2025 年 4 月 1 日收到；2025 年 7 月 21 日修订；2025 年 7 月 31 日接受。
出版日期 2025 年 8 月 8 日；当前版本日期 2025 年 8 月 20 日。
数字对象标识符 10.1109/OJUFFC.2025.3596866
不稳定性低于 10 15− 的光学射频-产生
和测量
ARCHITA HA TI1（IEEE 成员）、MARCO POMPONIO 1,2、Nicholas V.Nardel li1、TANNER GR
OGAN1,3、KYUNGT AE KIM1,3,4、DAH YEON LEE1,3 ,4、JUN YE1,3,4，
Tara M.Fo rtier1、A NDREW LUDLOW1 、2、3 和 Craig W.Nelson1（IEEE 成员）
1
国家标准与技术研究所，博尔德，CO 80305 美国
2
科罗拉多大学博尔德分校电气、计算机和能源工程系，博尔德，CO 80309 美国
3
物理系，科罗拉多大学博尔德分校，博尔德，CO 80309 美国
4
JILA，科罗拉多大学博尔德分校，博尔德，CO 80309 USA 通讯
作者：A.Hati(archita.hati@nist.gov)
本文提出了一种频率合成，通过将光信号传输到 100 MHz 的射频（RF）域来实现卓越的稳定性。
我们描述并表征了由 1542 nm 的低温硅腔稳定激光器和 1157 nm 的超低膨胀（ULE）玻璃腔组成的
两个合成链，两者都通过 Ti：蓝宝石和 Er/Yb：玻璃光频梳（OFCs）转换为 10 GHz 信号。使用商
用微波预分频 器将 10GHz 微波输出进 一 步 分频到 100MHz，该 预分频器在几千秒 内表现出 σ
y（1s）<10 15− 和低 10 18− 电平的残余频率不稳定性。使用新开发的定制超低噪声数字测量系统
进行测量，并与载波抑制技术进行比较。新系统能够从光学和微波外差以及直接 RF 信号对整个合
成链进行高灵敏度评估。结果显示，在 100 MHz 时，σ y（1 s）≈4.7 × 10 16− 的绝对不稳定
性。这代表了在 100 MHz 下这种低不稳定性的首次证明，对应于
−140 dBc/Hz，偏移为 1 Hz，显著超过早期系统。这些进步开启了新的
精密计量和授时系统的机遇。
索引术语艾伦偏差、数字测量系统、频率不稳定性、相位噪声、预分频器、光时钟、光分频器、
稳定性传输。
I.导言
从光源产生极其稳定的射频（RF）信号是一个重
要的能力-
有利于高精度雷达、导航、通信系统和计量的能力。光
钟和腔稳定激光器目前为频率稳定性和准确性设定了基
准，在短期和长期分数频率不稳定性方面都优于传统微
波标准两个数量级[1]，[2]。然而，将这些光学系统的
非凡稳定性转化为更容易接近的 RF 频率，如 10 MHz 和
100 MHz，带来了独特的挑战。光时钟以数百太赫兹的
频率工作，并在短积分时间内实现低于 10
16−
的分数频
率稳定性。这种非凡的精确度将支撑
重新定义 SI 第二[3]，并将光学系统的应用扩展到其固
有域之外。光学频率梳（OFC）是这项工作的核心，因
为它能够将光学频率相位相干划分为 RF 和微波区域，
具有卓越的光谱纯度和稳定性[4]、[5]、[6]。虽然以
前的发展主要集中在产生 10 GHz 信号[7]，但对于需要
长期时间相干性和高频谱纯度的应用，仍然需要在较低
频率（如 10 MHz 和 100 MHz）下同样稳定的信号。目
前，10 MHz 信号被广泛用作许多电子设备和测试仪器
中的标准参考频率，作为精确测量的稳定时序源。此
外，通过同轴电缆分配 10 MHz 和 100 MHz 的信号更多
2025 年第 5 卷
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