一种基于光学频率梳的超高精度基准源制造技术

本申请公开了一种基于光学频率梳的超高精度基准源，解决频率基准源时间同步精度不高的问题。所述基于光学频率梳的超高精度基准源，包括时钟本振单元、倍频单元、高频基准源、第一分频器、第二分频器和本地时标生成单元，所述高频基准源包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第二光学拍频器、窄线宽激光器、第一光电转换器、第二光电转换器和电压控制单元。本申请与目前基于高品质铯钟的实现装置相比，同步精度及守时精度可由±30ns提高至亚ns量级，并且本身不依赖铯钟，采用低成本、低精度的铷原子钟即可满足超高精度同步指标要求。

An ultra high precision reference source based on optical frequency comb

The application discloses an ultra-high precision reference source based on an optical frequency comb, which solves the problem of low time synchronization accuracy of the frequency reference source. The ultra-high precision reference source based on an optical frequency comb includes a clock local oscillator unit, a frequency doubling unit, a high frequency reference source, a first frequency divider, a second frequency divider and a local time scale generating unit, and the high frequency reference source includes a mode-locked laser, an optical amplifier, a nonlinear optical unit, a first optical beat frequency device, and a second optics. Frequency beater, narrow linewidth laser, first photoelectric converter, second photoelectric converter and voltage control unit. Compared with the current high quality cesium clock based devices, the synchronization accuracy and timing accuracy can be improved from 6550

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学频率梳的超高精度基准源
本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种高精度频率基准源。
技术介绍
通信技术及通信业务的加速发展对高精度同步技术提出了更高的要求。频率基准源生成技术是时间同步技术的基础，也是诸多超高精度时间同步需求实现的关键。目前商用的高精度基准源技术根据ITU-TG.811标准建议主要采用铯原子钟作为最终的自主基准源，通过锁相环技术驯服铷原子钟后组成PRC设备为通信网的其他同步设备、传输设备或业务网设备提供定时信号，但这种基准源时间同步精度不高，提供的±100ns定时精度难以满足未来超高精度同步要求。为了满足诸多新业务和新技术驱动的超高精度同步需求，提高基准源头的精度势在必行。在过去的十年里，光学频率梳和“光钟”为超高精度同步实现开启了另一扇窗，采用皮秒/飞秒的梳状锁模激光器和非线性光学倍频技术后，在光域实现对光梳的重复频率和偏置频率的精确控制，从而为微波频率的原子钟锁定的窄线宽连续激光提供了有力的转换桥梁。光钟与原子微波钟不同，与原子微波钟相比，光钟的稳定性、精度和位相噪声都至少有数量级的改善。然而，目前该技术除了在精密计量、精密定位、高分辨率光谱、引力波测量、原子冷却及量子光学、纳米材料科学、大气光学、环境科学、生命科学研究应用、全球定位系统和军事科学领域取得了前沿性应用外，尚未应用于通信网及电信级同步网中。
技术实现思路
有鉴于此，为解决频率基准源时间同步精度不高的问题，本专利技术提出了一种基于光学频率梳的超高精度基准源。本申请实施例提供了一种基于光学频率梳的超高精度基准源，其特征在于，包括时钟本振单元、倍频单元、高频基准源、第一分频器、第二分频器和本地时标生成单元；所述时钟本振单元，用于以输入的频率参考信号为基准，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服，得到中频基准信号，输出到所述倍频单元；所述倍频单元，用于对所述中频基准信号进行倍频转换，得到频率驱动信号，输出到所述高频基准源；所述高频基准源，通过输入的所述驱动信号触发锁模激光器，产生光学频率梳信号，再经变频处理，得到高频基准信号，输出到所述第一分频器，所述高频基准信号的频率范围为200M～10GHz；所述第一分频器，用于接收所述高频基准信号，并将所述高频基准信号进行分频处理，得到所述频率参考信号，输出到第二分频器和所述时钟本振单元，所述频率参考信号的频率为10MHz；所述第二分频器，用于接收所述频率参考信号，并将所述频率参考信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号，输出到所述本地时标生成单元；所述本地时标生成单元，用于接收所述1PPS内部输入参考信号和1PPS外部输入参考信号并进行相位比对，调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号。进一步地，本申请的实施例提供了一种基于光学频率梳的超高精度基准源，其中，所述高频基准源，包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第二光学拍频器、窄线宽激光器、第一光电转换器、第二光电转换器和电压控制单元；所述锁模激光器，用于接收所述频率驱动信号，并在频率驱动信号的驱动下得到原始光梳信号，输出到所述光放大器、第一光学拍频器和第二光学拍频器；所述光放大器，用于接收所述原始光梳信号并将原始光梳信号进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元；所述非线性光学单元，用于接收所述内部光梳信号并将内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号，输出到所述第一光学拍频器；所述第一光学拍频器，用于接收所述光梳倍频信号及所述原始光梳信号，并将光梳倍频信号与原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器；所述第一光电转换器，用于接收所述光梳偏置频率分量信号并将光梳偏置频率分量信号转换为光梳偏置电信号，输出到所述电压控制单元；所述电压控制单元，用于接收所述光梳偏置电信号，并将光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器，反向控制所述锁模激光器的偏置电压；所述窄线宽激光器，用于产生特定波长的直流光信号，输出到所述第二光学拍频器；所述第二光学拍频器，用于接收所述原始光梳信号及所述特定波长的直流光信号，并将原始光梳信号和特定波长的直流光信号做差频处理，得到拍频光信号，输出到所述第二光电转换器；所述第二光电转换器，用于接收所述拍频光信号，并将拍频光信号进行光电转换，得到拍频电信号作为所述高频基准信号输出。可选择地，本申请的实施例中所述高频基准源，包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第一光电转换器和电压控制单元；所述锁模激光器，用于接收所述频率驱动信号，并在频率驱动信号的驱动下得到原始光梳信号，输出到所述光放大器、第一光学拍频器和第二光学拍频器；所述光放大器，用于接收所述原始光梳信号并将原始光梳信号进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元；所述非线性光学单元，用于接收所述内部光梳信号并将内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号，输出到所述第一光学拍频器；所述第一光学拍频器，用于接收所述光梳倍频信号及所述原始光梳信号，并将光梳倍频信号与原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器；所述第一光电转换器，用于接收所述光梳偏置频率分量信号，并将光梳偏置频率分量信号转换为光梳偏置电信号作为所述高频基准信号输出，同时将所述光梳偏置电信号输出到所述电压控制单元；所述电压控制单元，用于接收所述光梳偏置电信号，并将光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器，反向控制所述锁模激光器的偏置电压。与目前基于高品质铯钟的实现装置相比，本申请的同步精度及守时精度由±30ns可提高至亚ns量级，并且本身不依赖铯钟，采用低成本、低精度的铷原子钟即可满足超高精度同步指标要求。同时，本申请在现有的时间服务器实现模型基础上，引入了光学频率梳技术，通过光学频率梳对拍频信号测量后，间接实现本地铷钟对窄线宽连续激光器的锁定。本专利技术至少一个实施例可达到以下有益效果：锁定后由于激光器的线宽在Hz量级，中心波长在百THz量级，因此本专利技术所实现的高频基准信号准确度在N×E-15量级，优于高品质铯钟2～3个数量级；同时，光频信号的基底噪声远远优于微波原子钟噪声水平，由非线性光学倍频及差频实现的“光鉴相器”信噪比也远高于电域鉴相器水平，因此频率稳定度方面与铯钟相比也有大幅度提升。通过光学频率梳生成高频基准信号后，本专利技术又将该高频基准信号产生的1PPS内部输入参考信号与1PPS外部输入参考信号进行相位对齐，由于频率准确度及稳定度的显著提升，该频率基准源生成的1PPS相位基准信号可提高至亚皮秒量级，为未来超高精度时间同步技术实现提供准确可靠的相位参考信号。由于光学频率梳对驱动锁模激光器的本振时钟性能要求不高，采用铷钟即可满足超高精度同步指标要求，对钟源的成本要求低。同时在本专利技术中由于本地铷钟前置于光学频率梳单元共同组成反馈闭环后，当铷钟或窄线宽激光器短时间工作在非稳态时，通过闭环反馈控制仍然可保证频率基准的稳定度，对频率输出性能的影响较小。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为ITU-TG.811标准中规定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学频率梳的超高精度基准源，其特征在于，包括时钟本振单元、倍频单元、高频基准源、第一分频器、第二分频器和本地时标生成单元；所述时钟本振单元，用于以输入的频率参考信号为基准，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服，得到中频基准信号，输出到所述倍频单元；所述倍频单元，用于对所述中频基准信号进行倍频转换，得到频率驱动信号，输出到所述高频基准源；所述高频基准源，通过输入的所述驱动信号触发锁模激光器，产生光学频率梳信号，再经变频处理，得到高频基准信号，输出到所述第一分频器，所述高频基准信号的频率范围为200M～10GHz；所述第一分频器，用于接收所述高频基准信号，并将所述高频基准信号进行分频处理，得到所述频率参考信号，输出到第二分频器和所述时钟本振单元，所述频率参考信号的频率为10MHz；所述第二分频器，用于接收所述频率参考信号，并将所述频率参考信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号，输出到所述本地时标生成单元；所述本地时标生成单元，用于接收所述1PPS内部输入参考信号和1PPS外部输入参考信号并进行相位比对，调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学频率梳的超高精度基准源，其特征在于，包括时钟本振单元、倍频单元、高频基准源、第一分频器、第二分频器和本地时标生成单元；所述时钟本振单元，用于以输入的频率参考信号为基准，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服，得到中频基准信号，输出到所述倍频单元；所述倍频单元，用于对所述中频基准信号进行倍频转换，得到频率驱动信号，输出到所述高频基准源；所述高频基准源，通过输入的所述驱动信号触发锁模激光器，产生光学频率梳信号，再经变频处理，得到高频基准信号，输出到所述第一分频器，所述高频基准信号的频率范围为200M～10GHz；所述第一分频器，用于接收所述高频基准信号，并将所述高频基准信号进行分频处理，得到所述频率参考信号，输出到第二分频器和所述时钟本振单元，所述频率参考信号的频率为10MHz；所述第二分频器，用于接收所述频率参考信号，并将所述频率参考信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号，输出到所述本地时标生成单元；所述本地时标生成单元，用于接收所述1PPS内部输入参考信号和1PPS外部输入参考信号并进行相位比对，调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号。2.根据权利要求1所述的基于光学频率梳的超高精度基准源，其特征在于，所述高频基准源包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第二光学拍频器、窄线宽激光器、第一光电转换器、第二光电转换器和电压控制单元；所述锁模激光器，用于接收所述频率驱动信号，并在频率驱动信号的驱动下得到原始光梳信号，输出到所述光放大器、第一光学拍频器和第二光学拍频器；所述光放大器，用于接收所述原始光梳信号并将原始光梳信号进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元；所述非线性光学单元，用于接收所述内部光梳信号并将内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号，输出到所述第一光学拍频器；所述第一光学拍频器，用于接收所述光梳倍频信号及所述原始光梳信号，并将光梳倍频信号与原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器；所述第一光电转换器，用于接收所述光梳偏置频率分量信号并将光梳偏置频率分量信号转换为光梳偏置电信号，输出到所述电压控制单元；所述电压控制单元，用于接收所述光梳偏置电信号，并将光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器，反向控制所述锁模激光器的偏置电压；所述窄线宽激光器，用于产生特定波长的直流光信号，输出到所述第二光学拍频器；所述第二光学拍频器，用于接收所述原始光梳信号及所述特定波长的直流光信号，并将原始光梳信号和特定波长的直流光信号做差频处理，得到拍频光信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕博，胡昌军，潘峰，
申请(专利权)人：工业和信息化部电信研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11