德国Cycle Lasers同步模块技术交流

德国Cycle Lasers同步模块技术交流

一、品牌与产品概述

Cycle GmbH成立于2015年，是一家位于德国汉堡的高科技公司，主要从事基于超短脉冲激光器的精密时间同步系统以及飞秒光纤激光器的研发与生产。公司的核心技术可追溯至美国麻省理工学院（MIT）的研究工作，后在德国电子同步加速器研究所（DESY）得到进一步发展。

Cycle公司产品涵盖飞秒光纤激光器与高精度时间同步与定时分配两大板块。其同步模块产品主要面向科研和工业应用，可实现飞秒乃至亚飞秒级别的时间同步精度，应用于大型科研设施（如自由电子激光器、粒子加速器）、地面及空间射电望远镜、高功率激光系统等场景。

二、产品类型

Cycle Lasers的主要产品可分为以下几个大类：

飞秒光纤激光器——包括SOPRANO系列和SONATA系列，中心波长覆盖1030 nm和1560 nm，提供不同脉冲能量和重复频率的型号

电子同步单元（ESYNC） ——通用型相位与频率锁定电子模块，用于激光器与微波源之间的同步

平衡光学互相关器（BOC） ——单色光平衡光学互相关器，用于两台同波长飞秒激光器之间的噪声同步

双色平衡光学互相关器（TCBOC） ——用于不同中心波长的两台飞秒激光器之间的光学同步

波导型平衡光学互相关器（WBOC） ——片上时序探测器，适用于高重复频率片上激光源和微梳

平衡光学微波相位探测器（BOMPD） ——用于激光器与微波信号之间的低噪声光学同步

光学定时分配系统（PULSE） ——基于锁模激光器的光纤定时分配系统，可实现多路远距离同步

参考时间发生器（MTGEN） ——基于原子频标和GNSS接收机的时间基准发生设备

RF over Fiber定时链路（WAVE-100） ——通过光纤精确传输频率和时间信号的模块化系统

相位频率计模块（PFM） ——用于原子钟和定时系统的高分辨率相位比对

三、主要型号及技术参数

以下列举Cycle Lasers同步与定时相关的主要10个型号及其技术规格。

1. ESYNC——电子同步单元

ESYNC是一种多功能相位和频率锁定电子模块，用于将超快激光器和/或微波源以飞秒精度相互同步。其输出为与两路输入之间的时间误差成比例的基带信号，该信号可用于锁相环配置，实现激光器与微波源的相互同步或两台激光器之间的同步。

主要技术参数：

时序抖动：< 500 fs RMS（基波锁定）、< 100 fs RMS（谐波锁定）

基波输入频率：10 MHz–1.3 GHz

谐波输入频率：40 MHz–2.8 GHz（4至10次谐波）

输出PZT电压范围：0–100 V（双路PZT输出，分别用于快慢PZT）

可调延迟范围：> 90%基波周期（基波锁定）/ 全基波周期（谐波锁定）

外形：3U 19英寸机架模块

控制接口：EPICS（TCP/IP）

可选功能包括谐波锁定、激光步进控制、RF再生（输出800 MHz–12 GHz任意频率）、外部参考输入（10 MHz/100 MHz/1 GHz）、电子控制光学采样（ECOPS）以及异步电子采样（ASOPS）。

2. BOC——平衡光学互相关器

BOC用于精确测量两路独立光脉冲序列之间的时序抖动。它采用平衡光学探测方案，因此对幅度波动不敏感，且对环境波动具有较好的鲁棒性。

主要技术参数：

时序抖动：< 15 fs RMS

时序灵敏度：> 1 mV/fs

时序噪声本底：< 0.5 fs RMS

时序分辨率：< 0.05 fs RMS

输入光波长：800 nm、1030 nm、1550 nm

输入脉冲峰值功率：> 2.5 kW

重复频率：1 kHz–10 GHz

探测器带宽：> 100 kHz

外形尺寸：220 × 200 × 60 mm

工作原理：BOC通过平衡光学探测，将两路光脉冲之间的相对时延转换为基带电压信号输出。当两路脉冲在时间上对齐时输出为零，偏离时输出正比于时延，该信号可用于锁相环反馈控制。

3. TCBOC——双色平衡光学互相关器

TCBOC是BOC技术的扩展，用于不同中心波长的两台飞秒激光器之间的同步。其输出基带电压信号正比于两个光源之间的相对时延，可用于锁相环控制。

主要技术参数：

时序抖动：< 15 fs RMS

时序灵敏度：> 1 mV/fs

时序噪声本底：< 0.5 fs RMS

时序分辨率：< 0.05 fs RMS

标准波长：800 nm、1030 nm、1550 nm

输入光功率：< 30 mW

探测器带宽：> 100 kHz

工作原理：TCBOC采用双色平衡光学探测方案，即使两路光脉冲的中心波长不同，仍能通过非线性光学效应提取相对时延信息，对幅度波动不敏感，并可抑制环境扰动带来的测量误差。

4. WBOC——波导型平衡光学互相关器

WBOC是一种片上集成的时序探测器，采用波导结构实现，对输入脉冲能量要求较低，尤其适合高重复频率的片上激光源和微梳。

主要技术参数：

时序抖动：< 15 fs RMS

时序灵敏度：> 20 mV/fs

时序噪声本底：< 0.1 fs RMS

时序分辨率：< 0.001 fs RMS

探测器带宽：> 100 kHz

光学输入波长：1555 ± 5 nm

光学输入类型：保偏光纤（PM fiber）

脉冲峰值功率：> 0.5 kW

脉冲重复率：> 1 MHz

工作原理：WBOC将平衡光学互相关功能集成于波导芯片上，通过波导结构的强光场约束效应，实现了比体光学型BOC高出最多100倍以上的时序灵敏度。其输出为与两光源相对时延成正比的基带电压信号，可与ESYNC配合完成两个片上激光源的同步。

5. BOMPD——平衡光学微波相位探测器

BOMPD用于精确测量光脉冲序列与微波信号相位之间的时序抖动，是实现光-微波锁定的器件。

主要技术参数：

时序抖动：< 20 fs RMS

时序灵敏度：> 0.2 mV/fs

时序噪声本底：< 5 fs RMS

时序分辨率：< 0.1 fs RMS

标准光学波长：800 nm、1030 nm、1550 nm

工作原理：BOMPD将光脉冲序列与微波信号在平衡探测架构中进行比对，产生正比于两者时序误差的基带电压信号。其平衡探测方案可抑制光学和微波源的幅度波动对测量结果的影响，并明显降低光电探测过程中的AM-PM转换噪声。

6. MTGEN——参考时间发生器

MTGEN提供1PPS、IRIG和NTP输出的参考时间发生器。它从原子频标（10 MHz或100 MHz）获取本地时间基准，并内置多星座GNSS接收机用于UTC跟踪和溯源。

主要技术参数：

时序抖动：< 5 ps RMS（相对于时钟输入）

脉冲上升/下降时间：< 1 ns（1PPS信号）

时钟输入：5 MHz、10 MHz、100 MHz

时间输出：1PPS、IRIG、NTP

每个1PPS输出可独立调节延时

7. PULSE——光学定时分配系统

PULSE将锁模激光器（光学主振荡器）的低噪声脉冲序列通过光纤定时链路传输至多个终端站，每个终端站使用BOC或TCBOC检测并主动补偿传输延迟。

主要技术参数：

时序抖动：< 5 fs RMS

光纤链路长度：≤ 10 km

每平台光纤链路数：最多8条

脉冲重复率：100 MHz–1 GHz（1550 nm中心波长）

控制接口：EPICS，可通过GUI自动搜索锁定

工作原理：PULSE将锁模激光器作为光学主振荡器，通过光纤将脉冲信号分发至远端站。在每个远端站，利用BOC（或TCBOC、BOMPD）检测返回信号与本地信号之间的时延差，并通过反馈控制系统主动补偿光纤传输过程中的环境扰动导致的延迟变化，从而实现亚飞秒级别的定时精度。

8. WAVE-100——RF over Fiber定时链路

WAVE-100通过光纤将频率和时间信号精确传输至公里量级的远程位置，其稳定性优于现有氢钟。

主要技术参数：

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

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

频率范围（输入/输出）：100 MHz（可选10 MHz）

接收端输出：2–4路SMA接口

控制接口：TCP/IP

外形：3U + 3U（发送端+接收端）

9. PFM——相位频率计模块

PFM采用全数字架构，无需模拟混频，适用于原子钟信号的高精度表征与比对。它在5 MHz至100 MHz的连续输入频率范围内，可实时测量相位、频率偏移和稳定度。

主要技术参数：

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

输入信号频率：5 MHz–100 MHz（正弦波）

输入通道：4 × SMA，可报告任意两路通道的组合（6个虚拟通道）

测量速率：1秒实时测量

控制系统接口：EPICS和Telnet

外形：3U Eurocard

工作原理：全数字架构直接采样每路输入信号并在FPGA中处理，软件定义的虚拟通道配对可对不同输入频率（包括非谐波倍频关系的频率）进行实时比对，输出相位和频率偏差数据。

10. FLS——光纤链路稳定器

FLS基于平衡光学互相关技术，用于稳定光纤链路中的传输时延。通过检测光脉冲在光纤中的往返时间差并闭环反馈至光学延迟线，可补偿环境温度、机械振动等因素引起的传输延迟波动，适用于需要长时间稳定光纤传输距离的场景。

四、核心优势特点

1. 多种光学同步方案覆盖不同应用场景

Cycle同步模块涵盖了从同波长激光器同步（BOC）到双色激光器同步（TCBOC）、从光-光同步到光-微波同步（BOMPD）、从体光学器件到波导集成器件（WBOC）的全系列方案，用户可根据具体的光源波长、脉冲能量和重复频率选择适配产品。

2. 高时序灵敏度降低对光源性能的要求

以WBOC为例，其波导集成结构相比于体光学型BOC可获得最多100倍以上的时序灵敏度提升。这意味着在较低的脉冲峰值功率下仍能获得清晰的时序误差信号，降低了对输入光源脉冲能量的要求，适用于高重复频率片上光源等低脉冲能量场景。

3. 全数字架构带来灵活性和可扩展性

PFM采用全数字架构，直接对输入信号采样并在FPGA中处理，无需模拟混频即可实现任意两路输入通道之间的实时比对，支持非谐波倍频关系的频率比对。PULSE和TDS系统采用模块化设计，支持多条光纤链路扩展，单平台可支持最多8条链路，通过多平台级联可进一步增加链路数量。

4. 平衡探测方案抑制幅度噪声和环境扰动

BOC、TCBOC、WBOC和BOMPD均采用平衡光学探测方案，对输入信号幅度波动和环境温度、振动等扰动具有较好的抑制效果。这一特性确保时序测量结果主要由两路信号之间的相对时延决定，减少了因光源功率波动或环境变化引入的测量误差。

五、主要应用领域

1. 大型科研设施（自由电子激光器与粒子加速器）

自由电子激光器（FEL）和粒子加速器需要将种子激光器与X射线脉冲进行精确同步，同时在放大器级间校正漂移。PULSE定时分配系统可在此类设施中实现整个加速器链路的低抖动时间同步。Cycle的同步技术已在多个大型科研项目中得到应用，包括为中国的100 PW激光项目提供定时同步方案。

2. 射电天文与VLBI

地面和空间射电望远镜阵列的分布式观测需要高精度的时间同步。Cycle的定时分配系统可确保多个射电望远镜站点的数据在后期处理时具有一致的时标，适用于甚长基线干涉测量（VLBI）等需要相干叠加来自不同地理位置的射电信号的应用场景。

3. GNSS地面段与UTC实验室

PFM模块用于原子钟监测和诊断，可实现对多个原子钟信号的实时相位比对和稳定度评估，用于UTC实验室的时间比对验证和原子时标生成。MTGEN参考时间发生器集成了GNSS接收机和原子频标，可用于UTC时间的实现在轨监测和地面段定时诊断。

4. 微梳噪声研究与片上锁模激光器同步

随着芯片级频率梳（微梳）和片上锁模激光器技术的不断发展，低抖动时序同步成为片上光频合成和光互连等应用中的关键需求。WBOC对输入脉冲能量要求较低，适用于高重复频率片上激光源的时序抖动表征和重复频率锁定，可用于微梳的噪声特性和噪声源分析。

5. 泵浦-探测实验与双色多光子成像

泵浦-探测实验要求泵浦光和探测光脉冲之间的时间延迟保持高度稳定，时间延迟的漂移会直接影响测量信噪比和数据重现性。TCBOC与ESYNC的组合可实现不同波长飞秒激光器之间的飞秒级锁定，提升双色多光子成像和泵浦-探测实验的测量可重复性。