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时间频率作为一个基本物理量,在基础科学研究(时间频率计量和基础物理量测量等)、国防建设(航海航天、卫星导航等)和社会发展(金融系统、物联网和高速通信等)等许多领域都起着支撑和保障作用。近年来,随着原子钟性能的不断提升,传统的利用同轴电缆或者自由空间链路进行时间频率传递的方式已经不能满足未来高精度和高稳定度时间频率传递的需求。光纤具有低损耗、大带宽、高稳定性以及抗电磁干扰等优点,可应用于高精度和高稳定度的时间频率传递。长距离的光纤时间频率传递,将面临信号损耗的问题,需要使用双向光放大器进行中继放大。一方面,双向光放大器需要满足高对称性和抑制后向散射噪声的特点,另一方面,也希望其能够与现有通信网络中的单向光放大器兼容。本文基于长距离、高精度和高稳定度光纤时间频率传递技术的发展需求,设计实现了一种基于波分复用的双向传输单向光放大器WDM-BTUOA(wavelength division multiplexed bidirectional transmission unidirectional optical amplifier)方案,以应用于双向波分时间和频率传递系统。该方案可以有效地阻止后向散射噪声的累积放大,且可与现有通信网中的单向光放大器兼容。本文的主要工作包括:1)详细阐述了光纤时间频率传递性能的表征方法和掺铒光纤放大器的理论基础。结合光纤时间和频率传递系统的基本模型,分析了时间传递和频率传递对双向光放大器的不同需求,给出了波分光纤时间和频率传递系统信噪比模型,分析了系统中各个部分所引入的噪声大小及其对时间频率传递稳定度的影响,同时分析了影响系统不对称性的主要来源和特征。2)设计实现了一种基于波分复用的双向传输单向光放大方案(WDM-BTUOA),详细阐述了WDM-BTUOA的结构和工作原理。对于长距离光纤链路中包含K个等距放置的WDM-BTUOA的数量和增益等进行了仿真优化,使得光纤链路工作在最佳的接收信噪比。3)在实验室环境下搭建了基于波分的长距离光纤时间传递实验平台,测试比较了采用WDM-BTUOA方案和单纤双向光放大器SPBA(single path bidirectional amplifier)方案的长距离光纤时间传递系统性能。在共钟的条件下,2100 km光纤时间传递的稳定度优于130 ps/s和12 ps/104。测得的单个WDM-BTUOA的双向传输时延不对称性的波动为0.7 ps。标定后,21个WDM-BTUOA的合成不确定度可优于1.7 ps。在100 km非同步源被动光纤微波频率传递补偿系统中验证了WDM-BTUOA的可行性。