CN108282232A - 时钟同步系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子通信领域，提供一种时钟同步系统和方法。一种时钟同步系统，包括信号发送端和信号接收端；所述信号发送端包括第一激光脉冲发生器、第二激光脉冲发生器及光耦合模块；所述信号接收端包括光分离模块、光电转换模块、光探测模块；所述信号接收端用于接收所述耦合光信号、并根据所述耦合光信号的波长差异将所述耦合光信号进行分离、探测及分析。本发明通过信号发送端中光耦合模块对不同波长的激光进行耦合，至信号接收端，光分离模块根据波长的差异对耦合光信号进行分离，通过光探测模块的探测、处理。保证了时间基准不受光程差的影响，简化了电子学和配套软件的设计复杂度，避免了由于接收端光程变化对系统时间分辨带来的影响。

Description

时钟同步系统和方法

技术领域

本发明涉及量子通信领域，特别是涉及一种时钟同步系统和方法。

背景技术

目前量子通信中主要用的时钟同步方案为GPS时钟同步和电缆时钟同步。

GPS卫星本身的原子精度虽然很高，但是提供给用户的GPS授时精度为100ns。对于远距离通信实验，尤其是基于自由空间信道的通信，因为大气中各种对流情况导致的大气局部折射率变化，所以会使导致射端到接收端的光程随之改变。而GPS时钟同步方案测量的是绝对时间，所以接收端引入的光程变化会对系统时间晃动带来一定的影响，从而造成时钟同步精度的下降。

而电缆时钟同步则需要铺设电缆，通过精密可调延迟模块补偿两地电缆由于延迟导致的不一致，因此电缆时钟同步在应用中会有诸多不便，并不是在所有的应用场合中都适合铺设电缆，并且铺设电缆的费用也不菲。

发明内容

基于此，有必要针对光程变化导致精度下降、成本高、应用场合比较局限等问题，提供一种时钟同步系统和方法。

一种时钟同步系统，包括信号发送端和信号接收端；

所述信号发送端包括第一激光脉冲发生器、第二激光脉冲发生器及光耦合模块；

所述第一激光脉冲发生器用于辐射预设波长的通信信号光；

所述第二激光脉冲发生器用于辐射波长与所述通信信号光的预设波长之间相差至少100nm的时基信号光；

所述光耦合模块用于将所述通信信号光和所述时基信号光进行耦合并输出耦合光信号；

所述信号接收端包括光分离模块、光电转换模块、光探测模块；所述信号接收端用于接收所述耦合光信号、并根据所述耦合光信号的波长差异将所述耦合光信号进行分离、探测及分析；

所述光分离模块用于将所述耦合光信号根据波长的差异分离成所述通信信号光和所述时基信号光；

所述光电转换模块用于接收分离后的所述时基信号光、并将所述时基信号光转换成电信号输出；

所述光探测模块用于探测并分析所述电信号和所述通信信号光以获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

在其中一个实施例中，所述信号发送端还包括信息编码器，所述信息编码器用于将需要发送的信息编码至所述通信信号光上。

在其中一个实施例中，所述光探测模块包括光探测器和处理单元；

所述光探测器用于探测所述电信号和所述通信信号光；

所述处理单元与所述光探测器连接，用于分析处理所述光探测器探测到的所述电信号和所述通信信号光以获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

在其中一个实施例中，所述信号接收端还包括滤波器、锁相放大器模块及信息解码器；

所述滤波器位于所述光分离模块与所述光探测器之间，用于过滤所述通信信号光中的杂散光；

所述锁相放大器模块位于所述光电转换模块与所述光探测器之间，用于接收并放大转换后的所述电信号；

所述信息解码器用于将所述通信信号光携带的信息进行解码分析。

在其中一个实施例中，所述时基信号光的预设波长为700nm～750nm，所述通信信号光的预设波长为800nm～850nm。

在其中一个实施例中，所述光分离模块、所述光耦合模块均为双色镜。

在其中一个实施例中，所述时基信号光与所述通信信号光之间的重复频率相差至少两个数量级。

一种时钟同步方法，基于一种时钟同步系统，所述时钟同步系统包括信号发送端和信号接收端；

所述时钟同步方法包括：

在信号发送端采用波长与通信信号光的预设波长之间相差至少100nm、并满足预设条件的光脉冲作为时基信号光；

将所述时基信号光耦合至所述通信信号光所在的光路、并输出耦合光信号；

在信号接收端将所述耦合光信号根据波长的差异分离成所述通信信号光和所述时基信号光；

将所述时基信号光转换成电信号并输出；

根据所述电信号和所述通信信号光获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

在其中一个实施例中，所述根据所述电信号获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点的步骤，包括：

根据所述时基信号光的重复频率，将所述电信号分割成预设数量级的时间单元；

根据接收到的所述通信信号光与前一个时间单元的时间间隔来获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

在其中一个实施例中，所述时基信号光的预设条件包括：

重复频率满足能够根据实际传输过程中的传输总损耗和所述通信信号光的重复频率进行改变；

功率满足能够被信号接收端探测到、同时不会使光探测器过饱和；

脉冲宽度满足能够超过光探测器的接收响应速度。

上述时钟同步系统和方法，在信号发送端通过光耦合模块对不同波长的激光进行耦合，至信号接收端，光分离模块根据波长的差异对耦合光信号进行分离成通信信号光和时基信号光，再通过光电转换模块对时基信号光的转换输出至光探测模块，然后光探测模块进行探测、处理。保证了时间基准不受光程差的影响，简化了电子学和配套软件的设计复杂度，避免了由于接收端光程变化对系统时间分辨带来的影响。通过对时基信号光的重复频率、脉冲宽度、功率的调制，使得可以尽可能小的减小对通信信号光产生的干扰。进一步地，通过增加滤波器和锁相放大模块，使得获取的结果更加的精准、可靠，并且由于不需要铺设电缆，所以成本相对较低，并且在量子通信领域具有普适性。

附图说明

图1为一实施例中的时钟同步系统的结构示意图；

图2为另一实施例中的时钟同步系统的结构示意图；

图3为一实施例中的时钟同步方法流程图；

图4为图3中步骤S500的具体实现方法流程图。

附图标记说明：

10：信号发送端；100：第一激光脉冲发生器；110：第二激光脉冲发生器；120：光耦合模块；130：信息编码器；

20：信号接收端；200：光分离模块；210：光电转换模块；220：光探测模块；230：滤波器；240：锁相放大器模块；250：信息解码器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

请参照图1，为一实施例中的时钟同步系统的结构示意图。一种时钟同步系统，可以包括：信号发送端10和信号接收端20。其中，信号发送端10用于发送不同波长的激光脉冲、并将不同波长的激光脉冲进行耦合输出。信号发送端10可以包括：第一激光脉冲发生器100，第二激光脉冲发生器110和光耦合模块120。信号接收端20用于接收耦合光信号、并根据耦合光信号的波长差异将耦合光信号进行分离、探测及分析。信号接收端20用于接收耦合信号接收端20可以包括：光分离模块210，光电转换模块220，光探测模块200。

在一个实施例中，信号发送端10可以包括：第一激光脉冲发生器100，第二激光脉冲发生器110和光耦合模块120。可以理解，第一激光脉冲发生器100用于辐射预设波长的通信信号光；第一激光脉冲发生器100可以选择二极管激光器(LD)，LD具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点，当然，还可以是其他的激光发生器，例如，二氧化碳激光器，Nd：YAG激光器。通信信号光可以是1550nm也可以是800nm(或者850nm)的量子信号光，1550nm适用于光纤通信，800nm(850nm)的信号光适用于自由空间通信。由于本发明所涉及的是自由空间内的通信，所以对于通信信号光的波长的选择可以选择800nm～850nm的激光。自由空间也就是大气作为传输通信信号光和时基信号光的信道。空间光通信具有传输距离长，空间损耗大的特点，因此要求光发射系统中的激光器输出功率大，调制速率高。第二激光脉冲发生器110用于辐射波长与通信信号光的预设波长之间相差至少100nm的时基信号光。时基信号光也就是同步脉冲光，与通信信号光一样基于时钟信号产生，也就是说，时基信号光和通信信号光在信号发送端10发送的时候都是在同一个时间基准信号下辐射产生的。这样可以保证在信号接收端20通过时间基准信号来寻找通信信号光的发射时间点。由于一个脉冲中含有大量的光子，时基信号光波长的选取比通信信号光的波长短这样可以保证在接收端每一个时基信号都会收到。由于通信信号光的波长选取在800nm～850nm，所以第二激光脉冲发生器110的选择是可以辐射波长在700nm～750nm的激光。第二激光脉冲发生器110也可以是二极管激光器(LD)。时基信号光的重复频率与通信信号光之间相差至少两个数量级。例如，对于通信信号光的重复频率选取的时候，其单位是MHz，那么时基信号光的重复频率选取的时候，其单位就可以是KHz。光耦合模块120用于将通信信号光和时基信号光进行耦合并输出耦合光信号。这里示例性地对光耦合模块120选取双色镜，也就是二向色镜。但是，可以理解，这里不做限定作用。

在一个实施例中，信号接收端20可以包括：光分离模块210，光电转换模块220，光探测模块200。光分离模块210用于将耦合光信号根据波长的差异分离成通信信号光和时基信号光。光电转换模块220用于接收分离后的时基信号光、并将时基信号光转换成电信号输出。光探测模块200用于探测并分析电信号和通信信号光以获取通信信号光在信号发送端的发射时间点。

在一个实施例中，光分离模块210用于将耦合光信号根据波长的差异分离成通信信号光和时基信号光。这里示例性地对光分离模块210选取双色镜，也就是二向色镜。但是，可以理解，这里不做限定作用。

在一个实施例中，光电转换模块220用于接收分离后的时基信号光、并将时基信号光转换成电信号输出。光电转换模块220可以选用PIN二极管，也可以是其他可以将光信号转换成电信号的器件。

在一个实施例中，光探测模块200用于探测并分析电信号和通信信号光以获取通信信号光在信号发送端的发射时间点。举例来说，光探测模块200通过将电信号中的时基信号作为通信信号光的起始信号，由于通信信号光的脉冲在自由空间中传输被衰减后接收的概率很低，每个接收到的通信信号光脉冲都以上一个接收到的时基信号光脉冲作为起始时基信号，从而去获取通信信号光的发射时间点。

上述实施例在信号发送端通过光耦合模块对不同波长的激光进行耦合，至信号接收端，光分离模块根据波长的差异对耦合光信号进行分离成通信信号光和时基信号光，再通过光电转换模块对时基信号光的转换输出至光探测模块，然后光探测模块进行探测、处理。保证了时间基准不受光程差的影响，简化了电子学和配套软件的设计复杂度，避免了由于接收端光程变化对系统时间分辨带来的影响。

请参照图2，为另一实施例中的时钟同步系统的结构示意图。一种时钟同步系统，可以包括：信号发送端10和信号接收端20。其中，信号发送端10用于发送不同波长的激光脉冲、并将不同波长的激光脉冲进行耦合输出。信号发送端10可以包括：第一激光脉冲发生器100，第二激光脉冲发生器110，光耦合模块120和信息编码器130。信号接收端20用于接收耦合光信号、并根据耦合光信号的波长差异将耦合光信号进行分离、探测及分析。信号接收端20用于接收耦合信号接收端20可以包括：光分离模块210，光电转换模块220，光探测模块200，滤波器230，锁相放大器模块240，信息解码器250。

在一个实施例中，在信号发送端10中的第一激光脉冲发生器100，第二激光脉冲发生器110，光耦合模块120在前面都有具体的描述，在此不再过多赘述，具体可以参照之前实施例。信号发送端10还包括信息编码器130，用于将需要发送的信息编码至通信信号光上。可以理解，信息编码器130类似于调制器的功能，信息编码器130可以将在语音信号或者计算机间数据加载至激光上，通过激光光束在空间信道中传输至信号接收端，从而完成通信。

在一个实施例中，在信号接收端20中的光分离模块210，光电转换模块220在前面都有具体的描述，在此不再过多赘述，具体可以参照之前实施例。但是，需要指出的是光探测模块200可以包括：光探测器201和处理单元202。光探测器201用于探测电信号和通信信号光。处理单元202与光探测器201连接，用于分析处理光探测器探测到的电信号和通信信号光以获取通信信号光在信号发送端10的发射时间点。信号接收端20还可以包括滤波器230，锁相放大模块240以及信息解码器250。滤波器230位于光分离模块210与光探测器200之间，用于过滤通信信号光中的杂散光。滤波器230可以选取铯原子滤波器，当然，这里不做限定。锁相放大器模块240位于光电转换模块220与光探测器200之间，用于接收并放大转换后的电信号。信息解码器250用于将通信信号光携带的信息进行解码分析。类似于解调，是调制的逆过程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字或语音信号将其送到后续的处理单元进行处理。

下面结合附图2中的具体结构，进一步阐述本发明中时钟同步系统的原理：首先在信号发送端10，分别设定第一激光脉冲发生器100辐射850nm的光脉冲，作为单光子信号，通过信息编码器130将语音信号或者数据信号加载至激光脉冲上，设定第二激光脉冲发生器110辐射750nm的光脉冲，作为时基信号光，也就是同步信号光，通过光耦合模块120将时基信号光耦合至通信信号光所在的光路，保证了时基信号光和通信信号光的光路完全一样。在信号接收端20通过光分离模块210根据通信信号光和时基信号光的波长差异进行分离，分离出来的通信信号光进入滤波器230过滤掉杂散光，然后通过信息解码器250对通信信号光上加载的信息进行解码，获取信息。分离的时基信号光进入光电转换模块220转换成电信号经过锁相放大器模块240的放大，经由光探测模块200中的光探测器201的探测和处理单元202的处理，可以实现在高重复频率的信号光中找到其原来发射的那个相对时间点，进一步实现通信信号光的精细检测。其中，时基信号光的强度可以使其在接收端保证每个脉冲都可以接收到，从而每个时基信号光都作为一个起始的时基信号，而同步信号光的脉冲被衰减后接收的概率很低，每个接收到的通信信号光脉冲都以上一个接收到的时基信号光脉冲作为起始时基信号，从而细分了对于时钟信号的细微偏差，提高时间精度。

上述实施例，在信号发送端通过光耦合模块对不同波长的激光进行耦合，至信号接收端，光分离模块根据波长的差异对耦合光信号进行分离成通信信号光和时基信号光，再通过光电转换模块对时基信号光的转换输出至光探测模块，然后光探测模块进行探测、处理。保证了时间基准不受光程差的影响，简化了电子学和配套软件的设计复杂度，避免了由于接收端光程变化对系统时间分辨带来的影响。进一步地，通过增加滤波器和锁相放大模块，使得获取的结果更加的精准、可靠，并且由于不需要铺设电缆，所以成本相对较低，并且在量子通信领域具有普适性。

请继续参阅图3，为一实施例中的时钟同步方法流程图。一种时钟同步方法，可以包括：步骤S100～S500。

步骤S100，在信号发送端采用波长与通信信号光的预设波长之间相差至少100nm、并满足预设条件的光脉冲作为时基信号光。

具体地，在一个实施例中，在信号发送端，分别设定第一激光脉冲发生器辐射850nm的光脉冲，作为单光子信号，通过信息编码器将语音信号或者数据信号加载至激光脉冲上，设定第二激光脉冲发生器辐射750nm的光脉冲，作为时基信号光，也就是同步信号光。

其中，时基信号光满足：重复频率满足能够根据实际传输过程中的传输总损耗和所述通信信号光的重复频率进行改变。例如，当通信信号光的频率在100MHz，传输总损耗在40dB的时候，则迁到时基信号光的重复频率在10KHz左右为宜。功率满足能够被信号接收端探测到、同时不会使光探测器过饱和。脉冲宽度满足能够超过光探测器的接收响应速度。

步骤S200，将所述时基信号光耦合至所述通信信号光所在的光路、并输出耦合光信号。

具体地，在一个实施例中，通过光耦合模块将时基信号光耦合至通信信号光所在的光路，并向大气信道输出耦合光信号，这样可以保证时基信号光和通信信号光的光路完全一样。

步骤S300，在信号接收端将所述耦合光信号根据波长的差异分离成所述通信信号光和所述时基信号光。

具体地，在一个实施例中，由于在信号发送端是发送的不同波长的激光脉冲，并且还处于同一光路，所以，在信号接收端可以通过光分离模块将耦合光信号依据波长的差异分离成通信信号光和时基信号光。

步骤S400，将所述时基信号光转换成电信号并输出。

具体地，在一个实施例中，通过光电转换模块将时基信号光转换成电信号，然后将电信号输出至后续的模块。

步骤S500，根据所述电信号和所述通信信号光获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

具体地，在一个实施例中，时基信号光的强度可以使其在接收端保证每个脉冲都可以接收到，从而每个时基信号光都作为一个起始的时基信号，而同步信号光的脉冲被衰减后接收的概率很低，每个接收到的通信信号光脉冲都以上一个接收到的时基信号光脉冲作为起始时基信号，从而细分了对于时钟信号的细微偏差，提高时间精度。

请参阅图4，本步骤还可以包括：S510～S520。

步骤S510，根据所述时基信号光的重复频率，将所述电信号分割成预设数量级的时间单元。

具体地，电信号也就是带有时间基准的信号，可以信号接收端将时基信号根据重复频率来进行分割，其中，分割后的时间单元的数量级更小，且具体的数量级可以由用户自己设置，例如，可以将以秒为单位的时间分割为微秒、纳秒为单位的时间单元，这样的话，就可以在进行分割之后，使得检测更加精准，达到时间同步的目的。

步骤S520，根据接收到的所述通信信号光与前一个时间单元的时间间隔来获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

具体地，由于对时基信号进行了更加细化的分割，所以可以将每个时基信号光都作为一个起始的时基信号，而同步信号光的脉冲被衰减后接收的概率很低，每个接收到的通信信号光脉冲都以上一个接收到的时基信号光脉冲作为起始时基信号，可以根据接收到的通信信号光与前一个时基信号的时间间隔来精细的判断我们接收到的通信信号光到底是我们发射的脉冲信号光的哪一个脉冲，从而可以在高重复频率的通信信号光中找到其原来发射的那个相对时间点，从而实现信号光的精细检测。

上述实施例，在信号发送端通过光耦合模块对不同波长的激光进行耦合，至信号接收端，光分离模块根据波长的差异对耦合光信号进行分离成通信信号光和时基信号光，再通过光电转换模块对时基信号光的转换输出至光探测模块，然后光探测模块进行探测、处理。保证了时间基准不受光程差的影响，简化了电子学和配套软件的设计复杂度，避免了由于接收端光程变化对系统时间分辨带来的影响。通过对时基信号光的重复频率、脉冲宽度、功率的调制，使得可以尽可能小的减小对通信信号光产生的干扰。同时，通过对时基信号的细分割，可以进一步提高时间精度。进一步地，通过增加滤波器和锁相放大模块，使得获取的结果更加的精准、可靠，并且由于不需要铺设电缆，所以成本相对较低，并且在量子通信领域具有普适性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种时钟同步系统，其特征在于，包括信号发送端和信号接收端；

所述信号发送端包括第一激光脉冲发生器、第二激光脉冲发生器及光耦合模块；

所述第一激光脉冲发生器用于辐射预设波长的通信信号光；

所述第二激光脉冲发生器用于辐射波长与所述通信信号光的预设波长之间相差至少100nm的时基信号光；

所述光耦合模块用于将所述通信信号光和所述时基信号光进行耦合并输出耦合光信号；

所述信号接收端包括光分离模块、光电转换模块、光探测模块；所述信号接收端用于接收所述耦合光信号、并根据所述耦合光信号的波长差异将所述耦合光信号进行分离、探测及分析；

所述光分离模块用于将所述耦合光信号根据波长的差异分离成所述通信信号光和所述时基信号光；

所述光电转换模块用于接收分离后的所述时基信号光、并将所述时基信号光转换成电信号输出；

所述光探测模块用于探测并分析所述电信号和所述通信信号光以获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

2.根据权利要求1所述的时钟同步系统，其特征在于，所述信号发送端还包括信息编码器，所述信息编码器用于将需要发送的信息编码至所述通信信号光上。

3.根据权利要求1所述的时钟同步系统，其特征在于，所述光探测模块包括光探测器和处理单元；

所述光探测器用于探测所述电信号和所述通信信号光；

所述处理单元与所述光探测器连接，用于分析处理所述光探测器探测到的所述电信号和所述通信信号光以获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

4.根据权利要求1所述的时钟同步系统，其特征在于，所述信号接收端还包括滤波器、锁相放大器模块及信息解码器；

所述滤波器位于所述光分离模块与所述光探测器之间，用于过滤所述通信信号光中的杂散光；

所述锁相放大器模块位于所述光电转换模块与所述光探测器之间，用于接收并放大转换后的所述电信号；

所述信息解码器用于将所述通信信号光携带的信息进行解码分析。

5.根据权利要求1所述的时钟同步系统，其特征在于，所述时基信号光的预设波长为700nm～750nm，所述通信信号光的预设波长为800nm～850nm。

6.根据权利要求1所述的时钟同步系统，其特征在于，所述光分离模块、所述光耦合模块均为双色镜。

7.根据权利要求1所述的时钟同步系统，其特征在于，所述时基信号光与所述通信信号光之间的重复频率相差至少两个数量级。

8.一种时钟同步方法，基于一种时钟同步系统，所述时钟同步系统包括信号发送端和信号接收端；

所述时钟同步方法包括：

在信号发送端采用波长与通信信号光的预设波长之间相差至少100nm、并满足预设条件的光脉冲作为时基信号光；

将所述时基信号光耦合至所述通信信号光所在的光路、并输出耦合光信号；

在信号接收端将所述耦合光信号根据波长的差异分离成所述通信信号光和所述时基信号光；

将所述时基信号光转换成电信号并输出；

根据所述电信号和所述通信信号光获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

9.根据权利要求8所述的时钟同步方法，其特征在于，所述根据所述电信号获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点的步骤，包括：

根据所述时基信号光的重复频率，将所述电信号分割成预设数量级的时间单元；

根据接收到的所述通信信号光与前一个时间单元的时间间隔来获取所述通信信号光在所述信号发送端的发射时间点。

10.根据权利要求8所述的时钟同步方法，其特征在于，所述时基信号光的预设条件包括：

重复频率满足能够根据实际传输过程中的传输总损耗和所述通信信号光的重复频率进行改变；

功率满足能够被信号接收端探测到、同时不会使光探测器过饱和；

脉冲宽度满足能够超过光探测器的接收响应速度。