GB_T 43785-2024 光钟性能表征及测量方法.docx

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1、ICS17.040.30CCSA57；-.P?.-Yfrr三liMpMrG圄中华人民共和国国家标准GB/T437852024光钟性能表征及测量方法Characterizationandmeasurementoftheperformanceofopticalclocks2024-03-15发布2024-10-01实施国家市场监督管理总局噂如国家标准化管理委员会发布目次前言III1范围12规范性引用文件13术语和定义14概述25性能表征36测量环境47测量设备48测量方法59测试报告12参考文献13本文件按照GB/T1.12020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意

2、本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会(SACC578)提出并归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技术大学、北京无线电计量测试研究所、中国信息通信研究院、深圳中国计量科学研究院技术创新研究院、中国空间技术研究院、国仪量子(合肥)技术有限公司、济南量子技术研究院、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所。本文件主要起草人：林弋戈、管桦、戴汉宁、张升康、张萌、宋振飞、黄连、姜海峰、贝晓敏、肖毅、万传奇、王明磊、武腾飞。III光钟性能表征及测量方法1范围本文件描述了表征

3、光钟性能的主要参数及其测量方法。本文件适用于光钟设计、研发和生产制造过程中的性能评价。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T23717.2-2009机械振动与冲击装有敏感设备建筑物内的振动与冲击第2部分：分级GB/T27418-2017测量不确定度评定和表示3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1光钟OPtiCaIclock光频原子钟OPtiCaIatomicclock光学频率标准OPtiCalfrequencystan

4、dard利用频率在光学波段的原子（离子）能级跃迁作为稳定的频率参考而建立的原子钟。3.2测不确定度measurementuncertaintyuncertaintyofmeasurement不确定度uncertainty利用可获得的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。来源：GB/T274182017,3.13.3频率稔定度frequencystability描述取样时间内平均频率随机起伏程度的量。注1:不同取样时间对应不同的稳定度量值。一般在时域用对应取样时间的阿伦标准偏差表征，在频域偏离载波一定带宽的相位噪声表征。注2：为了便于比较不同类型频率源的特性，常用相对频率稳定度来表征频率源的

5、频率稳定度。相对频率稳定度定义为频率稳定度除以频率源的中心频率。来源：JJF11802007,3.23,有修改3.4阿伦标准偏差Allandeviation,（r）时长为r的相邻两个取样时间内频率平均值之差的均方根的1/2o注：对于M个频率测量数据，阿伦标准偏差按公式计算:式中：o,(r)阿伦标准偏差；r取样时间：时间r内平均频率偏差；M频率取样个数。来源：GB/T437362024,3.103.5光学频率梳opticalfreqnencycomh一种重复频率和载波包络相移频率精密可控的光学信号产生系统。来源：GB/T437362024,3.33.6自比对self-comparison获得同一

6、台光钟在多个不同运行状态下频率差的测量活动。注：不同运行状态指把光钟的运行时间序列分为多个锁定运行状态，或把位于不同空间位置的量子参考作为多个运行状态。4概述光钟主要包括光学本地振荡器、量子参考体系、锁定系统和输出系统等组成部分，如图1所示。锁定系统I-I_信号探测单元二II硼赧债单元I光学本地振荡器量子参考体系输出系优频率域传递单元输山_空间域传递单元图1光钟的组成结构图a)光学本地振荡器：为探测量子参考跃迁提供频率稳定的探测激光，并为光钟提供短期的频率稳定度。采用具有低膨胀系数材料制作的超稳腔作为钟激光预锁定的参考腔，结合边带调制稳频技术可使钟激光的秒稳定度达E-16量级；采用基于低温单晶

7、硅参考腔的技术，可使钟激光的秒稳定度达到E-17量级。b)量子参考体系：利用原子(离子)等稳定的能级跃迁作为标准频率参考。依据量子参考体系不同，光钟分为两类：基于离子阱囚禁的单离子光钟和基于光晶格囚禁的中性原子光晶格钟。常见的离子参考体系有：2?ai+、Ca+.Sr+、IlYb+、IHg*、In*等；常见的中性原子参考体系有：Sr、Sr、IYb、Yb、IHg等。其中2R+、Ca+Sr+、IYb+(E2)、IYb+(E3)、199HgSr、Sr、UIYb、Hg10种光频原子跃迁作为秒的次级表示。c)锁定系统：光钟的信号探测及伺服反馈系统，用于探测量子参考的跃迁几率，计算光学本地振荡器输出激光频率

8、相对于量子参考频率的频率偏移，通过闭环锁定伺服器修正光学本地振荡器的频率，使其稳定在量子体系参考频率上，实现光钟闭环运行。d）输出系统：用来将光钟得到的高稳定、高准确的频率信号输出给用户的子系统。注：光钟输出频率的向巨离传输需要采用复杂的频率传递系统，这些传递系统属于光钟血刃的辅助系统，而非光钟自身的子系统。5性能表征5.1频率稳定度光钟性能表征中的频率稳定度采用时域上的阿伦标准偏差来表征。在未说明时，默认为相对频率稳定度。按照测量方法不同，表示为不同频率稳定度参数。a）利用被测光钟自身测量得到的频率稳定度。使用光钟自身输出的数据测量和计算，按照优先级由高到低的顺序可选用如下参数。一分时间交替

9、自比对频率稳定度：简称分时自比对稳定度，表征预先设定的不同运行参数对光钟频率的影响程度，用于光钟系统频移不确定度的评估。可评估的频移包括：原子密度、光晶格激光功率、静电场强度、钟跃迁探测光激光功率等。分空间自比对频率稳定度：表征运行参数的空间不均匀性对光钟频率的影响程度，用于光钟系统频移不确定度的评估。可评估的频移包括：原子密度、光晶格激光功率、磁场强度、量子参考尺寸内的相对论红移等。一一环内频率稳定度：表征伺服器跟踪光钟量子参考频率的能力。注1:环内频率稳定度不反映量子参考的任何特性，不能用于表征独立光钟输出频率的稳定度，仅用于对光钟锁定能力的评估。b）利用另一台同种光钟比对测量的频率稳定度

10、。按照优先级由高到低的顺序依次采用如下参数。利用完全独立的另一台同种光钟直接拍频的频率稳定度：反映光钟输出频率的实际频率稳定度。对于有两台同种光钟的测量场景，有条件做到使用独立两台光学本地振荡器的，宜采用该性能参数。利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟异步比对的频率稳定度：较真实地反映光钟输出频率的实际频率稳定度。该参数有可能部分消除Diek效应引起的共模噪声，对于有两台同种光钟的测量场景，仅在没有条件使用独立两台光学本地振荡器来完成光钟频率稳定度的评估时，采用该性能参数。利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度：该参数在很大程度上消除了由激光器频率漂移引起的伺服效应及

11、Dick效应等共模噪声，在利用光钟比对实现某些物理量测量及基本物理定律检验等试验中，宜采用该测量方法，在相同的测量时间内减小测量不确定度。适用场景包括光钟中某些系统频移的测量和评估、相对论性大的测量等。注2:利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度只提升了光钟比对测量过程中测量得到的频差的频率稳定度，并不代表光钟三出频率的稳定度得到了提升。1.1 利用另一台不同种光钟比对测量的频率稳定度。按照优先级由高到低的顺序依次采用如下参数。一利用完全独立的另一台不同种光钟比对的频率稳定度：反映光钟独立输出频率的性能，适用于光钟整体性能的评估、某些系统频移的测量和评估等场景。一利用共

12、用光学本地振荡器的另一台不同种光钟比对的频率稳定度：不反映光钟独立输出频率的性能，只是为了缩短两种光钟比对达到预定测量不确定度的测量时间。该参数能减小本地振荡器带来的伺服噪声和DiCk效应噪声，适用于两种光钟频率比对测量频率比值的场合。1.2 频率不确定度频率不确定度包含系统频移不确定度和绝对频率不确定度两个参数。a）系统频移不确定度：光钟绝对频率不确定度的一个分量，表征光钟独立复现其理想值的能力，是光钟输出频率与未受干扰的光钟原子跃迁频率之间频率偏移量的不确定度，一般用相对不确定度来表示。适用于同其他原子钟进行比对的场景，该参数按照GB/T274182017作为该光钟的不确定度B类评定，参与

13、比对结果不确定度的计算。注1:由于各种外界噪声的存在，原子（离子）不可能处于完全未受干扰的条件下，其输出频率相对于未受干扰的理想值之间会出现一个频率偏移，这个偏移量被称为系统频移。对系麒移进行测量时，会引入系统频移不确定度。b）绝对频率不确定度：表征光钟复现的光频原子跃迁频率在国际单位制下的量值，与秒定义基准进行比值测量得到，是光钟的输出频率溯源到现有秒定义的过程中所产生的总测量不确定度。适用于以光钟作为频率参考驾驭国际原子时或者本地时标、以异地光钟频率比对得到的频差来计算相对论红移、作为秒的次级表示频率标准向其他时频系统传递量值等场景。注2:光钟的绝对频率是指以赫兹为单位的光钟输出频率，而赫

14、兹是由秒定义确定的。为了获得光钟的绝对频率，需要把光钟的输出频率与秒定义中的原子跃迁频率进行比值测量而得到。注3:秒定义基准钟复现秒定义的不确定度是光钟与秒定义基准比值测量中的一不确定度分量，在目前以艳原子为基础的秒定义下，光钟绝对频率测量的不确定度不会优于最好的铀原子基准钟的频率不确定度。1.3 运行率在给定的一段时间内，光钟给出正常频率输出量值的时长与该段时间总时长的比值；或是在某个考核时间段内，光钟给出正常频率输出量值的概率或时间占比的期望值。可用月运行率、年运行率等来具体表征。光钟的运行率适合作为光钟可靠性的考核指标之一，描述光钟在某一时间段内的服务能力。6漓量环境光钟的测量环境要求如

15、下：温度：20C264C;相对湿度：30%80%;一振动条件：达到或者优于GB/T23717.2-2009中振动准则曲线D（VC-D）的要求。7测置设备7.1 高速光电探测器高速光电探测器将光信号转换为电信号，参数要求如下：波长范围：覆盖探测所需波长；带宽：大于200MHz;噪声等效功率（NEP）:不大于10pWHz7.2 频率计数器频率计数器用于测量微波频率，参数要求如下:一频率测量范围：覆盖测量所需的微波频率;分辨率：不小于11位/S。7.3 光学频率梳光学频率梳用于光钟的频率转换，参数要求如下：波长范围：覆盖被测光钟的输出激光波长；一一光学频率梳梳齿线宽：小于10Hzo8测方法8.1 频率稳定度8.1.1 分时间交替自比对频率稳定度采用时分复用的方法，利用被测光钟的物理系统，从运行时间序列上把光钟分为多个锁定运行状态(如图2所示)进行自比对得到的差分频率稳定度。光钟在运行时间序列上分为两个锁定运行状态，分别为状态a和状