光鐘性能表征及測量方法

ICS17.040.30

A57

中華人民共和國國家標準

GB/TXXXXX—XXXX

光鐘性能表征及測量方法

Methodtocharacterizeandmeasuretheperformanceofopticalclocks

(點擊此處添加與國際標準一致性程度的標識)

（征求意見稿）

（本草案完成時間：2023年3月12日）

在提交反饋意見時，請將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

GB/TXXXXX—XXXX

前言

本文件按照GB/T1.1-2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起

草。

本文件由全國量子計算與測量標準化技術(shù)委員會（SAC/TC587）提出并歸口。

本文件起草單位：中國計量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技

術(shù)大學(xué)、航天二院北京無線電計量測試研究所、中國信息通信研究院、航天五院錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室、

國儀量子（合肥）技術(shù)有限公司、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、濟南量子技術(shù)研究院、北

京長城計量測試技術(shù)研究所。

本文件主要起草人：

II

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光鐘性能表征及測量方法

1范圍

本文件規(guī)定了表征光鐘性能的重要參數(shù)及其測量方法，適用于光鐘技術(shù)研究、產(chǎn)品研制和測試考核

過程中的性能評價。

本文件所提到的光鐘指的是被動型光頻原子鐘，主動型光鐘的性能表征及測試方法可參考本文件。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T27418-2017測量不確定度評定和表示

JJF1180-XXXX時間頻率計量名詞術(shù)語及定義

ISBN：9787030448903計量學(xué)名詞.XXXX，對應(yīng)的國際文件為國際計量局發(fā)布的theInternational

VocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology的最新版本

GB/TXXXX-XXXX精密光頻測量中光學(xué)頻率梳性能參數(shù)測試方法

IEEEStd1139-2009基本頻率和時間計量隨機不穩(wěn)定性物理量定義（IEEEStandardDefinitions

ofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyandTimeMetrology—RandomInstabilities）

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

不確定度uncertainty

利用可獲得的信息，表征賦予被測量量值分散性的非負參數(shù)。

[GB/T27418-2017測量不確定度評定和表示]

3.2

頻率穩(wěn)定度frequencystability

描述取樣時間內(nèi)平均頻率隨機起伏程度的量。不同取樣時間對應(yīng)不同的穩(wěn)定度量值。一般在時域用

對應(yīng)取樣時間的阿倫標準偏差表征，在頻域用偏離載波一定帶寬的相位噪聲表征。

[參考JJF1180-XXXX時間頻率計量名詞術(shù)語及定義，有修改]

注：1、頻率穩(wěn)定度與頻率不穩(wěn)定度（frequencyinstability）表達的是頻率信號的同一個特性。2、為了便于比較不同

類型頻率源的特性，常用相對頻率穩(wěn)定度來表征頻率源的頻率穩(wěn)定度。相對頻率穩(wěn)定度定義為頻率穩(wěn)定度除以頻率源的

中心頻率。

3.3

頻率準確度frequencyaccuracy

頻率的測得值與其真值之間的一致程度。

[theInternationalVocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology，計量學(xué)名詞]

1

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注：1、真值是表示與這個量的定義相一致的值。

2、頻率準確度有時也指頻率的測量值與標稱值之間的一致程度。

3、在一般計量術(shù)語中，準確度不是一個數(shù)量，不能表示為一個數(shù)值，但是在時間頻率計量領(lǐng)域，頻率準確度往往

跟頻率不確定度（frequencyuncertainty）描述的是同一個特性。

3.4

阿倫標準偏差A(yù)llandeviation

又稱雙取樣偏差，是阿倫方差（雙取樣方差）的平方根。時長為的相鄰兩個取樣時間內(nèi)頻率平均

值之差的平方取二分之一為阿倫方差。阿倫標準偏差要求相鄰的頻率測量數(shù)據(jù)之間沒有死時間

（deadtime，指在按時間順序測量頻率數(shù)據(jù)的過程中，存在不對頻率進行測量的無效時間）。

利用個頻率測量數(shù)據(jù)計算公式為：

···················································································(1)

式中：

—阿倫標準偏差；

—取樣時間；

—平均頻率偏差；

—取樣個數(shù)。

利用個相位測量數(shù)據(jù)（以時間為單位）計算公式為：

·································································(2)

式中：

—阿倫標準偏差；

—取樣時間；

—相位差；

—取樣個數(shù)。

[IEEEStd1139-2009IEEEStandardDefinitionsofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyand

TimeMetrology—RandomInstabilities]

3.5

重疊阿倫標準偏差overlappingAllandeviation

阿倫標準偏差的另一種表征方法，利用重疊采樣測量數(shù)據(jù)增強阿倫標準偏差的置信度。

利用個頻率測量數(shù)據(jù)計算公式為：

2

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·············································································(3)

式中：

—重疊阿倫標準偏差；

—取樣個數(shù)；

—取樣時間，；

—平均因子；

—基本取樣間隔；

—平均頻率偏差。

或者利用個相位數(shù)據(jù)計算，計算公式為：

·······················································(4)

式中：

—重疊阿倫標準偏差；

—取樣個數(shù)；

—取樣時間，；

—平均因子；

—基本取樣間隔；

—相位差。

3.6

光學(xué)頻率梳opticalfrequencycomb

通過精密控制飛秒脈沖激光器的重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率的激光系統(tǒng)，其在時域上表現(xiàn)為等間

隔的脈沖序列，在頻域上表現(xiàn)為等間隔的頻率梳齒。

[GB/TXXXX-XXXX精密光頻測量中光學(xué)頻率梳性能參數(shù)測試方法]

3.7

自比對self-comparison

自比對也叫自比較，指利用同一臺光鐘的硬件系統(tǒng)，把光鐘的運行時間序列分為多個鎖定運行狀態(tài)，

或者把位于不同空間位置的量子參考作為多個運行狀態(tài)，由于不同的運行狀態(tài)下光鐘系統(tǒng)運行參數(shù)不

同，從而導(dǎo)致光鐘鎖定頻率有差別，這種測量同一臺光鐘在多個不同運行狀態(tài)下頻率差的方法被稱為自

比對。

4光鐘的分類和組成

4.1光鐘基本原理和組成

3

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光鐘又被稱為光學(xué)頻率標準，是利用頻率在光學(xué)波段的原子（離子）能級躍遷作為穩(wěn)定的頻率參考

而建立的原子鐘。光鐘的工作原理：光學(xué)本地振蕩器發(fā)出具備良好短期頻率穩(wěn)定度的激光，激發(fā)量子參

考體系中的量子躍遷，通過探測系統(tǒng)測量躍遷幾率，計算光學(xué)本地振蕩器輸出激光頻率與量子參考頻率

之間的頻率偏移，鎖定控制光學(xué)本地振蕩器輸出的激光頻率，實現(xiàn)光鐘的輸出頻率與量子參考頻率一致。

光鐘一般按照量子參考體系制備、鐘躍遷探測、躍遷幾率測量、頻率誤差計算、伺服鎖定控制等步驟依

照時序控制循環(huán)運行。光鐘主要包括光學(xué)本地振蕩器、量子參考體系、鎖定系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)等組成部分，

如圖1所示。

圖1光鐘的基本組成

4.2光鐘的分類

目前國際上已成功研制并運行的高準確度被動型光鐘，主要可分為兩類：基于單個離子的離子光鐘

和基于中性冷原子氣體的光晶格原子鐘。前者用離子阱囚禁單個離子作為量子參考，具有系統(tǒng)頻移小、

頻率準確度高的特點；后者則采用激光形成的駐波場（即光晶格）囚禁中性原子建立量子參考，原子數(shù)

量多，具有穩(wěn)定度高的特點。

4.3光鐘的組成

光學(xué)本地振蕩器（OpticalLocalOscillator），為探測量子參考躍遷提供頻率穩(wěn)定的探測激光，

為光鐘提供短期的頻率穩(wěn)定度。傳統(tǒng)上，采用具有低膨脹系數(shù)的ULE超穩(wěn)腔作為鐘激光預(yù)鎖定的參考腔，

結(jié)合PDH穩(wěn)頻技術(shù)可使鐘激光的秒穩(wěn)定度可達E-16量級?；诘蜏貑尉Ч鑵⒖记坏募夹g(shù)，可使鐘激光的

秒穩(wěn)定度得以進入E-17量級。

量子參考體系，利用原子/離子等穩(wěn)定的能級躍遷作為標準頻率參考。常見的單離子參考體系有：

、、、、、等；常見的多個中性原子參考體系有：、、

、、等。

鎖定系統(tǒng)是光鐘的信號探測及伺服反饋系統(tǒng)，用于探測量子參考的躍遷幾率，計算光學(xué)本地振蕩器

輸出激光頻率相對于量子參考頻率的頻率偏移，修正鐘激光的頻率，使其穩(wěn)定在量子體系參考頻率上，

實現(xiàn)光鐘閉環(huán)運行。

輸出系統(tǒng)是用來把光鐘得到的高穩(wěn)定、高準確的頻率信號輸出給用戶的子系統(tǒng)。光鐘輸出頻率的長

距離傳輸需要采用復(fù)雜的頻率傳遞系統(tǒng)，這些傳遞系統(tǒng)應(yīng)作為光鐘應(yīng)用的輔助系統(tǒng)，而不是光鐘自身的

子系統(tǒng)。

4.4光鐘的功能

光鐘的主要功能是輸出高穩(wěn)定、高準確的光學(xué)頻率信號，從而作為高性能的時間頻率基準。為了能

夠滿足最終用戶的各種使用需求，光鐘往往需要配置高性能的輸出系統(tǒng)。輸出系統(tǒng)一般包含兩種能力，

4

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一種是頻率域的頻率變換能力，可實現(xiàn)光鐘輸出的特定參考光學(xué)頻率，向其他光學(xué)頻率或者微波頻率轉(zhuǎn)

換，并且最大限度保證不損失光鐘的穩(wěn)定度和準確度；第二種是空間域的傳遞能力，可實現(xiàn)光鐘輸出的

頻率信號跨越空間距離傳遞到最終用戶，而不損失光鐘的穩(wěn)定度和準確度。用戶的需求往往需要這兩種

輸出能力結(jié)合起來。光鐘輸出頻率的長距離傳輸不作為光鐘自身的功能要求。

4.5光鐘的運行環(huán)境要求

想要實現(xiàn)一臺高穩(wěn)定度、高準確度的光鐘運行，要求對所處的實驗環(huán)境進行精密地控制，包括溫度、

濕度、振動、電磁場等環(huán)境因素。

溫度環(huán)境對光鐘運行的影響，主要表現(xiàn)在超穩(wěn)腔的鎖定和黑體輻射頻移兩個方面。（1）超穩(wěn)腔的

腔長與溫度有關(guān)，超穩(wěn)腔腔體溫度與外界環(huán)境溫度存在耦合。無論是常溫ULE材料還是低溫單晶硅材料

的超穩(wěn)腔，都需要對腔體的溫度進行控制，得到低頻率噪聲的鐘激光。（2）原子所處位置的環(huán)境溫度

不是絕對零度，因此會產(chǎn)生黑體輻射頻移。原子所處環(huán)境的溫度與光鐘系統(tǒng)所處外界環(huán)境溫度有關(guān)，因

此光鐘運行需要一個穩(wěn)定的外界溫度環(huán)境，有利于提高光鐘輸出頻率的穩(wěn)定性和準確性。

濕度對光鐘的影響主要體現(xiàn)在對光鐘復(fù)雜激光光學(xué)系統(tǒng)的影響上。光學(xué)元件不能凝結(jié)水，同時應(yīng)該

避免霉菌生長，因此需要穩(wěn)定干燥的實驗環(huán)境。

振動對光鐘運行的影響，主要表現(xiàn)在超穩(wěn)腔的頻率鎖定上。實驗室的振動環(huán)境，影響著超穩(wěn)腔鎖定

后的頻率噪聲，需要對腔體進行振動噪聲免疫設(shè)計和隔振處理。首先，在腔的設(shè)計上要通過有限元設(shè)計

的方法優(yōu)化腔體和支撐結(jié)構(gòu)，使得腔本身對振動噪聲的敏感度最小；其次，要盡可能地選擇振動噪聲較

小的運行環(huán)境；最后，通過被動隔振及主動隔振的方式，進一步減小外界環(huán)境傳遞到腔體上的振動噪聲，

從而得到低頻率噪聲的鐘激光。

電磁場對光鐘的影響，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)頻率偏移上。磁場的存在，會引入塞曼效應(yīng)的影響，產(chǎn)生塞

曼頻移量；電場的存在，會引入斯塔克效應(yīng)的影響，產(chǎn)生斯塔克頻移。同時，在中性原子的光晶格原子

鐘中，光晶格光場的電場分量也會產(chǎn)生斯塔克效應(yīng)頻移。因此，為了提高光鐘的穩(wěn)定性，需要控制磁場

抖動與漂移、電場的抖動與漂移、光場的抖動與漂移等。

工作環(huán)境溫度范圍為：18℃~28℃

工作環(huán)境濕度范圍為：30%~80%

工作環(huán)境振動環(huán)境：滿足XXXX標準中NIM-5~NIM-3的要求

5光鐘性能表征

5.1頻率穩(wěn)定度

5.1.1概述

光鐘的頻率穩(wěn)定度一般用時域上的重疊阿倫標準偏差來表征。在未說明時，默認為相對頻率穩(wěn)定度。

5.1.2利用一臺光鐘測量得到的頻率穩(wěn)定度

5.1.2.1環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度

5.1.2.1.1概述

由光鐘閉環(huán)鎖定伺服器輸入的頻率誤差信號計算的頻率穩(wěn)定度或者由鎖定伺服器輸出的頻率修正

信號計算的頻率穩(wěn)定度。

5.1.2.1.2測量方法

在光鐘正常閉環(huán)鎖定運行時，記錄鎖定伺服器輸入的頻率誤差信號或鎖定伺服器輸出的頻率修

正信號。

5

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5.1.2.1.3計算方法

把或者序列代入重疊阿倫標準偏差公式計算得到。

5.1.2.1.4適用場合

環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度僅用于對光鐘鎖定能力進行評估，表征了伺服器跟蹤光鐘量子參考頻率的能力，不

反映量子參考的任何特性，不能用于表征獨立光鐘輸出頻率的穩(wěn)定度。由于頻率鎖定伺服器內(nèi)部的積分

效應(yīng)，或者序列中的相鄰頻率數(shù)據(jù)不獨立，因此該穩(wěn)定度呈現(xiàn)的斜率大于。

5.1.2.2分時間交替自比對頻率穩(wěn)定度

5.1.2.2.1概述

簡稱分時自比對穩(wěn)定度，采用時分復(fù)用的方法，利用同一臺光鐘的物理系統(tǒng)，從運行時間序列上把

光鐘分為多個鎖定運行狀態(tài)來進行自比對得到的差分頻率穩(wěn)定度。

5.1.2.2.2測量方法

光鐘在運行時間序列上分為兩個鎖定運行狀態(tài)，分別為狀態(tài)a和狀態(tài)b；被調(diào)制參數(shù)在狀態(tài)a時取值

為，在狀態(tài)b時取值為；狀態(tài)a的鎖定伺服器為，狀態(tài)b的鎖定伺服器為。在狀態(tài)a的階段，

把鐘激光頻率鎖定到原子躍遷上，伺服執(zhí)行器的輸出量為，因此光鐘輸出頻率為

；在狀態(tài)b的階段，把鐘激光頻率鎖定到原子躍遷上，伺服量為，

因此光鐘輸出頻率為。利用鐘激光頻率作為飛輪，認為，則單

次測量的分時間交替自比對頻率差為

···············································································································(5)

測量方法如圖2所示：

圖2分時間自比對示意圖

重復(fù)此運行序列，得到分時間交替自比對頻率差序列，其中為自比對測量次數(shù)。

5.1.2.2.3計算方法

·····································································································································(6)

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其中，為將代入重疊阿倫標準偏差公式計算得到計算結(jié)果，為分時間交

替自比對頻率穩(wěn)定度。

相對穩(wěn)定度表示為

································································································································(7)

為光鐘輸出的絕對頻率。在絕對頻率未測量時，取國際參考值。

5.1.2.2.4適用場合

分時間交替自比對能夠測量不同運行參數(shù)對原子鐘頻率的影響，用于光鐘系統(tǒng)頻移不確定度的評

估?？梢栽u估的參數(shù)包括：原子密度、光晶格激光功率、靜電場強度、鐘躍遷探測光激光功率等。

分時間交替自比對頻率穩(wěn)定度測量是以鐘激光作為飛輪，僅能反映鐘激光頻率滿足

條件的時間（上限約為10~100s）內(nèi)光鐘輸出頻率的穩(wěn)定度，不能用來表征這臺獨

立光鐘輸出頻率的長期穩(wěn)定度。

5.1.2.3分空間自比對穩(wěn)定度

5.1.2.3.1概述

量子參考系統(tǒng)由多原子（離子）組成的光鐘，在空間位置上把同一臺光鐘的量子參考分為多個部分

作為不同的運行狀態(tài)來進行自比對得到的差分頻率穩(wěn)定度。

5.1.2.3.2測量方法

光鐘囚禁多個原子（離子）作為量子參考，這些原子（離子）位于空間上的不同位置。利用陣列探

測器通過成像的方法探測量子參考，得到位置a和位置b的量子參考在同一鐘激光脈沖激發(fā)下的躍遷幾率

和，代入公式

············································································································································(8)

其中為躍遷幾率，為實驗中得到的量子躍遷線寬，為量子躍遷譜線的對比度。

計算出不同位置量子參考相對于鐘激光頻率的頻率差和，則單次測量的分空間自

比對頻率差為

··················································································································(9)

重復(fù)此運行序列，得到分空間交替自比對頻率差序列，其中為自比對測量次數(shù)。

5.1.2.3.3計算方法

同5.1.2.2.3

5.1.2.3.4適用場合

分空間自比對能夠測量不同運行參數(shù)對原子鐘頻率的影響，用于光鐘系統(tǒng)頻移不確定度的評估?？?/p>

以評估的參數(shù)包括：原子密度、光晶格激光功率、磁場強度、量子參考尺寸內(nèi)的相對論紅移等。

分空間自比對頻率穩(wěn)定度利用同一鐘激光脈沖激發(fā)不同部分的量子參考，排除了鐘激光噪聲的影

響，測量穩(wěn)定度最佳時可以達到量子投影噪聲極限。同樣是由于排除了鐘激光噪聲的影響，分空間自比

對頻率穩(wěn)定度不能用來表征這臺獨立光鐘輸出頻率的穩(wěn)定度。

5.1.3利用兩臺光鐘比對測量的頻率穩(wěn)定度

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5.1.3.1完全獨立的兩臺同種光鐘直接拍頻的頻率穩(wěn)定度

5.1.3.1.1概述

兩臺光鐘基于同一種量子參考，并且沒有共用的部件，通過直接拍頻的方法測量兩臺光鐘的頻率差，

計算得到的頻率穩(wěn)定度。

5.1.3.1.2測量方法

對于完全獨立的兩臺同種光鐘，由于輸出的光學(xué)頻率在同一個光學(xué)頻段，通過直接拍頻進行光鐘頻

率穩(wěn)定度的評估。

通過直接對兩臺光鐘閉環(huán)鎖定后的輸出激光進行拍頻測量，拍頻信號通過高速光電探測器探測，經(jīng)

放大濾波后輸入頻率計數(shù)器，并利用頻率計數(shù)器來記錄兩臺光鐘輸出鐘激光的頻率差。具體測量方法如

圖3所示：

圖3完全獨立的兩臺同種光鐘測量方法

兩臺光鐘由兩臺鐘躍遷探測激光分別探測。如上圖所示，鐘躍遷探測激光1分為兩路，分別進入兩

個聲光調(diào)制器1和2實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)。聲光調(diào)制器1將鐘躍遷探測激光1的頻率調(diào)節(jié)至原子/離子的鐘躍遷

頻率附近，用來探測原子/離子的若干條鐘躍遷譜線，得到的誤差信號反饋至聲光調(diào)制器2，使得經(jīng)過聲

光調(diào)制器2之后的光的頻率接近或等于原子/離子鐘躍遷頻率。同理，用鐘躍遷探測激光2去探測光鐘2，

經(jīng)過聲光調(diào)制器4之后的光的頻率接近或等于原子/離子鐘躍遷頻率。而后，將這兩束光拍頻，并用高速

光電探測器測量兩束光的頻率差。為了準確讀出拍頻值，光鐘1反饋回路的頻率值需要與一個固定頻率

（例如1MHz）的信號發(fā)生器混頻，混頻后的信號驅(qū)動聲光調(diào)制器2，這樣最終的拍頻信號頻率在信號發(fā)

生器輸出頻率附近，否則兩臺光鐘的拍頻值在0Hz附近無法計數(shù)測量。拍頻信號經(jīng)過放大器和濾波器之

后，信號輸入到頻率計數(shù)器，設(shè)置好計數(shù)器的門時間（例如1秒）并讀出頻率值。為了減小測量儀器

帶來的額外測量偏差，信號發(fā)生器與頻率計數(shù)器需要接外部頻率參考。

5.1.3.1.3計算方法

在得到兩臺光鐘輸出激光頻率的拍頻頻率差后，代入重疊阿倫標準偏差公式計算。

當兩臺光鐘為性能相近的光鐘時，單臺光鐘的穩(wěn)定度表示為公式（10）

···································································································································(10)

式中：

—通過頻差fd計算得到的重疊阿倫標準偏差；

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—被測光鐘的穩(wěn)定度。

當兩臺光鐘其中一臺為被測光鐘，而另一臺光鐘為參考光鐘，則被測光鐘的穩(wěn)定度為公式（11）：

··········································································································(11)

式中：

—通過頻差fd計算得到的重疊阿倫標準偏差；

—已知參考光鐘穩(wěn)定度。

—被測光鐘的穩(wěn)定度。

相對穩(wěn)定度表示為

·······························································································································(12)

為光鐘輸出的絕對頻率。在絕對頻率未測量時，取國際參考值。

5.1.3.1.4推薦適用場合

對于兩臺同種光鐘，有條件做到使用獨立兩臺鐘躍遷探測激光器的，推薦采用獨立兩臺鐘激光進行

頻率穩(wěn)定度的評估。相較于兩臺光鐘共用鐘躍遷探測激光器的情況，采用獨立兩臺鐘激光進行頻率穩(wěn)定

度的評估結(jié)果排除了激光器頻率漂移引起的伺服誤差以及Dick效應(yīng)等共模噪聲抑制因素，能更真實地反

映光鐘輸出頻率的實際頻率穩(wěn)定度及準確度。

5.1.3.2共用光學(xué)本地振蕩器的兩臺同種光鐘之間的異步比對頻率穩(wěn)定度

5.1.3.2.1概述

兩臺光鐘基于同一種量子參考，共用同一臺光學(xué)本地振蕩器作為鐘躍遷探測激光器，采用不同步探

測量子躍遷的方法，通過比較鎖定伺服器輸出頻率的方法測量兩臺光鐘的頻率差，計算得到的頻率穩(wěn)定

度。

5.1.3.2.2測量方法

對于不完全獨立，共用鐘躍遷探測激光器的兩臺光鐘，將共用的鐘躍遷探測激光器分為兩束，通過

兩個獨立的鎖定伺服器將兩束激光器的頻率分別鎖定到兩臺光鐘的原子/離子鐘躍遷上。通過控制兩個

鎖定伺服器的時序，使兩束激光探測兩臺光鐘的原子/離子鐘躍遷的時間不同步。通過直接比較鎖定伺

服器輸出頻率的差值，得到兩臺光鐘的頻率比對數(shù)據(jù)。兩套光鐘的探測光時序如下圖4所示，高電平

代表探測光同原子/離子的作用時間，其中(a)和(b)兩種情況都表示不同步。

9

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圖4異步比對探測光時序

5.1.3.2.3計算方法

同5.1.3.1.3

5.1.3.2.4推薦適用場合

對于兩臺同種光鐘，沒有條件做到使用獨立兩臺鐘躍遷探測激光器的，只能共用鐘躍遷探測激光器

來完成光鐘頻率穩(wěn)定度的評估，推薦采用不同步測量的方式。相較于大幅消除了Dick效應(yīng)引起的共模噪

聲的同步測量方案，不同步測量能更真實地反映光鐘的頻率穩(wěn)定度。

5.1.3.3共用光學(xué)本地振蕩器的兩臺同種光鐘之間的同步比對頻率穩(wěn)定度

5.1.3.3.1概述

兩臺光鐘基于同一種量子參考，共用同一臺光學(xué)本地振蕩器作為鐘躍遷探測激光器，采用同步探測

量子躍遷的方法，通過比較鎖定伺服器輸出頻率的方法測量兩臺光鐘的頻率差，計算得到的頻率穩(wěn)定度。

5.1.3.3.2測量方法

對于不完全獨立，共用鐘躍遷探測激光器的兩臺光鐘，將共用鐘躍遷探測激光器分為兩束，通過兩

個獨立的伺服鏈路將兩束激光器的頻率分別鎖定到兩臺光鐘的原子/離子鐘躍遷上。通過控制兩個伺服

的時序，使兩束激光探測兩臺光鐘的原子/離子鐘躍遷的時間完全同步。通過直接比較兩個鎖定伺服器

輸出的頻率差，得到兩臺光鐘的頻率比對數(shù)據(jù)。兩套光鐘的探測光時序如圖5所示，高電平代表探測

光同原子/離子的作用時間。

圖5同步比對探測光時序

5.1.3.3.3計算方法

在得到兩臺光鐘輸出激光頻率的拍頻頻率差后，代入重疊阿倫標準偏差公式計算。

5.1.3.3.4推薦適用場合

相較于完全獨立的兩臺同種光鐘的頻率比對以及不完全獨立、共用鐘躍遷探測激光器并采用不同步

測量，共用鐘躍遷探測激光器并采用同步測量的方案很大程度上消除了由激光器頻率漂移引起的伺服效

應(yīng)及Dick效應(yīng)等共模噪聲，結(jié)果一般優(yōu)于光鐘真實的頻率穩(wěn)定度。但這并不代表光鐘輸出頻率的穩(wěn)定度

得到了提升，只提升了光鐘比對的穩(wěn)定度。在利用光鐘比對實現(xiàn)某些物理量測量及基本物理定律檢驗等

實驗中，推薦采用該比對方法，能在相同的測量時間內(nèi)減少測量和檢驗不確定度，適用場合包括光鐘中

某些系統(tǒng)頻移的測量和評估、廣義相對論的檢驗、測量基本物理常數(shù)是否隨時間變化等。

5.1.3.4完全獨立的兩臺不同種光鐘比對的頻率穩(wěn)定度

5.1.3.4.1概述

兩臺光鐘基于不同種類的量子參考，而且各自的本地振蕩器沒有共用頻率參考，利用光學(xué)頻率梳進

行光學(xué)頻率傳遞，得到兩臺光鐘的虛擬拍頻，利用虛擬拍頻計算得到的頻率穩(wěn)定度。

5.1.3.4.2測量方法

10

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完全獨立的兩臺不同種光鐘，其輸出頻率不同，分別為和，頻差遠高于光電探測器的頻

率響應(yīng)范圍，無法通過直接拍頻的方式進行頻率差測量。利用光學(xué)頻率梳作為光學(xué)頻率傳遞的手段，把

其中一臺光鐘的輸出頻率轉(zhuǎn)換到第二臺光鐘的光學(xué)頻率附近為，此時頻差落到光電探測器

的頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，得到兩臺光鐘的虛擬拍頻。測量方法如圖6所示。

圖6完全獨立的兩臺不同種光鐘比對示意圖

5.1.3.4.3計算方法

同5.1.3.1.3

5.1.3.4.4適用場合

完全獨立的兩臺不同種光鐘比對的頻率穩(wěn)定度，能夠真實反映光鐘獨立輸出頻率的性能，適用于光

鐘整體性能的評估、某些系統(tǒng)頻移的測量和評估、基本物理常數(shù)隨時間的變化測量等場合。

5.1.3.5共用光學(xué)本地振蕩器的兩臺不同種光鐘比對的頻率穩(wěn)定度

5.1.3.5.1概述

兩臺光鐘基于不同種類的量子參考，共用同一臺光學(xué)本地振蕩器，利用飛秒光梳進行光學(xué)頻率傳遞

與比對。飛秒光梳進行光頻傳遞的方式上，分為三種情況：1、光學(xué)本地振蕩器的頻率對應(yīng)于其中一臺

光鐘的原子躍遷頻率，利用光梳把光學(xué)本地振蕩器的頻率傳遞給另一臺光鐘的鐘躍遷探測激光；2、光

學(xué)本地振蕩器的頻率不對應(yīng)任何一臺光鐘的原子躍遷頻率，利用光梳把光學(xué)本地振蕩器的頻率傳遞給兩

臺光鐘的鐘躍遷探測激光；3、光學(xué)本地振蕩器的頻率對應(yīng)于第一臺光鐘的原子躍遷頻率，第一臺光鐘

鎖定后，利用飛秒光梳把第一臺光鐘的鎖定輸出頻率轉(zhuǎn)換給第二臺光鐘的鐘躍遷探測激光。在比對方法

上，仍然存在同步比對和異步比對的形式。在此標準中，不再對這些測試條件具體分開討論，請參照前

述其他相近情況采用相應(yīng)的測試方法和計算方法。共用光學(xué)本地振蕩器的兩臺不同種光鐘比對，主要目

的是為了測量兩種光鐘的頻率比值，通過共用本地振蕩器，能夠減小本地振蕩器帶來的伺服噪聲和Dick

效應(yīng)噪聲，或者通過同步比對的方法消除本地振蕩器的影響，目的都是為了縮短兩種光鐘比值的測量時

間。

5.2頻率準確度

5.2.1概述

在光鐘性能表征中，頻率準確度包含系統(tǒng)頻移不確定度和絕對頻率不確定度兩個方面。

5.2.2分類

5.2.2.1系統(tǒng)頻移不確定度

5.2.2.1.1概述

光鐘輸出頻率與未受干擾的光鐘原子躍遷頻率之間頻率偏移量的不確定度，一般用相對不確定度來

表示。

11

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由于各種外界噪聲的存在，原子不可能處于完全未受干擾的條件下，因此其輸出頻率相對于未受干

擾的理想值之間會出現(xiàn)一個頻率偏移，這個偏移量被稱為系統(tǒng)頻移。對系統(tǒng)頻移進行測量時，會引入測

量不確定度，這個測量不確定度被稱為系統(tǒng)頻移不確定度。

5.2.2.1.1測量方法

造成光鐘系統(tǒng)頻移的因素有很多，如外界熱環(huán)境造成的黑體輻射頻移、外界磁場造成的塞曼頻移等。

各種系統(tǒng)頻移的測量方法，一般是先要根據(jù)物理模型確定該項頻移與系統(tǒng)參數(shù)之間的敏感度，然后監(jiān)測

該項系統(tǒng)參數(shù)，利用模型計算得到系統(tǒng)頻移量及其不確定度。光鐘總的系統(tǒng)頻移不確定度由各項不確定

度分量采用不確定度合成的方式得到的合成標準不確定度來表示。在測量光鐘的某些系統(tǒng)頻移時，往往

會用到前面提到的分時自比對或者分空間自比對的方法。

5.2.2.1.3計算方法

系統(tǒng)頻移的計算中，不同的系統(tǒng)頻移及其不確定度的計算方式會有所區(qū)別。一般地，取該項頻移測

量的平均值作為測量值的期望，平均值的不確定度作為該頻移得不確定度。得到各項頻移的不確定度后，

對各項不確定度進行合成。當各項不確定度不相關(guān)時，系統(tǒng)不確定度可以表示為

························································································································(13)

其中，分別為光鐘各分項系統(tǒng)頻移的不確定度。

5.2.2.1.4適用場合

光鐘的系統(tǒng)頻移不確定度表征的是光鐘獨立復(fù)現(xiàn)其理想值的能力，是在不與其他原子鐘比對測量的

情況下衡量光鐘自身準確度的重要參數(shù)。在需要與其他原子鐘進行比對時，光鐘的系統(tǒng)頻移不確定度作

為該光鐘的不確定度B類評定參與總不確定度的合成。

5.2.2.2絕對頻率的不確定度

5.2.2.2.1概述

光鐘的輸出頻率溯源到現(xiàn)有秒定義的過程中所產(chǎn)生的總測量不確定度。

光鐘的絕對頻率，以指以赫茲為單位表示的光鐘的輸出頻率，而赫茲是由秒定義確定的，因此為了

獲得光鐘的絕對頻率，需要把光鐘的輸出頻率與秒定義中的原子躍遷頻率進行比值測量而得到。而且，

秒定義基準鐘復(fù)現(xiàn)秒定義的不確定度是這個比值測量中的一個不確定度分量，因此在目前以銫原子為基

礎(chǔ)的秒定義下，光鐘絕對頻率測量的不確定度不會超過最好的銫原子基準鐘的頻率不確定度。

5.2.2.2.1測量方法

目前的秒定義是基于銫原子躍遷的，因此為了測量光鐘的絕對頻率，需要測量光鐘輸出頻率與銫原

子躍遷的頻率比值。得到光鐘的絕對頻率有三種方法。第一種方法，是把光鐘的輸出頻率通過光學(xué)頻率

梳直接與銫原子基準鐘進行比對而得到光鐘的絕對頻率及其不確定度，銫原子基準鐘可以是本地的，也

可以是通過時間頻率傳遞鏈路連接的遠程銫原子基準鐘。第二種方法，是把光鐘的輸出頻率與基于秒的

次級表示原子躍遷而建立的頻率標準進行頻率比值測量，利用國際時間頻率咨詢委員會推薦的秒的次級

表示頻率值和不確定度，間接計算得到光鐘輸出頻率與銫原子躍遷頻率的頻率比值及其不確定度。第三

種方法，如果被測光鐘的參考原子躍遷是目前的十條秒的次級表示光頻原子躍遷之一，則可以直接利用

國際時間頻率咨詢委員會推薦的秒的次級表示原子躍遷推薦值及其不確定度，與該被測光鐘的系統(tǒng)頻移

不確定度合成，從而得到被測光鐘的絕對頻率及其不確定度（僅包含不確定度的B類評定）。

5.2.2.2.3計算方法

光鐘的絕對頻率測量中包含多個量值傳遞、比值測量以及頻移修正環(huán)節(jié)，需要分別將各個環(huán)節(jié)引入

的不確定度按照不確定度合成公式進行合成，從而得到光鐘絕對頻率的不確定度。光鐘系統(tǒng)頻移不確定

度是光鐘絕對頻率不確定度的一個分量。在光鐘絕對頻率測量過程中，如果采用通過衛(wèi)星鏈路遠程溯源

12

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到國際時間頻率公報中的基準和秒的次級表示頻率標準鐘組時，一定要考慮光鐘不連續(xù)運行帶來的非有

效運行時間造成的頻率測量不確定度。

5.2.2.2.4適用場合

光鐘絕對頻率的不確定度表征的是光鐘復(fù)現(xiàn)的光頻原子躍遷頻率在現(xiàn)有國際單位制下的量值，是需

要與秒定義基準進行比值測量才能得到的一個準確度參數(shù)。在以光鐘作為頻率參考駕馭國際原子時或者

本地時標、以異地光鐘頻率比對得到的頻差來計算相對論紅移、作為秒的次級表示頻率標準向其他時頻

系統(tǒng)傳遞量值等場合，需要用到光鐘的絕對頻率及其不確定度。

5.3運行率

5.3.1概述

運行率是指在給定的一段時間內(nèi)，光鐘能夠給出正常頻率輸出量值的時長與該段時間總時長的比

值。或是在某個考察時間段內(nèi)，光鐘能夠給出正常頻率輸出量值的概率或時間占有率的期望值?？梢杂?/p>

月運行率、年運行率等來具體表征。

5.3.2測量方法

約定光鐘運行率測量的起止時間，總時長為T。在這段時間內(nèi)，光鐘按約定的條件運行（比如可以

約定是否允許人工干預(yù)光鐘的鎖定）；在測量時間結(jié)束后，測量光鐘能夠給出正常頻率輸出量值的時間

t。注意，光鐘能夠給出正常頻率輸出量值的時間，是指光鐘的各項系統(tǒng)頻移修正所需的參數(shù)均準確完

整的采集到，并且能夠給出光鐘系統(tǒng)頻移修正及其不確定度的時間段。

5.3.3計算方法

得到光鐘能夠給出正常頻率輸出量值的時間t和光鐘運行率測量的總時長T后，光鐘的運行率為

5.3.4適用場合

光鐘的運行率適合作為光鐘可靠性的考核指標之一，考察光鐘在某一時間段內(nèi)的服務(wù)能力，對于光

鐘駕馭時標等應(yīng)用有著非常重要的影響。

13

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目次

前言...............................................................................II

1范圍................................................................................1

2規(guī)范性引用文件......................................................................1

3術(shù)語和定義..........................................................................1

4光鐘的分類和組成....................................................................3

4.1光鐘基本原理和組成...........................................................................................................................3

4.2光鐘的分類...........................................................................................................................................4

4.3光鐘的組成...........................................................................................................................................4

4.4光鐘的功能...........................................................................................................................................4

4.5光鐘的運行環(huán)境要求...........................................................................................................................5

5光鐘性能表征........................................................................5

5.1頻率穩(wěn)定度...........................................................................................................................................5

5.1.1概述............................................................................................................................................5

5.1.2利用一臺光鐘測量得到的頻率穩(wěn)定度....................................................................................5

5.1.2.1環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度.............................................................................................................5

5.1.2.2分時間交替自比對頻率穩(wěn)定度.....................................................................................6

5.1.2.3分空間自比對穩(wěn)定度.....................................................................................................7

5.1.3利用兩臺光鐘比對測量的頻率穩(wěn)定度....................................................................................7

5.1.3.1完全獨立的兩臺同種光鐘直接拍頻的頻率穩(wěn)定度.....................................................8

5.1.3.2共用光學(xué)本地振蕩器的兩臺同種光鐘之間的異步比對頻率穩(wěn)定度.........................9

5.1.3.3共用光學(xué)本地振蕩器的兩臺同種光鐘之間的同步比對頻率穩(wěn)定度.......................10

5.1.3.4完全獨立的兩臺不同種光鐘比對的頻率穩(wěn)定度.......................................................10

5.1.3.5共用光學(xué)本地振蕩器的兩臺不同種光鐘比對的頻率穩(wěn)定度...................................11

5.2頻率準確度.........................................................................................................................................11

5.2.1概述..........................................................................................................................................11

5.2.2分類..........................................................................................................................................11

5.2.2.1系統(tǒng)頻移不確定度.......................................................................................................11

5.2.2.2絕對頻率的不確定度...................................................................................................12

5.3運行率.................................................................................................................................................13

5.3.1概述..........................................................................................................................................13

5.3.2測量方法..................................................................................................................................13

5.3.3計算方法..................................................................................................................................13

5.3.4適用場合..................................................................................................................................13

I

GB/TXXXXX—XXXX

光鐘性能表征及測量方法

1范圍

本文件規(guī)定了表征光鐘性能的重要參數(shù)及其測量方法，適用于光鐘技術(shù)研究、產(chǎn)品研制和測試考核

過程中的性能評價。

本文件所提到的光鐘指的是被動型光頻原子鐘，主動型光鐘的性能表征及測試方法可參考本文件。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T27418-2017測量不確定度評定和表示

JJF1180-XXXX時間頻率計量名詞術(shù)語及定義

ISBN：9787030448903計量學(xué)名詞.XXXX，對應(yīng)的國際文件為國際計量局發(fā)布的theInternational

VocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology的最新版本

GB/TXXXX-XXXX精密光頻測量中光學(xué)頻率梳性能參數(shù)測試方法

IEEEStd1139-2009基本頻率和時間計量隨機不穩(wěn)定性物理量定義（IEEEStandardDefinitions

ofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyandTimeMetrology—RandomInstabilities）

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

不確定度uncertainty

利用可獲得的信息，表征賦予被測量量值分散性的非負參數(shù)。

[GB/T27418-2017測量不確定度評定和表示]

3.2

頻率穩(wěn)定度frequencystability

描述取樣時間內(nèi)平均頻率隨機起伏程度的量。不同取樣時間對應(yīng)不同的穩(wěn)定度量值。一般在時域用

對應(yīng)取樣時間的阿倫標準偏差表征，在頻域用偏離載波一定帶寬的相位噪聲表征。

[參考JJF1180-XXXX時間頻率計量名詞術(shù)語及定義，有修改]

注：1、頻率穩(wěn)定度與頻率不穩(wěn)定度（frequencyinstability）表達的是頻率信號的同一個特性。2、為了便于比較不同

類型頻率源的特性，常用相對頻率穩(wěn)定度來表征頻率源的頻率穩(wěn)定度。相對頻率穩(wěn)定度定義為頻率穩(wěn)定度除以頻率源的

中心頻率。

3.3

頻率準確度frequencyaccuracy

頻率的測得值與其真值之間的一致程度。

[theInternationalVocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology，計量學(xué)名詞]

1

GB/TXXXXX—XXXX

注：1、真值是表示與這個量的定義相一致的值。

2、頻率準確度有時也指頻率的測量值與標稱值之間的一致程度。

3、在一般計量術(shù)語中，準確度不是一個數(shù)量，不能表示為一個數(shù)值，但是在時間頻率計量領(lǐng)域，頻率準確度往往

跟頻率不確定度（frequencyuncertainty）描述的是同一個特性。

3.4

阿倫標準偏差A(yù)llandeviation

又稱雙取樣偏差，是阿倫方差（雙取樣方差）的平方根。時長為的相鄰兩個取樣時間內(nèi)頻率平均

值之差的平方取二分之一為阿倫方差。阿倫標準偏差要求相鄰的頻率測量數(shù)據(jù)之間沒有死時間

（deadtime，指在按時間順序測量頻率數(shù)據(jù)的過程中，存在不對頻率進行測量的無效時間）。

利用個頻率測量數(shù)據(jù)計算公式為：

···················································································(1)

式中：

—阿倫標準偏差；

—取樣時間；

—平均頻率偏差；

—取樣個數(shù)。

利用個相位測量數(shù)據(jù)（以時間為單位）計算公式為：

·································································(2)

式中：

—阿倫標準偏差；

—取樣時間；

—相位差；

—取樣個數(shù)。

[IEEEStd1139-2009IEEEStandardDefinitionsofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyand

TimeMetrology—RandomInstabilities]

3.5

重疊阿倫標準偏差overlappingAllandeviation

阿倫標準偏差的另一種表征方法，利用重疊采樣測量數(shù)據(jù)增強阿倫標準偏差的置信度。

利用個頻率測量數(shù)據(jù)計算公式為：

2

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