光纖時頻傳遞鏈路光程補償控制方法研究

肖慶雯 楊宏雷 胡 鋼 趙 環 張升康 葛 軍

(1.計量與校準技術重點實驗室，北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.電子科技大學 信息與通信工程學院，四川成都 611731)

1 引 言

高精度時間頻率傳遞在時間頻率計量、導航定位、前沿科學探索等領域發揮著重要作用[1-4]。時間頻率傳遞已往采用衛星無線電傳遞方式，同步精度為納秒到皮秒量級[5,6]。隨著光學原子鐘技術的不斷發展，其穩定度已達到10-18量級[7,8]。然而，基于無線衛星鏈路的傳遞方式難以完全滿足這類新型高精度、高穩定度時頻基準的傳遞要求。鑒于近幾十年來光纖通信網絡基礎設施的大規模建設，以及光纖低損耗、抗干擾能力強的特性，利用商用光纖傳輸網絡進行光學時頻基準遠程傳遞將是未來時頻傳遞主要技術手段[9-12]。

目前，光纖時頻傳遞技術主要有三種實現方式：光載射頻時頻傳遞[2]、光頻信號時頻傳遞[9,10]以及光梳信號時頻傳遞[4,13]。光載射頻傳遞技術以傳輸的時頻信號作為調制信號，對連續激光載波進行調制，可滿足銫原子鐘、氫原子鐘等低成本頻率基準傳遞要求；光頻信號時頻傳遞通過光纖直接傳遞光學頻率信號，主要用于光學原子鐘的高精度比對；光梳信號時頻傳遞技術以飛秒光梳信號作為傳遞信號，光梳信號在時頻域內具有等間隔特性，可以鎖定在微波頻率標準或光學頻率標準上[14]，成為了X射線自由電子激光器等[4]國家大科學裝置中的主要時頻傳遞手段。

光學時頻信號在光纖鏈路中不可避免地會疊加環境引入的相位抖動噪聲，為保證時頻傳遞穩定度，須要對其進行精密的補償控制。光纖時頻傳遞通常采用往返傳輸鑒相補償方案，通過對比遠端回傳信號與本地參考信號的相位，提取二者的相位誤差信息，利用光學信號相位共軛補償方式或光程主動控制方式對光纖鏈路的相位抖動噪聲進行補償。這兩種控制方式均建立在光纖鏈路噪聲變化相對光學信號傳遞過程可忽略不計的前提下。在光學信號相位共軛補償方案中，本地信號與回傳信號混頻后獲得光纖鏈路噪聲的相位共軛補償信號，并將其施加于傳遞光學信號，完成相位抖動噪聲預補償；在傳輸過程中，光學信號疊加光纖鏈路相位噪聲后，從而使傳遞至遠端的光學時頻信號與本地端達到相位同步。由于頻率信號調頻或調相可以很容易實現，此方法主要應用于光纖鏈路激光頻率相干傳遞，并且獲得了顯著的進展[11,12]。在光程主動控制方案中，反饋控制作用于光纖鏈路光程，通過實時改變光纖鏈路長度，達到減弱光纖鏈路相位噪聲影響的目的。這種方案被廣泛應用于時間信號傳遞領域，主要是由于在傳遞時間信號時，本地光學時鐘信號須要保持精密穩定，采用類似上述改變時間信號相位的方式是不可行的。隨著各種應用場景對時間信號同步精度要求的不斷提高，時間信號精密傳遞相關的技術有待進一步發展和完善。

2 光纖時頻傳遞與延遲補償理論

2.1 往返傳輸補償原理

實驗基于光程控制的延遲補償方法，原理如圖1所示。本地光學時鐘信號經過延遲線、光纖鏈路傳遞至遠端，再由遠端反射回本地。被反射的信號受光纖鏈路影響產生相位抖動，并與本地時鐘參考同時輸入至鑒相器內進行相位誤差探測。反饋控制模塊根據相位誤差信號進行負反饋運算，輸出驅動信號實時反饋控制延遲線。

圖1 時頻信號往返傳輸補償原理框圖

主動補償控制過程中的信號相位關系分析如下[15]：設光學時鐘信號的初相位為φ0，延遲線的相位補償量為φc，往返傳輸時光纖鏈路引入的相位抖動分別為φp1和φp2，則遠端接收信號的相位φr為

φr=φ0+φc+φp1

(1)

由于光纖中光信號的傳播速度遠遠大于光纖引入的相位抖動的速度，因此可以認為光纖在往返傳輸時所引入相同的相位抖動，即φp1=φp2=φp。

到達本地的反射信號相位φr1為

φr1=φ0+2(φc+φp)

(2)

鑒相器對比光學時鐘信號與回傳信號的相位，提取的相位差Δφ表示為

Δφ=φr1-φ0=2(φc+φp)

(3)

因此，得到鑒相器的補償條件為

φc+φp=0

(4)

反饋控制模塊根據上述補償條件，實時改變延遲線的相位補償量φc，減小光學時鐘信號與回傳信號的相位差，實現鏈路延遲實時補償。

2.2 光纖鏈路相位噪聲理論分析

光學時鐘信號在光纖中傳輸時的相位與其經過的光程有關，可表示為

(5)

式中：L——光纖長度；n——光纖折射率；c——光速；ν——傳輸頻率。

造成相位抖動的主要原因是溫度影響下光纖長度及折射率改變所導致的相位變化。用式(5)對溫度T求導，得到相位抖動表達式為

(6)

其中，第一項為光纖長度變化產生的相位抖動，dL/dT為光纖熱膨脹系數。第二項為光纖折射率變化產生的相位抖動。由于光纖折射率受溫度的影響相對較小，相較第一項可忽略。因此，大體上可通過改變光纖傳輸路徑長度，進而改變所經光程，以實現鏈路中相位抖動的綜合補償。

3 基于光程控制的延遲補償方法

依據上述補償原理，在實驗室條件下，利用～11km的光纖盤進行光纖鏈路光程控制延遲補償實驗，實驗系統如圖2所示。系統分為本地時鐘參考鎖定及光纖鏈路延遲補償兩部分。在本地時鐘參考鎖定部分中，鎖模激光器輸出兩路中心波長為1 550nm，重復頻率為250MHz的飛秒激光脈沖。其中，一路飛秒激光脈沖將作為參考信號用于本地時鐘參考鎖定，另一路作為傳遞信號，用于完成時頻信號的遠程傳遞。飛秒激光脈沖直接入射至本地光學-微波鑒相器1，同時，本地時鐘參考輸出7.5GHz微波信號至光學-微波鑒相器1的微波調制端口。鑒相器1根據飛秒激光脈沖與微波信號之間的相位差[13]，輸出誤差電壓信號至伺服控制器1。伺服控制器1對輸入的誤差電壓信號進行比例、積分和微分運算，輸出反饋控制電壓信號至鎖模激光器以調節飛秒激光脈沖的重復頻率。

圖2 基于光程控制的延遲補償系統框圖

在光纖鏈路延遲補償中，飛秒激光脈沖先經過一個帶寬為0.8nm的光纖帶通濾波器，通過限制脈沖激光光譜帶寬，減弱長距離光纖色散特性引入的飛秒脈沖展寬效應，可保證后端光學-微波鑒相器2的鑒相精度。隨后窄帶激光脈沖經過摻鉺光纖放大器，使得激光脈沖獲得功率放大。功率放大后的激光脈沖依次經過光學環形器、壓電式光纖拉伸器、電動光學延遲線進入長距離光纖鏈路中。在實驗中，為進一步減小光纖色散特性對窄帶激光脈沖的時域展寬效應，長距離光纖鏈路采用～10km單模光纖串聯～1 100m色散補償光纖配置，大體完成色散補償。在遠端，窄帶脈沖激光經雙向摻鉺光纖放大器完成功率補償后，輸入至光纖反射鏡，其中，90%的窄帶脈沖激光透射后作為遠端激光復現信號；剩余10%的激光被反射，經光纖鏈路回傳至本地端。回傳窄帶激光信號經光學環形器送入光學-微波鑒相器2。由于激光信號經光纖鏈路往返傳輸后，受鏈路噪聲影響產生了脈沖時域相位抖動。光學-微波鑒相器2將回傳激光信號與本地時鐘參考信號進行鑒相，獲得二者的相位誤差。伺服控制器2根據誤差電壓信號進行比例、積分和微分運算，輸出反饋控制電壓信號。此信號被分為兩路，一路經高壓放大器驅動壓電式光纖拉伸器，完成光纖鏈路長度的快速反饋；另一路輸入至數據采集卡，采集到的電壓數據上傳至計算機。計算機通過LabVIEW軟件控制平臺調節電動光學延遲線。通過上述壓電式光纖拉伸快速反饋及電動光學延遲線慢反饋復合控制方式，不僅可以實現光纖鏈路相位噪聲的快速抑制，而且可以保證光纖鏈路長度的長期穩定，增強系統的魯棒性。

基于LabVIEW的電動光學延遲線控制程序如圖3所示。程序實現功能可分為模塊初始化與實時控制循環。模塊初始化在每次光學延遲線啟動時，用于延遲線絕對補償量清零。由于延遲線最大可調延遲量為560ps，將相對延遲位置設置為280ps處，使延遲范圍在正負方向上保持相等，可提升系統應對延遲沖擊的能力，并最大限度的利用延遲調節范圍。在實時控制循環中，采用LabVIEW DAQ方式對伺服控制器2的輸出電壓信號進行實時離散化采集。采樣位數為16位，采樣率為10kS/s。通過判斷電壓均值所處設定的電壓范圍，判別電動光學延遲線的調整方向。由于伺服控制器2的輸出電壓處于(-5～+5)V之間，程序中設定電壓范圍(-5～-2.5)V和(+2.5～+5)V，電動光學延遲線的延遲調整方向相反。電壓范圍(-2.5～+2.5)V對應電動光學延遲線保持不變。隨后，根據電動光學延遲線的控制指令格式，利用LabVIEW VISA功能庫，通過計算機RS232串口將調整控制命令下發至電動光學延遲線的驅動器，電動光學延遲線的延遲調節分辨率可達0.001ps。在執行鏈路延遲補償循環的同時，對數據采集卡采集的電平峰峰值進行監控，通過監測控制電壓狀態變化，判斷整個系統運行狀態。

圖3 光纖鏈路光程控制LabVIEW控制程序圖

4 實驗測試

光纖鏈路光程延遲補償系統性能測試如圖4所示。在2.5h內，誤差信號電壓平均值始終保持在0V附近，證明光纖鏈路延遲量變化被實時控制補償。時間延遲補償通過電動光學延遲線的主動調節來完成，通過補償量往復變化曲線可反映出光纖鏈路所處環境的溫度變化。通過調節電動延遲線，標定出誤差電壓變化與時延變化的線性關系，以此利用鎖定后的誤差電壓值計算出時延變化，再對時延變化量作穩定度分析。在11km光纖時頻傳遞鏈路中，環內時間延遲補償穩定度達到1.55fs/s與0.12fs/1 000s，頻率穩定度達到3.06×10-15/s與1.99×10-19/1 000s，如圖5所示。

圖4 光程延遲補償系統實時控制測試結果圖

圖5 時延補償系統環內穩定度測試結果圖

5 結束語

本文設計實現了基于光程控制延遲補償原理的光纖鏈路飛秒激光時頻傳遞延遲補償系統。采用光纖環路光學-微波鑒相器，提取經往復傳播的飛秒激光脈沖與本地微波信號源的相位誤差，有效避免了直接光電轉換探測引入的附加光電噪聲，提高了相位誤差探測精度；并以此相位誤差信號為輸入信號，在LabVIEW環境下控制鏈路中的電動光學延遲線，對光纖鏈路延遲抖動進行自動實時補償。11km光纖時頻傳遞鏈路實驗結果表明，環內時間延遲補償穩定度達到1.55fs/s，0.12fs/1 000s，頻率穩定度達到3.06×10-15/s，1.99×10-19/1 000s。