本文件描述了表征光钟性能的主要参数及其测量方法。 本文件适用于光钟设计、研发和生产制造过程中的性能评价。

ICS17.040.30
CCSA57
中华人民共和国国家标准國
GB/T43785—2024
光钟性能表征及测量方法
Characterizationandmeasurementoftheperformanceofopticalclocks2024-03-15发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2024-10-01实施
1范围
2规范性引用文件
3术语和定义
性能表征
测量环境
测量设备
测量方法
测试报告
参考文献
GB/T43785—2024
本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则起草。
GB/T43785—2024
第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会(SAC/TC578)提出并归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技术大学、北京无线电计量测试研究所、中国信息通信研究院、深圳中国计量科学研究院技术创新研究院中国空间技术研究院、国仪量子(合肥)技术有限公司、济南量子技术研究院、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所。
本文件主要起草人：林弋戈、管桦、戴汉宁、张升康、张萌、宋振飞、黄垚、姜海峰、贝晓敏、肖毅、万传奇、王明磊、武腾飞。
1范围
光钟性能表征及测量方法
本文件描述了表征光钟性能的主要参数及其测量方法。本文件适用于光钟设计、研发和生产制造过程中的性能评价。规范性引用文件
GB/T437852024
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GB/T23717.2一2009机械振动与冲击装有敏感设备建筑物内的振动与冲击第2部分：分级
GB/T27418—2017测量不确定度评定和表示3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
opticalclock
光频原子钟
opticalatomicclock
opticalfrequencystandard
光学频率标准
利用频率在光学波段的原子(离子)能级跃迁作为稳定的频率参考而建立的原子钟。3.2
测量不确定度
不确定度
measurementuncertainty;uncertaintyofmeasurementuncertainty
利用可获得的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。[来源:GB/T27418—2017,3.1]
频率稳定度
frequency stability
描述取样时间内平均频率随机起伏程度的量。注1：不同取样时间对应不同的稳定度量值，一般在时域用对应取样时间的阿伦标准偏差表征，在频域用偏离载波一定带宽的相位噪声表征，
注2：为了便于比较不同类型频率源的特性，常用相对频率稳定度来表征频率源的频率稳定度。相对频率稳定度定义为频率稳定度除以频率源的中心频率。[来源：JF1180—2007,3.23,有修改]3.4
阿伦标准偏差
o, (t)
Allandeviation
时长为T的相邻两个取样时间内频率平均值之差的均方根的1/2。1
GB/T43785—2024
注：对于M个频率测量数据，阿伦标准偏差按公式(1)计算：5,(r)
式中：
0（T)一阿伦标准偏差；
一取样时间；
y一时间T内平均频率偏差：
一频率取样个数。
[来源:GB/T43736—2024,3.10]
光学频率梳
opticalfrequencycomb
V2(M-1台
一种重复频率和载波包络相移频率精密可控的光学信号产生系统。[来源：GB/T43736—2024.3.3]
自比对self-comparison
获得同一台光钟在多个不同运行状态下频率差的测量活动。..
注：不同运行状态指把光钟的运行时间序列分为多个锁定运行状态，或把位于不同空间位置的量子参考作为多个运行状态，
4概述
光钟主要包括光学本地振荡器、量子参考体系、锁定系统和输出系统等组成部分，如图1所示。锁定系统
信号探测单元
何服反锁单元
光学本地报荐器
输出系统
车域传递单元
空间域传递单元
量子参考体系
图1光钟的组成结构图
光学本地振荡器：为探测量子参考跃迁提供频率稳定的探测激光，并为光钟提供短期的频率稳定度。采用具有低膨胀系数材料制作的超稳腔作为钟激光预锁定的参考腔，结合边带调制稳频技术可使钟激光的秒稳定度达E-16量级；采用基于低温单晶硅参考腔的技术，可使钟激光的秒稳定度达到E-17量级。
量子参考体系：利用原子（离子）等稳定的能级跃迁作为标准频率参考。依据量子参考体系不6)
同，光钟分为两类：基于离子阱囚禁的单离子光钟和基于光晶格囚禁的中性原子光晶格钟。常见的离子参考体系有：27AI、4°Ca*、8Sr*、171Yb*、199Hg*、115In*等；常见的中性原子参考体系有:87Sr、BSr、171Yb、174Yb、19Hg等。其中27Alt、4Ca*、BSrt、171Yb*(E2)、171Yb*(E3)、199Hg*、87Sr.88Sr.171Yb、199Hg10种光频原子跃迁作为秒的次级表示。c)
锁定系统：光钟的信号探测及伺服反馈系统，用于探测量子参考的跃迁几率，计算光学本地振GB/T43785—2024
荡器输出激光频率相对于量子参考频率的频率偏移，通过闭环锁定伺服器修正光学本地振荡器的频率，使其稳定在量子体系参考频率上，实现光钟闭环运行。d）输出系统：用来将光钟得到的高稳定、高准确的频率信号输出给用户的子系统。注：光钟输出频率的长距离传输需要采用复杂的频率传递系统，这些传递系统属于光钟应用的辅助系统，而非光钟自身的子系统。
5性能表征
5.1频率稳定度
光钟性能表征中的频率稳定度采用时域上的阿伦标准偏差来表征。在未说明时，默认为相对频率稳定度。按照测量方法不同，表示为不同频率稳定度参数。a）利用被测光钟自身测量得到的频率稳定度。使用光钟自身输出的数据测量和计算，按照优先级由高到低的顺序可选用如下参数。一分时间交替自比对频率稳定度：简称分时自比对稳定度，表征预先设定的不同运行参数对光钟频率的影响程度，用于光钟系统频移不确定度的评估。可评估的频移包括：原子密度、光晶格激光功率、静电场强度、钟跃迁探测光激光功率等。一分空间自比对频率稳定度：表征运行参数的空间不均匀性对光钟频率的影响程度，用于光钟系统频移不确定度的评估。可评估的频移包括：原子密度、光晶格激光功率、磁场强度、量子参考尺寸内的相对论红移等。一环内频率稳定度：表征伺服器跟踪光钟量子参考频率的能力。注1：环内频率稳定度不反映量子参考的任何特性，不能用于表征独立光钟输出频率的稳定度，仅用于对光钟锁定能力的评估，
利用另一台同种光钟比对测量的频率稳定度。按照优先级由高到低的顺序依次采用如下b)
参数。
一利用完全独立的另一台同种光钟直接拍频的频率稳定度：反映光钟输出频率的实际频率稳定度。对于有两台同种光钟的测量场景，有条件做到使用独立两台光学本地振荡器的，宜采用该性能参数。
一利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟异步比对的频率稳定度：较真实地反映光钟输出频率的实际频率稳定度，该参数有可能部分消除Dick效应引起的共模噪声，对于有两台同种光钟的测量场景，仅在没有条件使用独立两台光学本地振荡器来完成光钟频率稳定度的评估时，采用该性能参数。一利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度：该参数在很大程度上消除了由激光器频率漂移引起的伺服效应及Dick效应等共模噪声，在利用光钟比对实现某些物理量测量及基本物理定律检验等试验中，宜采用该测量方法，在相同的测量时间内减小测量不确定度。适用场景包括光钟中某些系统频移的测量和评估、相对论性大的测量等。
注2：利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟之间同步比对的频率稳定度只提升了光钟比对测量过程中测量得到的频差的频率稳定度，并不代表光钟输出频率的稳定度得到了提升。利用另一台不同种光钟比对测量的频率稳定度。按照优先级由高到低的顺序依次采用如下c
参数。
一利用完全独立的另一台不同种光钟比对的频率稳定度：反映光钟独立输出频率的性能，适用于光钟整体性能的评估、某些系统频移的测量和评估等场景。一利用共用光学本地振荡器的另一台不同种光钟比对的频率稳定度：不反映光钟独立输出3
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频率的性能，只是为了缩短两种光钟比对达到预定测量不确定度的测量时间。该参数能减小本地振荡器带来的伺服噪声和Dick效应噪声，适用于两种光钟频率比对测量频率比值的场合。
5.2频率不确定度
频率不确定度包含系统频移不确定度和绝对频率不确定度两个参数。a）系统频移不确定度：光钟绝对频率不确定度的一个分量，表征光钟独立复现其理想值的能力，是光钟输出频率与未受干扰的光钟原子跃迁频率之间频率偏移量的不确定度，一般用相对不确定度来表示。适用于同其他原子钟进行比对的场景，该参数按照GB/T27418一2017作为该光钟的不确定度B类评定，参与比对结果不确定度的计算。注1：由于各种外界噪声的存在，原子（离子)不可能处于完全未受干扰的条件下，其输出频率相对于未受干扰的理想值之间会出现一个频率偏移，这个偏移量被称为系统频移，对系统频移进行测量时，会引入系统频移不确定度。
绝对频率不确定度：表征光钟复现的光频原子跃迁频率在国际单位制下的量值，与秒定义基准b）
进行比值测量得到，是光钟的输出频率溯源到现有秒定义的过程中所产生的总测量不确定度。适用于以光钟作为频率参考驾驭国际原子时或者本地时标、以异地光钟频率比对得到的频差来计算相对论红移、作为秒的次级表示频率标准向其他时频系统传递量值等场景。注2:光钟的绝对频率是指以赫兹为单位的光钟输出频率，而黏兹是由秒定义确定的，为了获得光钟的绝对频率，需要把光钟的输出频率与秒定义中的原子跃迁频率进行比值测量而得到。注3：秒定义基准钟复现秒定义的不确定度是光钟与秒定义基准比值测量中的一个不确定度分量，在目前以艳原子为基础的秒定义下，光钟绝对频率测量的不确定度不会优于最好的艳原子基准钟的频率不确定度，5.3运行率
在给定的一段时间内，光钟给出正常频率输出量值的时长与该段时间总时长的比值或是在某个考核时间段内，光钟给出正常频率输出量值的概率或时间占比的期望值，可用月运行率、年运行率等来具体表征。光钟的运行率适合作为光钟可靠性的考核指标之一，描述光钟在某一时间段内的服务能力。6测量环境
光钟的测量环境要求如下：
一温度:20℃~26℃；
一相对湿度：30%~80%；
一振动条件：达到或者优于GB/T23717.2一2009中振动准则曲线D(VC-D)的要求。7测量设备
7.1高速光电探测器
高速光电探测器将光信号转换为电信号，参数要求如下：一波长范围：覆盖探测所需波长；一带宽：大于200MHz
一噪声等效功率(NEP）:不大于10pW/HZ7.2频率计数器
频率计数器用于测量微波频率，参数要求如下：4
一频率测量范围：覆盖测量所需的微波频率：一分辨率：不小于11位/s。
7.3光学频率梳
光学频率梳用于光钟的频率转换，参数要求如下：一波长范围：覆盖被测光钟的输出激光波长；一光学频率梳梳齿线宽：小于10Hz。8测量方法
8.1频率稳定度
8.1.1分时间交替自比对频率稳定度GB/T43785—2024
采用时分复用的方法，利用被测光钟的物理系统，从运行时间序列上把光钟分为多个锁定运行状态(如图2所示)进行自比对得到的差分频率稳定度。光钟在运行时间序列上分为两个锁定运行状态，分别为状态a和状态b。在阶段t，的状态a的光学本地振荡器频率为fo(t。），在阶段t，的状态b的光学本地振荡器频率为fo（t，）。注1:分时间交替自比对频率稳定度测量是以光学本地振荡器作为飞轮，仅能反映光学本地振荡器频率满足flo(t。）=fto(t1)条件的时间(上限约为10s~100s)内光钟输出频率的稳定度，不能用来表征这台独立光钟输出频率的长期稳定度，
变量数值
输出频率
图2分时间自比对测量时序图
按以下方法进行测量。
光钟的被调制参数在运行时间序列状态a时取值为r,状态a的锁定伺服器为Sa。在状态aa)
的t1阶段，S。把光学本地振荡器频率flo（t,,）锁定到原子跃迁上，伺服器对光频修正的频率差为Af（t,），获得光钟输出频率flo（t,.）+△f（t,）。b)
光钟的被调制参数在运行时间序列状态b时取值为r,状态b的锁定伺服器为Sb。在状态b的t，阶段,S。把光学本地振荡器频率f。（t，）锁定到原子跃迁上，伺服器对光频修正的频率差为△f(t，），获得光钟输出频率为flo（t）+Af(t）。5
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利用光学本地振荡器频率fto作为飞轮，则flo（t,,）~flo（t，），根据图2所示的测量方法按c
照公式(2)计算单次测量的分时间交替自比对频率差△fsc(t,）。Afsc(ti)=△f(tib)-△f.(tia)
式中：
△fsc(t,)一在阶段t，单次测量的分时间交替自比对频率差；△f(tt,）一伺服器在阶段t，的状态b单次测量的光频修正频率差；△f(t,,）一伺服器在阶段t，的状态a单次测量的光频修正频率差。.（2)
重复a）~c），得到分时间交替自比对频率差序列△fsc（t，~t），按照公式(1)计算阿伦标准偏差α,（t）其中N为自比对测量次数。按照公式(3)计算被测频率稳定度，则分时间交替自比对频率稳定度Tsc（T）等于被测频率稳e
定度OpuT1（T）。
式中：
ODUT1(r)=(2)
OouT（T）一在取样时间T下的被测频率稳定度；o，（T）一阿伦标准偏差；
光钟输出的绝对频率。
注2：在绝对频率未测量时，取国际参考值，8.1.2分空间自比对频率稳定度
..（3)
对于基于光晶格因禁的中性原子光晶格钟，在空间位置上把被测光钟的量子参考分为多个部分作为不同的运行状态进行自比对得到的差分频率稳定度。利用同一光学本地振荡器脉冲激发不同部分的量子参考，排除了光学本地振荡器噪声的影响，测量频率稳定度最佳时可达到量子投影噪声极限。注1：基于离子阱囚禁的单离子光钟此参数不适用，注2：由于排除了光学本地振荡器噪声的影响，分空间自比对频率稳定度不能用来表征这台独立光钟输出频率的稳定度。
按以下方法进行测量。
光钟囚禁多个原子作为量子参考，这些原子位于空间上的两个不同位置，分别标记为位置La)
和位置L,分别对应状态a和状态b。利用阵列探测器通过成像的方法探测量子参考，得到状态a和状态b的量子参考在同一光学b）
本地振荡器脉冲激发下的跃迁概率P。和Pb,按照公式(4)计算不同位置量子参考相对于光学本地振荡器频率fo的频率差△f(t,)和△f(t,）：△f= P ×/C
式中：
△f一不同位置量子参考相对于光学本地振荡器频率ft。的频率差：P一跌迁概率：
一测试得到的量子跃迁线宽；
一量子跃迁谱线的对比度。
按照公式(5)计算单次测量的分空间自比对频率差：c
Afsc(t,)=△f(t)-△f,(ti)
式中：
△fsc（t,）一在阶段t，单次测量的分空间自比对频率差；△f（t,）一单次测量的光学本地振荡器频率fo在状态b的阶段t，的频率差；6
...（4)
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△f(t,）一单次测量的光学本地振荡器频率f.在状态a的阶段t，的频率差重复a）~c），得到分空间自比对频率差序列△fsc（t，~t），其中N为自比对测量次数。d)
由△fsc(t,~t)按照公式(1)计算阿伦标准偏差o,(t)，按照公式(3)计算被测频率稳定度e)
OouT（T），则分空间自比对频率稳定度oRsc（T)等于ouT（T）。8.1.3环内频率稳定度
由光钟闭环锁定伺服器输入的频率误差信号f.计算的频率稳定度或者由锁定伺服器输出的频率修正信号f。ut计算的频率稳定度。按以下方法进行测量。
获得原子钟的跃迁概率P。对于基于离子阱囚禁的单离子光钟，运行多个钟周期，离子处于基a）
态的次数为N1.处于激发态的次数为N2，跃迁概率为P=N2/(N1+N2）;对于基于光晶格囚禁的中性原子光晶格钟，则通过一个钟周期，探测到基态原子数为M1，激发态原子数为M2跃迁概率为P=M2/(M+M，）。
通过偏移光学本地抓荡器颠率分别到原子跃迁两侧，得到两个激发频率下钟跃迁概率分别为b)
P和P2获得跃迁概率差△P=P-P。跃迁概率差乘以钟跃迁原子谱线线宽>，得到光钟闭环锁定伺服器输入的频率误差信号d
fer,通过锁定伺服器后输出频率修正信号fou。利用fen或者f。u按照公式(1)计算阿伦标准偏差o，（t)。d)
按照公式(6)计算环内频率稳定度：e）
n(t)-,(t)
..（6）
式中：
O（T）一在取样时间T下的环内频率稳定度；o，（T）一阿伦标准偏差；
fs光钟输出的绝对频率。
注1：在绝对频率未测量时，取国际参考值。注2：由于频率锁定伺服器内部的积分效应，频率误差信号f或者频率修正信号fou序列中的相邻频率数据不独立，因此环内频率稳定度呈现的斜率大于1/T。8.1.4利用完全独立的另一台同种光钟直接拍频的频率稳定度两台光钟基于同一种量子参考，并且没有共用的部件，通过直接拍频的方法测量两台光钟的频率差，计算得到的频率稳定度。对于完全独立的两台同种光钟，两台光钟由两台光学本地振荡器分别探测。由于输出的光学频率在同一个光学频段，通过直接拍频进行光钟频率稳定度的评估。通过直接对两台光钟闭环锁定后的输出激光进行拍频测量，拍频信号通过高速光电探测器探测，经放大滤波后输入频率计数器，并利用频率计数器来记录两台光钟输出光学本地振荡器的频率差，如图3所示。7
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光钟1
光学本地
报端器1
光学本增
振端器2
光钟2
声光调制器2
声光调制器
声光调制器3
声光调制器4
最子参考
体系1
量子参考
体系2
高速光电
探测器
注：为了减小测量仪器带来的额外测量偏差，频率计数器需要接外部频率参考。图3
利用完全独立的另一台同种光钟测量频率稳定度流程图按以下方法进行测量。
外部频率参考
额率计数器
声光调制器1将光学本地振荡器1的频率调节至原子（离子）的钟跃迁频率附近，用来探测原a)
子(离子)的若干条钟跃迁谱线，得到的误差信号反馈至声光调制器2。声光调制器3将光学本地振荡器2的频率调节至原子(离子）的钟跃迁频率附近，用来探测原b)
子(离子)的若干条钟跃迁谱线，得到的误差信号反馈至声光调制器4。c)
将声光调制器2和声光调制器4输出的两束光拍频，用高速光电探测器探测两束光的拍频信号。
注1：为了准确读出拍频值，驱动声光调制器2的频率需要相对声光调制器1增加一个固定的频率偏移，这样最终的拍频频率在这个固定频率附近，否则两台光钟的拍频频率在0Hz附近无法计数测量。拍频信号输入到频率计数器，设置好计数器的门时间（例如1s)并读出两台光钟输出激光频率d)
的拍频频率差fa
由fa按照公式(1)计算阿伦标准偏差(t)。两台光钟性能相近时，按照公式(3)计算αouT（T），则利用完全独立的另一台同种光钟直接拍频的频率稳定度s(t)等于our（t）;两台光钟一台为被测光钟，另一台为参考光钟，按照公式(7)计算被测光钟的频率稳定度αouT2（t），则利用完全独立的另一台同种光钟直接拍频的频率稳定度is(t)等于ouT2(t)。
Gpur2 (t) _Zo;(g)-olg(r)
式中：
OoUT2（T）一在取样时间T下的被测光钟的频率稳定度；o，（）一阿伦标准偏差；
O（T）一已知参考光钟的频率稳定度；fs
一光钟输出的绝对频率。
注2：在绝对频率未测量时，取国际参考值。8.1.5利用共用光学本地振荡器的另一台同种光钟异步比对的频率稳定度...(7)Www.bzxZ.net
两台光钟基于同一种量子参考，共用同一台光学本地振荡器，采用不同步探测量子跃迁的方法（如图4），通过比较锁定伺服器输出频率测量两台光钟的频率差，计算得到的频率稳定度。8
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