Long range time transfer over optical fiber links and cross-comparison with satellite based methods.
Transfert de temps à longue distance utilisant des liaisons à fibre optique et comparaison croisée avec des méthodes par satellite.
Résumé
In this thesis our objective is to develop a scalable network
time and frequency transfer approach, providing multi-user
dissemination, compatible with large telecommunication net-
works and competitive with GNSS-based time distribution.
Therefore we are concerned with methods for use in packet-
based networks, like the Network Time Protocol (NTP) and
Precision Timing Protocol (PTP). We also concentrate on
“unidirectional” links, where the forward and backward sig-
nals between network nodes propagate over separate fibers,
not within the same fiber (“bidirectional” links). In particular
we use a method called White Rabbit PTP (WR). This is a
novel technology developed at CERN, based on PTP while
using Synchronous Ethernet and other techniques to achieve
high performance. It demonstrates sub-nanosecond time sta-
bility and synchronization of arrays of instruments over 10 km
scale networks. We are particularly interested in extending
this method for large scale distribution of references at re-
gional or national level, over links of up to 1000 km. We first
study extensively the default performances and limitations of
White Rabbit network equipment, in particular the White Rab-
bit switch. We make various improvements to its operation:
on the locking of the grandmaster switch to the external ref-
erence, thus improving its short-term stability by more than
an order of magnitude; optimizing the locking bandwidth of
the slave switch; and increasing the PTP messaging rate be-
tween master and slave switches. We then study medium
and long-distance WR links. We construct a 100 km, uni-
directional link using fiber spools in the laboratory. We dis-
cover that the short-term performance is limited by chromatic
dispersion in the fiber, while the long-term performance is
degraded by the influence of temperature variations on the
fiber. To limit the effect of chromatic dispersion for long-haul
links, we propose the use of a cascaded approach. We re-
alise a national scale, cascaded, 500 km link, again utilizing
fiber spools. We use Dense Wavelength Division Multiplexing
methods to construct this link by mutliple passages through
shorter spools. We achieve a frequency transfer stability of
2 ×10−12 at one second of integration time and 4 × 10 −15
at one day, limited by thermal noise in the long term. We
achieve a time stability of 5 ps at one second of integration
time, decreasing to a minimum of 1.2 ps at 20 seconds and
remaining below one nanosecond for longer averaging times.
These performances are similar in the short term, and two or-
ders of magnitude better in the long term, than good quality
GPS receivers. We expect thermal fluctuations and there-
fore the effect of fiber thermal noise to be suppressed by a
factor of approximately five for installations in the field. Fi-
nally we make preliminary investigations of time calibration of
WR links. The main challenge here is to measure the opti-
cal length asymmetry between the two fibers used for signal
transfer in the forward and backward directions. We demon-
strate a fiber swapping technique, using a mid range, subur-
ban White Rabbit link over dark fiber. We then describe and
test a new variational method for calibration, involving a dif-
ferential measurement method based on operating two WR
links at different wavelengths over the same optical fiber link.
Dans cette thèse, notre objectif est de développer une
approche de transfert de temps et de fréquence multi-
utilisateurs, compatible avec les réseaux de télécommunica-
tions et compétitive avec la distribution de temps par GNSS.
Nous nous intéressons donc aux méthodes pour les réseaux
à commutation par paquets, comme le NTP (Network Time
Protocol) et le PTP (Precision Timing Protocol). Nous nous
concentrons également sur les liaisons “unidirectionnelles”,
où les signaux aller et retour entre les nœuds de réseau
se propagent sur des fibres distinctes, non au sein d’une
même fibre (liaisons “bidirectionnelles”). En particulier, nous
utilisons une méthode appelée White Rabbit PTP (WR).
Développée au CERN, basée sur PTP, utilisant l’ethernet
synchrone et d’autres techniques pour atteindre des perfor-
mances élevées, WR réalise une stabilité du temps sous-
nanoseconde pour la synchronisation d’instruments sur des
réseaux à l’échelle de 10 km. Nous sommes particulière-
ment intéressés par l’extension de cette méthode pour la dis-
tribution de références au niveau régional ou national, sur
des liaisons allant jusqu’à 1000 km. Nous étudions d’abord
les performances de l’équipement réseau White Rabbit, en
particulier le commutateur White Rabbit. Nous y apportons
diverses améliorations: sur le verrouillage du commutateur
grand maître à la référence externe, améliorant ainsi sa sta-
bilité à court terme de plus d’un ordre de grandeur; sur la
bande passante de verrouillage du commutateur esclave ; et
en augmentant le débit des messages PTP entre les commu-
tateurs maître et esclave. Nous étudions ensuite les liaisons
WR moyennes et longues distances. Nous construisons un
lien unidirectionnel de 100 km en utilisant des bobines de
fibres dans le laboratoire. Nous découvrons que la perfor-
mance à court terme est limitée par la dispersion chromatique
de la fibre, tandis que la performance à long terme est dé-
gradée par le bruit thermique. Pour limiter l’effet de la disper-
sion chromatique sur les liaisons longue distance, nous pro-
posons l’utilisation d’une approche en cascade. Nous réal-
isons un lien en cascade de 500 km, à nouveau avec des
bobines de fibres. Nous utilisons le multiplexage en longueur
d’onde dense pour construire ce lien par des passages multi-
ples à travers des bobines plus courtes. Nous obtenons une
stabilité de transfert de fréquence de 2 × 10−12 à une seconde
de temps d’intégration et de 4 ×10−15 en un jour, limitée par
le bruit thermique à long terme. Nous obtenons une stabil-
ité temporelle de 5 ps à une seconde de temps d’intégration,
diminuant jusqu’à un minimum de 1,2 ps à 20 secondes et
restant inférieure à une nanoseconde pour des durées plus
longues. Ces performances sont similaires à court terme, et
deux ordres de grandeur meilleures à long terme, qu’un ré-
cepteur GPS de bonne qualité. Nous nous attendons à ce
que les fluctuations thermiques et donc l’effet du bruit ther-
mique des fibres soient réduits d’un facteur d’environ cinq
pour les installations sur le terrain. Enfin, nous faisons des
études préliminaires sur l’étalonnage en temps des liaisons
WR. Le principal défi est de mesurer l’asymétrie de longueur
optique entre les deux fibres utilisées pour le transfert des
signaux aller et retour. Nous démontrons une technique
d’échange de fibres, en utilisant une liaison suburbaine White
Rabbit sur fibre noire. Nous décrivons et testons ensuite une
nouvelle méthode variationnelle pour l’étalonnage, impliquant
une méthode de mesure différentielle basée sur l’exploitation
de deux liaisons WR à différentes longueurs d’onde sur la
même liaison.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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