Ultralow residual phase noise frequency synthesizer for space gravitational wave detection

基于激光干涉的空间引力波探测，对毫赫兹频段内的时钟噪声提出了极高要求，这可通过边带倍频时钟噪声传递和导频音等技术来抑制时钟噪声。针对时钟噪声抑制技术需要的超低附加相噪的电光调制器（EOM）调制微波(2.4 GHz)和导频音射频信号(75 MHz)，我们设计、搭建并比较了两种微波合成链路。通过低相噪锁相介质振荡器（PDRO）、分频等技术，实现了超低附加相位噪频综。经测量，75 MHz导频信号在0.1 mHz、1 mHz、10 mHz、100 mHz、1 Hz处相对应的残余相噪分别为<inline-formula><tex-math id="M1">\begin{document}$ 1.06\times {10}^{-3}\;\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $\end{document}</tex-math><alternatives><graphic specific-use="online" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M1.jpg"/><graphic specific-use="print" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M1.png"/></alternatives></inline-formula>，<inline-formula><tex-math id="M2">\begin{document}$ 8.18\times {10}^{-5}\;\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $\end{document}</tex-math><alternatives><graphic specific-use="online" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M2.jpg"/><graphic specific-use="print" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M2.png"/></alternatives></inline-formula>，<inline-formula><tex-math id="M3">\begin{document}$ 7.63\times {10}^{-6}\;\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $\end{document}</tex-math><alternatives><graphic specific-use="online" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M3.jpg"/><graphic specific-use="print" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M3.png"/></alternatives></inline-formula>, <inline-formula><tex-math id="M4">\begin{document}$ 1.30\times {10}^{-6}\;\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $\end{document}</tex-math><alternatives><graphic specific-use="online" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M4.jpg"/><graphic specific-use="print" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M4.png"/></alternatives></inline-formula>，<inline-formula><tex-math id="M5">\begin{document}$ 1.53\times {10}^{-7}\;\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $\end{document}</tex-math><alternatives><graphic specific-use="online" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M5.jpg"/><graphic specific-use="print" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="CO-2025-0015_M5.png"/></alternatives></inline-formula>。该导频信号是经2.4 GHz微波分频产生，后者的残余相噪更低，因而在20 mHz-1 Hz 频段内，两者的残余相噪都满足“太极计划”需要。后期经过降低功分、频分等器件的附加相位噪声、减小关键器件的温度敏感度及增加温度控制、导频校正等技术，还可进一步降低该频综的本底噪声，有望在0.1 mHz-1 Hz的整个频段内都满足“太极计划”需求。该频综的研制为我国空间引力波探测需要的时频系统奠定了坚实基础。