Photonically Referenced Microwave Signal Synthesis for High-Precision Timing and Frequency Applications

Abstract

Ultra-stable microwave signals are essential for a variety of high-precision applications, including time and frequency metrology, large-scale photon science facilities, global navigation satellite systems, and quantum computing. Traditional electronic oscillators face inherent limitations in phase noise performance and long-term stability. This dissertation explores the photonic approaches to generate ultra-stable microwave signals leveraging mode-locked lasers and pure optical reference modules to achieve unprecedented frequency stability and phase noise performance. This dissertation provides a comprehensive study of photonic timing instrumentation and microwave synthesis, detailing key components, measurement techniques, and system-level innovations. It then presents the design and experimental implementation of a certain specific photonic microwave oscillator architecture named PRESTO, which incorporates a fiber delay line for self-referencing and stabilization. A feedback control system is introduced to suppress phase noise and improve frequency stability. Experimental validation of PRESTO demonstrates a significant reduction in the phase noise of the output microwave signal, achieving integrated timing jitter of less than 30 fs down to 1 Hz. The findings of this research demonstrate that PRESTO is a promising solution for next-generation photonic microwave oscillators, offering superior stability and spectral purity. The first lab prototype exhibits an outstanding phase noise performance comparable to other state-of-the-art photonic microwave oscillators, including the optical frequency division methods and delay-line based oscillators with opportunities for further advancements in this field.

Ultrastabile Mikrowellensignale sind für eine Vielzahl von Hochpräzisionsanwendungen unerlässlich, z. B. für die Zeit- und Frequenzmetrologie, Großforschungseinrichtungen, globale Satellitennavigationssysteme und Quantencomputer. Herkömmliche elektronische Oszillatoren unterliegen in Bezug auf das Phasenrauschen und die Langzeitstabilität inhärenten Beschränkungen. In dieser Dissertation werden photonische Methoden zur Erzeugung ultrastabiler Mikrowellensignale untersucht, bei denen modengekoppelte Laser und rein optische Referenzmodule eingesetzt werden, um eine hohe Frequenzstabilität und niedriges Phasenrauschen zu erreichen. Diese Dissertation bietet eine umfassende Studie über photonische Timing-Instrumente und Mikrowellensynthese, wobei Schlüsselkomponenten, Messverfahren und Innovationen auf Systemebene detailliert beschrieben werden. Anschließend wird der Entwurf und die experimentelle Umsetzung einer bestimmten photonischen Mikrowellenoszillatorarchitektur namens PRESTO vorgestellt, die eine Faserverzögerungsleitung zur Selbstreferenzierung und Stabilisierung enthält. Ein rückgekoppeltes Kontrollsystem wird eingeführt, um das Phasenrauschen zu unterdrücken und die Frequenzstabilität zu verbessern. Die experimentelle Validierung von PRESTO zeigt eine signifikante Verringerung des Phasenrauschens des Mikrowellenausgangssignals, wobei ein integrierter Timing-Jitter von weniger als 30 fs bis zu 1 Hz erreicht wird. Die Ergebnisse dieser Forschung zeigen, dass PRESTO eine vielversprechende Lösung für Mikrowellenoszillatoren der nächsten Generation ist, die eine überlegene Stabilität und spektrale Reinheit bietet. Der erste Laborprototyp zeigt ein hervorragendes Phasenrauschen, das mit dem anderer moderner photonischer Mikrowellenoszillatoren vergleichbar ist, einschließlich optischer Frequenzteilungsmethoden, und bietet Möglichkeiten für weitere Fortschritte in diesem Bereich.