[论文解读] High Resolution Frequency Standard Dissemination via Optical Fibre Metropolitan Network

François Narbonneau, Michel Lours+7 more|ArXiv.org|Mar 15, 2006

Advanced Frequency and Time StandardsPhysics and Astronomy被引用 19

一句话总结

该论文通过使用光载波的幅度调制，在100公里的城市光纤网络中实现了100 MHz信号的远距离、高稳定性频率传输。其相位噪声受限的稳定性达到1秒时为10⁻¹⁴，1天时为10⁻¹⁷，通过两种补偿技术（电子相位共轭和光电相位补偿）实现了微波与光学频率标准之间的超精密比对。

ABSTRACT

We present in this paper results on a new dissemination system of ultra-stable reference signal at 100 MHz on a standard fibre network. The 100 MHz signal is simply transferred by amplitude modulation of an optical carrier. Two different approaches for compensating the noise introduced by the link have been implemented. The limits of the two systems are analyzed and several solution suggested in order to improve the frequency stability and to further extend the distribution distance. Nevertheless, our system is a good tool for the best cold atom fountains comparison between laboratories, up to 100 km, with a relative frequency resolution of 10-14 at one second integration time and 10-17 for one day of measurement. The distribution system may be upgraded to fulfill the stringent distribution requirements for the future optical clocks.

研究动机与目标

• 在城市光纤网络中实现高分辨率频率标准的传播，以支持精密时间与频率计量。
• 克服城市环境中温度波动和机械应力引起的光纤链路相位噪声与不稳定问题。
• 在长达100公里的距离内，以亚10⁻¹⁴的分辨率比较微波与光学频率标准。
• 评估并改进两种相位噪声补偿技术：电子相位共轭和光电相位补偿。
• 识别并缓解未来光学钟分布中的限制因素，如受激布里渊散射（SBS）、偏振模色散（PMD）、偏振依赖损耗（PDL）和光反馈。

提出的方法

• 使用1.55 µm DFB激光二极管对100 MHz信号进行幅度调制，通过光纤传输参考信号。
• 利用现有电信光纤基础设施（法国电信网络）在3–86公里范围内实现长距离传输。
• 实施两种相位噪声补偿方案：电子相位共轭器和光电相位补偿器。
• 采用光纤布拉格光栅（FBG）滤波器抑制受激布里渊散射（SBS）并降低白相位噪声。
• 使用偏振随机化技术减轻偏振模色散（PMD）的影响。
• 应用基于往返测量相位扰动的相位共轭技术，通过将反向信号频移以减少反馈和混频产物。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在标准电信光纤上实现100公里传输，使100 MHz参考信号的相位噪声和频率稳定性劣化最小化？
• RQ2 温度变化和机械扰动如何影响城市环境中光纤链路的相位噪声与稳定性？
• RQ3 电子相位共轭与光电相位补偿在稳定长距离频率传输方面的性能极限有何差异？
• RQ4 SBS、PMD和光反馈在多大程度上会降低系统性能，以及如何有效缓解这些问题？
• RQ5 该系统能否利用现有光纤基础设施实现下一代光学钟所需的10⁻¹⁷量级稳定性？

主要发现

• 在86公里光纤链路上实现了1秒时10⁻¹⁴、1天时10⁻¹⁷的频率稳定性，支持远距离频率标准之间的高分辨率比对。
• 电子相位共轭器由于具有无限动态范围，在短期稳定性方面表现更优，但长期稳定性受限于仅数百的抑制因子。
• 光电补偿器在长期抑制性能方面优于电子系统，但受限于PMD和PDL效应。
• 通过在接收端使用光纤布拉格光栅（FBG）滤波器，有效抑制了SBS引起的白相位噪声。
• 连接器和接头引起的光反馈导致寄生相位偏移；为实现有效补偿，需对这些信号实现60 dB的抑制。
• 偏振模色散（PMD）破坏了相位共轭原理，因此必须采用偏振随机化以维持系统性能。