中國科學院上海光學精密機械研究所空間信息傳輸與探測技術重點實驗室在光纖時頻相同步研究中取得進展,提出了一種過零檢測和優化控制策略的絕對相位標記技術,標記精度達到皮秒級,并成功應用于光纖遠程站點間的時間、頻率與相位的同時同步與相干傳輸。該技術解決了相位同步中的相位差漂移、相位模糊性、初始相位不確定性以及傳輸延遲的校準等關鍵問題,并顯著提升了秒脈沖(PPS)時間同步的RMS精度至百飛秒級、峰峰值抖動至皮秒級,有望支撐分布式相干探測陣列完全相干增益的實現。相關研究成果發表在Optics Express, 2021, 29(9): 14041-14057和IEEE Photonics Journal, 2021, 13(3): 1-11上。
近年來,光纖時頻同步技術發展迅速,并廣泛應用在各個領域中。隨著分布式相干探測陣列等領域進一步提出了對相位同步和皮秒級PPS時間同步的需求,通過光纖實現時間、頻率和相位的同時高精度同步迫在眉睫。
為此,研究人員首先提出了一種絕對相位標記技術,利用脈沖控制信號實現了對頻率信號絕對相位的精確標記,標記精度達到皮秒量級,產生的標記脈沖信號可用作絕佳的PPS時間參考;隨后,基于該技術,研究人員提出了一種光纖時頻相同步(相位相干傳輸)方案,實現了相干探測所必需的時間、頻率與相位的同時同步,其原理框圖如下圖所示。實驗結果表明,在不同光纖距離下實現了穩定的頻率、相位和PPS時間同步,即使在150 km光纖下,10000 s內的峰峰抖動僅為3.3 ps,時間偏差低至438 fs @1 s;在25 km光纖鏈路下校準了傳輸延遲,本遠地各信號間的相對延遲如下表所示,通過相位時間差(τf)評估的相位同步不確定度為2.577 ps,通過標記脈沖時間差(Δtm)評估的時間同步不確定度為2.65 ps。該方案提供了一種遠程光纖時間-頻率-相位同時同步方法,將明顯提升相位相干性和pps時間的同步精度,在分布式相干探測陣列等領域具有廣闊的應用前景。
研究工作獲得國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、中科院青年創新促進會、國家重點研發計劃的支持。
圖.光纖時頻相同步系統原理圖
表.校準后本遠地信號間的延遲
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