提升非改造DWDM光网络光学频率传输精度的新方法及其在超精密时钟比对中的应用研究

《Journal of Lightwave Technology》：Improving Accuracy of Optical Frequency Transfer Over Non-Modified DWDM Optical Networks

本文针对标准密集波分复用(DWDM)光通信网络进行光学频率传输时存在的精度限制问题，提出了一种基于相位噪声相关性的数据后处理校正方法。研究人员通过分析1500公里DWDM链路的实验数据，发现前向与反向路径的差分相位波动与环回相位波动存在强相关性，并利用该特性开发了精度提升算法。实验结果表明，该方法可将频率比对不确定度降低至1×10-16以下，为光学原子钟的高精度比对提供了经济可行的解决方案。

　　

在当今精密计量领域，光学原子钟的精度已经达到10^-18量级，这为基础物理研究、大地测量和导航等领域带来了革命性的机遇。然而，如何将这种超高精度在远距离实验室之间进行传递，却成为一个亟待解决的技术挑战。传统的专用光纤链路虽然能够实现极高的传输精度，但需要铺设专用光纤和安装特殊设备，成本高昂且实施复杂，严重限制了其广泛应用。

目前，大多数研究机构仍依赖于全球导航卫星系统(GNSS)进行频率传递，但其精度仅限于10^-16量级，且需要长时间平均才能达到这一水平。相比之下，现有的密集波分复用(DWDM)光通信网络覆盖广泛、成本相对较低，是理想的光学频率传输媒介。但问题是，标准DWDM网络采用单向信号传输架构，无法实现传统双向传输中的相位噪声完美抵消，导致传输精度受到限制。

针对这一技术瓶颈，波兰AGH大学和波兹南超级计算与网络中心的研究团队在《Journal of Lightwave Technology》上发表了一项创新性研究，提出了一种能够显著提升非改造DWDM网络光学频率传输精度的方法。该方法的核心在于发现了一个关键现象：尽管在DWDM网络中前向和反向信号通过不同的物理路径，但两条路径的相位波动之间存在可预测的相关性。

研究人员开展此项研究的动机很明确：既然完全对称的双向传输在标准DWDM网络中不可行，那么能否通过数据处理的方式补偿这种不对称性带来的误差？团队通过理论分析和实验验证，证实了这一设想的可行性。

关键技术方法包括：1）建立描述DWDM链路不对称性的相位噪声模型，引入失配参数m量化前向/反向路径差异；2）设计主动稳相光学频率传输系统，使用声光调制器(AOM)进行实时相位校正；3）开发基于电压控制振荡器(VCO)校正信号的后处理算法，通过优化m值最小化频率比对误差；4）利用波兰PIONIER科学网络1500公里DWDM链路进行51天的连续相位波动监测；5）采用改进阿伦偏差(MDEV)评估校正前后频率传输稳定性的提升效果。

传播不对称性模型

研究团队首先建立了描述DWDM网络中传播不对称性的理论模型。他们发现，前向和反向光纤的相位波动存在线性关系：x_NB(t) = (1+m)x_NF(t)，其中m是小的失配参数。这一关系导致差分相位波动(x_NF-x_NB)与环回波动(x_NF+x_NB)之间存在强相关性，为后续校正方法提供了理论基础。

精度提升方法

基于上述发现，研究人员提出了一种创新的频率传输精度提升方法。核心思想是利用易于测量的环回相位校正信号(x_AOM)来估计难以直接测量的误差项(x_ERR)。通过公式x_{ERR_EST} = -[m/(2+m)]x_AOM计算误差估计值，然后对原始时钟比对结果进行校正。

失配参数确定

确定合适的失配参数m值是该方法成功的关键。研究人员发现，当时钟频率差的日间估值标准差最小时，对应的m值即为最优值。这一方法本质上是通过最小化校正后频率数据的非线性波动来确定最佳校正参数。

实验验证

团队在波兰PIONIER科学网络上建立了1500公里的地理环回链路进行实验验证。实验持续51天，记录了光纤链路的相位波动数据。为了模拟真实时钟比对场景，研究人员引入了具有特定噪声特性的虚拟光学时钟模型。

实验结果明确显示了环回相位波动与差分相位波动之间的强相关性，证实了理论模型的正确性。通过应用提出的校正方法，时钟比对的不确定度从3.5×10^-16降低到低于1×10^-16，提升幅度达4-8倍。

数据质量筛选条件

研究发现，并非所有时间段的数据都适合用于确定失配参数m。研究人员建立了两个数据质量筛选条件：环回相位波动的非线性程度阈值(th₁=0.2)和环回波动与比对结果的相关性阈值(th₂=0.8)。这些条件确保了校正方法的可靠性，建议时钟比对实验持续时间至少为10-15天。

时钟噪声影响分析

研究还评估了时钟自身噪声对方法效果的影响。当时钟的闪烁噪声( flicker noise)导致长期稳定度差于3×10^-17时，校正效果会显著下降。这表明该方法最适合用于高性能光学时钟的比对。

长期稳定性提升

通过应用校正方法，1500公里链路的频率传输稳定性显著提升。校正后的改进阿伦偏差(MDEV)在3小时平均后接近1×10^-16，1天平均后达到中10^-17量级。与先前报道的短距离链路结果相比，这一长链路的性能表现令人印象深刻。

研究结论表明，这种基于数据后处理的校正方法能够有效克服标准DWDM网络中的传播不对称性问题，实现接近专用光纤链路的频率传输精度。该方法的价值在于它不需要对现有电信基础设施进行任何硬件改造，大大降低了超高精度频率传输的实施门槛。

从应用前景来看，这项技术不仅可用于光学时钟的高精度比对，还能支持远程光学频率标准传递、精密光谱测量等多种需要高稳定频率参考的科学实验。更重要的是，一旦通过短期比对实验确定了特定光纤链路的失配参数m，该参数可用于后续的长期频率传输，实现对次级频率标准的高精度驯服。

这项研究的创新性在于将复杂的硬件问题转化为可通过算法解决的软件问题，为广泛分布的精密计量应用提供了实用化解决方案。随着光学时钟技术的不断进步和光纤网络基础设施的持续扩展，这种经济高效的高精度频率传输方法有望在基础科学研究和高技术产业中发挥越来越重要的作用。