长距离高精度光纤频率传输中若干科学问题的研究

Frequency transfer on fiber link with the good performance of low-attenuation, high reliability and anti-electromagnetic interference, have been used widely in many areas. The optical attenuation, dispersion, nonlinearity, optical scattering, and nonlinear phase noise of optical/electronic devices will distort the signal, resulting in the decrease of distance and precision of frequency transfer. Some unsolved scientific problems in high-precision frequency transfer over long-distance fiber link will be studied deeply in our research. We first study the mechanism of signal distortion, precision loss and nonlinear phase noise, then propose the compensation scheme and the noise elimination scheme, at last implement the new microwave-optics-atomics physical part to estimate the frequency transfer performance and improve the system's stability. We will carry out the high-precision frequency transfer experiments over 1000km long-distance fiber link with the stability of 1E-16(1000s).

光纤频率传输技术由于损耗低、稳定性高、抗电磁干扰能力强等特性而获得了广泛的应用。光纤衰减、色散、非线性、光散射等效应以及光/电器件的非线性相位噪声都会使信号产生畸变，严重降低了频率传输的距离和精度。我们将对光纤频率传输具有长传输距离与极高传输精度的场合下存在的尚未解决的基础科学问题展开深入的研究：光纤精密频率传输中信号畸变、精度损伤机理与补偿策略的研究；光纤精密频率传输过程中非线性相位噪声产生机理与消除策略的研究；利用微波-光-原子作用评价频率传输质量并提高系统长期稳定度性能。最后完成超过1000千米的长距离与高精度光纤频率传输实验，千秒稳定度达到1E-16。

光纤频率传输相比于卫星频率传输，具有传输精度高、抗干扰等优点。因此，把精密的频率信号通过光纤传输到远端，具有重要的科学意义和工程意义。然而在长距离频率传输中，频率信号会受到光纤衰减、色散、非线性效应以及光/电器件的非线性相位噪声的干扰，从而降低了信号的信噪比，影响了频率信号的精度。高精度的频率传输主要有两种方式。一种方式是利用光学频率梳传输在远端提取重复频率作为频率信号，第二种方式是将频率信号在本地端调制到连续光上，传输到远端。在基于光学频率梳和连续光的频率传输中，本项目中着重研究光纤精密频率传输中信号畸变、精度损伤机理与补偿策略的研究；光纤精密频率传输过程中非线性相位噪声产生机理与消除策略的研究；完成超长距离的高精度的光纤频率传输实验。..具体内容为：.1、研究连续光和锁模光在光纤频率传输中信号畸变的机制，如传输信号受色散、非线性现象等现象而产生畸变的机理。从非线性薛定谔方程出发，建立完整的光纤频率信号传输理论模型，进一步地为长距离频率传输提供理论依据。.2、研究提高基于光梳的光纤频率传输精度的方法。利用OM-PD（光-微波鉴相器）实现低相位噪声的频率调制、解调和相位测量方法。利用光滤波器实现色散抑制。完成了基于光学频率梳的200千米的高精密频率传输实验。.3、研究提高基于连续光的光纤频率传输精度的方法。使用电域移频和光域移频的方法解决节点散射和反射问题。实现基于连续光的1000千米和3000千米的长距离频率传输实验。.4、实现了一种新的在远端进行光纤频率传输稳定度评价的方法。研究了基于微波-光-原子相互作用的评价方法。