CN108427263B - 一种基于光学频率梳的增强型时间服务器 - Google Patents

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CN108427263B CN201710076755.3A CN201710076755A CN108427263B CN 108427263 B CN108427263 B CN 108427263B CN 201710076755 A CN201710076755 A CN 201710076755A CN 108427263 B CN108427263 B CN 108427263B
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Abstract

本申请公开了一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，解决现有技术对高品质铯原子钟的技术依赖、同步精度不够满足未来超高精度的需求等问题。所述基于光学频率梳的增强型时间服务器，包括时间恢复单元、倍频单元、时钟本振单元、第二分频单元、高频基准源、第一分频单元、选择单元、本地时标生成单元。所述高频基准源包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第一光电转换器、电压控制单元、窄线宽激光器、第二光学拍频器、第二光电转换器。本申请与现有时间服务器相比，具有频率准确度及稳定度高、基底噪声低、时间同步精度高、工作可靠性高等优点。

Description

一种基于光学频率梳的增强型时间服务器
技术领域
本申请涉及通信技术中的高精度时间同步领域，尤其涉及一种基于光学频率梳的增强型时间服务器。
背景技术
通信技术及通信业务加速的发展对高精度同步技术提出了更高的要求，在ITU-T8272.1标准中已初步规定了增强型时间服务器(PRTC+)精度需优于±30ns甚至更高。
为满足如此苛刻的精度要求，增强型时间服务器需要配置高品质的铯原子钟甚至原子钟组(频率准确度优于1E-13)，目前基于铯原子钟的技术实现存在两方面弊端：一由于铯原子钟老化率较高，为维持超高精度同步指标，需要定期更换铯管(3～5年)，维护成本较高；二是我国目前尚未具备研制商用铯钟的能力，严格依赖美国、瑞士等少数国家进口，对于高品质铯原子钟更是存在巨大的政策隐患。
光学频率梳和“光钟”为超高精度同步实现开启了另一扇窗，采用皮秒/飞秒的梳状锁模激光器和非线性光学倍频技术后，在光域实现对光梳的重复频率freq和偏置频率f0的精确控制，从而为微波频率的原子钟锁定THz的窄线宽连续激光(cw laser)提供有力的转换桥梁。光学频率比微波频率高5个数量级,并且光学频率标准的频率噪声远小于原子钟,在稳定性、精度和位相噪声方面都至少有数量级的改善。该技术在精密计量、高分辨率光谱等领域取得了前沿性应用，但尚未应用于通信网及电信级同步网中。
发明内容
本申请提出一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，解决了现有技术对高品质铯原子钟的技术依赖、同步精度不够满足未来超高精度的需求等问题。
本申请实施例提供一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，包括时间恢复单元、时钟本振单元、第二分频单元、高频基准源、第一分频单元、本地时标生成单元；所述时间恢复单元，用于对接收到的外部信号进行处理，得到时间信息、溯源信息和1PPS外部输入参考信号，输出到所述本地时标生成单元；所述时钟本振单元，是以输入的所述频率参考信号I为基准，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服，得到中频基准信号，输出到所述第二分频单元；所述第二分频单元，用于对输入的中频基准信号进行分频转换，得到频率驱动信号，输出到所述高频基准源；所述高频基准源，通过输入的所述频率驱动信号触发锁模激光器，产生光学频率梳信号，再经变频处理，得到高频基准信号，输出到所述第一分频单元；所述第一分频单元，用于对输入的所述高频基准信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号和频率参考信号I，所述1PPS内部输入参考信号输出到所述本地时标生成单元，所述频率参考信号I为10MHz，输出到所述时钟本振单元；所述本地时标生成单元，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号。
进一步地，本申请实施例还提供一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，包括时间恢复单元、时钟本振单元、倍频单元、选择单元、第二分频单元、高频基准源、第一分频单元、本地时标生成单元；所述时间恢复单元,用于对接收到的外部信号进行处理，得到时间信息、溯源信息和1PPS外部输入参考信号，输出到所述本地时标生成单元；还用于将得到的所述1PPS外部输入参考信号，输出到所述倍频单元；所述倍频单元，用于对输入的所述1PPS外部输入参考信号进行倍频和功率放大，得到频率参考信号II，输出到所述选择单元；所述选择单元，用于对输入的所述频率参考信号II和所述频率参考信号I进行二选一，输出频率参考信号I或频率参考信号II到所述时钟本振单元；所述时钟本振单元，是以输入的所述频率参考信号I或频率参考信号II为基准，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服，得到中频基准信号，输出到所述第二分频单元；所述第二分频单元，用于对输入的中频基准信号进行分频转换，得到频率驱动信号，输出到所述高频基准源；所述高频基准源，通过输入的所述频率驱动信号触发锁模激光器，产生光学频率梳信号，再经变频处理，得到高频基准信号,输出到所述第一分频单元；所述第一分频单元，用于对输入的所述高频基准信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号和频率参考信号I，所述1PPS内部输入参考信号输出到所述本地时标生成单元，所述频率参考信号I为10MHz，输出到所述时钟本振单元；所述第一分频单元，还用于将所述频率参考信号I输出到所述选择单元；所述本地时标生成单元，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号。
优选地，本申请实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，所述选择单元对所述频率参考信号II和所述频率参考信号I进行二选一时，当所述第一分频单元输出正常时，所述选择单元选择输入的所述频率参考信号I，输出到所述时钟本振单元；当所述第一分频单元输出异常时，所述选择单元选择输入的所述频率参考信号II，输出到所述时钟本振单元。
优选地，本申请实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，还包括时间接口单元；所述本地时标生成单元，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号；还用于对输入的所述时间信息和所述溯源信息进行时标转换处理，得到时标转换信号，输出到所述时间接口单元；所述时间接口单元，用于对所述时标转换信号进行端口扩展和信号整形，输出标准时间同步信号。
优选地，本申请实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，输出的所述标准时间同步信号满足1PPS+ToD或PTP的协议要求。
优选地，本申请实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，还包括相位信号单元；所述本地时标生成单元，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号到所述相位信号单元；所述相位信号单元，用于对所述1PPS相位基准信号进行端口扩展和脉冲整形，为其他同步设备提供基准或作为调测接口使用。
优选地，本申请实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，还包括频率接口单元；所述第一分频单元，还用于将所述频率参考信号I输出到所述频率接口单元；所述频率接口单元，用于对所述频率参考信号I进行端口扩展和信号整形，转换为标准频率信号并输出。
优选地，本申请实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，其中，所述高频基准源，包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第一光电转换器、电压控制单元、窄线宽激光器、第二光学拍频器、第二光电转换器；所述锁模激光器，用于在输入的所述频率驱动信号的驱动下，生成对应频域为超宽带梳状光谱的原始光梳信号，输出到所述光放大器、所述第一光学拍频器和所述第二光学拍频器；所述光放大器，用于对输入的所述原始光梳信号进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元；所述非线性光学单元，用于对输入的所述内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号，输出到所述第一光学拍频器；所述第一光学拍频器，用于将所述光梳倍频信号与所述原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器；所述第一光电转换器，用于对输入的所述光梳偏置频率分量信号进行光电转换，输出光梳偏置电信号到所述电压控制单元；所述电压控制单元，用于将输入的所述光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器，反向控制所述锁模激光器的偏置电压；所述窄线宽激光器，用于产生特定波长的直流光信号，输出到所述第二光学拍频器；所述第二光学拍频器，用于将输入的所述原始光梳信号和所述直流光信号做拍频处理，得到拍频光信号，输出到所述第二光电转换器；所述第二光电转换器，用于接收所述拍频光信号，并进行光电转换，得到拍频电信号作为所述高频基准信号，输出到所述第一分频单元。
优选地，本申请实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，其中，所述高频基准源，包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第一光电转换器、电压控制单元；所述锁模激光器，用于在输入的所述频率驱动信号的驱动下，生成对应频域为超宽带梳状光谱的原始光梳信号，输出到所述光放大器、所述第一光学拍频器和所述第二光学拍频器；所述光放大器，用于对输入的所述原始光梳信进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元；所述非线性光学单元，用于对输入的所述内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号，输出到所述第一光学拍频器；所述第一光学拍频器，用于将所述光梳倍频信号与所述原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器；所述第一光电转换器，用于对输入的所述光梳偏置频率分量信号进行光电转换，生成光梳偏置电信号，并作为所述高频基准信号输出到所述第一分频单元；所述电压控制单元，用于将输入的所述光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器，反向控制所述锁模激光器的偏置电压。
优选地，本申请实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，所述时钟本振单元为铷原子钟或高稳晶振。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
锁定后由于激光器的线宽在Hz量级，中心波长在百THz量级，因此本发明所实现的中频基准信号频率准确度在N×E-15量级，优于高品质铯钟2～3个数量级；同时一方面光频信号的基底噪声远远优于微波原子钟噪声水平，由非线性光学倍频及差频实现的“光鉴相器”信噪比也远高于电域鉴相器水平，因此频率稳定度方面与铯钟相比也有大幅度提升。
通过光学频率梳生成高频基准信号后，本发明又将该中频基准信号产生所述1PPS内部输入参考信号与GNSS接收的1PPS外部输入参考信号进行相位对齐并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号，解决了增强时间服务器时间同步信号溯源UTC参考问题，在此基础上由于频率准确度及稳定度的显著提升，时间同步精度相对UTC也可提高至亚皮秒量级，远高于ITU-T G.8272.1中规定的±30ns时间精度要求。
由于光学频率梳对驱动锁模激光器的本振时钟性能要求不高，采用铷钟即可满足超高精度同步指标要求，同时在本发明中由于本地铷钟前置于光学频率梳单元，在GNSS卫星接收机失效的情况下，利用本地铷钟保持输出驱动光学频率梳后，由于窄线宽连续激光器仍工作在稳态上，因此通过闭环反馈控制仍然可保证频率基准的短期及长期性能，对增强型时间服务器性能影响不大，与ITU-T G.8272.1中基于高品质铯钟的方案相比在守时精度上也具有明显优势。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为现有时间服务器实现模型框图；
图2为基于光学频率梳的增强型时间服务器的一种实施例；
图3为基于光学频率梳的增强型时间服务器的另一种实施例；
图4为包含高频基准源具体方案的实施例；
图5为包含高频基准源具体方案的另一种实施例；
图6为带接口单元的基于光学频率梳的增强型时间服务器。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为现有时间服务器实现模型框图。现有时间服务器实现模型包括：时间恢复单元1、时钟本振单元2和本地时标生成单元3。
所述时间恢复单元1用于从卫星信号中通过滤波处理、去除异常值等方式恢复出1PPS秒脉冲信号，从卫星导航电文中解算出ToD时间信息，以及生成或转化为基本的时间溯源信息，如秒脉冲状态，闰秒信息等。
所述时间恢复单元1输入的所述卫星信号通常是由专门的各GNSS卫星接收单元接收到的GNSS卫星信号(如GPS、北斗、GLONASS等)。
所述时钟本振单元2内置时间服务器本地振荡源(如铷原子钟)，通过所述时间恢复单元1输出的1PPS外部输入或外频率参考进行锁相和驯服后，输出中频基准信号给所述本地时标生成单元3。
所述本地时标生成单元3用于将所述时钟本振单元2输出的所述中频基准信号通过DDS分频技术转化为本地1PPS秒脉冲基准信号，并与所述时间恢复单元1的1PPS信号进行相位对齐，同时所述本地时标生成单元3将所述时间恢复单元1的ToD时间信息进行时标转换处理，并对时间溯源信息进行处理。
在G.8272标准中，正常跟踪GNSS卫星信号时，长期的频率准确度在1E-12水平，时间服务器时间接口的同步精度优于±100ns，时间及频率守时性能应满足G.812时钟守时性能要求。
该技术的缺点为一方面时间同步精度不高，100ns水平难以满足未来超高精度同步要求；另一方面如GNSS故障或卫星系统失效后，需要本地铷钟进行守时，目前商用铷钟频率准确度最高为N×E-11量级，1天内的守时精度为±5us，也无法满足超高精度同步性能指标要求。
ITU-T G.8272.1中建议提高时间服务器的同步精度到±30ns甚至更高，目前该标准尚未发布，但国际主流技术倾向采用基于高品质的铯原子钟实现方案，高品质的铯原子钟的本地噪声优于GNSS卫星信号恢复的1PPS信号，且频率准确度性能也与铷钟相比进行大幅度提升，甚至可达到N×E-13水平。
因此，还有另一种现有时间服务器实现模型，各单元的基本实现功能基本相同，但在所述时钟本振单元2处，由所述时间恢复单元1输出的1PPS信号作为可选项，由高品质铯原子钟输出的10MHz或1PPS信号将直接输入给时钟本振单元，驯服本地铷钟后作为增强型时间服务器的基准信号。该技术的优势在于本地高品质铯原子钟与GNSS相比具有更优的噪声指数，且GNSS时间参考失效后，利用高品质铯钟进行守时在3天内仍然可满足±30ns的超高精度同步指标要求；但该技术严重依赖于本地铯钟的质量及运行要求，为防止高品质铯钟老化，需要定期更换铯管(3～5年)，并且铯钟产品严重依赖国外进口，而高品质铯钟更是在国家战略上存在禁运的风险，因此不利于未来超高精度增强型时间服务器的技术及产品实现。
为解决增强型时间服务器过分依赖于高品质铯原子钟的技术瓶颈，充分借鉴光学频率梳技术在超高精度同步中的技术前景，本发明在ITU-T G.8272规定的传统时间服务器(PRTC)基础上，基于光学频率梳技术提出一种增强型时间服务器实现方法及装置。该技术与目前基于高品质铯钟的增强型时间服务器(PRTC+)相比，时间精度及守时精度由±30ns可提高至亚ns量级，并且本身不依赖铯钟，采用低成本、低精度的铷原子钟即可满足超高精度同步指标要求。
图2为基于光学频率梳的增强型时间服务器的一种实施例。本实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，包括时间恢复单元1、时钟本振单元2、第二分频单元5、高频基准源6、第一分频单元7、本地时标生成单元3。
所述时间恢复单元1,用于对接收到的外部信号进行处理，得到时间信息、溯源信息和1PPS外部输入参考信号，输出到所述本地时标生成单元3。
所述时钟本振单元2，是以输入的所述频率参考信号I为基准，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服，得到中频基准信号，输出到所述第二分频单元5。
所述第二分频单元5，用于对输入的中频基准信号进行分频转换，得到频率驱动信号，输出到所述高频基准源6。
所述高频基准源6，通过输入的所述频率驱动信号触发锁模激光器，产生光学频率梳信号，再经变频处理，得到高频基准信号，输出到所述第一分频单元7。
所述第一分频单元7，用于对输入的所述高频基准信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号和频率参考信号I，所述1PPS内部输入参考信号输出到所述本地时标生成单元3，所述频率参考信号I为10MHz，输出到所述时钟本振单元2。
所述本地时标生成单元3，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号。
图3为基于光学频率梳的增强型时间服务器的另一种实施例。本实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，包括时间恢复单元1、倍频单元4、时钟本振单元2、第二分频单元5、高频基准源6、第一分频单元7、选择单元8、本地时标生成单元3。
为生成高精度频率基准并在此基础上产生标准的超高精度时间及频率信号，本发明在现有的时间服务器实现模型基础上，引入了光学频率梳技术，通过光学频率梳对拍频信号测量后，间接实现本地铷钟对窄线宽连续激光器的锁定。
所述时间恢复单元1，用于对接收到的外部信号进行处理，得到时间信息、溯源信息和1PPS外部输入参考信号，输出到所述本地时标生成单元3，所述1PPS外部输入参考信号，还输出到所述倍频单元4。
通常是由专门的GNSS接收单元接收GPS、北斗或者GLONASS卫星信号，并输出到所述时间恢复单元1。从所述GNSS接收单元的卫星信号中通过滤波处理、去除异常值等方式恢复1PPS秒脉冲信号，并从卫星导航电文中解析出时间信息ToD(包含年、月、日、秒等时间信息)，和溯源信息(如闰秒、时标信息、卫星接收机类型、秒脉冲状态等)，送至所述本地时标生成单元3进行时间再生处理。
所述倍频单元4，用于对输入的所述1PPS外部输入参考信号进行倍频和功率放大，得到频率参考信号II，输出到所述选择单元8。在本发明的最佳实施例中，所述倍频单元将所述时间恢复单元1恢复的信号进行DDS分频处理并进行功率放大后，转化为10MHz周期信号，送至所述选择单元8中。
所述时钟本振单元2，是以输入的所述频率参考信号I为基准，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服，得到中频基准信号，输出到所述第二分频单元5。
所述时钟本振单元2为增强型时间服务器的时钟本振，在本发明中可采用铷原子钟或高稳晶振，要求频率准确度在N×E-11水平。所述时钟本振单元2对所述选择单元8输入的频率参考信号I或频率参考信号II，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服后，送至第二分频单元5中进行分频处理。
所述第二分频单元5，用于对输入的中频基准信号进行分频转换，得到频率驱动信号freq，输出到所述高频基准源6。在本发明的最佳实施例中，所述第二分频单元5，对所述时钟本振单元2被驯服输出的10MHz进行分频转换，转换为光学频率梳中皮秒锁模激光器的频率驱动信号，如200MHz。
所述高频基准源6，通过输入的所述频率驱动信号触发锁模激光器，产生光学频率梳信号，再经变频处理，得到高频基准信号,输出到所述第一分频单元7。
所述第一分频单元7，用于将输入的所述高频基准信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号和频率参考信号I，所述1PPS内部输入参考信号输出到所述本地时标生成单元3，所述频率参考信号I输出到所述选择单元8。
所述第一分频单元7，将拍频信号经过DDS分频处理转换为1PPS内部输入参考信号以及所述选择单元8的频率参考信号I。
所述选择单元8，用于提供二选一的频率选择开关功能，输入所述频率参考信号II和所述频率参考信号I，输出频率参考信号I或频率参考信号II到所述时钟本振单元2。本发明的装置正常工作时，开关选择至所述第一分频单元7的频率参考信号I，送至所述时钟本振单元2后，组成频率反馈环路。当反馈环路工作异常时，开关可切换至所述倍频单元4输出的频率参考信号II。所述频率参考信号II为10MHz信号，跟踪GNSS卫星接收机。该单元提供了保护功能，提高了增强型时间服务器的工作可靠性。
所述本地时标生成单元3，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号。
采用本地铷钟锁定GNSS卫星作为光学频率梳的驱动信号，采用该设计方法后，即使GNSS卫星失效，利用本地铷钟保持驱动光学频率梳后，生成的中频基准信号仍然可维持正常跟踪卫星时的超高精度同步指标要求。
本发明基于光学频率梳生成的高频基准信号经过分频处理后，与GNSS卫星接收机恢复的所述1PPS外部输入参考信号进行相位对齐，同时从GNSS卫星接收机中解算出时间信息ToD，并经过时标处理及协议处理后输出超高精度时间同步信号。
图4为高频基准源的实施例。本实施例提供的一种高频基准源，包括锁模激光器9、光放大器10、非线性光学单元11、第一光学拍频器12、第一光电转换器13、电压控制单元14、窄线宽激光器15、第二光学拍频器16、第二光电转换器17。
所述锁模激光器9，用于在输入的所述频率驱动信号(频率为freq)的驱动下，生成原始光梳信号(光梳峰值频率为fn，其中n为整数序列)，输出到所述光放大器10、所述第一光学拍频器12和所述第二光学拍频器16。
所述锁模激光器9常见的为皮秒锁模激光器，在所述第二分频单元5输出的所述频率驱动信号驱动下，主动型皮秒锁模激光器在时域可生成皮秒级的光脉冲信号，对应频域为超宽带梳状光谱，如对应频域光梳信号频率为fn，那么有
fn＝n×freq+f0 公式1
其中为freq光梳的重复频率，f0为光梳的偏置频率，n为整数序列，代表锁模激光器的多个模式。生成光梳信号后，可送至所述光放大器10和第一光学拍频器12针对f0做解算处理。
本地铷钟输出的10MHz信号经过分频处理后驱动所述锁模激光器9产生光学频率梳开环信号。
锁定后由于所述锁模激光器9的线宽在Hz量级，中心波长在百THz量级，因此本发明所实现的中频基准信号频率准确度在N×E-15量级，优于高品质铯钟2～3个数量级。
为达到所述非线性光学单元11所需要的非线性倍频的触发阈值，需对光学频率梳原始信号做光功率放大处理。
所述光放大器10，用于对输入的所述原始光梳信号进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元11。
所述非线性光学单元11，用于对输入的所述内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号(光梳峰值频率为f2n，其中n为整数序列)，输出到所述第一光学拍频器12。
所述非线性光学单元11，可以在非线性光学环境中，例如具有高非线性系数的光子晶体光纤(PCF)，利用光学非线性效应，如自相位调制(SPM)，在特定的频段内会发送能量交互，对光学频率梳原始信号进行倍频处理，生成频率满足
f2n＝2×n×freq+2×f0 公式2
的倍频信号。
所述第一光学拍频器12，用于将所述光梳倍频信号与所述原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器13。
所述第一光学拍频器12，通过将所述非线性光学单元11转换后的所述光梳倍频信号与原始光梳信号做差频处理，倍频信号与2n次谐波的原始光梳信号差频后可解算出光梳的偏置频率分量f0，
f0＝2×n×freq+2×f0-(2×n×freq+f0) 公式3
这里光学拍频装置可视为“光鉴相器”，将光拍频分量通过光电探测器可转换为电域的微波信号。
所述第一光电转换器13，用于将输入的所述光梳偏置频率分量信号转换为光梳偏置电信号。
光学频率梳原始信号经过放大及倍频处理后，与自身原始信号进行拍频处理，解算出光梳的偏置频率分量f0，经过所述第一光电转换器13后，转化为光梳偏置电信号。
所述电压控制单元14，用于将输入的所述光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器9，反向控制所述锁模激光器9的偏置电压。
所述电压控制单元14，通过解算的电域微波信号转换为电压控制信号，反向控制所述光放大器10中泵浦源的偏置电压，并微调所述锁模激光器9的腔长及偏振态等参数，可间接控制光梳的重复频率freq和偏置频率f0。装置所述锁模激光器9、所述光放大器10、所述非线性光学单元11、所述第一光学拍频器12、所述第一光电转换器13、所述电压控制单元14共同组成光梳控制反馈闭环系统，可实现光梳的稳定控制。
通过解算的f0对所述锁模激光器9泵浦源的偏置电压、激光器腔长等参数进行精确控制，形成闭环反馈系统，实现对光学频率梳重复频率freq及偏置频率f0的稳定控制后，输出光学频率梳的闭环信号。
所述窄线宽激光器15，用于产生特定波长的直流光信号(频率为fcw)，输出到所述第二光学拍频器16。
所述窄线宽激光器15(cw laser)可以产生特定波长的直流光，如C波段的1550nm直流光，该激光器频域线宽极窄，在Hz量级。
所述第二光学拍频器16，用于将输入的所述原始光梳信号和所述直流光信号做拍频处理，得到拍频光信号，输出到所述第二光电转换器17。
所述第二光学拍频器16将光学频率梳的光脉冲信号与所述窄线宽激光器15(cwlaser)的直流光信号做拍频处理，产生的拍频光信号(包络的频率为fbeat)经过光电探测器后即为本发明所生成的高频基准信号。
所述第二光电转换器17，用于接收所述拍频光信号，并进行光电转换，得到拍频电信号(频率为fbeat)作为所述高频基准信号输出。
如产生的所述拍频电信号频率表示为fbeat，则有如下关系成立：
fcw＝N×freq±f0±fbeat 公式4
公式4中，N为正整数，是表示光梳信号中第N个峰值。
本发明采用了光学频率梳技术，通过光学频率梳测量本地铷钟驱动的所述锁模激光器9与所述窄线宽激光器15之间的拍频信号(频率为fbeat)，实现对微波频段的原子钟的反馈控制，从而获得优于目前商用高品质铯原子钟水平的高频基准信号。
将光学频率梳闭环信号与窄线宽连续激光(cw laser)再做拍频处理，并通过对光学频率梳重复频率及偏置频率的精确控制，根据公式4解算出微波频段的拍频信号(频率为fbeat)，实现本地铯钟对光学频段高稳激光器的锁定后，将拍频电信号作为本装置的频率基准。
图5为高频基准源的另一种实施例。本实施例提供的一种高频基准源，包括锁模激光器9、光放大器10、非线性光学单元11、第一光学拍频器12、第一光电转换器13、电压控制单元14。
所述锁模激光器9，用于在输入的所述频率驱动信号(频率为freq)的驱动下，生成原始光梳信号(光梳峰值频率为fn，其中n为整数序列)，输出到所述光放大器10、所述第一光学拍频器12和所述第二光学拍频器16。
所述光放大器10，用于对输入的所述原始光梳信号进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元11。
所述非线性光学单元，用于对输入的所述内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号(光梳峰值频率为f2n，其中n为整数序列)，输出到所述第一光学拍频器12。
所述第一光学拍频器12，用于将所述光梳倍频信号与所述原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器13。
所述第一光电转换器13，用于将输入的所述光梳偏置频率分量信号转换为光梳偏置电信号(频率为f0)，并作为所述高频基准信号输出到所述第一分频单元7。
所述电压控制单元14，用于将输入的所述光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器9，反向控制所述锁模激光器9的偏置电压。
根据公式5另有如下拍频信号的产生方法：
fbeat ＝n×freq±f0± fcw 公式5
需要说明的是，图4所示窄线宽激光器、第二光学拍频器、第二光电装唤器，也可用于图5的实施例。与本发明图4的方案不同，fbeat不作为增强型时间服务器的基准信号，而作为检测的残余信号，当fbeat＝0时，cw窄线宽激光器的谱线与fn第N个峰值(N为正整数)重合，可表示为公式6
fcw＝N×freq±f0 公式6如图4所示，将锁模激光器的偏置频率f0作为增强型时间服务器的基准信号，也可达到本发明fbeat的效果。通过对残余信号的检测，f0是控制的，该反馈系统最终会锁定至cw laser，公式如下：
f0＝N×freq± fcw 公式7
图6为带接口单元的基于光学频率梳的增强型时间服务器。本实施例提供的一种基于光学频率梳的增强型时间服务器带有接口单元，包括时间接口单元18、相位信号单元19和频率接口单元20。
所述第一分频单元7，用于将输入的所述高频基准信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号、频率参考信号I和频率参考信号I，所述1PPS内部输入参考信号输出到所述本地时标生成单元3，所述频率参考信号I输出到所述选择单元8，所述频率参考信号I输出到所述频率接口单元20。
所述本地时标生成单元3，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号；还用于对输入的所述时间信息和所述溯源信息进行时标转换处理，得到时标转换信号，输出到所述时间接口单元18。
所述本地时标生成单元3，将所述第一分频单元7转换后的所述1PPS内部输入参考信号与所述时间恢复单元1的1PPS外部输入参考信号进行相位比对，调节比对后的相位差后再生出本发明所生成的1PPS相位基准信号。同时根据所述时间恢复单元1所提供的时间溯源信息和时间信息(ToD)进行时标转换处理后，在基准信号驱动下送至所述时间接口单元18和所述相位信号单元19中。
所述时间接口单元18，用于将所述时标转换信号根据不同接口协议要求处理，输出标准时间同步信号。
所述时间接口单元18，接收所述本地时标生成单元3的时间信号后，根据不同同步接口要求(如1PPS+ToD、PTP)转换为标准规定的时间同步接口输出。
所述本地时标生成单元3根据所述时间恢复单元1所提供的时间溯源信息和时间信息(ToD)进行时标转换处理；本地时标生成单元的时间信号后，根据不同同步接口要求(如1PPS+ToD、PTP)转换为标准规定的时间同步接口输出。
将光学频率梳技术与现有时间服务器实现模型相结合，可同时输出超高精度的时间同步信号，提出新型增强时间服务器实现方法和实现装置模型，从本质上摆脱增强型时间服务器对高品质铯钟的依赖。
所述相位信号单元19，用于导出再生后的所述1PPS相位基准信号，可以进行性能监测、设备调测或为其他同步设备提供基准信号。
所述频率接口单元20，用于接收所述频率参考信号I，转换为标准频率信号并输出。接收所述第一分频单元7的频率参考信号I后，根据不同同步接口要求(如2Mbps、2MHz或syncE)转换为标准规定的频率同步接口输出。
将光学频率梳技术与现有时间服务器实现模型相结合，可同时输出超高品质的频率同步信号，提出新型增强时间服务器实现方法和实现装置模型，从本质上摆脱增强型时间服务器对高品质铯钟的依赖。
一种基于光学频率梳的增强型时间服务器的设计，与其他时间服务器实现装置相比，具有频率准确度及稳定度高、基底噪声低、时间同步精度高、工作可靠性高等优点。
本专利申请所述基于光学频率梳的增强型时间服务器，锁定后由于激光器的线宽在Hz量级，中心波长在百THz量级，因此本发明所实现的中频基准信号频率准确度在N×E-15量级，优于高品质铯钟2～3个数量级；同时一方面光频信号的基底噪声远远优于微波原子钟噪声水平，由非线性光学倍频及差频实现的“光鉴相器”信噪比也远高于电域鉴相器水平，因此频率稳定度方面与铯钟相比也有大幅度提升。
通过光学频率梳生成高频基准信号后，本发明又将该中频基准信号产生的1PPS参考信号与GNSS接收的1PPS信号进行相位对齐，解决了增强时间服务器时间同步信号溯源UTC参考问题，在此基础上由于频率准确度及稳定度的显著提升，时间同步精度相对UTC也可提高至亚皮秒量级，远高于8272.1中规定的±30ns时间精度要求。
由于光学频率梳对驱动锁模激光器的本振时钟性能要求不高，采用铷钟即可满足超高精度同步指标要求，同时在本发明中由于本地铷钟前置于光学频率梳单元，在GNSS卫星接收机失效的情况下，利用本地铷钟保持输出驱动光学频率梳后，由于窄线宽连续激光器仍工作在稳态上，因此通过闭环反馈控制仍然可保证频率基准的短期及长期性能，对增强型时间服务器性能影响不大，与8272.1中基于高品质铯钟的方案相比在守时精度上也具有明显优势。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，包括时间恢复单元、时钟本振单元、第二分频单元、高频基准源、第一分频单元、本地时标生成单元；
所述时间恢复单元，用于对接收到的外部信号进行处理，得到时间信息、溯源信息和1PPS外部输入参考信号，输出到所述本地时标生成单元；
所述时钟本振单元，是以输入的频率参考信号I为基准，通过锁相环技术对时钟本振进行驯服，得到中频基准信号，输出到所述第二分频单元；
所述第二分频单元，用于对输入的中频基准信号进行分频转换，得到频率驱动信号，输出到所述高频基准源；
所述高频基准源，通过输入的所述频率驱动信号触发锁模激光器，产生光学频率梳信号，再经变频处理，得到高频基准信号，输出到所述第一分频单元；
所述第一分频单元，用于对输入的所述高频基准信号进行分频处理，得到1PPS内部输入参考信号和频率参考信号I，所述1PPS内部输入参考信号输出到所述本地时标生成单元，所述频率参考信号I为10MHz，输出到所述时钟本振单元；
所述本地时标生成单元，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号。
2.如权利要求1所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，还包括倍频单元、选择单元；
所述时间恢复单元,还用于将得到的所述1PPS外部输入参考信号，输出到所述倍频单元；
所述第一分频单元，还用于将所述频率参考信号I输出到所述选择单元；
所述倍频单元，用于对输入的所述1PPS外部输入参考信号进行倍频和功率放大，得到频率参考信号II，输出到所述选择单元；
所述选择单元，用于对输入的所述频率参考信号II和所述频率参考信号I进行二选一，输出频率参考信号I或频率参考信号II到所述时钟本振单元。
3.如权利要求2所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，所述选择单元对所述频率参考信号II和所述频率参考信号I进行二选一，其特征在于，
当所述第一分频单元输出正常时，所述选择单元选择输入的所述频率参考信号I，输出到所述时钟本振单元；
当所述第一分频单元输出异常时，所述选择单元选择输入的所述频率参考信号II，输出到所述时钟本振单元。
4.如权利要求1～3任一所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，还包括时间接口单元；
所述本地时标生成单元，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号；还用于对输入的所述时间信息和所述溯源信息进行时标转换处理，得到时标转换信号，输出到所述时间接口单元；
所述时间接口单元，用于对所述时标转换信号进行端口扩展和信号整形，输出标准时间同步信号。
5.如权利要求4所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，还包括相位信号单元；
所述本地时标生成单元，用于将输入的所述1PPS外部输入参考信号和所述1PPS内部输入参考信号进行相位比对，并调节比对后的相位差，输出1PPS相位基准信号到所述相位信号单元；
所述相位信号单元，用于对所述1PPS相位基准信号进行端口扩展和脉冲整形，为其他同步设备提供基准或作为调测接口使用。
6.如权利要求1～3任一所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，还包括频率接口单元；
所述第一分频单元，还用于将所述频率参考信号I输出到所述频率接口单元；
所述频率接口单元，用于对所述频率参考信号I进行端口扩展和信号整形，转换为标准频率信号并输出。
7.权利要求1～3任一所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，所述时钟本振单元为铷原子钟或高稳晶振。
8.如权利要求1～3任一所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，所述高频基准源，包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第一光电转换器、电压控制单元、窄线宽激光器、第二光学拍频器、第二光电转换器；
所述锁模激光器，用于在输入的所述频率驱动信号的驱动下，生成对应频域为超宽带梳状光谱的原始光梳信号，输出到所述光放大器、所述第一光学拍频器和所述第二光学拍频器；
所述光放大器，用于对输入的所述原始光梳信号进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元；
所述非线性光学单元，用于对输入的所述内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号，输出到所述第一光学拍频器；
所述第一光学拍频器，用于将所述光梳倍频信号与所述原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器；
所述第一光电转换器，用于对输入的所述光梳偏置频率分量信号进行光电转换，输出光梳偏置电信号到所述电压控制单元；
所述电压控制单元，用于将输入的所述光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器，反向控制所述锁模激光器的偏置电压；
所述窄线宽激光器，用于产生特定波长的直流光信号，输出到所述第二光学拍频器；
所述第二光学拍频器，用于将输入的所述原始光梳信号和所述直流光信号做拍频处理，得到拍频光信号，输出到所述第二光电转换器；
所述第二光电转换器，用于接收所述拍频光信号，并进行光电转换，得到拍频电信号作为所述高频基准信号，输出到所述第一分频单元。
9.如权利要求1～3任一所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，所述高频基准源，包括锁模激光器、光放大器、非线性光学单元、第一光学拍频器、第一光电转换器、电压控制单元；
所述锁模激光器，用于在输入的所述频率驱动信号的驱动下，生成对应频域为超宽带梳状光谱的原始光梳信号，输出到所述光放大器、所述第一光学拍频器；
所述光放大器，用于对输入的所述原始光梳信进行光功率放大，得到内部光梳信号，输出到所述非线性光学单元；
所述非线性光学单元，用于对输入的所述内部光梳信号进行倍频处理，得到光梳倍频信号，输出到所述第一光学拍频器；
所述第一光学拍频器，用于将所述光梳倍频信号与所述原始光梳信号做差频处理，得到光梳偏置频率分量信号，输出到所述第一光电转换器；
所述第一光电转换器，用于对输入的所述光梳偏置频率分量信号进行光电转换，生成光梳偏置电信号，并作为所述高频基准信号输出到所述第一分频单元；
所述电压控制单元，用于将输入的所述光梳偏置电信号转换为电压控制信号，输出到所述锁模激光器，反向控制所述锁模激光器的偏置电压。
10.如权利要求4所述的基于光学频率梳的增强型时间服务器，其特征在于，输出的所述标准时间同步信号满足1PPS+ToD或PTP的协议要求。
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