美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员使用了最先进的原子钟、先进的光探测器和一种称为频率梳的测量工具，将微波信号的稳定性提高了100倍。这标志着向更好的电子学迈进了一大步，使更精确的时间传播、更好的导航、更可靠的通信和更高分辨率的雷达和天文学成像成为可能。提高微波信号在特定时间段内的一致性有助于确保设备或系统的可靠运行。

 

这项工作将先进的实验室原子钟在光学频率下的稳定性转移到了微波频率上，微波频率目前被用来校准电子设备。由于电子系统不能直接对光信号进行计数，因此NIST技术将光时钟的信号稳定性间接转移到微波领域。该演示将在2020年5月22日的《科学》杂志上发表。

 

在他们的装置中，研究人员使用NIST的两个镱晶格时钟的“滴答”声来产生光脉冲，杏耀以及作为齿轮的频率梳来将高频光脉冲精确地转换成低频微波信号。先进的光电二极管将光脉冲转换成电流，进而产生10千兆赫(GHz，即每秒10亿周期)的微波信号，精确地跟踪时钟的嘀嗒声，误差只有百亿亿分之一(1后面有18个零)。这个性能水平与光学时钟的性能水平相当，并且比最好的微波源稳定100倍。

 

“多年的研究，包括NIST的重要贡献，已经产生了高速光探测器，现在可以将光学时钟的稳定性转移到微波领域， 杏耀挂机软件 ，”首席研究员弗兰克昆兰说。“第二个主要的技术改进是直接跟踪微波的高精度，结合了大量的信号放大技术。”

 

光波比微波的周期短，周期快，所以它们有不同的形状。在把稳定的光波转换成微波的过程中，研究人员跟踪了相位——波的准确时间——以确保它们是相同的，而不是相对移动。实验跟踪相位变化的分辨率仅相当于一个周期的百万分之一。

 

研究小组负责人克里斯·奥茨(Chris Oates)说:“在这个领域，只要将微波稳定性提高一倍，就可能需要数年或数十年的时间才能实现。”“百倍的好几乎是深不可测的。”

 

昆兰说，NIST系统的一些组件，如频率梳和探测器，已经准备好用于现场应用。但NIST的研究人员仍在致力于将最先进的光学时钟转移到移动平台上。镱原子钟的频率为518太赫兹(万亿周期每秒)，目前在高度受控的实验室环境中占据着很大的空间。

 

超稳定的电子信号可以支持广泛的应用，包括未来电子钟的校准，例如由振荡石英晶体提供动力的电子设备。这是重新定义国际时间标准SI秒的一个重要考虑，现在是基于微波频率吸收铯原子在传统时钟。在未来的几年里，国际科学界有望选择一种新的基于光频率的时间标准，这种光频率是其他原子(如镱)所吸收的。超稳定的信号也可以使无线通信系统更加可靠。

 

光学衍生的电子信号可以使成像系统更加灵敏。雷达的灵敏度，特别是对慢速移动的物体，现在受到微波噪声的限制，可以大大提高。由NIST和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成微波信号，比以前的设计更具有可预测性和更低的噪音。此外，微波可以携带来自遥远的光学时钟的信号，杏耀平台用于导航和基础物理研究。

 

天文成像和测量地球引力形状的相对论测地学，现在是基于探测世界各地接收器的微波信号，并将它们结合起来形成物体的图像。这些接收器的远程校准可以使网络从地球进入太空成为可能，这将提高图像分辨率，避免限制观测时间的大气畸变。用几个小时而不是几秒钟的观察时间，研究人员可以想象出更多的物体。