R8 时频传递

当前位置: 首页 > 时间频率精密测量 > R8 时频传递

时频传递小组简介

随着科学技术的发展,基于微波钟(如氢钟、铷钟、铯喷泉钟等)与光钟(包括光晶格钟与囚禁离子光钟)系统所产生的时间/频率精度在不断提高。目前,精度最高的光钟系统其输出频率稳定度已经进入10-19水平(350亿年不差一秒),并有望在近些年重新定义时间的国际制单位— “秒”。时间基准的确定需要将位于不同地点的多套钟组相互比对,给出统一的时间。而目前基于卫星链路的时间/频率传输方法受限于天气、电离层、卫星轨迹等因素的影响,频率传递精度局限在10-15/天的水平,不能满足未来高精度光钟的比对需求。

基于光纤链路的时间/频率传递技术具有传输损耗低、抗电磁干扰能力强、与光纤通信网络技术相兼容等优势,可实现光钟与微波钟信号高精度的远程分发与传递。除了光钟比对,传递至用户端且具有高精度时间/频率信号还可广泛应用于精密光谱测量、相对论检验、洛伦兹不变性检验等基础研究领域,以及卫星定位导航、高速数字通信、甚长基线干涉测量、地球形貌分析等尖端技术领域。依托于精密重力测量国家重大基础设施(PGMF),本研究小组的目标主要定位于将光频标团队研制的铝离子光频标与铯喷泉钟以及低温蓝宝石振荡器微波频标进行频率传递与溯源,形成一套自成体系的时间/频率标准,为精密重力数据测量提供统一可溯源的时间,进行大地动力学研究。同时,也将自行研发的高精度时间/频率标准进行大区域范围的分发,形成一个拓扑结构的时间/频率网络系统。具体构成如图1所示。

图1 时间频率标准传递结构图

主要技术与研究方法:

对于微波频率与时间信号的传递,主要是将本地端的微波信号加载于超稳激光上进行幅度调制,应用光纤链路实现向远处用户端的传递,最后在用户端进行接收与解调,获取精密的时间/频率标准信号。方案示意图如图2所示,它同时包含了频率传递与时间同步的原理。提供PGMF时频基准的微波频标作为本地端,用户端作为接收端。

图2 微波频率/时间信号传输原理图

PGMF产生的时间/频率基准通过相位噪声补偿系统和时间同步系统调制到不同波长激光器上,然后由波分复用器将时间与频率信号合束后加载到同一条光纤链路上传送到接收端。在接收端所获取的射频信号即为锁定至本地端的标准频率信号,且时间信号可与本地端时间精确同步。

图3 光钟频率/时间信号传输原理图(左图)与实物装置(右图)

对于光钟频率传递,主要是基于双向光纤噪声补偿技术,如图3所示。由锁定至铝离子钟跃迁线的超稳激光直接输出光频信号,使用往返传输光信号的方法获取光纤链路系统的相位噪声信息。并进一步由锁相环技术对噪声补偿元件进行反馈控制,以补偿相位噪声与抑制线宽展宽,实现本地光钟信号在远处用户端无失真再现。

目前已有的研究基础:

本研究小组于2018年5月开始独立展开研究,目前已初步实现了10 MHz氢钟信号在光纤中传输20公里与1550 nm窄线宽激光传输50公里的相位噪声抑制。初步的实验结果如图4所示。

图4 10 MHz氢钟信号光纤中传输20公里(左图)与1550 nm窄线宽激光光纤中传输50公里

团队成员介绍:

赵健 (项目负责人,副研究员)

邵显洁 (硕士研究生)主要从事光钟光频传递及远距离光钟频率比对研究

杭玉菊 (硕士研究生)主要从事微波频率传递及时间同步的研究

欢迎广大本科实习生、硕士、博士、博士后以及相关科研人员的加入,有志者请联系赵健老师(jianzhao@hust.edu.cn)。