超低相位噪声基于频梳的微波产生和性能

超低相位噪声基于频梳的微波产生和性能
摘要——我们通过光电检测锁定于1.5um超窄线宽超稳定激光的基于铒掺杂光纤频梳相位的脉冲串来报告12GHz超低相位噪声微波信号的产生。

拥有先进的光电检测技术和自制相位噪声计量器具，我们的实验证明了微波源的产生，具有10KHz以上且低于170dBc/Hz，源自一个12 GHz 载体的1Hz且低于100dBc/Hz的全相噪声，这将极大推进目前最好的记录结果。

关键字——光纤频梳，光电微波源，超低相位噪声
前言
诸如无线通讯，雷达，深空航行系统，精密微波光谱学的许多应用都需要超稳定微波信号。

这种光纤信号通过光纤频梳产生是特别有趣的，因为它允许把无法超越的超稳定连续波激光的光谱纯度转变成微波领域（同光纤和太赫兹辐射波领域），潜在的引导记录低相位噪声微波源。

光纤到微波的转变由拥有超稳定光纤参考频率的飞秒激光器的重复率同步完成。

通过光纤脉冲串的快速光电探测对微波信号进行更深入的提取。

然而，光电产生微波信号的光谱纯度同时受到频梳重复率性能以及光电探测过程自身的限制。

光电探测进程收到了影响，特别是振幅
相位转变（APC）的影响，它转变了微波信号相位噪声中飞秒激光的强烈噪声，同时，它还受到光电探测器的约翰逊·奈奎斯特定理和冲击的影响。

我们通过增加产生在重复率相关谐波的微波功率来克服后来基本原理的限制，并运用基于光纤的梳状滤波器，该滤波器增加脉冲串的有效重复率，并与高线性高处理功率的光电探测器结合。

我们也发展了一套自动测量伺服装置来降低APC的水平，这种状态下就不会对我们生产的微波信号的相位噪声产生重大的影响。

对其自身而言，超低相位噪声微波的特性达到这种水平状态是一项有趣的挑战。

我们已经发明了一套基于3光纤频梳的特殊装置（给基础参考频率额外加上一个作为参考），3超稳定激光，一个高质量微波电路以及一个基于现场可编程门阵列自制的外差法振荡器，在源自具有极低的振幅噪声敏感度的12Ghz载体的傅里叶频率大于1KHz的条件下，该振荡器与达到低于-180dBc/Hzd的测量噪声水平互相关。

II 实验装置
我们的实验装置由一些光纤频梳和超稳定连续波激光器。

这些超稳定连续波激光器由波长为1.5um的半导体二极管激光器组成，激光器被超高精细度（典型~6
10）的超高真空法布里-珀罗空腔的调制技术伺服。

尽管对于这项工作不是必须的，但是其中一个一直被分频梳和锁定在基本频率标准（原子喷泉）的松散频率监控，以此来产生低噪声和连续运作的固定光纤参考连续波。

一个基于具有250MHz重复率的铒掺杂光纤频梳（OFC）锁相于这个参考，并且它的脉冲串通过一个特殊设计的高线性光检测器进行光检测。

一个光纤梳状滤波器，伴随一个合理的负色散光纤以获得最佳再压缩脉冲，允许在光检测之前有效的重复率外部增加可达到4GHz，以便于产生接近12GHz的最大功率。

APC可能将部分频梳振幅噪声转变成过相位噪声，为了减少其影响，我们添加了零级声光调制器来伺服控制降低频梳的相关强噪声至-150dBc/Hz以下（傅里叶频率<1MHz），并且在一个“奇点”运行光电二极管，在这个点，非线性饱和效应为深思熟虑的12GHz重复率谐波精确的删除振幅相位转换。

一个基于FPGA系统的有效伺服系统被用来尽可能使光电二极管维持在“奇点”。

振幅相位转换的结果影响是通过这种方法使其保持在-190dBc/Hz或者更好。

为了测量结果微波相位噪声，我们采用了一种交叉互相关技术，这项技术里两个额外相似系统（独立的超稳定连续波激光器和独立的OFCs）在测试条件下的系统对比同步。

测试条件下的系统信号和两个辅助系统中任何一个产生的信号进行微波混合产生了两个无线电频率信号（每个接近10MHz）。

这些信号取样于模拟数字转换器，数字下转换以及电脑进程产生两种依靠时间相位对比数据集。

这两种相位数据集的
交叉互相关显示了我们要定义的12GHz微波信号的相位噪声的功率光谱精度，假设统计学家独立于两个额外来源。

注意在这个交叉互相关技术里，源自于两个额外系统的不相关噪声是不需要的，它只会导致测试条件下系统的相位噪声功率光谱精度估计的不确定性。

这个不确定性平均下来是测量时间倒数的平方根。

因此，少的实验工作需要去设立(没有活跃的光电二极管，商品级港电二极管，少优化频梳脉冲梳状滤波器以及光纤功率等等的零振幅相位转换点的伺服系统）。

III 现时结果
在这样的设置下，我们能够演示在1Hz小于-100dBc/Hz以及源自12GHz载体的10KHz小于-170dBc/Hz条件下微波信号的产生。

这种史无前例的水平结合最好的微波源性能都接近和远离载体，一个合理地小型化生产系统（不包括相位噪声的特性化装置），为传送历史最低相位噪声微波信号的可紧急移动系统铺设道路。