(高清版)GBT 43785-2024 光钟性能表征及测量方法

光钟性能表征及测量方法2024-03-15发布2024-10-01实施国家标准化管理委员会I l2规范性引用文件 3术语和定义 4概述 5性能表征 36测量环境 7测量设备 8测量方法 9测试报告 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会(SAC/TC578)提出并归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技术大学、北京无线电计量测试研究所、中国信息通信研究院、深圳中国计量科学研究院技术创新研究院、中国空间技术研究院、国仪量子(合肥)技术有限公司、济南量子技术研究院、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所。本文件主要起草人：林弋戈、管桦、戴汉宁、张升康、张萌、宋振飞、黄圭、姜海峰、贝晓敏、肖毅、1光钟性能表征及测量方法本文件描述了表征光钟性能的主要参数及其测量方法。本文件适用于光钟设计、研发和生产制造过程中的性能评价。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T23717.2—2009机械振动与冲击装有敏感设备建筑物内的振动与冲击第2部分：分级GB/T27418—2017测量不确定度评定和表示3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。光频原子钟opticalatomicclock光学频率标准opticalfrequencystandard利用频率在光学波段的原子(离子)能级跃迁作为稳定的频率参考而建立的原子钟。利用可获得的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。频率稳定度frequencystability描述取样时间内平均频率随机起伏程度的量。注1:不同取样时间对应不同的稳定度量值。一般在时域用对应取样时间的阿伦标准偏差表征，在频域用偏离载波一定带宽的相位噪声表征。注2:为了便于比较不同类型频率源的特性，常用相对频率稳定度来表征频率源的频率稳定度。相对频率稳定度定义为频率稳定度除以频率源的中心频率。阿伦标准偏差Allandeviation时长为r的相邻两个取样时间内频率平均值之差的均方根的1/√2。2注：对于M个频率测量数据，阿伦标准偏差按公式(1)计算：…………(1)式中：σ,(r)——阿伦标准偏差；t——取样时间；y₄——时间r内平均频率偏差；M——频率取样个数。光学频率梳opticalfrequencycomb一种重复频率和载波包络相移频率精密可控的光学信号产生系统。获得同一台光钟在多个不同运行状态下频率差的测量活动。注：不同运行状态指把光钟的运行时间序列分为多个锁定运行状态，或把位于不同空间位置的量子参考作为多个运行状态。4概述光钟主要包括光学本地振荡器、量子参考体系、锁定系统和输出系统等组成部分，如图1所示。锁定系统锁定系统信号探测单元伺服反馈单元光学本地振荡器输出系统频率域传递单元空间域传递单元量子参考体系输山图1光钟的组成结构图a)光学本地振荡器：为探测量子参考跃迁提供频率稳定的探测激光，并为光钟提供短期的频率稳定度。采用具有低膨胀系数材料制作的超稳腔作为钟激光预锁定的参考腔，结合边带调制稳频技术可使钟激光的秒稳定度达E-16量级；采用基于低温单晶硅参考腔的技术，可使钟激光的秒稳定度达到E-17量级。b)量子参考体系：利用原子(离子)等稳定的能级跃迁作为标准频率参考。依据量子参考体系不同，光钟分为两类：基于离子阱囚禁的单离子光钟和基于光晶格囚禁的中性原子光晶格钟。常种光频原子跃迁作为秒的次级表示。c)锁定系统：光钟的信号探测及伺服反馈系统，用于探测量子参考的跃迁几率，计算光学本地振3荡器输出激光频率相对于量子参考频率的频率偏移，通过闭环锁定伺服器修正光学本地振荡器的频率，使其稳定在量子体系参考频率上，实现光钟闭环运行。d)输出系统：用来将光钟得到的高稳定、高准确的频率信号输出给用户的子系统。注：光钟输出频率的长距离传输需要采用复杂的频率传递系统，这些传递系统属于光钟应用的辅助系统，而非光钟自身的子系统。5性能表征5.1频率稳定度光钟性能表征中的频率稳定度采用时域上的阿伦标准偏差来表征。在未说明时，默认为相对频率稳定度。按照测量方法不同，表示为不同频率稳定度参数。a)利用被测光钟自身测量得到的频率稳定度。使用光钟自身输出的数据测量和计算，按照优先级由高到低的顺序可选用如下参数。——分时间交替自比对频率稳定度：简称分时自比对稳定度，表征预先设定的不同运行参数对光钟频率的影响程度，用于光钟系统频移不确定度的评估。可评估的频移包括：原子密度、光晶格激光功率、静电场强度、钟跃迁探测光激光功率等。 分空间自比对频率稳定度；表征运行参数的空间不均匀性对光钟频率的影响程度，用于光钟系统频移不确定度的评估。可评估的频移包括：原子密度、光晶格激光功率、磁场强度、量子参考尺寸内的相对论红移等。 环内频率稳定度：表征伺服器跟踪光钟量子参考频率的能力。注1:环内频率稳定度不反映量子参考的任何特性，不能用于表征独立光钟输出频率的稳定度，仅用于对光钟锁定能力的评估。b)利用另一台同种光钟比对测量的频率稳定度。按照优先级由高到低的顺序依次采用如下参数。——利用完全独立的另一台同种光钟直接拍频的频率稳定度：反映光钟输出频率的实际频率稳定度。对于有两台同种光钟的测量场景，有条件做到使用独立两台光学本地振荡器的，宜采用该性能参数。——利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟异步比对的频率稳定度：较真实地反映光钟输出频率的实际频率稳定度。该参数有可能部分消除Dick效应引起的共模噪声，对于有两台同种光钟的测量场景，仅在没有条件使用独立两台光学本地振荡器来完成光钟频率稳定度的评估时，采用该性能参数。——利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度：该参数在很大程度上消除了由激光器频率漂移引起的伺服效应及Dick效应等共模噪声，在利用光钟比对实现某些物理量测量及基本物理定律检验等试验中，宜采用该测量方法，在相同的测量时间内减小测量不确定度。适用场景包括光钟中某些系统频移的测量和评估、相对论性大的测量等。注2:利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度只提升了光钟比对测量过程中测量得到的频差的频率稳定度，并不代表光钟输出频率的稳定度得到了提升。c)利用另一台不同种光钟比对测量的频率稳定度。按照优先级由高到低的顺序依次采用如下参数。——利用完全独立的另一台不同种光钟比对的频率稳定度：反映光钟独立输出频率的性能，适用于光钟整体性能的评估、某些系统频移的测量和评估等场景。——利用共用光学本地振荡器的另一台不同种光钟比对的频率稳定度：不反映光钟独立输出4频率的性能，只是为了缩短两种光钟比对达到预定测量不确定度的测量时间。该参数能减小本地振荡器带来的伺服噪声和Dick效应噪声，适用于两种光钟频率比对测量频率比值的场合。5.2频率不确定度频率不确定度包含系统频移不确定度和绝对频率不确定度两个参数。a)系统频移不确定度：光钟绝对频率不确定度的一个分量，表征光钟独立复现其理想值的能力，是光钟输出频率与未受干扰的光钟原子跃迁频率之间频率偏移量的不确定度，一般用相对不确定度来表示。适用于同其他原子钟进行比对的场景，该参数按照GB/T27418—2017作为该光钟的不确定度B类评定，参与比对结果不确定度的计算。注1:由于各种外界噪声的存在，原子(离子)不可能处于完全未受干扰的条件下，其输出频率相对于未受干扰的理想值之间会出现一个频率偏移，这个偏移量被称为系统频移。对系统频移进行测量时，会引入系统频移不确定度。b)绝对频率不确定度：表征光钟复现的光频原子跃迁频率在国际单位制下的量值，与秒定义基准进行比值测量得到，是光钟的输出频率溯源到现有秒定义的过程中所产生的总测量不确定度。适用于以光钟作为频率参考驾驭国际原子时或者本地时标、以异地光钟频率比对得到的频差来计算相对论红移、作为秒的次级表示频率标准向其他时频系统传递量值等场景。注2:光钟的绝对频率是指以赫兹为单位的光钟输出频率，而赫兹是由秒定义确定的。为了获得光钟的绝对频率，需要把光钟的输出频率与秒定义中的原子跃迁频率进行比值测量而得到。注3:秒定义基准钟复现秒定义的不确定度是光钟与秒定义基准比值测量中的一个不确定度分量，在目前以铯原子为基础的秒定义下，光钟绝对频率测量的不确定度不会优于最好的铯原子基准钟的频率不确定度。在给定的一段时间内，光钟给出正常频率输出量值的时长与该段时间总时长的比值；或是在某个考核时间段内，光钟给出正常频率输出量值的概率或时间占比的期望值。可用月运行率、年运行率等来具体表征。光钟的运行率适合作为光钟可靠性的考核指标之一，描述光钟在某一时间段内的服务能力。6测量环境光钟的测量环境要求如下：——温度：20℃~26℃;——相对湿度：30%～80%;——振动条件：达到或者优于GB/T23717.2—2009中振动准则曲线D(VC-D)的要求。7测量设备7.1高速光电探测器高速光电探测器将光信号转换为电信号，参数要求如下：——波长范围：覆盖探测所需波长；——带宽：大于200MHz;——噪声等效功率(NEP):不大于10pW/√Hz。7.2频率计数器频率计数器用于测量微波频率，参数要求如下：5——频率测量范围：覆盖测量所需的微波频率； 分辨率：不小于11位/s。7.3光学频率梳光学频率梳用于光钟的频率转换，参数要求如下：——波长范围：覆盖被测光钟的输出激光波长；——光学频率梳梳齿线宽：小于10Hz。8测量方法8.1频率稳定度8.1.1分时间交替自比对频率稳定度采用时分复用的方法，利用被测光钟的物理系统，从运行时间序列上把光钟分为多个锁定运行状态(如图2所示)进行自比对得到的差分频率稳定度。光钟在运行时间序列上分为两个锁定运行状态，分别为状态a和状态b。在阶段t,的状态a的光学本地振荡器频率为fto(t₁),在阶段t,的状态b的光学本地振荡器频率为fto(tn)。注1:分时间交替自比对频率稳定度测量是以光学本地振荡器作为飞轮，仅能反映光学本地振荡器频率满足fo(t₁)≈fuo(t)条件的时间(上限约为10s～100s)内光钟输出频率的稳定度，不能用来表征这台独立光钟输出频率的长期稳定度。图2分时间自比对测量时序图按以下方法进行测量。a)光钟的被调制参数在运行时间序列状态a时取值为r。,状态a的锁定伺服器为S。在状态a的t阶段，S。把光学本地振荡器频率fuo(tj)锁定到原子跃迁上，伺服器对光频修正的频率差为△f。(t₁),获得光钟输出频率fto(t₁)+△f₄(t₁。)。b)光钟的被调制参数在运行时间序列状态b时取值为ri,状态b的锁定伺服器为S,。在状态b的t₁阶段，S,把光学本地振荡器频率fto(t₁n)锁定到原子跃迁上，伺服器对光频修正的频率差为△f₁(t₁),获得光钟输出频率为fuo(t₁)+△f₁(t₁)。6GB/T43785—2024 (2)式中：注2:在绝对频率未测量时，取国际参考值。注1:基于离子阱囚禁的单离子光钟此参数不适用。注2:由于排除了光学本地振荡器噪声的影响，分空间自比对频率稳定度不能用来表征这台独立光钟输出频率的稳定度。a)光钟囚禁多个原子作为量子参考，这些原子位于空间上的两个不同位置，分别标记为位置L。和位置Lb,分别对应状态a和状态b。式中：c)按照公式(5)计算单次测量的分空间自比对频率差：△fsc(t₁)=△fs(t₁)-△f。(t₁)式中：7GB/T43785—20248.1.3环内频率稳定度由光钟闭环锁定伺服器输入的频率误差信号fem计算的频率稳定度或者由锁定伺服器输出的频率修正信号fou计算的频率稳定度。按以下方法进行测量。a)获得原子钟的跃迁概率P。对于基于离子阱囚禁的单离子光钟，运行多个钟周期，离子处于基态的次数为N₁,处于激发态的次数为N₂,跃迁概率为P=N₂/(N₁+N₂);对于基于光晶格囚禁的中性原子光晶格钟，则通过一个钟周期，探测到基态原子数为M₁,激发态原子数为M₂,跃迁概率为P=M₂/(M₁+M₂)。b)通过偏移光学本地振荡器频率分别到原子跃迁两侧，得到两个激发频率下钟跃迁概率分别为P₁和P₂,获得跃迁概率差△P=P₁-P₂。c)跃迁概率差乘以钟跃迁原子谱线线宽γ,得到光钟闭环锁定伺服器输入的频率误差信号fer,通过锁定伺服器后输出频率修正信号fout。d)利用fm或者fo按照公式(1)计算阿伦标准偏差σ,(r)。e)按照公式(6)计算环内频率稳定度：式中：σn(r)——在取样时间r下的环内频率稳定度；σ(r)——阿伦标准偏差；f.——光钟输出的绝对频率。注1:在绝对频率未测量时，取国际参考值。8.1.4利用完全独立的另一台同种光钟直接拍频的频率稳定度两台光钟基于同一种量子参考，并且没有共用的部件，通过直接拍频的方法测量两台光钟的频率差，计算得到的频率稳定度。对于完全独立的两台同种光钟，两台光钟由两台光学本地振荡器分别探测。由于输出的光学频率在同一个光学频段，通过直接拍频进行光钟频率稳定度的评估。通过直接对两台光钟闭环锁定后的输出激光进行拍频测量，拍频信号通过高速光电探测器探测，经放大滤波后输入频率计数器，并利用频率计数器来记录两台光钟输出光学本地振荡器的频率差，如图3所示。8GB/T43785—2024光钟1光钟1声光调制器2外部频率参考声光调制器1高速光电探测器声光调制器3声光调制器1光学本地量了参考休系2光学本地振荡器1体系1频率计数器探测注：为了减小测量仪器带来的额外测量偏差，频率计数器需要接外部频率参考。图3利用完全独立的另一台同种光钟测量频率稳定度流程图按以下方法进行测量。a)声光调制器1将光学本地振荡器1的频率调节至原子(离子)的钟跃迁频率附近，用来探测原子(离子)的若干条钟跃迁谱线，得到的误差信号反馈至声光调制器2。b)声光调制器3将光学本地振荡器2的频率调节至原子(离子)的钟跃迁频率附近，用来探测原子(离子)的若干条钟跃迁谱线，得到的误差信号反馈至声光调制器4。c)将声光调制器2和声光调制器4输出的两束光拍频，用高速光电探测器探测两束光的拍频注1:为了准确读出拍频值，驱动声光调制器2的频率需要相对声光调制器1增加一个固定的频率偏移，这样最终的拍频频率在这个固定频率附近，否则两台光钟的拍频频率在0Hz附近无法计数测量。d)拍频信号输入到频率计数器，设置好计数器的门时间(例如1s)并读出两台光钟输出激光频率的拍频频率差fa。f)两台光钟性能相近时，按照公式(3)计算σpur(t),则利用完全独立的另一台同种光钟直接拍频的频率稳定度σjs(t)等于σpurn(r);两台光钟一台为被测光钟，另一台为参考光钟，按照公σpurg(r)—-在取样时间r下的被测光钟的频率稳定度；σger(r)——已知参考光钟的频率稳定度；f.——光钟输出的绝对频率。注2:在绝对频率未测量时，取国际参考值。8.1.5利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟异步比对的频率稳定度两台光钟基于同一种量子参考，共用同一台光学本地振荡器，采用不同步探测量子跃迁的方法(如图4),通过比较锁定伺服器输出频率测量两台光钟的频率差，计算得到的频率稳定度。9a)作用时间反相b)作用时间不对齐注：高电平代表探测光与原子(离子)的作用时间，其中a)和b)两种情况都表示不同步。图4异步比对探测时序图按以下方法进行测量。a)将共用的光学本地振荡器分为两束，通过两个独立的锁定伺服器将两束激光的频率分别锁定到两台光钟的原子(离子)钟跃迁上。b)按照图4控制两个锁定伺服器的时序，使两束激光探测两台光钟的原子(离子)钟跃迁的时间不同步。c)通过直接比较锁定伺服器输出频率的差值，或者通过频率计数器测量这个频率差，得到两台光钟输出激光频率的拍频频率差fa。d)由fa按照公式(1)计算阿伦标准偏差σ(t)。e)两台光钟性能相近时，按照公式(3)计算σpun(r),则利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟异步比对的频率稳定度σcsA(r)等于σpur(r);两台光钟一台为被测光钟，另一台为参考光钟，按照公式(7)计算被测光钟的频率稳定度σpurz(r),则利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟异步比对的频率稳定度σcs(r)等于σpurg(r)。8.1.6利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度两台光钟基于同一种量子参考，共用同一台光学本地振荡器，采用同步探测量子跃迁(如图5)的方法，通过比较锁定伺服器输出频率测量两台光钟的频率差，计算得到的频率稳定度。注：高电平代表探测光与原子(离子)的作用时间。图5同步比对探测时序图按以下方法进行测量。a)共用光学本地振荡器分为两束，通过两个独立的伺服链路将两束激光的频率分别锁定到两台光钟的原子(离子)钟跃迁上。b)按照图5控制两个伺服的时序，使两束激光探测两台光钟的原子(离子)钟跃迁的时间完全c)通过直接比较两个锁定伺服器输出的频率差，或者通过频率计数器测量这个频率差，得到两台光钟输出激光频率的拍频频率差fa。d)由fa按照公式(1)计算阿伦标准偏差σ,(r)。e)两台光钟性能相近时，按照公式(3)计算σpun(r),则利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度σcss(r)等于σpur(r);两台光钟一台为被测光钟，另一台为参考光钟，按照公式(7)计算被测光钟的频率稳定度σpurz(r),则利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度σcss(r)等于σpurg(r)。8.1.7利用完全独立的另一台不同种光钟比对的频率稳定度完全独立的两台不同种光钟，其输出频率不同，分别为f₁和f₂,频差(f₂-f₁)远高于光电探测器的频率响应范围，无法通过直接拍频的方式进行频率差测量，需利用光学频率梳作为光学频率传递手段来进行两台光钟的比对，测量流程如图6。flfl光钟1高速光电探测器f光钟2频率计数器光梳/ff图6利用完全独立的另一台不同种光钟比对测量频率稳定度流程图按以下方法进行测量：a)利用光学频率梳把其中一台光钟的输出频率f₁转换到第二台光钟的光学频率f₂的附近为f'₁,使得此时频差(f₂-f'₁)落到高速光电探测器的频率响应范围内。b)利用高速光电探测器探测第二台光钟与光学频率梳的拍频信号，高速光电探测器的输出信号送入频率计数器，测量得到两台光钟的通过光学频率梳转换的拍频频率差fa。c)由fa按照公式(1)计算阿伦标准偏差σ(r)。d)两台光钟性能相近时，按照公式(3)计算σpu(r),则利用完全独立的另一台不同种光钟比对的频率稳定度σm(r)等于σpun(r);两台光钟一台为被测光钟，另一台为参考光钟，按照公式(7)计算被测光钟的频率稳定度σpur₂(r),则利用完全独立的另一台不同种光钟比对的频率稳8.1.8利用共用光学本地振荡器的另一台不同种光钟比对的频率稳定度两台光钟基于不同种类的量子参考，其输出频率不同，分别为f₁和f₂,无法直接共用同一台光学本地振荡器。利用光学频率梳作为光学频率传递的手段，把光钟1的输出频率f₁转换到另一台光钟的光学频率f₂附近为f'₁,作为第二台光钟的光学本地振荡器使用。测量方法包括异步比对和同步比对两种形式，其中异步比对按照8.1.5进行测量，同步比对按照8.1.6进行测量。8.2频率不确定度8.2.1系统频移不确定度光钟的系统频移包含外界热环境造成的黑体辐射频移、外界磁场造成的塞曼频移等。各项系统频移的评定方法，一般是先根据物理模型确定该项频移与系统参数之间的敏感度，然后监测该项系统参数，利用模型计算得到系统频移量及其不确定度。光钟总的系统频移不确定度由各项不确定度分量按照GB/T27418—2017的不确定度合成方法得到的合成标准不确定度表示。在评定光钟的某些系统频移时，需用到分时自比对或者分空间自比对的方法。系统频移的计算中，对于不同的系统频移及其不确定度需采用不同的计算方式。一般取该项频移测量的平均值作为测量值的期望，平均值的不确定度作为该项频移的不确定度。得到各项频移的不确定度后，按照公式(8)对各项不确定度进行合成，得到系统频移不确定度：σ=√0{+0²+ +o;