劉杰，鄧雪，張翔,3，臧琦,3，王丹,3，焦東東，高靜,3，王東杰,3，周茜,3，劉濤,3，張首剛,3

國家授時(shí)中心長距離光纖光學(xué)頻率傳遞研究進(jìn)展

劉杰1,2，鄧雪1,2，張翔1,2,3，臧琦1,2,3，王丹1,2,3，焦東東1,2，高靜1,2,3，王東杰1,2,3，周茜1,2,3，劉濤1,2,3，張首剛1,2,3

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

光纖光學(xué)頻率傳遞是新一代時(shí)間頻率體系和地基授時(shí)系統(tǒng)的重要組成部分，利用光纖實(shí)現(xiàn)高精度光學(xué)頻率傳遞具有明顯的精度優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。本文報(bào)道了中國科學(xué)院國家授時(shí)中心在高精度光纖光學(xué)頻率傳遞方面的研究進(jìn)展。112km實(shí)地光纖上國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)萬秒穩(wěn)定度 7.5×10-20的光頻傳遞；利用光外差鎖相方案實(shí)現(xiàn)了光頻級(jí)聯(lián)傳遞技術(shù)突破，在224 km實(shí)地光纖上光頻傳遞穩(wěn)定度萬秒穩(wěn)定度7.7×10-19;首次提出并驗(yàn)證了一種基于本地測量的光纖光頻雙向比對(duì),50 km頻率比對(duì)穩(wěn)定度秒穩(wěn)達(dá)到1.2×10-16，4萬秒穩(wěn)定度達(dá)到1.3×10-21。最新進(jìn)展為在860 km實(shí)地光纖上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定度2×10-19@200s的光頻傳遞。

光學(xué)頻率傳遞；時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)；光纖網(wǎng)絡(luò)；光纖授時(shí)系統(tǒng)

0 引言

光鐘可用于構(gòu)建最精確的頻率基準(zhǔn)[1]，其中單離子光鐘已實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不確定度10-19量級(jí)[2]，冷原子光晶格鐘的頻率穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到了4.8×10-17@1 s[3]。光鐘的復(fù)雜性和昂貴價(jià)格使它們只可能在少數(shù)研究中心研制和運(yùn)行，因此有必要建立一個(gè)高保真的傳輸系統(tǒng)，提供光鐘的光頻信號(hào)給不同地域的多個(gè)用戶，同時(shí)有助于實(shí)現(xiàn)不同地域不同光鐘的日常頻率比對(duì)。光纖光學(xué)頻率傳遞是目前主流的方法，自2010年起法國、德國和美國等國的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)都開展了光纖光頻傳遞相關(guān)研究：2012年法國小組在540 km光纖上實(shí)現(xiàn)了光頻兩級(jí)級(jí)聯(lián)傳遞，穩(wěn)定度達(dá)到5×10-20@20 h[4]；2013年德國MPQ小組和PTB小組將光頻直連傳遞的距離擴(kuò)展到了1 840 km，實(shí)現(xiàn)了傳遞穩(wěn)定度4×10-19@100 s[5]；2016年P(guān)TB小組與法國巴黎十三大學(xué)聯(lián)合演示了1415 km實(shí)地光纖光鐘遠(yuǎn)程精密比對(duì)[6]，3 ks光鐘比對(duì)精度3×10-17，比衛(wèi)星雙向比對(duì)的比對(duì)精度提高了近10倍，達(dá)到同等精度的測量時(shí)間減小了4個(gè)量級(jí)。國內(nèi)的光纖光頻傳遞研究起步較晚，中國科學(xué)院國家授時(shí)中心、華東師范大學(xué)、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所等單位都開展了相關(guān)研究：2014年國家授時(shí)中心已完成了光纖光頻直連傳遞樣機(jī)的研制，率先開展實(shí)地光纖光頻傳遞測試，2016年在112 km實(shí)地光纖上獲得2×10-16@1 s，4×10-20@10 ks的傳遞穩(wěn)定度[7-8]；2015年華東師范大學(xué)在82km的實(shí)地+線繞光纖上利用再生放大中繼站實(shí)現(xiàn)兩級(jí)光頻級(jí)聯(lián)傳遞，穩(wěn)定度4×10-19@ 10 ks[9]；2019年中科院上海光機(jī)所采用了基于光學(xué)注入鎖定技術(shù)對(duì)傳遞光進(jìn)行中繼放大，220 km兩級(jí)光頻傳遞穩(wěn)定度在20 ks進(jìn)入7.1×10-20量級(jí)[10]。

中國科學(xué)院國家授時(shí)中心承擔(dān)了“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目—高精度地基授時(shí)系統(tǒng)，將于2021年正式開工建設(shè)。為高精度地基授時(shí)系統(tǒng)預(yù)研，光纖光頻傳遞課題組在運(yùn)營商提供的上千km光纖網(wǎng)絡(luò)上開展了光纖光頻傳遞的長距離實(shí)地測試。本文報(bào)道了自2016年以來國家授時(shí)中心在光纖光頻傳遞方面的研究進(jìn)展，以及運(yùn)營商光纖網(wǎng)絡(luò)上的長距離光頻傳遞測試結(jié)果。

1 光纖光頻直連傳遞研究

激光在光纖中傳輸時(shí)，受外界環(huán)境的影響導(dǎo)致傳輸光纖的光學(xué)路徑發(fā)生變化，傳輸光場的相位發(fā)生波動(dòng)，等效于附加的激光頻率噪聲。光纖光頻傳遞的目標(biāo)是，盡量減少各種因素對(duì)光場相位的影響，對(duì)不能消除的附加頻率噪聲實(shí)時(shí)抑制，使用戶可以在光纖遠(yuǎn)端獲得與本地端相近穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的光學(xué)頻率信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率信號(hào)的高保真遠(yuǎn)程傳遞。

中國科學(xué)院國家授時(shí)中心自2010年起開始光纖光學(xué)頻率傳遞研究，國內(nèi)率先搭建了光纖光頻傳遞實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，后續(xù)工作中研究了光纖光頻直連傳遞技術(shù)，光纖光頻中繼傳遞技術(shù)，多用戶光纖光頻傳遞技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了光纖光頻傳遞發(fā)送/接收設(shè)備、雙向摻鉺光纖放大器（EDFA）設(shè)備、基于兩級(jí)EDFA的中繼設(shè)備等多種光頻傳遞設(shè)備的工程樣機(jī)。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理和裝置

基于多普勒噪聲抑制的光纖光頻傳遞裝置為一發(fā)一收型傳遞系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖光頻直連傳遞裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖

由超穩(wěn)窄線寬激光器[11]產(chǎn)生的超穩(wěn)光學(xué)頻率信號(hào)進(jìn)入本地發(fā)送端后，經(jīng)過光纖分束器和聲光調(diào)制器AOM1后進(jìn)入傳輸光纖，在遠(yuǎn)程接收端，再次經(jīng)過聲光調(diào)制器AOM2后分束，一部分原路返回，一部分輸出給遠(yuǎn)程端用戶。返回的激光在本地發(fā)送端與參考激光作光外差拍頻探測，從探測到的拍頻信號(hào)解出光纖鏈路噪聲引起的激光頻率噪聲，并通過AOM1完成噪聲抑制。

接收端的AOM2用于區(qū)分信號(hào)光和光纖中節(jié)點(diǎn)反射光、瑞利散射光，應(yīng)用法拉第鏡FM1和FM2可使拍頻時(shí)信號(hào)光與參考光的偏振狀態(tài)保持一致，較為便捷地規(guī)避偏振變化的影響實(shí)現(xiàn)拍頻信號(hào)功率的最大化。伺服電路用于驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器，對(duì)拍頻信號(hào)解調(diào)，并生成反饋信號(hào)通過AOM1進(jìn)行噪聲抑制。

1.2 112 km實(shí)地光纖光頻傳遞

利用光纖光頻直連傳遞裝置在112 km實(shí)地光纖上開展了光頻傳遞測試。光纖鏈路由一對(duì)從國家授時(shí)中心臨潼本部到航天城試驗(yàn)場區(qū)的56 km光纖構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 112 km實(shí)地光纖示意圖

將這一對(duì)光纖在航天城試驗(yàn)場區(qū)直接跳接，測試時(shí)在臨潼的實(shí)驗(yàn)室將一對(duì)光纖分別接入光頻傳遞的發(fā)送端和接收端，即可利用環(huán)回法測量傳遞光頻信號(hào)的質(zhì)量。

測試時(shí)將接收端分出的一部分給用戶的傳輸光，與光源分出的一部分參考光進(jìn)行光外差拍頻探測，通過信號(hào)源分析儀（SRS SR785）測量拍頻信號(hào)的相位噪聲譜密度（PSD），通過頻率計(jì)數(shù)器（安捷倫 53230A）測量拍頻信號(hào)的頻率起伏，計(jì)算頻率傳輸穩(wěn)定度，即可獲知傳遞光頻信號(hào)的質(zhì)量。

測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 112 km實(shí)地光纖相位噪聲抑制和傳輸穩(wěn)定度

圖3（a）為噪聲抑制前后光纖相位噪聲抑制情況，可以看出噪聲抑制在1 Hz處超過50 dB，接近光纖傳輸引起的噪聲抑制極限。圖3（b）為噪聲抑制前后的傳輸頻率穩(wěn)定度情況，噪聲抑制后頻率穩(wěn)定度為2.5×10-16@1 s，7.5×10-20@ 10 ks。這也是國內(nèi)首次報(bào)道的百km級(jí)的光纖光學(xué)頻率傳遞，穩(wěn)定度達(dá)到10-20量級(jí)。

1.3 406 km實(shí)地光纖光頻傳遞

為測試光頻直連傳遞在更長距離上的效果，課題組在運(yùn)營商提供的臨潼—寧陜的406 km實(shí)地光纖上測試光學(xué)頻率傳遞。鏈路如圖4所示。

圖4 406 km光頻傳遞鏈路

這段光纖單程203 km，包括3段：臨潼—西華門57 km，西華門—紙坊64 km，紙坊—筒車灣82 km。同樣為完成環(huán)回測試，在筒車灣將一對(duì)光纖連接起來，發(fā)送端和接收端同樣放在臨潼，這樣光纖鏈路往返達(dá)到406 km，總衰減達(dá)到了120 dB。為了補(bǔ)償鏈路衰減，測試中應(yīng)用了5臺(tái)雙向摻鉺光纖放大器（Bi-EDFA），分別放置在西華門、紙坊和筒車灣，如圖5所示。Bi-EDFA增益控制在16 dB以下，避免引起激射影響光纖噪聲抑制。

圖5 406 km光頻傳遞裝置

光頻傳遞裝置的發(fā)送端、接收端和信號(hào)質(zhì)量評(píng)估裝置與上面類似。獲得頻率傳輸穩(wěn)定度測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 406 km光頻傳遞鏈路頻率傳輸穩(wěn)定度

2 光纖光頻級(jí)聯(lián)傳遞方法研究

光纖光頻直連傳遞中，隨著傳遞距離的增長信號(hào)傳輸延時(shí)增長，引起系統(tǒng)控制帶寬下降的同時(shí)噪聲抑制的理論極限也有所降低，限制了頻率傳遞精度。同時(shí)，為了避免光纖鏈路中雜散反射和瑞利散射引起的激光效應(yīng)，利用多個(gè)Bi-EDFA構(gòu)成長距離傳遞時(shí)EDFA（兩級(jí)單向）增益必須有所限制。

作為長距離直連傳遞的一種替代方案，級(jí)聯(lián)傳輸可以將一個(gè)長距離光纖鏈路分成較短的幾段，每段之間均為傳輸延時(shí)較小的直連傳遞，降低了傳輸延時(shí)的影響從而提高了光纖相位噪聲抑制能力，能有效提高光頻傳輸?shù)姆€(wěn)定度[12-13]。光頻級(jí)聯(lián)傳遞時(shí)，需要中繼設(shè)備將前級(jí)傳遞而來的微弱光頻信號(hào)（0.1 μW左右）高保真放大至～10 mW作為下一級(jí)傳遞的光源，需要提供超過50 dB的高增益光頻信號(hào)放大。目前可用于光頻級(jí)聯(lián)傳遞的中繼放大方案有高增益EDFA放大的中繼、注入鎖定中繼、光外差相位鎖定的再生光中繼。

高增益EDFA放大的光頻中繼方案是由國家授時(shí)中心自主提出并經(jīng)過驗(yàn)證的一種光頻傳遞中繼方案，其核心思想是利用高增益的EDFA實(shí)現(xiàn)光頻信號(hào)高增益放大，同時(shí)抑制放大過程中引入的頻率噪聲。目前該方案已經(jīng)過220 km實(shí)驗(yàn)室光纖和實(shí)地光纖224 km上的驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果正在發(fā)表。但基于EDFA的放大方案存在噪聲大的問題，兩個(gè)串聯(lián)的EDFA會(huì)降低系統(tǒng)的信噪比。

注入鎖定中繼技術(shù)是利用光學(xué)環(huán)形器將前級(jí)傳遞來的微弱光信號(hào)作為種子光注入從激光器，激光器輸出光頻信號(hào)增益可達(dá)70dB以上。該方案最早由德國和英國研究小組于2015年提出[14]，2019年上海光機(jī)所改進(jìn)了光注入鎖定方案，實(shí)現(xiàn)了220 km實(shí)驗(yàn)室光纖上的光頻級(jí)聯(lián)傳遞[10]。注入鎖定放大帶寬約100 MHz，雖遠(yuǎn)小于EDFA帶寬，但仍然大于傳遞鏈路控制帶寬，會(huì)放大鏈路中的雜散信號(hào)，降低信噪比。

光外差相位鎖定的再生光中繼傳遞方案是另外一種將本地激光器相位鎖定在上一級(jí)光頻傳遞輸出的微弱光信號(hào)上的中繼方案，最早由法國提出[4]。國家授時(shí)中心利用光外差相位鎖定方案搭建了光頻傳遞再生光中繼模塊，2018年在224 km實(shí)地光纖上演示了光頻兩級(jí)級(jí)聯(lián)傳遞[15]。再生中繼方案帶寬僅為幾十kHz，放大增益可達(dá)60 dB，適用于傳遞鏈路中的中繼放大。本章節(jié)主要介紹國家授時(shí)中心光外差鎖定再生光中繼的光頻級(jí)聯(lián)傳遞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 光外差相位鎖定再生光中繼原理和實(shí)驗(yàn)裝置

光外差鎖相的中繼放大裝置原理如圖7（a）所示，基于這種中繼放大方案的兩級(jí)級(jí)聯(lián)傳遞裝置示意圖如圖7（b）所示。

圖7 基于光外差鎖相的中繼和224 km兩級(jí)級(jí)聯(lián)裝置示意圖

如圖7（a）所示，光外差相位鎖定模塊通過兩個(gè)反饋器件壓電陶瓷（PZT）和聲光調(diào)制器（AOM）將光纖激光器（線寬約1 kHz）相位鎖定到光學(xué)參考腔超穩(wěn)激光器的相位（線寬約2 Hz）[13]。光纖激光器輸出光經(jīng)AOM移頻75 MHz后，利用光纖分束器分出10%通過光纖耦合器與入射的超穩(wěn)激光進(jìn)行拍頻，拍頻信號(hào)由光電探測器探測后鑒相獲得誤差信號(hào)，再分別經(jīng)過PI1和PI2反饋給AOM和PZT。以PZT抑制帶寬幾kHz以內(nèi)的慢速頻率噪聲，而AOM抑制較高傅里葉頻率的噪聲。鑒相器前應(yīng)用的40倍模擬分頻器，能夠提高鎖相的動(dòng)態(tài)范圍。

通過計(jì)算拍頻信號(hào)的Allan偏差（ADEV），研究了光外差鎖相中繼模塊的長期性能，1 ks時(shí)頻率穩(wěn)定度達(dá)到6×10-20，表明光外差鎖相中繼模塊能夠作為穩(wěn)定的、可靠的光頻傳遞中繼放大器。

2.2 224 km實(shí)驗(yàn)室光纖兩級(jí)級(jí)聯(lián)傳遞

為了研究光外差相位鎖定模塊在級(jí)聯(lián)傳遞中的效果，演示了一個(gè)112 km+112 km的光纖光頻兩級(jí)級(jí)聯(lián)傳遞鏈路。光頻傳遞實(shí)驗(yàn)用的光纖仍是連接國家授時(shí)中心臨潼本部和航天城試驗(yàn)場區(qū)的光纖鏈路，長度為56 km。串聯(lián)了該光纜中4根光纖，總長達(dá)到224 km，鏈路衰減0.28 dB/km，總衰減達(dá)到63 dB。

兩級(jí)級(jí)聯(lián)傳輸裝置如圖7（b）所示，上面框中是第一級(jí)傳輸，下面框中是第二級(jí)傳輸，兩級(jí)傳輸裝置的結(jié)構(gòu)與圖1所示直連傳遞裝置基本一致。在級(jí)聯(lián)傳遞中第一級(jí)傳輸接收裝置的輸出光注入到光外差鎖相模塊中作為參考激光，通過PZT補(bǔ)償和AOM補(bǔ)償將其中光纖激光器的輸出激光相位鎖定到參考激光上，實(shí)現(xiàn)從0.08 μW到16 mW的信號(hào)再生放大，增益達(dá)到53 dB。放大后的光頻信號(hào)注入第二級(jí)的發(fā)送裝置，完成第二級(jí)光頻傳遞。通過調(diào)整光外差鎖相模塊的頻點(diǎn)，使再生放大輸出激光與輸入激光頻差為-160MHz，即可補(bǔ)償?shù)谝患?jí)傳遞AOM1和AOM2引入的頻移，避免隨著級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)增加引起頻率偏移量的累積。

用快速傅里葉變換（FFT）分析儀測量了224 km光頻級(jí)聯(lián)傳遞的各級(jí)相位噪聲抑制情況，各級(jí)控制帶寬如表1所示。

表1 224 km兩級(jí)級(jí)聯(lián)傳遞各級(jí)控制帶寬

從表1可以看出兩級(jí)傳輸延時(shí)均對(duì)應(yīng)112 km傳輸延時(shí)，控制帶寬約為400 Hz，比較符合理論極限446.4 Hz，比224 km直接傳遞的實(shí)際控制帶寬200 Hz大了一倍，噪聲抑制效果兩級(jí)112 km級(jí)聯(lián)也明顯優(yōu)于224 km直接傳遞。

此外還發(fā)現(xiàn)光外差鎖相的控制帶寬約為4.2 kHz，在該頻率以外光外差鎖相模塊輸出光的相位與內(nèi)部光纖激光器保持一致，而不受信號(hào)激光的影響。可以推論，當(dāng)光外差鎖相模塊控制帶寬以外本地激光器相位噪聲低于前級(jí)光纖鏈路引起的相位噪聲時(shí)，光外差鎖相模塊將作為傳輸鏈路中的光學(xué)濾波器，對(duì)光頻信號(hào)傳遞有凈化的作用。

圖8 224 km兩級(jí)光頻級(jí)聯(lián)傳遞傳輸穩(wěn)定度

3 基于本地測量的光纖光頻雙向比對(duì)

原子鐘之間的高精度頻率比對(duì)在許多研究領(lǐng)域有重要應(yīng)用，包括計(jì)量學(xué)、基礎(chǔ)物理研究、大地測量等。基于光纖的雙向光學(xué)頻率比對(duì)研究已被多次報(bào)道，但大多是通過光纖鏈路兩端本地激光與遠(yuǎn)程激光之間的拍頻來測量頻差。光纖雙向光學(xué)頻率比對(duì)假設(shè)兩個(gè)方向的光纖噪聲相同，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步和事后處理，可以有效地抑制額外噪聲，但在同步精度不高的情況下，短期的激光噪聲會(huì)降低頻率比對(duì)精度。

提出了一種改進(jìn)的不需要時(shí)鐘同步的光纖光學(xué)頻率雙向比對(duì)方法：光纖鏈路一端的遠(yuǎn)程信號(hào)被發(fā)送回來，在光纖鏈路的另一端用單臺(tái)光電探測器和多通道相位記錄儀同時(shí)測量了本地激光器與遠(yuǎn)程激光器之間的拍頻以及本地激光器與往返傳輸后激光的拍頻。由于可以直接減去單次傳輸噪聲，不需要進(jìn)行后處理，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻率比對(duì)。此外，由于拍頻信號(hào)探測是基于相同的探測器，具有更好的共模噪聲抑制效果。

3.1 原理和裝置

基于本地測量的光纖光頻雙向比對(duì)原理和裝置如圖9所示。

圖9 本地測量的光頻雙向比對(duì)原理和裝置示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10顯示了50 km線繞光纖雙向光頻比對(duì)相對(duì)頻率穩(wěn)定度，用頻率計(jì)數(shù)器測量拍頻信號(hào)頻率值，計(jì)算ADEV表示了無噪聲抑制的單向光頻傳輸（圓點(diǎn)）和雙向光頻比對(duì)（方塊）的相對(duì)穩(wěn)定度。雙向光頻比對(duì)的穩(wěn)定度在1 s時(shí)為1.2×10-16，40 ks時(shí)為1.3×10-21。頻率比對(duì)的性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)和雙向載波相位等頻率比對(duì)手段。

圖10 50 km線繞光纖雙向光頻比對(duì)相對(duì)頻率穩(wěn)定度

在不使用有源光纖噪聲抑制的情況下，光纖雙向光頻比對(duì)鏈路具有很好的魯棒性?；诒镜販y量的光纖光頻雙向比對(duì)方法相比傳統(tǒng)方法還具有在單一站點(diǎn)完成實(shí)時(shí)比對(duì)而無需通過數(shù)據(jù)通信進(jìn)行遠(yuǎn)程事后比對(duì)的優(yōu)點(diǎn)。有望替代傳統(tǒng)方法完成光鐘及其他先進(jìn)的原子鐘的高精度遠(yuǎn)程比對(duì)。

4 高精度地基授時(shí)系統(tǒng)千km級(jí)光頻傳遞預(yù)研

在高精度地基授時(shí)系統(tǒng)中，光纖授時(shí)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)依托我國光纖網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建我國獨(dú)立自主的高精度地基光纖時(shí)間頻率傳遞骨干網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供高精度的光學(xué)頻率、微波頻率、時(shí)間信號(hào)服務(wù)。其中光頻傳遞的指標(biāo)要求是頻率傳輸穩(wěn)定度日穩(wěn)10-19量級(jí)。為高精度地基授時(shí)系統(tǒng)預(yù)研，課題組多次在運(yùn)營商提供的實(shí)地光纖網(wǎng)絡(luò)上開展光頻傳遞測試，近期在880 km實(shí)地光纖上開展了國內(nèi)首次近千km實(shí)地光纖上的光頻傳遞，200多秒傳輸穩(wěn)定度達(dá)到2.0×10-19。

4.1 880 km光纖線路和實(shí)驗(yàn)裝置

880 km實(shí)地光纖線路由臨潼—澇峪往返260 km和臨潼—山陽往返620 km兩部分組成。光纖線路如圖11所示。

圖11 880 km實(shí)地光纖線路示意圖

兩條線路中各段光纖的距離和光纖損耗如表2所示。單程距離合計(jì)440 km，損耗～120 dB，往返距離達(dá)到880 km，光纖總損耗達(dá)到～240 dB。

表2 880 km光纖距離和損耗統(tǒng)計(jì)

光纖損耗導(dǎo)致傳輸光頻信號(hào)功率太小無法正常探測，為補(bǔ)償光纖鏈路損耗，同樣在光纖中間站點(diǎn)引入了11個(gè)Bi-EDFA，每個(gè)放大器增益設(shè)置在～16 dB左右避免引起激射影響光纖噪聲抑制，如圖12所示。

圖12 880 km實(shí)地光纖光頻傳遞裝置連接圖

4.2 結(jié)果

測量評(píng)估時(shí)同樣用頻率計(jì)數(shù)器測量了環(huán)外拍頻信號(hào)，計(jì)算了880 km實(shí)地光纖光頻傳遞頻率穩(wěn)定度。其結(jié)果如圖13所示。

圖13 880 km實(shí)地光纖光頻傳遞頻率穩(wěn)定度

5 結(jié)語

高精度地基授時(shí)系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)有天基授時(shí)系統(tǒng)的有效補(bǔ)充和增強(qiáng)，其中高精度光纖授時(shí)系統(tǒng)是目前授時(shí)精度最高的授時(shí)手段，主要用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和重要的工程系統(tǒng)。本文介紹了中國科學(xué)院國家授時(shí)中心在光纖光學(xué)頻率傳遞方面的研究情況：突破并掌握了光纖光頻直連傳遞技術(shù)，通過鏈路中間插入雙向摻鉺光纖放大器可將單幅傳遞距離擴(kuò)展至近千km；研究了基于兩級(jí)EDFA放大中繼和光學(xué)鎖相再生光中繼兩種級(jí)聯(lián)傳遞技術(shù)，打破了直連傳遞固有傳輸延時(shí)限制，有望應(yīng)用于高精度地基授時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)萬km以上的光頻傳遞網(wǎng)絡(luò)；探索新方法，研究基于本地測量的光纖光頻雙向比對(duì)，可在光纖光頻傳遞網(wǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更實(shí)時(shí)的比對(duì)精度10-21量級(jí)光頻比對(duì)。最后還報(bào)道了為地基授時(shí)項(xiàng)目預(yù)研在千km級(jí)實(shí)地光纖上的光纖光頻傳遞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在880 km實(shí)地光纖上頻率傳遞的穩(wěn)定度2×10-19（平均時(shí)間200多秒），基本滿足地基授時(shí)系統(tǒng)光頻傳遞網(wǎng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

[1] LUDLOW A D, BOYD M M, YE J, et al. Optical atomic clocks[J]. Reviews of Modern Physics, 2015, 87(2): 637-701.

[2] BREWER S M, CHEN J S, HANKIN A M, et al. An27Al+quantum-logic clock with a systematic uncertainty below 10-18[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(3): 033201.

[3] OELKER E, HUTSON R B, KENNEDY C J, et al. Demonstration of 4.8×10?17stability at 1s for two independent optical clocks[J]. Nature Photonics, 2019, 13(10): 714-719.

[4] LOPEZ O, HABOUCHA A, CHANTEAU B, et al. Ultra-stable long distance optical frequency distribution using the Internet fiber network[J]. Optics Express, 2012, 20(2): 23518.

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

[6] LISDAT C, GROSCHE G, QUINTIN N, et al. A clock network for geodesy and fundamental science[J]. Optics Communications, 2016, 7: 12443.

[7] 劉杰, 高靜, 許冠軍, 等. 基于光纖的光學(xué)頻率傳遞研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2015, 64(12): 106-114.

[8] DENG X, LIU J, JIAO D D, et al. Coherent transfer of optical frequency over 112 km with instability at the 10?20Level[J]. Chinese Physics Letters, 2016, 33(11): 114202.

[9] MA C, WU L, JIANG Y Y, et al. Coherence transfer of subhertz-linewidth laser light via an 82-km fiber link[J]. Applied Physics Letters, 2015, 107(26): 261109 .

[10] FENG Z T, ZHANG X, WU R, et al. High-gain optical injection locking amplifier in phase-coherent optical frequency transmission[J]. IEEE Photonics Journal, 2019, 11(1): 7200909.

[11] JIAN D D, GAO J, LIU J, et al. Development and application of communication band narrow linewidth lasers[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(19): 190601.

[12] FUJIEDA M, KUMAGAI M, NAGANO S. Coherent microwave transfer over a 204-km telecom fiber link by a cascaded system[J]. IEEE Transaction Ultrasonics Ferroelectrics Frequency Control, 2010, 57(1): 168-174.

[13] LOPEZ O, HABOUCHA A, CHANTEAU B, et al. Ultra-stable long distance optical frequency distribution using the Internet fiber network[J]. Optics Express, 2012, 20(21): 23518-23526.

[14] KIM J, SCHNATZ H, WU D S, et al. Optical injection locking-based amplification in phase-coherent transfer of optical frequencies[J]. Optics Letters, 2015, 40(18): 4198-4201.

[15] DENG X, LIU J, JIAO D D, et al. Coherent transfer of optical frequency over 112 km with instability at the 10-20level[J]. Chinese Physics Letters, 2016, 33(11): 114202.

Progress of fiber-based optical frequency transfer in NTSC

LIU Jie1,2, DENG Xue1,2, ZHANG Xiang1,2,3, ZANG Qi1,2,3, WANG Dan1,2,3, JIAO Dong-dong1,2, GAO Jing1,2,3, WANG Dong-jie1,2,3, ZHOU Qian1,2,3, LIU Tao1,2,3, ZHANG Shou-gang1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Fiber-based optical frequency transfer is an important part of the new generation of Time-Frequency System and the Ground-based Time Service System, and has shown the advantage of high precision and a potential for the future application. In this paper, we reported the new results of the fiber-based optical frequency transfer in NTSC. For the first time in China, the optical frequency transfer over a 110-kilometer-long urban fiber showed an instability of 7.5×10-20at a 10 ks average time. By using the heterodyne optical phase locking as the optical regeneration, we demonstrated an optical frequency transfer of the two-stage cascade link comprising two 112 km-long links, with an instability of 7.7×10-19at 10 ks. We demonstrated an improved local two-way optical phase comparison method without the requirement of synchronization, and implemented a real-time frequency comparison over a bi-directional 50-km fiber spool, with the relative frequency stability being 1.2×10-16at 1 s and 1.3×10-21at 40 ks. Recently, another optical frequency transfer link was implemented, and the 880 km link showed a transfer instability of 2×10-19at 200 s.

optical frequency transfer；time and frequency standards；optical fiber network；fiber based time and frequency transfer

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0231-13

劉杰，鄧雪，張翔, 等. 國家授時(shí)中心長距離光纖光學(xué)頻率傳遞研究進(jìn)展[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(4): 231-243.

2021-04-30；

2021-06-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91636101；91836301；11803041）