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提起微波，可以说它和我们的生活息息相关。手机、蓝牙以及wifi，这些日常高频率使用的设备，都是通过微波实现数据传输的。所以，我们每天都在和微波打交道。

看到这儿，你是不是以为又拿捏住了微波？奈斯，那今天我们就来讲讲“超稳光生微波源”的故事。

什么是超稳微波？

超稳？光生？微波源？字明明都认识，连在一起咋就看不懂了呢。别急，咱先从超稳微波讲起。

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得多，简直就是普通微波的超级Plus版。

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，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；频率上信号的谱线宽度越窄，相位噪声就越低。

超稳微波信号示意图（图片来源：作者制作）

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。

我们日常佩戴的石英手表是以石英晶体振荡器制作的。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，有朋友可能会问它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，这个装置就是超稳微波源。

超稳微波源主要面向高精尖技术应用领域，这也难怪我们很少听说它。将超稳微波源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（一种精密的计时器具）里面，可以提升铯喷钟的稳定度，做到100万年才误差1秒；此外，超稳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主要有三种。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。其中，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。

光生微波源（图片来源：作者提供）

“光麻麻”如何产“微波baby”？

通过层层抽丝剥茧，咱们终于来到了今天的主题——超稳光生微波源，一个创造性地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，如图所示：

超稳光生微波源结构图（图片来源：作者自制）

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，其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。

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。飞秒光梳则像队列里面的队员，在没有和超稳激光建立联系之前，光梳是自由运转的。

未锁定时的队伍很混乱（图片来源：作者自制）

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，这样就产生了超稳光生微波信号。

锁定后队伍整齐一致（图片来源：作者自制）

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

频率综合器的平移能力（图片来源：作者自制）

有了这三部分的协同合作，“光麻麻”就能顺利产子，得到超稳微波baby了。注意了，这其中使用了两个超级厉害的技术，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]，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是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，从而抑制了光生微波技术的发展。而在2000年，Theodor W. Hänsch教授和John L. Hall教授发明了光学频率梳[3][4]，它就像一个齿轮组，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。

光梳齿轮功能示意图（图片来源：作者自制）

2005年后，光生微波技术蓬勃发展，目前最好的利用光生微波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。

光生微波源有啥用？

既然光生微波源能帮助我们得到超稳微波信号，那它主要应用在哪些方面呢？

首先，光生微波技术极大地促进了铯喷钟的研究进展。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。

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（编者注：频标，即时间、频率计量的标准）。

同时，在高精度雷达探测中，也需要超稳的微波信号进行探测，利用光生微波源就能实现这一过程。

朋友们可能要问了，这么稳定的微波源，难道真的会装到我的手表中吗？这个还真没有，因为超稳微波源一般都比较大、成本比较高，目前还没有办法将它塞进我们的腕表中。不过，还是要相信未来一切皆有可能。毕竟，曾经谁能想到，计算机只需单手就能托起呢？

参考资料：

[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.

[7]姜海峰，物理学报, 67, 160602, 2018.

来源：科学大院