超稳光生微波源关键技术及实验研究

发布时间：2020-05-06 19:48

【摘要】：超高频率稳定度的微波信号在一些前沿科学研究和高精度探测装置中扮演着重要角色。作为基准频标的铯原子喷泉钟的量子投影噪声在10-14@1 s量级,为消除本地微波频率源噪声导致的Dick效应对原子钟短期频率稳定度的影响,微波源的稳定度需要更优。此外,高性能的网络雷达和深空导航系统等也分别提出了类似指标微波源的应用需求。然而,传统的基于晶振的微波源稳定度(～1×10-13@1 s)受限于基本物理机制,不能满足这些应用需求。本论文是针对基准喷泉钟应用的基于光学腔的超稳微波源的研究,这种新型的微波源以超稳光学谐振腔的长度为参考具,利用超稳激光、飞秒光频梳、低噪声光电转换和微波频率综合技术,能够产生短期频率稳定度最高的微波信号(10-16@1s量级)。实验中,利用10 cm长的超稳光学腔为参考,产生了基准喷泉钟所需的9.192 GHz可调微波信号,其短期稳定度为7.4×10-15,满足了基准喷泉钟所需。论文主要研究内容和创新点如下:一、超稳激光技术全面介绍了利用PDH(Pound-Drever-Hall)锁频技术将1550 nm波长的商用激光器锁定在10 cm长超高精细度的F-P腔谐振频率的技术细节。利用快慢反馈相结合的方式,有效的抑制了激光器的宽带噪声和长期频率漂移,最终获得了受限于光学腔热噪声的超稳激光信号,其短期频率频率稳定度7×10-16@1 s,线宽约0.1 Hz量级。探索了进一步提升超稳激光频率稳定度的新方法,提出多腔联合稳频的方案,理论上通过采用N个腔联合稳频可以将超稳激光的频率稳定度降低(?)N倍。设计了双腔(7×10-16@1s)联合稳频实验进行验证,获得了频率稳定度为5×10-16@1s的合成激光信号,符合预期;测试表明多腔联合稳频过程引入的稳定度恶化在10-18～10-19量级,因此该方法可以有效提高当前最高指标超稳激光的频率稳定度(～5×10-17)。二、飞秒激光光学频率控制和综合详细阐述了掺铒光纤飞秒光梳的研制过程,重点研究了光梳载波包络相移频率(fceo)和重复频率(fr)的锁定技术。fce稳频按照反馈机构可以分成泵浦电流源和特殊的腔内EOM两种,其中通过反馈泵浦电流的方式稳频,将fceo信号锁定在外部参考上,锁定后的频率稳定度为9.6×10-17/τ,相位噪声处于-50 dB rad2/Hz至-60 dB rad2/Hz范围;采用高速稳频系统反馈特殊设计的腔内EOM锁定fceo,锁定后的带宽达到1.8 MHz,频率稳定度在1.6×10-17@1 s。fr的频率稳定通过反馈光学腔内的EOM和PZT实现,f稳频在微波参考上的频率稳定度为7.4×10-15@1 s;光梳的梳齿锁定在超稳激光上的频率稳定度为2×10-17@1 s,相位噪声小于-50 dB rad2/Hz。飞秒光梳通过将梳齿锁定在超稳激光参考上,fceo信号稳定在外部参考上,将193 THz的超稳激光频率综合到重频的41次谐波9.54 GHz上,成功将超稳激光的频率稳定度传递到光梳的重复频率稳定度上,并可连续稳定锁频1周以上。三、低噪声光电转换和微波频率综合光电转换过程中附加的相位噪声主要来源于光电探测器件的热噪声、散粒噪声,以及激光幅度噪声向微波相位噪声转化的转换噪声。采用级联式马赫增德尔干涉仪的方法,通过增加脉冲激光个数,提高光电探测器件的饱和点,提高光电转换的信噪比,从而降低微波的相位噪声。最终获得9.54 GHz微波信号频率稳定度为3×10-15@1 s。低噪声微波频率综合采用锁相环技术和直接数字频率合成器(DDS),将一个 9.6 GHz 的介质振荡器(dielectric resonator oscillator,DRO)锁定在光梳的 9.54 GHz谐波上,经过频率加、减、乘、除处理后得到频率稳定度为7×10-15@1s的9.192 GHz 信号和 1.8×10-14@1 s 的 10 MHz 信号。四、光生微波源测试和应用通过两套完全独立的光生微波源系统频率信号比对,评估了所产生的9.192 GHz信号和10MHz信号的频率稳定度。最终获得了频率稳定度为7.4×10-15@1 s的9.192 GHz信号,频率稳定度为1.8×10-14@1 s的10 MHz信号。用该9.192 GHz信号代替铯原子喷泉钟的微波腔激励信号,成功将铯原子喷泉钟的短期稳定度提升至10-14量级。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH714.14

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