科技的進(jìn)步總伴隨著測(cè)量精度的提高,時(shí)間作為一個(gè)古老的物理量,它的精度隨著人類(lèi)文明的發(fā)展而得到不斷的提升,目前在實(shí)驗(yàn)室中光鐘的穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到10-19量級(jí)。高精度的時(shí)鐘在如基礎(chǔ)物理、精密測(cè)量、定位導(dǎo)航、深空探測(cè)、高速通信等領(lǐng)域扮演著重要角色,為了將超高精度的時(shí)鐘應(yīng)用在這些領(lǐng)域,對(duì)于時(shí)間(頻率)信號(hào)傳遞的研究就十分重要。這其中,通過(guò)自由空間鏈路進(jìn)行時(shí)間頻率傳遞的方案由于具備傳輸距離遠(yuǎn),覆蓋范圍廣,方便組網(wǎng)的特點(diǎn),一直都是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)方向�；谖⒉夹g(shù)的空間時(shí)頻傳遞發(fā)展最早,也最為成熟,它的日穩(wěn)定度可達(dá)10-15量級(jí),隨后發(fā)展的基于脈沖激光的時(shí)頻傳遞技術(shù)在精度和穩(wěn)定度上有了進(jìn)一步的提升,但仍然無(wú)法滿足目前超高精度時(shí)鐘的傳遞需求。隨著飛秒光學(xué)頻率梳技術(shù)的發(fā)展,一種基于雙光梳干涉的線性光學(xué)采樣技術(shù)開(kāi)始被應(yīng)用到空間時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)中,并在測(cè)試結(jié)果中達(dá)到10-19量級(jí)的傳遞穩(wěn)定度,展示出極大的潛力。在本論文中,針對(duì)遠(yuǎn)距離高精度空間時(shí)頻傳遞的應(yīng)用背景,對(duì)線性光學(xué)采樣技術(shù)進(jìn)行了研究,將相關(guān)研究成果應(yīng)用在實(shí)際的空間時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)中,取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本論文的主要內(nèi)容包括以下4部分:首先,針對(duì)線性光學(xué)采樣對(duì)輸出信號(hào)高信噪比的需求,設(shè)計(jì)了一款高性能平衡探測(cè)器。通過(guò)對(duì)平衡探測(cè)器的結(jié)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行分析,并對(duì)其輸出噪聲進(jìn)行理論仿真,最終實(shí)現(xiàn)一款帶寬大于100MHz,等效噪聲功率密度為4.88pW/(?),共模抑制比52dB的高性能平衡探測(cè)器,其綜合性能相比于商用平衡探測(cè)器有較大幅度的提升。其次是對(duì)線性光學(xué)采樣數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的研究,為了滿足日后遠(yuǎn)距離時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)中對(duì)實(shí)時(shí)性的需求,設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),用于探測(cè)器信號(hào)的采集量化以及基于線性光學(xué)采樣算法的實(shí)時(shí)處理。兩個(gè)模擬輸入通道支持的最高采樣率為400MSps,所達(dá)到的最高有效位數(shù)分別為11.06與11.30,符合我們的設(shè)計(jì)需求。我們還基于線性光學(xué)采樣的原理,在可編程邏輯器件中實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。在本論文中展示了實(shí)時(shí)處理研究中最為關(guān)鍵的實(shí)時(shí)尋峰以及實(shí)時(shí)斜率計(jì)算的邏輯設(shè)計(jì),對(duì)一幀數(shù)據(jù)的處理時(shí)間約為34.5us,相比于離線處理方式大幅縮短了計(jì)算時(shí)間,且實(shí)時(shí)處理結(jié)果與離線處理結(jié)果基本一致,相對(duì)誤差在3%以?xún)?nèi)。接著,搭建了一套完整的線性光學(xué)采樣測(cè)試系統(tǒng),對(duì)影響線性光學(xué)采樣性能的幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了研究,包括接收信號(hào)光功率、本振光功率、色散展寬、光梳重復(fù)頻率差、采集卡分辨率、探測(cè)器增益。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高精度高靈敏度,其最低靈敏度為3.03nW,最優(yōu)時(shí)間測(cè)量精度達(dá)到2.06fs。通過(guò)研究這些參數(shù)對(duì)線性光學(xué)采樣的精度和靈敏度的影響,為以后遠(yuǎn)距離空間時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)的性能優(yōu)化提供充分的依據(jù)。最后,基于我們實(shí)現(xiàn)的平衡探測(cè)器搭建了兩套線性光學(xué)采樣系統(tǒng),并分別使用兩套自制的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),完成了 16km往返大氣鏈路下的空間時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了 3.39×10-18@1640秒的傳遞穩(wěn)定度以及1.96fs@10秒的時(shí)間穩(wěn)定度。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于:1.針對(duì)線性光學(xué)采樣的需求,設(shè)計(jì)了一款同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益(160kV/W)、高帶寬(大于100MHz)、低噪聲(4.88pW/█)的高性能平衡探測(cè)器,其綜合性能優(yōu)于目前現(xiàn)有商業(yè)平衡探測(cè)器。2.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的線性光學(xué)采樣數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)模擬輸入的最高有效位數(shù)為11.3,所支持的最高采樣率為400MSps。對(duì)實(shí)時(shí)化的線性光學(xué)采樣數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了研究,單幀數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為34.5us,與離線處理結(jié)果的相對(duì)誤差小于3%。3.搭建了一套完整的線性光學(xué)采樣原型系統(tǒng),系統(tǒng)分析并實(shí)驗(yàn)研究了各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,通過(guò)參數(shù)優(yōu)化最終實(shí)現(xiàn)了高精度高靈敏度,其最低靈敏度為3.03nW,最優(yōu)時(shí)間測(cè)量精度達(dá)到2.06fs,為未來(lái)空間時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。4.在探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以及線性光學(xué)采樣性能研究的基礎(chǔ)上,完成了 16km往返大氣鏈路下的雙光梳對(duì)打空間時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn),時(shí)間偏差最小值為1.96fs,傳遞的穩(wěn)定度經(jīng)過(guò)1640s的積分時(shí)間后為3.39×10-18。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：TN929.1
【部分圖文】：

?第１章緒論???波動(dòng)。對(duì)頻率而言，頻率準(zhǔn)確度表征著頻率源輸出信號(hào)的實(shí)際頻率與標(biāo)稱(chēng)頻率的??符合程度，頻率穩(wěn)定度則指輸出信號(hào)在采樣時(shí)間內(nèi)的頻率偏差相對(duì)平均頻率偏差??的波動(dòng)。準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度的關(guān)系可以用圖１．１中的打靶來(lái)形容，情況ａ中打靶點(diǎn)??均集中在靶心，既準(zhǔn)確又穩(wěn)定，下方頻率－時(shí)間的曲線可以與之相類(lèi)比，時(shí)間信息??均勻的分布在指定的頻率周?chē)�，情況ｂ中打靶點(diǎn)散布在靶心及四周，準(zhǔn)確但不穩(wěn)??定，情況ｃ中打靶點(diǎn)集中在靶子的一側(cè)，不準(zhǔn)確但穩(wěn)定，情況ｄ中則既不準(zhǔn)確又??不穩(wěn)定。??Ｖ?“?Ｖ?＾?＾?Ｖ?“?Ｖ?ｈ??％?一＾ｖ〇?ｖ〇??ｖ〇??＊?Ｖ?Ｙ?一一＾???？??—？???？??？??Ｔｉｍｅ?Ｔｉｍｅ?Ｔｉｍｅ?Ｔｉｍｅ??ａ）?ｂ）?ｃ）?ｄ）??圖１．１準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度之間的聯(lián)系［４２］??對(duì)于頻率穩(wěn)定度的分析可以從頻域與時(shí)域兩個(gè)方面進(jìn)行，在頻域中一般采用??功率譜密度描述，這里以輸出正弦信號(hào)的頻率源為例，它可以寫(xiě)為如下形式：??＾（０?＝?［＾〇?＋?ｓｉｎ［２＾ｖ０＾?＋?（ｐ｛ｔ）］?（ｌ．ｌ）??其中，＆為頻率源的標(biāo)稱(chēng)振幅，、則為頻率源的標(biāo)稱(chēng)頻率，Ａｆ與奴／）分別為振幅??的變化與相位的變化。在時(shí)頻傳遞過(guò)程中，引入的噪聲會(huì)導(dǎo)致相位發(fā)生變化，進(jìn)??而導(dǎo)致頻率的起伏，由上述公式可以推導(dǎo)出在時(shí)刻ｔ的瞬間頻率為??／、?１?ｄｃｐ｛ｔ）??ＫＯ?＝?ｖ０＋－－－＾?（１．２）??２ｎ?ａｔ??則瞬間頻率與標(biāo)稱(chēng)頻率之間的相對(duì)偏差可以寫(xiě)作??／、?ｖ（／）－ｖ０?１?ｄ（ｐ（ｔ）??＝?——（１３）??ｖ０?２；ｚｖ０?ａｔ??根據(jù)傅里葉變換，可以將

?第１章緒論???干涉儀（ＭＺＩ）。干涉儀輸出信號(hào)的－３ｄＢ帶寬隨距離的增長(zhǎng)以２５０Ｈｚ／ｍ增加，因而??往返距離為１００ｍ時(shí)增加的帶寬為２５ｋＨｚ，之后光電探測(cè)器的輸出被送入頻譜儀??進(jìn)行分析，以衡量光頻傳遞的性能。文章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出單向光頻及光載射頻傳??遞在無(wú)補(bǔ)償時(shí)可以在數(shù)百米的情況下進(jìn)行，但更長(zhǎng)距離的傳輸則必須進(jìn)行補(bǔ)償。??￣

遞在無(wú)補(bǔ)償時(shí)可以在數(shù)百米的情況下進(jìn)行，但更長(zhǎng)距離的傳輸則必須進(jìn)行補(bǔ)償。??Ｄｉｏｄｅ?Ｌａｓｅｒ?＾?＼?＜?－?５ｇｍ?＞〈￣？??１５５０ｎｍ?Ｉ?Ｌ．ＳＪ?，?＼??ｖ?Ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ??ＡＯＭ?ｗ????＾?ａ?Ｃｏｕｎｔｅｒ??＿ＳＤ＿?Ｓｐｅｃｔｒｕｍ??＼?｜＼｜?Ａｎａｌｙｚｅｒ??圖１．３?Ｂ．?Ｓｐｒｅｎｇｅｒ相干時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)原理圖［５６］??
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本文編號(hào)：2867592