摘要:在长距离高精度光纤时间同步系统中, 为了减少后向反射光与光纤色散对传输精度的影响, 本文在双波长光纤时间同步传输方法之上, 提出了一种具有色散误差修正功能的双波长光纤时间同步传输方法. 以自行研制的工程样机在长度约为800 km的实验室光纤链路上和1085 km的实地光纤链路上进行了实验测试, 也是国内首次实现千公里级实地光纤时间同步传输. 在实验室光纤链路上, 测得传输链路色散补偿后的色散时延误差为10 ps, 时间同步标准差为5.7 ps, 稳定度为1.12 ps@10⁵ s, 不确定度为18.4 ps. 在实地光纤链路上, 测得传输链路色散补偿后的色散时延误差为60 ps, 时间同步标准差为18 ps, 稳定度为5.4 ps@4 × 10⁴ s, 不确定度为63.5 ps.
关键词: 光纤光学/
时间同步/
同步网络

English Abstract

全文HTML

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高精度时间频率信号传输技术在许多领域都有着重要的应用, 如全球卫星导航^[1]、深空探测^[2]、射电天文^[3]以及精密物理测量^[4-6]等. 在时间频率信号传输领域, 卫星共视(CV)^[7,8]和卫星双向比对(TWSTFT)^[9,10]是目前最为常用的授时手段, 可实现的时间频率传输日稳定度最高为10^–15量级^[11], 时间同步精度为纳秒量级^[12]. 随着高精度原子钟技术的不断进步, 铯喷泉钟的日稳定度已达到10^–15量级^[13], 光钟的日稳定度也已达到了10^–19量级^[14], 已远超目前的卫星授时精度. 为了保证这些高精度的时间频率信号能够进行远程传输与比对, 需要发展具有更高精度的时间频率信号传输手段. 由于光纤具有抗电磁干扰、受外界环境干扰较小、低损耗以及传输带宽大等优势, 被认为是目前最适合用于高精度时间频率传输的一种工具. 欧美等发达国家均已开展了光纤时间频率信号传输方面的研究, 并取得了突破性的进展^[15-22]. 2010年, 捷克教育科研网中心利用波分复用(DWDM)双向时间比对的方法, 在744 km的实地光纤链路上实现了时间同步传输, 稳定度优于100 ps@1 s, 不确定度为112 ps^[20]. 2016年, 荷兰国家计量院VSL采用双向光放大器结构与White Rabbit系统, 在274 km的光纤链路上实现了时间同步传输, 不确定度优于8.2 ns^[21]. 2019年, 波兰克拉科夫AGH科技大学提出了一种通过改变光纤色散补偿模块的长度或温度来修正相位延迟的方法, 在1550 km的实地光纤链路上获得了优于20 ps的时间传输稳定度^[22]. 在国内, 相关小组在光纤时间频率传输领域也开展了研究, 并取得了一定的成果^[23-31]. 2017年, 清华大学在25 km的光纤链路上实现了高精度多路光纤时间信号同步传输, 时间同步传输稳定度优于3 ps@1 s和10 ps@10⁴ s, 不确定度约为100 ps^[30]. 2019年, 上海交通大学提出了一种在商用波分复用系统中通过光监控信道进行时间传输的方法, 在100 km的实验室光纤链路上获得了优于15 ps@1 s和2 ps@10⁴ s的时间传输稳定度^[23]. 2020年, 上海光机所将时间信号和微波信号同时加载到同一波长激光上, 在110 km的实验室光纤链路上实现了高精度的时间信号传输, 其时间传输稳定度为16 ps@1 s和0.91 ps@10⁴ s^[32].
在光纤时间同步传输系统中, 后向散射光会导致系统的信噪比降低, 从而对传输精度产生影响, 通常可采用上行光与下行光传输不同波长激光的方法来消除后向散射光对传输精度的影响. 但在长距离的光纤时间同步系统中, 波长差异引起的色散时延误差会随着链路的增加而变得越为明显, 为了解决这一问题, 本文提出一种具有色散误差修正功能的双波长光纤时间同步传输方法, 该方法通过测量出各段光纤链路中的色散系数及距离, 系统自动计算出链路中的色散时延误差, 直接反馈给远程端的时延相位控制器, 对输出的秒脉冲信号(1PPS)进行补偿. 首先, 对光纤时间同步链路中各个远程端设备的误差进行了修正, 使设备产生的时延误差优于15 ps. 同时, 以光纤色散系数13.36 ps/(km·ns)对800 km实验室光纤链路中的色散进行补偿, 测得补偿后的色散时延误差约为10 ps. 以光纤色散系数16.67 ps/(km·ns)对1085 km实地光纤链路中的色散进行补偿, 测得补偿后的色散时延误差约为60 ps. 其次, 以自行研制工程样机在长度约为800 km的实验室光纤链路上, 实现了时间同步传输的标准差为5.7 ps, 稳定度分别为4.54 ps@1 s和1.12 ps@10⁵ s, 不确定度为18.4 ps. 在1085 km的实地光纤链路上, 测得时间同步传输的标准差为18 ps, 稳定度分别为9.2 ps@1 s和5.4 ps@4 × 10⁴ s, 通过分析得到该1085 km实地光纤链路的时间同步传输不确定度约为63.5 ps. 最后, 对光纤时间同步传输系统中的相关影响因素进行了分析讨论, 并提出了相应的解决方案, 以实现进一步的提高.

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2.1.双波长光纤时间同步的基本原理

双波长光纤时间同步的基本原理如图1所示, 本地端的1PPS信号及光纤色散参数等信息通过编码器加载到激光器1上, 通过波分复用器后传递到远程端, 光电探测器2探测到的信号经过解码后, 光纤色散参数等信息输入到运算控制器上, 1PPS信号与远程端守时模块的1PPS信号经过时差测量模块进行比对, 再将测量到的时差信号输送给运算控制器, 运算控制器将光纤色散带来的误差及比对的时差数据处理后, 利用延迟控制器调节守时模块输出的1PPS信号. 远程端输出1PPS信号通过编码器2加载到激光器2上返回到本地端, 光电探测器1探测到的信号通过解码器1进行解调, 并将解调得到的信号输送给时差测量模块与本地端的1PPS信号进行比对, 从而实现高精度光纤时间同步.
图 1 双波长光纤时间同步原理图(λ1, λ2, 激光波长)
Figure1. Schematic diagram of dual wavelength time transfer. ($ {\lambda }_{1} $, $ {\lambda }_{2} $, Laser wavelength).

根据双向时间比对的基本原理, 可以得到双波长时间同步过程中的时延补偿控制量为

${T}_{\mathrm{D}\mathrm{A}}=\frac{1}{2}({T}_{\mathrm{L}\mathrm{R}}-{T}_{\mathrm{R}\mathrm{L}}+{T}_{\mathrm{D}\mathrm{L}}-{T}_{\mathrm{D}\mathrm{R}})+{T}_{\mathrm{S}\mathrm{E}}, $

其中, $ {T}_{\mathrm{L}\mathrm{R}} $, $ {T}_{\mathrm{R}\mathrm{L}} $分别为本地端与远程端的双向时间比对测量结果, 可直接通过时差测量模块进行测量. $ {T}_{\mathrm{D}\mathrm{L}} $, $ {T}_{\mathrm{D}\mathrm{R}} $分别为从本地端到远程端与远程端到本地端的光纤链路传输时延. $ {T}_{\mathrm{S}\mathrm{E}} $为本地端和远程端设备内电子学和光学部分传输时延引入的系统误差, 实验上可以对其进行校准修正, 从图1中可以看出$ {T}_{\mathrm{S}\mathrm{E}} $对应的值应该为

${T}_{\mathrm{S}\mathrm{E}}={T}_{\mathrm{D}\mathrm{D}\mathrm{L}\mathrm{S}}-{T}_{\mathrm{D}\mathrm{D}\mathrm{R}\mathrm{R}}+{T}_{\mathrm{D}\mathrm{D}\mathrm{L}\mathrm{R}}-{T}_{\mathrm{D}\mathrm{D}\mathrm{R}\mathrm{S}},$

其中, $ {T}_{\mathrm{D}\mathrm{D}\mathrm{L}\mathrm{S}} $为本地端设备内发送部分的时延, $ {T}_{\mathrm{D}\mathrm{D}\mathrm{R}\mathrm{R}} $为远程端设备内接收部分的时延, $ {T}_{\mathrm{D}\mathrm{D}\mathrm{L}\mathrm{R}} $为本地端设备内接收部分的时延, $ {T}_{\mathrm{D}\mathrm{D}\mathrm{R}\mathrm{S}} $为远程端设备内发送部分的时延. 为了避免后向散射的影响, 本文中远程端与本地端采用的激光器波长不相同$ {\lambda }_{1} $≠$ {\lambda }_{2} $, 因此, 由于光纤色散产生的影响使得${T}_{\mathrm{D}\mathrm{L}}\ne $$ T_{\mathrm{D}\mathrm{R}}$. 对于光纤色散产生的链路时延, 可通过(3)式得到,

${T}_{\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{r}}=\left({T}_{\mathrm{D}\mathrm{L}}{-T}_{\mathrm{D}\mathrm{R}}\right)=\frac{1}{2}D\times \left({\lambda }_{1}-{\lambda }_{2}\right)\times L, $

其中, D为光纤链路的色散系数, L为光纤的长度, $ {\lambda }_{1} $和$ {\lambda }_{2} $分别为本地端与远程端激光器的输出波长. 理想情况下, 同批生产的光纤色散系数应该相同, 对应的时延误差与光纤长度成正比. 则双波长时间同步过程中的时延补偿控制量为

${T}_{\mathrm{D}\mathrm{A}}=\frac{1}{2}\left({T}_{\mathrm{L}\mathrm{R}}-{T}_{\mathrm{R}\mathrm{L}}\right)+{T}_{\mathrm{S}\mathrm{E}}+{T}_{\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{r}}.$

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2.2.双波长光纤时间同步的实验装置

双波长光纤时间同步的实验装置原理如图2所示, 本地端设备与远程端设备之间的双向时间同步传输比对, 主要是利用波分复用器与两个标称波长相差一个波道的激光器实现的. 本地端设备通过编码器1将时码信息、10 MHz信号、1PPS时间信号、光纤色散参数信息以及比对后的时差数据加载到激光器1的输出激光上, 且激光器1的输出波长为$ {\lambda }_{1} $. 激光器1的输出光作为下行光信号, 经过波分复用器、光纤链路及中继设备后到达远程端设备. 为了减小后向反射光的影响, 中继设备采用波分复用器对下行光与上行光进行了分离处理. 同时, 利用自行研制的光-电-光中继净化再生设备(OEO)对接收到的载波信号进行净化处理, 以提高链路中载波信号的信噪比. 远程端设备n将来自本地端标称波长为$ {\lambda }_{1} $的下行光信号通过光电探测器n转换为电信号, 并且分为两路. 一路通过载波恢复模块获得10 MHz信号, 另一路通过解码器n解调出1 PPS时间信号、时码信息、光纤色散误差以及时差数据. 恢复的10 MHz信号经过PLL模块净化处理后, 作为远程端设备内部守时模块的频率参考源. 当远程端设备n被呼叫时, 该远程端设备守时模块输出的1PPS时间信号与解调出的1PPS时间信号通过时差测量模块n进行比对. 再将比对后的时差信号与解调出的光纤色散信息输入到运算控制模块n中进行处理, 处理后的信号直接反馈给时延相位控制器, 从而对守时模块输出的时间信号进行修正, 使远程端的时间信号与本地端的时间信号进行同步. 同时, 将远程端输出的1PPS时间信号、10 MHz信号以及运算控制器n输出的时间差数据经过编码器n编码后, 加载到标称波长为$ {\lambda }_{2} $的激光器2上. 激光器2的输出光经过波分复用器、中继设备、光纤链路和波分复用器后到达本地端设备. 本地端设备将接收到的光信号通过光电探测器1转换为电信号, 再将解调得到的1PPS时间信号与本地端1PPS时间信号进行比对, 从而实现光纤链路的双向时间比对传输. 其中, 每个站点的远程端设备基本相同, 且每个站点的远程端设备、中继设备都有各自惟一的设备地址. 本地端设备可采用时分多址的方式对各个站点的远程端设备进行轮询双向时间比对传输, 从而实现各个远程端与本地端的时间同步.
图 2 双波长光纤时间同步装置图(OEO: 光-电-光信号净化处理模块; λ1, λ2: 激光波长; PLL: 锁相环)
Figure2. Device diagram of dual wavelength time transfer. (OEO: Optical-electric-optical signal purification and processing module; λ1, λ2: Laser wavelength; PLL: Phase locked loop).

在长距离高精度双波长光纤时间同步的实验测试中, 为了减少设备时延误差及光纤色散误差带来的影响, 利用短光纤对各个站点的设备进行了校准, 同时也对传输链路中光纤色散带来的误差进行了补偿. 为了验证自行研制的设备在千公里级实地光纤时间同步研究工作中的可靠性, 首先在800 km的实验室光纤链路上对本方案进行了测试评估, 最后在1085 km实地光纤链路进行了实验测试, 获得时间同步稳定度为9.2 ps@1 s和5.4 ps@4 × 10⁴ s.
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3.1.设备误差修正

在设备的研制过程中, 很难保证每个设备的参数完全相同, 如设备中光路的不对称性和电路的传输时延, 都会导致每台设备产生一定的时延误差. 由于该1085 km的实地光纤链路被分为16个站点, 包含15个中继设备以及16个远程端设备, 因此为了保证各个站点之间的时间同步传输精度, 将各个站点的设备按照图3所示的方法进行连接, 对每个设备的参数进行修正. 在设备校准前, 将信号源输出的1PPS信号通过脉冲分配放大器分为两路, 一路1PPS信号通过同轴线直接输入到时差测量模块(SR620)上, 另一路1PPS信号通过两根互相连接的同轴线后输入到SR620上, 测量出两路1PPS信号之间的时延差, 并记录为τ. 在对设备校准时, 首先将其中一路的两根同轴线拆开, 分别接在本地端的输入端与远程端1的输出端, 利用SR620测量出此时的时差τ + ?τ₁. 然后再通过远程端1的时延相位控制模块来调节其时延值, 直至SR620的测量结果接近τ为止. 在远程端1的时延校准完后, 将远程端1输出端的同轴线接在远程端2的输出端, 对其输出的时延值进行修正. 同理, 采用同样的方法对其他远程端设备的时延输出值依次进行修正. 其中, 本地端、中继及远程端之间采用1 m的光纤和15 dB的衰减器进行连接.
图 3 实验室测试连接图
Figure3. Scheme of laboratory test.

在设备误差修正的测试过程中, 由于采用长度为1 m的光纤对各个站点之间的设备进行连接, 因此激光波长引入的色散误差可忽略不计. 每个远程端设备的时延误差测量结果如表1第2列与第5列所列, 可以看出, 每个远程端设备的时延测量结果保持在1300—2500 ps之间. 在开始自动时延补偿时, 测量出各个远程端设备1 PPS时间信号与信号源1 PPS时间信号之间的时差, 同时在各个远程端设备上输入相应的参数进行修正. 每个远程端设备修正后的时延误差测量结果如表1第3列与第6列所列. 从表中可以看出, 每个站点的时延误差都优于15 ps.

编号	校准前/ps	校准后/ps		编号	校准前/ps	校准后/ps
1	2453	12		9	18354	7
2	4669	–5		10	20323	13
3	6056	10		11	22340	–11
4	8375	8		12	24098	6
5	9950	–10		13	25637	5
6	12144	9		14	28031	–8
7	13993	–6		15	29992	–12
8	16058	11		16	31862	8

表1各个站点设备时延误差测量结果
Table1.Measurement results of equipment delay error in each station.

在测试中, 采用了16个中心波长为1543.730 nm的激光器和31个中心波长为1542.936 nm的激光器. 其中, 16台中心波长为1543.730 nm的激光器分别放置在15个中继设备及本地端, 31台中心波长为1542.936 nm的激光器放置在15个中继设备及16个远程端. 这47台激光器的输出波长通过波长计进行逐一测量标定, 误差分别小于0.2 pm. 为了避免实验室温度变化(峰峰值2 ℃/d)对激光器输出波长的影响, 对激光器外部进行了温度控制, 使输出波长随环境温度变化小于0.1 pm/℃.
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3.2.链路色散误差修正方法

在单模光纤中, 激光的波长越长, 则波导色散越明显, 传输的时延误差也随着增大. 通常光纤链路中的时延补偿是建立在双向时延对称的基础之上, 而在双波长光纤时间同步系统中, 下行光与上行光的波长差异会使各个远程端设备输出的1PPS时间信号产生时延差, 该时延差可通过(3)式得到. 理想情况下, 同批生产的光纤色散系数应该相同, 对应的时延误差与光纤长度成正比. 但在实际应用中, 光纤中材质分布差异会导致每段光纤散射系数不同.
由于本方案采用的是双波长光纤时间同步方法, 其中下行光的标称波长为$ {\lambda }_{1} $ = 1543.730 nm, 上行光的标称波长为$ {\lambda }_{2} $ = 1542.936 nm, 因此, 在传输过程中会产生明显的色散误差, 从而对链路的时间传输精度产生影响. 为了保证光纤时间传输系统的精度, 在光纤时间同步设备误差修正的基础之上, 利用图3所示的链路结构对光纤链路的色散误差进行修正, 其中, 将各个设备之间的1 m光纤跳线改为16捆同批次的50 km光纤盘. 在色散误差补偿功能开启前, 仅开启设备中链路时延补偿功能, 通过SR620测量出各个远程端设备输出的1PPS信号引入的时延偏差, 即光纤色散时延偏差. 再根据光纤链路长度计算出各段光纤链路的色散系数, 并输入到本地端设备与各个远程端设备. 在色散误差功能开启后, 本地端会根据双向比对的数据计算出每段的光纤链路的长度, 根据(3)式自动计算出光纤链路中的色散误差, 再通过各个远程端的时延相位控制模块对输出的1PPS信号时延进行调节.
对800 km实验室光纤链路中各个远程端的色散时延误差进行了测量, 并结合(1)式计算出了各段光纤链路的平均色散系数, 测量结果如表2所列, 其中各段的时延偏差如第2和第6列所列, 光纤色散系数如第3列与第7列所列. 从表中可以看出, 每段光纤的色散系数都不相同, 这可能是由于每个光纤盘的材质存在差异. 实验上将各段链路的光纤色散系数及距离进行编号, 并输入到本地端设备中, 系统会自动计算出各段光纤链路的色散时延误差. 在开启系统的色散时延自动补偿功能时, 本地端设备根据编写好的地址呼叫各个远程端设备, 并将各段光纤链路产生的色散时延差发送给远程端, 通过时延相位补偿器进行补偿. 各个远程端的1PPS时间信号与本地端1PPS时间信号之间的时差测量结果如表2中第4列与第8列所列. 从表中可以看出, 在开启远程端设备的色散时延自动补偿功能后, 各个远程端的时间传输误差优于20 ps, 这表明所研制设备的色散误差补偿精度基本不受光纤距离的影响, 同时也具有一定的可靠性. 在标称800 km的实验室光纤链路上, 测得光纤的色散系数为13.36 ps/(km·ns).

距离/km	偏差/ps	色散系数/(ps·km–1·ns–1)	校准后/ps		距离/km	偏差/ps	色散系数/(ps·km–1·ns–1)	校准后/ps
50	267	13.45	19		450	2428	13.59	16
100	530	13.35	–5		500	2683	13.52	–19
150	799	13.41	–10		550	2946	13.49	–9
200	1070	13.47	15		600	3206	13.46	17
250	1341	13.53	–12		650	3466	13.43	18
300	1613	13.54	–14		700	3715	13.37	13
350	1891	13.61	–17		750	3996	13.42	16
400	2171	13.67	11		800	4243	13.36	10

表2800 km实验室光纤链路的详细参数
Table2.Detailed parameters of 800 km fiber link in the laboratory.

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3.3.实验室光纤时间同步测试验证

为了验证双波长色散误差补偿方案的可行性, 首先利用自行研制的时间同步设备在实验室光纤链路上进行了时间同步的稳定度测试. 该实验室光纤链路由16盘标准的50 km光纤盘、16个远程端以及15个中继组成, 以满足实地光纤链路的测试模型. 该光纤测试链路的结构如图3所示, 将各个设备之间的光纤跳线改为50 km的标准光纤盘. 将1台本地端设备、15台中继设备、16台远程端设备以及测量设备放置在同一个地点, 便于对本地端的输入信号与各个远程端的输出信号进行精确比对测量.
当整个实验测试系统正常工作时, 将远程端16个输出的1PPS信号与本地端的1PPS信号输入到时差测量设备(SR620)中进行比对, 测量结果如图4(a)中黑色曲线所示, 其峰峰值约为50 ps, 通过计算得到其标准差值为5.7 ps, 其中蓝色曲线表示采用1 m光纤跳线时, 整个光纤时间同步链路的噪声极限. 将采集到的时差数据经过处理, 得到的时间同步传输稳定度如图4(b)中红色曲线所示, 分别为4.9 ps@1 s和1.12 ps@10⁵ s. 整个光纤链路的时间信号传输稳定度极限如图4(b)中蓝色曲线所示, 分别为4.0 ps@1 s和0.083 ps@10⁵ s. 从图4(b)中可以看出, 在1000 s以内, 该光纤链路的时间传输稳定度较为接近链路噪底. 在1000 s以上, 由于实验室环境温度变化的影响, 各个站点的设备时延和激光波长产生漂移, 从而导致长期稳定度出现了一定程度的恶化. 由于实验室空调温度变化的周期约为16 min, 因此导致系统的噪底在1000 s附近变差.
图 4 实验室光纤链路的时间同步测量结果　(a)光纤链路的时差测量结果(蓝色曲线: 系统噪底. 黑色曲线: 800 km实验室光纤链路); (b)光纤链路的时间同步稳定度测量结果(蓝色曲线: 系统噪底; 红色曲线: 800 km实验室光纤链路)
Figure4. 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).

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3.4.1085 km实地光纤时间同步测试

为了验证自行研制的时间同步设备在实际应用中的可靠性, 利用千公里级实地光纤链路实现了ps量级的时间同步传递研究, 该链路的地理位置分布如图5所示. 以中科院国家授时中心临潼园区为光纤链路的始发站, 途径一长、涝峪、筒车湾、洋县、汉中、勉县、宁强7个站点, 最后整个光纤链路又返回到国家授时中心临潼园区, 其中勉县和宁强两个站点之间利用四根光纤进行了两次往返传输. 在国家授时中心临潼园区放置一台光纤时间同步本地端设备和一台远程端设备, 其余各个站点分别放置一台远程端设备和一台中继设备. 利用光时域反射计(OTDR)对实地光纤链路的长度和衰减情况进行了分段测试, 测试结果如表3所列. 经统计, 光纤链路全程为1085 km, 总衰减为287.5 dB. 实验测试前, 通过环回测试得到整段链路的平均色散系数为16.67 ps/(km·ns), 引入的色散误差为7180 ps, 修正后的色散误差优于60 ps.
图 5 实地光纤链路地理位置
Figure5. Geographical distribution of the field fiber link.

编号	站点	距离/km	衰减/dB
1	临潼	0	0
2	二长	41.69	12
3	捞浴	72.75	21
4	筒车湾	81.90	21
5	洋县	76.50	19
6	汉中	60.48	16
7	勉县	60.55	16
8	宁强	73.20	19
9	勉县	73.20	19
10	宁强	74.32	19
11	勉县	74.32	19
12	汉中	60.55	16
13	洋县	60.48	16
14	筒车湾	76.50	19
15	捞浴	81.90	21
16	一长	72.75	21
17	临潼	41.69	12
总计		1085	287.5

表31085 km实地光纤链路各个站点的详细参数
Table3.Detailed parameters of the individual sites in the 1085 km field fiber link.

以自行研制的工程样机在往返约1085 km的实地光纤链路上实现了光纤时间同步传输测试. 将位于国家授时中心的远程端1PPS时间信号与本地端1 PPS时间信号输入到时差测量设备(SR620)中进行比对, 测量结果如图6(a)所示, 其中黑色曲线表示光纤链路自由运转时的时差测量结果, 蓝色曲线表示的是光纤链路补偿后的时差测量结果. 从图6(a)中可以看出, 当光纤链路自由运转时, 时差峰峰值达到了160 ns, 时差变化的标准差为47 ns. 当对光纤链路补偿后, 时差峰峰值为170 ps, 时差变化标准差为18 ps. 从测量结果可以明显地看出, 在链路自由运转和锁定时, 链路中的时差测量结果呈现出24 h周期性变化, 这主要是由于昼夜环境温度变化导致光纤链路长度发生改变而引起的. 光纤链路补偿后的时间同步传输测量结果如图6(b)所示, 其时间传输稳定度为9.2 ps@1 s和5.4 ps@4 × 10⁴ s. 由于外界环境的干扰以及系统控制带宽的限制, 使1085 km实地光纤链路的短期传输稳定度相对于实验室800 km光纤链路发生恶化. 同时, 由于昼夜环境温度变化以及各个站点之间温度变化的差异, 从而对光纤链路的长期传输稳定度产生影响.
图 6 1085 km实地光纤链路的时间同步测量结果　(a)光纤链路的时差测量结果(黑色曲线: 自由运转链路, 蓝色曲线: 补偿后的链路); (b)补偿后链路的时间同步稳定度测量结果
Figure6. 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.

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3.5.时间同步不确定度分析

本文对双波长光纤时间同步系统各个部分的不确定进行了分析和估算, 根据(5)式可得到系统的合成标准不确定$ {U}_{\mathrm{c}} $为

${U}_{\mathrm{c}}=\sqrt{{{u}_{\mathrm{D}\mathrm{T}}^{2}}+{{u}_{\mathrm{T}\mathrm{I}\mathrm{M}}^{2}}+{{u}_{\Delta \lambda }^{2}} +{{u}_{{D}_{\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{r}}}^{2}}+{{u}_{\Delta D}^{2}}}, $

其中, $ {u}_{\mathrm{D}\mathrm{T}} $为本地端和远程端设备时延温漂, 实验测得每台设备的漂移约为3 ps/℃, 实验室温度变化峰峰值约2 ℃, 各个站点机房内部温度变化的峰峰值约4 ℃. 在800 km实验室光纤测试中, 设备时延温漂引入的不确定度约为6 ps. 在1085 km的实地光纤测试中, 设备时延温漂引入的不确定度约为12 ps; $ {u}_{\mathrm{T}\mathrm{I}\mathrm{M}} $为时差测量误差, 表示本地端和远程端在双向比对过程中时差测量模块引入的误差, 不确定度约为10 ps; $ {u}_{\Delta \lambda } $为激光器波长变化引起的光纤色散误差(0.5D·L), 经过对激光器进行温度控制, 各个站点的激光器输出波长随环境温度变化小于0.1 pm/℃. 按照实验室和不同机房之间的昼夜温差变化约为15 ℃计算, 激光器波长单向的累计变化约为1.5 pm. 对于800 km实验室光纤, 其光纤色散系数约为13.36 ps/(km·ns), 则由激光器波长变化引入的不确定度约为8.0 ps. 对于1085 km的实地光纤链路, 其色散系数取16.67 ps/(km·ns), 激光器波长变化引入的不确定度约为13.8 ps; $ {u}_{{D}_{\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{r}}} $为光纤链路色散系数测量引起的误差(0.5$ {D}_{\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{r}}\cdot \Delta \lambda L $), $ {D}_{\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{r}} $为光纤色散系数测量误差, $ \Delta \lambda $为双向激光波长的差值. 实验上采用调制相移法对光纤的色散系数进行测量, 对于800 km的实验室光纤, 可逐段进行测量, 测得其精度约为0.037 ps/(km·ns), 所以光纤色散系数引起的误差约为9.6 ps. 对于1085 km实地光纤链路, 由于每段光纤链路的两端不在同一个地点, 采用调制相移法测量难以逐段精确测量. 只能将链路上的两芯光纤进行环回测量, 测量出两芯光纤的平均色散系数, 其测量结果约为0.13 ps/(km·ns), 计算得到光纤色散系数引起的误差约为56.7 ps; $ {u}_{\Delta D} $为光纤色散参数随温度变化引入的误差, 光纤色散系数随温度变化约为4.5 × 10^–3 ps·(nm·km·℃)^–1, 实验室温度变化的峰峰值按2 ℃计算, 在800 km的实验室光纤测试中, 光纤色散系数变化引起的误差约为2.9 ps. 实地光纤链路的昼夜温度变化约为20 ℃, 在1085 km实地光纤测试中, 光纤色散系数引起的误差约为19.5 ps. 光纤时间同步测试系统中各部分的不确定度估算结果如表4所示, 通过(5)式可得到800 km实验室光纤链路的时间同步不确定度约为18.4 ps, 1085 km实地光纤链路的时间同步不确定度约为63.5 ps.

误差源	误差估计值/ps
	800 km 实验室光纤	1085 km 实地光纤
本地端和远程端设 备时延温漂/$ {u}_{\mathrm{D}\mathrm{T}} $	6.0	12.0
时差测量的误差/$ {u}_{\mathrm{T}\mathrm{I}\mathrm{M}} $	10.0	10.0
激光器波长误差/$ {u}_{?\lambda } $	8.0	13.6
光纤色散系数测量 误差/${ {u}_{D} }_{{\rm{err}}}$	11.5	56.8
光纤色散系数温度 漂移/$ {u}_{\Delta D} $	2.9	19.5
总不确定度	18.4	63.5

表4光纤时间传递不确定度分析
Table4.The uncertainty analysis of the fiber synchronized timing signal.

本方案采用的是双波长光纤时间同步, 当光纤链路中接入的站点增加时, 将使得上行光与下行光波长的差异逐渐增加, 从而导致光纤色散对时间同步的稳定度及不确定度影响较为明显. 为了提高光纤时间同步系统的长期稳定度, 下一步将通过对激光器的控温进行改进, 进一步提高上行光的波长与下行光的波长稳定性, 以减小色散对光纤时间同步链路的影响. 同时, 对本地端设备及远程端设备的温控进行改进, 以减小温度变化对设备中的光路不对称产生影响.

为了减小后向反射光与光纤色散对光纤时间同步传输精度的影响, 本文在双波长光纤时间同步传输方法之上, 提出了一种具有色散误差修正功能的双波长光纤时间同步传输方法. 基于该方法自行研制了用于光纤时间同步传输的设备, 并在800 km的实验室光纤链路与1085 km的实地光纤链路上进行了实验测试, 时间同步传输稳定度达到了ps量级, 优于其他相关报道, 也是国内首次实现千公里级实地光纤时间同步传输. 首先, 通过对各个站点的设备进行误差修正, 使设备产生的时延误差优于15 ps. 以光纤色散系数13.36ps/(km·ns)和16.67 ps/(km·ns)分别对800 km的实验室光纤链路和1085 km的实地光纤进行了色散补偿, 补偿后的色散时延误差为10ps 和60 ps. 其次, 利用自行研制的工程样机在800 km的实验室光纤链路上进行了实验测试, 测得时间同步传输的标准差为5.7 ps, 稳定度为1.12 ps@10⁵s, 不确定度为18.4 ps. 在1085 km的实地光纤链路上, 测得时间同步传输的标准差为18 ps, 稳定度为5.4 ps@4 × 10⁴ s, 不确定度为63.5 ps. 最后, 对该光纤时间同步传输系统中的主要影响因素进行了分析, 并提出了相应的解决方案. 在本文提出的光纤时间同步传输方法的基础上, 下一步将结合多站点同步方法进行更高精度的长距离多站点时间同步传输研究, 为全国网络化的光纤时间同步传输研究奠定基础.