[據(jù)美國空間戰(zhàn)網(wǎng)站2020年5月22日報(bào)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(shí)現(xiàn)電子設(shè)備或系統(tǒng)的高精度可靠運(yùn)行。近日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員利用自主研制的最精準(zhǔn)鐿原子光晶格鐘、高性能光電探測器和光學(xué)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(zhǔn)銫原子噴泉鐘的提高了100倍。該項(xiàng)研究成果標(biāo)志著電子學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，可使遠(yuǎn)距離時(shí)間傳遞和導(dǎo)航定位系統(tǒng)更精確，通信系統(tǒng)更可靠，雷達(dá)和天文學(xué)成像分辨率更高。

這項(xiàng)工作將運(yùn)行在光學(xué)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(zhǔn)電子設(shè)備。現(xiàn)今電子系統(tǒng)無法對光信號直接進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，光鐘的高穩(wěn)定光學(xué)信號無法直接被使用，然而，美國國家標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)研究成果于2020年5月22日在國際頂級期刊《科學(xué)》雜志上發(fā)表。

在系統(tǒng)設(shè)置中，研究人員將光學(xué)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(shí)鐘激光的頻率穩(wěn)定度傳遞到光學(xué)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(xué)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(gè)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(jìn)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(jìn)行合束，再利用高性能光電探測器進(jìn)行探測，將光信號轉(zhuǎn)換為電流，進(jìn)而也產(chǎn)生一個(gè)頻率為10 GHz的微波信號。對這兩個(gè)微波信號進(jìn)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(gè)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(zhǔn)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(jìn)步，包含美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的重要貢獻(xiàn)，其中，第一項(xiàng)主要技術(shù)進(jìn)步是我們研制出了一種可以將光鐘的光學(xué)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(xiàng)主要技術(shù)進(jìn)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。”

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(shí)）進(jìn)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(shí)驗(yàn)中相位跟蹤具有很高的分辨率，即相當(dāng)于一個(gè)周期的百萬分之一。

該研究小組的負(fù)責(zé)人克里斯·奧茨（Chris Oates）說：“在這個(gè)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(fèi)數(shù)年甚至數(shù)十年的時(shí)間，好一百倍幾乎是不可思議的。”

弗蘭克·昆蘭（Frank Quinlan）說，美國國家標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用中方便使用，但運(yùn)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(yīng)用場合被限制。因此，NIST的研究人員將致力于實(shí)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(yīng)用前景，包括將來可以對電子時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，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(shí)間的基本單位秒，現(xiàn)依然定義在133Cs原子基態(tài)兩超精細(xì)能級躍遷頻率（微波）上并由銫原子噴泉鐘實(shí)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(xué)界有望基于鐿等原子的光躍遷頻率來制定新的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。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(dá)對緩慢移動的被測目標(biāo)進(jìn)行檢測時(shí)，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(xué)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(jì)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(dǎo)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(xué)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(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，可以將檢測網(wǎng)絡(luò)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(shí)間內(nèi)對更多物體高保真度成像。