陳法喜，孔維成，趙侃，李博，劉博，郭新興，陳國(guó)超，張首剛，劉濤,，董瑞芳,

高精度長(zhǎng)距離光纖時(shí)間傳遞的研究進(jìn)展及應(yīng)用

陳法喜1,2，孔維成1,3，趙侃1，李博1，劉博1,3，郭新興1,3，陳國(guó)超1,3，張首剛1,3，劉濤1,3,*，董瑞芳1,3,*

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 西安電子科技大學(xué)，西安 710071；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心已啟動(dòng)建設(shè)國(guó)家高精度地基授時(shí)系統(tǒng)。光纖時(shí)間傳遞分系統(tǒng)作為高精度授時(shí)系統(tǒng)的重要組成部分，需要不斷針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提出解決方案，從而提升光纖時(shí)間同步的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度，以達(dá)到構(gòu)建與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差優(yōu)于100ps的高精度光纖時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。本文報(bào)告了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心在長(zhǎng)鏈路光纖時(shí)間傳遞的研究進(jìn)展。利用研制的光纖時(shí)間同步設(shè)備在871.6 km的實(shí)地光纖鏈路上得到了29.8ps的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差，3.85ps@1ks的時(shí)間穩(wěn)定度，25.4ps的不確定度；在此基礎(chǔ)上針對(duì)后向反射光噪聲的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，在總長(zhǎng)度為1085km的實(shí)地光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了色散誤差修正功能的雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步，得到了18ps的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差，5.4ps@4×104s的穩(wěn)定度，63.5ps的不確定度。

高精度；長(zhǎng)距離；實(shí)地光纖；時(shí)間傳遞

0 引言

高精度時(shí)間頻率信號(hào)在諸多領(lǐng)域，如航空航天、國(guó)防安全等國(guó)家重大系統(tǒng)；導(dǎo)航定位、交通運(yùn)輸?shù)裙こ碳夹g(shù)領(lǐng)域；天文學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中都承擔(dān)著很重要的角色。隨著原子鐘、光鐘等計(jì)時(shí)儀器領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，目前已經(jīng)在單離子光鐘和光晶格鐘上實(shí)現(xiàn)了10-18量級(jí)的頻率不確定度和穩(wěn)定度指標(biāo)[1-3]，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST實(shí)驗(yàn)室的鐿原子鐘已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10-19量級(jí)的頻率不確定度和穩(wěn)定度指標(biāo)[4]，但光鐘系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要用于計(jì)量機(jī)構(gòu)和大學(xué)等科研單位[5]。為了能夠?qū)⑦@些高精度的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)廣泛應(yīng)用于國(guó)家重大系統(tǒng)、工程技術(shù)及基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，需要高精度的授時(shí)技術(shù)作為支撐。

衛(wèi)星雙向比對(duì)時(shí)間傳遞（TWSTFT）和全球定位系統(tǒng)共視（GPS CV）是目前比較常用的授時(shí)手段，但由于多重因素的影響，時(shí)間同步精度一般在納秒量級(jí)[6-7]。光纖時(shí)間傳遞以其傳輸介質(zhì)穩(wěn)定、損耗低、抗電磁干擾、受環(huán)境干擾較小、路徑單一等明顯的穩(wěn)定性與安全性優(yōu)勢(shì)，逐漸成為高精度時(shí)間傳遞技術(shù)的發(fā)展方向[8]。在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心提出的高精度地基授時(shí)系統(tǒng)中，光纖時(shí)間傳遞分系統(tǒng)將依托現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)，構(gòu)建與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差優(yōu)于100 ps的高精度光纖時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)化的光纖授時(shí)系統(tǒng)，不僅可以滿足各地用戶的需求，更可以利用網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，大大增強(qiáng)該授時(shí)系統(tǒng)的可靠性與抗打擊能力，為我國(guó)基礎(chǔ)科研領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及諸多工程應(yīng)用領(lǐng)域提供我國(guó)最高精度的時(shí)間信號(hào)以滿足各類用戶的需求。

近年來(lái)，國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)在實(shí)地光纖時(shí)間傳遞方面展開(kāi)了研究測(cè)試，2009年瑞典SP技術(shù)研究所（SP Technical Research Institute of Sweden）在560 km的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于1 ns的光纖時(shí)間同步指標(biāo)[9]；2010年捷克教育科研網(wǎng)絡(luò)（CESNET）在744 km的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間傳遞的秒級(jí)穩(wěn)定度優(yōu)于100 ps，時(shí)間同步不確定度為112 ps的光纖時(shí)間傳遞[10]；2013年法國(guó)巴黎天文臺(tái)在540 km的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間偏差20 ps的時(shí)間同步精度[11]；同年波蘭克拉科夫理工大學(xué)在420 km光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間傳遞，其穩(wěn)定度優(yōu)于50 ps@1 s[12]。在2011年，歐洲還發(fā)起了歐洲精確時(shí)頻傳輸網(wǎng)絡(luò)（NEAT-FT）聯(lián)合研究項(xiàng)目擬建設(shè)時(shí)間同步不確定度優(yōu)于100 ps的歐洲時(shí)頻光纖同步網(wǎng)絡(luò)[13-14]。

國(guó)內(nèi)的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)在光纖時(shí)間同步領(lǐng)域也開(kāi)展了研究，2010年解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院在125km室內(nèi)光纖上的時(shí)間同步精度優(yōu)于0.5ns[15]；2014年清華大學(xué)在實(shí)地80 km的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了 ±50 ps的時(shí)間同步指標(biāo)[16]；2016年中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在實(shí)地230 km（150 km+80 km級(jí)聯(lián)）光纖鏈路上的時(shí)間同步準(zhǔn)確度為90 ps，平均時(shí)間102～ 104s時(shí)的時(shí)間穩(wěn)定度為3.5 ps[17]；同年上海交通大學(xué)在約6 000 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上的光纖時(shí)間同步偏差小于70 ps[18]；從2003年開(kāi)始，國(guó)家授時(shí)中心就持續(xù)開(kāi)展設(shè)備研制與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，現(xiàn)已建立了多條完整的千km實(shí)地光纖時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本文介紹了國(guó)家授時(shí)中心在光纖時(shí)間傳遞方面的研究工作進(jìn)展，包括在蘇南廣電871.6 km實(shí)地光纖鏈路與陜西電信陜南1085 km實(shí)地光纖鏈路上完成的光纖時(shí)間同步測(cè)試結(jié)果。目前已在千km實(shí)地光纖鏈路中實(shí)現(xiàn)18 ps的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差；5.4 ps @ 4×104s的時(shí)間穩(wěn)定度；63.5 ps的不確定度[19]，為全國(guó)土覆蓋的高精度地基授時(shí)系統(tǒng)中，構(gòu)建全網(wǎng)光纖總長(zhǎng)度約2萬(wàn)km的光纖時(shí)間傳遞分系統(tǒng)奠定了技術(shù)及工程基礎(chǔ)。

1 光纖時(shí)間傳遞基本原理

光纖時(shí)間傳遞利用光纖作為信號(hào)傳遞信道，將時(shí)間信號(hào)從本地端傳遞到光纖末端用戶，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖鏈路的傳輸時(shí)差，并予以補(bǔ)償使得用戶得到與本地端高精度同步的時(shí)間信號(hào)。目前高精度光纖時(shí)間傳遞多采用基于密集波分復(fù)用（DWDM）的時(shí)間同步方案，在鏈路對(duì)稱的情況下，主要通過(guò)環(huán)回法[17]和雙向比對(duì)法[20]兩種方式[21]計(jì)算傳輸時(shí)差并補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)高精度光纖時(shí)間同步。

環(huán)回法一般采用本地端補(bǔ)償，其優(yōu)勢(shì)在于遠(yuǎn)程端接收到的信號(hào)是與本地端高度同步的信號(hào)，可供用戶直接使用，無(wú)需數(shù)據(jù)后處理?；陔p向比對(duì)的光纖時(shí)間同步可選擇本地端補(bǔ)償也可選擇遠(yuǎn)程端補(bǔ)償，遠(yuǎn)程端補(bǔ)償方式在比對(duì)過(guò)程得到誤差數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)程端控制時(shí)差實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，更易于擴(kuò)展遠(yuǎn)程端，可為使用一個(gè)本地端對(duì)多個(gè)遠(yuǎn)程端進(jìn)行時(shí)間同步奠定基礎(chǔ)，資源利用率較高，利于實(shí)現(xiàn)光纖時(shí)間頻率傳遞的網(wǎng)絡(luò)化。

圖1 光纖時(shí)間傳遞雙向時(shí)間比對(duì)法遠(yuǎn)程端補(bǔ)償基本結(jié)構(gòu)框圖

本地端A，遠(yuǎn)程端B分別通過(guò)各自的時(shí)差測(cè)量器A與B，來(lái)測(cè)量設(shè)備內(nèi)部時(shí)間信號(hào)和接收到時(shí)間信號(hào)的時(shí)間間隔，它們分別可表示為：

由于高精度地基授時(shí)系統(tǒng)不僅需要長(zhǎng)距離高精度的光纖時(shí)間同步還需要配合靈活且合理的組網(wǎng)方式。因此，光纖時(shí)間傳遞在1對(duì)1時(shí)間同步方案的基礎(chǔ)上發(fā)展了適應(yīng)光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的1對(duì)多的時(shí)分多址多用戶時(shí)間同步方案，時(shí)分多址多用戶光纖時(shí)間同步系統(tǒng)原理圖如圖2所示。本地端設(shè)備通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式對(duì)各個(gè)遠(yuǎn)程端設(shè)備進(jìn)行輪詢呼叫，中繼設(shè)備在放大光信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)指令來(lái)切換光開(kāi)關(guān)，至本地端設(shè)備接收到來(lái)自遠(yuǎn)程端設(shè)備的光信號(hào)，則成功建立了雙向時(shí)間比對(duì)鏈路，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離多站點(diǎn)高精度光纖時(shí)間同步。值得注意的是，每個(gè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)程端設(shè)備及中繼設(shè)備具有很高的可復(fù)制性，但系統(tǒng)分別為其分配了唯一的設(shè)備地址。

注：Am為光學(xué)放大器；Ci為光學(xué)環(huán)形器

2 871.6 km實(shí)地光纖時(shí)間傳遞實(shí)驗(yàn)

基于雙向時(shí)間比對(duì)遠(yuǎn)程端補(bǔ)償及時(shí)分多址多用戶光纖時(shí)間同步原理，國(guó)家授時(shí)中心于2017年利用一個(gè)波長(zhǎng)信道同時(shí)對(duì)1 PPS（pluse per second）信號(hào)、時(shí)碼信號(hào)以及10 MHz信號(hào)進(jìn)行傳遞，并使用時(shí)分多址多用戶和凈化再生的方式實(shí)現(xiàn)了多站點(diǎn)高精度光纖時(shí)間同步，該871.6 km的實(shí)地光纖鏈路共計(jì)11個(gè)站點(diǎn)，共放置了1臺(tái)本地端設(shè)備、10臺(tái)中繼設(shè)備及11臺(tái)遠(yuǎn)程端設(shè)備。為驗(yàn)證方案的可行性，首先在每?jī)蓚€(gè)站點(diǎn)間間隔50 km總長(zhǎng)為550 km的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路上，進(jìn)行了驗(yàn)證性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室光纖測(cè)試方案如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室光纖測(cè)試方案

由于測(cè)試儀器設(shè)備有限，選擇分別位于在50，300，550 km處的“遠(yuǎn)程端1”、“遠(yuǎn)程端6”和“遠(yuǎn)程端11”作為時(shí)間同步的比對(duì)測(cè)試對(duì)象，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試測(cè)量。在測(cè)試過(guò)程中，遠(yuǎn)程端與本地端間的光纖傳輸時(shí)差如表1所示。

表1 各遠(yuǎn)程端與本地端間的光纖傳輸時(shí)差 單位：ps

當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，同時(shí)對(duì)編號(hào)為1，6，9的遠(yuǎn)程端設(shè)備輸出的時(shí)間信號(hào)與本地端的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，結(jié)果如圖4所示，曲線為各遠(yuǎn)程端輸出的1 PPS信號(hào)與本地端1 PPS信號(hào)的時(shí)差變化：圖（a）為遠(yuǎn)程端1的時(shí)差變化，其標(biāo)準(zhǔn)差值為16.7 ps；圖（b）為遠(yuǎn)程端6的時(shí)差變化，其標(biāo)準(zhǔn)差值為16.8 ps；圖（c）為遠(yuǎn)程端11的時(shí)差變化，其標(biāo)準(zhǔn)差值為18.4 ps。具體時(shí)差變化與峰峰值數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室光纖時(shí)差測(cè)試結(jié)果圖

表2 各遠(yuǎn)程端輸出1 PPS信號(hào)與本地端1 PPS信號(hào)間的實(shí)時(shí)時(shí)差

采集到的時(shí)差數(shù)據(jù)經(jīng)處理，得到的時(shí)間穩(wěn)定度如圖5所示，遠(yuǎn)程端的秒級(jí)時(shí)間信號(hào)傳遞穩(wěn)定度均小于為15 ps@1 s，傳遞穩(wěn)定度在500 s左右最小，均小于4 ps。此外，最遠(yuǎn)端設(shè)備11的時(shí)間信號(hào)穩(wěn)定度為13.8 ps@1 s，2.92 ps@1 ks。

圖5 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下時(shí)間穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果高度表明了方案的可行性及設(shè)備的可靠性。進(jìn)一步在以南京中心機(jī)房為起止點(diǎn)，途徑鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫、蘇州、常熟、南通、海安、泰州、揚(yáng)州、六合，沿途共11個(gè)站點(diǎn)，光纖鏈路總長(zhǎng)度為871.6 km的實(shí)地光纖鏈路上進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)地光纖測(cè)試方案如圖6所示。

圖6 實(shí)地光纖測(cè)試方案

在南京中心機(jī)房，將南京遠(yuǎn)程端設(shè)備輸出的1PPS信號(hào)與輸入到南京本地端設(shè)備的1PPS信號(hào)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中，871.6 km光纖鏈路的總傳輸時(shí)差平均值為4 303 540 527 ps，時(shí)差變化的峰-峰值為66 423 ps，時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差為29.8 ps，時(shí)間穩(wěn)定度為3.85 ps @ 1 ks。

將測(cè)試結(jié)果與550 km實(shí)驗(yàn)室環(huán)境情況相比較，其結(jié)果如圖7所示。圖（a）曲線代表550 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路時(shí)差變化；圖（b）曲線表示871.6 km實(shí)地光纖鏈路時(shí)差變化。時(shí)間同步穩(wěn)定度如圖8所示，下方曲線表示經(jīng)過(guò)550 km實(shí)驗(yàn)室光纖測(cè)試的TDEV（時(shí)間同步穩(wěn)定度）數(shù)據(jù)；上方曲線表示經(jīng)過(guò)871.6 km實(shí)地光纖測(cè)試的TDEV。

圖7 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與實(shí)地環(huán)境下的時(shí)差測(cè)試結(jié)果

注：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下TDEV變化如下方圓點(diǎn)曲線所示；實(shí)地環(huán)境下TDEV變化如上方方塊曲線所示

經(jīng)分析，影響550 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路與871.6 km實(shí)地光纖鏈路時(shí)間傳遞的不確定度因素主要包含以下4個(gè)方面：

表3 光纖時(shí)間傳遞不確定度分析

3 1085km實(shí)地光纖時(shí)間傳遞實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步拓展光纖時(shí)間同步的鏈路長(zhǎng)度及提升光纖時(shí)間同步指標(biāo)，2020年聚焦于后向反射光與光纖色散對(duì)長(zhǎng)距離光纖時(shí)間同步指標(biāo)的影響，提出了一種雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步方法，此方法可修正色散誤差，實(shí)驗(yàn)原理如圖9所示，本地端設(shè)備與各遠(yuǎn)程端設(shè)備采用的激光器可輸出相差一個(gè)波道的兩種標(biāo)稱波長(zhǎng)，雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步方案在雙向時(shí)間比對(duì)方案的基礎(chǔ)上，將光纖色散信息通過(guò)編碼方式一起與時(shí)間頻率信號(hào)及時(shí)碼信息通過(guò)光纖鏈路傳輸至遠(yuǎn)程端，并采用波分復(fù)用的方式使得上行光與下行光分離，從而降低了后向反射光的干擾；為提高傳遞過(guò)程中載波信號(hào)的信噪比，在中繼設(shè)備內(nèi)采用光電光方式（OEO）對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行了凈化再生處理，使遠(yuǎn)程端獲得一個(gè)高穩(wěn)時(shí)間頻率源，進(jìn)一步地，遠(yuǎn)程端通過(guò)修正凈化再生后的時(shí)間信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)與本地端時(shí)間信號(hào)的同步。

圖9 具有色散誤差修正功能的雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)原理

圖10 實(shí)驗(yàn)室光纖測(cè)試方案

為測(cè)試系統(tǒng)性能，將本地端1 PPS信號(hào)與遠(yuǎn)程端16輸出的1 PPS信號(hào)接到SR620（時(shí)差測(cè)量設(shè)備）上，進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖11所示，下方曲線表示經(jīng)800 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路傳遞后的時(shí)差峰峰值約為50 ps，經(jīng)計(jì)算此次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差值為5.7 ps，當(dāng)各設(shè)備采用1 m光纖跳線連接時(shí)，可測(cè)得整個(gè)時(shí)間同步的噪聲極限，測(cè)試結(jié)果如圖11上方曲線所示。

注：系統(tǒng)噪底情況如上方曲線所示；800 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路時(shí)差測(cè)試結(jié)果如下方曲線所示

為表示本系統(tǒng)時(shí)間同步穩(wěn)定度，將圖11所示時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到TDEV數(shù)據(jù)，如圖12所示，上方三角曲線表示800km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路的時(shí)間同步穩(wěn)定度情況，TEDV秒穩(wěn)為4.9ps，十萬(wàn)秒穩(wěn)為1.12 ps。下方圓點(diǎn)曲線表示系統(tǒng)噪底TDEV秒穩(wěn)為4.0 ps，十萬(wàn)秒穩(wěn)為0.083 ps。值得注意的是，1ks以上時(shí)，800 km實(shí)驗(yàn)室光纖的長(zhǎng)期穩(wěn)定度開(kāi)始惡化，其原因主要是實(shí)驗(yàn)室溫度變化導(dǎo)致了激光波長(zhǎng)及設(shè)備時(shí)差的漂移。

注：系統(tǒng)噪底TDEV變化如下方圓點(diǎn)曲線所示；800 km實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路TDEV變化如上方三角曲線所示

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果高度表明了方案的可行性及設(shè)備的可靠性。進(jìn)一步在以中科院國(guó)家授時(shí)中心臨潼園區(qū)為光纖鏈路的始發(fā)站，沿途設(shè)置了一長(zhǎng)、澇峪、筒車灣、洋縣、漢中、勉縣、寧強(qiáng)7個(gè)站點(diǎn)，在末端的勉縣及寧強(qiáng)兩個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了兩次往返傳輸，鏈路最終至環(huán)回國(guó)家授時(shí)中心臨潼園區(qū)，沿途共16個(gè)站點(diǎn)，光纖鏈路總長(zhǎng)度為1085 km。實(shí)地光纖鏈路的地理位置分布如圖13所示。在國(guó)家授時(shí)中心臨潼園區(qū)放置本地端設(shè)備與遠(yuǎn)程端16號(hào)設(shè)備，其余各站點(diǎn)分別放置一臺(tái)遠(yuǎn)程端設(shè)備與一臺(tái)中繼設(shè)備。

圖13 實(shí)地光纖鏈路具體位置

為測(cè)試實(shí)地光纖時(shí)間同步指標(biāo)在國(guó)家授時(shí)中心園區(qū)采用SR620對(duì)本地端設(shè)備與遠(yuǎn)程端16號(hào)設(shè)備輸出的1PPS信號(hào)進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖14所示，未加補(bǔ)償?shù)墓饫w自由運(yùn)轉(zhuǎn)鏈路的時(shí)差測(cè)試結(jié)果如圖14中幅度較大的波動(dòng)曲線所示，時(shí)差峰峰值為160 ns，經(jīng)計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)差為47 ns；經(jīng)鏈路補(bǔ)償后的時(shí)差測(cè)試結(jié)果如圖14中較為穩(wěn)定的中心曲線所示，時(shí)差峰峰值為170 ps，經(jīng)計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差為18 ps。由圖可見(jiàn)自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)差值呈周期性波動(dòng)，主要是由每天的溫度波動(dòng)引起。

注：1 085 km實(shí)地光纖鏈路自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的測(cè)試結(jié)果由幅度較大的波動(dòng)曲線所示；1 085 km實(shí)地光纖補(bǔ)償鏈路的時(shí)間同步測(cè)試結(jié)果由較為穩(wěn)定的中心曲線所示

1085 km實(shí)地光纖補(bǔ)償鏈路的TDEV計(jì)算結(jié)果如圖15所示，其TDEV秒穩(wěn)為9.2 ps、4萬(wàn)秒穩(wěn)為 5.4 ps。對(duì)比于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，短期穩(wěn)定度發(fā)生明顯惡化的主要原因在于外界環(huán)境噪聲較為復(fù)雜及系統(tǒng)控制帶寬的限制，而長(zhǎng)期穩(wěn)定度惡化的主要原因在于各站點(diǎn)之間的溫度差及晝夜較大溫差變化的影響。

圖15 1 085 km實(shí)地光纖補(bǔ)償鏈路的TDEV變化

表4 光纖時(shí)間傳遞不確定度分析 單位：ps

4 結(jié)論

本文介紹了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心在長(zhǎng)鏈路光纖時(shí)間傳遞的研究進(jìn)展。目前利用研制的光纖時(shí)間同步設(shè)備在871.6 km的實(shí)地光纖鏈路上得到了時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差為29.8 ps，TDEV千秒穩(wěn)定度為3.85 ps，不確定度為25.4ps的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在此基礎(chǔ)上針對(duì)后向反射光噪聲的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，在總長(zhǎng)度為1085km的實(shí)地光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了色散誤差修正功能的雙波長(zhǎng)光纖時(shí)間同步，時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)差為18 ps，TDEV 4萬(wàn)秒穩(wěn)定度為5.4 ps，不確定度為63.5 ps。測(cè)試結(jié)果為高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)展提供了重要支撐，接下來(lái)我們將繼續(xù)針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行深入研究，不斷提升光纖時(shí)間同步準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度，以早日達(dá)到全國(guó)土覆蓋的高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的要求。

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Research on high-precision long-distance optical fiber time transfer and its application

CHEN Fa-xi1,2, KONG Wei-cheng1,3, ZHAO Kan1, LI Bo1, LIU Bo1,3, GUO Xin-xing1,3,CHEN Guo-chao1,3, ZHANG Shou-gang1,3,LIU Tao1,3,*, DONG Rui-fang1,3,*

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Xidian University, Xi’an 710071, China;3. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The National Time Service Center of the Chinese Academy of Sciences has launched the National High-precision Ground-based Time Service System. As an important part of the Ground-based Time Service System, the fiber-optic time transfer subsystem aims for realizing high-precision time synchronization network with its deviation from the national standard time within 100 ps. This article reports the development progress of the National Time Service Center in long-distance fiber-optic time transfer. Using the self-developed optical fiber time synchronization equipment, the experimental results on an 871.6 km field optical fiber link have shown a time synchronization standard deviation of 29.8 ps, time stability of 3.85 ps at 1 ks, and uncertainty of 25.4 ps. Further utilizing the technique of dual-wavelength fiber time synchronization with dispersion error correction function to suppress the inherent retro-reflected optical noise in the fiber transfer, the time synchronization on the field optical fiber link with a record length of 1 085 km has been implemented. The time synchronization standard deviation achieves 18 ps and the stability is 5.4 ps at 4×104s, the uncertainty is 63.5 ps.

high precision; long distance;field fiber link; time transmission

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0266-13

陳法喜, 孔維成, 趙侃, 等. 高精度長(zhǎng)距離光纖時(shí)間傳遞的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(4): 266-278.

2021-05-01；

通訊作者

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91636101；91836301；12033007；61801458；12003042）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)B專項(xiàng)（XDB21030200）；廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（2018B030325001）；中國(guó)科學(xué)院前沿重點(diǎn)研究資助項(xiàng)目（QYZDB-SW-SLH007）