[據(jù)美國空間戰(zhàn)網(wǎng)站2020年5月22日報道] 一直以來，研究人員都致力于提高微波信號的頻率穩(wěn)定度，以實現(xiàn)電子設(shè)備或系統(tǒng)的高精度可靠運行。近日，美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員利用自主研制的最精準鐿原子光晶格鐘、高性能光電探測器和光學頻率梳，獲得了頻率不穩(wěn)定度為10-18的微波信號，該微波信號的頻率穩(wěn)定度較現(xiàn)今最精準銫原子噴泉鐘的提高了100倍。該項研究成果標志著電子學技術(shù)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，可使遠距離時間傳遞和導航定位系統(tǒng)更精確，通信系統(tǒng)更可靠，雷達和天文學成像分辨率更高。

這項工作將運行在光學頻率的鐿原子光晶格鐘所具有的超高頻率穩(wěn)定度傳遞到了微波頻率上，所獲得微波可用于校準電子設(shè)備?，F(xiàn)今電子系統(tǒng)無法對光信號直接進行頻率計數(shù)，光鐘的高穩(wěn)定光學信號無法直接被使用，然而，美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）開發(fā)的技術(shù)可以將光鐘信號的頻率穩(wěn)定度間接傳遞到微波頻率上，從而克服了該問題。該項研究成果于2020年5月22日在國際頂級期刊《科學》雜志上發(fā)表。

在系統(tǒng)設(shè)置中，研究人員將光學頻率梳鎖定在NIST自主研制的高精度鐿原子光晶格鐘的鐘激光上，此時鐘激光的頻率穩(wěn)定度傳遞到光學頻率梳的每根梳齒上，再利用高性能光電探測器接收被鎖定的光學頻率梳的輸出光，光電轉(zhuǎn)換后得到一系列具有鐘激光的頻率穩(wěn)定度的脈沖電信號，通過帶通濾波得到了一個頻率為10 GHz的微波信號；為了對該微波信號的相位噪聲和頻率穩(wěn)定度進行測試分析，研究人員直接將頻差為10 GHz的兩臺高精度鐿原子光晶格鐘的鐘激光進行合束，再利用高性能光電探測器進行探測，將光信號轉(zhuǎn)換為電流，進而也產(chǎn)生一個頻率為10 GHz的微波信號。對這兩個微波信號進行測試分析后，結(jié)果表明，鐿原子光晶格鐘頻率下轉(zhuǎn)換得到的微波信號的頻率不穩(wěn)定度為10-18，且這個微波信號的頻率穩(wěn)定度與兩臺光鐘的處于同等水平，比現(xiàn)今最精準微波振蕩源的頻率穩(wěn)定度還高100倍。

首席研究員弗蘭克·昆蘭（Frank Quinlan）說：“多年來的研究成果使得我們技術(shù)進步，包含美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）的重要貢獻，其中，第一項主要技術(shù)進步是我們研制出了一種可以將光鐘的光學頻率穩(wěn)定度傳遞到微波頻率上的高性能光電探測器；第二項主要技術(shù)進步是直接對微波的高精度相位跟蹤，該技術(shù)還結(jié)合了信號放大方面的大量專業(yè)知識?！?/p>

與微波相比，光波具有更短、更快的周期，因此微波和光波具有不同的波形。 在將穩(wěn)定的光波轉(zhuǎn)換為微波的過程中，研究人員對相位（精確的波形定時）進行跟蹤來確保光波和微波是同相的，并且彼此間不會相對移動。實驗中相位跟蹤具有很高的分辨率，即相當于一個周期的百萬分之一。

該研究小組的負責人克里斯·奧茨（Chris Oates）說：“在這個領(lǐng)域中，要使微波的頻率穩(wěn)定度提高一倍可能需要耗費數(shù)年甚至數(shù)十年的時間，好一百倍幾乎是不可思議的?！?/p>

弗蘭克·昆蘭（Frank Quinlan）說，美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）所研制系統(tǒng)中的某些組件，例如頻率梳和探測器，可以在現(xiàn)場應用中方便使用，但運行頻率為518THz（每秒萬億次周期）的鐿原子光晶格鐘，由于體積較大，它的應用場合被限制。因此，NIST的研究人員將致力于實現(xiàn)該光鐘的小型化和可移動式。

超穩(wěn)定的電信號有諸多應用前景，包括將來可以對電子時鐘進行校準，例如基于石英晶體振蕩器開發(fā)的電子設(shè)備。國際單位制（SI）中時間的基本單位秒，現(xiàn)依然定義在133Cs原子基態(tài)兩超精細能級躍遷頻率（微波）上并由銫原子噴泉鐘實現(xiàn)，在未來，我們的研究成果將對秒的重新定義提供參考，國際科學界有望基于鐿等原子的光躍遷頻率來制定新的時間標準。超穩(wěn)定電信號還可以使無線通信系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

本技術(shù)的光衍生微波信號還可使成像系統(tǒng)具有更高靈敏度。例如，在利用雷達對緩慢移動的被測目標進行檢測時，其靈敏度受限于微波噪聲，但使用該光衍生微波信號可使靈敏度大幅提高。而且，由NIST與弗吉尼亞大學合作開發(fā)的新型光電探測器，在將光信號轉(zhuǎn)換為微波信號過程中，比以前的設(shè)計具有更低的噪聲。此外，微波還可以攜帶光鐘的信號，可用于導航定位和基礎(chǔ)物理研究。

目前，測量地球重力分布的天文成像和相對論大地測量學是基于利用在世界各地的接收器來檢測微波信號，并將這些微波信號組合起來以構(gòu)建物體形貌。 如果利用本技術(shù)的光衍生微波信號對這些接收器進行遠程校準，可以將檢測網(wǎng)絡從地球移動到太空，這不僅可以提高圖像分辨率，而且能避免由大氣畸變造成的觀測不便；研究人員還可以在更短的時間內(nèi)對更多物體高保真度成像。