基于飞秒激光的微波信号光纤链路远程同步技术研究

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精密时频同步技术被广泛应用于卫星导航、时频计量以及前沿基础科研领域。目前,随着原子钟精度和稳定度的不断提升,基于卫星链路的无线传输方式无法满足高性能原子钟的远程同步要求。由于光纤具有插入损耗小,抗干扰能力强等优势,利用光纤传输链路的时频传递稳定度指标可达亚飞秒甚至阿秒水平,满足了未来高性能原子钟远程比对及同步的迫切需求,在下一代X射线自由电子激光器等国家大科学装置以及平方公里阵列望远镜等国际大科学工程项目中发挥出了重要作用。光学时频信号在光纤链路传输的过程中,不可避免地会叠加环境状态波动引入的相位抖动噪声。为保证光学时频信号传递的精密度,须要对其进行精密的补偿控制。光纤时频传递通常采用往返传输鉴相补偿方案,通过对比远端回传信号与本地参考信号的相位,提取二者的相位误差信息,利用基于补偿信号的电学相位共轭补偿方式或基于光程控制的光学补偿方式对光纤链路的相位抖动噪声进行补偿。其中,光程主动控制方案较电学相位共轭补偿方式,可实现时间传递,具有更加重要的应用价值。在此方案中,反馈控制作用于光纤链路光程,通过实时改变光纤链路长度,达到减弱光纤链路相位噪声影响的目的。针对上述问题,本文搭建了基于飞秒激光的微波信号光纤链路远程同步系统。自研系统在二阶锁相环结构基础上,设计实现了光学-微波锁相环,用于飞秒激光脉冲重复频率和微波参考频率的高精度鉴相与实时锁定;锁相环采用光纤环路光学-微波鉴相器作为精密鉴相单元,探测飞秒激光脉冲与微波信号的相位误差,避免了直接光电转换探测过程引入的附加光电噪声,提高了相位误差探测精度。此外,系统采用灵活的光路控制补偿模块,即压电式光纤拉伸快速反馈及电控光学延迟线慢反馈复合控制方式,实现链路快变与慢变相位噪声的长期自动实时补偿。最后,系统采用10 km单模传输光纤串联1100 m色散补偿光纤的配置方式进行色散补偿,并采用带宽为0.8 nm光纤带通滤波器进一步抑制脉冲展宽程度。测试结果表明,11 km光纤传递链路下,7.5 GHz微波频率远程同步系统时间延迟补偿稳定度达到1.55 fs/s与0.12 fs/1000s,对应频率稳定度(阿伦方差)达到3.06×10-15/s与1.99×10-19/1000s。系统整体同步稳定度测试结果为:2.34×10-14/s与7.67×10-17/400s。
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