光生射频突破10：100 MHz 信号首次实现10级频率不稳定性，开启超精密计量新纪元

《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Radio Frequency From Optical With Instabilities Below 10-15-Generation and Measurement

为破解“光学钟超高稳定性无法下沉到百兆赫”难题，NIST 团队构建双光学腔-双光梳分频链，将 1542 nm 硅腔与 1157 nm ULE 腔信号经 Ti:S 与 Er/Yb:glass OFC 相干分频至 10 GHz，再用商用 prescaler 降至 100 MHz；首次测得绝对 Allan 偏差 σ(1 s)≈4.7×10，相位噪声 ?140 dBc/Hz@1 Hz，把可分发射频基准推进近一个量级，为雷达、导航、时标重新定义奠定硬件基础。

　　

论文解读
“把世界上最稳的‘光’变成最稳的‘电’”，一直是时频计量圈的终极梦想。光学晶格钟早已把分数频率稳定度推进 10^{，可它们住在 200 THz 的“高冷”频段，普通实验室既用不起也养不活；而雷达、通信、电网、卫星导航却天天离不开 100 MHz、10 MHz 这些“接地气”的射频。问题在于，光到射频的“翻译官”——光频梳（OFC）和分频器——会“添噪声”：光电探测引入量子噪声，分频芯片带来闪烁噪声，环境抖动再补一刀，导致下沉后的信号瞬间“跌下神坛”。此前 100 MHz 输出的最好成绩徘徊在 10 量级，与光学钟原生精度差了两个数量级，成了精密计量“最后一公里”的卡脖子环节。}

Archita Hati 领衔的 NIST 联合科罗拉多大学团队决定拆掉这道“隔音墙”。他们设计了两条独立的光-射频合成链：一条把 1542 nm 低温硅腔激光（用于锶钟）经 Ti:Sapphire OFC 降到 10 GHz；另一条把 1157 nm ULE 玻璃腔激光（用于镱钟）经 Er/Yb:glass OFC 降到 10 GHz；随后用商用 Microchip UXN40M7KE prescaler 做 100 分频，得到 100 MHz 输出。为测准如此低的噪声，作者自研 4 通道超低噪声数字测量系统（DDMS），单通道 1 Hz 处残余噪声 ?147 dBc/Hz，Allan 偏差底噪 1.3×10^{@1 s，比传统商用计数器低 20 倍，并配合载波抑制（CS）交叉谱技术，把参考源噪声“平均掉”。}

关键技术方法

1. 双超高细度光学腔：F≈5×10 ^{的 124 K 单晶硅腔 & F≈8.8×10 的室温 ULE 玻璃腔}
2. 两台自稳光频梳：Ti:Sapphire 1 GHz 与 Er/Yb:glass 500 MHz 重复频率，f-2f 干涉仪锁载波包络相位
3. 商用数字 prescaler 级联：单级 100 分频至 100 MHz，双级 1000 分频至 10 MHz
4. 新研多通道 DDMS：校正 ADC 孔径抖动与参考电压噪声，支持交叉协方差
5. 三比“角帽”法：三颗 prescaler 同驱一信号，剔除参考噪声，提取单颗本征噪声

研究结果

残余频率不稳定性
用 DDMS 与 CS 同时比对两颗 100 MHz prescaler，测得残余 Allan 偏差 σ_{(1 s) 落在 10 ^{量级，最长 8000 s 趋近 10；单颗 prescaler 经三比法“角帽”提取，1 s 达 4.7×10，证明器件本征噪声已低于测量底噪。}}

绝对频率不稳定性
把两条独立光-射频链的 100 MHz 输出直接比对，获得合成链总噪声：σ_{(1 s)=4.7×10^{，为迄今 100 MHz 信号最好记录；10 MHz 输出 σ(1 s)≈3×10，100 s 后分频器噪声可忽略，曲线与光学参考重合。}}

相位噪声
100 MHz 信号 1 Hz 处相位噪声 ?140 dBc/Hz，10 GHz 归一化后约 ?153 dBc/Hz；相比 10 GHz 直接分频的 DDS 方案，1 Hz 处改善近 20 dB。

环境影响与漂移
2000 s 实时拍频显示，光学-射频差漂在 ±4×10 ^{内，主要源于 ULE 腔温度 feed-forward 未优化；夜间与周末长时测量可抑制建筑振动与 HVAC 气流扰动。}

级联分频
10 GHz→10 MHz 两级 100×10 分频，1 s 稳定度仍优于 5×10^{，验证高阶分频不放大噪声。}

结论与讨论
这项工作首次把光学钟的“10^{”级稳定度完整搬到 100 MHz 射频，实现 σ_{(1 s)=4.7×10、相位噪声 ?140 dBc/Hz@1 Hz，比既往最佳结果提升一个量级，且无需昂贵低温前端或复杂再生分频。商用 prescaler 经筛选与表征，证实可“无损”传递光腔相位信息；自研 DDMS 将测量底噪压至 10 量级，为今后评估更低噪声源提供工具。该成果使“桌面光学钟”向雷达、5G 时基、电网同步、GNSS 备份等工程场景迈出关键一步，也为国际单位制“秒”重新定义后的射频分发奠定技术路线。未来若将光腔锁定到原子跃迁并加入环境隔离，系统长期稳定度有望冲进 10，真正实现“光钟级”射频人人可用。}}