光纤通信网中波长选择开关的时频传递性能 下载: 917次
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
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)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
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
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
对于频率信号,系统中由信号源产生的初始信号
式中
式中
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
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
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
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 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
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
WSS入射光在三种不同偏振态下频率信号的Allan偏差如
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
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) 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
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)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
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
实验过程中频率信号的相位波动如
实验过程中SR620测试时间信号的时延波动如
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
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。
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熊晓锋, 杨飞, 桂有珍, 蔡海文, 苏觉, 朱祖勍. 光纤通信网中波长选择开关的时频传递性能[J]. 中国激光, 2018, 45(1): 0106003. Xiong Xiaofeng, Yang Fei, Gui Youzhen, Cai Haiwen, Su Jue, Zhu Zuqing. Time-Frequency Transfer Performance of Wavelength Selection Switch in Optical Fiber Communication Network[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(1): 0106003.