1、理论与方法2023年第43卷 第3期100 km光纤链路中小于100 fs分辨力的双光梳钟差测量实验研究吴云峰1，2，孟飞2，3，阿布都维力 阿布力克木2，宋晏蓉1，张志刚2*（1.北京工业大学 理学部 信息光电子研究所，北京 100124；2.北京大学 电子学院 区域光网络与新型光通信系统国家重点实验室，北京 100871；3.中国计量科学研究院 时间频率计量研究所 光学频率标准实验室，北京 100029）摘 要：为了解决远距离光纤链路两端测量钟差限制在ps量级的问题，运用线性光学采样法测量钟差的基本理论，利用双光梳线性光学采样法完成了100 km光纤链路两端的钟差测量实验研究。通过梳齿压缩
2、和色散补偿技术实现了光梳梳齿线宽和远距离光纤链路净色散量的优化，突破了高精度读取干涉花样中心时刻的难点，最终实现了高分辨力的钟差测量。通过时间间隔计数器与线性光学采样法测量光纤链路时延对比实验和100 km光纤链路钟差测量实验证明：基于线性光学采样法测量的钟差小于100 fs，能够有效满足高精度时间同步系统的要求。本研究为促进精密导航、高速通信和精准授时等领域的发展起到重要作用。关键词：高分辨力钟差测量；双光梳；线性光学采样中图分类号：TB939 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）03-0136-08Experimental study on clockoffset me
3、asurement of sub 100 femtosecond resolution over 100 km fiber link with dualcomb systemWU Yunfeng1,2,MENG Fei2,3,ABUDUWEILI Abulikemu2,SONG Yanrong1,ZHANG Zhigang2*(1.Institute of Information Photonics Technology,Faculty of Sciences,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China；2.State Key L
4、aboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks,School of Electronics,Peking University,Beijing 100871,China；3.Laboratory of Optical Frequency Standard,Time and Frequency Metrology Division,National Institute of Metrology,Beijing 100029,China)Abstract:In order to solve the problem t
5、hat the clockoffset measurement over a long fiber link is limited to picosecond level,we have completed the experimental study on clockoffset measurement over a 100 km fiber link based on dualcomb linear optical sampling method.The net dispersion of longdistance fiber link and the line width of comb
6、 teeth are optimized by using dispersion compensation and comb compression technology.The central time of interferograms can be accurately obtained,and the clockoffset is measured with higher resolution.The time delays over fiber link measured with time interval counter and dualcomb linear optical s
7、ampling method are comdoi：10.11823/j.issn.1674-5795.2023.03.13收稿日期：2022-12-08；修回日期：2023-02-11基金项目：国家自然科学基金（61761136002，61575004）引用格式：吴云峰，孟飞，阿布都维力阿布力克木，等.100 km光纤链路中小于100 fs分辨力的双光梳钟差测量实验研究 J.计测技术，2023，43（3）：136-143.Citation：WU Y F，MENG F，ABUDUWEILI A，et al.Experimental study on clockoffset measuremen
8、t of sub 100 femtosecond resolution over 100 km fiber link with dualcomb system J.Metrology&Measurement Technology，2023，43（3）：136-143.136计 测 技 术理论与方法pared,and the clockoffset over a 100 km fiber link is measured.The experimental results demonstrate that the clockoffset measured based on the linear o
9、ptical sampling method is less than 100 fs.High resolution clockoffset measurement is the key technology of long distances time synchronization.High precision time synchronization technology has important applications in accurate navigation,high speed communication and timing system.Key words:high r
10、esolution clockoffset measurement;dualcomb;linear optical sampling0引言时间同步技术是对空间上存在一定距离的两个点或多个点的时钟进行同步，以实现高精度协同工作。高精度的时间同步系统将推动远程量子通信1、基本物理量测量2-3、引力波和暗物质4探测等多个科学领域的发展。提高时间同步精度的关键是提高各个时钟之间钟差测量的分辨力。早期的钟差测量主要使用电子学的时间间隔计数器（Time Interval Counter，TIC），但受电脉冲上升沿的限制，钟差分辨力仅为皮秒量级5。为进一步提高钟差分辨力至飞秒量级，美国国家标准与技术研究院的
11、科研人员提出了使用双光梳系统进行钟差测量。双光梳系统由两台重复频率差值很小的飞秒光学频率梳组成6-7，通过高精度自由扫描脉冲序列实现精密测量，应用于高精度测距、高分辨力光谱分析和相干成像8-10。利用双光梳系统测量钟差的方法包括线性光学采样法（Linear Optical Sampling，LOS）和非线性光学采样法。其中，线性光学采样法已经被多次应用于远距离时间频率传递系统中。2013年，研究人员在长度为2 km的自由空间链路时频传递系统中，首次实现了稳定度为飞秒量级的时间传递11。2022年，我国科研人员利用线性光学采样法将自由空间链路长度增加至113 km12，时间传递稳定度为飞秒量级，
12、频率传递万秒稳定度低于4 10-19。目前，国内外研究团队基于线性光学采样法进行钟差测量时，大多使用自由空间作为信号传输链路，这对传输路线选择和双光梳系统的输出功率均提出了较高的要求13。因此，本课题组在光纤链路中研究了基于线性光学采样的钟差测量方案（该项研究为国内首次），并在114 km的光纤链路中实现了亚皮秒量级的钟差测量14；随后，利用相对线宽为0.35 Hz的高相干性光梳作为信号源15，并在改进了色散补偿后，实现了100 km光纤中飞秒量级分辨力的钟差测量16。本文将对基于线性光学采样法测量钟差的原理进行介绍，并对测量过程中如何提高分辨力展开理论分析和实验验证，为推动远距离光纤链路高分
13、辨力时间传递技术发展起到重要作用。1线性光学采样与时间间隔计数器的测量精度对比传统的时间间隔计数器测量时差是通过记录远端传输至本地的电信号脉冲数量和脉冲之间的时间间隔后，再计算两地时差；而线性光学采样测量时间是利用双光梳系统作为信号源11，远端信号光梳产生的飞秒脉冲经链路传输至本地后与本地本振光梳产生的飞秒脉冲进行干涉，从干涉花样中提取所需的时间信息后再计算两地时差。为了直观地对比时间间隔计数器与线性光学采样的测量精度，分别用两种方法同时测量100 km光纤链路的时延（包括渡越时间），测试示意图如图1所示。图1上部分为利用时间间隔计数器测量链路时延的系统。分布反馈激光器（Distributed
14、 Feedback Laser，DFB laser）输出的窄线宽激光经过电光调制器调制后产生秒脉冲（1/s）信号，随后光脉冲信号经过100 km光纤链路后，经光电探测器探图1利用时间间隔计数器与线性光学采样测量链路时延Fig.1Measurement of delay time of 100 km fiber link by TIC and LOS 137理论与方法2023年第43卷 第3期测后再由TIC进行计数，测量出链路的时延。图1下部分为利用线性光学采样法测量链路时延的系统，该实验使用的光梳A和光梳B分别为重复频率为100.001，100 MHz的掺铒光纤激光器，两台光梳仅锁定了重复频率
15、至铷钟频率。光梳A产生的脉冲通过密集波分复用器进行滤波后，分成 C33和C34两个通道传输至另一端，与光梳B进行线性光学采样。其中，C33通道的信号经过 100 km光纤链路传输后与光梳B进行干涉，C34通道的信号与光梳B直接进行干涉。使用光电平衡探测器对两路信号进行探测，两个 LOS图样中心时刻的时间差即为链路时延。为了更明显地观测链路时延的变化，测试前使用热风枪对 100 km光纤加热 60 s，光纤最高温度为29，随后让光纤自然散热降至室温。实验结果如图2所示。图中蓝色曲线为TIC测量的链路时延，红色曲线为LOS测量的链路时延。在前60 s光纤加热过程中，光纤变长，链路时间逐渐增加。加热
16、结束后，光纤逐渐恢复原长，链路时延均匀减小。利用TIC测量的时延结果抖动为 40 ps，抖动的方差为 20 ps 左右，并且时间分辨力为 ps 量级。利用LOS测量的时延结果抖动为 4 ps，抖动的方差为 2 ps左右，并且时间分辨力为亚皮秒量级。该实验结果表明线性光学采样法相较时间间隔计数器测量法具有更高的测量稳定性和时间分辨力，更适用于精密时钟差的测量。2线性光学采样法测量钟差理论研究为了更精准地测量两个站点的钟差，并将分辨力提高至飞秒量级，对基于线性光学采样法测量钟差进行理论及部分实验研究，推导线性光学采样法的钟差计算公式并分析相应的理论误差。2.1基于线性光学采样法的钟差计算公式基于光纤链路的线性光纤采样法测量钟差实验方案如图 3 所示。利用双光梳干涉，采集 3 个LOS图样并分别记录中心时刻。根据异步线性采样法的原理，两站之间的时间差tMN的计算式为tMN=fr2fr2 fr tAX-fr tBX+(1+frfr)-1(fr tAX-fr tXB-pXB+pAX)+(2fr)-1 pXB+pBX-2 pBX（1）pAX=round fr tAX（2）pXB=round fr(