王童，李明哲，于子航，張祎，任群，辛明

（天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072）

0 引言

抖動(dòng)（Jitter）是物理學(xué)中的重要參數(shù)，雖然在各領(lǐng)域的定義有所不同，但都表示與某個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)之間的偏差［1］。如果參考標(biāo)準(zhǔn)是時(shí)刻，則對應(yīng)的抖動(dòng)稱為定時(shí)抖動(dòng)（Timing jitter）。為更好地理解定時(shí)抖動(dòng)的概念，在此先給出定時(shí)（Timing）的定義，定時(shí)指某事件發(fā)生的特定時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間段。電磁波脈沖的定時(shí)信息通常借助其時(shí)間重心（Center of Gravity，COG）來刻畫，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：TCOG為時(shí)間重心；E（t）為脈沖的電場；t為脈沖變化的時(shí)間。對于標(biāo)稱周期為T的電磁脈沖序列，｛Tn-nT|n=1，2，…｝的均方根誤差稱為定時(shí)抖動(dòng)，其中Tn為第n個(gè)脈沖的TCOG。該定義式為功率和定時(shí)信息之間搭建了橋梁，便于從功率測量中提取定時(shí)信息［2］。

直接檢測法是最初測定鎖模激光器定時(shí)抖動(dòng)的方法［3］，光電探測器將激光器輸出的光脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為射頻電壓信號(hào)，再利用射頻信號(hào)源分析儀等設(shè)備，測量脈沖序列重復(fù)頻率的任意一個(gè)諧波的相位噪聲，從而得到原始光脈沖的定時(shí)抖動(dòng)功率譜密度。然而，由于激光器內(nèi)的定時(shí)抖動(dòng)會(huì)隨測量環(huán)境不斷演變，在低頻范圍的定時(shí)抖動(dòng)功率譜密度無法被精確測量；受到因環(huán)境波動(dòng)、光生載流子、空間電荷運(yùn)動(dòng)等效應(yīng)而產(chǎn)生的幅度-相位（Amplitude-to-Phase，AM-PM）噪聲影響［4-5］，直接檢測法的定時(shí)誤差為數(shù)十飛秒，遠(yuǎn)不能滿足近些年阿秒光子學(xué)等領(lǐng)域?qū)Χ〞r(shí)誤差的需求。因此，基于光電探測器和信號(hào)源分析儀的方法無法滿足高精度的探測需求。為解決該問題，近二十年來各種高精度的定時(shí)探測器應(yīng)運(yùn)而生，開發(fā)高精度光學(xué)定時(shí)探測器成為了一個(gè)重要的研究課題。本文將回顧近年來出現(xiàn)的高精度光學(xué)定時(shí)探測手段，分析其工作原理與性能，并介紹這些探測器在高精度控制與同步系統(tǒng)中的應(yīng)用，最后對未來光學(xué)定時(shí)探測器的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 定時(shí)抖動(dòng)的測量

1.1 BOC技術(shù)

為克服直接檢測法幅度-相位噪聲對定時(shí)測量精度的限制，F(xiàn)ranz X.K?rtner等人提出了平衡互相關(guān)技術(shù)（Balanced Optical Cross Correlator，BOC）［6-9］，這是一種基于非線性光學(xué)中二次和頻/倍頻效應(yīng)的定時(shí)探測技術(shù)，將兩脈沖間的延時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，避免了幅度-相位噪聲的引入。其工作原理如圖1（a）所示，兩束偏振正交、中心波長為1550 nm的光脈沖，具有初始相對延時(shí)TD，在通過二類準(zhǔn)相位匹配、周期性極化的KTiOPO4（PPKTP）晶體時(shí)，受雙折射效應(yīng)影響，兩個(gè)脈沖在晶體中的傳播速度不同，在時(shí)域會(huì)產(chǎn)生交疊并發(fā)生非線性和頻效應(yīng)，產(chǎn)生新的脈沖，即和頻信號(hào)。和頻信號(hào)經(jīng)二向色鏡（Dichroic Mirror，DM）透射，被低噪聲平衡光電探測器的一個(gè)光電二極管檢測，該過程稱為前向傳輸。基頻脈沖信號(hào)經(jīng)二向色鏡反射回PPKTP晶體中，在此反向傳播的過程中將再次產(chǎn)生一個(gè)和頻信號(hào)，該信號(hào)通過一個(gè)二向色分束器（Dichroic Beam Splitter，DBS）與基頻信號(hào)分離，被第二個(gè)光電二極管檢測到，該過程稱為后向傳輸。當(dāng)初始的延時(shí)TD不同時(shí)，輸入端的兩個(gè)脈沖信號(hào)在PPKTP晶體內(nèi)交疊的時(shí)間不同，因此所產(chǎn)生的和頻信號(hào)的功率也有所不同，最終體現(xiàn)為兩個(gè)光電二極管檢測到的電壓不同。低噪聲平衡光電探測器將兩個(gè)光電二極管所檢測到的電壓做差分，以消除兩路傳輸?shù)墓餐尘霸肼?，最終得到如圖1（b）所示的平衡定時(shí)特性曲線，在交叉零點(diǎn)TD0附近，BOC探測器將提供最大的靈敏度。文獻(xiàn)［10］利用基于PPKTP晶體的BOC，對中心波長為1582 nm的摻鉺光纖鎖模激光器的定時(shí)抖動(dòng)進(jìn)行了表征，激光器奈奎斯特頻率以下的噪聲基底為10-12fs2/Hz，［10 kHz，38.8 MHz］范圍內(nèi)積分的定時(shí)抖動(dòng)為70 as。

圖1 BOC技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置與定時(shí)曲線Fig.1 Experimental setup and timing curve of BOC method

BOC前置光學(xué)元器件消光比不足會(huì)導(dǎo)致一些無效偏振分量的產(chǎn)生，這些無效的偏振信號(hào)也會(huì)在PPKTP晶體中和頻，對待測的定時(shí)信號(hào)產(chǎn)生干擾。針對此問題，Xin對BOC技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了偏振噪聲抑制的平衡互相關(guān)技術(shù)（Polarization-Noise-Suppressed Balanced Optical Correlation，PNSBOC）［11］，通過在BOC系統(tǒng)之前放置一塊雙折射晶體（如BBO晶體），對偏振誤差脈沖引入顯著的延遲，避免了誤差脈沖在PPKTP晶體中產(chǎn)生和頻效應(yīng)，從而完全消除了偏振噪聲。

基于PPKTP晶體的BOC，入射的兩個(gè)脈沖具有相同的波長。如果將PPKTP晶體替換為其他非線性晶體，比如β-硼酸鋇（BBO）晶體，則可以實(shí)現(xiàn)測量不同中心波長脈沖延時(shí)的雙色BOC。文獻(xiàn)［12］完成了Ti∶sapphire激光器和鉺晶體鎖模激光器間的定時(shí)同步，由于兩臺(tái)激光器輸出脈沖的中心波長不同，它們之間的定時(shí)探測使用了雙色BOC技術(shù)，該過程通過中心波長分別為800 nm和1550 nm的脈沖在BBO晶體內(nèi)的一類相位匹配和頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

基于非線性晶體的BOC，其定時(shí)靈敏度嚴(yán)重受限于晶體內(nèi)自由空間聚焦光的低和頻轉(zhuǎn)換效率。得益于集成光波導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，集成BOC的解決方案得以實(shí)現(xiàn)，集成光波導(dǎo)對于光束的束縛性強(qiáng)，可以在較長的傳播距離內(nèi)將光束限制在較小的橫截面中，使光束傳播過程中的和頻轉(zhuǎn)換效率顯著提高。研究人員利用集成BOC，在10 mW的輸入功率下，測得集成波導(dǎo)BOC的定時(shí)靈敏度高達(dá)16.72 mW/fs，相較于相同功率輸入的晶體BOC的定時(shí)靈敏度提高了近100倍［13-15］。得益于如此高的靈敏度，［1 Hz，4 MHz］積分的電子噪聲被降到不高于20 as［15］。

1.2 光學(xué)外差技術(shù)

作為BOC技術(shù)的替代方案，美國科羅拉多大學(xué)的T.R.Schibli課題組提出了基于光學(xué)外差探測的定時(shí)抖動(dòng)表征技術(shù)［16］，并對兩臺(tái)松散同步的鎖模激光器反饋帶寬以外的相對定時(shí)抖動(dòng)進(jìn)行了測定。兩臺(tái)鎖模激光器輸出重復(fù)頻率相差ΔfRep的脈沖信號(hào)（ΔfRep是一個(gè)很小的量）。兩臺(tái)激光器輸出脈沖的長波尾分量和短波尾分量分別在光電探測器內(nèi)發(fā)生干涉，得到兩個(gè)射頻信號(hào)（“拍頻1”和“拍頻2”）。將這兩個(gè)外差拍頻信號(hào)在一個(gè)無源、雙平衡式混頻器內(nèi)做正交混頻，以消除兩臺(tái)激光器的相對載波-包絡(luò)偏移頻率（Carrier envelope fre‐quency offset，fceo）的影響，最終得到一個(gè)高靈敏度的鑒相信號(hào)，該鑒相信號(hào)只與ΔfRep有關(guān)。利用此鑒頻信號(hào)，兩個(gè)激光器的重復(fù)頻率可以松散地鎖定在一起，環(huán)路帶寬之外的定時(shí)抖動(dòng)可以采用射頻頻譜分析儀進(jìn)行測量。

相較BOC技術(shù)，光學(xué)外差探測不需要產(chǎn)生二次和頻信號(hào)，基于一階線性效應(yīng)的探測方法不僅降低了系統(tǒng)的整體功耗需求，還能在低輸入光功率區(qū)間獲得更小的噪聲基底，該定時(shí)探測方案所測得的本底噪聲為2.8×10-13fs2/Hz（對應(yīng)530 ys的定時(shí)分辨力，其中ys為時(shí)間單位，1 ys=1×10-24s），在［10 kHz，250 MHz］區(qū)間的定時(shí)抖動(dòng)積分僅為16.3 as。

與上述光外差技術(shù)類似，韓國高等科學(xué)研究院（KAIST）的Jungwon Kim課題組利用包含非對稱光纖延遲線的邁克爾遜干涉儀，對一臺(tái)鎖模激光器的定時(shí)抖動(dòng)進(jìn)行了直接測量［17］。利用長達(dá)數(shù)公里的延遲線對鎖模激光器輸出脈沖進(jìn)行延遲，再將經(jīng)過延遲的脈沖與未經(jīng)延遲的脈沖進(jìn)行干涉比較，經(jīng)過光電探測器后得到兩個(gè)外差拍頻信號(hào)，將兩個(gè)信號(hào)混頻，激光器的fceo即可被消除。利用該方法可有效避免參考激光源的引入。文獻(xiàn)［18］在此架構(gòu)的基礎(chǔ)上對鎖模振蕩器、超連續(xù)光譜振蕩器等信號(hào)源的定時(shí)抖動(dòng)進(jìn)行了直接表征，最終測得該方案的噪聲基底為2×10-9fs2/Hz。該裝置同時(shí)支持鎖相環(huán)（PLL）與延遲鎖定（DLL）兩種模式，當(dāng)激光器自身具備頻率調(diào)諧裝置（例如PZT）時(shí)，可以采用PLL模式，將重復(fù)頻率誤差信號(hào)反饋到待測激光器的PZT處；如果激光器自身沒有配備PZT，則采用DLL模式，將重復(fù)頻率誤差信號(hào)反饋到探測器鏈路中的光纖拉伸器處，將長光纖鏈路提供的時(shí)間延遲鎖定到自由運(yùn)行的待測激光器上。兩種模式均可以在鎖定帶寬之外測量待測激光器的定時(shí)抖動(dòng)功率譜密度。文獻(xiàn)［19］將這種基于非對稱延遲線的干涉儀打造成一個(gè)復(fù)合的測量平臺(tái)，可用于測量鎖模激光器的重復(fù)頻率噪聲、fceo噪聲與第n個(gè)光學(xué)頻率梳分量的噪聲譜。

1.3 AOM定時(shí)技術(shù)

天津大學(xué)辛明團(tuán)隊(duì)提出了一種基于線性光學(xué)效應(yīng)的低功耗定時(shí)探測方案［20］，該方案突破了低輸入功率對定時(shí)探測精度的限制，在毫瓦量級(jí)的輸入功率下，探測誤差可控制在阿秒級(jí)別，且該方案僅需簡單的實(shí)驗(yàn)裝置即可實(shí)現(xiàn)高可靠性的定時(shí)探測。

圖2為基于線性光學(xué)效應(yīng)的定時(shí)探測裝置原理圖。該定時(shí)探測器的核心器件是一個(gè)聲光調(diào)制器（Acousto-Optic Modulator，AOM），輸入的光脈沖序列進(jìn)入到AOM中，在射頻（Radio Frequency，RF）信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生兩路衍射光（0階衍射光與1階衍射光），調(diào)節(jié)入射光的角度與方向，可使兩路衍射光的光功率基本相等。受AOM的調(diào)制，1階衍射光發(fā)生了移頻。待測定的定時(shí)元件置于1階衍射光的路徑上，通過該元件后，微小的定時(shí)誤差會(huì)附加到1階衍射光上。本實(shí)驗(yàn)中，采用雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode，APD）作為光電探測器。兩路衍射光耦合進(jìn)入光電探測器中發(fā)生拍頻作用，拍頻信號(hào)依次通過帶通濾波器與檢波裝置（Zero-bias Schottky Diode，ZSD）后輸出的電壓信號(hào)，包含所需測量的全部定時(shí)信息。

圖2 基于AOM的定時(shí)探測器原理圖[20]Fig.2 Schematic diagram of the AOM-based timing detector[20]

經(jīng)過ZSD的檢波作用后輸出的電壓信號(hào)V檢波滿足以下關(guān)系

式中：α為與檢波裝置的非線性特性有關(guān)的參數(shù)；An和Bn分別為0階衍射光和1階衍射光脈沖序列包絡(luò)的傅里葉級(jí)數(shù)；*為共軛符號(hào)；A（t）為輸入光脈沖包絡(luò)；Δt為由待測量定時(shí)裝置引入的定時(shí)誤差。對于典型的脈沖形狀（如高斯、雙曲正切等形狀），總存在一個(gè)Δt的時(shí)間間隔，滿足V檢波隨Δt單調(diào)地變化。在此段時(shí)間內(nèi)，待測元件的定時(shí)信息可通過式（2）計(jì)算。

當(dāng)輸入光功率為2 mW時(shí)，利用信號(hào)源分析儀（Signal Source Analyzer，SSA）可以測量該定時(shí)探測器的噪聲基底，根據(jù)如圖3所示的測量結(jié)果，基于AOM的定時(shí)探測器的最小定時(shí)抖動(dòng)基底約為1×10-10fs2/Hz，已逼近散粒噪聲極限，比理論計(jì)算得出的量子極限僅僅高出約10 dB。1 Hz~1 MHz積分后的定時(shí)抖動(dòng)只有26.57 as，定時(shí)測量范圍約為500 fs，相當(dāng)于85 dB的檢測動(dòng)態(tài)范圍。

圖3 AOM定時(shí)探測器的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果[20]Fig.3 Experimental measurement results of AOM-based timing detector[20]

根據(jù)式（2）可知，如果0階衍射光和1階衍射光脈沖序列經(jīng)歷了相同的啁啾，則色散相位系數(shù)可以通過乘積抵消，因此，輸入脈沖不需要保持很短的脈沖寬度，只要兩個(gè)脈沖序列具有相同的啁啾量，即可獲得很高的定時(shí)檢測靈敏度。

1.4 基于異步光學(xué)采樣的定時(shí)抖動(dòng)表征

通過借鑒采樣示波器而提出的線性光學(xué)采樣技術(shù)，也可以用來測量定時(shí)抖動(dòng)。文獻(xiàn)［21］利用此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自由空間光學(xué)的時(shí)間與頻率雙向傳輸。文獻(xiàn)［22］利用相似的原理，提出了基于異步光學(xué)采樣的定時(shí)抖動(dòng)表征方法，該方法能夠在時(shí)間上線性拉伸超快過程，使得光脈沖信號(hào)中亞飛秒級(jí)的周期性抖動(dòng)能夠被高速數(shù)據(jù)采集卡采集，再借助可視化的“眼圖”來觀測脈沖信號(hào)在時(shí)域的定時(shí)抖動(dòng)。

該方案的基本原理為：待測信號(hào)源與本地參考信號(hào)源輸出光脈沖的重復(fù)頻率分別為fR和fR-ΔfR（ΔfR是一個(gè)很小的量），當(dāng)待測信號(hào)源無抖動(dòng)時(shí)，以本地脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率對待測光脈沖信號(hào)的不同位置進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，每經(jīng)歷T=1/ΔfR的采樣時(shí)間，本地脈沖可等效地完成對一個(gè)完整待測脈沖的全部采樣，此過程需要N=fR/ΔfR個(gè)本地信號(hào)脈沖。該方案可以在時(shí)域?qū)w秒脈沖信號(hào)線性拉伸N倍，同時(shí)定時(shí)抖動(dòng)也被放大，轉(zhuǎn)變?yōu)榫徸円子^測的電信號(hào)。通過改變時(shí)間拉伸比N，即可實(shí)現(xiàn)亞飛秒至阿秒級(jí)別的定時(shí)分辨力。利用該方法對中心波長為1550 nm、重復(fù)頻率為100 MHz的摻鉺光纖鎖模激光器進(jìn)行定時(shí)抖動(dòng)表征，ΔfR=2 kHz時(shí)，可測得的最小定時(shí)抖動(dòng)為0.35 fs，進(jìn)一步減小ΔfR至500 Hz，定時(shí)抖動(dòng)分辨力可降低至43.75 as。

圖4給出了晶體BOC、集成BOC，AOM探測器三種定時(shí)探測器噪聲基底隨輸入功率的變化曲線，計(jì)算使用的各個(gè)參數(shù)均為實(shí)驗(yàn)中的典型值：輸入脈沖的脈寬為170 fs，集成波導(dǎo)和自由空間晶體的和頻轉(zhuǎn)換效率分別為4×10-2W-1和4×10-3W-1，BOC和AOM采用的平衡光電探測器的噪聲等效功率（Noise Equivalent Power，NEP）分別為7 pW?Hz-1/2和2 pW?Hz-1/2。為了便于直觀比較，圖4中，一些文獻(xiàn)中報(bào)道的定時(shí)探測器的實(shí)驗(yàn)測量噪聲基底及對應(yīng)的輸入功率也通過不同的符號(hào)點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)記。

以上介紹的幾種高精度光學(xué)定時(shí)探測技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。BOC技術(shù)以其超高的定時(shí)精度、緊湊的實(shí)驗(yàn)裝置成為當(dāng)前主流的定時(shí)測量技術(shù)［23-26］，在高功率場景下工作時(shí)，集成BOC和晶體BOC技術(shù)能夠達(dá)到更低的噪聲基底；且BOC是目前唯一可以實(shí)現(xiàn)不同波長脈沖之間定時(shí)測量的技術(shù)。然而其局限性也相當(dāng)明顯：由于BOC技術(shù)基于非線性光學(xué)效應(yīng)，它需要較高的輸入光功率以補(bǔ)償較低的非線性轉(zhuǎn)化率。盡管集成BOC技術(shù)已經(jīng)大大降低了定時(shí)系統(tǒng)所需的平均功率，但當(dāng)輸入平均光功率低于1 mW時(shí)，該技術(shù)依然很難提供足夠的定時(shí)分辨力（如圖4所示），在某些對非線性效應(yīng)限制較高的應(yīng)用場景中，BOC方案的表現(xiàn)往往不盡如人意。隨著輸入功率的降低，非線性光學(xué)效應(yīng)的衰減速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于線性光學(xué)效應(yīng)，所以輸入功率越低，基于線性光學(xué)效應(yīng)的AOM探測、光外差探測和光纖延遲線探測相對于BOC定時(shí)探測器的優(yōu)勢就越明顯，輸入光功率同為1 mW時(shí)，AOM的噪聲基底比BOC技術(shù)的噪聲基底低約5個(gè)數(shù)量級(jí)?；诠鈱W(xué)外差技術(shù)的線性探測器能夠在較低輸入功率下工作［16-17］，可以作為BOC技術(shù)的替代方案，但是其實(shí)驗(yàn)裝置非常復(fù)雜。

圖4 不同輸入平均功率水平下定時(shí)探測器的噪聲基底Fig.4 Noise floor of timing detectors at different input average power levels

盡管各種光學(xué)定時(shí)探測技術(shù)在特定的實(shí)驗(yàn)條件下已經(jīng)達(dá)到了極低的噪聲基底，減少測量過程中引入的技術(shù)噪聲仍可以進(jìn)一步提高這些定時(shí)探測器的精度。例如，對于集成BOC技術(shù)，通過設(shè)計(jì)低損耗的耦合結(jié)構(gòu)、優(yōu)化光波導(dǎo)尺寸、改善波導(dǎo)加工工藝等手段來提高非線性轉(zhuǎn)化效率將直接提高探測器的靈敏度；對于AOM定時(shí)探測器，優(yōu)化裝置中準(zhǔn)直器的耦合效率，采用更穩(wěn)定的電源和射頻源，使用噪聲等效功率更低、響應(yīng)度更高的光電探測器等措施均可以提高定時(shí)靈敏度，從而獲得更高分辨力的探測器。圖4中各種光學(xué)定時(shí)探測器的噪聲基底終將受限于散粒噪聲決定的量子極限，因此上述對技術(shù)噪聲的優(yōu)化將是提高精度的唯一途徑。

2 高精度定時(shí)探測技術(shù)的應(yīng)用

高精度光學(xué)定時(shí)探測器是許多前沿應(yīng)用的關(guān)鍵部件。例如，在很多大科學(xué)裝置中，需要阿秒級(jí)別的定時(shí)檢測與控制誤差以維持整體系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在分布式光纖鏈路定時(shí)同步系統(tǒng)［27］、遠(yuǎn)程激光/微波同步［28-30］和泵浦-探測實(shí)驗(yàn)［31-32］等研究領(lǐng)域中同樣需要高效且精準(zhǔn)的定時(shí)探測技術(shù)。此外，近年來，高精度定時(shí)檢測在天文望遠(yuǎn)鏡陣列［33］、應(yīng)變傳感［34］、移動(dòng)光學(xué)時(shí)鐘［35］、飛行時(shí)間檢測［36］、高功率激光脈沖相干合成［37-38］、波形合成［39］、孤子表征［40-41］等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本節(jié)對上文所述的各種高精度光學(xué)定時(shí)探測器在前沿領(lǐng)域中的典型應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2.1 X射線自由電子激光裝置的同步

高精度光學(xué)定時(shí)探測技術(shù)最具代表性的應(yīng)用是X射線自由電子激光器（X-ray Free-Electron La‐ser，XFEL），下一代X射線自由電子激光器的建設(shè)正在全世界如火如荼地展開，包括：我國上海的軟X射線自由電子激光裝置SXFEL［42］與硬射線自 由 電 子 激 光 裝 置SHINE［43］、意 大 利 的FERMI［44］、瑞 士 的SwissFEL［45］、日 本 的SACLA［46］、德國漢堡的European-XFEL［47］等。這些大型裝置用于產(chǎn)生極高能量的阿秒X射線脈沖，使研究人員能夠應(yīng)用亞原子量級(jí)的分辨力來拍攝未知的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)過程。一個(gè)完整的XFEL系統(tǒng)中包括光學(xué)主激光器、電子槍、注入激光器、線性加速器、電子束壓縮器、參考微波源、種子激光器、探測激光器等子系統(tǒng)，如圖5所示。為產(chǎn)生亞飛秒量級(jí)的X射線脈沖信號(hào)，各個(gè)子系統(tǒng)之間（光源與光源、微波源與光源）需要進(jìn)行超高精度的定時(shí)探測，再通過鏈路補(bǔ)償、反饋控制等手段實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的同步。由于電子加速及同步輻射過程均需要很長的作用距離，XFEL的長度通常在幾百米到幾公里量級(jí)，因此實(shí)現(xiàn)長距離、高精度定時(shí)探測對于XFEL的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。在過去的十年中，高精度定時(shí)同步系統(tǒng)已全面部署在大型XFEL設(shè)施中，無論是光-光還是光-微波的同步，高精度的定時(shí)探測器在整個(gè)同步系統(tǒng)中發(fā)揮的作用都舉足輕重。

圖5 X射線自由電子激光器定時(shí)分配系統(tǒng)的布局[11]Fig.5 Layout of X-ray free electron laser timing distribution system[11]

以光源與光源間的同步為例，光-光遠(yuǎn)程同步包括兩部分：鏈路穩(wěn)定［48］和遠(yuǎn)程激光鎖定［28］。BOC定時(shí)探測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)工作的基礎(chǔ)。進(jìn)行鏈路穩(wěn)定時(shí)，需要一臺(tái)主激光器，主激光器產(chǎn)生的光脈沖串被耦合到長距離光纖鏈路中傳輸，鏈路末端的耦合器將脈沖序列的一部分功率反射回來，在鏈路的輸入端放置一個(gè)BOC定時(shí)探測器，用于檢測鏈路反射的脈沖和主激光器新輸出的脈沖之間的定時(shí)差，生成用于反饋的定時(shí)誤差信號(hào)來控制可變延遲元件（如光纖拉伸器）以補(bǔ)償定時(shí)抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏈路穩(wěn)定。

遠(yuǎn)程激光鎖定時(shí)，鏈路輸出的主激光器脈沖序列與遠(yuǎn)端激光器輸出的脈沖序列（二者重復(fù)頻率差為Δf）同時(shí)進(jìn)入BOC定時(shí)探測器中，探測器輸出重復(fù)頻率同樣為Δf的定時(shí)特性S曲線序列。該曲線序列可作為控制遠(yuǎn)端激光器PZT的反饋信號(hào)。當(dāng)BOC輸出電壓落入S曲線中間零點(diǎn)附近的線性范圍內(nèi)時(shí)，反饋信號(hào)可以減小兩臺(tái)激光器的重復(fù)頻率差。隨著反饋持續(xù)進(jìn)行，S曲線會(huì)變得越來越平坦，直至變?yōu)橹绷麟妷?，表示遠(yuǎn)端激光器的重復(fù)頻率已經(jīng)鎖定到主激光器的重復(fù)頻率上。

文獻(xiàn)［28］中，研究人員利用BOC定時(shí)探測器對兩臺(tái)相距3.5 km的激光源進(jìn)行了遠(yuǎn)程同步，40 h內(nèi)的定時(shí)漂移（<1 Hz）僅為2.3 fs。殘留定時(shí)漂移主要受限于鏈路中的光功率波動(dòng)。

位于美國加州的二代直線加速器相干光源（LCLS-II）每秒可產(chǎn)生100萬個(gè)X射線脈沖，在如此高的重復(fù)頻率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要對泵浦激光器與X射線脈沖之間的相對定時(shí)抖動(dòng)進(jìn)行超高精度測量，文獻(xiàn)［49］為LCLS-Ⅱ搭建了基于脈沖光學(xué)的定時(shí)分配系統(tǒng)，利用BOC定時(shí)探測器來穩(wěn)定兩條鏈路并測量它們之間的相對定時(shí)抖動(dòng)和漂移，在長達(dá)19 h內(nèi)的觀測時(shí)間內(nèi)，鏈路之間的定時(shí)漂移為1.05 fs（均方根）。

綜上可見，定時(shí)探測器的精度對于系統(tǒng)能否高效地完成各個(gè)子模塊之間的同步工作起著決定性作用，這也是研究人員不懈地開發(fā)更高精度、更低功耗、更低噪底的新型定時(shí)探測手段的原因所在。

2.2 激光脈沖的相干合成技術(shù)

獲得峰值功率更強(qiáng)、脈寬更窄的激光脈沖是高能激光研究的前沿方向。由歐盟發(fā)起的Extreme Light Infrastructure（ELI）項(xiàng)目［50-51］，至今已有十多個(gè)國家的四十多個(gè)機(jī)構(gòu)參與，并計(jì)劃利用相干合成技術(shù)獲得艾瓦（1018W）量級(jí)的激光輸出；俄羅斯籌備的Exawatt Center for Extreme Light Studies（XCELS）項(xiàng)目同樣計(jì)劃合成200 PW（PW為功率單位，1 PW=1×1015W）的激光脈沖［52］，其內(nèi)部要求種子光源與泵浦光源之間的同步誤差不高于10 fs，以完成光學(xué)參量啁啾脈沖放大（Optical Para‐metric Chirped Pulse Amplification，OPCPA）過程。2019年，位于中國上海的超強(qiáng)超短激光裝置“羲和”（SULF）獲得激光中心波長800 nm，輸出能量404 J，平均峰值功率11.7 PW，最高峰值功率12.9 PW的結(jié)果，打破了國際上寬帶激光放大輸出最高能量的記錄［53］。此外，國際上發(fā)起的Interna‐tional Coherent Amplification Network（ICAN）項(xiàng)目也提出了合成超短超強(qiáng)激光的實(shí)現(xiàn)方法，該項(xiàng)目計(jì)劃用半導(dǎo)體激光器作為泵光，利用摻雜光纖作為增益介質(zhì)，將飛秒激光脈沖分為一千多路放大后再進(jìn)行相干合成，最終得到十焦耳量級(jí)的高能脈沖，這一過程需要分辨力不低于10 as的定時(shí)控制［54-56］。為此，需要在每個(gè)裝置內(nèi)部都裝備高精度的定時(shí)探測器，以實(shí)現(xiàn)同步、控制等功能。

2001年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（Na‐tional Institute of Standards and Technology，NIST）的Robert K.Shelton等人首次成功將兩個(gè)獨(dú)立的飛秒激光脈沖進(jìn)行相干合成［57］，該技術(shù)要求兩臺(tái)鎖模激光器之間進(jìn)行緊密地鎖相與同步，然而由于缺乏高精度的定時(shí)探測技術(shù)，利用直接檢測法的電鎖定直接受限于光電探測器的幅度-相位噪聲，兩臺(tái)激光器之間的精確同步難以實(shí)現(xiàn)，定時(shí)探測器精度不足成為當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)相干合成技術(shù)的重大障礙。直至出現(xiàn)高精度BOC定時(shí)探測技術(shù)，其將飛秒脈沖的定時(shí)表征誤差控制在阿秒量級(jí)，上述技術(shù)難題才得以解決，并加速了高功率、窄脈寬激光脈沖相干合成技術(shù)的研究進(jìn)度。

德國CFEL的F.X.Kartner團(tuán)隊(duì)利用兩路超寬光譜的OPCPA技術(shù)，得到了超過1.8倍頻程的光譜，獲得了0.8個(gè)光學(xué)周期的脈沖輸出，單個(gè)脈沖能量達(dá)到15 μJ［58］。在該過程中，他們將近紅外OPCPA脈沖和短波紅外OPCPA脈沖進(jìn)行相干合成，利用BOC定時(shí)探測器測量兩路脈沖間的相對抖動(dòng)，再通過在30 Hz的帶寬上對短波紅外OPCPA脈沖的路徑長度進(jìn)行反饋控制，最終使得兩路脈沖的相對定時(shí)漂移減小到250 as，小于短波紅外OPCPA振蕩周期（7.2 fs）的5%。兩路脈沖經(jīng)過BOC技術(shù)的探測和控制，達(dá)到了控制在阿秒級(jí)誤差的相對定時(shí)穩(wěn)定性，相干合成后最終實(shí)現(xiàn)高能量周期量級(jí)脈沖輸出。

2.3 超低相位噪聲光學(xué)和微波源產(chǎn)生

盡管鎖模激光器在高頻處（例如>10 kHz）具有極低的定時(shí)抖動(dòng)，在低頻段受環(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)等因素的影響，其定時(shí)抖動(dòng)性能并不理想，無法滿足光子模數(shù)轉(zhuǎn)換、光子雷達(dá)等系統(tǒng)的要求。借助高精度定時(shí)探測器，可將鎖模激光器的重復(fù)頻率鎖定到更穩(wěn)定的參考源上，從而抑制鎖定帶寬內(nèi)的定時(shí)噪聲，實(shí)現(xiàn)全頻段的超低定時(shí)噪聲信號(hào)源。

在文獻(xiàn)［17］中，利用2.2節(jié)介紹的光纖延遲線定時(shí)探測器，摻鉺光纖鎖模激光器的重復(fù)頻率被鎖定到2.5 km長光纖的延遲時(shí)間上。由于光纖鏈路被封裝在雙層屏蔽箱內(nèi)，并進(jìn)行了被動(dòng)隔振處理，其低頻段的噪聲得到有效抑制，從而使鎖模激光器在［1Hz，1MHz］內(nèi)積分的定時(shí)抖動(dòng)從10 ps降至20 fs，實(shí)現(xiàn)了全頻段全光纖低定時(shí)抖動(dòng)光源。利用光電探測器直接提取鎖模激光器的重頻信號(hào)（或其高次諧波），則可以在低頻段（例如<10 kHz）獲得低相位噪聲的微波信號(hào)［17］。如果采用光-微波鑒相器，則可以克服光電轉(zhuǎn)換過程中的幅度-相位噪聲，從而將激光器全頻段內(nèi)的低定時(shí)抖動(dòng)特性轉(zhuǎn)移到微波域。例如文獻(xiàn)［59］首先利用光纖延遲線定時(shí)探測器實(shí)現(xiàn)全頻段低定時(shí)抖動(dòng)光源，然后利用FLOM-PD光-微波鑒相器開發(fā)了超低相位噪聲的X波段微波信號(hào)合成器，在10 GHz的載波頻率下，10 kHz頻率偏移處的相位噪聲低至-145 dBc/Hz。

3 總結(jié)與展望

對定時(shí)的極致追求推動(dòng)著高精度光學(xué)定時(shí)探測器的高速發(fā)展，BOC探測器的本底噪聲在特定的輸入功率下能夠逼近輸入脈沖的標(biāo)準(zhǔn)量子極限，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了片上集成，集成定時(shí)探測器的魯棒性與長期穩(wěn)定性將會(huì)使定時(shí)同步系統(tǒng)發(fā)揮更出色的性能。AOM定時(shí)探測器能夠在低功耗場景中發(fā)揮出色的性能，裝置也更加簡單。盡管如此，研究人員依然追求著更高精度、更低功耗、更易集成的定時(shí)探測手段。

高精度光學(xué)定時(shí)探測器的誕生，源自低相位噪聲的鎖模激光器。近些年，雖然鎖模激光器的相位噪聲已很接近理論上的量子極限，但是定時(shí)探測器仍具有廣闊的研究空間。未來新型定時(shí)探測器的開發(fā)有三個(gè)可能的發(fā)展方向：①繼續(xù)降低其本底噪聲，提高定時(shí)分辨力。例如研究BOC探測器在極高輸入功率下的性能，對光脈沖的標(biāo)準(zhǔn)量子極限以及光學(xué)介質(zhì)的量子漲落等效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量；②拓展定時(shí)探測器的工作頻率。研究極紫外、中紅外波段甚至X射線、THz的定時(shí)探測器的實(shí)現(xiàn)方法，從以光學(xué)定時(shí)探測器作為輔助的間接定時(shí)測量逐步向這些波段之間的直接定時(shí)測量過渡；③定時(shí)探測器大規(guī)模片上集成。近幾年隨著微腔光頻梳等片上集成光源的飛速發(fā)展，研究與集成光源兼容的高精度集成定時(shí)探測器逐漸成為迫切需求。低功耗、微型化、低成本、高精度的定時(shí)探測器有可能在定位測距、自動(dòng)駕駛、精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域開辟諸多新的應(yīng)用，使定時(shí)探測器最終將從科研實(shí)驗(yàn)室走向民用。

光學(xué)定時(shí)探測器作為人類探索未知的關(guān)鍵器件，它的每一次性能提升都推動(dòng)著前沿科技的進(jìn)步。最高精度的定時(shí)技術(shù)能夠帶領(lǐng)人類看得更清、走得更遠(yuǎn)。