏈路到達用戶端，用戶端從光載波信號中能夠直接獲得具有高穩(wěn)定度的光學頻率，通過光學頻率梳能夠得到其他光學頻率和微波頻率，其原理裝置如圖3所示。與2.1節(jié)相同，為了根據(jù)round-trip原理消除光纖鏈路引入的相位噪聲，需要形成閉環(huán)鏈路。在用戶端放置法拉第鏡，將光載波信號反射回到本地端，并加入光放大器，補償傳輸損耗。本地端對往返光信號和本地光信號進行拍頻，得到光纖鏈路引入的噪聲，進而通過反饋控制單元控制聲光調(diào)制器，將發(fā)射信號移頻以補償相位噪聲；而用戶端的聲光調(diào)制器將回傳信號移頻，以便于本地端區(qū)分接收到的回傳信號和鏈路節(jié)點反射光、瑞利散射光等干擾信號。

圖3 光纖光頻傳遞原理裝置圖

光纖光頻傳遞方案的系統(tǒng)裝置簡單，由于不需要色散補償且對偏振膜色散不敏感，適合長距離傳遞。K. Predehl等在920 km[33]超長實地光纖鏈路中成功傳遞光載波信號，利用低噪聲摻餌光纖放大器EDFA和光纖布里淵放大器FBA補償鏈路中高于200 dB的功率損耗，系統(tǒng)不穩(wěn)定度達到5×10-15/s，10-18/1ks，并且發(fā)現(xiàn)光纖鏈路不穩(wěn)定度在整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定度中只占小部分。因此，隨后這一小組的S. Droste等在1 840 km[34]光纖鏈路中完成了光頻傳遞，系統(tǒng)頻率傳遞秒穩(wěn)定度在10-15量級，沒有因為距離的增加而大幅惡化。此外，光纖光頻傳遞方案不再將光信號僅僅作為傳輸載波，直接利用光學頻率完成高精度頻率傳遞。因此，該方案的頻率傳遞穩(wěn)定度結果非常高，相比光纖微波頻率傳遞提升了1~2個量級。劉濤[35]等通過自研的超穩(wěn)窄線寬激光器在112 km實地光纖中完成了高精度光學頻率傳遞，相對頻率秒穩(wěn)定度達到2.5×10-16/s，長期穩(wěn)定度達到7.5×10-20/10 ks。同時，該方案與光鐘頻率信號十分契合，適用于高精度光鐘比對。2009年日本NMIJ 研究所的F. L. Hong等經(jīng)過120 km光纖遠距離測量87Sr光鐘[36]，最終測量不確定度為6×10-16。2011年日本NICT 研究所的M. Fujieda等人建立了全光鏈路，采用光纖光頻傳遞方案，實現(xiàn)了兩地87Sr光鐘比對[37]，其鏈路傳遞穩(wěn)定度為2×10-15/s，4×10-18/1 ks。

在實現(xiàn)了超高穩(wěn)定度頻率傳遞的同時，通過波分復用技術將光纖微波時間傳遞方案和光纖光頻傳遞方案相結合，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度時間傳遞。例如，O. Lopez[38]等在使用超穩(wěn)激光器傳遞光學頻率信息的同時，利用光相位調(diào)制技術將時間信號調(diào)制到光信號上進行傳輸，時間信號由衛(wèi)星雙向調(diào)制解調(diào)器提供，最終使用一臺激光器同時實現(xiàn)了時間和頻率傳遞，時間穩(wěn)定度達到20ps/1ks?？傊?，光纖光頻傳遞方案具有頻率傳遞穩(wěn)定度高、適合長距離傳輸?shù)葍?yōu)點，適用于高精度光鐘比對，為新一代光鐘研制工作提供了重要保障。

2.3 基于飛秒光學頻率梳的光纖時間頻率傳遞

飛秒光學頻率梳信號是脈沖形式的光信號，脈沖寬度達到飛秒量級，并且能夠同時提供穩(wěn)定的微波頻率和光學頻率，因此飛秒光學頻率梳成為了時間頻率同時傳遞的理想源。基于飛秒光學頻率梳的光纖時間頻率傳遞的基本思想是，鎖定到時間頻率源上的飛秒光學頻率梳產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過光纖鏈路傳遞到用戶端；用戶端通過測量飛秒脈沖時延和重復頻率分別獲得高精度時間信號和高穩(wěn)定度頻率信號，其原理裝置如圖4所示。圖中BS為半透半反鏡，它將一部分飛秒脈沖信號被反射回到本地端，另一部分被用戶端接收。與2.1和2.2節(jié)相同，回傳信號經(jīng)過測量后用于補償光纖鏈路噪聲。

圖4 基于飛秒光學頻率梳的時間頻率傳遞方案原理圖

目前，主要采用快速光電探測技術測量重復頻率。2010年英國國家物理研究所（National Physical Laboratory，NPL）的G. Marra等在86 km光纖鏈路中成功傳輸了重復頻率為250 MHz的飛秒光學頻率梳信號[39]，并通過測量重復頻率的高次諧波實現(xiàn)了高精度的頻率傳遞，最終傳遞秒穩(wěn)定度為5×10-15，長期穩(wěn)定度為4×10-17/1 600 s。2016年，北京大學的張志剛小組在120 km光纖鏈路中同樣實現(xiàn)了基于飛秒光學頻率梳的頻率傳遞[40]，傳遞秒穩(wěn)定度為5.28×10-16，長期穩(wěn)定度為1.7×10-18/100 s；同時運用密集波分復用技術，結合光纖微波時間傳遞技術實現(xiàn)了時間頻率同傳。不同于重復頻率的測量，飛秒量級時延測量系統(tǒng)不能使用傳統(tǒng)的光電探測技術，因為傳統(tǒng)光電測量會引入皮秒量級的時間抖動，大于脈沖信號的寬度。2007年，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的J. Kim，J. A. Cox等提出了一種單晶體平衡互相關方法[41]，利用二次諧波信號，測量兩個飛秒脈沖之間的時間偏差，并使用該方法在300 m實驗室光纖鏈路中實現(xiàn)了光-光和光-微波之間的長期時間同步[42]，同步穩(wěn)定度分別為9×10-21/12 h，1.9×10-19/10 h。2016年，北京無線電計量測試研究所的石凡等根據(jù)飛秒脈沖二次諧波相關探測原理，使用BBO倍頻晶體，構建高精度的時間同步測量系統(tǒng)[43]，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)10 fs量級的時間同步。由于飛秒光學頻率梳信號脈寬非常窄，因此這一方案的時間傳遞結果明顯優(yōu)于2.1小節(jié)中所述的光纖微波時間傳遞方案，等效穩(wěn)定度結果也提升了數(shù)個量級。

基于飛秒光學頻率梳的時間頻率傳遞方案中，頻率傳遞方案與光纖微波頻率傳遞方案有相似之處，發(fā)展較快，技術成熟，時間同步方案則發(fā)揮了脈沖光信號的特點，實現(xiàn)了超高精度的時間同步。不過，目前各國學者的時間同步研究成果都是在實驗室中或?qū)嵉氐亩叹嚯x光纖中完成的，在長距離光纖中沒有成功的案例。由此可見，基于飛秒光學頻率梳的時間同步方案尚不成熟，處于實驗室研究階段，仍有待改進。此外，從工程應用的角度來看，精密的飛秒光學頻率梳成本高昂且工作環(huán)境嚴苛，因此該方案僅適用于時頻領域?qū)嶒炇抑g的時間同步和頻率比對，難以用于大規(guī)模的光纖時頻網(wǎng)絡以及不具備精密實驗環(huán)境的情況。

3 結語

目前光纖時間頻率技術主要分為3類：①光纖微波時間頻率傳遞方案；②光纖光頻傳遞方案；③基于飛秒光學頻率梳的光纖時間頻率傳遞方案。光纖微波時間頻率傳遞方案發(fā)展時間長，工程實踐經(jīng)驗充足，適合用于傳輸原子鐘所產(chǎn)生的時間頻率標準信號，適合用于建設各種大中小型的光纖時頻網(wǎng)絡。而光纖光頻傳遞方案則利用了連續(xù)波光信號的特性，其頻率傳遞穩(wěn)定度高，秒穩(wěn)定度達到10-15量級，長期穩(wěn)定度達到10-19量級，能夠滿足光鐘所產(chǎn)生的光學頻率標準傳遞和比對的使用需求?；陲w秒光學頻率梳的時間頻率傳遞方案利用了脈沖光信號的特性，其時間傳遞不確定度非常高，能夠達到飛秒量級，但該技術尚不成熟，還沒有在長距離光纖鏈路中成功實現(xiàn)的案例，且飛秒光學頻率梳成本高昂，工作環(huán)境嚴苛。未來各國學者們還將繼續(xù)致力于研究和完善更高精度、更適應各個應用領域需求的光纖時間頻率傳遞方案，能夠預見光纖時間頻率傳遞方案將在時間頻率計量領域發(fā)揮十分重要的作用。

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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

楊文哲，男，博士研究生，主要從事時間同步與校準技術研究。