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物理学报 2015年第12期64卷 106-114页

作者：刘杰高静许冠军焦东东闫露露董瑞芳姜海峰刘涛张首刚中国科学院国家授时中心西安710600 中国科学院大学北京100039 中国科学院时间频率基准重点实验室西安710600

随着光钟研究的发展,光钟的稳定度和不确定度均达到10-18量级.通过光纤可以实现光钟频率信号的高精度传输,有望用于未来"秒"定义的复现.演示了百公里级实验室光纤上的光学频率传递.对于在实验室70 km光纤盘上实现的光频传递,光纤相位噪... 详细信息

随着光钟研究的发展,光钟的稳定度和不确定度均达到10-18量级.通过光纤可以实现光钟频率信号的高精度传输,有望用于未来"秒"定义的复现.演示了百公里级实验室光纤上的光学频率传递.对于在实验室70 km光纤盘上实现的光频传递,光纤相位噪声抑制在1—250 Hz傅里叶频率范围内均接近于光纤延时极限,对应传输稳定度(Allan偏差)为秒级稳定度1.2×10-15,10000 s稳定度为1.4×10-18.实验室100 km光纤的光频传递秒级稳定度也达到了5×10-15.提出了光纤噪声用户端补偿的方案,可以简化星形传递网络中心站的复杂度.在25 km光纤上演示了该传递方案,实现的传输稳定度接近传统前置补偿传递方案.

关键词：时间频率光纤网络光学频率传递光纤噪声用户端补偿

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光纤光学频率传递系统中偏振控制的研究

光纤光学频率传递系统中偏振控制的研究

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作者：王东杰中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

学位级别：硕士

随着国际上以锶原子光钟为代表的光频标稳定度进入了E-19量级,该标准为众多研究领域如导航定位、基本物理量定义、大地测量等提供了高精度的测量工具。而这些应用都需要将高精度的光学频率信号进行远程的传递,因此光学频率信号的高精度... 详细信息

随着国际上以锶原子光钟为代表的光频标稳定度进入了E-19量级,该标准为众多研究领域如导航定位、基本物理量定义、大地测量等提供了高精度的测量工具。而这些应用都需要将高精度的光学频率信号进行远程的传递,因此光学频率信号的高精度传输技术是必不可少的。近年来,光纤链路以其损耗小、可靠性高等优点被视为理想的光学频率信号传递介质,其传输精度比传统的基于卫星的频率传递方法高约四到五个量级,因此基于光纤的光学频率传递技术为光频标的远程传递和比对应用提供了有力的技术支撑。但由于在传输过程中使用的是长距离普通单模光纤,光纤受到的应力会使传输光偏振态发生随机变化,且外界温度变化也会使传输光偏振态发生缓慢漂移。因此在光频传递系统进行环外的拍频测量时,传输光偏振态如果和本振参考光不同,那么就会影响拍频功率,进一步恶化传递信噪比,因此采用偏振控制技术对传输光的偏振态进行控制在光频传递工程化中具有重要的研究意义和实用价值。本文以光纤光学频率传递为背景,开展了长距离光纤偏振控制的研究,实现了光频传递中的偏振控制,主要工作如下:一、根据光偏振态和延迟量可调型偏振控制器的斯托克斯矢量表达式和传输矩阵,推导出了不同波片级联情况下偏振控制的数学模型,并通过Matlab软件对几种典型级联波片的模型进行了仿真验证,仿真结果表明至少需要三个波片级联,即0°—45°—0°类型的偏振控制器才能够实现任意输入偏振态到任意输出偏振态的无盲区控制。同时也提出了三波片级联偏振控制系统的局限性,当某一个波片达到了最大调节范围,该偏振控制系统将无法正常工作。因此通过仿真,本文最终选用四波片级联的偏振控制器,即0°—45°—0°—45°型偏振控制器来开展下一步的实验研究。二、设计并搭建了适用于光纤光学频率传递的偏振控制系统,包括硬件与软件两部分。其中硬件包括功率探测模块、主控电路模块和偏振控制器模块。而软件部分则基于梯度下降算法以及强制复位方法设计了偏振控制流程,编写了偏振控制程序。同时搭建了光纤干涉仪测试平台用来测试偏振控制系统的可靠性与稳定性,分别在短光纤、50 km实验室缠绕光纤和260 km实地光纤进行了实验测试,结果表明该系统能够在约24ms的时间内通过调整传输光的偏振态将反馈拍频功率提升至最大值,且在实地光纤测试中能够长期稳定运行,符合光频传递的工程化需求。三、搭建了光纤光学频率传递测试平台,将偏振控制系统安装于光频传递接收机之前,并分别在450 km实验室缠绕光纤和260 km实地光纤上进行了光频传递工程化测试。测试结果表明,未加偏振控制时,偏振的变化会导致环外拍频功率的恶化,从而使得光学频率的传输发生中断,无法实现光频传递的连续运行;而经过偏振控制系统对传递光的偏振态进行控制后,光频传递系统实现了长期稳定运行:在450 km实验室缠绕光纤和260 km实地光纤测试中,光频传递的传输数据利用率由70%和94%均提升至了接近100%,且获得了积分时间10000 s的稳定度指标,分别为7.2E-20/10000 s和1.4E-19/10000 s,满足了异地高精度光钟比对的传输精度需求。

关键词：光学频率传递拍频偏振控制梯度下降算法

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国家授时中心长距离光纤光学频率传递研究进展

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时间频率学报 2021年第4期44卷 231-243页

作者：刘杰邓雪张翔臧琦王丹焦东东高静王东杰周茜刘涛张首刚中国科学院国家授时中心西安710600 中国科学院时间频率基准重点实验室西安710600 中国科学院大学北京100049

光纤光学频率传递是新一代时间频率体系和地基授时系统的重要组成部分,利用光纤实现高精度光学频率传递具有明显的精度优势和应用前景。本文报道了中国科学院国家授时中心在高精度光纤光学频率传递方面的研究进展。112 km实地光纤上国... 详细信息

光纤光学频率传递是新一代时间频率体系和地基授时系统的重要组成部分,利用光纤实现高精度光学频率传递具有明显的精度优势和应用前景。本文报道了中国科学院国家授时中心在高精度光纤光学频率传递方面的研究进展。112 km实地光纤上国内首次实现万秒稳定度7.5×10^(-20)的光频传递;利用光外差锁相方案实现了光频级联传递技术突破,在224 km实地光纤上光频传递稳定度万秒稳定度7.7×10^(-19);首次提出并验证了一种基于本地测量的光纤光频双向比对,50 km频率比对稳定度秒稳达到1.2×10^(-16),4万秒稳定度达到1.3×10^(-21)。最新进展为在860 km实地光纤上实现了稳定度2×10^(-19)@200 s的光频传递。

关键词：光学频率传递时间频率标准光纤网络光纤授时系统

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基于光放大的光纤光频传递研究

基于光放大的光纤光频传递研究

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作者：臧琦中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

学位级别：硕士

随着光钟研究的不断深入,其稳定度和不确定度都已经达到E-18量级。如何高精度地比对这些分布在世界各地的光钟,不仅对光钟性能的准确评估,而且对于未来光钟的实际应用,都有着重要的意义。基于卫星的时间频率传递受传输信道的影响,日稳... 详细信息

随着光钟研究的不断深入,其稳定度和不确定度都已经达到E-18量级。如何高精度地比对这些分布在世界各地的光钟,不仅对光钟性能的准确评估,而且对于未来光钟的实际应用,都有着重要的意义。基于卫星的时间频率传递受传输信道的影响,日稳定度只能到达E-16量级,已经无法满足高精度光钟信号传递的要求。而利用相对稳定的光纤作为传输媒介,可以高保真地传输光学频率信号,使光钟远程精密比对成为可能。本文研究内容主要围绕基于多普勒的光纤噪声抑制和光放大技术实现高精度光学频率信号的远距离传输.文中介绍了光纤相位噪声抑制的基本原理,通过将传输的光信号在光纤链路中双向往返传输,拍频得到相位噪声信号,然后经伺服系统实时补偿链路干扰从而在远端获得高精度的光学频率信号。同时在实验室和实地光纤链路中利用光放大技术实现了长距离的传输测试。研究成果具体包括:一、为了增加传输距离,自行研制了低噪声双向EDFA。实验中利用双向EDFA在实验室200km的传输链路上实现了3.8E-16/s,万秒后达到2.8E-19/104s的传输稳定度。二、研制了基于单向两级EDFA的中继站系统,并从原理和结构上对中继放大方式进行了详细介绍。此外,利用中继站和双向EDFA在临潼-西安单程56km专用光纤构建的224km的传输链路实现了高精度的光学频率信号传递,传输稳定度达到3.39E-16/s,万秒后达到8.36E-19。三、在实地通信光缆中进行了光频传递测试,将双向EDFA作为功率补偿器件在西安-咸阳之间的省级骨干光纤网构建了210 km的光频信号传递测试链路,放大器平均增益约为15d B,以防止激射。测量并分析了不同情况下光纤链路的附加相位噪声,同时在210 km实地光纤链路获得了1.51E-14/s,万秒后优于5E-17的光学频率传输稳定度。并根据测试分析了千公里级传输的理论结果在南京-苏州之间的新沪宁骨干光纤上利用双向EDFA作为功率补偿器件测试了不同站点之间的相位噪声情况。根据实验和测试结果,噪声抑制系统、双向EDFA以及中继站可以满足高精度光学频率信号在光纤中的远距离传输。

关键词：光学频率传递相位噪声抑制双向EDFA 级联中继站光纤网络

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分频锁相电路在频率传递中应用的研究

分频锁相电路在频率传递中应用的研究

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作者：蔡桢荻中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院)

学位级别：硕士

在频率标准的应用领域,如何高保真地传递高精度微波或光学频率源是重要问题之一。传统手段利用卫星微波链路进行时频传递,在未来的光钟时代将不能满足需求。光纤具有低损耗、抗干扰能力强的优势,使用光纤链路进行长距离高精度的时频信... 详细信息

在频率标准的应用领域,如何高保真地传递高精度微波或光学频率源是重要问题之一。传统手段利用卫星微波链路进行时频传递,在未来的光钟时代将不能满足需求。光纤具有低损耗、抗干扰能力强的优势,使用光纤链路进行长距离高精度的时频信号传递具有巨大的潜力。利用光纤进行高精度频率传递的技术核心是对传递链路引入的相位噪声进行补偿。在现有的噪声补偿方案中,基于锁相环的主动相位补偿方案具有补偿速度快、技术成熟、结构集成度高的优势,在光纤频率传递实验中得到广泛应用。除了链路噪声补偿,分频锁相技术还能实现频率传递中的频率转换及高精度频率源设计,具有很大的应用价值。论文研究了分频锁相电路在光纤频率传递中的应用。研制了高精度信号源和相位噪声补偿电路,并将这些电路应用于光纤光频和射频传递实验中,取得了很好的实验结果。具体内容分为以下几个部分:(1)研制了基于外部锁相环的直接数字式频率合成器。该频率合成器作为低相噪频率源,用于光频传递中的声光调制器驱动。该频率源结合小数分频功能,解决了输出信号的奇次谐波与时钟源相互干扰的问题,具有相噪水平低、频率稳定度高的优点,并且在400 MHz范围内幅频可调。(2)研制了用于光纤光频传递的分频锁相电路。该电路具有极低的本底噪声,分频数采用拨码开关调节,可以非常方便地应用于光频传递的测试参数优化。采用该电路我们实现了中科院精密测量院与华中科技大学之间的往返60 km光纤光频传递,传递稳定度达到2.4×10-17/s和6.5×10-21/65000 s,满足当前最高水平的光钟信号传输需求。(3)研制了基于光纤链路的10 MHz射频参考传递系统。采用分频锁相的方式将1 GHz的传递信号直接与10MHz的射频参考(氢钟)信号比较锁相,补偿光纤链路的噪声,在远端解调1 GHz传递信号并通过分频重现10MHz参考信号。该系统经测试在20 km光纤中传递稳定度达到4.8×10-13/s和2.1 × 10-16/1 0000 s,可以满足科研园区不同建筑间(km距离)共享氢钟信号的需求。

关键词：分频锁相锁相环射频频率传递光学频率传递相位噪声补偿

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自由空间高精度频率传递技术

自由空间高精度频率传递技术

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第十一届中国卫星导航年会

作者：姚渊博蒙艳松卢樟健王国永空间电子信息技术研究院卫星导航与星间链路技术研究所

随着光钟研究的发展,光钟的稳定度和不确定度均达到10-18量级.通过自由空间可以实现光钟频率信号的高精度传递,有望用于未来"秒"定义的复现。介绍了自由空间相位噪声补偿原理,实现了在室内及室外自由空间环境下的相位噪声主动补偿,给出... 详细信息

随着光钟研究的发展,光钟的稳定度和不确定度均达到10-18量级.通过自由空间可以实现光钟频率信号的高精度传递,有望用于未来"秒"定义的复现。介绍了自由空间相位噪声补偿原理,实现了在室内及室外自由空间环境下的相位噪声主动补偿,给出了在室内及室外100m自由空间上的连续波光频信号的自由运转与主动稳定相干频率传递结果。其中自由空间1m自由运转频率传递稳定度为4.74E-16/s,5.23E-16/

关键词：光学频率标准相位噪声补偿光学频率传递

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高精度光纤光频传递技术研究

高精度光纤光频传递技术研究

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2017年光学技术研讨会暨交叉学科论坛

作者：冯子桐杨飞陈迪俊张茜程楠桂有珍蔡海文中国科学院上海光学精密机械研究所空间技术研究中心中国科学院大学中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学实验室

作为新一代时频标准的光钟的频率稳定性和不确定度都已达到1×10量级,光学频率传递的需求已经越来越迫切。通过光纤可以实现光学频率标准的高精度传输。本文在实验室环境下演示了50km级的高精度光纤光学频率传输,光频传递抖动的Allan偏... 详细信息

作为新一代时频标准的光钟的频率稳定性和不确定度都已达到1×10量级,光学频率传递的需求已经越来越迫切。通过光纤可以实现光学频率标准的高精度传输。本文在实验室环境下演示了50km级的高精度光纤光学频率传输,光频传递抖动的Allan偏差达到2.5×10@1s和5×10@10000s,在国内相关报道中处于领先水平。

关键词：时间频率光学频率传递噪声抑制

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