不稳定性低于 $10^{-15}$ 的光学射频产生与测量

本文提出了一种频率合成技术，通过将光学信号转移到 100 MHz 的射频 (RF) 频段，实现了极高的稳定性。我们描述并表征了两条合成链路，分别由 1542 nm 的低温硅腔稳频激光器和 1157 nm 的超低膨胀 (ULE) 玻璃腔组成，两者均通过 Ti:Sapphire 和 Er/Yb:glass 光学频率梳 (OFC) 转换为 10 GHz 信号。10 GHz 微波输出使用商用微波预分频器进一步分频至 100 MHz，该预分频器表现出 $\sigma_y(1~\text{s})<10^{-15}$ 的残余频率不稳定性，并在几千秒时达到 $10^{-18}$ 量级。测量使用新开发的定制超低噪声数字测量系统进行，并与载波抑制技术进行了比较。该新系统能够对从光学和微波外差到直接 RF 信号的整个合成链路进行高灵敏度评估。结果显示，在 100 MHz 时绝对不稳定性为 $\sigma_y(1~\text{s})~\approx~4.7\times10^{-16}$。这代表了在 100 MHz 下首次实现如此低的不稳定性，对应于 1 Hz 频偏处 -140 dBc/Hz 的相位噪声，显著超越了早期系统。这些进展为精密计量和授时系统提供了新机遇。