高精度光學定時探測技術及其應用研究

王童，李明哲，于子航，張祎，任群，辛明

（天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072）

0 引言

抖動（Jitter）是物理學中的重要參數，雖然在各領域的定義有所不同，但都表示與某個參考標準之間的偏差［1］。如果參考標準是時刻，則對應的抖動稱為定時抖動（Timing jitter）。為更好地理解定時抖動的概念，在此先給出定時（Timing）的定義，定時指某事件發生的特定時間點或時間段。電磁波脈沖的定時信息通常借助其時間重心（Center of Gravity，COG）來刻畫，數學表達式為

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

直接檢測法是最初測定鎖模激光器定時抖動的方法［3］，光電探測器將激光器輸出的光脈沖信號直接轉換為射頻電壓信號，再利用射頻信號源分析儀等設備，測量脈沖序列重復頻率的任意一個諧波的相位噪聲，從而得到原始光脈沖的定時抖動功率譜密度。然而，由于激光器內的定時抖動會隨測量環境不斷演變，在低頻范圍的定時抖動功率譜密度無法被精確測量；受到因環境波動、光生載流子、空間電荷運動等效應而產生的幅度-相位（Amplitude-to-Phase，AM-PM）噪聲影響［4-5］，直接檢測法的定時誤差為數十飛秒，遠不能滿足近些年阿秒光子學等領域對定時誤差的需求。因此，基于光電探測器和信號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探測器應運而生，開發高精度光學定時探測器成為了一個重要的研究課題。本文將回顧近年來出現的高精度光學定時探測手段，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中的應用，最后對未來光學定時探測器的發展方向進行展望。

1 定時抖動的測量

1.1 BOC技術

為克服直接檢測法幅度-相位噪聲對定時測量精度的限制，Franz X.K?rtner等人提出了平衡互相關技術（Balanced Optical Cross Correlator，BOC）［6-9］，這是一種基于非線性光學中二次和頻/倍頻效應的定時探測技術，將兩脈沖間的延時轉換為電壓信號，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TD，在通過二類準相位匹配、周期性極化的KTiOPO4（PPKTP）晶體時，受雙折射效應影響，兩個脈沖在晶體中的傳播速度不同，在時域會產生交疊并發生非線性和頻效應，產生新的脈沖，即和頻信號。和頻信號經二向色鏡（Dichroic Mirror，DM）透射，被低噪聲平衡光電探測器的一個光電二極管檢測，該過程稱為前向傳輸?；l脈沖信號經二向色鏡反射回PPKTP晶體中，在此反向傳播的過程中將再次產生一個和頻信號，該信號通過一個二向色分束器（Dichroic Beam Splitter，DBS）與基頻信號分離，被第二個光電二極管檢測到，該過程稱為后向傳輸。當初始的延時TD不同時，輸入端的兩個脈沖信號在PPKTP晶體內交疊的時間不同，因此所產生的和頻信號的功率也有所不同，最終體現為兩個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光電二極管所檢測到的電壓做差分，以消除兩路傳輸的共同背景噪聲，最終得到如圖1（b）所示的平衡定時特性曲線，在交叉零點TD0附近，BOC探測器將提供最大的靈敏度。文獻［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抖動進行了表征，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］范圍內積分的定時抖動為70 as。

圖1 BOC技術的實驗裝置與定時曲線Fig.1 Experimental setup and timing curve of BOC method

BOC前置光學元器件消光比不足會導致一些無效偏振分量的產生，這些無效的偏振信號也會在PPKTP晶體中和頻，對待測的定時信號產生干擾。針對此問題，Xin對BOC技術進行了改進，提出了偏振噪聲抑制的平衡互相關技術（Polarization-Noise-Suppressed Balanced Optical Correlation，PNSBOC）［11］，通過在BOC系統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晶體中產生和頻效應，從而完全消除了偏振噪聲。

基于PPKTP晶體的BOC，入射的兩個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，則可以實現測量不同中心波長脈沖延時的雙色BOC。文獻［12］完成了Ti∶sapphire激光器和鉺晶體鎖模激光器間的定時同步，由于兩臺激光器輸出脈沖的中心波長不同，它們之間的定時探測使用了雙色BOC技術，該過程通過中心波長分別為800 nm和1550 nm的脈沖在BBO晶體內的一類相位匹配和頻效應實現。

基于非線性晶體的BOC，其定時靈敏度嚴重受限于晶體內自由空間聚焦光的低和頻轉換效率。得益于集成光波導技術的快速發展，集成BOC的解決方案得以實現，集成光波導對于光束的束縛性強，可以在較長的傳播距離內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BOC的定時靈敏度高達16.72 mW/fs，相較于相同功率輸入的晶體BOC的定時靈敏度提高了近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 光學外差技術

作為BOC技術的替代方案，美國科羅拉多大學的T.R.Schibli課題組提出了基于光學外差探測的定時抖動表征技術［16］，并對兩臺松散同步的鎖模激光器反饋帶寬以外的相對定時抖動進行了測定。兩臺鎖模激光器輸出重復頻率相差ΔfRep的脈沖信號（ΔfRep是一個很小的量）。兩臺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發生干涉，得到兩個射頻信號（“拍頻1”和“拍頻2”）。將這兩個外差拍頻信號在一個無源、雙平衡式混頻器內做正交混頻，以消除兩臺激光器的相對載波-包絡偏移頻率（Carrier envelope fre‐quency offset，fceo）的影響，最終得到一個高靈敏度的鑒相信號，該鑒相信號只與ΔfRep有關。利用此鑒頻信號，兩個激光器的重復頻率可以松散地鎖定在一起，環路帶寬之外的定時抖動可以采用射頻頻譜分析儀進行測量。

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

與上述光外差技術類似，韓國高等科學研究院（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，對一臺鎖模激光器的定時抖動進行了直接測量［17］。利用長達數公里的延遲線對鎖模激光器輸出脈沖進行延遲，再將經過延遲的脈沖與未經延遲的脈沖進行干涉比較，經過光電探測器后得到兩個外差拍頻信號，將兩個信號混頻，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［18］在此架構的基礎上對鎖模振蕩器、超連續光譜振蕩器等信號源的定時抖動進行了直接表征，最終測得該方案的噪聲基底為2×10-9fs2/Hz。該裝置同時支持鎖相環（PLL）與延遲鎖定（DLL）兩種模式，當激光器自身具備頻率調諧裝置（例如PZT）時，可以采用PLL模式，將重復頻率誤差信號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，將重復頻率誤差信號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間延遲鎖定到自由運行的待測激光器上。兩種模式均可以在鎖定帶寬之外測量待測激光器的定時抖動功率譜密度。文獻［19］將這種基于非對稱延遲線的干涉儀打造成一個復合的測量平臺，可用于測量鎖模激光器的重復頻率噪聲、fceo噪聲與第n個光學頻率梳分量的噪聲譜。

1.3 AOM定時技術

天津大學辛明團隊提出了一種基于線性光學效應的低功耗定時探測方案［20］，該方案突破了低輸入功率對定時探測精度的限制，在毫瓦量級的輸入功率下，探測誤差可控制在阿秒級別，且該方案僅需簡單的實驗裝置即可實現高可靠性的定時探測。

圖2為基于線性光學效應的定時探測裝置原理圖。該定時探測器的核心器件是一個聲光調制器（Acousto-Optic Modulator，AOM），輸入的光脈沖序列進入到AOM中，在射頻（Radio Frequency，RF）信號的驅動下，產生兩路衍射光（0階衍射光與1階衍射光），調節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的調制，1階衍射光發生了移頻。待測定的定時元件置于1階衍射光的路徑上，通過該元件后，微小的定時誤差會附加到1階衍射光上。本實驗中，采用雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode，APD）作為光電探測器。兩路衍射光耦合進入光電探測器中發生拍頻作用，拍頻信號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，包含所需測量的全部定時信息。

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

經過ZSD的檢波作用后輸出的電壓信號V檢波滿足以下關系

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

當輸入光功率為2 mW時，利用信號源分析儀（Signal Source Analyzer，SSA）可以測量該定時探測器的噪聲基底，根據如圖3所示的測量結果，基于AOM的定時探測器的最小定時抖動基底約為1×10-10fs2/Hz，已逼近散粒噪聲極限，比理論計算得出的量子極限僅僅高出約10 dB。1 Hz~1 MHz積分后的定時抖動只有26.57 as，定時測量范圍約為500 fs，相當于85 dB的檢測動態范圍。

圖3 AOM定時探測器的實驗測量結果[20]Fig.3 Experimental measurement results of AOM-based timing detector[20]

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

1.4 基于異步光學采樣的定時抖動表征

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

該方案的基本原理為：待測信號源與本地參考信號源輸出光脈沖的重復頻率分別為fR和fR-ΔfR（ΔfR是一個很小的量），當待測信號源無抖動時，以本地脈沖信號的重復頻率對待測光脈沖信號的不同位置進行采樣，并轉化為電信號，每經歷T=1/ΔfR的采樣時間，本地脈沖可等效地完成對一個完整待測脈沖的全部采樣，此過程需要N=fR/ΔfR個本地信號脈沖。該方案可以在時域將飛秒脈沖信號線性拉伸N倍，同時定時抖動也被放大，轉變為緩變易觀測的電信號。通過改變時間拉伸比N，即可實現亞飛秒至阿秒級別的定時分辨力。利用該方法對中心波長為1550 nm、重復頻率為100 MHz的摻鉺光纖鎖模激光器進行定時抖動表征，ΔfR=2 kHz時，可測得的最小定時抖動為0.35 fs，進一步減小ΔfR至500 Hz，定時抖動分辨力可降低至43.75 as。

圖4給出了晶體BOC、集成BOC，AOM探測器三種定時探測器噪聲基底隨輸入功率的變化曲線，計算使用的各個參數均為實驗中的典型值：輸入脈沖的脈寬為170 fs，集成波導和自由空間晶體的和頻轉換效率分別為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，一些文獻中報道的定時探測器的實驗測量噪聲基底及對應的輸入功率也通過不同的符號點進行了標記。

以上介紹的幾種高精度光學定時探測技術各有優缺點。BOC技術以其超高的定時精度、緊湊的實驗裝置成為當前主流的定時測量技術［23-26］，在高功率場景下工作時，集成BOC和晶體BOC技術能夠達到更低的噪聲基底；且BOC是目前唯一可以實現不同波長脈沖之間定時測量的技術。然而其局限性也相當明顯：由于BOC技術基于非線性光學效應，它需要較高的輸入光功率以補償較低的非線性轉化率。盡管集成BOC技術已經大大降低了定時系統所需的平均功率，但當輸入平均光功率低于1 mW時，該技術依然很難提供足夠的定時分辨力（如圖4所示），在某些對非線性效應限制較高的應用場景中，BOC方案的表現往往不盡如人意。隨著輸入功率的降低，非線性光學效應的衰減速度遠遠快于線性光學效應，所以輸入功率越低，基于線性光學效應的AOM探測、光外差探測和光纖延遲線探測相對于BOC定時探測器的優勢就越明顯，輸入光功率同為1 mW時，AOM的噪聲基底比BOC技術的噪聲基底低約5個數量級?；诠鈱W外差技術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技術的替代方案，但是其實驗裝置非常復雜。

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

盡管各種光學定時探測技術在特定的實驗條件下已經達到了極低的噪聲基底，減少測量過程中引入的技術噪聲仍可以進一步提高這些定時探測器的精度。例如，對于集成BOC技術，通過設計低損耗的耦合結構、優化光波導尺寸、改善波導加工工藝等手段來提高非線性轉化效率將直接提高探測器的靈敏度；對于AOM定時探測器，優化裝置中準直器的耦合效率，采用更穩定的電源和射頻源，使用噪聲等效功率更低、響應度更高的光電探測器等措施均可以提高定時靈敏度，從而獲得更高分辨力的探測器。圖4中各種光學定時探測器的噪聲基底終將受限于散粒噪聲決定的量子極限，因此上述對技術噪聲的優化將是提高精度的唯一途徑。

2 高精度定時探測技術的應用

高精度光學定時探測器是許多前沿應用的關鍵部件。例如，在很多大科學裝置中，需要阿秒級別的定時檢測與控制誤差以維持整體系統的正常運轉，在分布式光纖鏈路定時同步系統［27］、遠程激光/微波同步［28-30］和泵浦-探測實驗［31-32］等研究領域中同樣需要高效且精準的定時探測技術。此外，近年來，高精度定時檢測在天文望遠鏡陣列［33］、應變傳感［34］、移動光學時鐘［35］、飛行時間檢測［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］等諸多領域發揮著至關重要的作用。本節對上文所述的各種高精度光學定時探測器在前沿領域中的典型應用進行介紹。

2.1 X射線自由電子激光裝置的同步

高精度光學定時探測技術最具代表性的應用是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生極高能量的阿秒X射線脈沖，使研究人員能夠應用亞原子量級的分辨力來拍攝未知的物理、化學、生物反應過程。一個完整的XFEL系統中包括光學主激光器、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，如圖5所示。為產生亞飛秒量級的X射線脈沖信號，各個子系統之間（光源與光源、微波源與光源）需要進行超高精度的定時探測，再通過鏈路補償、反饋控制等手段實現整體系統的同步。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，因此實現長距離、高精度定時探測對于XFEL的正常運轉具有重要意義。在過去的十年中，高精度定時同步系統已全面部署在大型XFEL設施中，無論是光-光還是光-微波的同步，高精度的定時探測器在整個同步系統中發揮的作用都舉足輕重。

圖5 X射線自由電子激光器定時分配系統的布局[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-光遠程同步包括兩部分：鏈路穩定［48］和遠程激光鎖定［28］。BOC定時探測技術是實現這兩項工作的基礎。進行鏈路穩定時，需要一臺主激光器，主激光器產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BOC定時探測器，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差，生成用于反饋的定時誤差信號來控制可變延遲元件（如光纖拉伸器）以補償定時抖動，實現鏈路穩定。

遠程激光鎖定時，鏈路輸出的主激光器脈沖序列與遠端激光器輸出的脈沖序列（二者重復頻率差為Δf）同時進入BOC定時探測器中，探測器輸出重復頻率同樣為Δf的定時特性S曲線序列。該曲線序列可作為控制遠端激光器PZT的反饋信號。當BOC輸出電壓落入S曲線中間零點附近的線性范圍內時，反饋信號可以減小兩臺激光器的重復頻率差。隨著反饋持續進行，S曲線會變得越來越平坦，直至變為直流電壓，表示遠端激光器的重復頻率已經鎖定到主激光器的重復頻率上。

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

位于美國加州的二代直線加速器相干光源（LCLS-II）每秒可產生100萬個X射線脈沖，在如此高的重復頻率下進行實驗，需要對泵浦激光器與X射線脈沖之間的相對定時抖動進行超高精度測量，文獻［49］為LCLS-Ⅱ搭建了基于脈沖光學的定時分配系統，利用BOC定時探測器來穩定兩條鏈路并測量它們之間的相對定時抖動和漂移，在長達19 h內的觀測時間內，鏈路之間的定時漂移為1.05 fs（均方根）。

綜上可見，定時探測器的精度對于系統能否高效地完成各個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更高精度、更低功耗、更低噪底的新型定時探測手段的原因所在。

2.2 激光脈沖的相干合成技術

獲得峰值功率更強、脈寬更窄的激光脈沖是高能激光研究的前沿方向。由歐盟發起的Extreme Light Infrastructure（ELI）項目［50-51］，至今已有十多個國家的四十多個機構參與，并計劃利用相干合成技術獲得艾瓦（1018W）量級的激光輸出；俄羅斯籌備的Exawatt Center for Extreme Light Studies（XCELS）項目同樣計劃合成200 PW（PW為功率單位，1 PW=1×1015W）的激光脈沖［52］，其內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，國際上發起的Interna‐tional Coherent Amplification Network（ICAN）項目也提出了合成超短超強激光的實現方法，該項目計劃用半導體激光器作為泵光，利用摻雜光纖作為增益介質，將飛秒激光脈沖分為一千多路放大后再進行相干合成，最終得到十焦耳量級的高能脈沖，這一過程需要分辨力不低于10 as的定時控制［54-56］。為此，需要在每個裝置內部都裝備高精度的定時探測器，以實現同步、控制等功能。

2001年，美國國家標準與技術研究院（Na‐tional Institute of Standards and Technology，NIST）的Robert K.Shelton等人首次成功將兩個獨立的飛秒激光脈沖進行相干合成［57］，該技術要求兩臺鎖模激光器之間進行緊密地鎖相與同步，然而由于缺乏高精度的定時探測技術，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，兩臺激光器之間的精確同步難以實現，定時探測器精度不足成為當時實現相干合成技術的重大障礙。直至出現高精度BOC定時探測技術，其將飛秒脈沖的定時表征誤差控制在阿秒量級，上述技術難題才得以解決，并加速了高功率、窄脈寬激光脈沖相干合成技術的研究進度。

德國CFEL的F.X.Kartner團隊利用兩路超寬光譜的OPCPA技術，得到了超過1.8倍頻程的光譜，獲得了0.8個光學周期的脈沖輸出，單個脈沖能量達到15 μJ［58］。在該過程中，他們將近紅外OPCPA脈沖和短波紅外OPCPA脈沖進行相干合成，利用BOC定時探測器測量兩路脈沖間的相對抖動，再通過在30 Hz的帶寬上對短波紅外OPCPA脈沖的路徑長度進行反饋控制，最終使得兩路脈沖的相對定時漂移減小到250 as，小于短波紅外OPCPA振蕩周期（7.2 fs）的5%。兩路脈沖經過BOC技術的探測和控制，達到了控制在阿秒級誤差的相對定時穩定性，相干合成后最終實現高能量周期量級脈沖輸出。

2.3 超低相位噪聲光學和微波源產生

盡管鎖模激光器在高頻處（例如>10 kHz）具有極低的定時抖動，在低頻段受環境溫度、機械振動等因素的影響，其定時抖動性能并不理想，無法滿足光子模數轉換、光子雷達等系統的要求。借助高精度定時探測器，可將鎖模激光器的重復頻率鎖定到更穩定的參考源上，從而抑制鎖定帶寬內的定時噪聲，實現全頻段的超低定時噪聲信號源。

在文獻［17］中，利用2.2節介紹的光纖延遲線定時探測器，摻鉺光纖鎖模激光器的重復頻率被鎖定到2.5 km長光纖的延遲時間上。由于光纖鏈路被封裝在雙層屏蔽箱內，并進行了被動隔振處理，其低頻段的噪聲得到有效抑制，從而使鎖模激光器在［1Hz，1MHz］內積分的定時抖動從10 ps降至20 fs，實現了全頻段全光纖低定時抖動光源。利用光電探測器直接提取鎖模激光器的重頻信號（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［17］。如果采用光-微波鑒相器，則可以克服光電轉換過程中的幅度-相位噪聲，從而將激光器全頻段內的低定時抖動特性轉移到微波域。例如文獻［59］首先利用光纖延遲線定時探測器實現全頻段低定時抖動光源，然后利用FLOM-PD光-微波鑒相器開發了超低相位噪聲的X波段微波信號合成器，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 總結與展望

對定時的極致追求推動著高精度光學定時探測器的高速發展，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準量子極限，并且已經實現了片上集成，集成定時探測器的魯棒性與長期穩定性將會使定時同步系統發揮更出色的性能。AOM定時探測器能夠在低功耗場景中發揮出色的性能，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、更易集成的定時探測手段。

高精度光學定時探測器的誕生，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，但是定時探測器仍具有廣闊的研究空間。未來新型定時探測器的開發有三個可能的發展方向：①繼續降低其本底噪聲，提高定時分辨力。例如研究BOC探測器在極高輸入功率下的性能，對光脈沖的標準量子極限以及光學介質的量子漲落等效應進行實驗測量；②拓展定時探測器的工作頻率。研究極紫外、中紅外波段甚至X射線、THz的定時探測器的實現方法，從以光學定時探測器作為輔助的間接定時測量逐步向這些波段之間的直接定時測量過渡；③定時探測器大規模片上集成。近幾年隨著微腔光頻梳等片上集成光源的飛速發展，研究與集成光源兼容的高精度集成定時探測器逐漸成為迫切需求。低功耗、微型化、低成本、高精度的定時探測器有可能在定位測距、自動駕駛、精準醫療等領域開辟諸多新的應用，使定時探測器最終將從科研實驗室走向民用。

光學定時探測器作為人類探索未知的關鍵器件，它的每一次性能提升都推動著前沿科技的進步。最高精度的定時技術能夠帶領人類看得更清、走得更遠。