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中国科大实现远距离高损耗自由空间高精度时频传递

发布时间:2020-04-08     来源于:上海研究院

中国科学技(ji)术大(da)学教(jiao)授潘建伟及(ji)其同事张强、彭承志(zhi)、姜(jiang)海峰(feng)等实(shi)现长距离大(da)损(sun)耗(hao)自由空间高(gao)(gao)精度(du)时(shi)间频(pin)率传(chuan)(chuan)递实(shi)验,在大(da)气噪声、链路损(sun)耗(hao)、传(chuan)(chuan)输延(yan)迟效应等多角度(du)仿(fang)真了(le)(le)高(gao)(gao)轨(gui)卫(wei)星星地高(gao)(gao)精度(du)时(shi)频(pin)传(chuan)(chuan)递,验证了(le)(le)基于(yu)中高(gao)(gao)轨(gui)卫(wei)星实(shi)现万秒E-18量级(ji)稳定(ding)度(du)的星地时(shi)频(pin)传(chuan)(chuan)递的可行(xing)性,为未来空间光(guang)频(pin)标科学实(shi)验和洲际(ji)光(guang)钟(zhong)频(pin)率传(chuan)(chuan)递和比(bi)对奠定(ding)了(le)(le)基础。该成果(guo)于(yu)2021年4月(yue)6日在线发表在国际(ji)学术知名期刊《Optica》上[Optica,8(4),471-476 (2021)]。

高(gao)(gao)精(jing)(jing)(jing)度(du)(du)(du)(du)的(de)时(shi)间/频(pin)率(lv)(lv)传(chuan)递和比(bi)对(dui)技术广(guang)泛应(ying)用于(yu)(yu)(yu)所有大尺度(du)(du)(du)(du)精(jing)(jing)(jing)密(mi)测量(liang)(liang)(liang)(liang)系(xi)统,在(zai)(zai)计量(liang)(liang)(liang)(liang)科学、相对(dui)论检验、引力波探测、广(guang)域量(liang)(liang)(liang)(liang)子通信、深空导航定位等方面具有重要(yao)应(ying)用价值。目(mu)前国(guo)际计量(liang)(liang)(liang)(liang)标(biao)准体(ti)(ti)系(xi)正处于(yu)(yu)(yu)量(liang)(liang)(liang)(liang)子化阶段,由于(yu)(yu)(yu)具有最高(gao)(gao)准确度(du)(du)(du)(du),频(pin)率(lv)(lv)标(biao)准在(zai)(zai)精(jing)(jing)(jing)密(mi)测量(liang)(liang)(liang)(liang)和国(guo)际计量(liang)(liang)(liang)(liang)体(ti)(ti)系(xi)中(zhong)居于(yu)(yu)(yu)核心地位,目(mu)前除物(wu)质的(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)(mol)外(wai)其他基(ji)本物(wu)理量(liang)(liang)(liang)(liang)均直接(jie)或间接(jie)地溯源(yuan)到频(pin)率(lv)(lv)标(biao)准。另一(yi)方面,新型光(guang)(guang)频(pin)标(biao)技术的(de)快(kuai)速发展,导致了其精(jing)(jing)(jing)准程度(du)(du)(du)(du)已(yi)经比(bi)原有“秒”定义(yi)频(pin)标(biao)好两个数量(liang)(liang)(liang)(liang)级;国(guo)际计量(liang)(liang)(liang)(liang)组(zu)织计划2026年讨论“秒”定义(yi)变更,技术路线图(tu)的(de)重要(yao)一(yi)环(huan)就是(shi)(shi)洲际E-18量(liang)(liang)(liang)(liang)级光(guang)(guang)频(pin)标(biao)的(de)时(shi)间频(pin)率(lv)(lv)比(bi)对(dui)。超长距离高(gao)(gao)精(jing)(jing)(jing)度(du)(du)(du)(du)时(shi)间频(pin)率(lv)(lv)传(chuan)递和比(bi)对(dui)是(shi)(shi)目(mu)前国(guo)际计量(liang)(liang)(liang)(liang)和精(jing)(jing)(jing)密(mi)测量(liang)(liang)(liang)(liang)急需解决的(de)难题,星地传(chuan)递方式被(bei)认(ren)为是(shi)(shi)解决该问题的(de)最可行方案。

在(zai)(zai)该项工(gong)作中,研究(jiu)(jiu)团(tuan)队选用双光梳(shu)线(xian)(xian)(xian)性(xing)光学采(cai)样的(de)(de)时(shi)(shi)间(jian)测(ce)量技(ji)术路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)线(xian)(xian)(xian),相对(dui)于(yu)多(duo)频(pin)微波、单光子(zi)等测(ce)量方(fang)(fang)法,该路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)线(xian)(xian)(xian)兼具高(gao)测(ce)量分辨率(lv)和(he)(he)断光续传(chuan)(chuan)可靠性(xing)等优点,但实(shi)现方(fang)(fang)式(shi)较为复杂。首先,研究(jiu)(jiu)团(tuan)队全面分析了(le)星地(di)链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)损(sun)耗、多(duo)普(pu)勒(le)效应(ying)(ying)、链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)时(shi)(shi)间(jian)非(fei)对(dui)称、大气(qi)引入噪(zao)(zao)声等因素,得出高(gao)轨卫星链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)具有更长的(de)(de)过(guo)境和(he)(he)共(gong)视时(shi)(shi)间(jian)、更低的(de)(de)多(duo)普(pu)勒(le)效应(ying)(ying),更有利(li)于(yu)实(shi)现高(gao)稳(wen)定(ding)的(de)(de)星地(di)时(shi)(shi)频(pin)比对(dui)和(he)(he)传(chuan)(chuan)递(di)链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)的(de)(de)结(jie)论。基此,研究(jiu)(jiu)团(tuan)队从大气(qi)噪(zao)(zao)声、链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)损(sun)耗和(he)(he)延迟时(shi)(shi)间(jian)方(fang)(fang)面设计(ji)了(le)高(gao)轨星地(di)时(shi)(shi)频(pin)传(chuan)(chuan)递(di)链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)模拟实(shi)验。通过(guo)低噪(zao)(zao)声光梳(shu)放大、低损(sun)耗高(gao)稳(wen)定(ding)双光梳(shu)干涉光路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)和(he)(he)高(gao)精(jing)度(du)(du)高(gao)灵敏度(du)(du)线(xian)(xian)(xian)性(xing)采(cai)样等关键技(ji)术攻关,研究(jiu)(jiu)团(tuan)队在(zai)(zai)上海市区成功(gong)搭(da)建了(le)16公里水平大气(qi)自由空间(jian)高(gao)精(jing)度(du)(du)的(de)(de)双光梳(shu)时(shi)(shi)频(pin)传(chuan)(chuan)递(di)链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu),在(zai)(zai)72dB平均链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)损(sun)耗和(he)(he)模拟长达1s链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)传(chuan)(chuan)输延迟下,成功(gong)实(shi)现了(le)4E-18@3000s稳(wen)定(ding)度(du)(du)的(de)(de)时(shi)(shi)频(pin)传(chuan)(chuan)递(di)。实(shi)验结(jie)果表明,基于(yu)高(gao)轨星地(di)链(lian)(lian)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)实(shi)现万秒E-18量级稳(wen)定(ding)度(du)(du)的(de)(de)时(shi)(shi)频(pin)传(chuan)(chuan)递(di)具有可行性(xing)。

中(zhong)国科学(xue)技(ji)术大学(xue)副研究员(yuan)沈奇和(he)特任副研究员(yuan)管建(jian)宇是本论文的共同第一作(zuo)者(zhe)。该(gai)工作(zuo)得到科技(ji)部、基金委(wei)、中(zhong)科院(yuan)、安徽省和(he)上海(hai)市等部门的资助和(he)支(zhi)持。

“”

                                                             图(tu)1:不(bu)同轨(gui)道星地高精(jing)度时频传递(di)示意图(tu)

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图2:16公里时频传(chuan)递(di)地面实(shi)验(yan)装(zhuang)置图:A.实(shi)验(yan)选(xuan)址和(he)实(shi)物图,B.实(shi)验(yan)原理(li)图,C.线性(xing)光学采(cai)样(yang)光路图。

论文链接:

 

(合肥微尺度物质(zhi)科(ke)(ke)(ke)学国家研(yan)究中心、中科(ke)(ke)(ke)院量子(zi)(zi)信息与(yu)量子(zi)(zi)科(ke)(ke)(ke)技(ji)创新研(yan)究院、科(ke)(ke)(ke)研(yan)部)


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