导读

超长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）通过将分布在不同地域的射电望远镜进行相干联合，构建等效于地球大小的虚拟望远镜，是当前天文学研究中实现超高角分辨率观测的核心技术。然而，随着VLBI观测频率不断靠近毫米波及亚毫米波以及观测带宽的持续拓宽，观测系统对射频本振（local oscillator, LO）信号稳定性和仪器相位标定（phase calibration, PCAL）精度的要求急剧提升。

针对这一关键挑战，来自韩国科学技术院的Jungwon Kim团队提出并实证了一种基于光学频率梳的VLBI射频信号生成与分发的新方案。研究团队将氢原子钟稳定的光学频率梳信号，通过时间稳定的光纤链路直接传输至射电望远镜天线端，在接收处经光电转换同时生成具备低相位噪声的射频本振信号与宽带射频梳状相位标定信号，并在韩国VLBI网络的真实观测中成功实现条纹探测与PCAL信号提取，验证了该方案在下一代宽带VLBI系统中的应用潜力。

相关研究成果以“Optical frequency comb integration in radio telescopes: advancing signal generation and phase calibration ”为题发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，韩国科学技术研究院的Minji Hyun和Changmin Ahn为论文共同第一作者，Jungwon Kim为通讯作者。

研究背景

VLBI观测技术的核心在于对来自天体的射电信号的相位信息进行长期稳定的高精度测量。随着观测频率升高，电离层和对流层效应、接收端相位漂移以及参考时钟稳定性等因素都会显著影响相位一致性。为减小大气引起的快速相位起伏，多频同时观测已成为毫米波VLBI的重要发展方向，而这就要求仪器相位标定系统能够在宽频段内提供等间隔、稳定且幅度均匀的相位标定信号。

现有的基于电子学器件的PCAL信号发生器受限于工作频率（通常不超过50 GHz）和幅度不均问题，在宽带和高频应用中往往需要复杂的倍频、混频与均衡电路，这既增加了系统复杂度，也引入额外的相位噪声。同样，在本振信号生成方面，氢原子钟输出的低频基准信号需要经过多级电子倍频才能得到高频本振信号，这一过程会引入不可避免的相位噪声，而且难以同时为多频接收机提供多路高质量本振信号。

近年来，光学频率梳因其在光学与微波频率之间建立相干连接的能力，在精密测量和时间频率传递领域展现出巨大优势。部分射电天文台已开始探索基于光纤链路的光学频率与时间分发方案，但将光学频率梳直接引入天线端，用于同时生成宽带PCAL与超低噪声射频本振信号，并在真实VLBI观测中完成系统级验证等关键过程仍缺乏实验实证。

创新研究

本研究将光学频率梳作为统一的射频信号源，集成到VLBI望远镜系统中，实现射频本振与相位标定信号的同步生成与分发。研究团队采用40 MHz重复频率的锁模掺铒光纤激光频率梳，并利用电光采样定时探测器（electro-optic sampling-based timing detector，EOS-TD）将其与氢原子钟进行高精度同步，从源头上保证射频信号的稳定性与原子钟稳定度的一致性。

在系统架构上，研究人员通过一条约100米的时间稳定光纤链路，将已锁定的光脉冲从观测站传输至天线接收机，并在链路中引入基于EOS-TD的群时延主动补偿机制，从而有效抑制环境扰动引起的时间抖动。实验结果表明，该光纤链路的残余定时噪声和长期漂移均显著低于氢原子钟本身的噪声水平，确保了高频射频信号生成的相位纯度。

在天线端，研究团队通过高速光电探测器将光脉冲直接转换为宽带射频梳信号，可在50 GHz范围内生成等间隔（40 MHz）的射频频率梳，满足VLBI的宽带PCAL注入需求。同时，结合光学脉冲重复频率倍增技术，研究团队从同一光学频率梳中提取出16.64 GHz和19.2 GHz等低相位噪声射频单频信号，用作接收机本振信号，测量结果显示其100 kHz偏移处的单边带相位噪声优于−126 dBc/Hz，这一性能已接近测量仪器噪声底部极限。

研究团队将该系统成功部署至KVN-Yonsei射电望远镜，并参与了多站联合VLBI观测。在22 GHz观测频段中，系统实现了稳定的条纹探测与PCAL信号提取，PCAL相位在整个观测过程中保持良好稳定性，充分证明了光学频率梳方案在真实VLBI运行环境下的可行性与可靠性。

图1：VLBI 射电望远镜中射频信号的光子学产生与分发示意图。该系统将由氢原子钟（H-maser）锁定的光学脉冲从观测站通过光纤传输至天线接收机，在VLBI接收端生成用于信号下变频与相位标定的射频本振（RF-LO）信号和射频频率梳（RF-comb）信号。图中标注：EDFA，掺铒光纤放大器；EOS-TD，基于电光采样的定时探测器；FM，法拉第旋转镜；OFC，光学频率梳（40 MHz重复频率的锁模掺铒光纤激光频率梳）；O/E，光-电转换；PI，比例-积分伺服控制器。

图2：氢原子钟–光学频率梳同步性能。（i）自由运行的 40 MHz光学频率梳源的重复频率绝对相位噪声，按800 MHz载频进行标度换算；（ii）由信号源分析仪测得的、锁定至氢原子钟的OCXO所产生的 800 MHz 微波信号的绝对相位噪声；（iii）采用循环外电光采样定时探测器测得的氢原子钟–光学频率梳同步残余相位噪声。

图3：射频本振信号的相位噪声表征。图中所示为提取的射频本振信号在（a）16.64 GHz 和（b）19.2 GHz 处的单边带（SSB）绝对相位噪声测量结果。图中给出的热噪声底限由入射至光电探测器的光功率以及射频放大器的噪声系数计算所得。

图4：观测过程中探测到的PCAL幅度与相位。采用韩国 VLBI 网络（KVN）延世（Yonsei，KY）射电望远镜观测，在以 22 GHz 为中心、带宽为 512 MHz 的右旋圆极化（RHCP）频段内，共探测到 13 个 PCAL信号，信号间隔为40 MHz。各信号对应的频率分别为 21560、21600、21640、21680、21720、21760、21800、21840、21880、21920、21960、22000 和 22040 MHz。

总结展望

该研究首次在实际VLBI系统中完整展示了基于光学频率梳的射频本振与相位标定信号一体化生成方案，为解决宽带、高频VLBI中的仪器相位稳定与标定难题提供了全新的技术路径。且实验结果表明该方法在频率覆盖范围、相位噪声性能以及系统简化程度方面，均相较传统电子学方案具有显著优势。

从应用前景看，该光子学方案具备良好的可扩展性：随着高速光电探测器带宽的提升，其射频梳覆盖频率有望拓展至100 GHz以上，直接服务于毫米波和亚毫米波VLBI观测；同时，由于光学频率梳天然具备连接光学钟与微波频率的能力，该系统也有潜力作为未来光学原子钟稳定度向VLBI系统“最后一公里”传递的关键接口，为洲际光钟比对和高精度大地测量提供技术支撑。

总的来说，该工作不仅在工程实现层面推进了VLBI射频系统的光技术升级，也为下一代高频、宽带VLBI以及精密时间频率应用奠定了坚实基础，具有重要的科学价值和长期应用前景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02056-w