时间频率标准的产生和传递对国民经济、国防建设和日常生活起着至关重要的作用。从科学的角度看，高准确度和稳定度的频率标准帮助科学家解决更基本的科学问题，如基本物理常数的变化、暗物质的探测、固体潮汐等。从1955年第一台原子钟的发明为开端，基于原子频率的频率标准稳定度不断提高。通过提高本振频率可以有效提高频率标准的稳定度。从微波原子钟到光频原子钟（光钟）是目前的发展趋势，世界主要发达国家都致力于光钟的发展。2014年，光钟的不确定度已经达到10-18量级[1]。2015年，我国计量院的锶原子光钟系统频移自评估不确定度也达到2.3×10-16[2]。
然而，传统的基于自由空间的的微波频率传递的方法并不能满足如此高精度频率标准的传递，以GPS系统为例，需要长时间（平均时间：天）平均（频率不稳定度能达到 10-15）以平均掉传输路径中环境条件的变化，不能够提供用于时间同步所必须的高精度短稳时间信号，因此基于GPS的授时系统没有能力传递高稳定的新一代光钟。目前研究表明，利用与环境隔离的光纤网络进行精密频率传递，并采取主动补偿措施后，频率传递不稳定度可以达到天稳10-19。因此，目前最有前途的新一代授时方式就是光纤网络。2015年6月，欧洲开始执行一项通过光纤比对四个单位的光钟的计划，这些单位包括英国国家物理研究所NPL，巴黎天文台，德国物理技术研究院PTB和意大利国家计量科学研究院(INRIM) [3]。
目前，基于光纤链路的精密频率传递和时间同步已成了重要的时频传输手段，在其具体方案实施中，采用电子学方法和光学方法结合进行系统设计，同时检测光纤传输链路中由于温度、机械振动等引起的相位抖动并利用主动补偿的手段对其进行稳定。通过光纤进行频率传递，需要将某一端的原子钟/光钟的精密频率基准无损失地传递到另一端，在另一端重现此精密的频率基准，或者将两端已有的精密频率基准进行高精度的比对。目前，利用光载波进行射频传递的技术方案分为以下三种：射频调制传递、光频传递以及光频率梳传递。最新研究进展是Droste S. [4]等人完成的从德国马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）-德国联邦物理技术研究院（PTB）-MPQ构建的1840 km光纤中光频传递的实验，频率传递不稳定度可以达到10-15/100 s。
北大实验组已经完成了在120 km电信级光纤中，以光学频率梳的脉冲串作为载波，利用数字式前馈补偿技术以及波分复用技术进行精密频率传递和利用光纤双向同步技术进行高精度时间同步。频率传递不稳定度达到6.18×10-20/2000 s，时间同步精度< 40 ps。原理框图如图1所示。
图1 精密频率传递和时间同步原理框图
在120 km光纤精密频率传递和时间同步的基础上，完成了一对四点的星状组网。将近端原子钟输出的频率信号和时间信号经过120 km光纤的传递传递到物理远端，在远端再现“原子钟”信号，以此信号作为基准向在远端附近（<8 km）的四个节点发送信号，实现远端的四个节点也再现“原子钟”。星状组网的原理框图如图2所示。
图2 站与站之间的拓扑图
精密频率传递和时间同步技术在物理基本原理测试、原子钟比对、深空探索、军民信息网络的下一代发展等方面都有着重大的技术推动意义。精密频率时间同步技术是量子信息领域的一项重要基础研究内容，属于前沿领域高新技术。基于光纤通信网络为物理载体的站点间频率和时间传递与同步技术研究，发展同频率源一对一以及一对多的高精度播发技术，并在此基础上提高站点间时间同步精度，可以为导航、电力、通信等重要应用提供核心技术支撑。
参考文献
[1] Bloom, B. J., Nicholson, T. L., Williams, J. R., et al.. An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10-18 level. Nature, 2014, 506:71-75.
[2] Lin YiGe, Wang Qiang, Li Ye, et al.. First evaluation and frequency measurement of the strontium optical lattice clock at NIM. Chin. Phys. Lett., 2015, 32(9):090601.
[3] E. Gibney. Atomic clocks face off: next generation of hyper-precise timekeepers can only be tested against each other. Nature, 2015, 522:16-17.
[4] Droste, S., Ozimek, F., Udem, T., et al.. Optical-frequency transfer over a single-span 1840 km fiber link. Phys. Rev. Lett., 2013, 111(11):110801.
