一种基于异步相位跟踪的双光梳时间测量装置及方法

1.本发明属于超快光学和光学频率梳技术领域，具体涉及一种基于异步相位跟踪的双光梳时间测量装置及方法。


背景技术：

2.高精度守时、授时是近年来国内外科研领域研究的热点问题之一，也是计量学关注的基础研究工作。目前，频率是所有物理量中测量最准确的量，而时间间隔的测量则可认为是频率的倒数，即对频率测量的越准确，可以获得越高的时间测量精度。对于频率的测量方法经历了漫长的发展阶段，从最早人们日出而作、日落而息，逐渐发明出了日晷、水钟、摆钟、石英钟等计时工具，再到微波原子钟、光频原子钟的发明，频率稳定度的测量能力已经可以达到1e-19量级。若要将稳定度如此高的时钟信号在遥远两地进行共享，就需要高精度的时频传递或时间同步技术进行支撑。
3.近年来利用双光梳方法进行遥远两地之间的高精度时钟同步逐渐成为国际研究热点。这种方法可以在遥远两地完成飞秒量级的时间同步，具有重要应用前景。然后，虽然最新研究使得远距离飞秒级时间同步成为了可能，但对于两脉冲序列直接进行飞秒级精度的时延测试与评估仍然较为困难。
4.目前使用的对两脉冲信号进行直接时间差测量的仪器是时间间隔计数器，其原理是通过单位时间内输入信号的过零点数来评估输入信号的周期，并通过电路的开、关门时间差进行时间间隔测量。受限于仪器自身晶振的稳定性，这类时间差测量仪器的精度往往只能达到几到几十皮秒量级。为了在本地实现两输入信号的高精度时延分辨，最重要的是要提升仪器自身的测量精度。然而目前国际上仍然没有公开报道的仪器可实现两输入脉冲飞秒级精度的时延测量。


技术实现要素：

5.本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于异步相位跟踪的双光梳时间测量装置及方法，该装置利用可调电学带通滤波器分别获得具有两输入信号时延特征的谐波信号；将两台光学频率梳利用相位跟踪技术分别锁定到两滤出谐波，实现两光学频率梳与两滤出谐波的相位跟踪；利用异步相位跟踪技术将第三台光学频率梳跟踪到其中一路滤出谐波上，其光学频率梳与另两台具有微小频率差；随后将两台相位跟踪光学频率梳分别与异步相位跟踪光学频率梳进行干涉，并将测量结果相减，即可实现两输入信号的精确时间差测量。
6.本发明的技术方案为：
7.一种基于异步相位跟踪的双光梳时间测量方法，其步骤包括：
8.1)将第一输入信号1、第二输入信号2分别输入至可调电学滤波系统3；其中第一输入信号1与第二输入信号2为重复频率相同且具有相对相位差的两待测脉冲信号；
9.2)该可调电学滤波系统3将输入信号分为三路信号输出，其中第一路信号、第二路
信号携带第一输入信号1的相位信息且频率为f1，第三路信号携带第二输入信号2的相位信息且频率为f1；
10.3)将第一路信号经第一相位跟踪系统4输入光源系统7、第二路信号经异步相位跟踪系统6输入光源系统7、第三路信号经第二相位跟踪系统5输入光源系统7；光源系统7输出三路携带输入信号相位信息的光梳信号，其中第一路光梳信号、第二路光梳信号均携带第一输入信号1的相位信息第三路光梳信号携带输入信号2的相位信息第一路、第三路光梳输出重复频率为f1，第二路光梳输出重复频率为f1+δf；
11.4)光源系统7输出的三路光梳信号输入第一可调光学滤波系统8进行光学滤波，对应输出三路窄带光梳信号；
12.5)将第一、二路窄带光梳信号进行耦合得到两路输出信号并对其进行滤波，得到两路带限光梳拍频信号并对其进行探测得到第一路电信号；将第二、三路窄带光梳信号进行耦合得到两路输出信号并对其进行滤波，得到两路带限光梳拍频信号并对其进行探测得到第二路电信号；
13.6)将第一路电信号、第二路电信号转换为数字信号并输入到处理器13；处理器13对两路数字信号分别进行峰值寻找，然后根据记录峰值出现的时刻t1与t2计算第一输入信号1与第二输入信号2的相对时间差。
14.进一步的，δf远小于f1。
15.进一步的，f1/δf≥105。
16.进一步的，通过计算第一输入信号1与第二输入信号2的相对时间差。
17.进一步的，该可调电学滤波系统3包括第一可调电学带通滤波器3-1与第二可调电学带通滤波器3-2，第一可调电学带通滤波器3-1对第一输入信号1进行滤波得到一信号f3(t)作为第一路信号、第二路信号；第二可调电学带通滤波器3-2对第二输入信号2进行滤波得到一信号f4(t)作为第三路信号。
18.进一步的，信号f3(t)分别接入第一相位跟踪系统4以及异步相位跟踪系统6，第一相位跟踪系统4用于实现与信号f3(t)同频跟踪，异步相位跟踪系统6用于实现与信号f3(t)频率相差δf同时相位跟踪；信号f4(t)接入第二相位跟踪系统5，其输出信号与信号f4(t)具有同频相位跟踪。
19.进一步的，所述光源系统7包括第一光学频率梳7-1、第二光学频率梳7-2以及第三光学频率梳7-3，第一光学限幅放大器7-4、第二光学限幅放大器7-5和第三光学限幅放大器7-6；其中，第一相位跟踪系统4与第一光学频率梳7-1连接、第二相位跟踪系统5与第一光学频率梳7-3连接、异步相位跟踪系统6与第三光学频率梳7-3连接，使得第一光学频率梳7-1重频为f1且与f3(t)相位跟踪、第二光学频率梳7-2重频为f1且与f4(t)相位跟踪、第三光学频率梳7-3重频为f1+δf且与f3(t)相位跟踪；第一光学限幅放大器7-4与第一光学频率梳7-1连接，用于对第一光学频率梳7-1输出信号进行光学限幅放大；第二光学限幅放大器7-5与第三光学频率梳7-3连接，用于对第三光学频率梳7-3输出信号进行光学限幅放大；第三光学限幅放大器7-6与第二光学频率梳7-2连接，用于对第二光学频率梳7-2输出信号进行光学限幅放大。
20.进一步的，第一、二路窄带光梳信号经第一2
×
2光耦合器9-1进行耦合得到两路输
出信号；第二、三路窄带光梳信号经第二2
×
2光耦合器9-2进行耦合得到两路输出信号。
21.进一步的，第一输入信号1、第二输入信号2经过可调电学滤波系统3，输出携带输入信号相位信息的正弦信号。
22.一种基于异步相位跟踪的双光梳时间测量装置，其特征在于，包括可调电学滤波系统3、第一相位跟踪系统4、第二相位跟踪系统5、异步相位跟踪系统6、光源系统7、第一可调光学滤波系统8、光耦合系统9、第二可调光学滤波系统10、探测系统11、数模转换系统12、处理器13；其中，
23.所述可调电学滤波系统3，用于将输入的第一输入信号1、第二输入信号2分为三路信号输出，其中第一路信号、第二路信号携带第一输入信号1的相位信息且频率为f1，第三路信号携带第二输入信号2的相位信息且频率为f1；第一输入信号1与第二输入信号2为重复频率相同且具有相对相位差的两待测脉冲信号；
24.第一路信号经第一相位跟踪系统4输入光源系统7、第二路信号经异步相位跟踪系统6输入光源系统7、第三路信号经第二相位跟踪系统5输入光源系统7；光源系统7输出三路携带输入信号相位信息的光梳信号，其中第一路光梳信号、第二路光梳信号均携带第一输入信号1的相位信息第三路光梳信号携带输入信号2的相位信息第一路、第三路光梳输出重复频率为f1，第二路光梳输出重复频率为f1+δf；
25.所述第一可调光学滤波系统8，用于对所述光源系统7输出的三路光梳信号进行光学滤波，得到对应的三路窄带光梳信号；
26.所述光耦合系统9，用于将第一、二路窄带光梳信号进行耦合得到两路输出信号并输入所述第二可调光学滤波系统10对其进行滤波，得到两路带限光梳拍频信号并输入所述探测系统11进行探测得到第一路电信号；将第二、三路窄带光梳信号进行耦合得到两路输出信号并输入所述第二可调光学滤波系统10对其进行滤波，得到两路带限光梳拍频信号并输入所述探测系统进行探测得到第二路电信号；
27.所述数模转换系统12，用于将第一路电信号、第二路电信号转换为数字信号并输入到处理器13；
28.所述处理器13，用于对两路数字信号分别进行峰值寻找，然后根据记录峰值出现的时刻t1与t2计算第一输入信号1与第二输入信号2的相对时间差。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.(1)、通过对输入信号进行滤波得到对待评估原始信号波形不敏感的谐波信息，其可将原始信号的时延特性传递到后级进行处理；
31.(2)、通过相位跟踪与异步相位跟踪技术，将滤出谐波的时延特性高精度传递给光学频率梳；
32.(3)、通过双光梳干涉方法，获得对原始时延放大后的时延测量值，从而进行高测量精度的时延测量。因此，本发明具有输入波形不敏感、时延跟踪精度高、时延测量精度高等优势。
附图说明
33.图1为本发明中基于异步相位跟踪的双光梳时间测量的装置的系统框图。
34.图2为本发明中基于异步相位跟踪的双光梳时间测量的装置的实施例结构示意
图。
具体实施方式
35.以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
36.参阅附图1，本发明包括：第一输入信号1、第二输入信号2、可调电学滤波系统3、第一相位跟踪系统4、第二相位跟踪系统5、异步相位跟踪系统6、光源系统7、第一可调光学滤波系统8、光耦合系统9、第二可调光学滤波系统10、探测系统11、数模转换系统12、处理器13。
37.所述第一输入信号1与第二输入信号2为具有相对相位差的两待测脉冲信号，要求两路信号重复频率相同，将其输入至可调电学滤波系统3，其输出为三路信号，其中第一、二路携带第一输入信号1的相位信息且频率为f1，第三路携带第二输入信号2的相位信息频率为f1；可调电学滤波器3的三路输出分别输入第一相位跟踪系统4、第二相位跟踪系统5、异步相位跟踪系统6，并将三路输出输入光源系统7，光源系统为锁模激光器，具有与相位跟踪系统连接的电学接口，其输出为三路携带输入信号相位信息的光梳信号，其中第一、第二路携带第一输入信号1的相位信息第三路携带输入信号2的相位信息第一路、第三路光梳输出重复频率为f1，第二路光梳输出重复频率为f1+δf，其中δf为远小于f1的小量，一般取f1/δf≥105；光源系统7输出的三路光梳信号输入第一可调光学滤波系统8进行光学滤波，滤出100ghz的光学带宽，并输出三路窄带光梳信号；输出信号经过光耦合系统9分别进行进行合束、分束耦合，得到四路输出信号；光耦合系统9输出的四路信号通过第二可调光学滤波系统10进行二次滤波，得四路带限光梳拍频信号，并将输出接入探测系统11进行探测；探测系统11将每相邻两路输入信号进入一个平衡探测器进行探测，输出两路具有固定周期的电脉冲信号，脉冲间隔为1/δf，分别进入模数转换系统12，将探测系统11输出的模拟信号进行数字化处理，以便后续利用处理器11进行处理；处理器11将接收到的两路数字信号分别进行峰值寻找，记录峰值出现的时刻t1与t2；最终通过计算第一输入信号1与第二输入信号2的相对时间差。
38.下面以对两路重复频率100mhz的脉冲信号的时延进行测量为例对本发明作进一步说明。
39.实施例：
40.参阅附图2，图中各标记分别为：第一输入信号1、第二输入信号2、第一可调电学带通滤波器3-1、第二可调电学带通滤波器3-2、第一相位跟踪系统4、第二相位跟踪系统5、异步相位跟踪系统6、第一光学频率梳7-1、第二光学频率梳7-2、第三光学频率梳7-3、第一光学限幅放大器7-4、第二光学限幅放大器7-5、第三光学限幅放大器7-6、第一可调光学带通滤波器8-1、第二可调光学带通滤波器8-2、第三可调光学带通滤波器8-3、第四可调光学带通滤波器10-1、第五可调光学带通滤波器10-2、第六可调光学带通滤波器10-3、第七可调光学带通滤波器10-4、第一2
×
2光耦合器9-1、第二2
×
2光耦合器9-2、第一平衡零差探测器11-1、第二平衡零差探测器11-2、第一模拟数字转换器12-1、第二模拟数字转换器12-2、数据处理器13。
41.所述第一输入信号1为重复频率f1＝100mhz的脉冲信号，记为：
42.f1(t)＝g(t-t1),
43.第二输入信号2为重复频率为f1＝100mhz的脉冲信号，记为：
44.f2(t)＝g(t-t2).
45.其中g(t)表示脉宽任意的门函数。t1、t2分别表示两脉冲信号的时间信息，即相位关系。
46.两路输入信号分别经过第一可调电学带通滤波器3-1与第二可调电学带通滤波器3-2进行滤波，通过控制带通滤波器的中心频率与带宽，获得两路输出正弦信号，分别记为：
[0047][0048][0049]
该两路正弦信号携带原始输入信号的相位信息。第一可调电学带通滤波器3-1输出信号f3(t)分别接入第一相位跟踪系统4以及异步相位跟踪系统6，第一相位跟踪系统4实现与输出信号f3(t)同频的跟踪功能，异步相位跟踪系统6实现与输出信号f3(t)频率相差δf同时相位跟踪的功能。第二可调电学带通滤波器3-2输出信号f4(t)接入第二相位跟踪系统5，其输出信号与输出信号f4(t)具有同频相位跟踪特性。之后，第一相位跟踪系统4、第二相位跟踪系统5、异步相位跟踪系统6输出分别连接第一光学频率梳7-1、第二光学频率梳7-2以及第三光学频率梳7-3，最终使得第一光学频率梳7-1重频为f1且与f3(t)相位跟踪，第二光学频率梳7-2重频为f1且与f4(t)相位跟踪，第三光学频率梳7-3重频为f1+δf且与f3(t)相位跟踪。第一光学限幅放大器7-4、第二光学限幅放大器7-5、第三光学限幅放大器7-6对光学频率梳输出的信号分别进行光学限幅放大，保证输出光谱的顶端被削平。通过第一可调光学带通滤波器8-1、第二可调光学带通滤波器8-2、第三可调光学带通滤波器8-3分别对光学限幅放大器输出信号进行滤波，通过调整可调光学滤波器带宽，保证三路输出信号光谱宽度在1nm以内且谱宽相同。第一可调光学带通滤波器8-1输出与第二可调光学带通滤波器8-2的第一路输出接入第一2
×
2光耦合器9-1，第二可调光学带通滤波器8-2的第二路输出与第三可调光学带通滤波器8-3输出接入第二2
×
2光耦合器9-2。第一2
×
2光耦合器9-1的两路输出分别接入第四可调光学带通滤波器10-1与第五可调光学带通滤波器10-2，得到进一步带限的输出信号；第二2
×
2光耦合器9-2的两路输出分别接入第六可调光学带通滤波器10-3与第七可调光学带通滤波器10-4，得到进一步带限的输出信号。可调光学带通滤波器10-1至10-4的带宽选择与带通滤波器8-1相同。第四可调光学带通滤波器10-1与第五可调光学带通滤波器10-2输出接入第一平衡零差探测器11-1两路输入端进行探测，第六可调光学带通滤波器10-3与第七可调光学带通滤波器10-4输出接入第二平衡零差探测器11-2两路输入端进行探测。第一模拟数字转换器12-1、第二模拟数字转换器12-2对接收到的信号进行离散化处理，获得处理器可计算的离散型测量结果。第一模拟数字转换器12-1、第二模拟数字转换器12-2的输出结果与数据处理器13连接，数据处理器13的第一输入端口记录测量结果a，第二输入端口记录测量结果b。通过数据处理器13对结果a的峰值进行搜索，记录峰值出现时间时t1，对结果b进行峰值搜索，记录峰值出现的时刻t2，并根据公式
进行计算，即可得到两输入脉冲信号的时间间隔t。
[0050]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。