德國Cycle Lasers同步模塊技術交流

德國Cycle Lasers同步模塊技術交流

一、品牌與產品概述

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以及飛秒光纖激光器的研發與生產。公司的核心技術可追溯至美國麻省理工學院（MIT）的研究工作，后在德國電子同步加速器研究所（DESY）得到進一步發展。

Cycle公司產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。其同步模塊產品主要面向科研和工業應用，可實現飛秒乃至亞飛秒級別的時間同步精度，應用于大型科研設施（如自由電子激光器、粒子加速器）、地面及空間射電望遠鏡、高功率激光系統等場景。

二、產品類型

Cycle Lasers的主要產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

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

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

波導型平衡光學互相關器（WBOC） ——片上時序探測器，適用于高重復頻率片上激光源和微梳

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

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

參考時間發生器（MTGEN） ——基于原子頻標和GNSS接收機的時間基準發生設備

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

相位頻率計模塊（PFM） ——用于原子鐘和定時系統的高分辨率相位比對

三、主要型號及技術參數

以下列舉Cycle Lasers同步與定時相關的主要10個型號及其技術規格。

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配置，實現激光器與微波源的相互同步或兩臺激光器之間的同步。

主要技術參數：

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）、電子控制光學采樣（ECOPS）以及異步電子采樣（ASOPS）。

2. BOC——平衡光學互相關器

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

主要技術參數：

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通過平衡光學探測，將兩路光脈沖之間的相對時延轉換為基帶電壓信號輸出。當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反饋控制。

3. TCBOC——雙色平衡光學互相關器

TCBOC是BOC技術的擴展，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，可用于鎖相環控制。

主要技術參數：

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

標準波長：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效應提取相對時延信息，對幅度波動不敏感，并可抑制環境擾動帶來的測量誤差。

4. WBOC——波導型平衡光學互相關器

WBOC是一種片上集成的時序探測器，采用波導結構實現，對輸入脈沖能量要求較低，尤其適合高重復頻率的片上激光源和微梳。

主要技術參數：

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

光學輸入波長：1555 ± 5 nm

光學輸入類型：保偏光纖（PM fiber）

脈沖峰值功率：> 0.5 kW

脈沖重復率：> 1 MHz

工作原理：WBOC將平衡光學互相關功能集成于波導芯片上，通過波導結構的強光場約束效應，實現了比體光學型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，是實現光-微波鎖定的器件。

主要技術參數：

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

標準光學波長：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中進行比對，產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和微波源的幅度波動對測量結果的影響，并明顯降低光電探測過程中的AM-PM轉換噪聲。

6. MTGEN——參考時間發生器

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

主要技術參數：

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輸出可獨立調節延時

7. PULSE——光學定時分配系統

PULSE將鎖模激光器（光學主振蕩器）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。

主要技術參數：

時序抖動：< 5 fs RMS

光纖鏈路長度：≤ 10 km

每平臺光纖鏈路數：最多8條

脈沖重復率：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主振蕩器，通過光纖將脈沖信號分發至遠端站。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主動補償光纖傳輸過程中的環境擾動導致的延遲變化，從而實現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，其穩定性優于現有氫鐘。

主要技術參數：

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（發送端+接收端）

9. PFM——相位頻率計模塊

PFM采用全數字架構，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的連續輸入頻率范圍內，可實時測量相位、頻率偏移和穩定度。

主要技術參數：

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

控制系統接口：EPICS和Telnet

外形：3U Eurocard

工作原理：全數字架構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（包括非諧波倍頻關系的頻率）進行實時比對，輸出相位和頻率偏差數據。

10. FLS——光纖鏈路穩定器

FLS基于平衡光學互相關技術，用于穩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反饋至光學延遲線，可補償環境溫度、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定光纖傳輸距離的場景。

四、核心優勢特點

1. 多種光學同步方案覆蓋不同應用場景

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）、從體光學器件到波導集成器件（WBOC）的全系列方案，用戶可根據具體的光源波長、脈沖能量和重復頻率選擇適配產品。

2. 高時序靈敏度降低對光源性能的要求

以WBOC為例，其波導集成結構相比于體光學型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，適用于高重復頻率片上光源等低脈沖能量場景。

3. 全數字架構帶來靈活性和可擴展性

PFM采用全數字架構，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任意兩路輸入通道之間的實時比對，支持非諧波倍頻關系的頻率比對。PULSE和TDS系統采用模塊化設計，支持多條光纖鏈路擴展，單平臺可支持最多8條鏈路，通過多平臺級聯可進一步增加鏈路數量。

4. 平衡探測方案抑制幅度噪聲和環境擾動

BOC、TCBOC、WBOC和BOMPD均采用平衡光學探測方案，對輸入信號幅度波動和環境溫度、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境變化引入的測量誤差。

五、主要應用領域

1. 大型科研設施（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定時分配系統可在此類設施中實現整個加速器鏈路的低抖動時間同步。Cycle的同步技術已在多個大型科研項目中得到應用，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的定時分配系統可確保多個射電望遠鏡站點的數據在后期處理時具有一致的時標，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用場景。

3. GNSS地面段與UTC實驗室

PFM模塊用于原子鐘監測和診斷，可實現對多個原子鐘信號的實時相位比對和穩定度評估，用于UTC實驗室的時間比對驗證和原子時標生成。MTGEN參考時間發生器集成了GNSS接收機和原子頻標，可用于UTC時間的實現在軌監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的不斷發展，低抖動時序同步成為片上光頻合成和光互連等應用中的關鍵需求。WBOC對輸入脈沖能量要求較低，適用于高重復頻率片上激光源的時序抖動表征和重復頻率鎖定，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定，時間延遲的漂移會直接影響測量信噪比和數據重現性。TCBOC與ESYNC的組合可實現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性。