撥動光生微波源的琴弦

引言

　　在今天的內容開始前，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據。這種非接觸的方式是如何實現的呢？其實它們都是采用了一種電磁波，而這種電磁波統稱為微波。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“超穩光生微波源”！ 

　　什么是超穩微波？ 

　　超穩微波是指頻率穩定度超級穩定、相位噪聲極低、頻率范圍處在300 MHz~300 GHz范圍內的電磁波。它比普通微波穩定的多的多，簡直就是普通微波的超級Plus版。能夠產生這種超穩微波信號的裝置就叫做超穩微波源。簡單來說，根據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：網絡）

　　從時間尺度上看，超穩微波信號是指周期連續、頻率單一的正弦波；而從頻率尺度上看，超穩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、穩定度就越穩定，頻域上信號的譜線寬度越窄，相位噪聲就越低。 

圖 2 超穩微波信號示意圖（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微波信號到底有多穩定，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，而超穩微波信號的穩定度至少要高出石英晶振100倍。 

　　超穩微波從哪兒來？ 

　　了解了超穩微波后，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生的，這個裝置就是前面提到過的超穩微波源。 

　　超穩微波源主要面向高精尖技術應用領域。應用在國防的高精度雷達系統中，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定度，做到100萬年才誤差1秒。除過這些場景，超穩的微波源還可以應用于深空導航、量子信息系統以及天文探測等領域。 

　　產生超穩微波信號的超穩微波源有三種。第一種是超穩晶體振蕩器，第二種是超低溫藍寶石振蕩器，還有一種是傳遞超穩光穩定度的光生微波源。光生微波這種方法可以產生穩定度達到E-17/s量級的微波信號，是目前性能最好的超穩微波獲得方法，也是最有發展潛力的一種。 

圖 4 光生微波源

　　超穩光生微波源 

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

　　超穩光生微波源主要由超穩激光器、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。超穩激光器提供超級穩定的單頻激光信號，它是超穩微波的參考源，它的頻率穩定度制約著所產生的微波的頻率穩定度。飛秒光學頻率梳用來搭建一條連接超穩激光信號和超穩微波信號的橋梁，讓超穩激光直接將頻率穩定度傳承給超穩微波，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光生微波源的原理。 

　　如果把超穩光生微波源比作排隊走的隊列，那么超穩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，在沒有和超穩激光建立聯系之前，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，這樣就產生的超穩光生微波信號。

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）

　　有了這三部分的協同合作，“光麻麻”就能順利產子了，得到超穩微波baby了。注意了，這其中使用了2個超級厲害的技術，第一個就是超穩激光技術，另一個就是飛秒光梳技術。 

　　沒錯，知識點來了，超穩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給了發明激光器的Charles H. Townes教授。目前性能最好的超穩激光的秒級頻率穩定度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展。而在2000年， Theodor W. H？nsch教授和John L. Hall教授發明了光學頻率梳[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，可以直接對超穩激光進行分頻至微波頻率，這項技術的發明使得光生微波成為可能。這兩位科學家也因為發明光梳而分享了2005年諾貝爾物理學獎。 

　　2005年后，光生微波技術蓬勃發展，目前最好的利用光生微波的方法產生的超穩微波信號的頻率穩定度可以達到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.