高精度自由空间时间传递研究的新趋势

董瑞芳，张晓斐，刘涛，张首刚



高精度自由空间时间传递研究的新趋势

董瑞芳1,2，张晓斐1,2，刘涛1,2，张首刚1,2

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600）

随着时间频率的研究水平不断提高，实现比现有精度大幅度提高的新一代时间传递技术的研究受到广泛关注。激光脉冲时间传递作为目前自由空间时间传递精度最高的技术，其精度提高与采用的探测手段和脉冲光量子特性紧密关联。应用飞秒光频梳实现高精度时间传递是目前国际研究的一个新热点，近年来取得了许多突破性进展。在此基础上，量子优化的时间传递研究也随之展开。应用具有压缩特性的量子光频梳替代传统光频梳，将使时间延迟的测量精度突破散粒噪声极限。因此，基于量子测量和量子光频梳光源的量子优化在提高自由空间远程时间传递精度方面具有巨大应用潜力，是未来时间频率的高精度传输与比对技术的重要研究方向。

高精度时间传递；量子优化；量子光频梳；脉冲整形

0 引言

时间是表征物质运动的基本物理量，它为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。时间频率测量精度较其他物理量高五六个量级，其他物理量测量精度的提高可以通过时间频率测量间接实现。因此，高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，关系着国家和社会的安全稳定。高精度时间频率技术和研发能力，是国家时间频率体系的基础。随着时间频率测量精度的提高，人们可以更深层次地探索自然规律，从而推动了基础科学研究（如相对论、量子电动力学、引力场理论等）和诸多科学实验和工程技术领域（诸如自由电子激射器、粒子加速器、长基线干涉、相干雷达阵列、基于原子钟的新兴大地测量学、地理测量和深空探测、载人航天和海洋监测等）的飞速发展。

时间传递系统作为时间频率体系的重要组成部分，决定了时间频率应用的精度，是时间频率应用的基础。根据爱因斯坦时钟同步理论[1]，两地间的时间传递是利用电磁波脉冲在两地之间传播而实现。目前广泛采用的卫星双向时间频率传递（TWSTFT）技术是基于微波信号实现的精度最高的时间传递技术。星地微波时间同步一天内最高时间同步精度约为100 ps[2]，对应稳定度达到10-15/日量级，无法满足现有最高精度光学频率原子钟间时间频率信号（已达到10-18量级）[3-4]的传递精度要求。

由于激光信号具有更高载波频率和带宽等优点，利用激光脉冲进行高精度时间传递的研究受到广泛关注，并已显现比微波技术高至少1～2个量级的传递精度[5]。随着光频梳的出现[6-7]，激光脉冲时间传递精度获得了革命性提高，从皮秒量级进入飞秒量级[8-11]，也极大增强了人们对实现更高时间传递精度的信心。最新研究表明，基于量子优化的脉冲时间传递有望将精度进一步提高到阿秒量级[12]，此外，测量精度还可免受传输路径当中诸如温度、压强、湿度、色散等变化的影响[13]。鉴于其特有的高传递精度、抗干扰等优势，开展量子优化的脉冲时间传递研究具有巨大的应用前景。

1 高精度远程时间传递研究进展分析

根据爱因斯坦时间同步理论，时间传递精度取决于对脉冲的时延测量精度。传统的光脉冲传递时间测量是通过直接测量脉冲的飞行时间，我们把该方法称为非相干飞行时间（TOF）测量，其测量精度最终受限于散粒噪声极限[14]：

在量子理论中，时间测量精度极限来源于光的量子性质[16]。为了使时间同步的精度突破散粒噪声极限，研究人员提出了量子时间同步[14]：在理想的光子数压缩和频率一致纠缠状态下，测量信号脉冲传播时延的准确度将达到自然物理原理所能达到的最根本限制——量子力学的海森堡极限：

式（2）中，为频率纠缠的脉冲数。目前，利用自发参量下转换产生的＝2频率纠缠光源是量子时间同步研究应用的主要光源[17-19]。此外，基于频率纠缠源的量子时间同步协议已被提出可规避传输路径中色散对传递精度的影响[20-22]。因此，基于到达时间测量的量子时间同步获得广泛研究。

。 （4）

此外，相比于外差线性光学采样方法[23]，该方法不需要对测量结果进行后处理，可实现时间延迟抖动的实时测量。最新研究进一步给出，对本底参考源进行不同的时域整形，还可使测量灵敏度免受大气参数，诸如温度、压强、湿度等变化的影响[12]。

当采用具有量子压缩特性的光频梳传递时间信息时，利用平衡零拍探测到的时间延迟精度还将突破经典的散粒噪声极限[11]：

式（5）中，表征飞行脉冲的压缩参量。可以看出，利用量子测量和量子光源还将进一步优化飞秒光频梳时间传递技术。鉴于其光明的应用前景，对量子优化涉及的关键技术近年来受到广泛关注。

2 量子优化时间传递关键技术研究进展分析

飞秒光频梳的应用使得飞秒级高精度时间传递成为现实。在此基础上，量子优化的引入将使基于飞秒激光脉冲的时间传递精度有望突破散粒噪声极限的限制[11]。因此，有必要深入研究量子优化的激光脉冲时间传递中涉及的关键技术，为该技术在实际的应用和实现优于飞秒甚至阿秒量级的时间传递精度奠定基础。目前的量子优化时间传递关键技术研究主要集中在两方面：①本底参考光频梳的精确脉冲整形，②高压缩度量子光频梳的产生。围绕这两方面，目前科学家们已经取得了一系列成果。

2.1 本底参考光频梳的精确脉冲整形研究进展

研究表明，给定一个超短脉冲的相位和幅度，精确的脉冲整形可以通过对振幅和相位的频谱调制实现。Weiner等人最早提出了通过使用液晶空间光调制器（SLM）中的4-f傅里叶变换光学布局实现的可编程脉冲整形技术[26-27]，并广泛用于多样化和精确的脉冲整形研究[28-31]。然而，受空间—时间转换效应影响[32]，导致最佳模式的可见度降低，从而降低了灵敏度。随后声光调制器也被提出用于脉冲整形[33]。Verluise等人首次从实验上利用一个声光调制的可编程色散滤波器（AOPDF）实现了超短脉冲的相位和幅度整形[34]。该技术中，待整形的光脉冲直接穿过声光调制晶体，不需要复杂的4-f光学布局，且AOPDF的动态范围足够高，因此受到广泛研究。Ohno等人在AOPDF的基础上，进一步提出和实验证明了一种通过参照频率分辨光学开关的二维图案（FROG）测量实现的自适应脉冲整形方法，由于FROG测量描述了超短脉冲的振幅和相位的整个轮廓，在脉冲整形过程中无需进行脉冲轮廓重建[35]。此外，Sato等人提出了仅利用一根单模光纤实现超短脉冲的任意振幅和相位整形的自适应脉冲整形方法[36]。他们数值验证了通过控制输入脉冲的频谱以补偿光纤传播引入的群延迟色散和自相位调制，各种对脉冲波包的时间微分可以在光纤输出端产生。基于该方案实现了全光学脉冲整形[37-39]，但只适用于有限的峰值功率。Labroille等人提出了一个新的全光学时空模式匹配技术[40]。利用一块基于石英晶体的索累-巴比涅补偿器，他们实现了对脉冲电场和脉冲包络的一阶微分整形。当两个光频梳的脉冲包络近似傅立叶变换受限，则利用该方法可实现电场整形脉冲对应于式（4）所需要的本底参考。由于装置简单，且该技术不受空间—时间转换效应影响，不需要主动控制，是较为理想的一阶脉冲整形装置。为研究传输通道中群速度色散对时间延迟测量的影响，我们有必要研究对本底参考脉冲的二阶微分整形。

2.2 高压缩度量子光频梳的产生研究进展

基于二阶非线性效应的光学参量振荡器（OPO）是目前产生具有压缩[41]和纠缠[42]特性的连续变量非经典光源的最常用方法之一。由于非经典光源在高灵敏量子测量和量子信息等应用中已展现的优越性，人们不断努力优化参量下转换过程以便获得更大压缩度和纠缠度，如采用强泵浦源和谐振腔等方式增强非线性转换效率。我们知道，利用参量转换是瞬态过程，非线性效应与泵浦光的瞬时功率成正比，因此锁模飞秒脉冲激光源是进行参量下转换的最佳泵浦光源，而且，由于飞秒脉冲光与非线性晶体的作用时间短，在高功率条件下大大降低了对晶体的热损伤。迄今，利用飞秒脉冲光单次三阶非线性介质，如光纤，已获得高达-6.8dB的压缩[43]，然而，由于光纤中固有的瑞利散射和布里渊散射效应，破坏了输出光场的相干性。利用飞秒脉冲光单次穿过二阶[44]非线性晶体也被用于产生高性能的压缩光场。获得理想的压缩特性要求泵浦光峰值功率趋近无穷大。为提高峰值功率而采用的Q调制及光放大手段[45]都是以损失泵浦脉冲间的相干特性为代价的；此外，由于该过程产生的信号光受空间分布变形的影响，可达到的压缩度仅为-6dB，为突破该限制，需要使用共振腔或波导[46]。另一方面，利用高精细度的共振腔在有限的泵浦功率下即可产生完美的量子特性，目前，利用连续激光源泵浦处于高精细度谐振腔中的光学参量下转换晶体已经实现了高达-12 dB的振幅压缩[47]。因此，在利用参量下转换产生量子光源的装置中，结合高峰值功率和谐振腔的优势变得极为诱人。该装置又称为同步抽运光学参量振荡器（SPOPO），泵浦光或（和）信号光在谐振腔内往返一周的时间应与飞秒光脉冲的重复频率一致，以保证多个泵浦脉冲的参量效应相干叠加，达到降低阈值功率的目的。这种SPOPO早被广泛用于产生可调谐的超短脉冲光源[48-50]，并且它们的时域特性也被深入分析[51-53]。然而基于SPOPO产生具有量子特性的超短脉冲源的理论直到2006年才被提出[54]。根据理论研究，基于SPOPO产生的量子光频梳将获得高达-25dB的压缩[55]，可使式（4）的测量极限降低两个数量级。2012年，基于SPOPO技术的量子光频梳产生实验首次被报道[56]，利用中心波长795nm、脉宽120fs的钛宝石锁模激光源的大部分倍频后与BBO非线性晶体相互作用，其中一小部分用作种子光，当SPOPO谐振腔工作在参量衰减条件时，实验获得了-1.2 dB的振幅压缩。2013年山西大学也开展了类似的实验研究，当SPOPO 运转在参量放大状态下，实验获得-2.6dB的正交位相压缩光[57]。实验测得的压缩度与理论值还有较大差距。压缩的进一步提高还需要进行深入理论分析和实验优化来实现。

随着高压缩度量子光频梳的产生，基于脉冲整形的平衡零拍探测将使时间延迟测量精度突破散粒噪声极限。针对量子脉冲易被大气通道中噪声淹没的缺陷，量子提纯已被提出并在实验室实现[58-59]。此外，由于外层空间对光信号几乎没有损耗，卫星间的量子优化时间传递有着巨大应用潜力。

我国在量子光学和量子信息技术方面的研究走在国际前列。尤其是在量子通信技术应用方面，由潘建伟带领的研究团队不仅实现了百km量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发[60]，还实现了400km级星地间单光子通信[61]，充分验证了量子脉冲在自由空间传输的可行性。

3 结语

随着时间频率的研究水平不断提高，实现比现有精度大幅提高的新一代时间传递技术的研究受到广泛关注。激光脉冲时间传递作为目前自由空间时间传递精度最高的技术，其精度提高与采用的探测手段和脉冲光量子特性紧密关联。应用飞秒光频梳实现高精度时间传递和测距是目前国际研究的一个新热点，近年来取得了许多突破性进展。在此基础上，量子优化的时间传递研究也随之展开。应用具有压缩特性的量子光频梳替代传统光频梳，将使时间延迟的测量精度突破散粒噪声极限。因此，基于量子测量和量子光频梳光源的量子优化在提高自由空间远程时间传递精度方面具有巨大应用潜力，是未来时间频率的高精度传输与比对技术的重要研究方向。

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New trends on high-precision free-space distant time transferresearch

DONG Rui-Fang1,2, ZHANG Xiao-Fei1,2, LIU Tao1,2, ZHANG Shou-Gang1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory ofTime and Frequency Primary Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

Accompanying with the remarkable improvements in the ability of generating and measuring high-accuracy time-frequency signal, seeking for new time-transfer techniques between distant clocks with much further improved accuracy attracts attentions world-widely. The time-transfer technique based on optical pulses has the highest precision presently, the further improvement in the accuracy is heavily dependent on the time-domain properties of the pulse as well as the sensitivity of the applied measurement on the exchanged pulse. The application of optical frequency comb in time transfer for a precision up to femtosecond level are currently the focus of much interest, and has recently achieved many breakthroughs. Further investigations show that, utilizing quantum techniques, i.e. quantum measurement technique and quantum optical pulse source, can lead to a new limit on the measured timing information. Furthermore, it can be immune from atmospheric parameters, such as pressure, temperature, humidity and so on. Such quantum improvements on time-transfer have a bright prospect in the future applications requiring extremely high-accuracy timing and ranging. The potential achievements will form a technical basis for the future realization of sub-femtosecond time transfer system.

high-precision time transfer; quantum improvement; pulse shaping; quantum frequency comb

TM935

A

1674-0637(2016)03-0162-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-03-0162-08

2015-12-31

国家自然科学基金资助项目（11174282；Y133ZK1101；91336108）；中国科学院前沿科学重点研究计划资助项目（QYZDB-SSW-SLH007）；中国科学院科研装备研制资助项目；中组部“青年拔尖人才支持计划”资助项目（组厅字〔2013〕33号）

董瑞芳，女，研究员，主要从事量子时间同步研究。