デュアル周波数光源

関連出願の相互参照

本出願は、(i)Kerry Vahala氏、Scott Diddams氏、Jiang Li氏、Xu Yi氏、Hansuek Lee氏らにより2014年1月24日に出願された「Cascaded Optical Divider and Microwave Synthesizer(カスケード接続光分周器およびマイクロ波合成器)」と題される米国仮特許出願番号第61/931060号と、(ii)Jiang Li氏、Kerry Vahala氏らにより2014年4月22日に出願された「Dual SBS Lasers as Frequency References for Stable Microwave Generation by Optical Frequency Division(光分周によって安定マイクロ波を発生させるための周波数基準としてのデュアルSBSレーザ)」と題される米国仮特許出願番号第61/982749号とに基づいて優先権を主張するものである。上記両仮特許出願の内容のすべてを参照により本明細書に援用する。本出願は2015年1月26日(月曜日)に出願された。 (連邦政府後援下の研究についての陳述)

米国空軍により認可された第FA9550‐10‐1‐0284号及び全米科学財団により認可された第PHY‐1125565号の下に米国政府援助を受けて本発明はなされた。米国政府は本発明に関して一定の権利を有する。

本発明の技術分野は、デュアル光周波数信号を発生させることおよびデュアル周波数光源に関する。特に、高度な差周波数安定性および低位相ノイズを示すデュアル光周波数信号を発生させるための装置および方法を本明細書に記載する。

本明細書において開示または特許請求される主題は、以下の非特許文献に開示された主題と関連しうる。以下に挙げる各非特許文献の内容のすべてを参照により本明細書に援用する。

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デュアル周波数光源は、(a)第1および第2のポンプレーザ周波数v_pump1およびv_pump2において光ポンプパワーをそれぞれ発生するように構成された第1および第2のポンプレーザ源と、(b)ブリルアンシフト周波数v_Bおよびそのブリルアンシフト周波数の整数分の1と実質的に等しい自由スペクトル領域によって特徴付けられる光共振器とを備える。第1および第2のポンプレーザ源のそれぞれは、光共振器の対応する共振光モードに周波数ロックされている。デュアル周波数光基準源の第1および第2の光出力信号は、それぞれ第1および第2の出力周波数v₁=v_pump1−v_Bおよびv₂=v_pump2−v_Bを有するとともに、それぞれ第1および第2のポンプレーザ源による光共振器の同時光ポンピングによって発生する誘導ブリルアンレーザ出力を含む。出力差周波数v₂−v₁は約300GHzよりも大きい。

上記デュアル周波数光源を用いて、第1および第2の光出力信号を発生させる方法は、第1および第2のポンプレーザ源からの光ポンプパワーを用いて光共振器を同時にポンピングすることを含む。

マイクロ波周波数源ならびにデュアル周波数光源、およびそれらの使用方法に関する目的および効果は、図面に示され、かつ以下の明細書または添付の特許請求の範囲に開示される実施形態の例を参照することにより明らかとなりうる。

この「発明の概要」では、以下の「発明を実施するための形態」で詳細に説明する各概念から選択したものを単純化して記載した。上記「発明の概要」は、特許請求する主題の鍵となる特徴または必須の特徴を特定することを意図していないだけでなく、特許請求する主題の範囲を画定するための手がかりとして用いられることも意図していない。

本発明に係るマイクロ波周波数源の模式図である。

位相ロック・ループ構成において電圧制御発振器に接続された、本発明に係る電気光学分周器の模式図である。

多数の側波帯光信号を含む模擬光スペクトルを示す図である。

本発明に係る光分周器と従来の電気分周器とを比較した図である。

本発明に係るマイクロ波周波数源の測定スペクトルとノイズのグラフである。

本発明に係るマイクロ波周波数源の測定スペクトルのグラフである。

本発明に係るデュアル周波数光源の模式図である。

本発明に係る別のデュアル周波数光源の模式図である。

本発明に係るデュアル周波数光源の測定スペクトルのグラフである。

添付図面の実施形態は模式的にのみ示したものである。すなわち、すべての特徴を完全に詳細に示し、かつ適正な割合で示しているとは限らない。理解しやすいように他の要素と比べて誇張して描いた特徴や構造も存在しうる。よって添付図面は原寸に比例していると見なされるべきではない。図示した実施形態は例示に過ぎない。すなわち、それらは本開示の範囲または添付の特許請求の範囲を限定すると解釈されるべきではない。

マイクロ波周波数発振器および無線周波数発振器は、通信、遠隔探査、航行、レーダ、科学的測定、コンピュータ、時計、時間標準などさまざまな分野で広く用いられている。それら発振器は、しばしば制御可能に同調させることができる単一の電気周波数を供給する。それらの性能は、パワー出力、周波数同調範囲、周波数安定性を含むさまざまな測定基準を用いて特徴付けられる。最後に挙げた測定基準である周波数安定性はほとんどの用途において極めて重要であり、発振器の価格はその発振器により得られる周波数安定性レベルと直接関連している。性能が非常によい発振器は、典型的には、高安定周波数を生成するために高Q誘導体共振器を用いる電気発振器に基づくものであった。安定した無線周波数信号またはマイクロ波周波数信号を発生させるためのもう1つの周知手法として、2つの高コヒーレントなレーザ信号を光検出することが挙げられる。光学検出器(すなわち光検出器)に共入射するとともにその光学検出器の検出周波数帯域幅範囲に収まる周波数差を有する2つの光信号は、それら光信号の光差周波数を有する電気出力信号を光学検出器から生成する。これは「うなり音」または「うなり周波数」とも称される。ここ数年間で開発された新たな手法では、周波数コム光分周器(単に「光分周器」とも称される)として知られるデバイスを用いてマイクロ波を合成する革新的な全光学的手法が用いられている。光分周器は、数百テラヘルツで発振する高コヒーレントな光信号を入力として受信する。通常、これは光基準キャビティによって安定化されたレーザ信号である。この非常に高い入力周波数は、光分周器を用いて無線周波数範囲またはマイクロ波周波数範囲(数百メガヘルツまたは数百ギガヘルツ)の速度まで分周される。この分周工程により、最終信号における位相ノイズは当初の光信号と比べて大幅に低減することになり、顕著(かつ記録的)な安定性を示す無線/マイクロ波信号がこのようにして得られる。この低減を達成するため、周波数コム光分周器では特別モードにロックされたレーザを使用する。

本明細書では、周波数制御入力が可能な電気発振器(電圧制御発振器またはVCO(voltage-controlled oscillator)とたびたび称される)により供給されるマイクロ波周波数信号の光分周および安定動作を達成するための新規かつ進歩性のある装置および方法を開示する。この新規手法は、本方法の実現可能性を証明する予備的測定値とともに本明細書に記載される。本発明に係る手法では、レーザが供給する2つの基準光信号の周波数は安定化し、したがって、このレーザ同士の相対周波数(すなわちレーザ同士の差周波数)は可能な限り安定している(または所与の使用または用途に必要な性能を達成するのに実施可能な限り安定している、すなわち動作的に許容できる基準帯域幅において比較的安定している)。次いで、これらレーザ信号は、VCOにより駆動されるカスケード接続された複数の位相変調器により位相変調される。光スペクトルでは、これによって、当初の各レーザ周波数に基づいて、変調周波数により離間される側波帯スペクトルが作り出される。強度変調器、分散補償器、(必要に応じてまたは所望する場合)光増幅器、および非線形光媒質を用いると、位相変調された光信号のスペクトルを広げることできるため、側波帯周波数スペクトルにおける側波数をさらに増加させることができる。実施可能な最大限の安定性をVCOに与えるには、レーザ同士の周波数分離を(所与の使用または用途に対して)実施可能な限り大きくすることが望ましい。しかしながら、周波数分離はカスケード接続された位相変調器(および行った場合は非線形光幅広化)によって生成される側波帯の範囲を超えることはできない。最も内側にある2つの側波帯(図3参照)の周波数は、それら側波帯間のうなり周波数がフォトダイオードを用いて検出できるくらい十分接近していなくてはならない。以下でさらに説明するが、フォトダイオード信号はVCOから生じる位相情報を含み、VCOを安定化させるために用いられる。本発明に係る方法により、オフセット周波数10kHzおよび100kHzを有する高性能電気発振器よりも遥かに低い位相ノイズレベルを示す高安定マイクロ波周波数信号を発生させることが既に可能となっている。本発明に係る方法の成果は、2つの基準光信号の周波数分離をさらに大きくすることで実質的に向上させることができる。本明細書に開示する例では、これら基準光信号は、単一の高Qディスク共振器をデュアルポンピングして、2つの別個の波長を有する誘導ブリルアン振動が生成することにより供給される。以下でさらに検討するが、周波数分離は、別々のレーザ線を同じキャビティ内で効率的にポンプさせる能力によって制限される。その他のデュアル光周波数基準源を用いることもできる。例として、単一の基準共振器キャビティの別々のモードに周波数ロックされた2つのレーザを含む基準源が挙げられる。

本明細書に開示する本発明に係る方法は、従来の周波数コム光分周器と同程度の記録的な周波数安定性を未だ達成してはいない。しかしながら、上記したパルス幅広化方法における進歩により、既に確認されているものを越える性能向上がもたらされるはずである。位相ノイズは分周比の2乗分だけ低減し、差周波数が大きいほど分周比も大きくなるからである。また現在の性能制限を埋め合わせることができれば、本発明に係る手法では高性能かつ高価なデバイスであるモードロック周波数コム発生器を用いる必要がなくなる。代わりに、本発明に係る方法では、そのほとんどが市販されている比較的単純かつ安価な光学素子が用いられる。また多くの例において、基準周波数(すなわち2つの光源の差周波数)は、単一共振器内の2つの共振の相対安定性に依存する。これは原則的にはより強固な基準となる。システムにおける技術的ノイズ(すなわち、システムの物理的性質に固有の量子ノイズではなく、装置における不安定性から生じるノイズ)は両共振に共通しており、したがって差周波数ではその大半は打ち消されるからである。一方、従来の分周器を用いた手法は絶対基準周波数に依存し、これは技術的ノイズからの影響をより強く受けるものである。本明細書に開示する本発明に係る光分周器の動作原則は、繰り返し周波数(すなわち側波帯間隔)が、光キャビティとは違い、電気VCOにより設定されることにおいても異なる。結果的には出力信号のマイクロ波周波数を同調させることが可能になる。これは従来の周波数コム光分周器では容易に達成できないことである。また従来の周波数コム分周器を用いた手法は、高帯域幅を有する一連の高ピーク電力パルスの光検出に依存するものである。この手法を用いた場合、光検出工程の線形性が周波数安定性を達成するのにきわめて重要であることが確認されており、よって、用いる光学検出器の種類は大幅に制限される。一方、本発明では、より低帯域幅の光学検出器、または線形性要求がより緩和された検出器を用いることができる。

高性能マイクロ波周波数信号を発生させるための光分周を達成する本明細書で開示する本発明に係る装置および方法では、直接位相変調とさらには(直接位相変調のみを用いて達成できる分周比よりも大きい分周比を達成することが必要な場合または望まれる場合)自己位相変調も含むカスケード式の位相変調が用いられる。モードロック・レーザにより生成されるスペクトル線のコムとは対照的に、光キャビティがないため、カスケード接続された位相変調器には固有の繰り返し周波数がない。これによりカスケード発生させた側波帯コムには任意で選ばれる線間隔周波数を与えることができるが、これは、従来の周波数コムで行われるやり方とは異なるやり方で光分周が達成されなければならないことも意味している。

図1〜図3に本発明に係る手法を示す。この手法では、十分に良好な(すなわち動作的に許容できる)相対周波数安定性を有する2つのレーザ線により、マイクロ波周波数源用の2つの光基準信号120a/120b(スペクトル101により特徴付けられる)が供給される。図1はシステムの高レベルブロック図、図2は該システムの所定要素のさらなる詳細図、図3は本発明に係る手法に関連する光信号の周波数スペクトルの模式図である。いくつかの例では(以下に記載)、2つのレーザ線120a/120bは、2つの対応する独立ポンプレーザ130a/130b(後に説明する図7、8を参照)によりポンプされる単一の高Qマイクロキャビティ110またはファイバループ・キャビティ110’(FLC:fiber-loop cavity)での同時ブリルアン振動により生成される。あるいは、2つのレーザを単一かつ共通の基準キャビティ180の別個の各光モードに周波数ロックするか、または別個の各原子遷移190に周波数ロックすることによるデュアルモード・レーザにより2つのレーザ線120a/120bを生成することもできる。2つの基準レーザ線は電気光学分周器(すなわち電気光学側波帯発生器)に入り、そこでそれらレーザ線は一対の変調器220により、電圧制御電気発振器600(VCO)により設定された周波数f_Mに位相変調される。位相変調器220によって作り出された側波帯スペクトル301は、パルス形成および光ファイバ350での自己位相変調によってさらに幅広化することができる。このようにして作り出された多数の側波帯光信号は各レーザ線120a/120bから展開し、一対の側波帯光信号430a/430bが(典型的には差周波数スパンの中央地点付近に)もたらされる(スペクトル401参照)。側波帯光信号430a/430bはフォトダイオード420を用いて光学的にフィルタ処理され検出される。以下で検討するように、2つの検出された側波帯信号430a/430bによって発生するうなり音信号には、側波帯信号430a/430bに到達するために必要な側波帯の数である光分周係数(N₁+N₂)分だけ強められたVCO600の位相ノイズが含まれる。したがって、うなり音によりVCO600の位相ロックループ制御に適した誤差信号が供給される。

本発明に係るマイクロ波周波数源と、周波数基準10およびVCO30を用いた従来のマイクロ波周波数源とを比較することは興味深い。従来手法では(図4参照)、VCO30によりシステムの最高周波数が供給される。この周波数は、電気分周器20、および石英発振器などの低周波数基準発振器10との位相比較により安定化される。一方、本明細書に開示する本発明に係る電気光学分周器は、周波数領域において基準とVCOとの位置を逆にすることにより動作する。具体的には、光基準100はレーザ線同士の相対周波数分離により供給されるが、この周波数分離は、VCO600の周波数よりも何倍も大きくなるよう行われる(本実施では、これは典型的には光学検出器を用いても検出できない速度である)。さらに、(従来の基準源で行われるように)VCO周波数が基準周波数速度まで分周されるのではなく、(本発明に係る基準源では)基準周波数がVCO周波数まで分周される。この逆転を行うことにより、本発明に係るデバイスは(i)光発振器の安定性(これは今や典型的にはマイクロ波発振器の安定性を越える)および(ii)その安定性をマイクロ波領域に移動させる光分周パワーを得る。また、本発明に係る分周器の速度は電気VCO600に由来するため、これは継続的に同調可能である。特に、周波数出力は、電気VCOの同調範囲および基準レーザ線同士の周波数分離により設定され、キャビティの繰り返し速度によって固定されない。

周波数分離の使用は、マイクロ波発生用の基準を得るための絶対周波数とは違い、従来のモードロック・レーザ周波数コムを用いて実践されてきた。このような種類のデバイスでは、周波数コム光分周器は、コムを基準キャビティの2つの周波数にロックすることによって用いられる。その他の従来の光分周器で得られるように、コムの検出により分周信号が供給され、それはこの場合では基準キャビティモードの周波数分離にあたる。この2点でロックする手法は、以前から、2本の原子線および周波数マイクロコムを用いる際に実行されてきた。

図3に、本発明に係る分周器により得られる位相ノイズ低減の原点を示す。発生した側波帯光信号の蓄積された位相ノイズ寄与は、2つのレーザ源から、検出可能なうなり音を発生する検出側波帯の位相差まで辿ることができる。検出うなり音は基準発振器信号と比較される。VCO600の位相を調整して位相差をなくすことにより、生じるVCO変動Δφは、φ²_M=(φ₁−φ₂)²/(N₁+N₂)²の値まで低減し、2つのレーザ源の位相ノイズ(例えば共通モードの技術的ノイズから生じる)における相関関係はこの手法では打ち消される。VCO600の相対位相ノイズの最下限は、分周係数の2乗分だけ低減された(すなわち(N₁+N₂)²分の1に低減された)レーザ線の光位相ノイズによって決まる。電気VCO600の位相ノイズを低減するには、レーザ周波数分離(すなわち差周波数)は可能な限り(または所与の使用または用途で実行可能な限り、すなわち動作的に許容できる限り)大きくすべきことは明らかである。本発明に係るシステムの好適な実施形態では、差周波数のこの大きさはデュアルポンプされるブリルアンレーザのスパンにより決定する。

図7にデュアル光周波数基準源の例をより詳細に示す。光基準レーザ信号120a/120bは、シリカ・オン・シリコンによる単一の高Qディスク共振器110内で共レーザ発振する各ブリルアンレーザ線により供給される。個々のブリルアンレーザ線のコヒーレンス性は優れており、ブリルアンレーザ線同士の相対周波数安定性は共通共振器内での共レーザ発振により高められる。本発明に係るマイクロ波周波数源では、ブリルアンレーザ線同士は、デュアルポンプ構成で必要とされる十分な大きさの差周波数により分離される。この例では、シリカディスク共振器110は、ポンプ波長1550nmにおけるシリカ内のブリルアン・シフト周波数と実質的に一致する約10.890GHzの自由スペクトル領域(FSR:free-spectral range)を有するように設計および作製される。別のブリルアン・シフト周波数を示すその他の必要な、所望の、または適切な材料を用いることもできる。各ポンプレーザ130a/130b(それぞれ対応波長λ₁、λ₂で発振する)は、Pound‐Drever−Hall(PDH)法を用いてディスク共振器110の対応する別個の共振光モードに周波数ロックされ、サーキュレータ114を介してディスク共振器110に接続され、それぞれの光基準周波数v₁およびv₂において各々の対応するブリルアンレーザを逆伝播方向に励起する。PDH法は、光帯域フィルタ132a/132b、光検出器134a/134b、およびフィードバック/サーボ機構136a/136bをそれぞれ用いることにより各ポンプレーザ130a/130bに対して実行される。各ポンプ波長の制御は、直接レーザ制御(ポンプレーザ130aの場合)またはレーザ出力の周波数シフト(ポンプレーザ130bの出力における音響光学的シフトの場合)により行われる。2つのSBSレーザ間の周波数分離(すなわち差周波数v₂−v₁)は、ポンプレーザ130a/130bが、異なる方位角モード次を有する各共振モードにおいてそれぞれポンプするよう同調させることにより容易に同調させることができる。図8に類似の例を示す。図8では、ディスク共振器110に代えてファイバループ光共振器110’(すなわちファイバループ・キャビティまたはFLC:fiber-loop cavity)が用いられる。

単一かつ共通のFLCでのファイバに基づくSBSレーザのデュアルポンピングは、以前は、光信号の従来の光検出によって安定マイクロ波周波数信号を発生させるために適用されており、この際、2つのポンプレーザ波長は、所望のマイクロ波周波数における電気光学位相変調によって発生した単一連続波(CW:continuous-waver)レーザの側波帯であった。この以前の構成では、必然的に、2つのSBSレーザ周波数はそれらの差周波数(すなわちうなり音)が光学検出器を用いて直接検出可能であるくらい十分接近している。一方、本発明に係る構成のSBSレーザ周波数v₂およびv₁の周波数分離は遥かに大きい(例えば、さまざまな実験において109、198、327、および1612GHzであった。これらは、独立して同調可能な各CWレーザを用いる10、18、30、および148キャビティFSRによって分離されるディスク共振器光モードのデュアルポンピングにより得たものである)。これらの大きい周波数分離を用いて分周係数を増加させることによって、光分周により位相ノイズの低減を向上させることができる。したがって、周波数分離(すなわち差周波数v₂−v₁)は、可能な限りまたは実行できる限り大きくすることが望ましい。このような大きい周波数分離は光学検出器の検出帯域幅を大幅に超えるため、典型的には大きすぎて差周波数(すなわちうなり音)を光学的に検出することはできない。これまでに構築された実施形態における最大分離である1612GHzは、用いられるエルビウム添加ファイバ増幅器の利得帯域幅の端付近である1537nmにあるSBSポンプレーザのうちの一方により制限されるが、その他のポンプ源を用いて光基準信号120a/120bのより大きいスペクトル分離を実現することもできる。図5Aに、これらスペクトル分離のいくつかにおける各デュアルSBS線の測定光スペクトルを示す。これは注目すべきことだが、2つのSBSレーザ信号120a/120bは、単一かつ共通のチップに基づくディスク共振器110を共有するだけでなく、後続の光/電気変換の間中、光ファイバ路も共有しており、それにより路長変動による影響も抑制できる。

図7および図8の例では、光基準信号120a/120bはサーキュレータ114を用いて光分周器部分に接続されている。多数の側波帯光信号310を発生させるために、(12GHzにおいて)比較的低いV_π約3.9Vを有する2つの位相変調器220/230を備えた側波帯発生器200が用いられる。2つの位相変調器220/230はカスケード接続され、対応するRF位相シフト器224/234(図1および図2参照)と位相同期する。位相変調器220/230は32.5dBmと30.7dBmで駆動され、約6π(およそπV_drive/V_π)までの合計位相変調振幅に対応する。これは、変調器220/230により生成される側波帯の数の半分ともおおよそ等しい。位相変調器220/230への駆動信号(すなわち側波帯発生器入力電気信号)は、周波数f_Mを有するVCO600の出力電気信号の一部620である(側波帯発生器入力光信号として作用する)。一例では、側波帯発生器の第1の部分200のみを用いて(すなわち側波帯信号310を発生させるために位相変調器220/230のみを用いる(図2の経路I参照))、最高で約30(すなわちN₁+N₂が最高で約30)の電気光学変調された(EOM:electro-optic-modulated)側波帯を発生させることができる。これにより、最高差周波数v₂−v₁は約327GHzとすることができ、最高で約30の係数による光分周も可能になる。図5Bには、元の各SBSレーザ線(18FSR周波数分離)と得られる位相変調側波帯の両方を示す測定光スペクトルを示す。30分周の場合、マイクロ波周波数信号610の位相ノイズは、周波数f_Mのフィードバック安定化により(以下でさらに説明する)、光基準信号120a/120bの差周波数の位相ノイズと比べて、約900分の1に減少することになる。図2に示す例では位相変調器を2つ用いたが、十分多くの側波帯を生成するのに十分大きい変調を得られるのであれば、用いる位相変調器は1つでもよい。

側波帯スペクトル幅をさらに拡大するには、追加で位相変調器を用いるか、またはより大きい位相変調振幅を可能にする位相変調器を用いることもできる。あるいは、またはそれに加えて、側波帯発生器の第2の部分300を用いることにより、いわゆる連続発生(例えば、先に援用したHuang et al (2008)、Morohashi et al (2009)、Ishizawa et al (2013)、およびSuzuki et al (2013)の刊行物を参照)を行うこともできる(図2の経路II参照)。この部分は、強度変調器320(VCO信号620の一部により周波数f_Mで駆動されるとともに位相シフト器324を用いて同期する)と、分散補償器330と、光増幅器340と、非線形光媒質350とを備えている。典型例では、強度変調器320は電気光学マッハ・ツェンダ干渉計を、分散補償器330は適切な長さの適切な分散性を有する光ファイバ(例えば、分散シフト光ファイバまたは分散シフトグレーティングを含む光ファイバ)を、光増幅器340はエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA:erbium-doped optical fiber amplifier)を、そして非線形光媒質350は適切な長さの高度に非線形な光ファイバ(HNLF:highly nonlinear optical fiber)を含むことができる。その他の機能的に同様な部品、例えば電界吸収型変調器を用いることもできる。この例では、位相変調器220/230にカスケード接続される連続発生を用いることで、位相変調器のみを用いた場合と比べて、2つの基準光信号120a/120bをスペクトル的により遠くに離間させるのに十分な数の側波帯を発生させることができる。この例では、差周波数v₂−v₁はディスク共振器110の148FSRまで発生させることができる(すなわち、先に述べたように、EDFAの利得帯域幅による制限によって、この例では最高で約1.6THzまで離間し、N₁+N₂の値は最高で148となる)。148分周の場合、マイクロ波周波数信号610の位相ノイズは、周波数f_Mのフィードバック安定化により(以下でさらに説明する)、光基準信号120a/120bの位相ノイズと比べて、約20000分の1以上、低減することになる。さらに大きい差周波数を用いることにより、位相ノイズのさらなる低減も達成することができる。

送信された2つの光側波帯430a/430b(周波数はそれぞれv₁+N₁f_Mおよびv₂−N₂f_Mであり、典型的には<

Mであるδfにより分離されている)は光帯域フィルタ410によって送信され、増幅光学検出器420(この例では帯域幅125MHz)を用いて検出される。これらの送信された側波帯信号を線形重畳することにより光学検出器420に入る信号が得られ、光学検出器420は、うなり音周波数f

_BEAT=(v

₂−N

₂f

_M)−(v

₁+N

₁f

_M)を有する光学検出器電気信号を生成する。基準発振器510は周波数f

_Rの基準発振器電気信号を発生する(この例では10MHzで動作する石英発振器を用いたが任意の適切な基準発振器を用いることができる。周波数f

_Rとしては約1MHz〜約500MHzを用いた)。基準発振器510により寄与された位相ノイズも全体的な分周によって低減され、光分周工程によって達成可能な位相ノイズ低減にいかなる制限も与えることはない。電気回路520は、フォトダイオードの位相と基準電気信号の位相とを比較し、(任意の必要な、所望の、または適切なやり方で)誤差信号を発生させ、その誤差信号は次いで回路520により(任意の必要な、所望の、または適切なやり方で)ループフィルタ処理される。ループフィルタ処理された誤差信号は、VCO600を周波数v

₂−v

₁±f

_Rの分数調波(すなわち整数分の1)に位相ロックするのに用いられるVCO電気入力信号530として機能する。この例では、VCOは外部のFM変調入力モードを用いて動作するマイクロ波発生器を備えているが、任意の適切な種類のVCOまたは任意の適切なVCO動作を用いることもできる。

ブリルアンレーザの位相ノイズレベル(位相ノイズ基準レベル)を確立するために、図7のデュアルSBSレーザの例からの出力を高速光学検出器(50GHz帯域幅)において光検出することにより生成されたうなり音の単一側波帯(SSB:single sideband)位相ノイズ(L_φ)を、図5Cの一番上の曲線で表す。この測定を行うにあたり、デュアルSBSレーザ信号は3つの離間したFSRにおいてポンプされ、光学検出器を用いて検出可能であるとともに電気位相ノイズ分析器で分析することもできる32.7GHzのうなり音がもたらされる。位相ノイズレベルは、SBSレーザ周波数の周波数同調によらずおよそ一定を維持することが確認されており、したがって、本発明の分周工程で用いられるような非常に大きい(すなわち検出不可能な)周波数分離にレーザを同調させた場合であってもレーザの基準位相ノイズの目安となる。オフセット周波数(例えば図5Cにおける横軸)が100Hzよりも高い場合、ノイズスペクトルはシャウロウ・タウンズのノイズにより制限される。一方、オフセット周波数が100Hzより低い場合は、技術的ノイズ成分が存在する。現在の実験では、このスペクトルにより、光分周係数N₁+N₂によって2乗的に低減する基準ノイズレベル(周波数差の不変量)が得られる。光分周器を試験するためには、図1〜図3に示すように、ループフィルタ処理した誤差信号530をVCO制御/同調入力ポートに供給することによってVCO600を分周光基準にロックする。図5Cの下の2つの曲線は、デュアルSBS線120a/120bの当初周波数分離と比べて、30倍(下から2番目の曲線)および148倍(一番下の曲線)光分周した場合の10.89GHzにおけるVCO600の対応する測定位相ノイズスペクトルである。分周比が大きいほど位相ノイズが低減することがデータから明らかである。これらの測定では、同調可能なポンプレーザ源130a/130bを用いてブリルアンレーザ線同士の周波数分離を調整することにより、出力信号610の周波数を10.89GHzに保持している。ちなみに、900kHz付近(分周比30、図2の経路Iを用いて達成される)および300kHz付近(分周比148、図2の経路IIを用いて達成される)の位相ノイズスペクトルにおける特性は、位相ロックされたループ制御回路のサーボ隆起である。これら周波数はサーボ・ループ遅延により決定され、サーボ・ループ遅延は光路長・電気路長およびVCO600の同調応答を含む。

位相ロック状態下でのVCO位相ノイズの性能向上を示すために、自走VCO600の位相ノイズスペクトルを図5Cの破曲線で表わす。327GHzのブリルアン光差周波数を係数30で分周する場合(図2の経路I、位相変調器220/230のみを使用)、元の自走VCO600と比べて1kHz〜100kHzのオフセット周波数に対しておよそ20dBの位相ノイズ低減が確認される。また、10.89GHzのキャリアに対し、オフセット周波数10kHzにおいては−112dBc/Hz、オフセット周波数100kHzにおいては−127dBc/Hzの位相ノイズレベルが達成される。1.61THzのブリルアン光信号差周波数を係数148で分周する場合(図2の経路II、位相変調器に加えて連続発生を使用)、10.89GHzキャリアに対して達成される位相ノイズレベルは、オフセット周波数1kHzにおいては−104dBc/Hz、オフセット周波数10kHzにおいては−121dBc/Hz、オフセット周波数100kHzにおいては−119dBc/Hzである。分周比148の場合のオフセット周波数100kHzにおける位相ノイズが上昇する理由は、このオフセットはサーボピークである300kHz(サーボ帯域幅)に近いからである。図5Dに10.89GHzでのVCO出力610の測定スペクトルを示す(電気スペクトル分析器の設定は20kHzスパンと30Hz解像帯域幅)。一番上の曲線は自走VCOスペクトルである。一方、その他のスペクトルは、上から、対応SBS周波数分離196GHz、327GHz、1.61THzをそれぞれ18、30、148分周した場合の位相ロックされたVCO600のスペクトルである。図5Eでは、オフセット周波数1kHz、10kHz,100kHzにおける測定位相ノイズを、分周比1、3、4、10、18、30、148に対してプロットすることにより上記結果をまとめた。破線は1/(N₁+N₂)²のフィッティングを表し、測定値と良好に一致する。比較として、上側の水平破線ではアジレント社のMXGマイクロ波合成器(キャリア:11GHz、オフセット:100kHz、アジレント・オンライン・データシート、文献番号5989‐7572EN)の位相ノイズを示し、下側の水平破線ではアジレント社の高性能PSGマイクロ波合成器(キャリア:11GHz、オフセット:100kHz、アジレント・オンライン・データシート、文献番号5989‐0698EN、オプションUNX)の位相ノイズを示す。

これまでに示した例では、マイクロ波周波数f_Mは固定されていたが、この周波数は分周比を変えることにより調整することができる。具体的には、デュアルSBS線の固定分離v₂−v₁に対する分周比N₁+N₂およびVCO周波数f_Mを変えることにより、異なるキャリア周波数の位相ロック周波数合成(例えば、f_M=(v₁−v₂±f_R)/(N₁+N₂))が可能になる。例えば図6Aでは、側波帯周波数同士は2つの異なる分周比26と30にの場合、中間点においてほぼ重なり合う。唯一の要件は、差周波数v₂−v₁を所望の出力/変調周波数f_Mの整数倍とほぼ等しくすることである。図6Bには位相ロックされた12.566GHzの出力信号610の測定ノイズスペクトルを示し、図6Cには9.075GHzの出力信号610の測定ノイズスペクトルを示す。さらに、当初の基準周波数分離v₂−v₁も同調させることができる。可変FSRを有する複数の基準キャビティ110または180を用いることで、1つの分周器で幅広い範囲の出力周波数を発生させることが可能になる。

図1および図2を参照すると、マイクロ波周波数源は、出力周波数f_Mを有する出力電気信号を発生するように構成されており、このマイクロ波周波数源は、(a)デュアル光周波数基準源100と、(b)電気光学側波帯発生器200/300と、(c)光帯域フィルタ410と、(d)光学検出器420と、(e)基準発振器510と、(f)電気回路520と、(g)電圧制御電気発振器600とを備えている。デュアル光周波数基準源100は、(i)第1の光基準周波数v₁を有する第1の光基準信号120aと、(ii)第2の光基準周波数v₂>v₁を有する第2の光基準信号120bとを発生するように構成されている。第1および第2の光基準信号120a/120bのスペクトル101の例を図1の挿入図に模式的に示す。電気光学側波帯発生器200/300は、(i)第1および第2の光基準信号120a/120bと周波数f_Mを有する側波帯発生器入力電気信号とを受信し、(ii)それら信号から、v₁±n₁f_Mおよびv₂±n₂f_M(n₁およびn₂は整数)で表わされる側波帯光周波数をそれぞれ有する多数の側波帯光信号210/310を発生するように構成されている。多数の側波帯光信号310のスペクトル301の例を図1の挿入図および図3に模式的に示す。光帯域フィルタ410は、周波数v₁+N₁f_Mを有する側波帯光信号430aと周波数v₂−N₂f_Mを有する側波帯光信号430b(典型的には<

Mであるδfにより分離される)を含む多数の側波帯光信号210/310のサブセットを送信するように構成されている。送信された側波帯光信号430a/430bのスペクトル401の例を図1の挿入図および図3に模式的に示す。光学検出器420は、(i)送信された側波帯光信号430a/430bを受信し、(ii)うなり周波数f

_BEAT=(v

₂−N

₂f

_M)−(v

₁+N

₁f

_M)を有する光学検出器電気信号440を発生するように構成されている。

基準発振器510は、基準発振器周波数f_Rを有する基準発振器電気信号を発生するように構成されている。電気回路520は、(i)光学検出器電気信号440および基準発振器電気信号を受信し、(ii)それら信号から、電気回路520の比較器部分を用いて、光学検出器電気信号と基準発振器電気信号の相対位相に依存する電気誤差信号を発生し、(iii)電気回路520のループフィルタ部分を用いて電気誤差信号を処理するように構成されている。電圧制御電気発振器600は、(i)ループフィルタ処理された電気誤差信号530をVCO入力電気信号として受信し、(ii)周波数f_Mを有するVCO出力電気信号を発生するように構成され、VCO出力電気信号の第1の部分620は、側波帯発生器入力電気信号として電気光学側波帯発生器200/300に受信され、VCO出力電気信号の第2の部分610はマイクロ波周波数源の出力電気信号となる。電気光学側波帯発生器200/300がVCO出力電気信号の第1の部分620を側波帯発生器入力電気信号として受信することにより、電気回路520と電圧制御発振器600は、位相ロックループ(PLL:phase-locked loop)として機能するように負のフィードバック構成において接続することになる。電気回路520の比較器部分とループフィルタ部分は、任意の必要な、所望の、または適切なやり方で用いることができる。

出力周波数f_Mを有するマイクロ波周波数出力電気信号610を発生させる方法は、(a)デュアル光周波数基準源100を用いて第1および第2の光基準信号120a/120bを発生させることと、(b)電気光学側波帯発生器200/300を用いて多数の側波帯光信号210/310を発生させることと、(c)光帯域フィルタ410を用いて側波帯光信号430a/430bを送信することと、(d)光学検出器420を用いて光学検出器電気信号440を発生させることと、(e)基準発振器510を用いて基準発振器電気信号を発生させることと、(f)電気回路520を用いてループフィルタ処理された電気誤差信号530を発生させることと、(g)電圧制御電気発振器600を用いてVCO出力電気信号610/620を発生させることとを含む。電気光学側波帯発生器200/300がVCO出力電気信号の第1の部分620を側波帯発生器入力電気信号として受信することにより、電気回路520と電圧制御発振器600は、位相ロックループとして機能するように負のフィードバックにおいて接続することになる。

出力周波数f_Mは、電磁スペクトルのいわゆるマイクロ波部分(例えば約0.3GHz〜約300GHz)のうち、任意の周波数をとることができる。いくつかの例では、出力周波数f_Mは約1GHz〜約100GHzである。

図3に模式的に示されるように、電気光学側波帯発生器200/300は差周波数v₂−v₁を係数N₁+N₂で分周するように作用し、光帯域フィルタ410の通過帯域範囲内にともに含まれるくらいスペクトル的に十分近接した一対の側波帯光信号430a/430b(それぞれ周波数はv₁+N₁f_Mとv₂−N₂f_M)を発生させる。したがって、電気光学側波帯発生器200/300は電気光学分周器(EOFD:electro-optic frequency divider)とも称される。係数N₁+N₂による差周波数v₂−v₁の分周を、電気光学側波帯発生器200/300と電圧制御発振器600の位相ロックと組み合わせると、マイクロ波周波数源の出力電気信号610の位相ノイズは、デュアル光周波数基準源100の位相ノイズと比べて約(N₁+N₂)²分の1に低減する。

したがって、発生するマイクロ波周波数電気信号の位相ノイズを低減するには、分周比を大きくすると有利である。分周比を大きくする方法の1つは、基準差周波数v₂−v₁を大きくすることである。いくつかの例では、基準差周波数v₂−v₁は約100GHzよりも大きい。それら例のいくつかでは、基準差周波数v₂−v₁は約1THz、10THz、または100THzよりも大きい。必要に応じて、望まれるように、または適切に、あるいは適切な光源が開発されるかまたは入手可能になるにつれて、さらに大きい基準差周波数を用いることもできる。

基準差周波数v₂−v₁および所望の出力周波数f_Mに応じて、任意の適切な分周比N₁+N₂を用いることができる。いくつかの例では、分周比N₁+N₂は10以上、50以上、100以上、または1000以上である。上記したように、分周比が大きいほど位相ノイズを低減することができる。

基準光信号120a/120bは、任意の必要な、所望の、または適切な光周波数で供給することができる。いくつかの例では、第1および第2の光基準周波数v₁およびv₂はそれぞれ約75THz〜約750THz(すなわち波長約400nm〜約4μm)、約120THz〜約430THz(すなわち波長約700nm〜約2.5μm)、または約150THz〜約300THz(すなわち約1μm〜約2μm)である。後者の2つの波長領域では光ファイバ源および/または固体源を容易に利用できるため、それら2つの範囲は便利に用いることができる。その他の波長を用いることもできる。

いくつかの例では、基準発振器周波数およびうなり周波数は、約1MHz〜約500MHz、約5MHz〜約100MHz、または約10MHz〜約50MHzとすることができる。いくつかの例では、基準発振器510は水晶発振器(例えば石英発振器)を含む。他のいくつかの例では、基準発振器510は電気発振器(例えば周波数合成発振器)を含む。所与の使用または用途においてマイクロ波周波数源の十分に安定した(すなわち動作的に許容できる)性能を可能にする限り、任意の適切な安定基準発振器を用いることができる。

いくつかの例では、デュアル光周波数基準源100は、基準差周波数v₂−v₁の変動(すなわちレーザ同士の相対周波数の安定性)を動作的に許容できる光基準帯域幅範囲内に維持できるように安定化される。いくつかの例では、動作的に許容できる基準帯域幅(所与の時間間隔に対して特徴付けられる帯域幅として表す)は、約1秒の時間尺に対して約100Hz未満または約1Hz未満である。いくつかの例では、動作的に許容できる基準帯域幅(光キャリア周波数に対する所与のオフセット周波数における光位相ノイズとして表す)は、オフセット周波数100Hzで約−40dBc/Hz、オフセット周波数10kHzで約−80dBc/Hzであるか、またはオフセット周波数100Hzで約−80dBc/Hz、オフセット周波数10kHzで約−125dBc/Hzである。一般に、レーザ源の相対安定性レベルの向上は、マイクロ波周波数出力信号の全体的な周波数安定の向上に直接的につながることになる。必要に応じて、望まれるように、または適切に、あるいは適切な光源が開発されるかまたは入手可能になるにつれて、さらに良好な安定化した基準を用いることもできる。

上記したように、いくつかの例では、デュアル光周波数基準源100は、第1および第2のポンプレーザ源130a/130bと、光共振器110(図7のディスク共振器)または110’(図8のファイバループ共振器)とを備えている。光共振器110/110’の自由スペクトル領域(FSR:free spectral range)は、光共振器のブリルアンシフト周波数の整数分の1と実質的に等しい。いくつかの例では、光共振器はシリカを含んでおり、光共振器のブリルアンシフト周波数は約10.9GHzであるが、異なるブリルアンシフト周波数を示すその他の必要な、所望の、または適切な材料を用いることもできる。第1および第2のポンプレーザ源130a/130bのそれぞれは、光共振器110/110’の対応する共振光モードに周波数ロックされている。第1および第2の光基準信号120a/120bはそれぞれ第1および第2のポンプレーザ源130a/130bが同時に光共振器を光ポンピングすることによって発生する誘導ブリルアンレーザ(SBL:stimulated Brillouin laser)出力を含む。いくつかの例では、光共振器110/110’の自由スペクトル領域は、光共振器のブリルアンシフト周波数と実質的に等しい。いくつかの例では、光共振器は、ディスク光共振器110(図7参照)などのリング光共振器を含む。その他の例では、光共振器は、ファイバループ光共振器110’(図8参照)や線形ファブリ・ペロー型光ファイバ共振器(ポンプ周波数またはSBL周波数における例えばファイバ・ブラッグ・グレーティングを含む)などの光ファイバ共振器を含む。いくつかの例では、第1および第2のポンプレーザ源のそれぞれは、Pound‐Drever‐Hall法によって共振器110/110’の対応する共振光モードに周波数ロックされるが、例えばHansch‐Couillaud法など任意の適切な方法を用いることもできる。

デュアルポンプ誘導ブリルアンレーザ(SBL:stimulated Brillouin laser)として作用する光共振器に代えて、いくつかのその他の例では、デュアル光周波数基準源100はデュアルモード・レーザ源を備えている。さらにその他の例では、デュアル光周波数基準源100は、共通光基準キャビティ180(図1参照)の対応する別個の共振光モードにそれぞれが周波数ロックされた第1および第2の基準レーザ源を備えている。さらにその他の例では、デュアル光周波数基準源100は、対応する別個の原子遷移190(図1参照)にそれぞれが周波数ロックされた第1および第2の基準レーザ源を備えている。必要な、所望の、または適切な(すなわち動作的に許容できる)基準周波数および差周波数安定性を可能にする限り、その他の任意の適切な安定デュアル光周波数基準源を用いることもできる。

上記したように、いくつかの例では、電気光学側波帯発生器は、周波数f_Mを有する側波帯発生器入力電気信号の対応する部分によってそれぞれ駆動される2つ以上の電気光学位相変調器220/230(図2の経路I)のみを備えている。2つ以上の位相変調器220/230(側波帯発生器の一部200を構成する)は、v₁±n₁f_Mおよびv₂±n₂f_M(n₁およびn₂は整数)で表わされる対応する側波帯光周波数を有する多数の光側波帯信号310を発生するように、第1および第2の光基準信号120a/120bを連続的に送信するよう直列に配置されている。2つの位相変調器220/230を用いて、n₁+n₂を2から少なくとも30までの範囲として複数対の側波帯光信号を発生させる。

その他の例では、従来技術である連続発生が電気光学側波帯発生器(図2の経路II)の一部300に含まれる。これは、2つ以上の電気光学位相変調器220/230と、強度変調器320と、分散補償器330と、光増幅器340と、非線形光媒質350とを含む。2つ以上の電気光学位相変調器220/230は、それぞれ、VCO出力信号620に由来し位相調整器224/234と同期する周波数f_Mを有する側波帯発生器入力電気信号の対応する部分によって駆動される。強度変調器は、VCO出力信号620に由来し位相調整器324と同期する周波数f_Mを有する側波帯発生器入力電気信号の別の部分によって駆動される。位相変調器220/230、強度変調器320、分散補償器330、光増幅器340、および非線形光媒質350は、多数の光側波帯信号310を発生するように第1および第2の光基準信号を連続的に送信するよう順番に直列に配置されている。これらの信号はv₁±n₁f_Mおよびv₂±n₂f_M(n₁およびn₂は整数であり、n₁+n₂の範囲は2から少なくとも100以上)で表わされる対応周波数を有する。変調器、分散補償器、増幅器、および非線形媒質は、任意の必要な、所望の、または適切な組み合わせで用いることができる。いくつかの例では、強度変調器は電気光学マッハ・ツェンダ干渉計を、分散補償器330は適切な長さの適切な分散性を有する光ファイバ(例えば分散シフト光ファイバや分散シフトグレーティングを含む光ファイバ)を、光増幅器340はエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA:erbium-doped optical fiber amplifier)を、非線形光媒質350は適切な長さの高非線形光ファイバ(HNLF:highly nonlinear optical fiber)を含むことができる。電界吸収型変調器など、その他の機能的に同等の素子を用いることもできる。大規模な位相振幅変調を発生させるための適切な技術が開発されるかまたは入手可能になれば、上記各機能は、より少ない数の位相変調器または単一の位相変調器と取り替えることも可能となりうる。

既に述べたように、光分周(OFD:optical frequency division)によって、記録的に低い位相ノイズを有する超安定マイクロ波周波数信号を発生させることが今や可能となった。OFDの鍵となる要素は安定した光周波数基準(OFR:optical frequency reference)である。光基準には、絶対周波数基準と差周波数基準の2種類がある。後者の基準は、本明細書に記載する光分周器での使用によく適している。以下で、図7および図8に模式的に示した本発明に係るデュアル周波数光源をより詳細に検討する。デュアル周波数光源100は、テラヘルツ帯域のデュアルモード誘導ブリルアンレーザ(SBL:stimulated Brillouin laser)に基づく。デュアルモードSBLの差周波数基準の測定位相ノイズは、光学検出器で直接検出可能な差周波数(例えば数十GHz、おそらく100GHz)に周波数基準が設定されるとき、オフセット1kHzにおいて−105dBc/Hzである。これは既に優れた位相ノイズレベルであり、以前のブリルアンレーザと比べて15dB向上している。周波数基準としては、この差周波数を約300GHzよりも高く、約1THzまで、約5THzまで、約10THzまで、約100THzまで、または100THzを越えるような非常に高い(すなわち直接検出不可能な)値まで引き上げることが望ましい。このような差周波数の上昇は、基本となるブリルアンレーザにおけるノイズを支配する物理法則により、位相ノイズの劣化をほぼまたは全く伴わずに達成することができる。デュアルモードSBL差周波数の位相ノイズは、2つのレーザの基本的なシャウロウ・タウンズ周波数ノイズにより決定され、2つのレーザ間の周波数分離に対してもほぼ不変である。光分周を用いると、そのような大きい(光学検出器で検出できない)差周波数値を従来から検出可能な周波数(例えば数十GHz)にまで分周することができる。周知のように、差周波数の位相ノイズは分周比の2乗により分周信号に減じられる。本発明に係るデュアル周波数源から発生する差周波数の位相ノイズは既に低いため、分周によって誘発される位相ノイズの低減は、マイクロ波周波数において記録的に低い位相ノイズを可能にすると予測される。本発明に係る差周波数基準は、標準的な光ファイバ素子を用いて発生させることができ、高価なハードウェアの使用をほぼまたは全く必要としない。したがって、多くの異なる使用および用途に容易に応用可能となるはずである。

OFD手法を用いたマイクロ波周波数信号を発生するための鍵となる素子は、安定した光周波数基準および光分周器である。本発明に係る電気光学分周器については先に開示した。種々のOFD手法で用いられる従来の安定した光周波数基準としては、サブヘルツの安定性を有するキャビティ安定化レーザや、単一かつ共通の基準光キャビティ180(図1参照)に周波数ロックされることで例外的に安定した相対周波数を有する2つのレーザなどが挙げられる。これらの2つの方法では、上手く分離されているとともに高フィネスを有するファブリ・ペロー基準光キャビティが必要とされ、この光キャビティは非常に嵩高く壊れやすい場合が多い。一方、さまざまなタイプのデュアルモード・レーザを用いて、デュアルモード・レーザ(デュアル波長レーザとも称される)の高速光学検出器における光検出およびレーザ信号同士のうなり周波数の検出により、良質なマイクロ波信号が生成されてきた。例えば、単一のファイバループ・キャビティにある2つのレーザによってポンプされるデュアルモード誘導ブリルアンレーザを用いて、光検出により数十MHz〜100GHzまでのマイクロ波が生成されてきた。しかしながらこれらの方法では、マイクロ波周波数信号は、光学検出器におけるレーザのデュアル光モードのうなりによって直接発生するため、発生するマイクロ波周波数信号は光学検出器の帯域幅に制限される(おそらく最高で100GHzまで)。さらに、マイクロ波周波数信号の位相ノイズは、2つのレーザモードの相対周波数安定性の位相ノイズと等しい。

本発明に係るデュアル周波数光源100では、光学的に検出したデュアルモード・レーザ(帯域幅100GHzまで)の従来の役割を、約300GHz〜約100THzまたはそれよりも高い周波数範囲に含まれる遥かに大きい周波数分離を示す安定した光基準に変換する。本発明に係るデュアルモード誘導ブリルアンレーザ(SBL:stimulated Brillouin lasers)によって生成される基準差周波数は、次いで、光分周器(上記した本発明に係る電気光学分周器または従来のモードロック・レーザ周波数コムなど)を用いてマイクロ波周波数まで分周される。発生したマイクロ波周波数信号の位相ノイズも、デュアルモードSBL間の相対安定性の位相ノイズから、20log₁₀NdB(Nは分周係数)だけ分周される。光学的に分周されたマイクロ波周波数信号の位相ノイズは、上記したようにそれ自体の位相ノイズが低いデュアル周波数光周波数基準の位相ノイズと比べても大幅に低減することができる。光分周は、マイクロ波生成の分野では比較的新しい手法である。周波数基準は、絶対性に基づくものでも差に基づくものであっても、嵩高く壊れやすいデバイスである受動ファブリ・ペロー共振器を典型的には用いていた。

既に上記するとともに図7および図8に示したように、本発明に係るデュアル周波数光源100は、第1および第2のポンプレーザ源130a/130bと、光共振器110(図7のディスク共振器)または110’(図8のファイバループ共振器)とを備えている。第1および第2のポンプレーザ源は、第1および第2のポンプ波長λ_pump1およびλ_pump2にそれぞれ対応する第1および第2のポンプレーザ周波数v_pump1およびv_pump2においてそれぞれ光ポンプパワーを発生するように構成されている。光ポンプパワーは、サーキュレータ114を用いて光共振器110/110’に送られるが、例えばビームスプリッタなどその他の適切な構成を用いることもできる。光共振器110/110’は、ブリルアンシフト周波数v_Bおよびブリルアンシフト周波数の整数分の1と実質的に等しい自由スペクトル領域(FSR:free spectral range)によって特徴付けられる。第1および第2のポンプレーザ源130a/130bのそれぞれは、光共振器110/110’の対応する共振光モードに周波数ロックされるが、任意の必要な、所望の、または適切な周波数ロック技術または機構を用いることができる。デュアル周波数光基準源100の第1および第2の光出力信号120a/120bは、それぞれ第1および第2の出力周波数v₁=v_pump1−v_Bおよびv₂=v_pump2−v_Bを有するとともに、それぞれ第1および第2のポンプレーザ源130a/130bによる光共振器110/110’の同時光ポンピングによって発生する誘導ブリルアンレーザ出力を含む。出力信号120a/120bは、サーキュレータ114を用いてデュアル周波数源100から外部へ送られるが、例えばビームスプリッタまたはファイバ結合器などその他の適切な構成を用いることもできる。デュアル周波数光源100は、出力差周波数v₂−v₁が約300GHzよりも大きくなるように構成され動作する。いくつかの例では出力差周波数v₂−v₁は約1THzよりも大きい。いくつかの例では出力差周波数v₂−v₁は約5THzよりも大きい。いくつかの例では出力差周波数v₂−v₁は約10THzよりも大きい。それら例のいくつかでは出力差周波数v₂−v₁は約100THzよりも大きい。周波数v₁およびv₂は同じキャビティで発生するため、それら周波数の変動には高度な相関関係があり、したがって差周波数v₂−v₁は非常に安定している。また、その他の形状を有する共振器(例えば線形共振器)を用いて各デュアルSBL基準線を発生させることもできる。

第1および第2の光出力信号120a/120bを発生させる方法は、第1および第2のポンプレーザ源130a/130bからの光ポンプパワーを用いて、光共振器110/110’を同時にポンピングすることを含む。

本発明に係るデュアル周波数光源のいくつかの例では、光共振器110/110’の自由スペクトル領域(FSR:free spectral range)は、光共振器のブリルアンシフト周波数と実質的に等しい。いくつかの例では、光共振器はシリカを含み、光共振器のブリルアンシフト周波数は約10.9GHzであるが、異なるブリルアンシフト周波数を示すその他の必要な、所望の、または適切な材料を用いることもできる。

基準光信号120a/120bは、任意の必要な、所望の、または適切な光周波数で供給することができる。いくつかの例では、第1および第2の光基準周波数v₁およびv₂はそれぞれ約75THz〜約750THz(すなわち波長約400nm〜約4μm)、約120THz〜約430THz(すなわち波長約700nm〜約2.5μm)、または約150THz〜約300THz(すなわち約1μm〜約2μm)である。後者の2つの波長領域では光ファイバ源および/または固体源を容易に利用できるため、それら2つの範囲は便利に用いることができる。その他の波長を用いることもできる。

いくつかの例では、デュアル光周波数基準源100は、基準差周波数v₂−v₁の変動(すなわちレーザ同士の相対周波数の安定性)を動作的に許容できる光基準帯域幅範囲内に維持できるように安定化される。いくつかの例では、動作的に許容できる基準帯域幅(所与の時間間隔に対して特徴付けられる帯域幅として表す)は、約1秒の時間尺に対して約100Hz未満または約1Hz未満である。いくつかの例では、動作的に許容できる基準帯域幅(光キャリア周波数に対する所与のオフセット周波数における光位相ノイズとして表す)は、オフセット周波数100Hzで約−40dBc/Hz、オフセット周波数10kHzで約−80dBc/Hzであるか、またはオフセット周波数100Hzで約−80dBc/Hz、オフセット周波数10kHzで約−125dBc/Hzである。一般に、レーザ源の相対安定性レベルの向上は、マイクロ波周波数出力信号の全体的な周波数安定の向上に直接的につながることになる。必要に応じて、望まれるように、または適切に、あるいは適切な光源が開発されるかまたは入手可能になるにつれて、さらに良好な安定化した基準を用いることもできる。

いくつかの例では、第1および第2のポンプレーザ源のそれぞれは、Pound‐Drever‐Hall法により、共振器110/110’の対応する共振光モードに周波数ロックされるが、例えばHansch‐Couillaud法など、任意の適切な方法を用いることもできる。図7の例では、各ポンプレーザ130a/130b(それぞれ対応波長λ₁およびλ₂で発振する)は、Pound‐Drever‐Hall(PDH)法を用いてディスク共振器110の対応する別個の共振光モードに周波数ロックされ、サーキュレータ114によってディスク共振器110に接続され、それぞれの光基準周波数v₁およびv₂において各々の対応するブリルアンレーザを逆伝播方向に励起する。PDH法は、光帯域フィルタ132a/132b、光検出器134a/134b、およびフィードバック/サーボ機構136a/136bをそれぞれ用いることにより各ポンプレーザ130a/130bに対して実行される。各ポンプ波長の制御は、直接レーザ制御(ポンプレーザ130aの場合)またはレーザ出力の周波数シフト(ポンプレーザ130bの出力における音響光学的シフトの場合)により行われる。2つのSBSレーザ間の周波数分離(すなわち差周波数v₂−v₁)は、ポンプレーザ130a/130bが異なる方位角モード次を有する共振モードにおいてそれぞれポンプするよう同調させることにより容易に同調させることができる。図8に類似の例を示す。図8では、ディスク共振器110に代えてファイバループ光共振器110’(すなわちファイバループ・キャビティまたはFLC:fiber-loop cavity)が用いられ、ポンプレーザ130a/130bはともにそれら各々の波長の直接制御下にある。

ファイバループ光共振器110’の使用により、電気通信関係用途のための開発された容易に入手可能な光素子の使用が可能になるとともに、ディスク共振器110と比べて周波数基準それ自体における位相ノイズが非常に低い(40dB以下まで)という点において性能利益も得られる。この向上は以下の2つの理由から生じると考えられる。第1に、ファイバループ・キャビティの往復長(100m〜500m程度)は、ディスク共振器と比べて(往復長10mm〜100mm程度)はるかに長いことが挙げられる。結果として、ファイバループ・キャビティのランダムな温度変動によって生じる周波数変動はディスク共振器と比べて大幅に減少する。第2に、ファイバループ・キャビティのキャビティ長が長いと、それに呼応して、キャビティ内での光子保管時間もディスク共振器と比べて長くなることが挙げられる。光子保管時間が長いと、それに呼応して、レーザのシャウロウ・タウンズ周波数ノイズが基本的に低くなる。

光ファイバを用いたデュアルポンプ・ブリルアンレーザは(上記したように)以前から用いられてはいるが、約300GHz、約1THz、約5THz、約10THz、約100THz、またはそれよりも大きい周波数分離を有する差周波数基準としてではなく、典型的には周波数分離が約100GHz未満のマイクロ波源として動作していた。発明者の知る限りでは、約300GHzよりも大きい差周波数におけるデュアルポンプ・デュアルブリルアンレーザ線動作が確認された事例はなく、現実にそのように大きい周波数分離が存在した場合、以前のデュアルブリルアンレーザは意図する目的に沿わないものになるはずである。先に開示した光分周技術が開発される以前は、そのような広い離間距離を有するデュアル基準周波数を発生させる必要はなかった。この用途を念頭においてデュアルブリルアンレーザを特徴付けたりその動作を理解したりする試みもなかった。

図7(ディスク共振器110を使用)および図8(ファイバループ共振器を使用)に、安定したマイクロ波を発生させるための光分周を可能にする、デュアルモードSBLを光差周波数基準として用いた場合の詳細な配置を示す。図8では、2つのポンプレーザ130a/130b(独立して同調可能なCWレーザ)は、光帯域フィルタ132a/132b、光検出器134a/134b、およびフィードバック/サーボ機構136a/136bを使用する標準的なPound−Drever−Hallロック法を用いて、ブリルアン動作するファイバループ・キャビティ110’(FLC:fiber loop cavity)に周波数ロックされている。ファイバループ・キャビティ110’の循環ポンプパワーが閾値に達すると、各ポンプレーザ130a/130bはその誘導ブリルアンレーザを励起する。2つのSBL間の周波数分離は、2つのポンプレーザ130a/130b間の周波数分離を同調させることによって、数十メガヘルツ〜100THz以上まで同調させることができる。光分周を行う場合、2つのSBL間の周波数分離は数テラヘルツ程度とすることができる。例えば、一方のポンプレーザの波長が1550nmの場合、2つのSBL間の周波数分離は、1THz(他方のポンプレーザは1542nmに同調させる)、10THz(他方のポンプレーザは1473nmに同調させる)、または100THz(他方のポンプレーザは1022nmに同調させる)に設定することができる。次いで、共発振デュアルモードSBL出力間の差周波数は、(図3に示すような)分周工程において安定光周波数基準として用いられる。任意の適切な光分周器を用いることができる。例えば、いくつかの例では上記した電気光学分周器を用いることができる。いくつかのその他の例では、OFDは従来のモードロック光周波数コム(OFC:optical frequency comb)に基づく。その場合、OFCの2つのコム線は、OFCの繰り返し率が安定した分周マイクロ波出力を可能にするように2つのSBLに周波数ロックされる。しかしながら、本発明に係る電気光学分周器はより単純に実行できるものであり、しかも、モードロックされたOFCに基づく光分周に重大な問題を提起してきた高帯域幅光検出の線形性制約を緩和することが確認されている。

90/10ヒューズカプラと、さまざまなキャビティ往復経路長45メートル(FSR:4.4MHz)、200メートル(FSR:1MHz)、および500メートル(FSR:400kHz)とからなる一連のFLCが作製されているが、ファイバループ・キャビティ長としては、任意のその他の必要な、所望の、または適切な長さを用いることもできる。例えば、約40メートル以上、約100メートル以上、約200メートル以上、または約500メートル以上であってもよい。その他すべての条件が等しい場合、ファイバループ光共振器が長い方が短い場合と比べて、周波数が低くかつ位相ノイズが少ない場合が多い。これらFLCの光フィネスの測定値は大体40であり(カプラー損失により主に制限される)、SBS発振のポンプ閾値は数百マイクロワット程度である。SBL閾値を上回ると、各ポンプレーザ(波長領域1550nm)のポンプパワーは、共振器において一次ストークス周波数におけるレーザ発振が二次ストークス波を励起し始めるポイント(約1mW)に達するまで増加する。図9Bに、FLCを1537.2nmおよび1549.6nmでデュアルポンピングすることで得た、周波数分離1.61THz(12.5nm)を有するデュアルモードSBL差周波数基準の測定光スペクトルを示す。二次ストークス線の発振開始により、一次ストークス線のキャビティ内パワーが固定されたように見えることが確認された。デュアルモードSBLの相対周波数安定性の基本的限界は、ブリルアンレーザのシャウロウ・タウンズ周波数ノイズ(S_v)によって決まり、それはパワー固定時、共振光モード体積に反比例して変化することが確認されている。ファイバループ・キャビティが長いほど有効なモード体積が大きくなり、したがって、二次ストークス線発振の開始により生じるパワー固定時にシャウロウ・タウンズのノイズが減少する。

デュアルモードSBLの相対周波数安定性(すなわち差周波数v₂−v₁の安定性)の位相ノイズを特徴付けるために、デュアルSBLの周波数分離は、高速フォトダイオードを用いて直接検出できるくらい十分低い周波数に同調され、電子的に処理される(これは本質的には統一した分周の場合である)。検出されたうなり音は20GHzに設定され、その位相ノイズは位相ノイズ分析器(ローデ・シュワルツ社製、モデル番号FSUP26)を用いて測定される。図9Aには、さまざまなFLCにおけるSBLうなり音の単一側波帯(SSB:single-sideband)の測定位相ノイズスペクトルを示す(45mのFLC:一番上の実曲線、200mのFLC:真ん中の実曲線、500mのFLC:一番下の実曲線)。すべての測定位相ノイズスペクトルが、数Hzから始まって100kHzを上回るオフセット周波数の広範囲にわたって、シャウロウ・タウンズのノイズによって制限される位相ノイズ(1/f²依存)を示している。SBLの共通モード技術的ノイズは、光検出時にうなり音信号を実質的に相殺する。したがって、デュアルモードSBLにおける相対周波数安定性の位相ノイズは、基本的なシャウロウ・タウンズ・ノイズによって制限され、かつ2つの共発振SBL間の周波数分離に対しては不変である。したがって、より大きい差周波数に同調されたデュアルモードSBLを用いた場合、光分周工程によって位相ノイズの大幅な低減がもたらされる。光学的に分周されたマイクロ波周波数信号(f_M)は、分周比N≡(v₂−v₁)/f_Mの2乗分だけ光位相ノイズの低減を得る。例えば、分周係数N=100の場合、位相ノイズ低減係数は10000(または20log10N=40dB)となる。

さらに、デュアルモードSBLの差周波数の単一側波帯(SSB:single-side-band)の(光分周を一切行わない状態での)測定位相ノイズは、以前の結果と比較して既に改善されている。デュアルモードSBLのうなり音の測定位相ノイズ(キャリア:20GHz、オフセット周波数:1kHz)は、図9Aに示すように、−95dBc/Hz(45mのFLC)、−101dBc/Hz(200mのFLC)、−105dBc/Hz(500mのFLC)である。500mのFLCは、往復長約18mmのディスク共振器の場合の約−83dBc/Hzとは対照的に、オフセット周波数10kHzにおいて約−125dB/Hzを示した。FLC長が伸びるにつれて位相ノイズの略線形減少が確認される。これは、キャビティモデル体積におけるSBLの既知のシャウロウ・タウンズのノイズの逆依存とよく一致している。20GHzのうなり音のアラン偏差(ADEV:Allan Deviation)も測定した。ゲート時間が0.2s〜1sの場合、測定した部分ADEVは1×10⁻¹¹程度である。これに対して以前の事例では、20メートルのFLCから発生しデュアルモードSBLの直接光検出に基づき、オフセット周波数1kHzにおけるうなり音5〜20GHzでの測定位相ノイズは−90dBc/Hzであった。その他の事例では、うなり音148MHzでのアラン偏差が示され、ゲート時間0.2s〜1sの場合、1×10⁻⁷程度の部分ADEVが確認されている。発明者の知る限り、本明細書で報告した結果は、直接うなり音を発生させることに基づくマイクロ波源と光分周に基づくマイクロ波源の両方を含め、マイクロ波フォトニクスにおいて低位相ノイズマイクロ波を発生させるにあたり、FLC長を増加させることによりSBLのシャウロウ・タウンズのノイズを低減できることを最初に示すものである。

最後に、デュアルモードSBL差周波数基準(200mのFLCに基づく)からのOFDに基づいて光学的に分周されたマイクロ波信号の予測位相ノイズも図9Aに示す。一番上、真ん中、一番下の破曲線は分周比N=33、100、330にそれぞれ対応する。光分周されたマイクロ波信号のキャリア周波数は10GHzに固定されている。したがって、これらの分周比は、330GHz、1THz、3.3THzに設定されたデュアルモードSBLの周波数分離にそれぞれ対応する。

図9Aに見られる予測位相ノイズレベルは記録的に低いレベルである。また、SBL差周波数基準に基づく発振器は高価なハードウェアを必要としないうえ、真空状態または極低温状態において動作させる必要もない。結果として、この技術はレーダ、通信、ナビゲーション・システムなど種々の用途に容易に採用することができる。

先の説明に加えて、以下の例も本開示または添付の特許請求の範囲に含まれる。

(例1)出力周波数f_Mを有する出力電気信号を発生させるためのマイクロ波周波数源であって、該マイクロ波周波数源は、 (a)(i)第1の光基準周波数v₁を有する第1の光基準信号と、(ii)第2の光基準周波数v₂>v₁を有する第2の光基準信号とを発生するように構成されたデュアル光周波数基準源と、 (b)(i)前記第1および第2の光基準信号と前記周波数f_Mを有する側波帯発生器入力電気信号とを受信し、(ii)それら信号から、v₁±n₁f_Mおよびv₂±n₂f_M(n₁およびn₂は整数)で表わされる側波帯光周波数をそれぞれ有する多数の側波帯光信号を発生するように構成された電気光学側波帯発生器と、 (c)周波数v₁+N₁f_Mを有する側波帯光信号および周波数v₂−N₂f_Mを有する側波帯光信号(N₁およびN₂は整数)を含む前記多数の側波帯光信号のサブセットを送信するように構成された光帯域フィルタと、 (d)(i)前記送信された側波帯光信号を受信し、(ii)うなり周波数f_BEAT=(v₂−N₂f_M)−(v₁+N₁f_M)を有する光学検出器電気信号を発生するように構成された光学検出器と、 (e)基準発振器周波数f_Rを有する基準発振器電気信号を発生するように構成された基準発振器と、 (f)電気回路であって、(i)前記光学検出器電気信号および前記基準発振器電気信号を受信し、(ii)それら信号から、前記電気回路の比較器部分を用いて、前記光学検出器電気信号と前記基準発振器電気信号の相対位相に依存する電気誤差信号を発生させ、(iii)前記電気回路のループフィルタ部を用いて前記電気誤差信号を処理するように構成された前記電気回路と、 (g)(i)前記ループフィルタ部で処理された電気誤差信号をVCO入力電気信号として受信し、(ii)前記周波数f_Mを有するVCO出力電気信号を発生するように構成された電圧制御電気発振器であって、前記VCO出力電気信号の第1の部分は、前記側波帯発生器入力電気信号として前記電気光学側波帯発生器に受信され、前記VCO出力電気信号の第2の部分は、前記マイクロ波周波数源の前記出力電気信号となる、前記電圧制御電気発振器と、を備え、 (h)前記電気光学側波帯発生器が前記VCO出力電気信号の前記第1の部分を前記側波帯発生器入力電気信号として受信した結果、前記電気回路と前記電圧制御発振器は、位相ロックループとして機能するように負フィードバック構成において接続する、マイクロ波周波数源。

(例2)前記マイクロ波周波数源の前記出力電気信号の位相ノイズは、前記デュアル光周波数基準源の、基準差周波数v₂−v₁を有する基準差周波数信号の位相ノイズと比べて、約(N₁+N₂)²分の1である、例1に記載のマイクロ波周波数源。

(例3)前記出力周波数f_Mは約0.3GHz〜約300GHzである、例1または例2に記載のマイクロ波周波数源。

(例4)前記出力周波数f_Mは約1GHz〜約100GHzである、例1または例2に記載のマイクロ波周波数源。

(例5)前記基準発振器周波数および前記うなり周波数は、約1MHz〜約500MHzである、例1〜4のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例6)前記基準発振器周波数および前記うなり周波数は、約5MHz〜約100MHzである、例1〜4のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例7)前記基準発振器周波数および前記うなり周波数は、約10MHz〜約50MHzである、例1〜4のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例8)前記基準発振器は水晶発振器(例えば石英発振器)を含む、例1〜7のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例9)前記基準発振器は電気発振器(例えば周波数合成発振器)を含む、例1〜7のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例10)基準差周波数v₂−v₁が約100GHzよりも大きい、例1〜9のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例11)基準差周波数v₂−v₁が約1THzよりも大きい、例1〜9のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例12)基準差周波数v₂−v₁が約10THzよりも大きい、例1〜9のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例13)基準差周波数v₂−v₁が約100THzよりも大きい、例1〜9のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例14)N₁+N₂が10以上である、例1〜13のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例15)N₁+N₂が50以上である、例1〜13のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例16)N₁+N₂が100以上である、例1〜13のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例17)N₁+N₂が1000以上である、例1〜13のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例18)前記第1および第2の光基準周波数v₁およびv₂は、それぞれ、約75THz〜約750THzである、例1〜17のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例19)前記第1および第2の光基準周波数v₁およびv₂は、それぞれ、約120THz〜約430THzである、例1〜17のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例20)前記第1および第2の光基準周波数v₁およびv₂は、それぞれ、約150THz〜約300THzである、例1〜17のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例21)前記デュアル光周波数基準源は、(i)基準差周波数v₂−v₁の変動を動作的に許容できる光基準帯域幅内に維持するか、または(ii)基準差周波数信号の位相ノイズを動作的に許容できる基準位相ノイズレベル内に維持するように安定化される、例1〜20のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例22)前記動作的に許容できる基準帯域幅は、約1秒の時間尺に対して約100Hz未満である、例21に記載のマイクロ波周波数源。

(例23)前記動作的に許容できる基準帯域幅は、約1秒の時間尺に対して約1Hz未満である、例21に記載のマイクロ波周波数源。

(例24)前記動作的に許容できる基準位相ノイズレベルは、オフセット周波数100Hzでは約−40dBc/Hzであり、オフセット周波数10kHzでは約−80dBc/Hzである、例21に記載のマイクロ波周波数源。

(例25)前記動作的に許容できる基準位相ノイズレベルは、オフセット周波数100Hzでは約−80dBc/Hzであり、オフセット周波数10kHzでは約−125dBc/Hzである、例21に記載のマイクロ波周波数源。

(例26)(i)前記デュアル光周波数基準源は第1および第2のポンプレーザ源と光共振器とを備え、(ii)前記光共振器の自由スペクトル領域が、前記光共振器のブリルアンシフト周波数の整数分の1と実質的に等しく、(iii)前記第1および第2のポンプレーザ源のそれぞれは、前記光共振器の対応する共振光モードに周波数ロックされ、(iv)前記第1および第2の光基準信号は、それぞれ、前記第1および第2のポンプレーザ源が前記光共振器を同時に光ポンピングすることによって発生した誘導ブリルアンレーザ出力を含む、例1〜25のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例27)前記光共振器の前記自由スペクトル領域は、前記光共振器の前記ブリルアンシフト周波数と実質的に等しい、例26に記載のマイクロ波周波数源。

(例28)前記光共振器はシリカを含み、前記光共振器のブリルアンシフト周波数は約10.9GHzである、例26または27に記載のマイクロ波周波数源。

(例29)前記光共振器はリング光共振器を含む、例26〜28のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例30)前記リング光共振器はディスク光共振器を含む、例29に記載のマイクロ波周波数源。

(例31)前記光共振器は光ファイバ共振器を含む、例26〜28のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例32)前記光共振器はファブリ・ペロー光ファイバ共振器を含む、例31に記載のマイクロ波周波数源。

(例33)前記光ファイバ共振器はファイバループ光共振器を含む、例31に記載のマイクロ波周波数源。

(例34)前記第1および第2のポンプレーザ源のそれぞれは、Pound‐Drever‐Hall法によって前記光共振器の前記対応する共振光モードに周波数ロックされる、例26〜33のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例35)前記デュアル光周波数基準源はデュアルモード・レーザ源を備えている、例1〜25のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例36)前記デュアル光周波数基準源は第1および第2の基準レーザ源を備え、該第1および第2のレーザ源は、それぞれ、共通光基準キャビティの対応する別個の共振光モードに周波数ロックされている、例1〜25のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例37)前記デュアル光周波数基準源は第1および第2の基準レーザ源を備え、該第1および第2のレーザ源は、それぞれ、対応する別個の原子遷移に周波数ロックされている、例1〜25のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例38)(i)前記電気光学側波帯発生器は、前記周波数f_Mを有する前記側波帯発生器入力電気信号の対応する部分によってそれぞれ駆動される1つまたは複数の電気光学位相変調器を備え、(ii)前記1つまたは複数の位相変調器は、前記多数の光側波帯信号を発生するように前記第1及び第2の光基準信号を送信するよう構成されている、例1〜37のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例39)(i)前記電気光学側波帯発生器は、前記周波数f_Mを有する前記側波帯発生器入力電気信号の対応する部分によってそれぞれ駆動される2つ以上の電気光学位相変調器を備え、(ii)前記2つ以上の位相変調器は、前記多数の光幅波帯信号を発生するように前記第1および第2の光基準信号を連続的に送信するよう直列に配置されている、例1〜37のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例40)複数対の側波帯光信号が、2から少なくとも30までの範囲のn₁+n₂で発生する、例38または39に記載のマイクロ波周波数源。

(例41)複数対の側波帯光信号が、2から少なくとも100までの範囲のn₁+n₂で発生する、例38または39に記載のマイクロ波周波数源。

(例42)(i)前記電気光学側波帯発生器は、前記周波数f_Mを有する前記側波帯発生器入力電気信号の対応する部分によってそれぞれ駆動される1つまたは複数の電気光学位相変調器と、前記周波数f_Mを有する前記側波帯発生器入力電気信号の対応する部分によって駆動される強度変調器と、分散補償器と、光増幅器と、非線形光媒質とをさらに備え、(ii)前記1つまたは複数の位相変調器、前記強度変調器、前記分散補償器、前記光増幅器、および前記非線形光媒質は、前記多数の光側波帯信号を発生するように前記第1及び第2の光基準信号を連続的に送信するよう順番に直列に配置されている、例1〜41のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例43)複数対の側波帯光信号が、2から少なくとも100までの範囲のn₁+n₂で発生する、例38〜42のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例44)複数対の側波帯光信号が、2から少なくとも10000までの範囲のn₁+n₂で発生する、例38〜42のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例45)(i)前記強度変調器は電気光学マッハ・ツェンダ変調器を含み、(ii)前記分散補償器は適切な分散性を有する光ファイバを含み、(iii)前記光増幅器はドープ処理された光ファイバ増幅器を含み、(iv)前記非線形光媒質は非線形光ファイバを含む、例42〜44のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例46)例1〜45のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源を用いて、出力周波数f_Mを有するマイクロ波周波数出力電気信号を発生させる方法であって、該方法は、 (a)前記デュアル光周波数基準源を用いて、(i)前記第1の光基準周波数v₁を有する前記第1の光基準信号と、(ii)前記第2の光基準周波数v₂>v₁を有する前記第2の光基準信号とを発生させることと、 (b)前記電気光学側波帯発生器を用いて、(i)前記第1および第2の光基準信号と、前記周波数f_Mを有する前記側波帯発生器入力電気信号とを受信し、(ii)それら信号から、v₁±n₁f_Mおよびv₂±n₂f_M(n₁およびn₂は整数)で表わされる側波帯光周波数をそれぞれ有する多数の側波帯光信号を発生させることと、 (c)前記光帯域フィルタを用いて、前記周波数v₁+N₁f_Mを有する側波帯光信号および前記周波数v₂−N₂f_Mを有する側波帯光信号(N₁およびN₂は整数)を含む前記多数の側波帯光信号の前記サブセットを送信することと、 (d)前記光学検出器を用いて、(i)前記送信された側波帯光信号を受信し、(ii)前記うなり周波数f_BEAT=(v₂−N₂f_M)−(v₁+N₁f_M)を有する前記光学検出器電気信号を発生させることと、 (e)前記基準発振器を用いて、前記基準発振器周波数f_Rを有する前記基準発振器電気信号を発生させることと、 (f)前記電気回路を用いて、(i)前記光学検出器電気信号および前記基準発振器電気信号を受信し、(ii)前記電気回路の前記比較器部分を用いて、前記光学検出器電気信号および前記基準発振器電気信号から、前記光学検出器電気信号と前記基準発振器電気信号の相対位相に依存する前記電気誤差信号を発生させ、(iii)前記電気回路の前記ループフィルタ部を用いて、前記電気誤差信号を処理することと、 (g)前記電圧制御電気発振器を用いて、(i)前記ループフィルタ部で処理された電気誤差信号を前記VCO入力電気信号として受信し、(ii)前記周波数f_Mを有する前記VCO出力電気信号を発生させることであって、前記VCO出力電気信号の前記第1の部分は、前記側波帯発生器入力電気信号として前記電気光学側波帯発生器に受信され、前記VCO出力電気信号の前記第2の部分は、前記マイクロ波周波数出力電気信号となる、前記VCO出力電気信号を発生させることとを含み、 (h)前記電気光学側波帯発生器が前記側波帯発生器入力電気信号として前記VCO出力電気信号の前記第1の部分を受信した結果、前記電気回路と前記電圧制御発振器は、位相ロックループとして機能するように負フィードバック構成において接続する、マイクロ波周波数出力電気信号を発生させる方法。

(例47)(a)第1および第2のポンプレーザ周波数v_pump1およびv_pump2において光ポンプパワーをそれぞれ発生するように構成された第1および第2のポンプレーザ源と、(b)ブリルアンシフト周波数v_Bおよび該ブリルアンシフト周波数の整数分の1と実質的に等しい自由スペクトル領域によって特徴付けられる光共振器と、を備えたデュアル周波数光源であって、(c)前記第1および第2のポンプレーザ源のそれぞれは、前記光共振器の対応する共振光モードに周波数ロックされており、(d)前記デュアル周波数光基準源の第1および第2の光出力信号は、それぞれ第1および第2の出力周波数v₁=v_pump1−v_Bおよびv₂=v_pump2−v_Bを有するとともに、それぞれ前記第1および第2のポンプレーザ源による前記光共振器の同時光ポンピングによって発生する誘導ブリルアンレーザ出力を含み、(e)出力差周波数v₂−v₁が約300GHzよりも大きい、デュアル周波数光源。

(例48)前記光共振器の前記自由スペクトル領域は、前記光共振器のブリルアンシフト周波数と実質的に等しい、例47に記載のデュアル周波数光源。

(例49)前記光共振器はリング光共振器を含む、例47または48に記載のデュアル周波数光源。

(例50)前記リング光共振器はディスク光共振器を含む、例49に記載のデュアル周波数光源。

(例51)前記光共振器は光ファイバ共振器を含む、例47または48に記載のデュアル周波数光源。

(例52)前記光ファイバ共振器はファブリ・ペロー光ファイバ共振器を含む、例51に記載のデュアル周波数光源。

(例53)前記光ファイバ共振器はファイバループ光共振器を含む、例51に記載のデュアル周波数光源。

(例54)前記光ファイバ共振器は、長さ約40メートル以上の光ファイバを含む、例51〜53のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例55)前記光ファイバ共振器は、長さ約100メートル以上の光ファイバを含む、例51〜53のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例56)前記光ファイバ共振器は、長さ約200メートル以上の光ファイバを含む、例51〜53のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例57)前記光ファイバ共振器は、長さ約500メートル以上の光ファイバを含む、例51〜53のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例58)前記光共振器はシリカを含み、前記光共振器の前記ブリルアンシフト周波数は約10.9GHzである、例47〜57のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例59)前記出力差周波数v₂−v₁が約1THzよりも大きい、例47〜58のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例60)前記出力差周波数v₂−v₁が約10THzよりも大きい、例47〜58のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例61)前記出力差周波数v₂−v₁が約100THzよりも大きい、例47〜58のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例62)前記第1および第2の光基準周波数v₁およびv₂はそれぞれ約75THz〜約750THzである、例47〜61のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例63)前記第1および第2の光基準周波数v₁およびv₂はそれぞれ約120THz〜約430THzである、例47〜61のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例64)前記第1および第2の光基準周波数v₁およびv₂はそれぞれ約150THz〜約300THzである、例47〜61のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例65)前記デュアル周波数光源は、(i)前記出力差周波数v₂−v₁の変動を動作的に許容できる光帯域幅内に維持するように、または(ii)前記出力差周波数を有する光信号の位相ノイズを動作的に許容できる基準位相ノイズレベル内に維持するように、安定化される、例47〜64のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例66)前記動作的に許容できる帯域幅は、約1秒の時間尺に対して約100Hz未満である、例65に記載のデュアル周波数光源。

(例67)前記動作的に許容できる帯域幅は、約1秒の時間尺に対して約1Hz未満である、例65に記載のデュアル周波数光源。

(例68)前記動作的に許容できる基準位相ノイズレベルは、オフセット周波数100Hzでは約−40dBc/Hzであり、オフセット周波数10kHzでは約−80dBc/Hzである、例65に記載のデュアル周波数光源。

(例69)前記動作的に許容できる基準位相ノイズレベルは、オフセット周波数100Hzでは約−80dBc/Hzであり、オフセット周波数10kHzでは約−125dBc/Hzである、例65に記載のデュアル周波数光源。

(例70)前記第1および第2のポンプレーザ源のそれぞれは、Pound‐Drever‐Hall法によって前記共振器の前記対応する共振光モードに周波数ロックされる、例65〜69のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源。

(例71)例47〜70のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源を用いて、第1および第2の光出力信号を発生させる方法であって、該方法は、前記第1および第2のポンプレーザ源からの光ポンプパワーを用いて前記光共振器を同時にポンピングすることを含み、(a)前記第1および第2のポンプレーザ源は、それぞれ、第1および第2のポンプレーザ周波数v_pump1およびv_pump2において光ポンプパワーを発生するように構成され、(b)前記光共振器は、ブリルアンシフト周波数v_Bおよび該ブリルアンシフト周波数の整数分の1と実質的に等しい自由スペクトル領域によって特徴付けられ、(c)前記第1および第2のポンプレーザ源のそれぞれは、前記光共振器の対応する共振光モードに周波数ロックされており、(d)前記第1および第2の光出力信号は、それぞれ第1および第2の出力周波数v₁=v_pump1−v_Bおよびv₂=v_pump2−v_Bを有するとともに、それぞれ前記第1および第2のポンプレーザ源による前記光共振器の同時光ポンピングによって発生する誘導ブリルアンレーザ出力を含み、(e)出力差周波数v₂−v₁が約300GHzよりも大きい、第1および第2の光出力信号を発生させる方法。

(例72)光分周器を用いて、分周係数Nによって前記出力差周波数を分周することをさらに含む、例71に記載の方法。

(例73)前記分周係数が約10以上である、例72に記載の方法。

(例74)前記分周係数が約100以上である、例72に記載の方法。

(例75)前記分周係数が約1000以上である、例72に記載の方法。

(例76)前記デュアル光周波数基準源が、例47〜70のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源を備えている、例1〜45のいずれか1つに記載のマイクロ波周波数源。

(例77)前記デュアル光周波数基準源が、例47〜70のいずれか1つに記載のデュアル周波数光源を備えている、例46に記載の方法。

(例78)例71〜75のいずれか1つに記載の方法を行うことをさらに含む、例77に記載の方法。

本開示の範囲または添付の特許請求の範囲には開示した例示的な実施形態および方法の均等物も含むことを意図する。開示した例示的な実施形態および方法ならびにそれらの均等物には、本開示の範囲内または添付の特許請求の範囲内にある限り、修正を加えうることも意図する。

前述の「発明を実施するための形態」においては、開示を効率的に行うため、さまざまな特徴をまとめていくつかの例示的実施形態とした場合もあるが、この開示方法は、任意の特許請求する実施形態がその対応請求項に明白に記載されている特徴よりも多くの特徴を要するという意図を反映すると解釈されるべきではない。むしろ、添付の特許請求の範囲に反映されるように、本発明の主題は、一つの開示された例示的実施形態のすべての特徴より少ない特徴でも構成されうる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その各請求項が別の開示された実施形態としてそれぞれ独立している状態で「発明の実施するための形態」に組み込むこととする。しかしながら、本開示は、本開示または添付の特許請求の範囲に記載した1つまたは複数の開示された特徴または特許請求された特徴からなる任意の適切なセット(すなわち、両立するとともに相互排他的でない特徴のセット)を有する任意の実施形態を暗示すると解釈されるものである。また上記セットには本明細書に明示的に開示されないセットも含まれる。加えて、本開示では、添付の各従属請求項は、多項従属形式かつ矛盾しない範囲ですべての先行請求項に従属する形式で記載されているかのように解釈されるものである。添付の特許請求の範囲は、必ずしも本明細書に開示する主題全体を包含するものではないことにもさらに留意されたい。

本開示および添付の特許請求の範囲においては、接続詞「または」は、(i)別段に明示するか(例えば、「…のいずれか」、「いずれか一方」、または類似の文言を使用して)、または(ii)2つ以上のリストされた代替案が特定の文脈において相互排他的でない(この場合「または」は非相互排他的な代替案を含む組み合わせのみを包含することになる)限り、包括的なものとして解釈されるべきである(例えば、「イヌまたはネコ」は「イヌ、ネコ、または両方」と解釈され、「イヌ、ネコ、またはネズミ」は「イネ、ネコ、ネズミ、これらのうちの2つ、またはこれら3つとも」と解釈されることになる)。本開示および添付の特許請求の範囲においては、「備える(comprising)」・「含む(including)」・「有する(having)」という用語、およびそれらの活用形は、どの場面で使われていても非限定的(open-ended)な専門用語として解釈されるものとし、別段に明示しない限りは、「少なくとも」という用語がそれら各例の後ろに付いていた場合と同じ意味となる。

添付の特許請求の範囲では、米国特許法第112条(f)の規定を装置の請求項で発動させたい場合、「手段(means)」という用語をその装置の請求項に記載することになる。同規定を方法の請求項で発動させたい場合は、「するためのステップ(a step for)」という用語をその方法の請求項に記載することになる。逆に、「手段(means)」または「するためのステップ(a step for)」という用語が請求項に存在しない場合、当該請求項に対して米国特許法第112条(f)の規定を発動させることを意図してはいない。

1つまたは複数の開示が本明細書に参照により援用され、そのような援用開示が本開示と部分的または全体的に対立するかまたは本開示の範囲とは異なる場合、対立箇所、より広範な開示、またはより広範な用語の定義について本開示の方を優位とする。そのような援用開示同士が部分的また全体的に対立する場合は、対立箇所について、日付が後の方の開示を優位とする。

要約書は、特許文献から特定の主題を調査しようとする人々の役に立つよう要件に従って提出した。しかしながら、要約書に記載した任意の要素、特徴、または限定を、任意の特定の請求項に必ず包含させるということは意図していない。各請求項に包含される主題の範囲は当該請求項の記載事項によってのみ画定されるものである。