光学与电子学的桥梁（三） —高精度时间同步与分发

系统时基是现代电子线路和通讯的基础，处理器、存储器、A/D转换、光信号调制与解调等，都需要精确可对准的时基。数字电路系统带宽越高，对时基抖动的容许度越低。

而在一些特别应用，如射电望远镜阵列、自由电子激光等大科学装置中，需要确保相距百米 ~ 千米的设备工作在相同的相位，其时间对准的精度需达到飞秒尺度以下。

利用锁模飞秒光学振荡器代替电子学振荡器来产生并分发时基，成功地应用于这类需要中远距离高精度授时的系统。锁模激光器可具备非常稳定的脉冲重复频率（低脉冲抖动）、激光器与激光器、激光器与射频之间可以相互锁定，光信号通过光纤可以低损耗、长距离传输且适合恶劣使用环境，这些独特的优势使得飞秒激光器可年复一年地为相距数百米的多个设备/单元分以阿秒精度分配时间。

本文简要介绍Menhir公司与Cycle GmbH公司合作，采用平衡交叉相关技术（Balanced Optical Cross-correlator, BOC）同步飞秒激光器可实现的时间同步精度指标。

图1 利用BOC将两台飞秒激光器同步

短稳

图1显示飞秒激光器同步的原理。主激光器（Master Laser）与从激光器（Slave Laser）输出脉冲之间的延时经由平衡光学交叉相关仪（BOC）测量。脉冲时间间距的抖动形成误差信号，通过反馈控制从激光器的压电驱动微调腔镜，从而改变从激光器的重复频率以确保主、从激光器脉冲延时稳定。

在图1所示的实验中，主、从激光器脉冲的残余抖动成功突破飞秒，达到120阿秒（1Hz ~ 1MHz）积分时间抖动（图2）。从激光器具备慢速/大量程重频调节与快速/小范围重频调节两档，在15小时测试时间内，仅采用快速调节就实现了上述精度。

图2中自由运转与锁定状态的比较，显示了重频调节反馈带宽可达100kHz。

在实际应用场景，激光器可以与其他重复信号，例如加速器的射频信号进行同步；交叉相关信号也不仅仅可由两台激光器产生，可由同一台激光器分光为两束光，其中一束经过传播后与另外一束进行进行交叉相关并锁定。这种设计可用于补偿传输链路光程的变化，如温度变化导致光纤的尺寸和折射率变化。同时，扩展到多台激光器同步锁定也非常方便。

图2  master 与slave 之间的时间抖动密度（左）以及积分时间抖动（右）。蓝色曲线为自由运转状态，红色曲线为锁定状态。在1kHz ~ 1MHz范围内，自由运转及锁定状态的积分时间抖动分别为2.64fs与0.12fs

长稳

得益于Menhir激光器优秀的被动稳定性，在15小时的长程测量时间内，残余时间抖动误差小于50阿秒。在锁定过程中，快速压电调节器只用到了满量程电压的10%，对应70Hz的重频调节；而整个实验过程中，慢调节压电驱动器的电压始终是常量。再次展示了高稳定自由运转性能对于轻松锁定的贡献。

图3 两台激光器的被动稳定性：15小时内快速压电补偿电压（左）与时间抖动（右）的

变化；RMS时间抖动为41阿秒

产品

●工业级结构工艺

●紧凑一体，控制器内置

●高可靠性，抗震抗冲击

●被动散热，免水无风扇

●极低位相噪声与时间抖动

●开机即用，一键出光

●低位相噪声，<fs 脉冲抖动

●低振幅噪声

●高/低速重频调谐

参考文献：

1. M. Xin, K. Şafak, M. Y. Peng, P. T. Callahan, A. Kalaydzhyan, W. Wang, K. Shtyrkova, Q. Zhang, S.-H. Chia, B. Jones, T. Hawthorne, P. Battle, O. D. Mücke, T. Roberts, F. X. Kärtner, Sub-femtosecond  precision  timing synchronization systems, Nucl. Instrum. Meth. A 907, 169 (2018)

2. J.-D.  Deschênes,  L.  C.  Sinclair,  F.  R. Giorgetta,  W.  C.  Swann,  E. Baumann,  H.  Bergeron,  M.  Cermak,  I. Coddington, N. R. Newbury, synchronization of Distant Optical Clocks at the Femtosecond Level, Phys. Rev. X 6,021016 (2016)

2021

光学与电子学的桥梁，持续更新中

系列

光学与电子学的桥梁（一）：飞秒激光器与光学射频源；

光学与电子学的桥梁（二） —光学模数转换；

光学与电子学桥梁（四）：高重频飞秒光学频率梳；