1 引言

高精度时频传递在基础物理实验、时频计量、雷达管控和导航定位等领域扮演着重要角色^[1-2]。随着原子钟技术的不断进步,商用氢原子钟的秒稳定度已达到10^-13量级,而近年来飞速发展的光钟的秒稳定度更是达到10^-15量级^[3]。随着钟源精度的不断提高,传统的卫星授时由于受到大气环境的影响,在某些方面已经无法满足高精度光纤时频传递的需求。光纤具有损耗低、受外界环境影响较小等优点,作为一种较好的传输介质,近年来得到了广泛应用^[4-8]。目前,点对点的光纤时频传递系统已经相对成熟,在下一代的原子钟比对和导航定位等应用中,需要建立更加稳定可靠的高精度时频传递网络。目前,国内外围绕光纤时频传递的网络化,对时频传递网络拓扑结构如级联结构、树形结构和环形结构^[9-11]等方面进行了重点研究,并开展了一些实际应用探索,如研究了美国国家航空和宇宙航行局(NASA)深空探测网和欧洲精准时间频率传递网络等^[12-13]。

目前,光纤时频传递已经实现在线性和环状网络中的多点下载与上传^[11],但是无法在商用光纤网络上实现真正的网络化时频传递。随着互联网的发展,商用光纤网络已经比较成熟,并逐渐向智能化方向发展。可重构的光分插复用器是智能光网络中最核心的功能模块,通常采用波长选择开关(WSS)来实现^[14-15]。因此,想要建立一个智能化的高精度光纤时频传递网络,需要对WSS在时频传递过程中的性能演化规律和机理进行研究,从而为基于商用通信网的高精度时频传递网络的建立提供必要的技术支撑。

本文对商用光纤网络中使用的可重构WSS在时频传递过程中的性能进行了研究。研究了WSS的输出端口、输出损耗和输入光信号的偏振态变化对时频传递性能的影响,并在此基础上研究了含WSS的时频传递系统的长期开闭环特性以及闭环情况下WSS的动态切换对时频传递系统的影响。

2 实验原理

2.1 WSS的工作原理与测试内容

目前商用的WSS主要基于液晶(LC)技术、硅基液晶(LCOS)技术和微电机械系统(MEMS)技术。实验中选用的是基于LCOS技术的WSS。基于 LCOS技术的WSS在广播功能和灵活调节带宽上更有优势,可支持的维度和器件的端口数更多,对智能光网络中具有灵活带宽功能的可重构光分插复用器件有重要意义。

基于LCOS技术的WSS原理图如图1所示,主要由光纤阵列、偏振转换晶体、反射镜、透镜组、衍射光栅和LCOS芯片组成^[16]。由于衍射光栅与LCOS芯片对入射光的偏振态非常敏感,入射光束首先经过偏振转换晶体转变为线偏光,经反射镜和透镜组后入射到衍射光栅。衍射光栅将不同波长的光信号衍射到不同角度,使不同波长的光信号聚焦在LCOS 芯片上的不同区域,最后通过对 LCOS芯片上的液晶单元进行控制,调节光信号的波前,从而控制反射光的方向,达到将任意组合波长的光信号从选定端口输出的目的。

图 1. 基于LCOS技术的WSS原理图

Fig. 1. Principle diagram of WSS based on LCOS technology

下载图片 查看所有图片

WSS在工作过程中,其内部会产生背向散射光,将WSS用于时频传递时,首先要避免背向散射光的影响,因此实验中采用基于波分复用(WDM)的双向不同波长还回技术的时频传递方案,使这部分背向散射光被WDM隔离,从而消除背向散射光对系统时频传递性能的影响。其次,WSS各端口的输出光在WSS内部会经过不同的LCOS芯片区域和不同的光纤等,各端口之间的光学特性也不完全一致,因此需要研究WSS不同端口的时频传递特性。此外,WSS内部需要进行偏振转换,偏振转换晶体原理图^[17]如图2(a)所示,偏振转换晶体中的半波片是针对特定波长预先设定的,无法调节,然而WSS传输的光信号波长具有一定的带宽,因此无法获得严格的线偏光。改变入射光偏振态将会改变WSS中的衍射光栅与LCOS芯片的光信号传递性能,进而影响WSS的时频传递性能,因此需要研究WSS入射光载波偏振态对系统时频传递性能的影响。同时,WSS属于有源器件,其内部的LCOS基本单元^[17]需要通过控制电极上的电压来改变液晶排列,进而改变光波相位与波前方向,LCOS单元工作原理图如图2(b)所示。WSS在工作过程中可能存在有源强度噪声,从而对系统时频传递性能产生影响,所以也需要研究含WSS时频传递系统完整的开闭环性能。最后,WSS最重要的功能是实现光纤路由切换,而双向光纤时频传递系统在实际工作情况下属于闭环反馈控制系统,若要实现链路切换,就需要对反馈过程进行重建,因此必须对WSS时频传递系统动态切换时链路的闭环重构和动态恢复能力进行研究。

图 2. (a)偏振转换晶体原理图;(b) LCOS单元工作原理图

Fig. 2. (a) Principle diagram of polarization conversion crystal; (b) working principle diagram of LCOS unit

下载图片 查看所有图片

图 3. WSS时频性能测试系统示意图

Fig. 3. Schematic of testing system for time-frequency property of WSS

下载图片 查看所有图片

基于LC、MEMS和LCOS技术的WSS在原理上存在相似性^[15-18],区别主要在于选光单元选用LC、MEMS还是LCOS。首先都需要通过偏振转换晶体改变入射光偏振态,然后通过光栅衍射分光,因此基于LCOS的WSS时频性能的研究可以推广到其他类型的WSS。

2.2 WSS高精度时频传递性能测试系统

根据测试内容,基于WDM、光纤单纤双向还回和光学真时延补偿方案搭建了一套高精度光纤时频传递系统^[8],其中包含WSS,WSS时频性能测试系统示意图如图3所示。

对于频率信号,系统中由信号源产生的初始信号V₀=cos(ωt+φ₀),其中φ₀为初始相位,ω为角频率,t为传输时间。将频率信号调制到波长为1550.92 nm的激光二极管上,其光载波经过复用后,依次通过光纤延时线、偏振控制器(PC)、WSS和光纤链路,最后经过光环形器并在远端解复用,通过远地探测器PD2解调出频率信号。将解调出的频率信号分为两路,一路信号作为远地输出信号V_out,另一路信号调制到波长为1551.72 nm的LD3上,沿相同链路回传至本地,最终经过环形器到达探测器PD3,解调得到回传频率信号为

Vret=cos(ωt+φ0+2φL+2φWSSn+2ΔφL+2ΔφWSSn),(1)

式中φ_L为链路中除WSS以外的部分产生的固定相移,Δφ_L为对应部分产生的相位波动(主要受温度变化和振动的影响),φ_WSSn为链路中WSS的n端口接入时引入的固定相移,Δφ_WSSn为n端口接入时WSS引起的相位波动(按照上文分析,WSS端口存在差异性,当选取不同端口接入链路时,引入的固定时延与时延波动均可能有差异)。由于信号往返两次均经过了链路,因此各项系数均为2。将V_ret与信号源分出的一路信号V₀进行混频鉴相,获得的鉴相信号为

VPD∝2φL+2φWSS+(2φWSSn-2φWSS)+2ΔφL+2ΔφWSSn,(2)

式中φ_L+φ_WSS为补偿系统预先设定的工作点,可设为φ_C=φ_L+φ_WSS,φ_WSSn-φ_WSS为WSS端口差异引入的相移,将该鉴相信号经过比例积分运算后,可得到误差信号V_err=-Δφ_L-Δφ_WSSn-(φ_WSSn-φ_WSS),利用该信号反馈控制光纤延时线,使其产生相应的相移φ'_L,φ'_L=φ_L-Δφ_L-Δφ_WSSn-(φ_WSSn-φ_WSS)。光纤延时线在补偿链路相位波动的同时,也将补偿由WSS端口差异引入的相移,在WSS切换端口时链路将会有一个重新建立平衡的过程。最终,链路中的相位变化得以补偿,在远端将获得相位稳定的频率信号输出V'_out,即

V'out=cos(ωt+φ0+φ'L+φWSSn+Δφ+ΔφWSSn)=cos(ωt+φ0+φL+φWSS)。(3)

对于秒脉冲(1PPS)时间信号,当频率信号作为误差信号控制链路达到稳定的同时,链路时延值τ也将达到稳定^[19-21]。

按原理图搭建实验系统,分别研究WSS端口差异、端口衰减和入射光偏振态对含WSS光纤链路时频传递性能的影响。进一步研究含WSS时频传递系统的长期开闭环特性。最后,在系统闭环情况下改变WSS的状态,研究含WSS光纤时频传递系统在闭环情况下的动态切换特性。

3 实验与结果分析

3.1 WSS端口参数和入射光偏振态对时频传递性能的影响

研究了不同输出端口、相同端口不同光衰减和进入WSS的光载波的不同偏振态对时频传递性能的影响。实验传递100 MHz频率信号和1PPS时间信号,开环测试链路中不含1 km光纤链路与1 km光纤延时线,且仅在测试偏振态的影响时才在链路中加入PC,其余情况不含PC。实验中通过串口程序控制WSS输出端口的切换和衰减比例的改变,通过PC改变WSS的入射光偏振态。

在光纤时频传递中,当不进行主动补偿时,频率和时间的长期稳定度主要由光纤环境的变化决定,因WSS引入的长期性能变化将被掩盖,因此在研究WSS端口参数与入射光偏振态对系统时频性能的影响时,主要考察系统开环状态下的短期稳定度。WSS的长期时频特性将在下一节描述系统长期开闭环特性时进行讨论。测试中每组数据的采样时间为700 s,根据Allan偏差百分比误差E_error=1/[2(T/τ-1)],其中T为采样时间,τ为平均时间,用700 s的采样结果计算秒稳定度,可得Allan偏差的百分比误差为2.67%,与不同参数下的秒稳定度差异尺度相比,该结果符合要求。此外,测试结果中的最佳秒稳定度为1×10^-13,而不含WSS的系统秒稳定度为2.2×10^-14,系统本底稳定度远优于测试数据。

对WSS的1,3,5,9端口分别进行测试时,所传递频率信号的Allan偏差如图4(a)所示,各端口频率信号的秒稳定度分别为1.19×10^-13,1.86×10^-13,1.3×10^-13,1.1×10^-13,不同端口传递频率信号时,稳定度存在明显差异。对应情况下时间信号的时延特性如图4(b)所示,不同端口在时延特性上存在明显差异,其中1端口和3端口的差距最大,时延分别为176863 ps和176549 ps,相差314 ps。4个端口时延抖动的均方根(RMS)值差异相对较小,最小值与最大值相差2.6 ps。

波长通道衰减分别为0 dBm、1.5 dBm和3 dBm时,所传递频率信号的Allan偏差如图5(a)所示,其中频率信号的秒稳定度分别为1.19×10^-13, 1.79×10^-13,2.5×10^-13,随着信号的不断衰减,Allan偏差曲线恶化,传递频率稳定度降低。相应情况下时间信号的时延特性如图5(b)所示,随着信号的不断衰减,传输时延先从176869 ps增加至177239 ps,最后达到177576 ps。时延抖动的RMS值从10.8791 ps增加至13.5532 ps,最后达到14.0439 ps。随着端口输出信号的不断衰减,时间信号的传输时延和不稳定性都将增大。因此,为了得到较好的时频传递性能,应该让WSS在低衰减状态下工作。

图 4. 不同传输端口(a)频率信号的Allan偏差(ADEV)及(b)时间信号的时延特性

Fig. 4. (a) Allan deviation (ADEV) of frequency signal and (b) time delay of time signal for different ports

下载图片 查看所有图片

图 5. 同一端口不同衰减比例下(a)频率信号的ADEV及(b)时间信号的时延特性

Fig. 5. (a) ADEV of frequency signal and (b) time delay of time signal under different attenuation ratios for same port

下载图片 查看所有图片

WSS入射光在三种不同偏振态下频率信号的Allan偏差如图6(a)所示,由图可见,在三种偏振态下,频率信号开环传递的秒稳定度分别为1.86×10^-13,1×10^-13,2.4×10^-13,不同偏振态下频率信号的传递性能存在明显差异。相应情况下时间信号的时延特性如图6(b)所示,不同偏振态下,链路时延值分别为184149,184215,184054 ps,同样存在较明显的差异,时延抖动的RMS值在4 ps以内。根据基于LCOS的WSS的工作原理,可得WSS的分光元件衍射光栅与LCOS芯片的工作对于信号光偏振态是敏感的,而偏振转换晶体无法得到严格的线偏光,因此调节WSS入射光的偏振态将会影响WSS的性能。实际应用中可以通过改变WSS入射光的偏振态保障系统时频传递性能,或通过定制WSS,使其中的PC件与所使用的光载波波长相匹配。

图 6. 同一端口不同偏振态下(a)频率信号的ADEV及(b)时间信号的时延特性

Fig. 6. (a) ADEV of frequency signal and (b) time delay of time signal under different polarizations for same port

下载图片 查看所有图片

3.2 包含WSS的传递链路的长期开闭环时频特性

将300 MHz频率信号作为误差鉴相信号,在链路中加入长度约为1 km的光纤链路和长度约为1 km的温控光纤延时线,通过频率信号的双向不同波长还回实现系统闭环^[8]。

在开环与闭环情况下,300 MHz频率信号的相位波动如图7(a)所示,1PPS时间信号的传播时延波动如图7(b)所示。由图7(a)可见,开环情况下频率信号相位波动为52.32 mrad,闭环情况下相位波动减小至0.82 mrad且相位差不再向某个方向漂移。由图7(b)可见,开环情况下时间信号时延波动为136 ps,闭环情况下时延波动减小至84 ps且时延值不再向某个方向漂移。闭环反馈补偿使得链路趋于稳定,相位差与时延值围绕固定值发生细微振动。

图 7. (a) 300 MHz频率信号的相位波动;(b) 1PPS时间信号的传播时延波动

Fig. 7. (a) Phase fluctuation of 300 MHz frequency signal; (b) propagation delay fluctuation of 1PPS time signal

下载图片 查看所有图片

在开环与闭环情况下,5125比相仪测得的频率信号的ADEV如图8(a)所示, 时间信号的时间偏差(TDEV)如图8(b)所示。通过比较频率信号ADEV,可得开环和闭环情况下频率信号的秒稳定度分别为7.50×10^-14和7.41×10^-14,1000 s稳定度分别为3.3×10^-15和1.24×10^-15,系统实现闭环后对短期稳定度影响不大,但是长期稳定度得到明显改善。通过比较时间信号的TDEV,可得开环和闭环情况下时间信号的秒稳定度分别为9.69×10^-12和9.41×10^-12,1000 s稳定度分别为8.84×10^-13和7.42×10^-13,该实验结果说明含WSS的闭环锁定特征和效果与不含WSS的情况^[7]基本一致,即WSS的引入不会对链路闭环控制造成不可控制的影响。

图 8. (a)频率信号的ADEV;(b) 1PPS时间信号的TDEV

Fig. 8. (a) ADEV of frequency signal; (b) TDEV of 1PPS time signal

下载图片 查看所有图片

3.3 WSS动态切换过程对系统时频性能的影响

在实际商用光纤链路中传递时频信号时,存在复杂的链路切换和路由变化,因此有必要研究WSS动态切换对系统时频传递性能的影响。

实验研究了系统在闭环稳定情况下,改变WSS参数对链路稳定性的影响以及WSS参数改变后链路的重构能力。在闭环稳定链路中,调节WSS端口衰减先由0 dBm上升至2 dBm,再由2 dBm上升至4 dBm,最后将WSS端口通道关闭50 s之后重新打开,动态切换过程测试中频率信号的相位波动和时间信号的时延波动如图9所示。

实验过程中频率信号的相位波动如图9(a)所示,曲线平稳代表链路稳定,三个突变分别由两次改变链路衰减和关闭交换机50 s后重新打开引起。WSS通道衰减2 dBm及4 dBm,关闭延时线50 s后打开链路重新达到闭环稳定所用的稳定重构时间分别为92.8,119.1,214.6 s。当链路产生突然衰减时,相位能重新快速达到稳定状态,而关闭交换机端口将导致链路不能形成闭环反馈,使慢变温控光纤延时线的温度偏离补偿链路所需的值,链路重新达到稳定的时间比改变衰减的时间更长,交换机关机时间越短,偏离量越小,则可以越快达到稳定,反之越慢。稳定重构时间也与所传微波信号的频率有关,微波信号频率越高,则可以越快达到稳定。

实验过程中SR620测试时间信号的时延波动如图9(b)所示,在端口无衰减、衰减为2 dBm、衰减为4 dBm和关闭交换机50 s后打开情况下链路时延平均值分别为8147954,8148403,8149194,8147907 ps,标准差分别为10.67,10.92,14.42,11.19 ps。时延值随着WSS衰减的增大而增大,时延不稳定度随着WSS衰减的增大而劣化,与开环的情况一致。此外,在关闭交换机50 s后再打开情况下,恢复的时延值与关闭之前的时延值相差47 ps,表明闭环重构过程的相位基准点恢复是不一致的,这需要在后续实验中进行进一步改进,从而增加系统的一致性。

图 9. (a)频率信号的相位波动;(b)时间信号的时延波动

Fig. 9. (a) Phase fluctuation of frequency signal; (b) time delay fluctuation of time signal

下载图片 查看所有图片

4 结论

在可实现双向不同波长还回时频同传的光纤时频传递系统中,分别研究了WSS自身端口参数和入射光偏振态对WSS时频传递性能的影响,并对含WSS时频传递系统的长期开闭环特性和闭环情况下的动态切换特性进行了研究。实验结果表明,WSS自身端口参数和入射光偏振态均会影响WSS的时频传递性能,WSS不同端口的频率信号和时间信号传递稳定度与传递时延不同;同一端口的衰减增大时,频率信号和时间信号传递稳定性都会降低,传递时延增加;当改变WSS的入射光偏振态时,频率信号和时间信号传递稳定性也会有所改变。因此,实际应用中应尽量降低WSS通道的衰减值,适当调节WSS入射光的偏振态,以提高所传频率信号和时间信号的稳定性,改变参数时应注意时延值校准。闭环锁定对信号传递长期稳定度有明显的改善,WSS的引入不会对链路闭环控制造成不可控制的影响。对于WSS在闭环链路中的动态切换过程,系统具有较好的重建能力,但是链路闭环稳定重建时间依赖于链路实际情况。通过实验系统地测试了WSS的时频传递性能,为今后在含WSS商用光纤网络中进行时频信号分发与同步提供了一定的技术基础。