摘要
具有高频谱纯度和高频率稳定度的微波信号，在原子频率标准、长基线干涉测量、大科学装置的远程同步以及雷达等工程科学领域具有极高的应用价值。基于超稳激光与光学频率梳的光学分频方法，可以产生低相位噪声的微波信号，其性能甚至可以比肩目前世界上最好的微波频率源。而直接探测光频梳重复频率的高次谐波容易引入过量相位噪声，降低微波信号的短期频率稳定度。本文使用光纤环路光学微波鉴相器（FLOM-PD），实现介质振荡器与光学频率梳的宽带锁定，通过光学-微波同步方案绕过直接光电探测的噪声限制，实现频率稳定度从光频到微波的相干传递。 本论文的工作总结如下： 1.阐述了基于光学分频方法从超稳激光和光学频率梳中提取低噪声微波信号的基本原理，指出直接光电探测方案的局限性——可能引入过量的相位噪声，通过使用FLOM-PD，以光学-微波同步的方式绕过光电探测噪声的限制。 2.基于琼斯矩阵对FLOM-PD的输入输出关系进行了理论推导，采用数值模拟对影响 FLOM-PD 鉴相精度的因素进行了仿真和讨论，并根据理论分析确定实验参数。通过搭建全光纤化的 FLOM-PD装置实现了 7 GHz的介质振荡器与重复频率为 200 MHz的飞秒光学频率梳的宽带锁定，光频梳与微波同步过程的环外定时抖动为8.6 fs，鉴相器噪底受限于散粒噪声。对FLOM-PD的幅相转换系数进行了测量，最低处仅为 0.1 rad，表明该装置具有良好的幅度噪声抑制作用。 3.利用中国计量科学研究院时间频率计量研究所研制的双光学频率梳系统，搭建了两套独立的基于FLOM-PD的低噪声微波生成装置，并对生成的7 GHz微波的绝对相位噪声和频率稳定度进行了测量，结果表明，1 Hz 偏频处的相位噪声为-52 dBc/Hz，频率稳定度为2.7×10-13@1s。实验还评估了FLOM-PD和光学频率梳在微波产生过程的噪声贡献量。由 FLOM-PD 本身引入的相位噪声为-90 dBc/Hz@1Hz，包含光频梳在内的光学-微波同步系统的剩余相位噪声为-90 dBc/Hz@1Hz，对应于 7 GHz 载波的频率稳定度为 4.8×10-15@1s，表明实验搭建的光学-微波同步系统具有生成低相位噪声和高频率稳定度微波的能力。
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