高性能CSおよびRB蒸気細胞原子時計用のシンプルデザイン超低位相ノイズマイクロ波周波数シンセサイザー

高性能CSおよびRB蒸気細胞原子時計のローカル発振器として使用するように専用の、新しい4.596 GHzおよび6.834 GHzマイクロ波周波数合成剤の開発と特性評価について報告します。シンセサイザーの重要な要素は、高スペクトル純度100 MHzオーブン制御クォーツオシレーター周波数拡大を1.6 GHzに統合し、わずかな過剰なノイズを統合するカスタムモジュールです。次に、周波数の乗算、分割、および混合段階が実装され、正確な出力原子共鳴周波数が生成されます。出力4.596 GHz信号の絶対位相ノイズ性能は、それぞれ100 Hzおよび10 kHzフーリエ周波数で-109および-141 dB Rad（2）/Hzであると測定されます。6.834 GHz信号の位相ノイズは、それぞれ100 Hzおよび10 kHzのオフセット周波数で-105および-138 dB Rad（2）/Hzです。合成チェーンの性能は、CSセルクロックで3.1×10（-14）のレベルで、1秒間のRBクロックで2×10（-14）の原子クロック短期分数周波数安定性に寄与します。この値は、クロックショットノイズの制限に匹敵します。合成チェーンの主な制限を特定するために、主要な成分と段階の残留位相ノイズ測定について説明します。合成鎖の残留周波数安定性は、1秒の統合時間で10（-15）レベルになると測定されます。市販のコンポーネントのみを使用して、合成設計の関連する利点は、優れた位相ノイズパフォーマンス、シンプルなアーキテクチャ、低コストを組み合わせて、CSまたはRBへのアプリケーションのために4.596 GHzまたは6.834 GHzの信号出力生成のために簡単にカスタマイズされることです。蒸気細胞周波数標準。

We report on the development and characterization of novel 4.596 GHz and 6.834 GHz microwave frequency synthesizers devoted to be used as local oscillators in high-performance Cs and Rb vapor-cell atomic clocks. The key element of the synthesizers is a custom module that integrates a high spectral purity 100 MHz oven controlled quartz crystal oscillator frequency-multiplied to 1.6 GHz with minor excess noise. Frequency multiplication, division, and mixing stages are then implemented to generate the exact output atomic resonance frequencies. Absolute phase noise performances of the output 4.596 GHz signal are measured to be -109 and -141 dB rad(2)/Hz at 100 Hz and 10 kHz Fourier frequencies, respectively. The phase noise of the 6.834 GHz signal is -105 and -138 dB rad(2)/Hz at 100 Hz and 10 kHz offset frequencies, respectively. The performances of the synthesis chains contribute to the atomic clock short term fractional frequency stability at a level of 3.1 × 10(-14) for the Cs cell clock and 2 × 10(-14) for the Rb clock at 1 s averaging time. This value is comparable with the clock shot noise limit. We describe the residual phase noise measurements of key components and stages to identify the main limitations of the synthesis chains. The residual frequency stability of synthesis chains is measured to be at the 10(-15) level for 1 s integration time. Relevant advantages of the synthesis design, using only commercially available components, are to combine excellent phase noise performances, simple-architecture, low-cost, and to be easily customized for signal output generation at 4.596 GHz or 6.834 GHz for applications to Cs or Rb vapor-cell frequency standards.