中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空間信息傳輸與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在光纖時(shí)頻相同步研究方面取得進(jìn)展，提出了一種過零檢測和優(yōu)化控制策略的絕對(duì)相位標(biāo)記技術(shù)，標(biāo)記精度達(dá)到皮秒級(jí)，并成功應(yīng)用于光纖遠(yuǎn)程站點(diǎn)間的時(shí)間、頻率與相位的同時(shí)同步與相干傳輸。該技術(shù)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(zhǔn)等關(guān)鍵問題，并顯著提升了秒脈沖（PPS）時(shí)間同步的RMS精度至百飛秒級(jí)、峰峰值抖動(dòng)至皮秒級(jí)，有望支撐分布式相干探測陣列完全相干增益的實(shí)現(xiàn)。相關(guān)系列論文發(fā)表在Optics Express, 2021, 29(9): 14041-14057，以及IEEE Photonics Journal, 2021, 13(3): 1-11。

近年來，光纖時(shí)頻同步技術(shù)發(fā)展迅速，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。隨著分布式相干探測陣列等領(lǐng)域進(jìn)一步提出了對(duì)相位同步和皮秒級(jí)PPS時(shí)間同步的需求，通過光纖實(shí)現(xiàn)時(shí)間、頻率和相位的同時(shí)高精度同步迫在眉睫。

為此，研究團(tuán)隊(duì)首先提出了一種絕對(duì)相位標(biāo)記技術(shù)，利用脈沖控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率信號(hào)絕對(duì)相位的精確標(biāo)記，標(biāo)記精度達(dá)到皮秒量級(jí)，產(chǎn)生的標(biāo)記脈沖信號(hào)可用作絕佳的PPS時(shí)間參考；隨后基于該技術(shù)提出了一種光纖時(shí)頻相同步（相位相干傳輸）方案，實(shí)現(xiàn)了相干探測所必須的時(shí)間、頻率與相位的同時(shí)同步，其原理框圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同光纖距離下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的頻率、相位和PPS時(shí)間同步，即使在150 km光纖下，10000 s內(nèi)的峰峰抖動(dòng)也僅為3.3 ps，時(shí)間偏差低至438 fs @1 s；在25 km光纖鏈路下校準(zhǔn)了傳輸延遲，本遠(yuǎn)地各信號(hào)間的相對(duì)延遲如表1所示，通過相位時(shí)間差（τf）評(píng)估的相位同步不確定度為2.577 ps，通過標(biāo)記脈沖時(shí)間差（Δtm）評(píng)估的時(shí)間同步不確定度為2.65 ps。該方案提供了一種遠(yuǎn)程光纖時(shí)間-頻率-相位同時(shí)同步方法，將明顯提升相位相干性和pps時(shí)間的同步精度，在分布式相干探測陣列等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

圖1.光纖時(shí)頻相同步系統(tǒng)原理圖

表1.校準(zhǔn)后本遠(yuǎn)地信號(hào)間的延遲

該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項(xiàng) 、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。

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