陳法喜 趙侃 李博 劉博 郭新興 孔維成3)陳國超3) 郭寶龍 劉濤 張首剛

1) (西安電子科技大學, 西安 710071)

2) (中國科學院國家授時中心, 西安 710600)

3) (中國科學院大學, 北京 100039)

在長距離高精度光纖時間同步系統(tǒng)中, 為了減少后向反射光與光纖色散對傳輸精度的影響, 本文在雙波長光纖時間同步傳輸方法之上, 提出了一種具有色散誤差修正功能的雙波長光纖時間同步傳輸方法.以自行研制的工程樣機在長度約為800 km 的實驗室光纖鏈路上和1085 km 的實地光纖鏈路上進行了實驗測試, 也是國內(nèi)首次實現(xiàn)千公里級實地光纖時間同步傳輸.在實驗室光纖鏈路上, 測得傳輸鏈路色散補償后的色散時延誤差為10 ps, 時間同步標準差為5.7 ps, 穩(wěn)定度為1.12 ps@105 s, 不確定度為18.4 ps.在實地光纖鏈路上,測得傳輸鏈路色散補償后的色散時延誤差為60 ps, 時間同步標準差為18 ps, 穩(wěn)定度為5.4 ps@4 × 104 s, 不確定度為63.5 ps.

1 引 言

高精度時間頻率信號傳輸技術(shù)在許多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用, 如全球衛(wèi)星導航[1]、深空探測[2]、射電天文[3]以及精密物理測量[4?6]等.在時間頻率信號傳輸領(lǐng)域, 衛(wèi)星共視(CV)[7,8]和衛(wèi)星雙向比對(TWSTFT)[9,10]是目前最為常用的授時手段,可實現(xiàn)的時間頻率傳輸日穩(wěn)定度最高為10–15量級[11], 時間同步精度為納秒量級[12].隨著高精度原子鐘技術(shù)的不斷進步, 銫噴泉鐘的日穩(wěn)定度已達到10–15量級[13], 光鐘的日穩(wěn)定度也已達到了10–19量級[14], 已遠超目前的衛(wèi)星授時精度.為了保證這些高精度的時間頻率信號能夠進行遠程傳輸與比對, 需要發(fā)展具有更高精度的時間頻率信號傳輸手段.由于光纖具有抗電磁干擾、受外界環(huán)境干擾較小、低損耗以及傳輸帶寬大等優(yōu)勢, 被認為是目前最適合用于高精度時間頻率傳輸?shù)囊环N工具.歐美等發(fā)達國家均已開展了光纖時間頻率信號傳輸方面的研究, 并取得了突破性的進展[15?22].2010 年,捷克教育科研網(wǎng)中心利用波分復用(DWDM)雙向時間比對的方法, 在744 km 的實地光纖鏈路上實現(xiàn)了時間同步傳輸, 穩(wěn)定度優(yōu)于100 ps@1 s, 不確定度為112 ps[20].2016 年, 荷蘭國家計量院VSL采用雙向光放大器結(jié)構(gòu)與White Rabbit 系統(tǒng), 在274 km 的光纖鏈路上實現(xiàn)了時間同步傳輸, 不確定度優(yōu)于8.2 ns[21].2019 年, 波蘭克拉科夫AGH科技大學提出了一種通過改變光纖色散補償模塊的長度或溫度來修正相位延遲的方法, 在1550 km的實地光纖鏈路上獲得了優(yōu)于20 ps 的時間傳輸穩(wěn)定度[22].在國內(nèi), 相關(guān)小組在光纖時間頻率傳輸領(lǐng)域也開展了研究, 并取得了一定的成果[23?31].2017 年, 清華大學在25 km 的光纖鏈路上實現(xiàn)了高精度多路光纖時間信號同步傳輸, 時間同步傳輸穩(wěn)定度優(yōu)于3 ps@1 s 和10 ps@104s, 不確定度約為100 ps[30].2019 年, 上海交通大學提出了一種在商用波分復用系統(tǒng)中通過光監(jiān)控信道進行時間傳輸?shù)姆椒? 在100 km 的實驗室光纖鏈路上獲得了優(yōu)于15 ps@1 s 和2 ps@104s 的時間傳輸穩(wěn)定度[23].2020 年, 上海光機所將時間信號和微波信號同時加載到同一波長激光上, 在110 km 的實驗室光纖鏈路上實現(xiàn)了高精度的時間信號傳輸, 其時間傳輸穩(wěn)定度為16 ps@1 s 和0.91 ps@104s[32].

在光纖時間同步傳輸系統(tǒng)中, 后向散射光會導致系統(tǒng)的信噪比降低, 從而對傳輸精度產(chǎn)生影響,通?？刹捎蒙闲泄馀c下行光傳輸不同波長激光的方法來消除后向散射光對傳輸精度的影響.但在長距離的光纖時間同步系統(tǒng)中, 波長差異引起的色散時延誤差會隨著鏈路的增加而變得越為明顯, 為了解決這一問題, 本文提出一種具有色散誤差修正功能的雙波長光纖時間同步傳輸方法, 該方法通過測量出各段光纖鏈路中的色散系數(shù)及距離, 系統(tǒng)自動計算出鏈路中的色散時延誤差, 直接反饋給遠程端的時延相位控制器, 對輸出的秒脈沖信號(1PPS)進行補償.首先, 對光纖時間同步鏈路中各個遠程端設(shè)備的誤差進行了修正, 使設(shè)備產(chǎn)生的時延誤差優(yōu)于15 ps.同時, 以光纖色散系數(shù)13.36 ps/(km·ns)對800 km 實驗室光纖鏈路中的色散進行補償, 測得補償后的色散時延誤差約為10 ps.以光纖色散系數(shù)16.67 ps/(km·ns)對1085 km 實地光纖鏈路中的色散進行補償, 測得補償后的色散時延誤差約為60 ps.其次, 以自行研制工程樣機在長度約為800 km 的實驗室光纖鏈路上, 實現(xiàn)了時間同步傳輸?shù)臉藴什顬?.7 ps, 穩(wěn)定度分別為4.54 ps@1 s和1.12 ps@105s, 不確定度為18.4 ps.在1085 km的實地光纖鏈路上, 測得時間同步傳輸?shù)臉藴什顬?8 ps, 穩(wěn)定度分別為9.2 ps@1 s 和5.4 ps@4 ×104s, 通過分析得到該1085 km 實地光纖鏈路的時間同步傳輸不確定度約為63.5 ps.最后, 對光纖時間同步傳輸系統(tǒng)中的相關(guān)影響因素進行了分析討論, 并提出了相應(yīng)的解決方案, 以實現(xiàn)進一步的提高.

2 基本原理

2.1 雙波長光纖時間同步的基本原理

雙波長光纖時間同步的基本原理如圖1 所示,本地端的1PPS 信號及光纖色散參數(shù)等信息通過編碼器加載到激光器1 上, 通過波分復用器后傳遞到遠程端, 光電探測器2 探測到的信號經(jīng)過解碼后, 光纖色散參數(shù)等信息輸入到運算控制器上,1PPS 信號與遠程端守時模塊的1PPS 信號經(jīng)過時差測量模塊進行比對, 再將測量到的時差信號輸送給運算控制器, 運算控制器將光纖色散帶來的誤差及比對的時差數(shù)據(jù)處理后, 利用延遲控制器調(diào)節(jié)守時模塊輸出的1PPS 信號.遠程端輸出1PPS信號通過編碼器2 加載到激光器2 上返回到本地端, 光電探測器1 探測到的信號通過解碼器1 進行解調(diào),并將解調(diào)得到的信號輸送給時差測量模塊與本地端的1PPS 信號進行比對, 從而實現(xiàn)高精度光纖時間同步.

圖1 雙波長光纖時間同步原理圖(λ1, λ2, 激光波長)Fig.1.Schematic diagram of dual wavelength time transfer.( λ1 , λ 2 , Laser wavelength).

根據(jù)雙向時間比對的基本原理, 可以得到雙波長時間同步過程中的時延補償控制量為

其中,TLR,TRL分別為本地端與遠程端的雙向時間比對測量結(jié)果, 可直接通過時差測量模塊進行測量.TDL,TDR分別為從本地端到遠程端與遠程端到本地端的光纖鏈路傳輸時延.TSE為本地端和遠程端設(shè)備內(nèi)電子學和光學部分傳輸時延引入的系統(tǒng)誤差, 實驗上可以對其進行校準修正, 從圖1 中可以看出TSE對應(yīng)的值應(yīng)該為

其中,TDDLS為本地端設(shè)備內(nèi)發(fā)送部分的時延,TDDRR為遠程端設(shè)備內(nèi)接收部分的時延,TDDLR為本地端設(shè)備內(nèi)接收部分的時延,TDDRS為遠程端設(shè)備內(nèi)發(fā)送部分的時延.為了避免后向散射的影響,本文中遠程端與本地端采用的激光器波長不相同, 因此, 由于光纖色散產(chǎn)生的影響使得DR.對于光纖色散產(chǎn)生的鏈路時延, 可通過(3)式得到,

其中,D為光纖鏈路的色散系數(shù),L為光纖的長度,λ1和λ2分別為本地端與遠程端激光器的輸出波長.理想情況下, 同批生產(chǎn)的光纖色散系數(shù)應(yīng)該相同,對應(yīng)的時延誤差與光纖長度成正比.則雙波長時間同步過程中的時延補償控制量為

2.2 雙波長光纖時間同步的實驗裝置

圖2 雙波長光纖時間同步裝置圖(OEO: 光-電-光信號凈化處理模塊; λ1, λ2: 激光波長; PLL: 鎖相環(huán))Fig.2.Device diagram of dual wavelength time transfer.(OEO: Optical-electric-optical signal purification and processing module;λ1, λ2: Laser wavelength; PLL: Phase locked loop).

雙波長光纖時間同步的實驗裝置原理如圖2所示, 本地端設(shè)備與遠程端設(shè)備之間的雙向時間同步傳輸比對, 主要是利用波分復用器與兩個標稱波長相差一個波道的激光器實現(xiàn)的.本地端設(shè)備通過編碼器1 將時碼信息、10 MHz 信號、1PPS 時間信號、光纖色散參數(shù)信息以及比對后的時差數(shù)據(jù)加載到激光器1 的輸出激光上, 且激光器1 的輸出波長為λ1.激光器1 的輸出光作為下行光信號, 經(jīng)過波分復用器、光纖鏈路及中繼設(shè)備后到達遠程端設(shè)備.為了減小后向反射光的影響, 中繼設(shè)備采用波分復用器對下行光與上行光進行了分離處理.同時, 利用自行研制的光-電-光中繼凈化再生設(shè)備(OEO)對接收到的載波信號進行凈化處理, 以提高鏈路中載波信號的信噪比.遠程端設(shè)備n將來自本地端標稱波長為λ1的下行光信號通過光電探測器n轉(zhuǎn)換為電信號, 并且分為兩路.一路通過載波恢復模塊獲得10 MHz 信號, 另一路通過解碼器n解調(diào)出1 PPS 時間信號、時碼信息、光纖色散誤差以及時差數(shù)據(jù).恢復的10 MHz 信號經(jīng)過PLL模塊凈化處理后, 作為遠程端設(shè)備內(nèi)部守時模塊的頻率參考源.當遠程端設(shè)備n被呼叫時, 該遠程端設(shè)備守時模塊輸出的1PPS 時間信號與解調(diào)出的1PPS 時間信號通過時差測量模塊n進行比對.再將比對后的時差信號與解調(diào)出的光纖色散信息輸入到運算控制模塊n中進行處理, 處理后的信號直接反饋給時延相位控制器, 從而對守時模塊輸出的時間信號進行修正, 使遠程端的時間信號與本地端的時間信號進行同步.同時, 將遠程端輸出的1PPS時間信號、10 MHz 信號以及運算控制器n輸出的時間差數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼器n編碼后, 加載到標稱波長為λ2的激光器2 上.激光器2 的輸出光經(jīng)過波分復用器、中繼設(shè)備、光纖鏈路和波分復用器后到達本地端設(shè)備.本地端設(shè)備將接收到的光信號通過光電探測器1 轉(zhuǎn)換為電信號, 再將解調(diào)得到的1PPS時間信號與本地端1PPS 時間信號進行比對, 從而實現(xiàn)光纖鏈路的雙向時間比對傳輸.其中, 每個站點的遠程端設(shè)備基本相同, 且每個站點的遠程端設(shè)備、中繼設(shè)備都有各自惟一的設(shè)備地址.本地端設(shè)備可采用時分多址的方式對各個站點的遠程端設(shè)備進行輪詢雙向時間比對傳輸, 從而實現(xiàn)各個遠程端與本地端的時間同步.

3 測試方法與數(shù)據(jù)分析

在長距離高精度雙波長光纖時間同步的實驗測試中, 為了減少設(shè)備時延誤差及光纖色散誤差帶來的影響, 利用短光纖對各個站點的設(shè)備進行了校準, 同時也對傳輸鏈路中光纖色散帶來的誤差進行了補償.為了驗證自行研制的設(shè)備在千公里級實地光纖時間同步研究工作中的可靠性, 首先在800 km的實驗室光纖鏈路上對本方案進行了測試評估, 最后在1085 km 實地光纖鏈路進行了實驗測試, 獲得時間同步穩(wěn)定度為9.2 ps@1 s 和5.4 ps@4 × 104s.

3.1 設(shè)備誤差修正

在設(shè)備的研制過程中, 很難保證每個設(shè)備的參數(shù)完全相同, 如設(shè)備中光路的不對稱性和電路的傳輸時延, 都會導致每臺設(shè)備產(chǎn)生一定的時延誤差.由于該1085 km 的實地光纖鏈路被分為16 個站點, 包含15 個中繼設(shè)備以及16 個遠程端設(shè)備, 因此為了保證各個站點之間的時間同步傳輸精度, 將各個站點的設(shè)備按照圖3 所示的方法進行連接, 對每個設(shè)備的參數(shù)進行修正.在設(shè)備校準前, 將信號源輸出的1PPS 信號通過脈沖分配放大器分為兩路, 一路1PPS 信號通過同軸線直接輸入到時差測量模塊(SR620)上, 另一路1PPS 信號通過兩根互相連接的同軸線后輸入到SR620 上, 測量出兩路1PPS 信號之間的時延差, 并記錄為τ.在對設(shè)備校準時, 首先將其中一路的兩根同軸線拆開, 分別接在本地端的輸入端與遠程端1 的輸出端, 利用SR620 測量出此時的時差τ+ Δτ1.然后再通過遠程端1 的時延相位控制模塊來調(diào)節(jié)其時延值, 直至SR620 的測量結(jié)果接近τ為止.在遠程端1 的時延校準完后, 將遠程端1 輸出端的同軸線接在遠程端2 的輸出端, 對其輸出的時延值進行修正.同理, 采用同樣的方法對其他遠程端設(shè)備的時延輸出值依次進行修正.其中, 本地端、中繼及遠程端之間采用1 m 的光纖和15 dB 的衰減器進行連接.

在設(shè)備誤差修正的測試過程中, 由于采用長度為1 m 的光纖對各個站點之間的設(shè)備進行連接,因此激光波長引入的色散誤差可忽略不計.每個遠程端設(shè)備的時延誤差測量結(jié)果如表1 第2 列與第5 列所列, 可以看出, 每個遠程端設(shè)備的時延測量結(jié)果保持在1300—2500 ps 之間.在開始自動時延補償時, 測量出各個遠程端設(shè)備1 PPS 時間信號與信號源1 PPS 時間信號之間的時差, 同時在各個遠程端設(shè)備上輸入相應(yīng)的參數(shù)進行修正.每個遠程端設(shè)備修正后的時延誤差測量結(jié)果如表1 第3 列與第6 列所列.從表中可以看出, 每個站點的時延誤差都優(yōu)于15 ps.

圖3 實驗室測試連接圖Fig.3.Scheme of laboratory test.

表1 各個站點設(shè)備時延誤差測量結(jié)果Table 1.Measurement results of equipment delay error in each station.

在測試中, 采用了16 個中心波長為1543.730 nm的激光器和31 個中心波長為1542.936 nm 的激光器.其中, 16 臺中心波長為1543.730 nm 的激光器分別放置在15 個中繼設(shè)備及本地端, 31 臺中心波長為1542.936 nm 的激光器放置在15 個中繼設(shè)備及16 個遠程端.這47 臺激光器的輸出波長通過波長計進行逐一測量標定, 誤差分別小于0.2 pm.為了避免實驗室溫度變化(峰峰值2 ℃/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)境溫度變化小于0.1 pm/℃.

3.2 鏈路色散誤差修正方法

在單模光纖中, 激光的波長越長, 則波導色散越明顯, 傳輸?shù)臅r延誤差也隨著增大.通常光纖鏈路中的時延補償是建立在雙向時延對稱的基礎(chǔ)之上, 而在雙波長光纖時間同步系統(tǒng)中, 下行光與上行光的波長差異會使各個遠程端設(shè)備輸出的1PPS時間信號產(chǎn)生時延差, 該時延差可通過(3)式得到.理想情況下, 同批生產(chǎn)的光纖色散系數(shù)應(yīng)該相同,對應(yīng)的時延誤差與光纖長度成正比.但在實際應(yīng)用中, 光纖中材質(zhì)分布差異會導致每段光纖散射系數(shù)不同.

由于本方案采用的是雙波長光纖時間同步方法, 其中下行光的標稱波長為λ1= 1543.730 nm,上行光的標稱波長為λ2= 1542.936 nm, 因此, 在傳輸過程中會產(chǎn)生明顯的色散誤差, 從而對鏈路的時間傳輸精度產(chǎn)生影響.為了保證光纖時間傳輸系統(tǒng)的精度, 在光纖時間同步設(shè)備誤差修正的基礎(chǔ)之上, 利用圖3 所示的鏈路結(jié)構(gòu)對光纖鏈路的色散誤差進行修正, 其中, 將各個設(shè)備之間的1 m 光纖跳線改為16 捆同批次的50 km 光纖盤.在色散誤差補償功能開啟前, 僅開啟設(shè)備中鏈路時延補償功能, 通過SR620 測量出各個遠程端設(shè)備輸出的1PPS 信號引入的時延偏差, 即光纖色散時延偏差.再根據(jù)光纖鏈路長度計算出各段光纖鏈路的色散系數(shù), 并輸入到本地端設(shè)備與各個遠程端設(shè)備.在色散誤差功能開啟后, 本地端會根據(jù)雙向比對的數(shù)據(jù)計算出每段的光纖鏈路的長度, 根據(jù)(3)式自動計算出光纖鏈路中的色散誤差, 再通過各個遠程端的時延相位控制模塊對輸出的1PPS 信號時延進行調(diào)節(jié).

對800 km 實驗室光纖鏈路中各個遠程端的色散時延誤差進行了測量, 并結(jié)合(1)式計算出了各段光纖鏈路的平均色散系數(shù), 測量結(jié)果如表2 所列, 其中各段的時延偏差如第2 和第6 列所列, 光纖色散系數(shù)如第3 列與第7 列所列.從表中可以看出, 每段光纖的色散系數(shù)都不相同, 這可能是由于每個光纖盤的材質(zhì)存在差異.實驗上將各段鏈路的光纖色散系數(shù)及距離進行編號, 并輸入到本地端設(shè)備中, 系統(tǒng)會自動計算出各段光纖鏈路的色散時延誤差.在開啟系統(tǒng)的色散時延自動補償功能時, 本地端設(shè)備根據(jù)編寫好的地址呼叫各個遠程端設(shè)備,并將各段光纖鏈路產(chǎn)生的色散時延差發(fā)送給遠程端, 通過時延相位補償器進行補償.各個遠程端的1PPS 時間信號與本地端1PPS 時間信號之間的時差測量結(jié)果如表2 中第4 列與第8 列所列.從表中可以看出, 在開啟遠程端設(shè)備的色散時延自動補償功能后, 各個遠程端的時間傳輸誤差優(yōu)于20 ps,這表明所研制設(shè)備的色散誤差補償精度基本不受光纖距離的影響, 同時也具有一定的可靠性.在標稱800 km 的實驗室光纖鏈路上, 測得光纖的色散系數(shù)為13.36 ps/(km·ns).

表2 800 km 實驗室光纖鏈路的詳細參數(shù)Table 2.Detailed parameters of 800 km fiber link in the laboratory.

圖4 實驗室光纖鏈路的時間同步測量結(jié)果 (a)光纖鏈路的時差測量結(jié)果(藍色曲線: 系統(tǒng)噪底.黑色曲線: 800 km 實驗室光纖鏈路); (b)光纖鏈路的時間同步穩(wěn)定度測量結(jié)果(藍色曲線: 系統(tǒng)噪底; 紅色曲線: 800 km 實驗室光纖鏈路)Fig.4.Time synchronization measurement results of the laboratory fiber link: (a) The measured time interval variation results of the laboratory fiber link (bule line: noise floor of the system; black line: 800 km fiber link in laboratory): (b) the measured time deviation results of the laboratory fiber link (bule line: noise floor of the system; black line: 800 km fiber link in laboratory).

3.3 實驗室光纖時間同步測試驗證

為了驗證雙波長色散誤差補償方案的可行性,首先利用自行研制的時間同步設(shè)備在實驗室光纖鏈路上進行了時間同步的穩(wěn)定度測試.該實驗室光纖鏈路由16 盤標準的50 km 光纖盤、16 個遠程端以及15 個中繼組成, 以滿足實地光纖鏈路的測試模型.該光纖測試鏈路的結(jié)構(gòu)如圖3 所示, 將各個設(shè)備之間的光纖跳線改為50 km 的標準光纖盤.將1 臺本地端設(shè)備、15 臺中繼設(shè)備、16 臺遠程端設(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量.

當整個實驗測試系統(tǒng)正常工作時, 將遠程端16 個輸出的1PPS 信號與本地端的1PPS 信號輸入到時差測量設(shè)備(SR620)中進行比對, 測量結(jié)果如圖4(a)中黑色曲線所示, 其峰峰值約為50 ps,通過計算得到其標準差值為5.7 ps, 其中藍色曲線表示采用1 m 光纖跳線時, 整個光纖時間同步鏈路的噪聲極限.將采集到的時差數(shù)據(jù)經(jīng)過處理, 得到的時間同步傳輸穩(wěn)定度如圖4(b)中紅色曲線所示, 分別為4.9 ps@1 s 和1.12 ps@105s.整個光纖鏈路的時間信號傳輸穩(wěn)定度極限如圖4(b)中藍色曲線所示, 分別為4.0 ps@1 s 和0.083 ps@105s.從圖4(b)中可以看出, 在1000 s 以內(nèi), 該光纖鏈路的時間傳輸穩(wěn)定度較為接近鏈路噪底.在1000 s以上, 由于實驗室環(huán)境溫度變化的影響, 各個站點的設(shè)備時延和激光波長產(chǎn)生漂移, 從而導致長期穩(wěn)定度出現(xiàn)了一定程度的惡化.由于實驗室空調(diào)溫度變化的周期約為16 min, 因此導致系統(tǒng)的噪底在1000 s 附近變差.

3.4 1085 km 實地光纖時間同步測試

為了驗證自行研制的時間同步設(shè)備在實際應(yīng)用中的可靠性, 利用千公里級實地光纖鏈路實現(xiàn)了ps 量級的時間同步傳遞研究, 該鏈路的地理位置分布如圖5 所示.以中科院國家授時中心臨潼園區(qū)為光纖鏈路的始發(fā)站, 途徑一長、澇峪、筒車灣、洋縣、漢中、勉縣、寧強7 個站點, 最后整個光纖鏈路又返回到國家授時中心臨潼園區(qū), 其中勉縣和寧強兩個站點之間利用四根光纖進行了兩次往返傳輸.在國家授時中心臨潼園區(qū)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, 其余各個站點分別放置一臺遠程端設(shè)備和一臺中繼設(shè)備.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了分段測試, 測試結(jié)果如表3 所列.經(jīng)統(tǒng)計, 光纖鏈路全程為1085 km, 總衰減為287.5 dB.實驗測試前, 通過環(huán)回測試得到整段鏈路的平均色散系數(shù)為16.67 ps/(km·ns), 引入的色散誤差為7180 ps, 修正后的色散誤差優(yōu)于60 ps.

圖5 實地光纖鏈路地理位置Fig.5.Geographical distribution of the field fiber link.

以自行研制的工程樣機在往返約1085 km 的實地光纖鏈路上實現(xiàn)了光纖時間同步傳輸測試.將位于國家授時中心的遠程端1PPS 時間信號與本地端1 PPS 時間信號輸入到時差測量設(shè)備(SR620)中進行比對, 測量結(jié)果如圖6(a)所示, 其中黑色曲線表示光纖鏈路自由運轉(zhuǎn)時的時差測量結(jié)果, 藍色曲線表示的是光纖鏈路補償后的時差測量結(jié)果.從圖6(a)中可以看出, 當光纖鏈路自由運轉(zhuǎn)時, 時差峰峰值達到了160 ns, 時差變化的標準差為47 ns.當對光纖鏈路補償后, 時差峰峰值為170 ps, 時差變化標準差為18 ps.從測量結(jié)果可以明顯地看出,在鏈路自由運轉(zhuǎn)和鎖定時, 鏈路中的時差測量結(jié)果呈現(xiàn)出24 h 周期性變化, 這主要是由于晝夜環(huán)境溫度變化導致光纖鏈路長度發(fā)生改變而引起的.光纖鏈路補償后的時間同步傳輸測量結(jié)果如圖6(b)所示, 其時間傳輸穩(wěn)定度為9.2 ps@1 s 和5.4 ps@4 × 104s.由于外界環(huán)境的干擾以及系統(tǒng)控制帶寬的限制, 使1085 km 實地光纖鏈路的短期傳輸穩(wěn)定度相對于實驗室800 km 光纖鏈路發(fā)生惡化.同時, 由于晝夜環(huán)境溫度變化以及各個站點之間溫度變化的差異, 從而對光纖鏈路的長期傳輸穩(wěn)定度產(chǎn)生影響.

3.5 時間同步不確定度分析

本文對雙波長光纖時間同步系統(tǒng)各個部分的不確定進行了分析和估算, 根據(jù)(5)式可得到系統(tǒng)的合成標準不確定Uc為

圖6 1085 km 實地光纖鏈路的時間同步測量結(jié)果 (a)光纖鏈路的時差測量結(jié)果(黑色曲線: 自由運轉(zhuǎn)鏈路, 藍色曲線: 補償后的鏈路); (b)補償后鏈路的時間同步穩(wěn)定度測量結(jié)果Fig.6.Time synchronization measurement results of 1085 km field fiber link: (a) The measured time interval variation results of the laboratory fiber link (black line: free running fiber link; blue line: compensated fiber link); (b) the measured time deviation results of the field fiber link after compensated.

其中,uDT為本地端和遠程端設(shè)備時延溫漂, 實驗測得每臺設(shè)備的漂移約為3 ps/℃, 實驗室溫度變化峰峰值約2 ℃, 各個站點機房內(nèi)部溫度變化的峰峰值約4 ℃.在800 km 實驗室光纖測試中, 設(shè)備時延溫漂引入的不確定度約為6 ps.在1085 km的實地光纖測試中, 設(shè)備時延溫漂引入的不確定度約為12 ps;uTIM為時差測量誤差, 表示本地端和遠程端在雙向比對過程中時差測量模塊引入的誤差, 不確定度約為10 ps;uΔλ為激光器波長變化引起的光纖色散誤差(0.5D·L), 經(jīng)過對激光器進行溫度控制, 各個站點的激光器輸出波長隨環(huán)境溫度變化小于0.1 pm/℃.按照實驗室和不同機房之間的晝夜溫差變化約為15 ℃計算, 激光器波長單向的累計變化約為1.5 pm.對于800 km 實驗室光纖, 其光纖色散系數(shù)約為13.36 ps/(km·ns), 則由激光器波長變化引入的不確定度約為8.0 ps.對于1085 km 的實地光纖鏈路, 其色散系數(shù)取16.67 ps/(km·ns), 激光器波長變化引入的不確定度約為13.8 ps;uDerr為光纖鏈路色散系數(shù)測量引起的誤差(0.5Derr·?λL),Derr為光纖色散系數(shù)測量誤差, ?λ為雙向激光波長的差值.實驗上采用調(diào)制相移法對光纖的色散系數(shù)進行測量, 對于800 km 的實驗室光纖, 可逐段進行測量, 測得其精度約為0.037 ps/(km·ns), 所以光纖色散系數(shù)引起的誤差約為9.6 ps.對于1085 km 實地光纖鏈路,由于每段光纖鏈路的兩端不在同一個地點, 采用調(diào)制相移法測量難以逐段精確測量.只能將鏈路上的兩芯光纖進行環(huán)回測量, 測量出兩芯光纖的平均色散系數(shù), 其測量結(jié)果約為0.13 ps/(km·ns), 計算得到光纖色散系數(shù)引起的誤差約為56.7 ps;uΔD為光纖色散參數(shù)隨溫度變化引入的誤差, 光纖色散系數(shù)隨溫度變化約為4.5 × 10–3ps·(nm·km·℃)–1, 實驗室溫度變化的峰峰值按2 ℃計算, 在800 km 的實驗室光纖測試中, 光纖色散系數(shù)變化引起的誤差約為2.9 ps.實地光纖鏈路的晝夜溫度變化約為20 ℃, 在1085 km 實地光纖測試中, 光纖色散系數(shù)引起的誤差約為19.5 ps.光纖時間同步測試系統(tǒng)中各部分的不確定度估算結(jié)果如表4 所示, 通過(5)式可得到800 km 實驗室光纖鏈路的時間同步不確定度約為18.4 ps, 1085 km 實地光纖鏈路的時間同步不確定度約為63.5 ps.

本方案采用的是雙波長光纖時間同步, 當光纖鏈路中接入的站點增加時, 將使得上行光與下行光波長的差異逐漸增加, 從而導致光纖色散對時間同步的穩(wěn)定度及不確定度影響較為明顯.為了提高光纖時間同步系統(tǒng)的長期穩(wěn)定度, 下一步將通過對激光器的控溫進行改進, 進一步提高上行光的波長與下行光的波長穩(wěn)定性, 以減小色散對光纖時間同步鏈路的影響.同時, 對本地端設(shè)備及遠程端設(shè)備的溫控進行改進, 以減小溫度變化對設(shè)備中的光路不對稱產(chǎn)生影響.

表4 光纖時間傳遞不確定度分析Table 4.The uncertainty analysis of the fiber synchronized timing signal.

4 結(jié) 論

為了減小后向反射光與光纖色散對光纖時間同步傳輸精度的影響, 本文在雙波長光纖時間同步傳輸方法之上, 提出了一種具有色散誤差修正功能的雙波長光纖時間同步傳輸方法.基于該方法自行研制了用于光纖時間同步傳輸?shù)脑O(shè)備, 并在800 km的實驗室光纖鏈路與1085 km 的實地光纖鏈路上進行了實驗測試, 時間同步傳輸穩(wěn)定度達到了ps 量級, 優(yōu)于其他相關(guān)報道, 也是國內(nèi)首次實現(xiàn)千公里級實地光纖時間同步傳輸.首先, 通過對各個站點的設(shè)備進行誤差修正, 使設(shè)備產(chǎn)生的時延誤差優(yōu)于15 ps.以光纖色散系數(shù)13.36ps/(km·ns)和16.67 ps/(km·ns)分別對800 km 的實驗室光纖鏈路和1085 km 的實地光纖進行了色散補償, 補償后的色散時延誤差為10ps 和60 ps.其次, 利用自行研制的工程樣機在800 km 的實驗室光纖鏈路上進行了實驗測試, 測得時間同步傳輸?shù)臉藴什顬?.7 ps, 穩(wěn)定度為1.12 ps@105s, 不確定度為18.4 ps.在1085 km 的實地光纖鏈路上, 測得時間同步傳輸?shù)臉藴什顬?8 ps, 穩(wěn)定度為5.4 ps@4 ×104s, 不確定度為63.5 ps.最后, 對該光纖時間同步傳輸系統(tǒng)中的主要影響因素進行了分析, 并提出了相應(yīng)的解決方案.在本文提出的光纖時間同步傳輸方法的基礎(chǔ)上, 下一步將結(jié)合多站點同步方法進行更高精度的長距離多站點時間同步傳輸研究, 為全國網(wǎng)絡(luò)化的光纖時間同步傳輸研究奠定基礎(chǔ).