AUTOREFERAT asystent, Katedra Elektroniki, Wydział Elektrotechniki, Informatyki, Automatyki i

Transkrypt

1 dr inż. Łukasz Śliwczyński Kraków, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki al. Mickiewicza Kraków tel fax sliwczyn@agh.edu.pl Wykształcenie: AUTOREFERAT Technikum Elektryczne ZSZ EMA Indukta im. Jurija Gagarina w Bielsku-Białej Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Elektroniki (EAiE) Stopnie i tytuły naukowe 1993 magister inżynier; praca magisterska Stanowisko laboratoryjne z procesorem sygnałowym ADSP211, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział EAiE 21 doktor nauk technicznych; praca doktorska Światłowodowa transmisja sygnałów z fluktuującą lokalną sumą cyfrową, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Wydział Elektrotechniki, Informatyki, Automatyki i Elektroniki (EAIiE) Zatrudnienie asystent, Katedra Elektroniki, Wydział Elektrotechniki, Informatyki, Automatyki i Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie 21- adiunkt, Katedra Elektroniki, Wydział Elektrotechniki, Informatyki, Automatyki i Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie od adiunkt, Katedra Elektroniki, Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie 1

2 Dorobek naukowy przedstawiany do oceny, związany ze światłowodowym transferem sygnałów czasu i częstotliwości I. Jednotematyczny cykl publikacji 1 Publikacje w czasopismach P1. P. Krehlik, Ł. Śliwczyński, Ł. Buczek, M. Lipiński: Fiber optic joint time and frequency transfer with active stabilization of the propagation delay, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, DOI 1.119/TIM , vol. 61, pp , 212, IF = (punktacja za rok 211) Habilitant ocenia swój wkład na 4%: opracowanie koncepcji łącznego transferu czasu i częstotliwości, analiza niepewności kalibracji transferu czasu, wykonanie pomiarów weryfikujących P2. Ł. Śliwczyński, J. Kołodziej: Bidirectional optical amplification in long-distance two-way fiber optic time and frequency transfer systems, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, DOI 1.119/TIM , praca w druku, dostępna online; IF = (punktacja za rok 211) Habilitant ocenia swój wkład na 95%: opracowanie modelu symulacyjnego łącza światłowodowego ze wzmacniaczami dwukierunkowymi, wykonanie pomiarów weryfikujących, koncepcja zastosowania optymalizacji minimax w odniesieniu do łącza dwukierunkowego, przygotowanie publikacji P3. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, Ł. Buczek, M. Lipiński: Frequency transfer in electronically stabilized fiber optic link exploiting bidirectional optical amplifiers, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, DOI 1.119/TIM , vol. 61, no. 9, pp , 212; IF = (punktacja za rok 211) Habilitant ocenia swój wkład na 8%: opracowanie koncepcji światłowodowego wzmacniacza dwukierunkowego, pomiary wrażliwości termicznej wzmacniaczy dwukierunkowych, pomiary stabilności transferu, analiza wyników, przygotowanie publikacji P4. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, Ł. Buczek, M. Lipiński: Active propagation delay stabilization for fiber optic frequency distribution using controlled electronic delay lines, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, DOI 1.119/TIM , vol. 6, pp , 211; IF = Habilitant ocenia swój wkład na 8%: opracowanie idei układu stabilizacji czasu propagacji, symulacja pracy układów linii opóźniającej w konfiguracji current starved, analiza współbieżności przestrajania linii opóźniających, pomiary stabilności transferu częstotliwości, przygotowanie publikacji P5. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, M. Lipiński: Optical fibers in time and frequency transfer, Measurement Science and Technology, vol. 21, DOI 1.188/ /21/7/7532, 21; IF = Habilitant ocenia swój wkład na 6%: zaproponowanie dwukierunkowej metody światłowodowego transferu sygnałów czasu i częstotliwości, opracowanie koncepcji badań eksperymentalnych i struktury publikacji, budowa układów pomiarowych i przygotowanie oprogramowania do akwizycji danych, analiza wyników 1 Oświadczenia określające indywidualny wkład współautorów są dołączone jako odrębne dokumenty. -2-

3 -3- Załącznik 2a P6. Ł. Śliwczyński: Feedforward compensation of propagation delay dependence in fiber-optic receivers for precise time transfer, DOI 1.188/ /21/12/1273, Measurement Science and Technology, vol. 21, no. 12 pp , 21; IF = Wkład habilitanta 1% P7. Ł. Śliwczyński: Resolving group delay of narrowband optical filters from their transmission characteristics, Opto-Electronics Review, DOI /s ,vol. 17, no. 3, pp. 4-46, 29; IF = Wkład habilitanta: 1% P8. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, Ł. Buczek: Optimisation of narrowband optical filters for 1 Gbit/s directly modulated laser transmitters, Optica Applicata, vol. 4 no. 1, pp , 21; IF =.347 Habilitant ocenia swój wkład na 5%: zaproponowanie idei filtracji optycznej, opracowanie modelu matematycznego, weryfikacja modelu, przygotowanie publikacji P9. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik: Increasing dispersion tolerance of 1 Gbit/s directly modulated lasers using optical filtering, AEU International Journal of Electronics and Communications, DOI 1.116/j.aeue , vol. 64, pp , 21; IF =.588 Habilitant ocenia swój wkład na 5%: zaproponowanie idei filtracji optycznej, wykonanie pomiarów i opracowanie wyników P1. A. Czubla, J. Konopka, M. Górnik, W. Adamowicz, J. Struś, J. Romsicki, M. Lipiński, P. Krehlik, Ł. Śliwczyński, A. Wolczko: Dwukierunkowa transmisja sygnałów czasu poprzez światłowód, Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 53, nr 9bis, 27, str Habilitant ocenia swój wkład na 1%: opracowanie i wykonanie układów odbiorczych dla sygnałów 1PPS i 5 MHz, analiza udziału elementów optycznych w niepewności wyników pomiaru, współudział w analizie i ocenie uzyskanych rezultatów Publikacje w materiałach konferencyjnych zagranicznych i krajowych K1. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, Ł. Buczek, M. Lipiński, J. Kołodziej: Fiber optic RF frequency transfer on the distance of 48 km with active stabilization of the propagation delay, 212 European Frequency and Time Forum, Gothenburg, Sweden, April 23-27, pp , 212 Habilitant ocenia swój wkład na 6%: projekt i wykonanie dwukierunkowych wzmacniaczy światłowodowych, zestawienie układu pomiarowego, optymalizacja łącza pod względem wnoszonego jitteru, opracowanie wyników pomiarowych K2. A. Czubla, R. Osmyk, P. Szterk, W. Adamowicz, M. Marszalec, Ł. Śliwczyński: Optical Fiber Time and Frequency Transfer inside Urban Telecom Network in Warsaw Results of Initial Tests, 212 European Frequency and Time Forum, Gothenburg, Sweden, April 23-27, pp , 212 Habilitant ocenia swój wkład na 2%: zaprojektowanie i wykonanie urządzeń odbiorczych, nadzór merytoryczny nad uruchomieniem aparatury elektro-optycznej w GUM, współudział w analizie i ocenie uzyskanych rezultatów K3. A. Czubla, Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, Ł. Buczek, M. Lipiński, J. Nawrocki: Stabilization of the propagation delay in fiber optics in a frequency distribution link using electronic delay lines: first measurement results, Proceedings of the 42nd Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, Reston, Virginia, November 15 18, pp , 21 Habilitant ocenia swój wkład na 23.3%: opracowanie koncepcji systemu kompensacji zmian czasu propagacji w łączu światłowodowym, uruchomienie systemu transferu w GUM, nadzór

4 merytoryczny nad funkcjonowaniem aparatury elektrooptycznej, współudział w analizie i ocenie uzyskanych rezultatów, przygotowanie części artykułu pokonferencyjnego K4. A. Czubla, J. Konopka, M. Górnik, W. Adamowicz, J. Struś, T. Pawszak, J. Romsicki, M. Lipiński, P. Krehlik, Ł. Śliwczyński, A. Wolczko: Comparison of precise time transfer with usage of multi-channel GPS CV receivers and optical fibers over distances of about 3 kilometers, Proceedings of the 38th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, Reston, Virginia, December 5 7, pp , 26 Habilitant ocenia swój wkład na 9.1%: zaproponowanie struktury modułowego systemu światłowodowego transferu czasu i częstotliwości, zaprojektowanie i wykonanie aparatury odbiorczej, nadzór merytoryczny nad funkcjonowaniem aparatury elektro-optycznej, analiza udziału elementów optycznych w niepewności wyników pomiaru, współudział w analizie i ocenie uzyskanych rezultatów, przygotowanie części artykułu pokonferencyjnego K5. M. Lipiński, P. Krehlik, Ł. Śliwczyński, A. Wolczko, Stability of the propagation delay in the time reference signal fiber optic transmission : XIII Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne, Poznań, 28 Habilitant ocenia swój wkład na 3%: wyznaczenie parametrów układów odbiorczych, pomiary w układzie transmisji dwukierunkowej K6. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, Evaluating group delay of optical filters : XIII Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne, Poznań,,28 Habilitant ocenia swój wkład na 6%: opracowanie metody wyznaczania opóźnienia grupowego filtrów na podstawie charakterystyki tłumienia, wykonanie pomiarów i opracowanie wyników K7. P. Krehlik, M. Lipiński, Ł. Śliwczyński, A. Wolczko: Światłowodowy system transmisji wzorcowych sygnałów czasu i częstotliwości, Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne 25, pp , Poznań, 25 Habilitant ocenia swój wkład na 3%: opracowanie ogólnej koncepcji systemu transferu czasu i częstotliwości, wykonanie układów odbiorczych, weryfikacja pracy systemu II. Zrealizowane prace wdrożeniowe A1. Dalekosiężne (~42 km) łącze światłowodowe do dystrybucji sygnałów czasu (1PPS) i częstotliwości (1 MHz); demonstrator technologii, pracujący pomiędzy Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM w Warszawie a Obserwatorium Astrogeodynamicznym CBK w Borowcu k. Poznania, 212 A2. Światłowodowy system transmisji sygnałów wzorca czasu (1PPS); zbudowany na zamówienie Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM w Warszawie, 29 A3. System światłowodowej transmisji sygnałów wzorca czasu i częstotliwości; pracuje pomiędzy Zegarem Głównym Odniesienia TPSA i Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM w Warszawie, 25 III. Referaty na spotkaniach polskiego środowiska metrologii czasu i częstotliwości R1. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, M. Lipiński, Ł. Buczek, J. Kołodziej: Transfer czasu w łączu światłowodowym: regeneracja sygnałów, XXVIII Spotkanie Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Atomowych Wzorców Czasu i Częstotliwości, AGH, Kraków,

5 R2. P. Krehlik, Ł. Śliwczyński, M. Lipiński, Ł. Buczek, J. Kołodziej: Łącze światłowodowe GUM AOS CBK; charakterystyka techniczna systemu, XXVIII Spotkanie Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Atomowych Wzorców Czasu i Częstotliwości, AGH, Kraków, R3. M. Lipiński, Ł. Śliwczyński, P. Krehlik: Światłowodowy transfer czasu i częstotliwości perspektywy techniczne w Polsce, TP SA, Warszawa, R4. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, M. Lipiński: Aktywna stabilizacja czasu propagacji łącza światłowodowego: pomiary w łączu dalekosiężnym, XXVI Spotkanie Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Atomowych Wzorców Czasu i Częstotliwości, GUM, Warszawa, R5. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik: Aktywna stabilizacja czasu propagacji łącza światłowodowego: idea i realizacja, XXV Spotkanie Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Atomowych Wzorców Czasu i Częstotliwości, GUM, Warszawa, R6. Ł. Śliwczyński, P. Krehlik, M. Lipiński: Dalekosiężna transmisja sygnału czasu przez światłowód - relacja z eksperymentu, XXIII Spotkanie Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Wzorców Czasu i Częstotliwości, IŁ, Miedzeszyn, R7. M. Lipiński, P. Krehlik, Ł. Śliwczyński: Time and frequency transfer via optical fiber in Poland, Meeting of Consultative Committee for Time and Frequency, Poznań, 21 th October 29 IV. Projekty badawcze finansowane przez MNiSW, NCN, NCBiR i EURAMET/UE B1. Dalekosiężna, dwukierunkowa transmisja wzorcowych sygnałów czasu w łączach światłowodowych ; grant MNiSW nr N N , realizowany w latach , kierownik B2. Opracowanie i badania podzespołów toru światłowodowego pod kątem przydatności do precyzyjnej transmisji wzorcowych sygnałów czasu ; grant rozwojowy MNiSW nr 5/R/T2/27/3, realizowany w latach 27-29, główny wykonawca B3. Transmisja wzorcowych sygnałów czasu i częstotliwości w łączu światłowodowym z aktywną stabilizacją czasu propagacji grant NCN DEC-211/3/B/ST7/1833 realizowany w latach , główny wykonawca B4. Dystrybucja wzorcowych sygnałów czasu i częstotliwości w optycznych sieciach telekomunikacyjnych, grant NCBiR, zakwalifikowany do finansowania, początek realizacji listopad 212, członek zespołu badawczego B5. European Metrology Research Programme (EMRP) Researcher Grant SIB2 REG1 stowarzyszony z Joint Research Project NEAT-FT Accurate time/frequency comparison and dissemination through optical telecommunication networks, finansowany wspólnie przez EURAMET i Unię Europejską,początek realizacji listopad 212, kierownik -5-

6 Ogólna charakterystyka profilu działalności naukowej habilitanta Załącznik 2a Pracę naukową rozpocząłem w 1993 roku, po ukończeniu studiów na wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Elektroniki (EAiE) Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, gdzie zostałem zatrudniony na stanowisku asystenta w Katedrze Elektroniki. Od samego początku moja działalność jest związana z zespołem dr hab. inż. Marcina Lipińskiego, która zajmuje się techniką światłowodową i systemami transmisji światłowodowej, ze szczególnym uwzględnieniem systemów przeznaczonych do zastosowań nietelekomunikacyjnych. W ramach działalności tego Zespołu brałem udział w pracach badawczych i eksperymentalnych nad łączami światłowodowymi, służącymi do przesyłania sygnałów zarówno cyfrowych jak i analogowych. Prace te można umieścić w kilku, częściowo zazębiających się obszarach. Pierwszą grupę stanowią prace związane z przesyłaniem łączami światłowodowymi analogowych sygnałów telewizyjnych w standardzie PAL. Ich celem było opracowanie systemu transmisyjnego, pozwalającego na przesyłanie sygnałów pomiędzy studiami telewizyjnymi lub też dosyłanie sygnału ze studia do nadajnika telewizyjnego. Istotnym wymaganiem dla tego typu systemu było, aby wielokrotne przesyłanie sygnału pomiędzy oddziałami studia telewizyjnego nie powodowało pogorszenia jakości sygnału. W ramach tych prac powstało kilka oryginalnych wersji systemów transmisyjnych [A11] 2, pozwalających na przesyłanie sygnałów w obrębie dużej aglomeracji miejskiej (tj. na dystansie 5 km), które były użytkowane przez wiele regionalnych ośrodków Telewizji Polskiej (m.in. w Poznaniu i Katowicach), TVN oraz Emitel. Doświadczenia zdobyte przy pracach nad systemami dla studiów telewizyjnych posłużyły nam też do opracowania systemów transmisji cyfrowej w oparciu o studyjne standardy SDI i HDSDI [A1], jak też kilku wersji wielokanałowych systemów przeznaczonych dla studiów radiowych [A8]. Wyniki prac były publikowane w czasopismach o zasięgu międzynarodowym [P39], [P33], [P31], a także przedstawiane na międzynarodowych i krajowych konferencjach [K33-K35]. W toku eksperymentów nad systemami dla telewizji studyjnej okazało się, że niektóre obrazy, zwłaszcza generowane cyfrowo, zawierają patologiczne sekwencje bitów, w obrębie których suma cyfrowa wykazuje lokalnie znaczne wahania. Tematyka ta była przedmiotem mojej rozprawy doktorskiej Światłowodowa transmisja sygnałów z fluktuującą lokalną sumą cyfrową, która powstała w ramach grantu promotorskiego [B8]. Ponadto wyniki były prezentowane na konferencjach [K3-K32] oraz w artykułach [P18] i [P22]. Kolejna grupa zagadnień dotyczyła prac nad układami sterowania i modulacji laserów półprzewodnikowych przeznaczonych dla systemów pakietowych (ang. burst-mode), które były prowadzone w ramach grantu [B7]. W wyniku powstał oryginalny układ, w którym punkt pracy lasera jest utrzymywany na wartości progowej [P2], [K2]. Powstała też wersja układu z polaryzacja podprogową i kompensacją czasu włączenia lasera [P17]. Ponadto opracowaliśmy model dynamiki lasera półprzewodnikowego, który dobrze odzwierciedla opóźnienie włączenia lasera i, w przeciwieństwie do modeli opartych na równaniach bilansu, nie wymaga dużej liczby parametrów [P21], [K26]. Model ten został zweryfikowany eksperymentalnie dla różnych laserów MQW i był wykorzystany do oceny jakości transmisji w przypadku podprogowej polaryzacji lasera [P19], [K24]. Następny obszar mojej działalności badawczej wiązał się z odbiornikami przeznaczonymi dla systemów pakietowych i był prowadzony w ramach grantu [B6]. Był on rozszerzeniem wcześniejszych prac, dotyczących odbiorników dla kodów niezrównoważonych oraz odbiorników pomiarowych [P3], [K31]. W ich wyniku opracowano kilka wariantów odbiorników, w tym oryginalny układ wykorzystujący filtrację preambuły do wytwarzania progu komparacji. Wyniki tych prac były tematem artykułów [P15], [P16] oraz prezentacji konferencyjnych [K16-K19], [K22]. Kolejny obszar to systemy zaprojektowane i zbudowane dla potrzeb pomiarów sygnałów w środowisku wysokich napięć oraz rejestracji silnych udarów prądowych. Są one wykorzystywane w Instytucie Elektrotechniki w Międzylesiu [A12] oraz na Politechnice Rzeszowskiej [A4]. Ponadto jestem współautorem kilku laboratoryjnych systemów pomiarowych przeznaczonych do badania łączy światłowodowych [P13], [P12], [K27], [K28], [K23], [K14], [K13], w tym miernika stopy błędów dla systemów 1 Gb/s, systemu do pomiaru zaszumionych wykresów oczkowych czy systemu do pomiaru jitteru. Praca Zespołu, którego jestem członkiem, łączy aspekty teoretyczne, symulacyjne i eksperymentalne. Staramy się, aby realizowane przez nas projekty zakończone zostały w formie działającego systemu transmisyjnego lub pomiarowego, gdyż w ten sposób można obiektywnie zweryfikować rozwiązania 2 Pozycje cytowane w tej części Autoreferatu są wyszczególnione w Załączniku 3a. -6-

7 układowe czy modele badanych zjawisk oraz krytycznie spojrzeć na proponowane koncepcje. Konieczność przeprowadzenia pomiarów laboratoryjnych oraz budowy przeznaczonych do tego stanowisk pomaga w ocenie poprawności uzyskanych wyników oraz w ich późniejszej analizie. Dzięki takiemu podejściu zdobyłem znaczne doświadczenie oraz wiedzę w zakresie projektowania różnego rodzaju systemów transmisji światłowodowej oraz badania i analizowania zjawisk powodujących zniekształcenia przesyłanych sygnałów. Doświadczenia wyniesione z pracy w Zespole stanowiły podstawę dla moich dalszych prac, związanych ze światłowodową transmisją sygnałów czasu i częstotliwości generowanych przez wzorce atomowe. Wyniki tych prac są przedstawione w dalszej części niniejszego autoreferatu. Opis dorobku naukowego przedstawianego do oceny, związanego ze światłowodowym transferem sygnałów czasu i częstotliwości W przeciągu ostatnich lat moje zainteresowania naukowo-badawcze skupiały się wokół zagadnienia przesyłania przez łącza światłowodowe precyzyjnych sygnałów wzorca czasu i częstotliwości. W efekcie doprowadziło to do opracowania nowatorskich metod przesyłania takich sygnałów, metod ich regeneracji optycznej przy użyciu specjalnie zaprojektowanych dwukierunkowych wzmacniaczy EDFA oraz metod optymalizacji łączy dalekosiężnych. Wyniki prowadzonych przeze mnie prac były publikowane w czasopismach znajdujących się w bazie JCR, prezentowane na konferencjach międzynarodowych i krajowych oraz przedstawiane podczas spotkań Międzylaboratoryjnej Grupy Roboczej ds. Porównań Krajowych Wzorców Atomowych, które pełni rolę krajowego forum skupiającego instytucje zainteresowane transferem czasu i częstotliwości. W spotkaniach tych biorą niejednokrotnie udział goście z zagranicy, m.in. Anglii (NPL), Czech (CESNET) czy Litwy (FTMC). Efektem mojej pracy jest też kilka pionierskich instalacji, które są obecnie używane i testowane przez Główny Urząd Miar w Warszawie (GUM) oraz Obserwatorium Astrogeodynamiczne w Borowcu k. Poznania (AOS). 1. Ogólna charakterystyka zagadnienia transferu czasu i częstotliwości Uzyskanie wysokiej precyzji sygnałów generowanych przez atomowe wzorce czasu i częstotliwości (np. zegary cezowe, masery wodorowe, fontanny cezowe) wymaga zagwarantowania stałości warunków ich pracy (temperatura, wilgotność, brak wibracji itp.). Ze względu na wysokie koszty utrzymania, laboratoria wykorzystujące tego typu wzorce często dysponują jednym lub dwoma, a tylko w wyjątkowych przypadkach większą liczbą zegarów. W Polsce liczbę zegarów atomowych można oszacować na kilkanaście, przy czym najlepiej pod tym względem są wyposażone Laboratorium Czasu i Częstotliwości Głównego Urzędu Miar w Warszawie (3 zegary cezowe + maser wodorowy) oraz Służba Czasu Obserwatorium Astrogeodynamicznego Centrum Badań Kosmicznych w Borowcu k. Poznania (2 zegary cezowe + 2 masery wodorowe). Pozostałe instytucje dysponujące takimi zegarami to Instytut Łączności, Centralny Wojskowy Ośrodek Miernictwa i TP S.A.. W zakresie wytwarzania polskiej atomowej skali czasu TA(PL) i UTC(PL) GUM współpracuje też z Departamentem Metrologii litewskiego Centrum Fizyki i Technologii (FTMC). Ocena parametrów wzorca atomowego oraz monitorowanie poprawności jego pracy są możliwe jedynie poprzez porównanie go z innym podobnym lub lepszym wzorcem. Zagadnienia te są także istotne przy wyznaczaniu atomowych skal czasu, jak np. skale narodowe UTC(PL), TA(PL) czy skale międzynarodowe UTC czy TAI, które dokonuje się na podstawie obliczenia średniej ważonej z obserwacji wielu zegarów. W tym celu jest potrzebne łącze, którego wpływ na parametry przesyłanego sygnału będzie pomijalny. W przypadku, gdy wielkością podlegającą porównaniu jest częstotliwość, istotnym parametrem łącza wykorzystywanego do transferu sygnału jest niestałość czasu propagacji; gdy wielkością porównywaną jest czas, wtedy dodatkowo istotna jest nie tylko stałość czasu propagacji łącza, ale też dokładna znajomość jego wartości. Obecnie najszerzej wykorzystywaną metodą jest porównywanie zegarów za pośrednictwem systemów nawigacji satelitarnej (GPS, GLONASS, a w przyszłości również GALILEO), co zapewnia niepewność porównań pomiędzy 1 ns, a fluktuacje czasu propagacji są rzędu kilkaset ps ns dla czasu uśredniania równego jednej dobie. Druga z wykorzystywanych metod, bazująca na satelitach geostacjonarnych (Two- Way Satellite Time and Frequency Transfer - TWSTFT), pozwala na uzyskanie parametrów teoretycznie lepszych niż metody wykorzystujące systemy nawigacji satelitarnej, ale wymaga też znacznie większych nakładów sprzętowych i nie zawsze może być wykorzystywana (warunkiem jest widzialność tego samego satelity z obydwu lokalizacji, w których znajdują się porównywane zegary). -7-

8 Satelitarne techniki transferu sygnałów czasu i częstotliwości nadają się zasadniczo jedynie do porównań zegarów, a nie do dystrybucji generowanych przez nie sygnałów. Jest to spowodowane niestałością czasu propagacji od źródła sygnału do odległego odbiornika poprzez troposferę i jonosferę ziemską, przy czym dodatkowym czynnikiem zakłócającym jest zmienność w czasie położenia satelity. Dzięki jednoczesnemu porównaniu zegarów po obu stronach łącza i późniejszemu przetwarzaniu danych jest możliwe skompensowanie tej części fluktuacji czasu propagacji, która w jednakowy sposób oddziałuje na wyniki porównań. Takie różnicowe techniki przetwarzania danych są wykorzystywane we wspomnianych wcześniej metodach transferu z użyciem GPS oraz TWSTFT. Oznacza to, że dostęp do sygnałów czasu i częstotliwości o dokładności i stabilności takiej, jaka zapewnia sam wzorzec atomowy jest zasadniczo możliwy jedynie w laboratorium, które taki wzorzec posiada. Od ok. dekady wiele narodowych instytutów metrologicznych (m.in. NIST USA, NMJI Japonia, PTB Niemcy czy LNE SYRTE Francja) prowadzi prace związane z wykorzystaniem światłowodów do transferu sygnałów czasu i częstotliwości. Prace tego typu są również prowadzone na AGH od 25 roku przy moim współudziale i współpracy ze strony Laboratorium Czasu i Częstotliwości głównego Urzędu Miar w Warszawie oraz Obserwatorium Astrogeodynamicznego w Borowcu, które jest częścią Centrum Badań Kosmicznych PAN. Zainteresowanie techniką światłowodową w zakresie transferu sygnałów czasu i częstotliwości jest spowodowane m.in. ograniczeniami związanymi z dokładnością transferu przy pomocy metod satelitarnych, które okazują się niewystarczające do porównywania nowych wzorców atomowych, jak np. fontanny cezowe. W zastosowaniu do transferu czasu kalibracja łącza światłowodowego nie wymaga odwoływania się do żadnych innych, uprzednio skalibrowanych systemów transferu ani też przenośnych wzorców czasu i może być wykonana z dokładnością rzędu kilku kilkudziesięciu pikosekund. Wartość ta jest o ok. dwa rzędy wielkości lepszą niż możliwa do osiągnięcia w systemach satelitarnych. Międzykontynentalny zasięg współczesnych sieci światłowodowych stwarza możliwość budowy dalekosiężnych łączy z wykorzystaniem istniejącej infrastruktury telekomunikacyjnej. Pozytywne doświadczenia pokazują, że współpraca pomiędzy operatorami sieci światłowodowych a instytucjami zainteresowanymi transferem sygnałów wzorcowych jest możliwa, gdyż operatorzy dostrzegają w tym potencjalne źródło nowej usługi, którą w przyszłości mogliby świadczyć. Testowe instalacje tego typu powstały w Japonii, Niemczech i we Francji, a w styczniu bieżącego roku również w Polsce. Było to możliwe dzięki współpracy Poznańskiego Centrum Superkomputerowo-Sieciowego, będącego operatorem naukowej akademickiej sieci PIONIER, TP S.A., AGH, GUM oraz AOS CBK. Wszystkie urządzenia do tej sieci zostały zaprojektowane i zbudowane w ramach kierowanego przeze mnie grantu MNiSW nr N N [B1] 3 realizowanego w Katedrze Elektroniki AGH. Poza wymienionymi wyżej czynnikami, wykorzystanie światłowodów stwarza możliwość uniezależnienia transferu sygnałów czasu i częstotliwości od systemów satelitarnych (bazujących w dużej mierze na systemie nawigacji satelitarnej GPS), co jest istotne z punktu widzenia m.in. ciągłości wyznaczania narodowej skali czasu, czasu urzędowego, czy działania urzędów zajmujących się kalibracją aparatury pomiarowej. 2. Opis osiągnięć związanych ze światłowodowym transferem sygnałów czasu i częstotliwości Pierwsze prace i badania prowadzone przeze mnie w zakresie przesyłania wzorcowych sygnałów czasu i częstotliwości dotyczyły światłowodowego systemu łączącego Zegar Główny Odniesienia (ZGO) TPSA oraz Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM w Warszawie [A3]. Zdjęcie kasety systemu zainstalowanego w pomieszczeniach GUM przy ul. Elektoralnej jest przedstawione na Rys. 1. Łącze to o długości ok. 3 km było początkowo przewidziane do przesyłania sygnałów z wzorców atomowych GUM do ZGO w celu zapewnienia rezerwowych źródeł synchronizujących dla sieci SDH, której operatorem jest TP S.A.. Składa się ono z sekcji przesyłających odrębnymi światłowodami jednomodowymi sygnały 5 MHz i 1 PPS (ang. Pules Per Second), które są generowane przez wzorce cezowe. Dla tego systemu zaprojektowano specjalne układy nadawcze i odbiorcze, odrębne dla sygnałów 5 MHz i 1 PPS, zoptymalizowane pod względem wnoszonego jitteru (moim wkładem był udział w opracowaniu ogólnej koncepcji całego systemu jak również zaprojektowanie i wykonanie układów odbiorczych dla sygnałów 5 MHz i 1 PPS). Pomiary systemu przeprowadzone w laboratorium CBR TP S.A. przy użyciu linii światłowodowej o długości ok. 58 km wykazały, że nie wnosi on mierzalnego pogorszenia stabilności przesyłanych sygnałów wzorcowych i spełnia z dużym zapasem postawione założenia projektowe, co 3 Cytowane pozycje są wyszczególnione na początku niniejszego Autoreferatu. -8-

9 Rys. 1. Zdjęcie kasety łącza światłowodowego zainstalowanej w Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM. potwierdził wewnętrzny raport TP S.A.. Opis budowy łącza oraz wyniki pomiarowe zostały przedstawione podczas konferencji [K7]. Ze względu na uzyskanie bardzo dobrych wyników podczas testów łącza zmieniona została początkowa koncepcja wykorzystania go jako jedynie systemu rezerwowego dla ZGO. Odwracając kierunek transmisji jednego z sygnałów 1 PPS oraz uzupełniając system o dwa cyrkulatory optyczne, zbudowany został system dwukierunkowej transmisji sygnału wzorca czasu wykorzystujący jedno włókno światłowodowe. W systemie tym możliwe jest porównywanie zegarów cezowych GUM z zegarami TP S.A., które do tej pory były porównywane za pomocą łącza satelitarnego GPS CV. Koncepcja ta oraz uzyskane wyniki pomiarowe były przedstawione na międzynarodowej konferencji poświęconej metrologii czasu [K4] w 26 roku oraz w późniejszej publikacji [P1]. W efekcie wykorzystaniu łącza światłowodowego do porównań zegarów dewiacja czasu (TDEV) transferowanych sygnałów zmniejszyła się kilkadziesiąt razy w stosunku do wartości uzyskiwanej za pomocą metody satelitarnej i jest poniżej 1 ps dla czasów uśredniania < 1 4 s. W związku z dobrymi wynikami pracy łącza dwukierunkowego pomiędzy GUM a ZGO zdecydowano, że łącze to będzie wykorzystywane do dowiązania zegarów atomowych ZGO do polskiej atomowej skali czasu TA(PL). Informacja na ten temat jest zawarta w rocznych raportach BIPM (np. BIPM Annual Report on Time Activities, Bureau International des Poids et Mesures, vol. 6, 211, str. 3). Według mojej wiedzy było to pierwsze na świecie wykorzystanie dedykowanego łącza światłowodowego do porównywania zegarów biorących udział w wyznaczaniu atomowej skali czasu i jak do tej pory jest jednym z nielicznych, pracującym od kilku lat w sposób nieprzerwany (w ww. raporcie BIPM wspominane jest jeszcze tylko łącze wykorzystywane w SYRTE do rozprowadzania sygnału z kriogenicznego oscylatora szafirowego). Kolejne moje prace skupiły się na ocenie wpływu długości łącza światłowodowego na jitter powstający przy przesyłaniu wzorcowych sygnałów czasu i częstotliwości. Osiągnięcie małej wartości jitteru skłania do transmitowania sygnałów o możliwie dużej stromości zbocza, co zmniejsza wpływ szumu amplitudowego powstającego w odbiorniku łącza światłowodowego. Zwiększanie długości łącza powyżej ok. 5 km (standardowego światłowodu jednomodowego) powoduje jednakże wzrost skumulowanej dyspersji chromatycznej, której wpływ na kształt transmitowanego sygnału nie może być pominięty. Jest to istotne, zwłaszcza w przypadku wykorzystania laserów z modulacją bezpośrednią, w których występuje migotanie (ang. chirp) adiabatyczne i dynamiczne. Zbocze transmitowanego sygnału wykazuje w takiej sytuacji charakterystyczne zniekształcenie w postaci zmniejszenia nachylenia lub przeregulowania (w zależności od wartości skumulowanej dyspersji i parametrów migotania lasera) w okolicy połowy wysokości impulsu, co skutkuje znaczącym zwiększeniem jitteru lub nawet uniemożliwia poprawną detekcję. Podobieństwo występujących problemów oraz dobre przygotowanie sprzętowe Laboratorium Optoelektroniki, Fotoniki i Światłowodowej Transmisji Danych AGH do tego typu pomiarów sprawiło, że prace te zostały połączone z rozważaniami na temat przesyłania sygnałów z modulacją bezpośrednią o szybkości 1 Gb/s. W ich efekcie opracowałem nową metodę, pozwalająca znacząco zwiększyć zasięg transmisji w łączach wykorzystujących bezpośrednio modulowane lasery DFB. Metoda ta wykorzystuje filtrację optyczną sygnału lasera za pomocą odpowiednio dobranego filtru pasmowo-przepustowego lub pasmowo-zaporowego, przy czym środkowa długość fali lasera jest położona na narastającym zboczu charakterystyki tłumienia filtru. Wyniki eksperymentalne zostały przedstawione w publikacji [P9], gdzie jako filtr wykorzystano światłowodową siatkę Bragg a pracującą jako transmisyjny filtr pasmowozaporowy. (Przykładowe przebiegi pomiarowe pochodzące z tej publikacji są przedstawione na Rys. 2.) -9-

10 1 ps 1 ps 1 ps 1 ps 1 ps 1 ps 6 ps/nm (35 km) 1 ps/nm (6 km) 17 ps/nm (1 km) Rys. 2. Poprawa wykresu oczkowego w wyniku zastosowania metody filtracji optycznej opisanej w pracy [P9]. Górne wykresy przebiegi bez filtracji, dolne przebiegi z filtracją optyczną na wyjściu lasera modulowanego bezpośrednio. (Fig. 4 w publikacji [P9]) Model matematyczny wraz z wynikami optymalizacji filtrów, zarówno zaporowych, jak i przepustowych został przedstawiony w publikacji [P8]. Istotną cechą zaproponowanego rozwiązania jest to, że filtr optyczny jest dobrany do parametrów migotania i modulacji lasera, a nie do długości linii światłowodowej (wartości skumulowanej dyspersji). Nadajnik taki może pracować zarówno w torach światłowodowych z kompensacją dyspersji chromatycznej, jak i w torach bez kompensacji. Przy okazji prac nad wyżej wymienioną metodą transmisji powstał problem pomiarowego wyznaczania charakterystyk opóźnienia grupowego filtrów optycznych. W tym celu zestawiono odpowiednie stanowisko pomiarowe, zawierające analizator sieci z szerokopasmowym transimpedancyjnym odbiornikiem światłowodowym oraz przestrajany laser półprzewodnikowy z zewnętrznym modulatorem, w którym przeprowadzono pomiary charakterystyk kilku różnych filtrów cienkowarstwowych oraz światłowodowych siatek Bragg a. Pomiary tą metodą były jednak bardzo pracochłonne i długotrwałe, co skłoniło mnie do poszukania innego rozwiązania. Z rozważań teoretycznych było wiadomym, iż niektóre rodzaje filtrów optycznych są minimalnofazowe, dlatego postanowiłem wyznaczać charakterystyki opóźnienia grupowego posługując się przekształceniem Kronig a-kramers a na podstawie zmierzonej charakterystyki tłumienia. Wyniki obliczeń były później group delay [ps] frequency [THz] (4) (5) 4 group delay [ps] measured wavelength [nm] Rys. 3. Charakterystyki opóźnienia grupowego optycznego filtru cienkowarstwowego wyznaczone wprost przy użyciu przekształcenia Kronig a-kramers a (linia przerywana) oraz metodą zaproponowaną w pracy [P7] (linia ciągła). Poniżej porównanie charakterystyki obliczonej i zmierzonej. (Fig. 7 w publikacji [P7]) -

11 weryfikowane za pomocą pomiarów. W ten sposób możliwe było wyznaczenie charakterystyki fazowej dla siatek Bragg a pracujących w trybie transmisyjnym, jak również transmisyjnych charakterystyk filtrów cienkowarstwowych. Wyniki te, wraz ze spostrzeżeniami na temat wpływu różnic pomiędzy charakterystykami zmierzonymi i obliczonymi, zostały zaprezentowane na konferencji [K6]. Ponadto opracowałem nową metodę obliczania przekształcenia Kronig a-kramers a dysponując ograniczonym zestawem próbek charakterystyki tłumienia filtru, która charakteryzuje się zmniejszonym błędem i jest bardziej odporna na zniekształcenie wyliczonej charakterystyki opóźnienia grupowego przez szum wnoszony przez analizator widma optycznego. Metoda ta, wraz w weryfikującymi ją wynikami pomiarowymi, została opisana w publikacji [P7], a Rys. 3 pokazuje przykład charakterystyki wyznaczonej różnymi metodami oraz porównanie charakterystyki obliczonej i zmierzonej. Kolejnym, badanym przeze mnie aspektem związanym ze światłowodowym transferem sygnału czasu była zależność czasu propagacji odbiornika światłowodowego od odbieranego poziomu mocy optycznej. Problem ten jest istotny z punktu widzenia kalibracji systemu, która mogłaby być utrudniona w przypadku znacznej zmienności czasu propagacji odbiornika. Wstępne pomiary, przeprowadzone w ramach grantu rozwojowego MNiSW nr 5/R/T2/27/3 Opracowanie i badania podzespołów toru światłowodowego pod kątem przydatności do precyzyjnej transmisji wzorcowych sygnałów czasu [B2], w którym byłem głównym wykonawcą pokazały, że dla badanych odbiorników można znaleźć optymalny zakres odbieranych mocy optycznych, w którym czas propagacji jest w przybliżeniu stały. Dla wielu odbiorników światłowodowych można przyjąć, że składają się one ze wzmacniacza transimpedancyjnego i następującego po nim stopnia formującego sygnał w postaci komparatora lub wzmacniacza-ogranicznika. Używając takiego modelu można wyjaśnić występowanie minimum opóźnienia wnoszonego przez odbiornik, gdyż czas propagacji wyjściowego stopnia formującego maleje ze wzrostem poziomu sygnału, natomiast, ze względu na ograniczoną szybkość narastania sygnału na wyjściu wzmacniacza transimpedancyjnego, jego czas propagacji zwiększa się z poziomem sygnału wejściowego. Dokładniejsze badania przeprowadzone dla różnego typu odbiorników światłowodowych pokazały, że położenie optymalnego zakresu pracy i zakres zmienności opóźnienia zależą od szczegółów konstrukcyjnych układu i mogą zmieniać się w dosyć szerokim zakresie, nawet dla układów o tej samej nominalnej szybkości pracy (na Rys. 4 są zebrane wyniki przeprowadzonych przeze mnie pomiarów dla kilku przykładowych odbiorników światłowodowych). W związku z tym postanowiłem opracować układ odbiorczy, który byłby pozbawiony tej wady i który ponadto wykazywałby małą zależność czasu propagacji od temperatury zewnętrznej. Odbiornik ten był częścią systemu światłowodowego, który został zamówiony w Katedrze Elektroniki AGH przez GUM [A2] i obecnie jest tam wykorzystywany do kalibracji elementów torów światłowodowych oraz do porównań zegarów na terenie aglomeracji warszawskiej (konferencja EFTF-212 [K2]). Odbiornik składa się ze wzmacniacza transimpedancyjnego oraz następującego po nim układu o regulowanym opóźnieniu. Sterowanie opóźnieniem jest realizowane poprzez mikrokontroler, który dispersion of t p [ps] MAX376+MAX3761 MAX3262+MAX input power [dbm] dispersion of t p [ps] SRC-48 G9822+ADCMP58 SFP AFCT57R-ATPZ FRM3Z231+ADCMP input power [dbm] Rys. 4. Zależność czasu propagacji odbiorników światłowodowych od poziomu odbieranego sygnału MAX376 (622 Mb/s), MAX3262 (1 Gb/s) Maxim SRC-48 Optical Communication Products (Oplink OCP) (2.5 Gb/s) G9822 Hamamatsu (2.5 Gb/s) AFCT57RATZP Avago (4.25 Gb/s) FRM3Z231 Fujitsu (2.5 Gb/s) 1-

12 input power [dbm] temperature [deg. C] Załącznik 2a Rys. 5. Mapa obrazująca niedokładność kompensacji odbiornika w zależności od temperatury i poziomu odbieranego sygnału. (Fig. 4 w publikacji [P6]) utrzymuje stały czas propagacji odbiornika na podstawie zmierzonych wartości aktualnej mocy optycznej oraz temperatury układu, dokonując dwuwymiarowej interpolacji w oparciu o zapisane w pamięci dane kalibracyjne. Szczegóły konstrukcji układu wraz z uzyskanymi wynikami zostały przedstawione w pracy [P6]. Mapa, obrazująca resztkową zależność czasu propagacji od temperatury i poziomu mocy optycznej jest przedstawiona na Rys. 5. Wynika z niej, że w całym przedstawionym zakresie błąd ten jest nie większy niż ±2 ps, podczas gdy w układzie bez kompensacji czas propagacji układu zmieniał się o ok. 6 ps. Jednocześnie w ramach wspomnianego powyżej grantu rozwojowego prowadziłem prace dotyczące transmisji sygnałów czasu i częstotliwości w łączach światłowodowych. W ich zakresie leżała ocena zależności czasu propagacji szklanych światłowodów jednomodowych od temperatury, jako że jest to główny czynnik degradujący jakość transmitowanego sygnału w łączu jednokierunkowym. W wyniku tych prac ustalono, że współczynnik termiczny jest rzędu 4 ps/(km K) i nie zależy on istotnie od typu światłowodu ani od długości fali. Zmierzona wartość wynika zasadniczo z zależności termicznej współczynnika załamania szkła, a pozostałe czynniki, jak np. termiczna zmiana długości są pomijalne. Zależność czasu propagacji od długości fali lasera nadawczego może być zredukowana do pomijalnych wartości bądź poprzez stabilizowanie temperatury lasera, bądź poprzez stabilizowanie długości fali z wykorzystaniem np. etalonu Fabry-Perot a. Wyniki tych prac zostały przedstawione w publikacji [P5], oraz podczas konferencji [K5]. Ponieważ łącze jednokierunkowe nie zapewnia wymaganej stabilności czasu propagacji jeśli dystans transmisyjny przekracza kilkaset metrów, badałem też przypadek łącza dwukierunkowego, które może być wykorzystane do porównywania zegarów. Przy transmisji sygnału w dwie strony przez ten sam światłowód teoretycznie jest możliwe zredukowanie różnicy czasów propagacji do zera, niemniej jednak w praktyce nie da się tego osiągnąć z kilku powodów. Jednym z nich jest występowanie rozproszenia Rayleigh a, które dociera do fotodiody odbiorczej wraz z sygnałem pożądanym i wskutek mieszania na jej nieliniowej charakterystyce konwertuje się na szum mogący poważnie zakłócić transmisję. Z tego powodu lasery 4 3 S/N [db] Detuning [GHz] Rys. 6. Zależność wartość S/N od rozstrojenia laserów w łączu dwukierunkowym o długości ok. 2 km 2-

13 nadające w przeciwnych kierunkach muszą być rozstrojone. Przykładową zależność stosunku sygnał/szum (S/N) w łączu dwukierunkowym w funkcji rozstrojenia laserów przedstawia Rys. 6. Dla światłowodu o długości ok. 2 km wartość S/N, dla rozstrojenia nie przekraczającego ok. ±3 GHz, jest rzędu 2 db. W tym zakresie, który wynika z pasma użytego podczas pomiaru odbiornika (ok. 2.8 GHz), szum powstający w fotodiodzie zawiera składnik pochodzący z mieszania rozproszenia Rayleigh a z sygnałem odbieranym oraz z samym sobą (selfbeating), przy czym ten pierwszy składnik jest dominujący. Zwiększanie rozstrojenia powoduje wzrost S/N o ponad 1 db, co wynika z przesunięcia się widma składnika pochodzącego z mieszania rozproszenia Rayleigh a z sygnałem odbieranym poza pasmo odbiornika. Należy też zwrócić uwagę na silne pogorszenie pracy łącza dla odstrojenia w okolicy ok. ±1 GHz, gdzie obserwować można efekty związane z wymuszonym rozpraszaniem Brillouina. Analiza wykresu prowadzi do wniosku, że jedynie dla krótkich łączy (o zasięgu poniżej 3-4 km) mogą być wykorzystywane lasery pracujące na tej samej długości fali. Łącza dłuższe mogą albo wykorzystywać rozstrojenie rzędu 7-8 GHz, albo powyżej kilkunastu GHz. Dodatkowo, rozstrojenie laserów pozwala na wykorzystanie filtrów optycznych, dzięki którym można znacząco zredukować szum powstający na skutek mieszania rozpraszania Rayleigh a z samym sobą. Potwierdzeniem tych wniosków jest wykres przedstawiony na Rys. 8 w pracy [P5], pokazujący zależność jitteru od długości łącza dla różnych sposobów odbioru sygnału. Negatywnym skutkiem rozstrojenia laserów nadawczych jest niezerowa różnica czasów propagacji w przeciwnych kierunkach, jak również jej zależność termiczna. Spowodowana jest ona zależnością współczynnika dyspersji chromatycznej światłowodu od temperatury, który jest różny dla różnych typów światłowodów, niemniej jednak jego wartość zwykle nie przekracza 8 fs/(nm km K). Oznacza to, że przy rozstrojeniu laserów o 5 GHz łącze wykorzystujące transmisję dwukierunkową w tym samym światłowodzie pozwoli uzyskać o 4 rzędy wielkości lepszą stabilność w stosunku do łącza jednokierunkowego. Pomiary przeprowadzone z użyciem światłowodów na szpulach o długościach 4 i 6 km, które były poddawane zmianom temperatury rzędu 2 C, pokazały termiczne fluktuacje różnicy czasów propagacji na poziomie 2-3 ps pp [P5]. Na Rys. 7 pokazane są wyniki podobnych pomiarów dla łącza o długości 16 km, przy czym tylko 8 km było umieszczone w komorze termicznej. Były one prezentowane m.in. podczas spotkania Międzylaboratoryjnej Grupy Roboczej ds. Porównań Krajowych Wzorców Atomowych [R6], aby wskazać na bardzo duży potencjał związany ze światłowodowym transferem sygnałów czasu i częstotliwości. Dodatkowym czynnikiem wpływającym degradująco na transfer światłowodowy jest dwójłomność światłowodu, będąca przyczyną dyspersji polaryzacyjnej. W czasie prowadzonych badań zaobserwowano jej wpływ, niemniej jednak nie był on bardzo duży. Późniejsze doświadczenia przeprowadzane z wykorzystaniem rzeczywistych linii światłowodowych pokazały, że problem związany z dyspersją polaryzacyjną nie jest tak duży jak początkowo sądzono. Zjawisko to manifestuje się znacznie mocniej, gdy światłowód jest ciasno nawinięty na szpuli ze względu na stosunkowo duże naprężenia, którym jest on poddawany. Poszczególne zwoje ocierają się o siebie podczas nagłych zmian temperatury wymuszanych w 2 19 τ AB- τ BA [ps] (τ AB- τ BA ) = 3 ps ~.47 ps/nm km < 5 ps temperatura światłowodu [ C] T = czas [dni] Rys. 7. Zmienność czasu propagacji w dwukierunkowym łączu światłowodowym o długości 16 km (8 km w zmiennej temperaturze) 3-

14 komorze termicznej, co było przyczyną zauważalnych trzasków w przebiegach różnicy czasów propagacji. Problem ten może być znacząco zredukowany przez wprowadzenie skramblowania polaryzacji, co również zostało pokazane w pracy [P5]. Różnice czasów propagacji w powyżej opisanych eksperymentach są na poziomie pojedynczych pikosekund i były mierzone w przeciągu wielodniowych sesji pomiarowych. Do przeprowadzenia takich pomiarów konieczne było zaprojektowanie i zestawienie odpowiedniego stanowiska pomiarowego, w którym fluktuacje opóźnienia podstawy czasu wykorzystywanego oscyloskopu (rama HP8348A + wkładka o paśmie 4 GHz HP83485B) nie wpływałyby znacząco na wynik pomiaru (Rys. 8). Układ jest zbudowany w ten sposób, aby czas propagacji zarówno w torze pomiarowym jak i w torze wyzwalania oscyloskopu były bardzo zbliżone do siebie, dzięki czemu ten sam impuls, który wyzwala oscyloskop jest jednocześnie mierzony. Dodatkowo, aby zredukować wpływ jitteru wnoszonego przez sam oscyloskop (był on na poziomie 1-2 ps) pomiary przeprowadzano rejestrując przez czas ok. 1 s histogram dla każdego z mierzonych zboczy i wyznaczając różnicę czasów propagacji jako różnicę średnich wartości obliczonych z histogramów. Sterowanie zestawem pomiarowym, zbieranie i obróbka danych były kontrolowane przez komputer z poziomu programu Matlab, a cały zestaw pomiarowy był umieszczony w pomieszczeniu o ograniczonym dostępie, aby zmniejszyć wpływ zmian temperatury zewnętrznej na uzyskiwane wyniki. Pomimo tego, poza fluktuacjami różnicy czasów propagacji, które są skorelowane ze zmianami temperatury światłowodu i mogą być wytłumaczone termicznymi zmianami współczynnika dyspersji chromatycznej, na Rys. 7 jest też widoczny narastający trend w pierwszej części przebiegu oraz artefakty o dobowym okresie, które najprawdopodobniej wynikają ze szczątkowego wpływu zmian temperatury zewnętrznej na cały zestaw pomiarowy. 1 MHz OCXO Fiber Under Test placed on spools West Transmitter Polarization Scrambler Optical Circulator T=2 K Optical Circulator Polarization Scrambler East Transmitter on/off Optical Splitter From East Transmitter Optical Switch A B From West Transmitter on/off τ AB τ BA EDFA EDFA Receiver Receiver Ch. In HP8348 Oscilloscope Trigger Rys. 8. Schemat blokowy zestawu pomiarowego używanego do mierzenia różnicy czasów propagacji w światłowodowym łączu dwukierunkowym. (Fig. 7 w publikacji [P5]) Prace prowadzone do tej pory dotyczyły dwukierunkowych łączy światłowodowych przeznaczonych do porównywania zegarów, które ze swej natury nie pozwalają na dystrybucję sygnałów wzorcowych do użytkowników nie posiadających własnych zegarów atomowych. Następnym krokiem było podjęcie badań zmierzających do zbudowania łącza posiadającego taką funkcję, przy czym w początkowej fazie założono, że dystrybucja będzie dotyczyć tylko sygnałów częstotliwości. W tym celu opracowano nowatorską metodę stabilizacji czasu propagacji łącza światłowodowego, która wykorzystuje przestrajane elektroniczne linie opóźniające. Schemat blokowy takiego łącza, zaczerpnięty z publikacji [P4], jest pokazany na Rys. 9. Łączem tym może być przesyłany sygnał o częstotliwości 5/1/1 MHz, otrzymywany np. z wzorca cezowego lub masera wodorowego. Wyniki prac eksperymentalnych były na bieżąco raportowane na IN sin 5 MHz Former Jitter Cleaner Stepper 5 MHz 5 MHz 5 MHz Charge Pump Loop Filter - τ τ Matched Delay Lines TXF RXB Fiber 2-6 km RXF TXB Jitter Cleaner Low-pass filter OUT sin 5 MHz Rys. 9. Schemat blokowy układu stabilizacji czasu propagacji w łączu światłowodowym. (Fig. 5 w publikacji [P4]) 4-

15 V dd V dd V dd M U M 1 M 1 51 µm In V ctrl M 2 M 3 V dd C Out 25 µm controlled delay lines 2 x 4 sections phase comparator M L M 4 M 4 Rys. 1. Schemat pojedynczego stopnia linii opóźniającej wraz z mikrofotografią całego układu. (Fig. 3 w publikacji [P4]) spotkaniach Międzylaboratoryjnej Grupy Roboczej ds. Porównań Krajowych Wzorców Atomowych [R3- R5] w celu zapoznania środowiska metrologii czasu z właściwościami opracowanej metody i opracowania planów jej praktycznego zastosowania. Inne, znane z literatury rozwiązania problemu stabilizacji czasu propagacji łącza światłowodowego, wykorzystują mechanicznie lub termicznie regulowane linie opóźniające lub skomplikowane układy pętli fazowych (tzw. phase conjugator). Rozwiązanie, którego jestem współautorem, jest znacznie prostsze i cechuje się niewielkimi rozmiarami (w przeciwieństwie do innych układów opisywanych w literaturze, które mają raczej charakter instalacji eksperymentalnych), dzięki czemu może wzbudzić zainteresowanie użytkowników niedysponujących własnym zegarem atomowym a potrzebujących ciągłego dostępu do stabilnego sygnału wzorcowego. Omawiany system transferu sygnału częstotliwości tworzy pętlę sprzężenia zwrotnego typu DLL (delay locked loop), która dzięki użyciu dwóch współbieżnie przestrajanych linii opóźniających pozwala uniezależnić czas propagacji sygnału pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem od (termicznych) fluktuacji czasu propagacji toru światłowodowego. O jakości pracy całego łącza decyduje stopień współbieżności przestrajania linii opóźniających, który zgodnie z założeniem nie powinien przekraczać kilkudziesięciu pikosekund przy zakresie przestrajania rzędu 1 ns (co jest wystarczające do skompensowania sezonowych zmian opóźnienia w łączu o długości ok. 1 km). Ponieważ układy o takich parametrach nie są komercyjnie dostępne, konieczne było opracowanie i wykonanie odpowiedniego układu scalonego ASIC. We wstępnym etapie projektu, na podstawie symulacji ustalono, że ze względu na wymaganie dobrego dopasowania dwóch kanałów, najodpowiedniejszą konfiguracją linii opóźniających będzie układ oparty o inwertery CMOS pracujące w strukturze current starved. Układ taki, zawierający oprócz linii opóźniających komparator fazy (bez strefy martwej i histerezy) wykonano w technologii AMS.35µm (Rys. 1). Każda z linii opóźniających zawiera 4 elementarnych stopni, co daje łączny zakres regulacji opóźnienia przekraczający 12 ns, przy czym za użyteczny należy uznać zakres ok. 9 ns, w którym niedopasowanie obydwóch kanałów nie przekracza 3 ps. Pierwsza wersja omawianego systemu była testowana niezależnie w naszym laboratorium na AGH oraz Rys. 11. Pierwsze testy systemu dystrybucji wzorca częstotliwości z komparatorem fazy A7-MX (Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM, maj 21). 5-

16 w Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM (Rys. 11). Uzyskane wyniki są bardzo zbliżone pomimo zastosowania całkowicie odmiennych metod pomiarowych do oceny niestabilności czasu propagacji łącza w GUM był używany precyzyjny komparator fazy A7-MX, natomiast w AGH wykorzystywaliśmy oscyloskop samplingowy HP8348A z wkładką HP83485B o paśmie 4 GHz. Ponadto podczas pomiarów w AGH wykorzystywano rzeczywistą, podziemną linię światłowodową o długości ok. 6 km, udostępnioną nam przez TP S.A., w której zmierzono zmianę czasu propagacji o ok. 8 ns w okresie wykonywania testów łącza. Pomiary w GUM były przeprowadzane wykorzystując nawinięty na szpuli odcinek światłowodu o długości 2 km, który był wystawiony na duże dobowe wahania temperatury (rzędu 2 C) szacowana dobowa zmienność czasu propagacji jest w tym wypadku ok. 16 ns. W obydwu przypadkach resztkowe fluktuacje czasu propagacji są na poziomie ok. ±5 ps pp, co oznacza redukcję o ok. 3 rzędy wielkości. Uzyskane wartości odchylenia Allan a (ADEV) przy czasie uśredniania równym jednej dobie są na poziomie 3 1 7, co jest wartością porównywalną z uzyskiwanymi w innych układach znanych z literatury i pracujących z reguły z sygnałami o znacznie większych częstotliwościach (1 GHz). Nie zaobserwowano też dobowych fluktuacji czasu propagacji łącza badanego w GUM. Osiągnięta w naszym rozwiązaniu wartość odchylenia Allana jest na tyle mała, że może być ono wykorzystane do dystrybucji sygnału częstotliwości ze wszystkich współcześnie wykorzystywanych wzorców atomowych, łącznie z fontannami cezowymi, bez wprowadzania mierzalnego wpływu na sygnał wzorcowy. Przeprowadzono wiele długotrwałych (kilku-kilkunastodniowych) serii pomiarowych, które potwierdziły poprawną pracę opracowanego systemu stabilizacji czasu propagacji linii światłowodowej. Testy te były przeprowadzane na dystansach o różnej długości, od kilkudziesięciu km do ok. 22 km. W liniach o długości powyżej 1 km konieczne było użycie wzmacniaczy optycznych EDFA celem skompensowania tłumienia wnoszonego przez światłowody oraz złącza optyczne. Wyniki tych pomiarów wraz z rozważaniami na temat dwukierunkowych wzmacniaczy światłowodowych są przedstawione w publikacji [P3]. Wykorzystane w pomiarach wzmacniacze EDFA zostały opracowane i wykonane przeze mnie, jako że dostępne na rynku układy standardowe nie nadają się wprost do wykorzystania w łączach dwukierunkowych. Przeprowadzone eksperymenty laboratoryjne wykorzystujące standardowe wzmacniacze EDFA pokazały, że budowanie z ich udziałem układów dwukierunkowych nie jest korzystne z punktu widzenia transferu częstotliwości ze względu na wpływ temperatury na różnicę czasów propagacji. Ponadto w układach takich jest praktycznie niemożliwe zapewnienie jednakowych czasów propagacji w obydwóch kierunkach, co w znaczącym stopniu komplikuje kalibrację systemu transferu czasu. Z tego względu zdecydowałem się na wykorzystanie wzmacniaczy, w których wzmocnienie sygnału w obydwóch kierunkach odbywa się w tym samym odcinku włókna domieszkowanego erbem (SPBA Single Path Bidirectional Amplifier). W publikacji [P3] opisane są wyniki pomiarowe uzyskane w łączach wykorzystujących od jednego do trzech takich wzmacniaczy (Rys. 12). Otrzymane wartości odchylenia Allana okazały się być w bardzo małym stopniu zależne od długości łącza i dla jednodobowego czasu uśredniania są na poziomie 1 7. Niewielka poprawa w stosunku do pierwszych wyników opisanych w reference curve for Cs fountain 224 km, stabilized link 124 km, stabilized link optical noise floor with 2 db attenuator electrical noise floor 62 km unstabilized link 62 km stabilized link ADEV σy(τ) averaging time τ [s] Rys. 12. Odchylenie Allana dla łączy ze stabilizacją czasu propagacji wykorzystujących dwukierunkowe wzmacniacze EDFA. Dla referencji pokazano również ADEV dla łącza bez stabilizacji oraz ADEV fontanny cezowej. (Fig. 9 w publikacji [P3]) 6-

17 13 25 main signal from W to E S/B [db] SPBA ~62 km ~62 km S/B [db] W SPBA ~2 km ~5 km main signal from E to W E a) SPBA gain [db] SPBA gain [db] Rys. 13. Zależność stosunku sygnału do pojedynczego rozproszenia Rayleigh a dla łączy z jednym wzmacniaczem SPBA. (Fig. 4 publikacji [P3]) publikacji [P4] jest spowodowana najprawdopodobniej zmniejszeniem zmian temperatury w pomieszczeniu, w którym umieszczona była aparatura pomiarowa. Jedynie dla najdłuższego z badanych łączy widać na wykresie odchylenia Allana pik w okolicy 4 s, co jest oznaką dobowych fluktuacji czasu propagacji. Fluktuacje te są również wyraźnie widoczne na Rys. 8b zawartym w publikacji [P3]. Można je wytłumaczyć niedopasowaniem charakterystyk przestrajania linii opóźniających, które dla zmian czasu propagacji toru światłowodowego o długości 22 km (zawierającego 12 km światłowodu umieszczonego w ziemi oraz 1 km na szpulach umieszczonych w laboratorium, gdzie obserwowano wahania temperatury rzędu 5 C) można oszacować na ok. 3 ps. Wzmacniacze SPBA przenoszą również sygnały powstające we włóknie światłowodowym na skutek rozpraszania Rayleigh a. W publikacji [P3] zawarto wyniki pomiarowe, które pokazują, że osiągany na końcach łącza stosunek sygnału pożądanego do sygnałów rozproszonych (S/B) jest zależny od wzmocnienia wzmacniacza. W przypadku, gdy łącze jest symetryczne, wartość S/B po obydwu stronach łącza osiąga maksimum dla tej samej wartości wzmocnienia wzmacniacza, natomiast jeśli światłowody po obydwu stronach wzmacniacza mają różne długości występują dwa maksima, oddzielnie dla każdego kierunku (Rys. 13). Jest to spowodowane tym, że sygnał rozproszony na końcu łącza składa się z sygnału rozproszonego przed wzmacniaczem, którego moc nie zależy od wzmocnienia wzmacniacza, oraz zależnego od wzmocnienia sygnału rozproszonego za wzmacniaczem. Od wzmocnienia zależy też moc sygnału odbieranego skąd widać, że pewna wartość wzmocnienia będzie skutkowała optymalną wartością S/B. Sygnały rozproszone docierające do fotodiody odbiorczej podlegają w niej mieszaniu, skutkując jitterem. Dla łączy opisanych w publikacji [P3] wzmocnienia wzmacniaczy były dobierane metodą prób i błędów, obserwując sygnały odbierane analizatorem optycznym widma (Rys. 14). Metoda taka, poza jej oczywistymi wadami, może być wykorzystywana jedynie w warunkach laboratoryjnych, gdzie obydwa końce łącza są dostępne. W przypadku łączy dalekosiężnych, wykorzystujących długi łańcuch wzmacniaczy SPBA, potrzebna jest metoda, pozwalająca na dobranie odpowiednich wzmocnień oraz ocenę jakości transmisji. Ocena ta musi bazować nie tylko na mocy sygnału rozproszonego, ale uwzględniać też inne sygnały, które są przyczyną jitteru na wyjściu odbiornika światłowodowego. b). main signal SBR db Rayleigh bacskatter Brllouin sidelobes Rys. 14. Widmo sygnału na końcu łącza dwukierunkowego, z widocznym sygnałem odbieranym oraz sygnałem rozproszenia Rayleigh a. Widoczne są również sygnały pochodzące ze spontanicznego rozpraszania Brillouina. (Fig. 6a publikacji [P3]) 7-

18 3 SNR 26.7 db SNR 26.7 db SNR [db] 2 1 SNR E SNR W 25 2 G1opt 15 db G2opt db 1 1 G2 [db] 5 5 W związku z tym rozważyłem kilka modeli, które poza pojedynczym rozpraszaniem Rayleigh a uwzględniają wielokrotne rozpraszanie Rayleigh a, emisję spontaniczną wzmacniaczy domieszkowanych erbem (ASE), szum powstający z konwersji szumu fazowego laserów na szum intensywności, szum śrutowy związany z fotodetekcją oraz szum wzmacniacza transimpedancyjnego. W modelach tych jest wyznaczana całkowita wartość skuteczna szumu na wyjściu odbiornika z uwzględnieniem efektów mieszania różnych składowych pomiędzy sobą na nieliniowej charakterystyce fotodiody. Dzięki nim można wyznaczyć stosunek sygnał/szum (S/N) po obydwu stronach łącza jak również wynikający stąd jitter. Poszczególne wersje modeli różnią się sposobem wyznaczania sygnałów pochodzących z rozpraszania Rayleigh a w wersji opublikowanej w pracy [P2] wykorzystywane jest bezpośrednie sumowanie poszczególnych składników, co pozwala uwzględnić pojedyncze i podwójne rozpraszanie Rayleigh a dla sygnału oraz pojedyncze rozpraszanie Rayleigh a dla ASE. Dwie pozostałe wersje (dotychczas nie opublikowane) wykorzystują metodę macierzy transmisyjnych, dzięki czemu możliwe jest uwzględnienie dodatkowo wszystkich sygnałów pochodzących z wielokrotnego rozpraszania i różnych wzmocnień wzmacniaczy w dwóch kierunkach (w wersji z macierzami 4x4) oraz uwzględnienie układów blokujących sygnały pomiędzy wzmacniaczami SPBA (w wersji z macierzami 6x6). Ze względu na zmniejszający się wpływ sygnałów rozproszonych wyższego rzędu wszystkie ww. modele dają praktycznie takie same wyniki w przypadku równych wzmocnień wzmacniaczy oraz braku w torze optycznym układów blokujących sygnały rozproszone. Analiza teoretyczna przeprowadzona w publikacji [P2] pokazuje, że łącza tego typu powinny pracować na dystansach do ok. 1 km z jitterem ok. 1 ps, zakładając odpowiednio częstą regenerację sygnału (co ok. 3 km). Maksymalny zasięg łącza z jednym wzmacniaczem SPBA wynosi ok. 2 km. Dysponując modelem łącza można wyznaczyć wzmocnienia wzmacniaczy w taki sposób, aby przy założonej ich liczbie oraz odległościach pomiędzy nimi uzyskać najkorzystniejszy stosunek S/N. Zadanie to może być sformułowane w formie problemu optymalizacyjnego minimax, co zostało zaproponowane w pracy [P2]. Przykład obrazujący działanie tej metody jest przedstawiony na Rys. 15 dla asymetrycznego łącza z dwoma wzmacniaczami i tłumieniami torów światłowodowych równych 1 db, 16 db i 14 db (co odpowiada dystansom ok. 4 km, 7 km i 6 km standardowego światłowodu jednomodowego w III oknie transmisyjnym). Widoczne tam dwie powierzchnie przecinają się wzdłuż krzywej a optymalne wzmocnienia wzmacniaczy odpowiadają jej wierzchołkowi. Odsunięcie się od punktu wierzchołkowego powoduje bądź zmniejszenie się wartości S/N po obu stronach łącza, bądź zwiększeniu się jednej kosztem drugiej. Zaproponowana metoda optymalizacji łącza pozwala też uwzględnić dodatkowe ograniczenia, których spełnienie jest konieczne w praktyce. Są to np. ograniczenie mocy na wyjściu każdego ze wzmacniaczy poniżej progu na wymuszone rozpraszanie Brillouin a, czy też ograniczenie stosunku sygnału do ASE. Model łącza przedstawiony w publikacji [P2] był weryfikowany eksperymentalnie dla łączy z jednym, dwoma i trzema wzmacniaczami SPBA. Przykładowe wyniki tej weryfikacji dla różnych konfiguracji łącza są zawarte w Tabeli 1. Można z niej wywnioskować, że obliczone wartości wzmocnień wzmacniaczy oraz wartości jitteru bardzo dobrze zgadzają się z wartościami zmierzonymi G1 [db] Rys. 15. Powierzchnie stosunku S/N dla łącza z dwoma wzmacniaczami SPBA. (Fig. 4 w publikacji [P2]) 2 25

19 Tabela 1. Wyniki weryfikacji eksperymentalnej modelu łącza z trzema wzmacniaczami SPBA Link I spans A+B+C+D 2 x DML Agere D2555 P E = 2.3 dbm, P W = 2 dbm γ P S = 13ps Link II spans C+A+B+D 2 x EML Multiplex MTX52EW P E = dbm, P W = dbm γ P S = 8ps parameter calculated measured calculated measured G 1 [db] G 2 [db] G 3 [db] σ je [ps] σ jw [ps] SNR E [db] SNR W [db] Tabela 2. Zestawienie parametrów łącza testowego o długości 48 km wraz z wyliczonymi wzmocnieniami wzmacniaczy SPBA Span number Length [km] Attenuation [db] Dispersion [ps/(nm km)] Gain [db] Fiber type L SMF SMF-28 + LEAF L L LEAF 8.3 L SMF L SMF SMF-28 + LEAF L L SMF L SMF L SMF-28 Total: Przedstawiona metoda optymalizacji została również wykorzystana w projekcie łącza dalekosiężnego o długości 48 km i zawierającego 8 wzmacniaczy dwukierunkowych SPBA. Eksperyment ten był pomyślany jako laboratoryjny test łącza, które miało być zainstalowane na trasie Warszawa-Borowiec, łącząc dwa ośrodki najważniejsze dla polskiej metrologii czasu i częstotliwości. Zestawienie parametrów poszczególnych części łącza jest zawarte w Tabeli 2 wraz z obliczonymi wzmocnieniami wzmacniaczy. Pomiary przeprowadzone w laboratorium potwierdziły, że łącze w takiej konfiguracji może działać poprawnie, charakteryzując się odchyleniem Allan a ok przy czasie uśredniania równym jednej dobie. Przeprowadzenie tego typu pomiarów w rzeczywistych warunkach nie jest możliwe ze względu na brak bezpośredniej możliwości porównania sygnałów po obu stronach łącza. Do jego przeprowadzenia należałoby wykorzystać metodę opartą na transferze satelitarnym, której szumy własne są znacznie większe, niż testowanego systemu światłowodowego. Eksperyment ten był tematem prezentacji podczas konferencji EFTF-212 w Goeteborgu [K1]. Kolejnym krokiem była rozbudowa systemu transferu sygnału wzorca częstotliwości ze stabilizacją czasu propagacji o możliwość transferu sygnału wzorca czasu (1PPS). Koncepcja budowy takiego systemu została przedstawiona przeze mnie podczas seminarium [R5] wygłoszonym podczas Spotkania Międzylaboratoryjnej Grupy ds. Porównań Krajowych Atomowych Wzorców Czasu i Częstotliwości w GUM. Jej techniczna realizacja wraz z wynikami testów przeprowadzonych na dystansie ok. 6 km została przedstawiona w publikacji [P1] oraz była prezentowana podczas konferencji EFTF-212. Schemat blokowy systemu łącznej transmisji sygnałów czasu i częstotliwości przedstawia Rys. 16. Praca całego systemu bazuje na sygnale częstotliwości, który jest w pętli sprzężenia zwrotnego wykorzystywany do stabilizacji czasu propagacji łącza. Transfer sygnału wzorca czasu jest realizowany poprzez chwilową zmianę wypełnienia sygnale częstotliwości, generowaną pod wpływem pojawienia się sygnału 1PPS. 9-

20 Near End Transceiver Załącznik 2a Far End Transceiver 1PPS IN 1/1 MHz IN 1PPS RET Former 1/1 MHz 1PPS Embedder Phase Comparator 1PPS De- Embedder Forward Delay Matched Delay Lines Backward Delay E/O Converter Optical circulator O/E Converter Fiber Optic Network E/O Converter Optical circulator O/E Converter 1PPS De- Embedder 1/1 MHz OUT 1PPS OUT Rys. 16. Schemat blokowy systemu łącznego transferu sygnałów częstotliwości i czasu. Zmiana ta jest następnie wykrywana w części odbiorczej systemu i na tej podstawie jest odtwarzany sygnał 1PPS. Odpowiedzialne są za to moduły oznaczone jako 1PPSEmbedder i 1PPSDeEmbedder. Dodatkowy moduł 1PPSDeEmbedder umieszczony w części nadawczej systemu pozwala zmierzyć (np. za pomocą miernika interwału czasu lub szybkiego oscyloskopu) czas propagacji sygnału czasu przez całe łącze, który jest w przybliżeniu równy dwukrotnej wartości czasu propagacji pomiędzy częścią nadawczą a odbiorczą. Czas ten stanowi podstawę do dokonania kalibracji systemu transferu. 1PPS 1 MHz UTC(k) Distribution Amplifier τ UTC(k) REF TIC 1PPS INput 1 MHz INput τ REF RET TIC 1PPS REFerence Near End Transceiver 1PPS RETurned Forward Direction τ FIB F Fiber Network τ FIB B Backward Direction 1PPS delayed by τ UTC(k) OUT 1PPS OUT Far End Transceiver Rys. 17. Model przedstawiający relacje czasowe w systemie transferu sygnału czasu. Uproszczony model przedstawiający relacje czasowe w systemie transferu sygnału czasu jest przedstawiony na Rys. 17. Do przeprowadzenia kalibracji (tzn. określenia wartości czasu propagacji pomiędzy wejściem UTC(k) a wyjściem 1PPSOUT ) konieczne jest wykonanie dwóch pomiarów w działającym systemie wspomnianego wyżej czasu τ REF RET oraz czasu τ UTC(k) REF, który określa opóźnienie pomiędzy dokładnym momentem odwzorowania narastającego zbocza impulsu 1PPS w sygnale częstotliwości (odwzorowanie to musi być wykonane w taki sposób, aby nie zakłócało pracy układu sprzężenia zwrotnego, dzięki któremu jest stabilizowany czas propagacji całego łącza). Dodatkowe parametry, które są potrzebne do kalibracji, to poprawka uwzględniająca niejednakowy czas propagacji w 45 complex uncertainty [ps] λ F - λ B.8 nm (1 GHz).4 nm (5 GHz).2 nm (25 GHz) G.652 fiber D = 17 ps (nm km) G.655 fiber D = 6.5 ps (nm km) 1 5 D = compensated dispersion link length [km] Rys. 18. Wykres niepewności kalibracji systemu transferu sygnału czasu. -2-

21 Tabela 3. Składniki bilansu niepewności kalibracji transferu czasu. uncertainty source sensitivity coefficient standard uncertainty length independent length dependent sample budget 5 km 5 km Załącznik 2a 1 τ UTC( k ) REF 1 5 ps PPS insertion delay 2 τ REF RET.5 5 ps round-trip delay 3 τ H ps hardware correction 4 T D.5( λ λ ) 5 ps/nm F B D T T L (a) 6.1 (a) chromatic dispersion 5 τ B.5 - LDV L.2 (b).6 (b) fiber birefringerence λ λ.5dt 5 pm laser detuning 6 F B 7 A 2 E Comments: przód i w tył poprzez część nadawczą i odbiorczą bez uwzględnienia toru światłowodowego (tzw. poprawka sprzętowa, inna dla każdego egzemplarza systemu), skumulowana dyspersja chromatyczna toru światłowodowego oraz rozstrojenie laserów w części nadawczej i odbiorczej. Ponadto potrzebna jest znajomość poprawki związanej z efektem Sagnac a, zależna od położenia geograficznego nadajnika i odbiornika oraz trasy przebiegu światłowodu. Jedną z bardzo istotnych właściwości przedstawionego systemu transferu jest to, że jego kalibracja nie wymaga użycia przenośnego zegara atomowego ani też innego, uprzednio skalibrowanego systemu transferu czasu (np. satelitarnego). Wszystkie potrzebne dane mogą być wyznaczone albo drogą pomiarów, przeprowadzonych w laboratorium, w którym znajduje się część nadawcza systemu, bądź też wyznaczone na etapie wstępnej kalibracji u producenta (poprawka sprzętowa, rozstrojenie laserów). Rys. 18 przedstawia wykresy niepewności kalibracji w funkcji długości łącza dla kilku wartości rozstrojenia laserów oraz przy różnych właściwościach dyspersyjnych światłowodów. Składniki bilansu niepewności kalibracji są zebrane w Tabeli 3 (jest to rozszerzona wersja Tabeli 1 z publikacji [P1]). Z wykresu można odczytać, że niepewność kalibracji dla światłowodów ze zredukowaną dyspersją chromatyczną (G.655) powinna być ok. 2 ps dla łącza o długości 1 km, a dla światłowodu standardowego (G.652) wzrasta do ok. 45 ps. Omawiany system jest unikatowy w skali światowej, gdyż jako jedyny pozwala na łączną dystrybucję skali czasu oraz sygnału wzorca częstotliwości. Wyniki testów kalibracyjnych przeprowadzonych w laboratorium (z jednoczesnym dostępem do części nadawczej i odbiorczej systemu) pokazują dobrą Tabela 4. Wyniki testów kalibracji systemu transferu czasu przeprowadzone dla różnych długości torów światłowodowych. fiber length [km] 2ω / c - 1 AE.2 (d) 2 (d) Sagnac effect λ F - λ B [nm] chromatic dispersion [ps/nm] expanded uncertainty (±2 standard uncertainty) [ps] difference between direct measurement and calibration value [ps] ± ± ± ± ± ± ± complex uncertainty: 7.7 ps 23.3 ps a). Calculated assuming lasers detuning equal to 1 GHz (conforming to standard ITU DWDM grid), taking D T = 4 fs /(ps nm K) and T = 25 C. b). Assumed LDV =.5 ps km /2. c). Chromatic dispersion of G.652 standard single mode fiber assumed, equal to 17 ps/(nm km)@155 nm. d). The path of the fiber is assumed to travel along 5th parallel of north latitude. -21-

22 Rys. 19. Mapa łącza pomiędzy GUM i AOS zgodność zmierzonej różnicy czasu propagacji i wyznaczonej na podstawie procedury kalibracyjnej (opisanej szczegółowo w publikacji [P1]). Wyniki te są zebrane w Tabeli 4 (jest to rozszerzona wersja Tabeli 2, zawartej w publikacji [P1]). Można stąd wyciągnąć wniosek, że niepewność kalibracji zaprojektowanego przez nas systemu światłowodowego jest na poziomie kilkudziesięciu pikosekund, co jest o ok. dwa rzędy wielkości lepiej niż w przypadku łączy satelitarnych. W międzyczasie nasz zespół prowadził aktywne działania, zmierzające do zbudowania i uruchomienia demonstratora technologii światłowodowego transferu sygnałów z wzorców atomowych pomiędzy Laboratorium Czasu i Częstotliwości GUM oraz Laboratorium Służby Czasu Obserwatorium Astrogeodynamicznego Centrum Badań Kosmicznych w Borowcu k. Poznania. Pod koniec 211 roku zostało zawarte porozumienie pomiędzy AGH, GUM, AOS, PCSS oraz TP S.A., dzięki któremu instalacja demonstratora technologii stała się możliwa. Pozytywne wyniki prac nad łącznym systemem dystrybucji sygnałów wzorca czasu i częstotliwości sprawiły, że został on zainstalowany pomiędzy GUM i AOS i od rozpoczął ciągłą pracę [A1]. Poprzez to łącze sygnały z jednego z zegarów cezowych GUM (Cs2) są przesyłane do AOS i tam porównywane, m.in. z lokalną skalą czasu UTC(AOS). Długość łącza światłowodowego pomiędzy GUM i AOS wynosi ok. 42 km, a w skład demonstratora, poza urzadzeniami nadawczo-odbiorczymi, wchodzi 8 wzmacniaczy SPBA użytych do regeneracji sygnału optycznego (Rys. 19 pokazuje przebieg trasy łącza). Wszystkie urządzenia do tego systemu zostały zaprojektowane i zbudowane w ramach grantu MNiSW nr N N Dalekosiężna, dwukierunkowa transmisja wzorcowych sygnałów czasu w łączach światłowodowych, którego jestem kierownikiem, przez pracowników Laboratorium Optoelektroniki, Fotoniki i Światłowodowej Transmisji Danych AGH. Byłem też jednym z głównych wykonawców aparatury, jak również jedną z dwóch osób, odpowiedzialnych za montaż i instalację łącza. Charakterystyka łącza, opis zainstalowanej aparatury oraz wstępne wyniki pomiarowe zostały przedstawione podczas seminariów [R1] i [R2], a także podczas konferencji EFTF-212. Wstępne wyniki porównań lokalnych skal czasu UTC(GUM) i UTS(AOS) za okres ok. 5 miesięcy prowadzone przy wykorzystaniu wspomnianego łącza światłowodowego są przedstawione na Rys. 2a, a z wykorzystaniem metody GPS CV na Rys. 2b. Różnica obydwu porównań (Rys. 2c) w całym okresie nie przekracza 3 ns, co mieści się w błędzie pomiarowym związanym z metodą GPS CV. Łącze to cały czas znajduje się w fazie testów prowadzonych przez GUM i AOS, których celem jest weryfikacja procedur kalibracji transferu czasu oraz długoczasowej stabilności pracy wszystkich podzespołów. Dalsze prace nad transferem sygnałów czasu i częstotliwości będą prowadzone przez mnie w ramach dwóch grantów (jeden finansowany przez NCN [B3] a drugi przez NCBiR [B4]) zakwalifikowanych do finansowania. W grantach tych będę pełnił funkcję głównego wykonawcy oraz członka zespołu badawczego. Prace te będą dotyczyły w szczególności opracowania nowej wersji układu scalonego ASIC o większym zakresie przestrajania, zwiększenia dokładności kalibracji transferu czasu, zwiększenia zasięgu pracy łącza, opracowania metody rozgałęziania sygnałów w systemie ze stabilizacją czasu propagacji oraz opracowania metod transferu sygnałów w światłowodowych sieciach telekomunikacyjnych DWDM. -22-