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.     

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。     

用于长距离光学频率传递链路的双向掺铒光纤放大器的优化设计

光纤链路中高精度光学频率传递对光钟比对有重要意义,双向掺铒光纤放大器(EDFA)有助于在长距离光学频率传递中对信号进行损耗补偿和高精度传输。基于铒粒子受激放大的基本原理,设计了可用于光纤光学频率传递链路中的低噪声、高增益双向EDFA,并对其参数进行了仿真优化。实验结果表明,该双向EDFA的噪声指数为3.86dB,增益为20.14dB,引入的相位噪声在频率为1Hz处仅为0.1rad2/Hz。将该双向EDFA作为放大补偿器件应用于200km光纤光学频率传递链路中,获得了3.8×10-16/s的秒级频率稳定度及2.8×10-19/(104 s)的万秒级频率稳定度,在频率信号传递和光钟比对领域有着广阔的应用前景。     

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。     

频率串扰对光纤频标传递性能的影响

在高精度光纤频标传递过程中,需要对光纤链路引入的相位波动进行测量和补偿,其中引入的频率串扰是影响频标传递性能因素之一。为评估频率串扰对光纤频标传递性能影响,建立了频率串扰对频率传递稳定度的影响模型。在光纤链路温度变化条件下,通过仿真分析和实验研究了频率串扰与稳定度损失之间的关系。结果表明,频标的稳定度损失与串扰因子和频率有关。串扰因子越大,信号的阿伦方差曲线整体上移幅度越大,且串扰因子和稳定度损失峰值近似呈线性关系;频标频率变化时,频标传递的长期稳定度并非只受由温度缓慢变化引起的时延缓慢漂移的影响,也与频率点和时延波动量有关。频率升高时,频率稳定度损失的峰值点向短稳移动。     

100 km光纤远端复现超窄线宽激光（英文）

介绍了一种在光纤远端复现超窄线宽激光的方法.将两段50km的光纤线路通过中继站级联在一起.用锁相跟踪法将中继站中的激光器频率锁定在50km光纤远端传输光信号上,跟踪精度达到3.5×10~(-19).为了保持高光谱纯度,两个光纤噪声补偿模块独立工作,用于补偿每段50km光纤引入的相位噪声.这种级联方案能够确保噪声补偿具有较大的动态范围.经补偿后,100km光纤引入的频率不稳定度达到5.9×10~(-17)(1s平均时间),10 000s后达到6.8×10~(-19).实现了在100km光纤远端复现超窄线宽激光,附加线宽低至1mHz.     

基于被动补偿的点到多点微波信号光纤稳相传输

微波信号的稳相传输在雷达、空间观测以及卫星导航等领域有广泛的应用。针对目前点对点稳相传输方案传输效率不高以及主动补偿速度较慢等问题,研究并提出了一种基于被动补偿的适用于大范围、多站点微波信号光纤稳相传输的方案。微波信号在本地端经功分器分为两路,分别作为待传信号和分频后的探测信号;待传信号在本地端与经光纤往返传输的探测信号混频获得下变频信号;该下变频信号传输到远端与前向探测信号混频后生成相位稳定的微波信号,通过结构的合理设计实现点到多点稳相传输。经过实验验证后可知:2 GHz信号在10 km光纤链路下多链路分布结构的均方根(RMS)延时抖动为0.968 ps,在11 km光纤链路下单链路分布结构的均方根延时抖动达到1.606 ps。     

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.     

相位自校准的光纤微波频率绝对相位传递

提出一种相位自校准的光纤微波频率相位传递方案。该方案使用声表面波滤波器的冲激响应的窄带信号作为时间信号，使其与频率信号可同时使用同一波长进行传输。为实现稳定的可重复相位差，利用时间信号的往返传输时延来确定频率信号的整数个周期，并在多次重启的情况下验证了系统相位的稳定性。在60 km实验室平台上对所提方案进行验证，频率传递的稳定度优于4×10^-14@1 s,5×10^-17@10 000 s。系统多次重启的情况下，所获得的平均相位差最大不一致的峰峰值为0.008 rad，对应于整个周期的0.15%，可保证较高的相位一致性。     

重复频率可调谐的超低抖动光窄脉冲源的研究

提出了一种新型的基于光电振荡器的重复频率可调谐的超低抖动光窄脉冲源. 光电振荡器系统可以产生超低相位噪声的微波信号; 被该信号调制的直调光经过两次相位调制之后, 使光脉冲的啁啾增强; 再通过一段色散补偿光纤, 光脉冲被进一步压窄. 实验中使用YIG可调滤波器, 可以得到8–12 GHz内步进为200 MHz的可调谐微波信号, 因此光脉冲的重复频率具有可调谐性. 当微波信号即脉冲重复频率为9.6 GHz时, 测得脉冲宽度为3.7 ps, 相位噪声为-130.1 dBc/Hz@10 kHz. 由此得出光脉冲的瞬时抖动为60.1 fs (100 Hz–1 MHz), 因此该方案产生的光窄脉冲源具有超低的抖动.     

一种基于3×3光纤耦合器的短距离光纤频率传递的噪声抑制方法

提出了一种噪声抑制方法，设计了基于3×3光纤耦合器迈克尔逊干涉仪的频率传递系统，使用嵌入式系统进行控制，通过调整光纤长度，实时补偿由温度变化等环境因素引起的时延变化，并进行了实验验证。启用时延补偿后，实验用的30 m长传输光纤在环境温度变化21℃条件下长度变化量小于±1μm，对应时间延迟变化量小于10 fs，所传输的光梳重频信号的频率稳定度没有明显变化。本文工作有望为空间条件下的光钟信号向比对设备的传输路径噪声抑制提供有效的解决方法。     

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.     

光学频率梳非线性传输及其在相位噪声探测中的应用

光纤传递链路中相位噪声探测是基于光纤的精确射频标准传递系统中重要组成部分。为解决光纤链路相位噪声探测中节点反射干扰的问题, 本文基于广义非线性薛定谔方程, 理论上研究了窄带光学频率梳在色散位移光纤中的非线性光学传播特性。在理论分析的基础上, 结合密集波分复用架构, 提出了一种基于锁模光学频率梳进行光纤传递射频信号的相位噪声探测新技术, 克服了节点反射干扰, 给出了初步实验验证。     

超高精度时间频率同步及其应用

文章介绍了时间频率同步的主要概念及方法。重点介绍了在清华大学与中国计量科学研究院之间往返80 km的商用光纤链路上进行时间频率传输与同步的方案,实验得到7×10-15/s,5×10-19/天的频率传输稳定度和50 fs的时间同步稳定度。针对不同网络结构,文章作者提出了多种光纤同步方案,并着重介绍了时间频率同步在科学研究领域中的一些重要应用。     

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。     

超稳光生微波源研究进展

随着科技的进步以及精密测量应用技术的不断提高,超稳微波源的稳定度和噪声水平等技术要求不断提高,应用范围愈加广泛,包括高性能频标研究、网络雷达研制、深空导航系统等方面.基于超稳激光和飞秒光梳的超稳光生微波源是目前频率稳定度最高的微波频率源,相对频率稳定度可达10~(16)@1 s量级.该装置也是未来频率标准(光频标)推广应用的基础,无论是时间的产生还是绝大多数的精密测量,都需要将光频标的输出激光变换为超稳的基带频率信号后才能够实现.本文介绍了超稳光生微波源技术的发展、现状和应用需求.以国家授时中心研制的国内首套超稳微波频率源技术为主线,介绍了超稳光生微波源的原理和结构以及各组成部分的技术发展情况:超稳激光方面,着重介绍超稳光学腔研究和研制的进展以及Pound-Drever-Hall锁频技术、剩余幅度调制等噪声抑制技术;飞秒光梳方面,着重介绍目前最常用的掺铒光纤光梳系统的激光锁模、频率控制等技术发展;低噪声光电探测方面,着重介绍宽带光电探测噪声抑制技术和激光幅度噪声引起微波相位噪声的抑制技术.最后对光生超稳微波技术进行了总结和展望.     

面向天线组阵的光载微波光纤稳定传输技术

光载微波光纤稳定传输技术解决了天线组阵中所需的延时（或相位）稳定的微波信号远距离分配难题，在多天线协同的新一代微波测量中具有不可替代的作用。本文介绍了光载微波光纤稳定传输的基本理论，分析了制约传输稳定性的关键因素，并展示了基于相位预补偿和基于光延时校正的提高传输稳定性的技术途径。通过光电双外差混频的相位检测高灵敏地感知光纤链路延时变化，并分别利用微波相位调控和光延时调控来对这一变化进行高精度的补偿，最终实现了多路时间抖动在数十fs量级的高稳定光载微波传输，为天线组阵等多天线协同微波测量中的信号级同步提供了有效的解决方案。