基于210km实地通信链路的高稳定性光学频率信号传递

利用西安和咸阳之间的电信省级骨干光纤网构建了210km的光学频率信号传递测试链路,链路损耗为0.23dB/km。实验中采用可搬运、基于光纤干涉仪、线宽约为200 Hz的激光器作为光源,利用两台低噪声双向掺铒光纤放大器(EDFA)补偿光纤链路损耗和增加光信号的传输距离,放大器平均增益控制在15dB左右,以防止激射。通过测量和分析不同情况下光纤链路的附加相位噪声,可观测到铁路震动引起的规律性干扰。当噪声抑制系统在锁定状态时,链路的相位噪声被抑制了23dB,在剔除铁路干扰时段数据后,获得的210km实地通信链路的秒级频率稳定度达到了1.51×10-14,万秒频率稳定度达到了5×10-17。利用210km通信链路进行了光学频率信号的远程传递测试,分析了限制频率稳定度的主要影响因素,并针对现行光纤布设方式提出了补充要求。该研究为基于通信链路的高精度光学频率信号的传递与比对提供理论支撑。     

基于100km光纤链路的时间和频率同时传递

提出了一种基于光纤的时间和频率同时传递方案。采用基于温控光纤延迟线和压电陶瓷(PZT)光纤延迟线的光学相位噪声补偿技术实现高稳定的频率传递。同时,通过波分复用技术在稳定的光纤链路上进行基于时分复用的高精度同纤同波双向时间传递。在100 km的光纤链路上进行了时间和频率同时传递实验,光纤频率传递链路的秒稳定度和天稳定度分别达到5.25×10-14和1.9×10-17;双向时间比对在1 s处的时间传递秒稳定度优于40ps,在平均时间1000 s处优于1.5 ps。时间差抖动的峰-峰值和标准差分别小于400 ps和45 ps。     

基于光纤的光学频率传递研究

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.     

基于单光子探测的高精度长距离光纤双向时间比对

在长距离光纤时间传递链路中,为了避免使用中继放大导致双向传输时延不对称以及引入附加的噪声,提出一种基于单光子探测的长距离光纤时间传递方案。将经过主端（从端） 1 pulse/s时间信号控制的激光脉冲序列作为发送信号,利用从端（主端）具有极高探测灵敏度的单光子探测器接收到达信号,并基于双向时分复用同纤同波时间比对方案得到双向光纤链路传输时延变化,进而根据时间相关单光子计数和高斯拟合的数据处理方式得到两端之间钟差的时间稳定度。为了实现单光子探测器在门控模式下对长距离光纤实验系统的长期测试,设计并实现了外部触发门控工作方式下动态调整的触发控制系统。通过利用光纤链路传输时延变化量,实现对门控触发信号的控制。350 km单模光纤和对应长度的色散补偿光纤（链路总损耗约为100 dB）的时间传递系统实验结果表明,时间传递稳定度优于1.5 ps@1 s和0.4 ps@8192 s。所提方法为长距离高精度光纤时间传递提供了一种有效的解决方案。     

基于光学-微波同步的低噪声微波产生方法

低噪声微波在冷原子光钟、光子雷达、大科学装置远程同步等领域具有重要的应用价值.本文介绍了一种基于光学-微波相位探测技术的低噪声微波产生方案,利用光纤环路光学-微波鉴相器,将超稳激光的频率稳定度相干传递至介质振荡器.实验采用梳齿相位参考至超稳激光的窄线宽掺铒光纤飞秒光学频率梳,结合光纤环路光学-微波鉴相器和精密锁相装置,将7 GHz介质振荡器同步至光频梳重复频率的高次谐波,同步后的光脉冲序列与微波信号的剩余相位噪声为–100 d Bc/Hz@1 Hz,定时抖动为8.6 fs [1 Hz—1.5 MHz];通过搭建两套低噪声微波产生系统,测得7 GHz微波的剩余相位噪声为–90 d Bc/Hz@1 Hz,对应的频率稳定度为4.8×10^–15@1 s.该研究结果对基于光学相干分频的低噪声微波产生提供了一种新思路.     

基于长周期光纤光栅滤波器的掺铒光纤放大器理论和实验研究

从理论和实验上研究了带有高频二氧化碳激光写入的低成本长周期光纤光栅（LPFG）掺铒光纤放大器（EDFA）.结果表明,单波长和多波长EDFA的性能都可以通过在掺铒光纤（EDF）中插入长周期光纤光栅用作自发辐射噪声（ASE）滤波器或增益平坦器来提高性能.优化设计了带LPFG噪声滤波器的线放EDFA,与没有LPFG噪声滤波器相比,线放的噪声和小信号增益分别被减小和提高了约0.5 dB和7 dB。通过在多波长EDFA的EDF中插入一个LPFG增益平坦滤波器的方法,获得了1.5 dB的增益平坦度,与没有LPFG平坦器相比,EDFA的噪声被减小了0.1 dB,增益被提高了1 dB.     

基于光学时延补偿的50 km光纤微波频率传递

报道了利用50 km光纤实现4.38×10~(-15)@1 s和2.80×10~(-18)@65.5×10~3s稳定度的微波频率传递的实验研究.实验系统采用多普勒噪声消除技术,通过在本地端探测往返传递的微波信号相位获得链路上的相位变化信息,并实时控制光延迟调整机构进行补偿.光延迟控制采用压电陶瓷的快速拉伸和慢速光纤温控联合方式,可实现5 ns和千赫兹带宽的光延迟控制,能够实现光纤噪声的长期高精度补偿.与电相位补偿相比,光延迟补偿受微波泄露的影响相对较小,而微波泄露影响在类似系统难以避免,因此这种方式更利于获得高稳定度的频率传递.此外,系统采用变频往返传递消除光寄生反射效应,以及色散补偿光纤减小因色散引起的调制信号衰减等措施,提高了系统的技术指标.     

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.     

用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用

通信波段窄线宽激光器在基于光纤的光学频率传递中有着重要应用. 本文报道了1550 nm超窄线宽光纤激光器的研制及其在光学频率传递中的初步应用结果. 利用一台激光光源, 分别锁定到两个参考腔上(精细度分别为344000和296000), 锁定后经拍频比对测得单台激光线宽优于1.9 Hz, 秒级频率稳定度为1.7×10^-14, 优于国内同类报道. 将研制的超窄线宽激光器用于光纤光学频率传递, 在50 km光纤盘上实现了 7.5×10^-17/s的传递稳定度, 较采用商用光纤激光器提高了3.2倍.     

200 km沙漠链路高精度光纤时频传递关键技术研究

针对沙漠环境实地链路存在的温度变化大、室外风力、地表振动等多种复杂噪声来源,通过对系统反馈补偿带宽、反馈补偿强度、光功率等时频传递系统关键参数的优化配置,研究了不同反馈补偿参数下复杂链路噪声的有效抑制技术.全链路的频率传递稳定度8×10~(-14)@1s,1×10~(-16)@1000 s,千秒尺度下时间信号传递的时间方差仅为1.2 ps.实现了氢钟信号在200 km量级沙漠环境实地链路的无损传输.该验证实验在基于短基线干涉测量的卫星测轨系统中发挥了重要作用.     

智能化掺铒光纤放大器

介绍一种智能化的掺铒光纤放大器(EDFA)技术.基于掺铒光纤的光放大特性与EDFA内外部工作参量(如构成EDFA的元器件参量、泵浦激光参量、输入/输出光信号参量等)的关系,采用智能化处理技术使EDFA能按照外界条件,自动地调整自身工作状态,使之符合应用系统的需要.智能化掺铒光纤放大技术可以使EDFA的应用更灵活,既可用作前置放大,也可用作功率放大或线路放大,同时还带来一些新的特点和优越性能.实验制作的智能化EDFA可以在输入信号小到-40dBm或大到+10dBm即约50dB的宽动态范围内正常工作.     

长波段掺铒光纤放大器用掺铒光纤的设计考虑

本文分析了长波段掺铒光纤放大器(EDFA)的增益系数与Er³⁺离子浓度的关系.研制了铝共掺杂的高浓度掺铒光纤,以缩短长波段掺铒光纤的长度.用两级泵浦实现了L-波段EDFA.光纤放大器的掺铒光纤总长18m,在1570nm波长处的小信号增益为42.26dB,输出功率为17.5dBm.我们认为,较低的浓度淬灭效应归因于光纤中较高的A1掺杂浓度.当总的输入信号功率为-3dBm时,在1570至1600nm间的7路WDM信号的增益不平坦度仅为0.68dB..     

高掺杂碲基EDFA增益噪声特性的数值模拟

采用四能级理论模型对高掺杂碲基EDFA进行了数值模拟,得出C波段和L波段EDFA的主要增益和噪声系数特性,C+L波段同时放大时,20 dB增益带宽达到85 nm.同时分析了铒离子高掺杂带来的上转换效应对放大增益和噪声性能的影响程度,C波段为4％,L波段为10％,当增大泵浦光功率时,影响程度会更小,采用两段级双向泵浦结构放大时影响仅为0.1％.     

带光隔离器的掺铒光纤放大器性能分析

本文通过速率方程对带光隔离器的掺铒光纤放大器(EDFA)的性能进行了理论分析.由于光隔离器有效地抑制了反向传输的放大自发幅射(ASE),从而改善了掺铒光纤放大器的增益、噪音系数和输出功率等性能,分析结果表明光隔离器加在最佳位置时,可使小信号增益提高约5dB,噪音系数降低约1.6dB.     

差分相移键控和开关键控信号的混合传输实验

实验完成了42.8 Gb/s差分相移键控(DPSK)信号和9.95 Gb/s开关键控(OOK)信号的混合传输。光纤链路总长410 km,由四个放大段组成。每个放大段由标准单模光纤(SSMF)和色散补偿光纤(DCF)构成,采用掺铒光纤放大器/分布式拉曼放大器(EDFA/DRA)混合放大,42.8 Gb/s DPSK信号采用单端检测。给出了差分相移键控信号与开关键控信号分别在单路和混合传输410 km后的眼图光谱图以及误码率曲线。     

基于微波相位补偿的56 km高精度光纤微波频率传递

报道了实验室内56 km光纤微波频率传递的实验研究,在56 km的传递距离上实现了1.8×10^-15/s,4×10^-18/10⁴s的传递稳定度。系统通过环回法比较往返传递的微波信号相位获得链路上的相位扰动量,并实时控制本地发射端的微波发射信号相位实现预补偿。在环回往返传递的不同方向上,系统方案采用不同频率的微波调制信号,这种方法极大避免了光寄生反射效应的影响,同时利用色散补偿光纤改善探测信号相噪等措施,提高了系统的传递稳定度。     

长距离多站点高精度光纤时间同步

为了保证长距离多站点间的高精度时间同步,在利用双向时间比对法实现高精度长距离时间同步的基础上,提出了一种利用一个波长信道同时对1 PPS(pluse per second)信号、时码信号以及10 MHz信号进行传递,并使用时分多址和净化再生的方式实现多站点高精度光纤时间同步的方法.以自行研制的工程样机在长度约550 km的实验室光纤链路以及871.6 km的实地光纤链路上进行了实验验证.在实验室光纤链路上,同时在50,300,550 km处测量得到的时间同步标准差分别为16.7,16.8,18.4 ps,时间稳定度分别为1.78 ps@1000 s,2.09 ps@1000 s,2.92 ps@1000 s.在实地光纤链路上,实现了光纤链路沿途11个站点的时间同步,测得871.6 km传递链路的时间同步标准差为29.8 ps,时间稳定度为3.85 ps@1000 s,不确定度为25.4 ps.     

L-Band掺铒光纤放大器的优化设计

提出了泵浦分配两段级联,并利用前向ASE推动下一级EDF工作的L-Band放大器的新结构.基于Giles模型并考虑了ASE噪声的影响,运用数值模拟算法系统分析了泵浦光功率分配和铒光纤分配比例对这种EDFA性能的影响.最后优化得到高增益且增益谱平坦的L-Band EDFA,其在输入信号光功率为-20 dBm时,在1571～1608 nm范围内,增益值高达35 dB,增益偏差小于1 dB.     

低噪声、高增益的L -band EDFA的实验研究

针对传统的L-band EDFA的工作效率低,提出了一种基于单根光纤光栅、泵浦分配、两段级联的EDFA的新结构,其中的光纤光栅用来反射无用的后向C-band ASE.系统地研究了泵浦比例和光纤光栅波长对增益噪声指数的影响关系.最后经实验验证,得到了低噪声、高增益的L-band的EDFA.其在输入信号光（1570 nm）功率为-30 dBm及泵浦功率为70 mW时,增益为22.26 dB,增益噪声指数为4.96 dB.     

基于相位波动远端补偿的微波频率光纤传递新方法

为研究微波信号光纤传递的性能,提出了一种对相位波动在远端进行抵消补偿的微波信号光纤传递新方法。该方法利用法拉第旋转镜将远端返回的光信号再次返射至远端,对光纤链路因温度、压力变化引入的相位波动通过远端的倍频混频电路进行抵消补偿。理论仿真与验证实验证实了该方法的有效性。在微波调制频率为1GHz,光纤链路长度为25.2km的实验中,频率传递的稳定度损失为2×10-12 s-1和6×10-17 d-1。此方法优化了本地端的结构,本地端不需要光电光转换,无需设计相位信息的精确测量与实时补偿系统,且光纤链路引入的相位扰动对长期稳定度的影响可以降低约三个数量级。