王正勇，蔚保國(guó)，尹繼凱，王崇陽(yáng)

(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

高質(zhì)量的時(shí)間頻率基準(zhǔn)是一體化綜合電子信息系統(tǒng)的重要共性基礎(chǔ)之一，是電子系統(tǒng)性能的重要決定因素。衛(wèi)星導(dǎo)航地面遠(yuǎn)控系統(tǒng)、航天地面測(cè)控系統(tǒng)等都采用高性能、高穩(wěn)定度的銫原子鐘或者氫原子鐘作為系統(tǒng)的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。這需要在整個(gè)地面站范圍內(nèi)將時(shí)頻基準(zhǔn)傳輸?shù)矫恳患?jí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，而經(jīng)過(guò)傳輸后的頻率信號(hào)應(yīng)盡量減少頻率穩(wěn)定度、相位噪聲及雜諧波等指標(biāo)惡化，經(jīng)過(guò)傳輸后時(shí)間信號(hào)應(yīng)盡量保證準(zhǔn)確穩(wěn)定[1-6]。

射頻同軸電纜由于其損耗大、相位不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的遠(yuǎn)距離高穩(wěn)定傳輸。利用光纖傳遞頻率信號(hào)因具有低損耗、高穩(wěn)定度、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)而逐漸發(fā)展成為一種新型時(shí)頻傳遞技術(shù)，全球各研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了對(duì)該技術(shù)的研究。

目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)使用的補(bǔ)償方法主要是光學(xué)相位補(bǔ)償技術(shù)和電子相位補(bǔ)償技術(shù)。2種補(bǔ)償方法各有特點(diǎn)，光學(xué)相位補(bǔ)償方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，補(bǔ)償更為直接，但是補(bǔ)償范圍受限于所用光纖延遲線的調(diào)諧范圍，且體積大不易集成化設(shè)計(jì)；電子相位補(bǔ)償法補(bǔ)償范圍大，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。法國(guó)巴黎天文臺(tái)的時(shí)間空間實(shí)驗(yàn)室(LNE-SYRTE)和巴黎大學(xué)激光物理實(shí)驗(yàn)室(LPL)合作研究了一種光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)，采用機(jī)械控制光纖延遲線和溫控光纖延遲線在88 km的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了3×10-15@1 s，2×10-18@105s的穩(wěn)定度傳輸指標(biāo)[7]。日本通信技術(shù)研究院NICT、澳大利亞國(guó)家計(jì)量院NMI及韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)研究所KRISS等單位采用電子相位補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ捕紝?shí)現(xiàn)了光纖頻率傳遞鏈路秒穩(wěn)10-14量級(jí)、天穩(wěn)10-17量級(jí)等指標(biāo)[8-11]。

本文介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用電子相位補(bǔ)償法的光纖頻率傳遞技術(shù)研究進(jìn)展。通過(guò)將電子相位補(bǔ)償與自適應(yīng)環(huán)路控制相結(jié)合的傳遞方案，實(shí)現(xiàn)了光調(diào)制頻率為1 GHz的遠(yuǎn)距離光纖頻率傳遞。所選補(bǔ)償器件壓控晶振自身動(dòng)態(tài)范圍很大，對(duì)光纖鏈路附加相位噪聲抑制能力強(qiáng)。

1 光纖頻率傳遞技術(shù)原理

光纖頻率傳遞技術(shù)主要是解決頻率基準(zhǔn)信號(hào)在傳輸過(guò)程中無(wú)失真、低時(shí)延以及高穩(wěn)定度等問(wèn)題。由于光纖鏈路所處環(huán)境(溫度、振動(dòng)等)的影響，隨著光纖傳輸鏈路的增加，對(duì)傳輸信號(hào)會(huì)不斷引入附加相位噪聲，嚴(yán)重惡化傳輸信號(hào)的頻率穩(wěn)定性。因此利用光纖實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)高穩(wěn)定度的傳輸，需要采取措施對(duì)傳輸過(guò)程中的附加相位進(jìn)行修正及補(bǔ)償。

1.1 光纖頻率傳遞鏈路中時(shí)延的變化分析

由于外界環(huán)境的影響，如溫度、應(yīng)力以及振動(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致光纖的等效長(zhǎng)度發(fā)生變化；當(dāng)溫度變化時(shí)，光纖折射率會(huì)隨之發(fā)生變化，且光纖本身會(huì)因?yàn)闇囟雀淖儺a(chǎn)生物理上熱膨脹或壓縮，使得光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)延發(fā)生變化，從而接收端接收到的時(shí)頻光信號(hào)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，產(chǎn)生附加相位噪聲。

單模光纖折射率關(guān)于波長(zhǎng)λ和溫度T的函數(shù)關(guān)系式可表示為[12-15]：

ng(λ，T)=n(λ，T)+

(1)

則光纖頻率信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖傳輸時(shí)延τ的變化可以表示為：

(2)

式中，c為真空中光速；L為光纖的長(zhǎng)度；λ為光信號(hào)波長(zhǎng)；ng為光纖群折射率；A，B，C，D，E為Sellmeier系數(shù)(不考慮溫度變化時(shí)為常數(shù))。時(shí)延關(guān)于波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)表明了時(shí)延將隨溫度的變化而變化，即溫度變化會(huì)產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)。

時(shí)延隨溫度的變化通常用光纖時(shí)延溫度漂移系數(shù)Kf來(lái)表征，簡(jiǎn)稱溫漂系數(shù)。它是指當(dāng)某一波長(zhǎng)的光在光纖上傳輸時(shí)，由單位溫度變化引起的單位長(zhǎng)度光纖傳輸時(shí)延的變化，因此單模光纖的溫漂系數(shù)可表示為：

(3)

通過(guò)計(jì)算可得在λ=1.55 μm波長(zhǎng)處，在-30 ℃～60 ℃范圍內(nèi)的平均溫漂系數(shù)約為38.23 ps/km·℃。

光纖頻率傳遞鏈路中時(shí)延變化的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖1所示，圖中的2個(gè)波形分別是10 MHz信號(hào)與其經(jīng)過(guò)光纖傳遞100 km后的信號(hào)，通過(guò)改變光纖環(huán)境溫度3 ℃，可觀察到圖1(b)所示的時(shí)延變化約11 ns。

圖1 頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后的時(shí)延變化

1.2 光纖頻率傳遞基本原理

圖2為光纖頻率傳遞基本原理。

圖2 光纖頻率傳遞基本原理

圖2(a)中原子鐘輸出的10 MHz頻率信號(hào)的相位為φref，經(jīng)過(guò)光纖傳輸后，由鏈路引入的附件相位為φp，隨著傳輸時(shí)間的積累，φp不斷變化導(dǎo)致接收端10 MHz頻率穩(wěn)定度不斷惡化；圖2(b)中通過(guò)使用光學(xué)手段在單根光纖中通過(guò)往返傳輸?shù)姆绞娇梢栽诎l(fā)射端預(yù)先獲得2φp，假設(shè)往返傳輸光信號(hào)所產(chǎn)生的附加相位近似相同；因此圖2(c)中通過(guò)在發(fā)射端加入往返傳輸環(huán)路伺服控制裝置，可以實(shí)時(shí)在10 MHz信號(hào)光纖傳輸前對(duì)其進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償處理，從而在光纖鏈路的接收端獲得頻率穩(wěn)定度和發(fā)射端相同的10 MHz信號(hào)。

環(huán)路伺服控制裝置一般選擇某種可調(diào)諧的電學(xué)器件或者光學(xué)器件，如壓控振蕩器或電/光延遲線等。使用電/光延遲線作為伺服控制裝置是通過(guò)改變電/光鏈路的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，是一種直接的補(bǔ)償方案，但是由于延遲線補(bǔ)償范圍有限，適用于短距離傳輸應(yīng)用。使用壓控振蕩器作為伺服控制裝置是將抖動(dòng)信號(hào)鎖定至壓控振蕩器，以改變輸出頻標(biāo)相位，該方案?jìng)鬏敺€(wěn)定性好，適合遠(yuǎn)距離傳輸，是當(dāng)前技術(shù)條件下比較合適的方案[16-20]。

2 光纖頻率傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖頻率傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。100 MHz壓控晶體振蕩器VCXO作為系統(tǒng)執(zhí)行單元補(bǔ)償光纖頻率信號(hào)傳遞過(guò)程中的相位抖動(dòng)，100 MHz VCXO調(diào)諧范圍大，滿足對(duì)大動(dòng)態(tài)相位抖動(dòng)的補(bǔ)償。100 MHz信號(hào)首先經(jīng)過(guò)低相噪鎖相環(huán)變頻至1 GHz作為光調(diào)制信號(hào)，激光器選用高穩(wěn)定、窄線寬、分布反饋半導(dǎo)體激光器，其優(yōu)異的線寬特性保證了在遠(yuǎn)距離時(shí)頻傳輸時(shí)具有很小的色散效應(yīng)。激光器輸出1 550 nm波段光信號(hào)，并通過(guò)低噪聲摻鉺光纖放大器EDFA將其放大至+15 dBm(低于光纖傳輸中的受激布里淵散射閾值)。隔離器的主要作用是防止后向散射信號(hào)損壞EDFA。圖中，擾偏器主要作用是通過(guò)偏振擾動(dòng)消除EDFA輸出的信號(hào)的偏振態(tài)，可以減小光纖中信號(hào)雙向傳輸時(shí)由于偏振模色散現(xiàn)象導(dǎo)致的傳輸時(shí)延非對(duì)稱性。

圖3 光纖頻率傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在接收端，為了補(bǔ)償光纖鏈路的傳輸損耗，首先用EDFA將光信號(hào)放大后再由光電探測(cè)器將其轉(zhuǎn)化為1 GHz電信號(hào)。在未補(bǔ)償?shù)那闆r下，單向光纖傳輸引入的附加相位為φp，則傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的1 GHz信號(hào)可表示為φ0+φp；為了量化附加相位φp，對(duì)遠(yuǎn)端信號(hào)進(jìn)行功率分配，并將其中一路再次調(diào)制到光信號(hào)上經(jīng)過(guò)相同的光纖鏈路傳輸?shù)浇?，形成控制環(huán)路?；貍鞯浇说男盘?hào)可以表示為φ0+2φp，輸入至PID反饋控制系統(tǒng)，并將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓控信號(hào)實(shí)時(shí)控制VCXO輸出信號(hào)相位，光纖鏈路中的時(shí)延變化導(dǎo)致控制電壓的變化，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)光纖時(shí)頻傳輸環(huán)路自適應(yīng)主動(dòng)補(bǔ)償。在光纖傳輸遠(yuǎn)端獲得了與參考信號(hào)φref相干的頻率信號(hào)φ0+φp，實(shí)現(xiàn)10 MHz頻率信號(hào)基于光纖鏈路的穩(wěn)相傳輸。

3 光纖頻率傳遞系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

光纖頻率傳遞系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。光纖鏈路長(zhǎng)度100 km，測(cè)試時(shí)間19天，測(cè)試儀器為Microsemi公司生產(chǎn)的TSC 5125A相噪測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試曲線為標(biāo)準(zhǔn)的阿倫方差，從圖中可以看出，光纖頻率傳遞鏈路的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)為1.13×10-14@1 s，1.03×10-16@103s，2.19×10-17@104s，1.87×10-17@105s，所有指標(biāo)均高于目前商用氫原子鐘輸出的頻率信號(hào)的頻率穩(wěn)定度1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，實(shí)現(xiàn)了氫鐘信號(hào)100 km的高穩(wěn)定度無(wú)損傳輸。

圖4 100 km光纖頻率傳遞鏈路穩(wěn)定度結(jié)果

如圖5所示為光纖頻率傳遞鏈路環(huán)境溫度變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖5 光纖頻率傳遞鏈路環(huán)境溫度變化數(shù)據(jù)

在19天的測(cè)試過(guò)程中光纖鏈路所處的環(huán)境溫度變化量為3.7 ℃：如果利用光纖直接單向傳輸，溫度變化3.7 ℃時(shí)光纖傳輸頻信號(hào)的相位變化為14 145 ps；通過(guò)使用電子相位補(bǔ)償后經(jīng)光纖輸出的頻率信號(hào)相位變化值為3.4 ps，如圖6所示，傳輸性能提升了4 000倍。可見(jiàn)，光纖頻率傳輸系統(tǒng)能有效抑制光纖鏈路所處環(huán)境變化對(duì)頻率信號(hào)性能的影響。

圖6 光纖鏈路輸出頻率信號(hào)相位變化數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于電子相位補(bǔ)償技術(shù)的高穩(wěn)定光纖頻率傳遞系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了原子鐘頻率信號(hào)100 km高穩(wěn)定光纖傳遞，傳輸穩(wěn)定度為1.13×10-14@1 s，2.19×10-17@104s，1.87×10-17@105s，頻率傳遞穩(wěn)定度高于目前商用氫鐘至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，有效地補(bǔ)償了環(huán)境溫度變化引起的光纖鏈路的相位擾動(dòng)。研究結(jié)果表明，基于PID環(huán)路控制的電子相位補(bǔ)償技術(shù)能有限補(bǔ)償光纖鏈路引入的附加噪聲，是一種可行的實(shí)現(xiàn)原子鐘頻率信號(hào)高穩(wěn)定光纖傳遞的技術(shù)。