光学多路复用计量级时间与频率信号在单通道100 GHz光栅中的实现与应用研究

一、作者与发表信息
本研究的核心团队由Przemysław Krehlik（通讯作者）、Łukasz Śliwczyński（IEEE会员）、Łukasz Buczek（均来自波兰AGH科技大学计算机科学、电子与通信系）、Harald Schnatz（德国联邦物理技术研究院PTB量子光学与长度单位部）及Jochen Kronjäger（英国国家物理实验室NPL时间与频率部）组成。研究成果发表于《IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》2021年6月第68卷第6期，论文标题为《Optical Multiplexing of Metrological Time and Frequency Signals in a Single 100-GHz-Grid Optical Channel》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于精密时间频率传输（Time and Frequency, T&F）与光纤通信的交叉领域，涉及光学频率参考、射频（RF）信号及时间标签（time tags）的协同传输技术。
研究动机：当前高精度时间频率信号依赖国家级计量机构（如PTB、NPL）的原子钟生成，但卫星传输存在稳定性不足（长期不稳定性>10^-16）和易受干扰的问题。光纤传输虽能实现更高精度（光学频率不稳定性<10^-20），但在共享光纤网络中，传统密集波分复用（DWDM）需占用多个独立信道，难以适应带宽受限场景（如租用光纤频谱或网络瓶颈段）。
目标：提出一种将光学频率参考、RF参考信号（如10 MHz）和时间标签（1 PPS脉冲）压缩至单个100 GHz间隔的DWDM信道的多路复用方案，以最小化带宽占用，同时保持与独立信道相当的传输性能。

三、研究流程与方法
1. 多路复用方案设计
- 信号布局：光学载波（OC）位于信道中心（如ITU C44信道194.400 THz），RF与时间信号通过强度调制分别偏移±12.5 GHz（图2）。
- 核心器件：采用光学交织器（interleaver）实现信号分离，其隔离度>25 dB，插入损耗2–2.5 dB（图3）。12.⁵⁄₂₅ GHz交织器用于分离OC与RF信号，25/50 GHz交织器用于双向RF信号隔离。
- 挑战应对：为避免受激布里渊散射（SBS）和放大干扰，控制OC功率<-5 dBm，并优化激光器频率偏移（避免10 GHz附近的布里渊增益峰）。

1. 实验验证

   • 链路配置：260 km光纤（含70 km卷轴光纤与60 km城市光纤），3个双向掺铒光纤放大器（SPBA），局部与远程终端分别配备相位噪声消除系统和清理激光器（clean-up laser）。
     
   • 稳定性测试：
     
     • 光学频率传输：基于NKT Koheras激光器（线宽100 Hz）与Rio Planex清理激光器（1 kHz线宽），通过双向相位比对实现噪声抵消。15天连续测试显示，长期不稳定性×10^-20（图7）。
       
     • RF与时间传输：采用ELSTAB技术（电域噪声消除），10 MHz信号相位波动<10 ps，时间标签校准误差≤10 ps（图8）。
       
   • 温度敏感性测试：交织器在20°C温度波动下频率偏移<0.5 GHz，且对系统稳定性无显著影响（图5）。
     

2. 校准与误差控制

   • 时间标签校准：通过测量往返延迟并补偿光纤色散不对称性。实验发现，交织器级联引入的群延迟差异（Δτ_g=10.2 ps，图9）需作为修正因子纳入校准流程（表I）。
     
   • 放大器增益控制：采用自动增益调节策略，确保OC与RF信号共存时增益均衡，避免SBS阈值超标。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 光学频率稳定性：8天无滑移记录中，相位波动无线性趋势，验证了多路复用未引入系统性误差（图7b）。
2. RF与时间性能：与独立信道相比，多路复用后RF不稳定性仍达10^-17，时间校准精度保持10 ps，证明方案可行性（图8）。
3. 关键发现：信号间隔12.5 GHz接近布里渊频移（~10 GHz）是主要风险源，需精确控制激光频率偏移（图10）。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次实现在单DWDM信道中同时传输光学频率、RF与时间信号，为光纤网络中的高精度计量信号分配提供了新范式。
2. 应用价值：适用于共享光纤基础设施（如5G骨干网、洲际比对链路），降低租用成本，提升频谱利用率。例如，可部署于NPL（英国）至LPL（法国）的现有瓶颈链路。
3. 局限性：需严格监控交织器温漂与老化，且信号间隔不宜进一步压缩（建议扩展至200 GHz网格以放宽至±25 GHz）。

六、研究亮点
1. 技术创新：
- 光学交织器的多级复用架构，实现OC与RF信号的紧密频谱共存。
- ELSTAB技术与光学相位噪声消除的协同优化，解决双向传输中的干扰问题。
2. 性能突破：在260 km实际链路中验证了10^-20级光学频率稳定性与ps级时间同步，媲美独立信道系统。

七、其他价值
- 提出的校准方法（Δτ_g修正）可推广至其他混合传输系统。
- 研究为未来光学时钟网络（如欧洲Optical Clock Network）的跨机构比对提供了技术储备。

（注：专业术语中，”interleaver”译为“交织器”，”SBS”保留英文缩写，”ELSTAB”为专有技术名称不译。）