劳拉·奥斯特，国家标准与技术研究所 黑色矩形(中间)是一个高速半导体光电二极管，可以将激光脉冲转换成超稳定的微波频率
二极管被镀金的边框包围，边框内嵌入了电引线
电线将导线连接到用于提取微波信号的铜电路(顶部)
为了机械稳定性，整个装置放置在黄铜板上
信用:昆兰/NIST 国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员使用了最先进的原子钟、先进的光探测器和一种叫做频率梳的测量工具，将微波信号的稳定性提高了100倍
这标志着朝着更好的电子技术迈出了一大步，以实现更精确的时间传播、改进的导航、更可靠的通信以及雷达和天文学的更高分辨率成像
提高微波信号在特定时间段内的一致性有助于确保设备或系统的可靠运行
这项工作将工作在光学频率的尖端实验室原子钟已经卓越的稳定性转换为微波频率，目前用于校准电子学
电子系统不能直接计数光信号，因此NIST技术和技术间接将光时钟的信号稳定性转移到微波领域
该演示在2020年5月22日的《科学》杂志上有所描述
在他们的装置中，研究人员使用NIST的两个镱晶格时钟的“滴答声”来产生光脉冲，并使用频率梳作为齿轮，将较高频率的光脉冲精确地转换成较低频率的微波信号
先进的光电二极管将光脉冲转换成电流，进而产生10千兆赫(千兆赫，或每秒10亿个周期)的微波信号，精确跟踪时钟的滴答声，误差仅为五分之一(1后跟18个零)
这一性能水平与光学时钟相当，比最好的微波源稳定100倍
首席研究员弗兰克·昆兰说:“多年的研究，包括NIST的重要贡献，已经产生了高速光电探测器，现在可以将光学时钟稳定性转移到微波领域。”
“第二个主要的技术改进是对微波的高精度直接跟踪，并结合了大量的信号放大技术
" 光波的周期比微波短、快，所以它们有不同的形状
在将稳定的光波转换成微波的过程中，研究人员跟踪相位——光波的精确时间——以确保它们是相同的，并且不会相对于彼此移动
该实验跟踪相位变化，分辨率仅相当于百万分之一周期
“在这个领域，微波稳定性翻倍可能需要数年或数十年才能实现，”该小组组长克里斯·奥茨说
“好一百倍几乎深不可测
" 昆兰说，NIST系统的一些组件，如频率梳和探测器，现在已经可以用于野外应用了
但NIST的研究人员仍在努力将最先进的光学时钟转移到移动平台上
镱原子钟的工作频率为518兆赫(每秒万亿周)，目前在高度受控的实验室环境中占据了很大的空间
超稳定的电子信号可以支持广泛的应用，包括电子钟的未来校准，如由振荡石英晶体驱动的电子设备
这是重新定义国际时间标准的一个重要考虑因素，现在国际时间标准是基于传统时钟中铯原子吸收的微波频率
在未来的几年里，国际科学界有望根据其他原子(如镱)吸收的光频来选择新的时间标准
超稳定的信号也可以使无线通信系统更加可靠
光学衍生的电子信号可以使成像系统更加灵敏
雷达的灵敏度，特别是对缓慢移动的物体，现在受到微波噪声的限制，可以大大提高
NIST和弗吉尼亚大学合作生产的新型光电二极管，将光信号转换成微波信号，比早期的设计更容易预测，噪音更低
此外，微波可以从遥远的光学时钟传送信号，用于导航和基础物理研究
天文成像和测量地球引力形状的相对论大地测量，现在是基于在世界各地的接收器上探测微波信号，并将它们结合起来形成物体的图像
对这些接收器进行远程校准可以将网络从地球移至太空，这将提高图像分辨率，避免限制观测时间的大气失真
通过数小时而不是数秒的观察时间，研究人员可以成像更多的物体
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