研究人员将微波信号的稳定性提高了一百倍

美国国家标准技术研究院（NIST）的研究人员使用了最先进的Atom钟，先进的光探测器和称为频率梳的测量工具，可将微波信号的稳定性提高100倍。这标志着朝着更好的电子技术迈出了一大步，以实现更准确的时间分配，改进的导航，更可靠的通信以及对雷达和天文学的更高分辨率成像。在特定时间段内改善微波信号的一致性有助于确保设备或系统的可靠运行。

这项工作将以光学频率运行的尖端实验室Atom钟的本已极好的稳定性转移到了微波频率上，该频率目前用于校准电子设备。电子系统无法直接计算光信号，因此NIST技术已将光时钟的信号稳定性间接转移到微波领域。该演示在2020年5月22日的《科学》杂志上进行了描述。

在他们的设置中，研究人员使用了NIST的两个lattice晶格时钟的“滴答声”来产生光脉冲，并使用频率梳作为齿轮将高频光脉冲准确地转换为低频微波信号。先进的光电二极管将光脉冲转换为电流，进而产生10 GHz的微波信号，精确地跟踪时钟的滴答声，其误差仅为五分之一（五十分之一）（随后是18个零）。此性能水平与两个光学时钟均处于同等水平，并且比最佳微波源稳定100倍。

首席研究员弗兰克·昆兰说：“多年来的研究，包括NIST的重要贡献，已经产生了高速光电探测器，该探测器现在可以将光学时钟的稳定性转移到微波领域。” “第二项主要技术改进是高精度地直接跟踪微波，并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，因此它们具有不同的形状。在将稳定的光波转换为微波时，研究人员跟踪了相位-精确的波形定时-以确保它们是相同的，并且不会相对于彼此移动。实验以仅相当于一个周期的百万分之一的分辨率跟踪了相位变化。

该小组负责人克里斯·奥茨说：“在这个领域，要使微波的稳定性提高一倍可能需要数年甚至数十年的时间。” “好一百倍几乎是不可思议的。”

Quinlan说，NIST系统的某些组件，例如频率梳和检测器，现在准备在现场应用中使用。但是NIST的研究人员仍在致力于将最先进的光学时钟传输到移动平台。 highly时钟的频率为518太赫兹（每秒万亿次循环），目前在高度受控的实验室环境中占据着大桌子。

超稳定的电子信号可以支持广泛的应用，包括将来对电子时钟进行校准，例如由振荡石英晶体供电的电子设备。这是重新定义国际时间标准（SI秒）的重要考虑因素，现在是基于常规时钟中铯Atom吸收的微波频率。在未来几年中，国际科学界有望根据other等其他Atom吸收的光频率选择新的时间标准。超稳定信号还可以使无线通信系统更加可靠。

光学衍生的电子信号可能会使成像系统更加敏感。雷达灵敏度，特别是对于缓慢移动的物体，现在受到微波噪声的限制，并且可以大大提高。由NIST与弗吉尼亚大学合作生产的新型光电二极管，可以将光信号转换为微波信号，并且比以前的设计具有更低的噪声。此外，微波可以携带来自遥远光学时钟的信号，用于导航和基础物理学研究。

现在，测量地球重力形状的天文成像和相对论大地测量学是基于在世界各地的接收器处检测微波信号并将它们组合起来以形成物体的图像。这些接收器的远程校准可以将网络从地球移动到太空，这将提高图像分辨率并避免限制观测时间的大气畸变。只需数小时而不是几秒钟的观察时间，研究人员就可以为更多的物体成像。

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