光纖時(shí)頻傳遞鏈路光程補(bǔ)償控制方法研究

肖慶雯 楊宏雷 胡 鋼 趙 環(huán) 張升康 葛 軍

(1.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039；2.電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，四川成都 611731)

1 引 言

高精度時(shí)間頻率傳遞在時(shí)間頻率計(jì)量、導(dǎo)航定位、前沿科學(xué)探索等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-4]。時(shí)間頻率傳遞已往采用衛(wèi)星無(wú)線電傳遞方式，同步精度為納秒到皮秒量級(jí)[5,6]。隨著光學(xué)原子鐘技術(shù)的不斷發(fā)展，其穩(wěn)定度已達(dá)到10-18量級(jí)[7,8]。然而，基于無(wú)線衛(wèi)星鏈路的傳遞方式難以完全滿(mǎn)足這類(lèi)新型高精度、高穩(wěn)定度時(shí)頻基準(zhǔn)的傳遞要求。鑒于近幾十年來(lái)光纖通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，以及光纖低損耗、抗干擾能力強(qiáng)的特性，利用商用光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行光學(xué)時(shí)頻基準(zhǔn)遠(yuǎn)程傳遞將是未來(lái)時(shí)頻傳遞主要技術(shù)手段[9-12]。

目前，光纖時(shí)頻傳遞技術(shù)主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：光載射頻時(shí)頻傳遞[2]、光頻信號(hào)時(shí)頻傳遞[9,10]以及光梳信號(hào)時(shí)頻傳遞[4,13]。光載射頻傳遞技術(shù)以傳輸?shù)臅r(shí)頻信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，對(duì)連續(xù)激光載波進(jìn)行調(diào)制，可滿(mǎn)足銫原子鐘、氫原子鐘等低成本頻率基準(zhǔn)傳遞要求；光頻信號(hào)時(shí)頻傳遞通過(guò)光纖直接傳遞光學(xué)頻率信號(hào)，主要用于光學(xué)原子鐘的高精度比對(duì)；光梳信號(hào)時(shí)頻傳遞技術(shù)以飛秒光梳信號(hào)作為傳遞信號(hào)，光梳信號(hào)在時(shí)頻域內(nèi)具有等間隔特性，可以鎖定在微波頻率標(biāo)準(zhǔn)或光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)上[14]，成為了X射線自由電子激光器等[4]國(guó)家大科學(xué)裝置中的主要時(shí)頻傳遞手段。

光學(xué)時(shí)頻信號(hào)在光纖鏈路中不可避免地會(huì)疊加環(huán)境引入的相位抖動(dòng)噪聲，為保證時(shí)頻傳遞穩(wěn)定度，須要對(duì)其進(jìn)行精密的補(bǔ)償控制。光纖時(shí)頻傳遞通常采用往返傳輸鑒相補(bǔ)償方案，通過(guò)對(duì)比遠(yuǎn)端回傳信號(hào)與本地參考信號(hào)的相位，提取二者的相位誤差信息，利用光學(xué)信號(hào)相位共軛補(bǔ)償方式或光程主動(dòng)控制方式對(duì)光纖鏈路的相位抖動(dòng)噪聲進(jìn)行補(bǔ)償。這兩種控制方式均建立在光纖鏈路噪聲變化相對(duì)光學(xué)信號(hào)傳遞過(guò)程可忽略不計(jì)的前提下。在光學(xué)信號(hào)相位共軛補(bǔ)償方案中，本地信號(hào)與回傳信號(hào)混頻后獲得光纖鏈路噪聲的相位共軛補(bǔ)償信號(hào)，并將其施加于傳遞光學(xué)信號(hào)，完成相位抖動(dòng)噪聲預(yù)補(bǔ)償；在傳輸過(guò)程中，光學(xué)信號(hào)疊加光纖鏈路相位噪聲后，從而使傳遞至遠(yuǎn)端的光學(xué)時(shí)頻信號(hào)與本地端達(dá)到相位同步。由于頻率信號(hào)調(diào)頻或調(diào)相可以很容易實(shí)現(xiàn)，此方法主要應(yīng)用于光纖鏈路激光頻率相干傳遞，并且獲得了顯著的進(jìn)展[11,12]。在光程主動(dòng)控制方案中，反饋控制作用于光纖鏈路光程，通過(guò)實(shí)時(shí)改變光纖鏈路長(zhǎng)度，達(dá)到減弱光纖鏈路相位噪聲影響的目的。這種方案被廣泛應(yīng)用于時(shí)間信號(hào)傳遞領(lǐng)域，主要是由于在傳遞時(shí)間信號(hào)時(shí)，本地光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)須要保持精密穩(wěn)定，采用類(lèi)似上述改變時(shí)間信號(hào)相位的方式是不可行的。隨著各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)時(shí)間信號(hào)同步精度要求的不斷提高，時(shí)間信號(hào)精密傳遞相關(guān)的技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。

2 光纖時(shí)頻傳遞與延遲補(bǔ)償理論

2.1 往返傳輸補(bǔ)償原理

實(shí)驗(yàn)基于光程控制的延遲補(bǔ)償方法，原理如圖1所示。本地光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲線、光纖鏈路傳遞至遠(yuǎn)端，再由遠(yuǎn)端反射回本地。被反射的信號(hào)受光纖鏈路影響產(chǎn)生相位抖動(dòng)，并與本地時(shí)鐘參考同時(shí)輸入至鑒相器內(nèi)進(jìn)行相位誤差探測(cè)。反饋控制模塊根據(jù)相位誤差信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)反饋控制延遲線。

圖1 時(shí)頻信號(hào)往返傳輸補(bǔ)償原理框圖

主動(dòng)補(bǔ)償控制過(guò)程中的信號(hào)相位關(guān)系分析如下[15]：設(shè)光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)的初相位為φ0，延遲線的相位補(bǔ)償量為φc，往返傳輸時(shí)光纖鏈路引入的相位抖動(dòng)分別為φp1和φp2，則遠(yuǎn)端接收信號(hào)的相位φr為

φr=φ0+φc+φp1

(1)

由于光纖中光信號(hào)的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖引入的相位抖動(dòng)的速度，因此可以認(rèn)為光纖在往返傳輸時(shí)所引入相同的相位抖動(dòng)，即φp1=φp2=φp。

到達(dá)本地的反射信號(hào)相位φr1為

φr1=φ0+2(φc+φp)

(2)

鑒相器對(duì)比光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)與回傳信號(hào)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(bǔ)償條件為

φc+φp=0

(4)

反饋控制模塊根據(jù)上述補(bǔ)償條件，實(shí)時(shí)改變延遲線的相位補(bǔ)償量φc，減小光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)與回傳信號(hào)的相位差，實(shí)現(xiàn)鏈路延遲實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

2.2 光纖鏈路相位噪聲理論分析

光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)的相位與其經(jīng)過(guò)的光程有關(guān)，可表示為

(5)

式中：L——光纖長(zhǎng)度；n——光纖折射率；c——光速；ν——傳輸頻率。

造成相位抖動(dòng)的主要原因是溫度影響下光纖長(zhǎng)度及折射率改變所導(dǎo)致的相位變化。用式(5)對(duì)溫度T求導(dǎo)，得到相位抖動(dòng)表達(dá)式為

(6)

其中，第一項(xiàng)為光纖長(zhǎng)度變化產(chǎn)生的相位抖動(dòng)，dL/dT為光纖熱膨脹系數(shù)。第二項(xiàng)為光纖折射率變化產(chǎn)生的相位抖動(dòng)。由于光纖折射率受溫度的影響相對(duì)較小，相較第一項(xiàng)可忽略。因此，大體上可通過(guò)改變光纖傳輸路徑長(zhǎng)度，進(jìn)而改變所經(jīng)光程，以實(shí)現(xiàn)鏈路中相位抖動(dòng)的綜合補(bǔ)償。

3 基于光程控制的延遲補(bǔ)償方法

依據(jù)上述補(bǔ)償原理，在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用～11km的光纖盤(pán)進(jìn)行光纖鏈路光程控制延遲補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)分為本地時(shí)鐘參考鎖定及光纖鏈路延遲補(bǔ)償兩部分。在本地時(shí)鐘參考鎖定部分中，鎖模激光器輸出兩路中心波長(zhǎng)為1 550nm，重復(fù)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(hào)用于本地時(shí)鐘參考鎖定，另一路作為傳遞信號(hào)，用于完成時(shí)頻信號(hào)的遠(yuǎn)程傳遞。飛秒激光脈沖直接入射至本地光學(xué)-微波鑒相器1，同時(shí)，本地時(shí)鐘參考輸出7.5GHz微波信號(hào)至光學(xué)-微波鑒相器1的微波調(diào)制端口。鑒相器1根據(jù)飛秒激光脈沖與微波信號(hào)之間的相位差[13]，輸出誤差電壓信號(hào)至伺服控制器1。伺服控制器1對(duì)輸入的誤差電壓信號(hào)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，輸出反饋控制電壓信號(hào)至鎖模激光器以調(diào)節(jié)飛秒激光脈沖的重復(fù)頻率。

圖2 基于光程控制的延遲補(bǔ)償系統(tǒng)框圖

在光纖鏈路延遲補(bǔ)償中，飛秒激光脈沖先經(jīng)過(guò)一個(gè)帶寬為0.8nm的光纖帶通濾波器，通過(guò)限制脈沖激光光譜帶寬，減弱長(zhǎng)距離光纖色散特性引入的飛秒脈沖展寬效應(yīng)，可保證后端光學(xué)-微波鑒相器2的鑒相精度。隨后窄帶激光脈沖經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)光學(xué)環(huán)形器、壓電式光纖拉伸器、電動(dòng)光學(xué)延遲線進(jìn)入長(zhǎng)距離光纖鏈路中。在實(shí)驗(yàn)中，為進(jìn)一步減小光纖色散特性對(duì)窄帶激光脈沖的時(shí)域展寬效應(yīng)，長(zhǎng)距離光纖鏈路采用～10km單模光纖串聯(lián)～1 100m色散補(bǔ)償光纖配置，大體完成色散補(bǔ)償。在遠(yuǎn)端，窄帶脈沖激光經(jīng)雙向摻鉺光纖放大器完成功率補(bǔ)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(yuǎn)端激光復(fù)現(xiàn)信號(hào)；剩余10%的激光被反射，經(jīng)光纖鏈路回傳至本地端?；貍髡瓗Ъす庑盘?hào)經(jīng)光學(xué)環(huán)形器送入光學(xué)-微波鑒相器2。由于激光信號(hào)經(jīng)光纖鏈路往返傳輸后，受鏈路噪聲影響產(chǎn)生了脈沖時(shí)域相位抖動(dòng)。光學(xué)-微波鑒相器2將回傳激光信號(hào)與本地時(shí)鐘參考信號(hào)進(jìn)行鑒相，獲得二者的相位誤差。伺服控制器2根據(jù)誤差電壓信號(hào)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，輸出反饋控制電壓信號(hào)。此信號(hào)被分為兩路，一路經(jīng)高壓放大器驅(qū)動(dòng)壓電式光纖拉伸器，完成光纖鏈路長(zhǎng)度的快速反饋；另一路輸入至數(shù)據(jù)采集卡，采集到的電壓數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過(guò)LabVIEW軟件控制平臺(tái)調(diào)節(jié)電動(dòng)光學(xué)延遲線。通過(guò)上述壓電式光纖拉伸快速反饋及電動(dòng)光學(xué)延遲線慢反饋復(fù)合控制方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)光纖鏈路相位噪聲的快速抑制，而且可以保證光纖鏈路長(zhǎng)度的長(zhǎng)期穩(wěn)定，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。

基于LabVIEW的電動(dòng)光學(xué)延遲線控制程序如圖3所示。程序?qū)崿F(xiàn)功能可分為模塊初始化與實(shí)時(shí)控制循環(huán)。模塊初始化在每次光學(xué)延遲線啟動(dòng)時(shí)，用于延遲線絕對(duì)補(bǔ)償量清零。由于延遲線最大可調(diào)延遲量為560ps，將相對(duì)延遲位置設(shè)置為280ps處，使延遲范圍在正負(fù)方向上保持相等，可提升系統(tǒng)應(yīng)對(duì)延遲沖擊的能力，并最大限度的利用延遲調(diào)節(jié)范圍。在實(shí)時(shí)控制循環(huán)中，采用LabVIEW DAQ方式對(duì)伺服控制器2的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)離散化采集。采樣位數(shù)為16位，采樣率為10kS/s。通過(guò)判斷電壓均值所處設(shè)定的電壓范圍，判別電動(dòng)光學(xué)延遲線的調(diào)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(shè)定電壓范圍(-5～-2.5)V和(+2.5～+5)V，電動(dòng)光學(xué)延遲線的延遲調(diào)整方向相反。電壓范圍(-2.5～+2.5)V對(duì)應(yīng)電動(dòng)光學(xué)延遲線保持不變。隨后，根據(jù)電動(dòng)光學(xué)延遲線的控制指令格式，利用LabVIEW VISA功能庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)RS232串口將調(diào)整控制命令下發(fā)至電動(dòng)光學(xué)延遲線的驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)光學(xué)延遲線的延遲調(diào)節(jié)分辨率可達(dá)0.001ps。在執(zhí)行鏈路延遲補(bǔ)償循環(huán)的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集的電平峰峰值進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)監(jiān)測(cè)控制電壓狀態(tài)變化，判斷整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 光纖鏈路光程控制LabVIEW控制程序圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

光纖鏈路光程延遲補(bǔ)償系統(tǒng)性能測(cè)試如圖4所示。在2.5h內(nèi)，誤差信號(hào)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(shí)時(shí)控制補(bǔ)償。時(shí)間延遲補(bǔ)償通過(guò)電動(dòng)光學(xué)延遲線的主動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)完成，通過(guò)補(bǔ)償量往復(fù)變化曲線可反映出光纖鏈路所處環(huán)境的溫度變化。通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)延遲線，標(biāo)定出誤差電壓變化與時(shí)延變化的線性關(guān)系，以此利用鎖定后的誤差電壓值計(jì)算出時(shí)延變化，再對(duì)時(shí)延變化量作穩(wěn)定度分析。在11km光纖時(shí)頻傳遞鏈路中，環(huán)內(nèi)時(shí)間延遲補(bǔ)償穩(wěn)定度達(dá)到1.55fs/s與0.12fs/1 000s，頻率穩(wěn)定度達(dá)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(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制測(cè)試結(jié)果圖

圖5 時(shí)延補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)內(nèi)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于光程控制延遲補(bǔ)償原理的光纖鏈路飛秒激光時(shí)頻傳遞延遲補(bǔ)償系統(tǒng)。采用光纖環(huán)路光學(xué)-微波鑒相器，提取經(jīng)往復(fù)傳播的飛秒激光脈沖與本地微波信號(hào)源的相位誤差，有效避免了直接光電轉(zhuǎn)換探測(cè)引入的附加光電噪聲，提高了相位誤差探測(cè)精度；并以此相位誤差信號(hào)為輸入信號(hào)，在LabVIEW環(huán)境下控制鏈路中的電動(dòng)光學(xué)延遲線，對(duì)光纖鏈路延遲抖動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。11km光纖時(shí)頻傳遞鏈路實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)內(nèi)時(shí)間延遲補(bǔ)償穩(wěn)定度達(dá)到1.55fs/s，0.12fs/1 000s，頻率穩(wěn)定度達(dá)到3.06×10-15/s，1.99×10-19/1 000s。