基于实地光纤链路的微波与光频信号传递的研究

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当前,时间频率标准技术迅速发展,微波原子钟的频率不确定度已经达到10-16量级,性能最好的光学原子钟其频率不确定度已进入10-19量级。基于光学原子钟的频率比对也被认为是重新定义时间“秒”的候选技术方案。然而,基于传统卫星通信的方式已经不能满足时间频率高精度传递的需求。目前发展成熟的光纤通信技术在信号传递过程中几乎不受外界环境中电磁干扰的影响,且通信光纤具有传输损耗低(目前损耗约为0.2 d B/km)、铺设相对简单等优势,因此基于光纤链路远程传递频率标准信号受到广泛关注。本文主要围绕精密重力测量国家重大科技基础设施(PGMF)对时间频率传递的需求展开研究。基于实地光纤链路实现了氢钟信号的高保真传递。另外为了满足将来光钟频率比对的需求,实现了超窄线宽激光的远距离传输。本文的主要工作内容有以下几点:搭建了由精密重力测量大楼A栋到引力中心老楼、精密重力测量大楼A栋到山洞实验室,以及精密重力测量大楼A栋到中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(原武汉物理与数学研究)的三条光纤链路,并测试其长度,通过实地光纤链路实现了包括微波信号和光频信号的频率传递。在微波传递过程中,通过精密重力测量大楼到引力中心老楼108实验室的光纤链路,实现了氢钟10 MHz以及100 MHz微波信号的高精度频率传递。测量10 MHz微波信号经过光纤链路附加噪声的频率稳定度在积分时间1 s时是2.0×10-14,并且随着积分时间的增加频率稳定度在下降,在积分时间10000 s时是2.8×10-16;100MHz信号经过实地光纤链路引入附加噪声的频率稳定度在积分时间1 s时是5.6×10-15,在积分时间10000 s时是2.7×10-17,这一结果满足PGMF需求。为实现团队研制的铝离子光频标信号与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的钙离子光钟进行长期频率比对,首先开展了前期的方案验证性实验。基于窄线宽光纤激光器模拟铝离子光频信号的传递,并实现了光学频率信号通过实地光纤链路从精密重力测量大楼A栋至引力中心老楼的往返传输。为了达到高精度频率传递的要求,实验过程中首先对光频传递系统进行被动隔热以及对光路进行优化。基于电路锁相环技术,实现了光纤链路传递过程中光纤相位噪声的主动反馈与补偿。测量得到噪声底外环信号的附加噪声频率稳定度在积分时间1 s时是1.6×10-18,在积分时间1000 s时达到9.2×10-20。接着基于实验室20公里的光纤裸纤进行实验,测量外环信号的附加噪声频率稳定度在积分时间1 s时是9.0×10-18,在积分时间1000 s达到2.0×10-19。为了满足将来的光学原子钟频率比对的应用需求,基于精密重力测量大楼A栋到引力中心老楼的实地光纤链路进行了光频信号传输的实验,测量外环信号附加频率稳定度在积分时间为1 s是8.1×10-18,在积分时间1000 s时是1.8×10-19。
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