基于光纤频率传递的高精度时间传递方法

高精度时间频率传递技术在频率标准比对、雷达探测、基础物理、射电天文和地球科学等前沿科学研究和重大基础设施中都发挥着举足轻重的作用。

由于光纤具有高带宽、抗干扰和低损耗等优点，故基于光纤的时间频率传递已成为超高精度时间频率信号传递的主要手段。目前，国内外已有多家单位开展了光纤时间频率信号传递方面的研究，并取得了突破性的进展。

目前基于光纤微波频率传递的应用较为广泛。2019年，波兰克拉科夫理工大学在1500km长的光纤环网内实现了稳定度为1×10-16@104s的10MHz频率传递。2012年，清华大学在80km长的实地光纤链路上实现了稳定度为5×10-19@1d的9.1GHz频率传递。

2021年，中国科学院国家授时中心在300km的光纤环路链路上实现了稳定度为1.1×10-14@1s和6.8×10-18@105s的9GHz频率传递。光纤频率传递通过抑制光纤链路噪声和光纤链路时延漂移。

实现远程端输出的频率信号与本地端参考频率信号相位相对稳定，保证了传递前后频率信号的稳定度，但频率信号存在整周期模糊等问题，难以实现频率信号的相位同步对齐，进而无法保证频率信号的准确度。

光纤频率传递常被用于只对频率信号相位稳定有较高要求的场合中，如原子钟频率信号传递等。在一些对准确度有着严格要求的应用领域中，如雷达探测和射电天文等，常利用光纤时间传递技术来实现信号的同步。光纤时间传递是将1PPS时间信号从本地端准确地传递到远程端，并通过补偿光纤链路的传输时延和传输时延的漂移将远程端1PPS信号与本地端1PPS信号的上升沿准确对齐，从而实现时间信号的准确同步。

目前在光纤时间传递研究方面，研究人员也进行了诸多工作。2019年，波兰克拉科夫AGH科技大学利用色散补偿相位延迟的方法，在1550km长的实地光纤链路上将时间传递的稳定度提高到了20ps内。

2017年，清华大学在25km长的光纤链路上实现了稳定度优于3ps@1s和10ps@104s，不确定度为100ps的时间传递。2019年，上海交通大学在2100km长的实验室光纤链路上获得了优于130ps@1s和12ps@104s的时间传递稳定度。

2020年，中国科学院上海光学精密机械研究所在110km长的实验室光纤链路上实现了稳定度为16ps@1s和0.91ps@104s的时间传递。2021年，中国科学院国家授时中心在1085km长的实地光纤链路上，利用色散误差修正的方法将106m量级距离的时间传递不确定度改善至63.5ps，稳定度提高至9.2ps@1s和5.4ps@4×104s。

光纤时间传递过程中系统时延随环境温度的变化而产生的波动将会导致时间传递的长期稳定度（万秒）下降。受时间传递系统中时差测量模块测量分辨率的影响，时间传递的中期稳定度（千秒）将会恶化。

另外，光纤时间传递系统的闭环带宽较窄，难以对链路的噪声进行有效抑制，这会影响到时间传递的短期稳定度。如果时间信号的稳定度难以保证，即便时间信号具有很高的准确度，也会使其应用受到很大的限制，特别是在一些对实时准确度要求高的应用领域中。因此，在未来的光纤时间传递研究方面，亟需能够在光纤链路上实现更高稳定度、更高准确度的时间传递方法，为光纤时间传递的广泛应用奠定基础。

在光纤时间传递中采用伺服本地振荡器的方法，虽然可以提高时间信号的短期稳定度，但是被伺服的振荡器往往中长期稳定度得不到保障，难以抑制时间传递过程中昼夜温差等因素引起的中长期稳定度的恶化。

利用光纤频率传递系统相位补偿过程中的相位测量或控制的高分辨率，可以有效提高光纤链路时延变化量的测量分辨率，并实现高稳定度的时间传输。然而，由于未对链路的总时延进行实时测量和大范围补偿，故难以保证1PPS信号传递的准确度。

为了规范描述光纤时间传递的准确度，下文用时间传递不确定度来表述。本文提出了一种基于光纤频率传递的光纤时间传递方法，在保证光纤时间传递不确定度的同时，结合光纤频率传递的高稳定度，实现兼具高稳定度和良好不确定度的光纤时间传递，从而使得光纤时间传递的应用范围得以扩大。

利用光纤频率传递系统输出的频率信号再生出具有高稳定度的1PPS信号，并使再生的1PPS信号相位跟踪光纤时间传递系统输出的具有良好不确定度的1PPS信号，使再生出的1PPS信号同时兼具较高的稳定度和良好的不确定度。本文利用光纤链路测得的时间传递数据进行了时间信号再生仿真，再生1PPS信号的稳定度可以达到0.5ps@1s和0.09ps@104s，验证了基于光纤频率传递的时间传递方法大幅提高时间传递稳定度的可行性。

同时，在500km长的实验室光纤链路上进行了测试，实验表明，时间信号抖动的峰峰值由193ps下降至42ps，稳定度由9.05ps@1s和2.20ps@105s提升到2.52ps@1s和0.92ps@105s。最后，对基于光纤频率传递的光纤时间传递方法中影响不确定度的相关因素进行了分析讨论，评估出所提方法的时间传递不确定度为6.4ps。

实验原理及装置

基于光纤频率传递的高精度时间传递的原理装置框图如图1所示。原子钟输出的10MHz频率信号和1PPS时间信号一起输入到本地端设备中，分别作为系统的频率参考和时间参考。本地端设备主要包含时间传递本地端部分和频率传递本地端部分。

远程端设备与本地端设备通过标准单模光纤（SSMF）相连，当光纤链路较长或者损耗较大时，需要加入一个或多个中继设备。远程端设备主要包含时间传递远程端部分、频率传递远程端部分和时间再生控制部分。

时间传递本地端部分与时间传递远程端部分采用双向时间比对的方式以实现时间信号的传递。实时测量光纤链路的总时延及其变化，并采用时间传递远程端部分的时延相位控制器补偿光纤链路时延，使时间传递输出的1PPS信号与本地端参考1PPS信号准确同步。

频率传递本地端部分与频率传递远程端部分构成频率传递系统，采用在本地端进行相位检测和补偿的方式，在远程端输出与频率为10MHz的参考信号相位稳定的10MHz信号。远程端设备内的时间再生控制部分利用频率传递输出的10MHz信号再生出具有高稳定度的1PPS信号。

同时，使再生1PPS信号的脉冲沿跟踪光纤时间传递系统输出的1PPS信号的脉冲沿，以保证再生出的1PPS信号同时兼具良好的稳定度和不确定度。为了防止时间传递和频率传递两个环路之间的干扰，以及环路内的双向光路的干扰，系统中采用了4个不同波长的激光进行传递，并用密集波分复用器（DWDM）对信号进行分束和合束。

光纤时间传递光纤时间传递系统将本地端的1PPS信号和比对数据等信息通过编码器1加载到波长为λ1的激光器1上，经过波分复用器、中继设备和光纤链路后传递到远程端。远程端的光电探测器2探测到的信号经过解码器2进行解码，并将解码得到的1PPS信号与守时模块输出的1PPS信号通过时差测量模块2进行比对，比对后的数据输入到运算控制器2上。

运算控制器将比对的时差数据与来自本地端的比对数据处理后，利用延迟控制器调节守时模块输出的1PPS信号的时延。同时，远程端输出的1PPS信号通过编码器2加载到波长为λ2的激光器2上并返回到本地端。

本地端光电探测器1探测到的1PPS信号通过解码器1进行解码，并将解码得到的1PPS信号输送给时差测量模块1与本地端的1PPS信号进行比对，将比对后的数据经过编码器1加载到激光器1上并传输给远程端，从而实现时间信号的高精度传递。在光纤时间传递系统中，时间传递过程中的时延补偿控制量TDA可以表示为

光纤频率传递

光纤频率传递系统将频率信号通过光纤链路进行往返传输，并获取光纤链路因为时延漂移和振动等因素产生的相位漂移和噪声，通过本地端锁相环路进行补偿和抑制，进而实现频率信号的高稳定度传递。本地端的10MHz信号经过功率分配器2后被分成两路分别进行倍频，倍频后的两路信号用于解调出链路误差信号。

将压控振荡器输出的频率信号加载到激光器3上，其输出波长为λ3。激光器3的输出光作为下行光信号，经过波分复用器、光纤链路和中继设备后到达远程端设备。远程端设备将来自本地端的下行光信号通过光电探测器4探测出来，探测到的频率信号经过功率分配器2后被分为两路，一路频率信号经过分频器后被直接输出，另一路频率信号被调制到波长为λ4的激光器4上并发送至本地端。

本地端将光电探测器3接收到的频率信号与本地端的倍频器2输出的频率信号进行混频，解调出带有链路误差的频率信号，再次将该信号通过混频器2进行混频，提取出链路的误差信号，并通过锁相环控制压控振荡器的输出频率和相位。

实现对光纤链路引入的时延漂移的补偿和相位噪声的抑制，从而实现10MHz信号的高精度传递。光纤频率传递的基本原理与光纤时间传递类似。然而，在光纤频率传递系统中，无法准确评估频率信号相位变化量的绝对值，只能评估出往返信号相位变化的相对值，且认为频率信号往返传输的相位变化量是相同的。在光纤频率传递过程中的频率信号相位补偿量θDA可以表示为

结论

为了在保证时间传递不确定度的前提下进一步提高光纤时间传递的稳定度，提出了一种基于光纤频率传递的光纤时间传递方法，结合光纤时间传递的高不确定特性与光纤频率传递的高稳定度特性，实现了兼具高稳定度和良好不确定度的1PPS信号的传递。

利用光纤频率传递系统输出的频率信号再生出具有高稳定度的1PPS信号，并使再生的1PPS信号相位跟踪光纤时间传递设备输出的1PPS信号，从而使具有良好不确定性的1PPS信号的稳定度得到大幅度提升。

首先，通过已有的光纤时间传递数据进行时间再生的仿真，验证了基于光纤频率传递的光纤时间传递方法的可行性。然后，利用自行研制的基于光纤频率传递的时间传递系统，在500km长的实验室光纤链路上实现了高精度的光纤时间传递，测得1PPS信号的传递稳定度为2.52ps@1s和0.92ps@105s。

最后，对基于光纤频率传递的高精度时间传递系统的主要误差进行了分析，经计算获得其不确定为6.4ps。下一步，将利用环境比较复杂的实地光纤链路对所提方案进行验证，并通过提高光纤频率传递系统的性能来进一步优化光纤时间传递系统的指标。