引言

　　在今天的内容开始前，我想问大家一个问题，你们知道手机、蓝牙以及wifi这些日常高频率使用的设备，它们有什么共同点吗？对了，它们都可以通过非接触的方式来传输数据。这种非接触的方式是如何实现的呢？其实它们都是采用了一种电磁波，而这种电磁波统称为微波。比如目前的蓝牙、wifi以及家用的微波炉都是使用的2.4 GHz频率的微波、5G网络使用450MHz~6GHz频段的微波。可以说微波和我们的生活息息相关。今天我就来为大家拔草“超稳光生微波源”！ 

　　什么是超稳微波？ 

　　超稳微波是指频率稳定度超级稳定、相位噪声极低、频率范围处在300 MHz~300 GHz范围内的电磁波。它比普通微波稳定的多的多，简直就是普通微波的超级Plus版。能够产生这种超稳微波信号的装置就叫做超稳微波源。简单来说，根据电磁波的频率可以对其进行划分，如图 1。

图 1 电磁波分段图（图片来源：网络）

　　从时间尺度上看，超稳微波信号是指周期连续、频率单一的正弦波；而从频率尺度上看，超稳微波信号是频谱宽度很窄的信号。如图2。时间上信号的波形越逼近正弦波，频率成分就越单一、稳定度就越稳定，频域上信号的谱线宽度越窄，相位噪声就越低。 

图 2 超稳微波信号示意图（图片来源：笔者自制）

　　说了这么多，可能大家还是无法感受超稳微波信号到底有多稳定，下面笔者就用一个场景来辅助大家理解。 

　　生活中最常见的最好的石英晶体振荡器的频率稳定度约为E-13/s，如果手表中使用这样的晶体振荡器，可以做到32万年误差1秒，而超稳微波信号的稳定度至少要高出石英晶振100倍。 

　　超稳微波从哪儿来？ 

　　了解了超稳微波后，那么它又是从哪儿冒出来的呢？当然是从一个特别厉害的装置中产生的，这个装置就是前面提到过的超稳微波源。 

　　超稳微波源主要面向高精尖技术应用领域。应用在国防的高精度雷达系统中，可以提升雷达的探测精度。应用于铯原子喷泉钟里面，可以提升铯喷钟的稳定度，做到100万年才误差1秒。除过这些场景，超稳的微波源还可以应用于深空导航、量子信息系统以及天文探测等领域。 

　　产生超稳微波信号的超稳微波源有三种。第一种是超稳晶体振荡器，第二种是超低温蓝宝石振荡器，还有一种是传递超稳光稳定度的光生微波源。光生微波这种方法可以产生稳定度达到E-17/s量级的微波信号，是目前性能最好的超稳微波获得方法，也是最有发展潜力的一种。 

图 4 光生微波源

　　超稳光生微波源 

　　超稳光生微波源，一个创造性的集两项诺贝尔奖发明成果于一体的神奇微波发生装置，下面笔者就来为大家揭开它的神秘面纱。 

　　超稳光生微波源主要由超稳激光器、飞秒光学频率梳和微波频率综合器这三部分组成，如图 5所示。超稳激光器提供超级稳定的单频激光信号，它是超稳微波的参考源，它的频率稳定度制约着所产生的微波的频率稳定度。飞秒光学频率梳用来搭建一条连接超稳激光信号和超稳微波信号的桥梁，让超稳激光直接将频率稳定度传承给超稳微波，得到光生微波信号。微波频率综合器，可以将飞秒光梳传递的微波信号变换至任意希望的频率值上。 

图 5 超稳光生微波源结构图（图片来源：笔者自制）

　　我们举个例子来理解超稳光生微波源的原理。 

　　如果把超稳光生微波源比作排队走的队列，那么超稳激光就像队列里面的带队人，队伍的步伐大小、整齐度、每位队员的相对位置都由这个领队决定。飞秒光梳就像队列里面的队员，在没有和超稳激光建立联系之前，光梳是自由运转的，就如图 6中所示的一样混乱。而当通过一系列复杂的操作和领队建立联系后，就能使得每位队员的步伐大小、步速、以及和其他队员的相对位置都和领队高度同步，如同图 7所示，这样就产生的超稳光生微波信号。

图 6 未锁定时的队伍很混乱（图片来源：笔者自制）

图 7 锁定后队伍整齐一致（图片来源：笔者自制）

　　如果队伍在操场中央走路，我们需要队伍在主席台前走过，此时，就需要频率综合器了，它可以神奇的将队伍在不掉队、也不改变行进步调的情况下从A点移到需要的B点，如图 8所示，比如我们只能产生10 GHz的微波信号，我们需要9.192 GHz的微波信号，就要使用到频率综合器了。 

图 8 频率综合器的平移能力（图片来源：笔者自制）

　　有了这三部分的协同合作，“光麻麻”就能顺利产子了，得到超稳微波baby了。注意了，这其中使用了2个超级厉害的技术，第一个就是超稳激光技术，另一个就是飞秒光梳技术。 

　　没错，知识点来了，超稳激光就是在激光技术的基础上得来的^[1]，而1964年的诺贝尔物理学奖便颁发给了发明激光器的Charles H. Townes教授。目前性能最好的超稳激光的秒级频率稳定度4E-17/s^[2]，这个水平约为79亿年误差1秒。 

　　虽然激光的频率很稳定，但是激光的频率却很高，和微波频率相比，一般要差5、6个数量级。因此无法直接对激光进行分频而抑制了光生微波技术的发展。而在2000年， Theodor W. H？nsch教授和John L. Hall教授发明了光学频率梳^[3][4]，就像一个齿轮组（如图 9），既可以啮合激光频率，又可以连接微波频率，可以直接对超稳激光进行分频至微波频率，这项技术的发明使得光生微波成为可能。这两位科学家也因为发明光梳而分享了2005年诺贝尔物理学奖。 

　　2005年后，光生微波技术蓬勃发展，目前最好的利用光生微波的方法产生的超稳微波信号的频率稳定度可以达到5E-17^[5]，也就是约63亿年才差1秒。 

图 9 光梳齿轮功能示意图（图片来源：网络+笔者加工）

　　光生微波源的应用？  

　　2017年，国家授时中心的科研人员研制出了可以产生9.192 GHz信号的光生微波源^[6][7]，用于铯原子喷泉钟（NTSC-F1）中，将铯原子喷泉钟的短期频率稳定度提升了6倍，进入了E-14量级。光生微波的技术极大促进了铯喷钟的研究进展。 

　　当然，光生微波源不止可以应用于铯原子喷泉钟，还可以应用于冷原子光钟系统中，而光钟有望在不久的将来，代替铯频标成为新的原子频标。在高精度雷达探测中，也需要超稳的微波信号进行探测。 

　　参考文献 

　　[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，物理学报, 67, 160602, 2018.