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美国将微波信号的频率稳定度提高了100倍
2020-05-25

 [据美国空间战网站2020522日报道] 一直以来,研究人员都致力于提高微波信号的频率稳定度,以实现电子设备或系统的高精度可靠运行。近日,美国国家标准与技术研究院(NIST的研究人员利用自主研制的最精准镱原子光晶格钟、高性能光电探测器和光学频率梳,获得了频率不稳定度为10-18的微波信号,该微波信号的频率稳定度较现今最精准铯原子喷泉钟的提高了100倍。该项研究成果标志着电子学技术实现了跨越式发展,可使远距离时间传递和导航定位系统更精确,通信系统更可靠,雷达和天文学成像分辨率更高。

这项工作将运行在光学频率的镱原子光晶格钟所具有的超高频率稳定度传递到了微波频率上,所获得微波可用于校准电子设备。现今电子系统无法对光信号直接进行频率计数,光钟的高稳定光学信号无法直接被使用,然而,美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的技术可以将光钟信号的频率稳定度间接传递到微波频率上,从而克服了该问题。该项研究成果于2020522日在国际顶级期刊《科学》杂志上发表。

在系统设置中,研究人员将光学频率梳锁定在NIST自主研制的高精度镱原子光晶格钟的钟激光上,此时钟激光的频率稳定度传递到光学频率梳的每根梳齿上,再利用高性能光电探测器接收被锁定的光学频率梳的输出光,光电转换后得到一系列具有钟激光的频率稳定度的脉冲电信号,通过带通滤波得到了一个频率为10 GHz的微波信号;为了对该微波信号的相位噪声和频率稳定度进行测试分析,研究人员直接将频差为10 GHz的两台高精度镱原子光晶格钟的钟激光进行合束,再利用高性能光电探测器进行探测,将光信号转换为电流,进而也产生一个频率为10 GHz的微波信号。对这两个微波信号进行测试分析后,结果表明,镱原子光晶格钟频率下转换得到的微波信号的频率不稳定度为10-18,且这个微波信号的频率稳定度与两台光钟的处于同等水平,比现今最精准微波振荡源的频率稳定度还高100倍。

首席研究员弗兰克·昆兰(Frank Quinlan)说:“多年来的研究成果使得我们技术进步,包含美国国家标准与技术研究院(NIST的重要贡献,其中,第一项主要技术进步是我们研制出了一种可以将光钟的光学频率稳定度传递到微波频率上的高性能光电探测器;第二项主要技术进步是直接对微波的高精度相位跟踪,该技术还结合了信号放大方面的大量专业知识。”

与微波相比,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。 在将稳定的光波转换为微波的过程中,研究人员对相位(精确的波形定时)进行跟踪来确保光波和微波是同相的,并且彼此间不会相对移动。实验中相位跟踪具有很高的分辨率,即相当于一个周期的百万分之一。

该研究小组的负责人克里斯·奥茨(Chris Oates)说:“在这个领域中,要使微波的频率稳定度提高一倍可能需要耗费数年甚至数十年的时间,好一百倍几乎是不可思议的。”

弗兰克·昆兰(Frank Quinlan)说,美国国家标准与技术研究院(NIST)所研制系统中的某些组件,例如频率梳和探测器,可以在现场应用中方便使用,但运行频率为518THz(每秒万亿次周期)的镱原子光晶格钟,由于体积较大,它的应用场合被限制。因此,NIST的研究人员将致力于实现该光钟的小型化和可移动式。

超稳定的电信号有诸多应用前景,包括将来可以对电子时钟进行校准,例如基于石英晶体振荡器开发的电子设备。国际单位制(SI)中时间的基本单位秒,现依然定义在133Cs原子基态两超精细能级跃迁频率(微波)上并由铯原子喷泉钟实现,在未来,我们的研究成果将对秒的重新定义提供参考,国际科学界有望基于镱等原子的光跃迁频率来制定新的时间标准。超稳定电信号还可以使无线通信系统更加稳定可靠。

本技术的光衍生微波信号还可使成像系统具有更高灵敏度。例如,在利用雷达对缓慢移动的被测目标进行检测时,其灵敏度受限于微波噪声,但使用该光衍生微波信号可使灵敏度大幅提高。而且,由NIST与弗吉尼亚大学合作开发的新型光电探测器,在将光信号转换为微波信号过程中,比以前的设计具有更低的噪声。此外,微波还可以携带光钟的信号,可用于导航定位和基础物理研究。

目前,测量地球重力分布的天文成像和相对论大地测量学是基于利用在世界各地的接收器来检测微波信号,并将这些微波信号组合起来以构建物体形貌。 如果利用本技术的光衍生微波信号对这些接收器进行远程校准,可以将检测网络从地球移动到太空,这不仅可以提高图像分辨率,而且能避免由大气畸变造成的观测不便;研究人员还可以在更短的时间内对更多物体高保真度成像。(国家工业信息安全发展研究中心 郑发松)


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