基于双光载波共模抑制环境温度致相位漂移的稳相射频光纤链路技术

《Photonics》：Common-Mode Suppression of Ambient Temperature-Induced Phase Drift in Phase-Stabilized RF Fiber Links Using Dual Optical Carriers

　　

环境温度波动会显著降低基于光纤的稳相射频（RF）传输系统的稳定性。本工作系统研究了此类退化的潜在机制。研究表明，在传统的单端架构中，源自激光源和本地射频组件的温度相关相位变化会直接在锁相环（PLL）中累积，导致显著的频率不稳定。为解决这一问题，研究人员提出了一种对称的双载波架构，通过在中心站和远端站分别引入独立的光载波。该配置将系统转变为差分参考方案，使温度引起的相位扰动呈现共模特性并得到有效抑制。同时，返回路径中对掺铒光纤放大器（EDFA）依赖性的降低，减轻了放大自发辐射（ASE）噪声和温度敏感的增益波动。实验结果表明，在约7 °C的环境温度变化下，链路延迟波动从超过15 ps降低至约1.2 ps。相应的频率稳定度在平均时间10,000 s时达到修正阿伦偏差（mADEV）为6.70 × 10?19，且无需严格的温度控制。这些结果验证了所提方法在实现鲁棒的高稳定度频率传递方面的有效性。

研究背景与问题

高精度时频同步网络、射电天文阵列及深空通信系统等前沿应用对长距离射频（RF）信号的超稳定传输提出了严苛需求。稳相传输技术虽已能有效补偿光纤链路自身引入的相位噪声，但现有研究多聚焦于链路扰动补偿，而对系统级环境扰动——特别是环境温度波动对传输系统中主动器件（如激光器、光电探测器、射频电子学组件）的影响——关注不足。传统单端架构中，单一光载波作为参考源，激光器和本地射频链路的温度相关相位变化会直接在锁相环（PLL）内累积，使得系统稳定性对环境温度高度敏感。尽管温控和工作点优化等方法被探索，但它们增加了系统复杂度且未能从根本上消除温度引发的不稳定性。因此，亟需一种能从原理上抑制环境温度致系统级相位扰动的架构。

研究内容与结论

为克服上述局限，研究人员提出了一种对称双载波稳相传输架构。通过在中心站和远端站分别引入独立光载波，系统从单端参考配置转变为对称差分拓扑结构，使温度引发的相位波动呈现强共模特性并被内在抑制。实验证明，在约7 °C的环境温度变化下，链路延迟波动从超过15 ps降至约1.2 ps；在平均时间10,000 s时，频率稳定度达到修正阿伦偏差（mADEV）为6.70 × 10^?19，且无需严格温控。该发现为理解稳相光纤链路中的温度噪声耦合提供了新见解，并建立了一种实现本质抗温频率传递的通用方法。

关键技术方法

1. 1.
   对称双载波差分架构：在中心站和远端站分别采用分布式反馈（DFB）模拟直调激光器（DML）产生独立光载波（波长分别为λ₁和λ₂），将系统转变为差分参考方案，利用共模抑制机制抵消两路温度相关相位扰动。
2. 2.
   集成化频率调制模块（FMM）与相位放大模块（PAM）：将关键射频组件单片集成，形成中心站的FMM和远端站的PAM，并整合至标准1U机箱，减小系统体积。
3. 3.
   直接混频测量法：通过比较恢复的远端信号与参考信号的相位差，从混频器输出电压极值确定相位差，进而推导时间延迟波动并计算频率稳定度。
4. 4.
   窄带光学滤波：使用中心波长分别为1550.918 nm和1550.116 nm、工作带宽小于0.1 nm的光学滤波器（OF），抑制放大自发辐射（ASE）噪声及无用光分量，提升恢复射频信号的信噪比（SNR）。

研究结果

3.1 传统架构的温度敏感性

在实验室环境（温度约24 °C至29.5 °C）下，传统单端系统的延迟波动与环境温度呈明显相关性。温度相对稳定时段（如40,000–50,000 s和100,000–130,000 s），延迟波动约2.5 ps；当环境温度变化超过约1 °C时，峰值延迟波动超过15 ps，表明传统架构对温度高度敏感。

3.2 优化双载波架构的性能

在约两天内环境温度于22.5 °C至29.5 °C间非平稳波动条件下，优化系统的总延迟波动保持在约1.2 ps以内。与未优化系统相比，峰值延迟波动从超过15 ps降至约1.2 ps。频率稳定度方面：未优化系统在变温环境下短期稳定度为1.60 × 10^?12/s，长期稳定度饱和于约2.71 × 10^?17/100,000 s；恒温环境下改善至1.28 × 10^?14/s（短期）和1.90 × 10^?18/10,000 s（长期）。优化系统在相同变温环境下，短期稳定度保持相似水平，长期稳定度提升至6.70 × 10^?19/10,000 s。此外，优化系统中PD1处测得的射频SNR从约46 dB提升至53.92 dB，归因于对EDFA依赖的降低。

讨论与结论

共模抑制与稳相机理：传统单端架构中，温度通过改变激光波长（Δλ = k_TΔT）、光纤折射率及长度、以及电子组件特性引入多个耦合相位误差源，这些误差沿同一参考路径累积并直接传递至PLL输出。双载波架构中，两个独立光载波的温度相关相位在差分检测下被转换为共模分量，当中心站与远端站环境温度高度相关时，该共模分量被有效抑制。

色散导致的残余差分效应：两光载波因波长不同经历不同群延迟。经定量评估，对于G.652光纤，50 km链路在7 °C温差下由色散和热膨胀引起的差分延迟变化约0.40 ps；实际实验中光纤盘温控在1 °C以内，对应变化小于0.058 ps，远小于实测1.2 ps残余波动，故不占主导。

光串扰与瑞利背向散射：法拉第镜（FM）的使用通过偏振旋转可缓解瑞利背向散射影响。在本双载波系统中，虽然未单独定量隔离瑞利散射贡献，但整体稳相性能表明残余光串扰未妨碍有效相位检测。

温度鲁棒性、局限性与实际意义：该架构的抗温能力受限于两端温度扰动的时空相关性。若两端温度变化不对称或快速去相关，差分扰动无法完全抑制。实际应用中，该方法适用于慢变或中等变化且空间相关的温度环境，可放宽对严格温控的需求，为复杂多变环境下的高稳射频频率传递提供实用解决方案。

结论：研究人员系统研究了环境温度波动对稳相RF传输系统的影响。传统单端架构中，激光源和本地RF组件的温度相关相位变化在PLL内累积导致稳定性退化。提出的对称双载波架构通过引入独立光载波，将系统转为差分配置，使温度诱导相位扰动变为共模分量并被有效抑制。实验结果显示，在约7 °C环境温度变化下，链路延迟波动从超过15 ps降至约1.2 ps；频率稳定度在平均时间10,000 s时达到修正阿伦偏差（mADEV）为6.70 × 10^?19，且无需严格温控。同时，对EDFA依赖的降低减少了ASE噪声和温度相关增益波动，同时保持了高质量RF检测。这些结果表明，所提架构显著增强了稳相RF传输系统对环境扰动的鲁棒性，放松了对严格热控的要求，为复杂多变运行环境下的高稳RF频率传递提供了实用方案。