撥動光生微波源的琴弦

引言

　　在今天的內(nèi)容開始前，我想問大家一個問題，你們知道手機、藍牙以及wifi這些日常高頻率使用的設備，它們有什么共同點嗎？對了，它們都可以通過非接觸的方式來傳輸數(shù)據(jù)。這種非接觸的方式是如何實現(xiàn)的呢？其實它們都是采用了一種電磁波，而這種電磁波統(tǒng)稱為微波。比如目前的藍牙、wifi以及家用的微波爐都是使用的2.4 GHz頻率的微波、5G網(wǎng)絡使用450MHz~6GHz頻段的微波。可以說微波和我們的生活息息相關。今天我就來為大家拔草“超穩(wěn)光生微波源”！ 

　　什么是超穩(wěn)微波？ 

　　超穩(wěn)微波是指頻率穩(wěn)定度超級穩(wěn)定、相位噪聲極低、頻率范圍處在300 MHz~300 GHz范圍內(nèi)的電磁波。它比普通微波穩(wěn)定的多的多，簡直就是普通微波的超級Plus版。能夠產(chǎn)生這種超穩(wěn)微波信號的裝置就叫做超穩(wěn)微波源。簡單來說，根據(jù)電磁波的頻率可以對其進行劃分，如圖 1。

圖 1 電磁波分段圖（圖片來源：網(wǎng)絡）

　　從時間尺度上看，超穩(wěn)微波信號是指周期連續(xù)、頻率單一的正弦波；而從頻率尺度上看，超穩(wěn)微波信號是頻譜寬度很窄的信號。如圖2。時間上信號的波形越逼近正弦波，頻率成分就越單一、穩(wěn)定度就越穩(wěn)定，頻域上信號的譜線寬度越窄，相位噪聲就越低。 

圖 2 超穩(wěn)微波信號示意圖（圖片來源：筆者自制）

　　說了這么多，可能大家還是無法感受超穩(wěn)微波信號到底有多穩(wěn)定，下面筆者就用一個場景來輔助大家理解。 

　　生活中最常見的最好的石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度約為E-13/s，如果手表中使用這樣的晶體振蕩器，可以做到32萬年誤差1秒，而超穩(wěn)微波信號的穩(wěn)定度至少要高出石英晶振100倍。 

　　超穩(wěn)微波從哪兒來？ 

　　了解了超穩(wěn)微波后，那么它又是從哪兒冒出來的呢？當然是從一個特別厲害的裝置中產(chǎn)生的，這個裝置就是前面提到過的超穩(wěn)微波源。 

　　超穩(wěn)微波源主要面向高精尖技術應用領域。應用在***的高精度雷達系統(tǒng)中，可以提升雷達的探測精度。應用于銫原子噴泉鐘里面，可以提升銫噴鐘的穩(wěn)定度，做到100萬年才誤差1秒。除過這些場景，超穩(wěn)的微波源還可以應用于深空導航、量子信息系統(tǒng)以及天文探測等領域。 

　　產(chǎn)生超穩(wěn)微波信號的超穩(wěn)微波源有三種。***種是超穩(wěn)晶體振蕩器，第二種是超低溫藍寶石振蕩器，還有一種是傳遞超穩(wěn)光穩(wěn)定度的光生微波源。光生微波這種方法可以產(chǎn)生穩(wěn)定度達到E-17/s量級的微波信號，是目前性能最好的超穩(wěn)微波獲得方法，也是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N。 

圖 4 光生微波源

　　超穩(wěn)光生微波源 

　　超穩(wěn)光生微波源，一個創(chuàng)造性的集兩項諾貝爾獎發(fā)明成果于一體的神奇微波發(fā)生裝置，下面筆者就來為大家揭開它的神秘面紗。 

　　超穩(wěn)光生微波源主要由超穩(wěn)激光器、飛秒光學頻率梳和微波頻率綜合器這三部分組成，如圖 5所示。超穩(wěn)激光器提供超級穩(wěn)定的單頻激光信號，它是超穩(wěn)微波的參考源，它的頻率穩(wěn)定度制約著所產(chǎn)生的微波的頻率穩(wěn)定度。飛秒光學頻率梳用來搭建一條連接超穩(wěn)激光信號和超穩(wěn)微波信號的橋梁，讓超穩(wěn)激光直接將頻率穩(wěn)定度傳承給超穩(wěn)微波，得到光生微波信號。微波頻率綜合器，可以將飛秒光梳傳遞的微波信號變換至任意希望的頻率值上。 

圖 5 超穩(wěn)光生微波源結構圖（圖片來源：筆者自制）

　　我們舉個例子來理解超穩(wěn)光生微波源的原理。 

　　如果把超穩(wěn)光生微波源比作排隊走的隊列，那么超穩(wěn)激光就像隊列里面的帶隊人，隊伍的步伐大小、整齊度、每位隊員的相對位置都由這個領隊決定。飛秒光梳就像隊列里面的隊員，在沒有和超穩(wěn)激光建立聯(lián)系之前，光梳是自由運轉的，就如圖 6中所示的一樣混亂。而當通過一系列復雜的操作和領隊建立聯(lián)系后，就能使得每位隊員的步伐大小、步速、以及和其他隊員的相對位置都和領隊高度同步，如同圖 7所示，這樣就產(chǎn)生的超穩(wěn)光生微波信號。

圖 6 未鎖定時的隊伍很混亂（圖片來源：筆者自制）

 圖 7 鎖定后隊伍整齊一致（圖片來源：筆者自制）

　　如果隊伍在操場中央走路，我們需要隊伍在主席臺前走過，此時，就需要頻率綜合器了，它可以神奇的將隊伍在不掉隊、也不改變行進步調(diào)的情況下從A點移到需要的B點，如圖 8所示，比如我們只能產(chǎn)生10 GHz的微波信號，我們需要9.192 GHz的微波信號，就要使用到頻率綜合器了。 

圖 8 頻率綜合器的平移能力（圖片來源：筆者自制）

　　有了這三部分的協(xié)同合作，“光麻麻”就能順利產(chǎn)子了，得到超穩(wěn)微波baby了。注意了，這其中使用了2個超級厲害的技術，***個就是超穩(wěn)激光技術，另一個就是飛秒光梳技術。 

　　沒錯，知識點來了，超穩(wěn)激光就是在激光技術的基礎上得來的[1]，而1964年的諾貝爾物理學獎便頒發(fā)給了發(fā)明激光器的Charles H. Townes教授。目前性能最好的超穩(wěn)激光的秒級頻率穩(wěn)定度4E-17/s[2]，這個水平約為79億年誤差1秒。 

　　雖然激光的頻率很穩(wěn)定，但是激光的頻率卻很高，和微波頻率相比，一般要差5、6個數(shù)量級。因此無法直接對激光進行分頻而抑制了光生微波技術的發(fā)展。而在2000年， Theodor W. H？nsch教授和John L. Hall教授發(fā)明了光學頻率梳[3][4]，就像一個齒輪組（如圖 9），既可以嚙合激光頻率，又可以連接微波頻率，可以直接對超穩(wěn)激光進行分頻至微波頻率，這項技術的發(fā)明使得光生微波成為可能。這兩位科學家也因為發(fā)明光梳而分享了2005年諾貝爾物理學獎。 

　　2005年后，光生微波技術蓬勃發(fā)展，目前最好的利用光生微波的方法產(chǎn)生的超穩(wěn)微波信號的頻率穩(wěn)定度可以達到5E-17[5]，也就是約63億年才差1秒。 

圖 9 光梳齒輪功能示意圖（圖片來源：網(wǎng)絡+筆者加工

　　光生微波源的應用？  

　　2017年，國家授時中心的科研人員研制出了可以產(chǎn)生9.192 GHz信號的光生微波源[6][7]，用于銫原子噴泉鐘（NTSC-F1）中，將銫原子噴泉鐘的短期頻率穩(wěn)定度提升了6倍，進入了E-14量級。光生微波的技術極大促進了銫噴鐘的研究進展。 

　　當然，光生微波源不止可以應用于銫原子噴泉鐘，還可以應用于冷原子光鐘系統(tǒng)中，而光鐘有望在不久的將來，代替銫頻標成為新的原子頻標。在高精度雷達探測中，也需要超穩(wěn)的微波信號進行探測。 

參考文獻 

　　[1]. Z. Tai, et al., Chin. Phys. Lett. 34, 090602, 2017. 

　　[2]. D. G. Matei, et al., Phys. Rev. Lett., 118, 263202, 2017. 

　　[3]. S. A. DIDDAMS, et al., Phys. Rev. Lett., 84, 5102, 2000. 

　　[4]. Y. Zhang, et al., Opt. Express, 25, 21719, 2017. 

　　[5]. T. Nakamura, et al., Science, 368,889, 2020. 

　　[6]. L. Yan, et al., Chin. Phys. B, 27, 030601, 2018. 

　　姜海峰，物理學報, 67, 160602, 2018.