德國Cycle Lasers同步模塊技術(shù)交流

一、品牌與產(chǎn)品概述

Cycle GmbH成立于2015年，是一家位于德國漢堡的高科技公司，主要從事基于超短脈沖激光器的精密時間同步系統(tǒng)以及飛秒光纖激光器的研發(fā)與生產(chǎn)。公司的核心技術(shù)可追溯至美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究工作，后在德國電子同步加速器研究所（DESY）得到進一步發(fā)展。

Cycle公司產(chǎn)品涵蓋飛秒光纖激光器與高精度時間同步與定時分配兩大板塊。其同步模塊產(chǎn)品主要面向科研和工業(yè)應(yīng)用，可實現(xiàn)飛秒乃至亞飛秒級別的時間同步精度，應(yīng)用于大型科研設(shè)施（如自由電子激光器、粒子加速器）、地面及空間射電望遠鏡、高功率激光系統(tǒng)等場景。

二、產(chǎn)品類型

Cycle Lasers的主要產(chǎn)品可分為以下幾個大類：

飛秒光纖激光器——包括SOPRANO系列和SONATA系列，中心波長覆蓋1030 nm和1560 nm，提供不同脈沖能量和重復(fù)頻率的型號

電子同步單元（ESYNC） ——通用型相位與頻率鎖定電子模塊，用于激光器與微波源之間的同步

平衡光學(xué)互相關(guān)器（BOC） ——單色光平衡光學(xué)互相關(guān)器，用于兩臺同波長飛秒激光器之間的噪聲同步

雙色平衡光學(xué)互相關(guān)器（TCBOC） ——用于不同中心波長的兩臺飛秒激光器之間的光學(xué)同步

波導(dǎo)型平衡光學(xué)互相關(guān)器（WBOC） ——片上時序探測器，適用于高重復(fù)頻率片上激光源和微梳

平衡光學(xué)微波相位探測器（BOMPD） ——用于激光器與微波信號之間的低噪聲光學(xué)同步

光學(xué)定時分配系統(tǒng)（PULSE） ——基于鎖模激光器的光纖定時分配系統(tǒng)，可實現(xiàn)多路遠距離同步

參考時間發(fā)生器（MTGEN） ——基于原子頻標(biāo)和GNSS接收機的時間基準(zhǔn)發(fā)生設(shè)備

RF over Fiber定時鏈路（WAVE-100） ——通過光纖精確傳輸頻率和時間信號的模塊化系統(tǒng)

相位頻率計模塊（PFM） ——用于原子鐘和定時系統(tǒng)的高分辨率相位比對

三、主要型號及技術(shù)參數(shù)

以下列舉Cycle Lasers同步與定時相關(guān)的主要10個型號及其技術(shù)規(guī)格。

1. ESYNC——電子同步單元

ESYNC是一種多功能相位和頻率鎖定電子模塊，用于將超快激光器和/或微波源以飛秒精度相互同步。其輸出為與兩路輸入之間的時間誤差成比例的基帶信號，該信號可用于鎖相環(huán)配置，實現(xiàn)激光器與微波源的相互同步或兩臺激光器之間的同步。

主要技術(shù)參數(shù)：

時序抖動：< 500 fs RMS（基波鎖定）、< 100 fs RMS（諧波鎖定）

基波輸入頻率：10 MHz–1.3 GHz

諧波輸入頻率：40 MHz–2.8 GHz（4至10次諧波）

輸出PZT電壓范圍：0–100 V（雙路PZT輸出，分別用于快慢PZT）

可調(diào)延遲范圍：> 90%基波周期（基波鎖定）/ 全基波周期（諧波鎖定）

外形：3U 19英寸機架模塊

控制接口：EPICS（TCP/IP）

可選功能包括諧波鎖定、激光步進控制、RF再生（輸出800 MHz–12 GHz任意頻率）、外部參考輸入（10 MHz/100 MHz/1 GHz）、電子控制光學(xué)采樣（ECOPS）以及異步電子采樣（ASOPS）。

2. BOC——平衡光學(xué)互相關(guān)器

BOC用于精確測量兩路獨立光脈沖序列之間的時序抖動。它采用平衡光學(xué)探測方案，因此對幅度波動不敏感，且對環(huán)境波動具有較好的魯棒性。

主要技術(shù)參數(shù)：

時序抖動：< 15 fs RMS

時序靈敏度：> 1 mV/fs

時序噪聲本底：< 0.5 fs RMS

時序分辨率：< 0.05 fs RMS

輸入光波長：800 nm、1030 nm、1550 nm

輸入脈沖峰值功率：> 2.5 kW

重復(fù)頻率：1 kHz–10 GHz

探測器帶寬：> 100 kHz

外形尺寸：220 × 200 × 60 mm

工作原理：BOC通過平衡光學(xué)探測，將兩路光脈沖之間的相對時延轉(zhuǎn)換為基帶電壓信號輸出。當(dāng)兩路脈沖在時間上對齊時輸出為零，偏離時輸出正比于時延，該信號可用于鎖相環(huán)反饋控制。

3. TCBOC——雙色平衡光學(xué)互相關(guān)器

TCBOC是BOC技術(shù)的擴展，用于不同中心波長的兩臺飛秒激光器之間的同步。其輸出基帶電壓信號正比于兩個光源之間的相對時延，可用于鎖相環(huán)控制。

主要技術(shù)參數(shù)：

時序抖動：< 15 fs RMS

時序靈敏度：> 1 mV/fs

時序噪聲本底：< 0.5 fs RMS

時序分辨率：< 0.05 fs RMS

標(biāo)準(zhǔn)波長：800 nm、1030 nm、1550 nm

輸入光功率：< 30 mW

探測器帶寬：> 100 kHz

工作原理：TCBOC采用雙色平衡光學(xué)探測方案，即使兩路光脈沖的中心波長不同，仍能通過非線性光學(xué)效應(yīng)提取相對時延信息，對幅度波動不敏感，并可抑制環(huán)境擾動帶來的測量誤差。

4. WBOC——波導(dǎo)型平衡光學(xué)互相關(guān)器

WBOC是一種片上集成的時序探測器，采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，對輸入脈沖能量要求較低，尤其適合高重復(fù)頻率的片上激光源和微梳。

主要技術(shù)參數(shù)：

時序抖動：< 15 fs RMS

時序靈敏度：> 20 mV/fs

時序噪聲本底：< 0.1 fs RMS

時序分辨率：< 0.001 fs RMS

探測器帶寬：> 100 kHz

光學(xué)輸入波長：1555 ± 5 nm

光學(xué)輸入類型：保偏光纖（PM fiber）

脈沖峰值功率：> 0.5 kW

脈沖重復(fù)率：> 1 MHz

工作原理：WBOC將平衡光學(xué)互相關(guān)功能集成于波導(dǎo)芯片上，通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的強光場約束效應(yīng)，實現(xiàn)了比體光學(xué)型BOC高出最多100倍以上的時序靈敏度。其輸出為與兩光源相對時延成正比的基帶電壓信號，可與ESYNC配合完成兩個片上激光源的同步。

5. BOMPD——平衡光學(xué)微波相位探測器

BOMPD用于精確測量光脈沖序列與微波信號相位之間的時序抖動，是實現(xiàn)光-微波鎖定的器件。

主要技術(shù)參數(shù)：

時序抖動：< 20 fs RMS

時序靈敏度：> 0.2 mV/fs

時序噪聲本底：< 5 fs RMS

時序分辨率：< 0.1 fs RMS

標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)波長：800 nm、1030 nm、1550 nm

工作原理：BOMPD將光脈沖序列與微波信號在平衡探測架構(gòu)中進行比對，產(chǎn)生正比于兩者時序誤差的基帶電壓信號。其平衡探測方案可抑制光學(xué)和微波源的幅度波動對測量結(jié)果的影響，并明顯降低光電探測過程中的AM-PM轉(zhuǎn)換噪聲。

6. MTGEN——參考時間發(fā)生器

MTGEN提供1PPS、IRIG和NTP輸出的參考時間發(fā)生器。它從原子頻標(biāo)（10 MHz或100 MHz）獲取本地時間基準(zhǔn)，并內(nèi)置多星座GNSS接收機用于UTC跟蹤和溯源。

主要技術(shù)參數(shù)：

時序抖動：< 5 ps RMS（相對于時鐘輸入）

脈沖上升/下降時間：< 1 ns（1PPS信號）

時鐘輸入：5 MHz、10 MHz、100 MHz

時間輸出：1PPS、IRIG、NTP

每個1PPS輸出可獨立調(diào)節(jié)延時

7. PULSE——光學(xué)定時分配系統(tǒng)

PULSE將鎖模激光器（光學(xué)主振蕩器）的低噪聲脈沖序列通過光纖定時鏈路傳輸至多個終端站，每個終端站使用BOC或TCBOC檢測并主動補償傳輸延遲。

主要技術(shù)參數(shù)：

時序抖動：< 5 fs RMS

光纖鏈路長度：≤ 10 km

每平臺光纖鏈路數(shù)：最多8條

脈沖重復(fù)率：100 MHz–1 GHz（1550 nm中心波長）

控制接口：EPICS，可通過GUI自動搜索鎖定

工作原理：PULSE將鎖模激光器作為光學(xué)主振蕩器，通過光纖將脈沖信號分發(fā)至遠端站。在每個遠端站，利用BOC（或TCBOC、BOMPD）檢測返回信號與本地信號之間的時延差，并通過反饋控制系統(tǒng)主動補償光纖傳輸過程中的環(huán)境擾動導(dǎo)致的延遲變化，從而實現(xiàn)亞飛秒級別的定時精度。

8. WAVE-100——RF over Fiber定時鏈路

WAVE-100通過光纖將頻率和時間信號精確傳輸至公里量級的遠程位置，其穩(wěn)定性優(yōu)于現(xiàn)有氫鐘。

主要技術(shù)參數(shù)：

ADEV：< 8E-14 @ 1s，< 1.5E-14 @ 10s，< 5E-15 @ 100s，< 2E-15 @ 1000s，< 8E-16 @ 10000s

100 MHz處相位噪聲：–105 dBc/Hz @ 1 Hz，–118 dBc/Hz @ 10 Hz，–127 dBc/Hz @ 100 Hz

頻率范圍（輸入/輸出）：100 MHz（可選10 MHz）

接收端輸出：2–4路SMA接口

控制接口：TCP/IP

外形：3U + 3U（發(fā)送端+接收端）

9. PFM——相位頻率計模塊

PFM采用全數(shù)字架構(gòu)，無需模擬混頻，適用于原子鐘信號的高精度表征與比對。它在5 MHz至100 MHz的連續(xù)輸入頻率范圍內(nèi)，可實時測量相位、頻率偏移和穩(wěn)定度。

主要技術(shù)參數(shù)：

ADEV測量本底：< 2E-14 @ 1s，< 5E-15 @ 10s，< 1E-15 @ 100s，< 2E-16 @ 1000s，< 5E-16 @ 10000s

輸入信號頻率：5 MHz–100 MHz（正弦波）

輸入通道：4 × SMA，可報告任意兩路通道的組合（6個虛擬通道）

測量速率：1秒實時測量

控制系統(tǒng)接口：EPICS和Telnet

外形：3U Eurocard

工作原理：全數(shù)字架構(gòu)直接采樣每路輸入信號并在FPGA中處理，軟件定義的虛擬通道配對可對不同輸入頻率（包括非諧波倍頻關(guān)系的頻率）進行實時比對，輸出相位和頻率偏差數(shù)據(jù)。

10. FLS——光纖鏈路穩(wěn)定器

FLS基于平衡光學(xué)互相關(guān)技術(shù)，用于穩(wěn)定光纖鏈路中的傳輸時延。通過檢測光脈沖在光纖中的往返時間差并閉環(huán)反饋至光學(xué)延遲線，可補償環(huán)境溫度、機械振動等因素引起的傳輸延遲波動，適用于需要長時間穩(wěn)定光纖傳輸距離的場景。

四、核心優(yōu)勢特點

1. 多種光學(xué)同步方案覆蓋不同應(yīng)用場景

Cycle同步模塊涵蓋了從同波長激光器同步（BOC）到雙色激光器同步（TCBOC）、從光-光同步到光-微波同步（BOMPD）、從體光學(xué)器件到波導(dǎo)集成器件（WBOC）的全系列方案，用戶可根據(jù)具體的光源波長、脈沖能量和重復(fù)頻率選擇適配產(chǎn)品。

2. 高時序靈敏度降低對光源性能的要求

以WBOC為例，其波導(dǎo)集成結(jié)構(gòu)相比于體光學(xué)型BOC可獲得最多100倍以上的時序靈敏度提升。這意味著在較低的脈沖峰值功率下仍能獲得清晰的時序誤差信號，降低了對輸入光源脈沖能量的要求，適用于高重復(fù)頻率片上光源等低脈沖能量場景。

3. 全數(shù)字架構(gòu)帶來靈活性和可擴展性

PFM采用全數(shù)字架構(gòu)，直接對輸入信號采樣并在FPGA中處理，無需模擬混頻即可實現(xiàn)任意兩路輸入通道之間的實時比對，支持非諧波倍頻關(guān)系的頻率比對。PULSE和TDS系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，支持多條光纖鏈路擴展，單平臺可支持最多8條鏈路，通過多平臺級聯(lián)可進一步增加鏈路數(shù)量。

4. 平衡探測方案抑制幅度噪聲和環(huán)境擾動

BOC、TCBOC、WBOC和BOMPD均采用平衡光學(xué)探測方案，對輸入信號幅度波動和環(huán)境溫度、振動等擾動具有較好的抑制效果。這一特性確保時序測量結(jié)果主要由兩路信號之間的相對時延決定，減少了因光源功率波動或環(huán)境變化引入的測量誤差。

五、主要應(yīng)用領(lǐng)域

1. 大型科研設(shè)施（自由電子激光器與粒子加速器）

自由電子激光器（FEL）和粒子加速器需要將種子激光器與X射線脈沖進行精確同步，同時在放大器級間校正漂移。PULSE定時分配系統(tǒng)可在此類設(shè)施中實現(xiàn)整個加速器鏈路的低抖動時間同步。Cycle的同步技術(shù)已在多個大型科研項目中得到應(yīng)用，包括為中國的100 PW激光項目提供定時同步方案。

2. 射電天文與VLBI

地面和空間射電望遠鏡陣列的分布式觀測需要高精度的時間同步。Cycle的定時分配系統(tǒng)可確保多個射電望遠鏡站點的數(shù)據(jù)在后期處理時具有一致的時標(biāo)，適用于甚長基線干涉測量（VLBI）等需要相干疊加來自不同地理位置的射電信號的應(yīng)用場景。

3. GNSS地面段與UTC實驗室

PFM模塊用于原子鐘監(jiān)測和診斷，可實現(xiàn)對多個原子鐘信號的實時相位比對和穩(wěn)定度評估，用于UTC實驗室的時間比對驗證和原子時標(biāo)生成。MTGEN參考時間發(fā)生器集成了GNSS接收機和原子頻標(biāo)，可用于UTC時間的實現(xiàn)在軌監(jiān)測和地面段定時診斷。

4. 微梳噪聲研究與片上鎖模激光器同步

隨著芯片級頻率梳（微梳）和片上鎖模激光器技術(shù)的不斷發(fā)展，低抖動時序同步成為片上光頻合成和光互連等應(yīng)用中的關(guān)鍵需求。WBOC對輸入脈沖能量要求較低，適用于高重復(fù)頻率片上激光源的時序抖動表征和重復(fù)頻率鎖定，可用于微梳的噪聲特性和噪聲源分析。

5. 泵浦-探測實驗與雙色多光子成像

泵浦-探測實驗要求泵浦光和探測光脈沖之間的時間延遲保持高度穩(wěn)定，時間延遲的漂移會直接影響測量信噪比和數(shù)據(jù)重現(xiàn)性。TCBOC與ESYNC的組合可實現(xiàn)不同波長飛秒激光器之間的飛秒級鎖定，提升雙色多光子成像和泵浦-探測實驗的測量可重復(fù)性。