DE112019005104T5

DE112019005104T5 - Kompakter mikroresonatorfrequenzkamm

Info

Publication number: DE112019005104T5
Application number: DE112019005104.0T
Authority: DE
Inventors: Naoya Kuse; Martin E. Fermann; Tomohiro Tetsumoto; Antoine Jean Gilbert Rolland
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2021-10-07
Also published as: US11409185B2; JP7248370B2; WO2020076402A1; US20210294180A1; JP2022504605A

Abstract

Systeme und Verfahren zur Präzisionssteuerung von mikroresonator-(MR-)basierten Frequenzkämmen können optimierte MR-Aktuatoren oder MR-Modulatoren implementieren, um Langzeitverriegelung von Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, Wiederholungsrate oder Resonanz-Offset-Frequenz des MR zu steuern. MR-Modulatoren können auch für Amplitudenrauschsteuerung verwendet werden. MR-Parameter können an externen Referenzfrequenzen wie zum Beispiel einem Dauerstrichlaser oder einer Mikrowellenreferenz verriegelt werden. MR-Parameter können ausgewählt werden, um Nebensprechen zwischen den MR-Parametern zu reduzieren, wodurch Langzeitverriegelung vereinfacht wird. Der MR kann an einem externen zwei Wellenlängen verzögerten selbst-heterodynen Interferometer für Mikrowellenerzeugung mit geringem Rauschen verriegelt werden. Ein MR-basierter Frequenzkamm kann durch einen wesentlichen Anteil oder mehr von dem freien Spektralbereich (FSR) über ein Rückkopplungssteuersystem eingestellt werden. Das Abtasten von MR-Frequenzkämmen kann auf totzonenfreie Spektroskopie, Multi-Wellenlängen-LIDAR, optische Uhren mit hoher Präzision oder Mikrowellenquellen mit geringem Phasenrauschen angewandt werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der Priorität für US-Patentanmeldung Nr. 62/744,862 , eingereicht am 12. Oktober 2018, US-Patentanmeldung Nr. 62/769,700 , eingereicht am 20. November 2018, und US-Patentanmeldung Nr. 62/824,040 , eingereicht am 26. März 2019, alle davon mit dem Titel COMPACT MICRORESONATOR FREQUENCY COMB, und wobei alle davon hiermit durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Konstruktion und Steuerung von photonischen Mikroresonatorfrequenzkämmen mit ultrageringem Rauschen und ihre Anwendungen.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Mikroresonator-(MR-)basierte Frequenzkämme finden eine zunehmende Anzahl an Verwendungen in beliebigen Anwendungen, welche die Erzeugung und Verarbeitung eines elektromagnetischen Signals erfordern, zum Beispiel umfassend drahtlose und optische Breitbandkommunikation, Radar, Prüf- und Messinstrumente, Spektroskopie oder Erfassung. Hierin sind Systeme und Verfahren z. B. zur Steuerung von MR-Frequenzkämmen offenbart.
KURZDARSTELLUNG
Präzisionsmikroresonatorfrequenzkämme können die Steuerung von Kammparametern wie zum Beispiel Kammabstand, Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, Resonanz-Offset-Frequenz oder Amplitudenrauschen sowie Initiierung eines kohärenten Zustands beinhalten. In einigen Anwendungen ist auch hohe Bandbreitenmodulation von Kammparametern bereitgestellt.
Es sind verschiedene Beispiele für Systeme und Verfahren zur Präzisionssteuerung von mikroresonator-(MR-)basierten Frequenzkämmen offenbart. Durch Implementieren von optimierten MR-Aktuatoren und MR-Modulatoren kann Langzeitverriegelung von einem von, allen von oder einem beliebigen Teilsatz von Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, Wiederholungsrate oder Resonanz-Offset-Frequenz des MR gesteuert werden. Zusätzlich können die Modulatoren auch für Amplitudenrauschsteuerung verwendet werden. Die verschiedenen MR-Parameter können an externen Referenzfrequenzen wie zum Beispiel einem Dauerstrichlaser oder einer Mikrowellenreferenz verriegelt werden. Die verschiedenen MR-Parameter sind aneinander gekoppelt, aber über Auswahl von optimierten MR-Parametern kann das Nebensprechen zwischen den MR-Parametern reduziert oder minimiert werden, wodurch Langzeitverriegelung vereinfacht wird. Der MR kann auch an einem externen zwei Wellenlängen verzögerten selbst-heterodynen Interferometer für Mikrowellenerzeugung mit geringem Rauschen verriegelt werden. Der MR-basierte Frequenzkamm kann durch einen wesentlichen Anteil des freien Spektrumsbereichs (FSR) und durch sogar mehr als einen FSR über Anwendung eines Rückkopplungssteuersystems eingestellt, abgetastet oder moduliert werden. Das Abtasten von MR-Frequenzkämmen kann zum Beispiel auf totzonenfreie Spektroskopie und Multiwellenlängen-LIDAR angewandt werden. Die Auflösung eines beliebigen kammbasierten LIDAR-Systems kann über kohärentes Heften von einzelnen Kammlinien stark verbessert werden. MR-basierte Kämme können auch in optischen Uhren mit hoher Präzision und Mikrowellenquellen mit geringem Phasenrauschen über die Verwendung von Frequenzteilung und molekularen Referenzen verwendet werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Einseitenbandmodulator verwendet, um sowohl den Kammabstand als auch Carrier-Envelope-Offset-Frequenz eines Kamm-MR zu steuern.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird zumindest ein Graphenmodulator für schnelle Steuerung eines MR verwendet.
In noch einem weiteren Beispiel wird die Kombination aus Heizern und Diodenpumpenstrommodulation für die MR-Steuerung verwendet.
Details zu einer oder mehreren Implementierungen des in dieser Patentschrift beschriebenen Gegenstandes sind in den begleitenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile werden aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich. Weder diese Kurzdarstellung noch die folgende detaillierte Beschreibung gibt vor, den Umfang des erfinderischen Gegenstandes zu definieren oder zu begrenzen.
Figurenliste

1(a)-1(d) veranschaulichen schematisch eine Ausführungsform eines Schemas zur Steuerung eines Mikroresonators (MR).
2a veranschaulicht eine beispielhafte Messung des Ausgabespektrums eines MR-Kamms.
2b veranschaulicht eine beispielhafte Messung von Frequenzstabilität eines MR-Kammmodus bei Verriegelung an einen Faserkamm.
3 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Schemas zur Steuerung eines MR unter Verwendung von Graphenmodulatoren.
4 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für bevorzugte Graphenvorspannungspunkte bei Verwendung eines Graphenmodulators zur MR-Steuerung.
5 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Schemas zur Steuerung eines Mikroresonators unter Verwendung eines Halbleiterlasers in Verbindung mit Mikroheizern.
6 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Systems zum Präzisionswellenlängenabtasten eines Mikroresonators unter Verwendung eines Halbleiterlasers in Verbindung mit Mikroheizern.
7 veranschaulicht schematisch verschiedene Frequenzen, die an Mikroresonatorwellenlängenabtasten beteiligt sein können.
8 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Variation von Kammmodusfrequenz versus Temperatur erhalten von einer Ausführungsform zum Wellenlängenabtasten.
9 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Systems für spektroskopische Messungen unter Verwendung eines Mikroresonators zum Wellenlängenabtasten.
10 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für ein LIDAR-Erfassungssystem unter Verwendung eines Mikroresonators zum Wellenlängenabtasten.
11 veranschaulicht schematisch ein weiteres Beispiel für ein LIDAR-Erfassungssystem unter Verwendung eines Mikroresonators zum Wellenlängenabtasten.
12 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für ein kohärent geheftetes kammbasiertes frequenzmoduliertes Dauerstrich-(FMCW-)LIDAR-System.
13a veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Frequenzentwicklung von benachbarten Kammmodi eines kammbasierten FMCW-LIDAR-Systems vor kohärentem Heften.
13b veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Frequenzentwicklung von benachbarten Kammmodi eines kammbasierten FMCW-LIDAR-Systems nach kohärentem Heften.
14a veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die zeitliche Entwicklung der Schwebungssignale in Bezug auf benachbarte Kammmodi eines kammbasierten FMCW-LIDAR-Systems vor kohärentem Heften.
14b veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die zeitliche Entwicklung der Schwebungssignale in Bezug auf benachbarte Kammmodi eines kammbasierten FMCW-LIDAR-Systems nach kohärentem Heften.
15 ist eine Darstellung eines tatsächlich gemessenen kohärent gehefteten FMCW-LIDAR-Signals in der Zeitdomäne basierend auf kohärentem Heften der Signale von drei Kammmodi.
16a ist eine Darstellung der räumlichen Auflösung (z. B. dargestellt durch Rundtripzeitverzögerung zu einem einzelnen Ziel) erhalten ohne und mit kohärentem Heften.
16b ist eine Darstellung der räumlichen Auflösung (z. B. dargestellt durch Rundtripzeitverzögerung zu einem doppelten Ziel) erhalten ohne und mit kohärentem Heften. In diesem Beispiel sind die zwei Ziele nur mit kohärentem Heften unterscheidbar.
17a veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Modifikation des Kammmodusspektrums eines Mikroresonators, wenn der Kammabstand zwischen zwei unterschiedlichen Werten gewechselt wird. Das Kammmodusspektrum für die zwei Werte ist durch durchgezogene und gestrichelte Linien dargestellt.
17b veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die zeitliche Signalentwicklung der FMCW-Signale in Bezug auf einzelne Kammmodi eines abtastenden Mikroresonatorkamms vor der Implementierung von zeitlicher Neuskalierung, wobei schematisch die Variation der Zykluszeit T_Zyklus in Abhängigkeit der Kammmoduszahl veranschaulicht wird.
18 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die zeitliche Signalentwicklung der FMCW-Signale in Bezug auf einzelne Kammmodi eines abtastenden Mikroresonatorkamms nach der Implementierung von zeitlicher Neuskalierung.
19 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines mikroresonatorbasierten Millimeter-(mm-)Wellenoszillators mit geringem Phasenrauschen.
20 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines mikroresonatorbasierten Frequenzabwärtskonvertierers, der ein mmWellensignal in ein Mikrometerwellensignal umwandelt.
21 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Konfiguration einer mikroresonatorbasierten optischen molekularen Uhr.
22a veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Frequenzspektren einer kammbasierten mmWellenquelle und von zwei Dauerstrich-(CW-)Referenzlasern in Bezug auf eine mikroresonatorbasierte optische molekulare Uhr.
22b veranschaulicht schematisch ein Beispiel für die Frequenzspektren eines kammbasierten mmWellen- zu Mikrowellen-Abwärtskonvertierers und von zwei CW-Referenzlasern in Bezug auf eine mikroresonatorbasierte optische molekukare Uhr.
23 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für einen Mikroresonator, der sowohl eine Pumpe als auch einen Kühllaser umfasst.

Die Figuren stellen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für Zwecke der Veranschaulichung dar und sind nicht als einschränkend beabsichtigt. Wann immer es praktikabel ist, können ähnliche oder gleiche Bezugszeichen oder Bezugsmarkierungen in den Figuren verwendet werden und können ähnliche oder gleiche Funktionalität angeben.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Übersicht
Mikroresonator-(MR-)basierte Frequenzkämme finden eine zunehmende Anzahl an Verwendungen in beliebigen Anwendungen, welche die Erzeugung und Verarbeitung eines elektromagnetischen Signals erfordern, zum Beispiel umfassend drahtlose und optische Breitbandkommunikation, Radar, Prüf- und Messinstrumente, Spektroskopie und Erfassung. Viele dieser Anwendungen profitieren stark von der Verfügbarkeit von Frequenzkämmen, die Steuerung der Wiederholungsrate frep, Carrier-Envelope-Offset-Frequenz fceo und/oder Amplitudenrauschen ermöglichen, was zu gut definierten optischen Frequenzen führt.
Mit jüngsten Fortschritten bei MR-basierten Frequenzkämmen wird ihre genaue Steuerung immer wichtiger. Tatsächlich kann, obwohl sich MR-Gestaltungen stark verbreitet haben, ihre Nützlichkeit für praktische Anwendungen begrenzt sein. Für echte Massenanwendungen werden MRs basierend auf CMOS-kompatibler Technologie für potentielle Gestaltungen im Chip-Maßstab bevorzugt, wie zum Beispiel offenbart in B. Stern et al., „Battery operated integrated frequency comb generation“, Nature (2018). Jedoch gibt es immer noch einen Bedarf an MR-Frequenzkämmen basierend auf Gestaltungsarchitekturen, die mit Gestaltungen im Chip-Maßstab kompatibel sind, die vollständige Steuerung von MR-Kammparametern sowie Modulation von MR-Kammparametern ermöglichen.
Von besonderem Interesse sind Frequenzkämme im Chip-Maßstab, die einen Soliton-Kamm emittieren. Im Gegensatz zu einem auf Modulationsinstabilität basierten Kamm (chaotischer Kamm) ist ein Soliton-Kamm in einem modusverriegelten Zustand und erzeugt stark kohärente, ultrakurze Impulse und einen Kamm mit geringem Rauschen. Unter verschiedenen möglichen Kamm-MR-Plattformen sind Plattformen, die einen CMOS-kompatiblen Herstellungsprozess ermöglichen, der eine Gestaltung im Chip-Maßstab zulässt, von besonderem Interesse. Beispiele für CMOS-kompatiblen Herstellungsprozess beinhalten zum Beispiel Siliziumnitrid (SiN), Hydex sowie amorphes Silizium, aber andere Beispiele sind ebenfalls möglich.
Das Erzeugen eines stabilen Soliton-Kamms ist im Allgemeinen aufgrund schneller thermo-optisch induzierter Hohlraumänderungen beim Übergehen von einem chaotischen Kamm zu einem Soliton-Kamm herausfordernd. Um diese Herausforderung zu überwinden, sind mehrere Verfahren demonstriert worden, darunter zum Beispiel eine schnelle Frequenzabtastung durch einen Einseitenbandmodulator (SSBM) bestehend aus einem dualparallelen Mach-Zehnder-Interferometermodulator (DP-MZM) und Vorwärts- und Rückwärts-Pumpenfrequenzabtasten, wie gezeigt in H. Guo et al., „Universal dynamics and deterministic switching of dissipative Kerr solitons in optical microresonators", Nature physics, Band 13, S. 94 (2017). Das schnelle Abtasten über einen SSBM ist besonders attraktiv, da es Einzel-Soliton-Kammerzeugung mit hoher Wiedergabetreue und keiner Notwendigkeit von Pumpenlasermodulation ermöglicht.
Für einen optischen Frequenzkamm werden fceo und frep im Allgemeinen jeweils durch Pumpenfrequenz- und Pumpenleistungssteuerung bestimmt. Nach Erzeugung eines stabilen Soliton-Kamms mit dem SSBM kann der SSBM auch verwendet werden, um die Resonanz-Offset-Frequenz ROF (wobei ROF die Differenz zwischen der Pumpenlaserfrequenz und der Hohlraumresonanzfrequenz ist) über die Verwendung von Pound-Drever-Hall-(PDH- )Verriegelung zu steuern, wie offenbart in J. R. Stone et al., „Thermal and Nonlinear Dissipative-Soliton Dynamics in Kerr-Microresonator Frequency Combs", Phys. Rev. Lett., Band 121, S. 063902 (2018). Der SSBM kann auch einfach für fceo- und frep-Steuerung implementiert werden. Da für die fceo- und frep-Steuerung im Allgemeinen zwei Freiheitsgrade erforderlich sind, wird typischerweise ein akusto-optischer Modulator (AOM), der ermöglicht, die Pumpenleistung zu regulieren, direkt vor dem MR eingefügt. Jedoch ist die Verwendung von AOMs im Allgemeinen nicht mit der Umsetzung von MRs im Chip-Maßstab kompatibel. Außerdem erhöht die Verwendung von unterschiedlichen Komponenten für Soliton-Kamminitiierung, frep- und fceo- oder ROF-Steuerung die Kosten solcher Vorrichtungen und ist für Anwendungen im großen Maßstab nicht praktisch.
Hierin sind verschiedene Alternativen für vollständige Mikrokammsteuerung offenbart, welche die Komponentenzahl begrenzen und vollständig mit Gestaltungen im Chip-Maßstab kompatibel sind. Als eine erste Alternative kann die Verwendung eines SSBM nicht nur für eine Soliton-Kamm-Erzeugung, sondern auch sowohl für fceo- als auch frep-Steuerung verwendet werden. In diesem Ansatz wird die Pumpenleistung für einen Mikrokamm gesteuert, indem die Leistungsverteilung zwischen optischen Seitenbändern und dem restlichen Träger moduliert wird, indem eine der Vorspannungen des SSBM geändert wird. Modulation der Seitenbandfrequenz ermöglicht ferner schnelles Abtasten der eingespritzten Lichtfrequenz für Kamminitiierung und vollständige f_ceo- und f_rep-Steuerung. Zusätzlich oder alternativ kann zum Reduzieren von Rauschen der Kammwiederholungsrate f_rep für einen Soliton-Kamm ohne Verwendung einer externen Referenz die ROF fixiert werden, indem PDH-Verriegelung angewandt wird. Dazu wird Pumpenfrequenz durch den SSBM gesteuert.
In einer zweiten Alternative werden Graphenmodulatoren abgeschieden auf MRs für vollständige MR-Kammsteuerung verwendet.
In einer dritten Alternative kann die Modulation der Ausgangsleistung eines Pumpenlasers über Pumpenstrommodulation sowie schnelle Wärmemodulation des MR für vollständige frep- und fceo-Steuerung verwendet werden.
Beispielhaftes Arbeitsprinzip und beispielhaftes System erster Ausführungsform
Das Arbeitsprinzip der 1. Alternative ist in 1 gezeigt. 1(a) veranschaulicht schematisch einen Dauerstrich-(CW-)Laser, der durch einen DP-MZM gerichtet wird, in dem Pumpenfrequenz und Leistung gesteuert werden. Grundsätzlich wird der DP-MZM in dem trägerunterdrückten Einseitenbandmodus betrieben. Für diesen Modus werden beide verschachtelten oberen und unteren Mach-Zehnder-Interferometer (MZI_S) ordentlich vorgespannt, indem Spannungen V_Vorspannung1 und V_Vorspannung2 angewandt werden, wodurch der optische Träger eliminiert wird und zwei Seitenbänder hinterlassen werden. Hier werden die zwei MZIs durch die gleiche Funkfrequenz-(RF-)Frequenz (von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO)) moduliert, aber mit 90 Grad Phasendifferenz (unter Verwendung eines 90-Grad-Hybridteils). Dann wird durch Hinzufügen einer angemessenen Vorspannung V_Vorspannuug3 in dem Haupt-MZI ein Seitenband entweder auf der roten oder der blauen Seite unterdrückt, wodurch nur ein Einseitenband zurückgelassen wird. Das einzelne übrige Seitenband wird dann als eine Pumpe für den MR verwendet. Zuerst wird, um auf einen stabilen einzelnen Soliton-Kamm zuzugreifen, die VCO-Frequenz schnell eingestellt, indem eine DC-Spannung (V_DC,Abtastung) an den VCO angelegt wird, was zu einem schnellen Abtasten der Pumpenwellenlänge von blau zu rot wie in 1(b) gezeigt führt. Sobald ein stabiler einzelner Soliton-Kamm erhalten ist, können die Pumpenfrequenz und Leistung weiter gesteuert werden, indem spezifische Modulationsspannungen angelegt werden (Vmi für Pumpenfrequenz und V_m2 für Leistung). Für Pumpenfrequenzsteuerung wird V_m1 zu V_DC,Abtastung hinzugefügt und an den VCO angelegt, wodurch Pumpenfrequenzsteuerung über VCO-Frequenzänderungen wie in 1(c) gezeigt ermöglicht wird. Für Leistungssteuerung wird V_m2 V_Vorspannung1 hinzugefügt. Es ist anzumerken, dass V_Vorspannung1 absichtlich von dem optimalen Trägerunterdrückungspunkt fehleingestellt ist, sodass eine angemessene Spannungsänderung von V_m2 die Leistungsverteilung zwischen dem Seitenmodus und dem Restträger wie in 1(D) gezeigt ändern kann. Es ist anzumerken, dass das Leistungsverhältnis zwischen dem Seitenband und dem restlichen Träger auch nach optischer Amplifizierung gleich bleibt, im Gegensatz zu dem Fall, in dem die Leistung eines einzelnen Trägers vor einem optischen Verstärker moduliert wird. In diesem Fall begrenzt Verstärkungssättigung typischerweise die mögliche Pumpenleistungsmodulation für den Mikrokamm und es kann ein akusto-optischer Modulator (AOM) für wesentlichere Leistungsmodulation verwendet werden.
Spezifischer wird, um einen stabilen einzelnen Soliton-Kamm zu erzeugen, der SSB-Modulator auf eine Frequenz eingestellt, in der mehrere parametrische Kammmodi beobachtet werden. Die VCO-Frequenz wird dann schnell abgetastet, um einen Pumpenfrequenz verschoben auf die rote Seite der MR-Resonanz um einige Male bis dem 10-Fachen der Linienbreite der Resonanz zu erzeugen. Diese Verschiebung wird bevorzugt innerhalb eines Zeitraums von einigen ns bis einigen Dutzenden ns ausgeführt, indem eine DC-Spannung angelegt wird (V_DC,Abtastung in 1(a)). Ein Beispiel für das erzeugte optische Spektrum, das mit einem Soliton-Kamm erhalten wird, ist in 2a gezeigt.
Um fceo- und -frep-Langzeitverriegelung zu demonstrieren, wird der MR zu einem Faserfrequenzkamm verriegelt. Für dieses Verriegelungsschema wird die Schwebungsfrequenz von einem MR-Kammmodus über einen Kammmodus des nächsten Nachbarn von einem Faserfrequenzkamm gestört und wird die resultierende Schwebungsfrequenz über eine Standard-PID-Rückkopplungsschleife auf eine Mikrowellenreferenz stabilisiert. Das resultierende Fehlersignal von der PID-Schleife wird dann entweder auf die Pumpenleistungs- oder die Pumpenfrequenzsteuerung in dem MR angewandt. Der gleiche Vorgang wird für einen weiteren MR-Kammmodus wiederholt. Da dieses Verriegelungsschema zwei Freiheitsgrade aufweist, ist es äquivalent zu simultaner fceo- und frep-Verriegelung des Resonators. Es ist anzumerken, dass die zwei PID-Schleifen verwendet werden, um an zwei unterschiedlichen Steuermechanismen in dem MR zu betätigen, wie zum Beispiel Pumpenleistung und Pumpenfrequenz wie hier verwendet. Das Zweipunkt-Verriegelungsschema kann auch mit anderen Frequenzreferenzen wie zum Beispiel CW-Lasern oder Mikrowellenreferenzen verwendet werden; für einige Anwendungen kann es ausreichend sein, den MR-Kamm an nur einer externen Referenz zu verriegeln.
Für Langzeitfrequenzverriegelung, wie vorstehend erläutert, wird die Pumpenfrequenz typischerweise auf einen Bereich zwischen einigen Malen bis dem 10-Fachen der Linienbreite der Resonanz des Mikroresonators auf der roten Wellenlängenseite des MR verstimmt. Wenn ein stabiler Soliton erzeugt wird, ist fceo- und frep-Verriegelung in einer großen Spanne an ROFs möglich. Mit den zwei Steuermechanismen, die durch den DP-MZM bereitgestellt sind, wird Langzeitverriegelung des MR an dem Faserkamm einfach demonstriert. Als ein Beispiel ist die Mittelfrequenz (f_Pumpe) des MR in Abhängigkeit von Zeit wie mit einem Frequenzzähler unter verriegelten Bedingungen gemessen in 2b gezeigt.
Einige MR-Kammanwendungen erfordern auch die Steuerung der ROF, zum Beispiel, wenn keine externe Frequenz verfügbar ist oder wenn fceo oder frep nicht einfach gemessen werden können. In einem solchen Fall kann Stabilisierung von zumindest der ROF und, falls gewünscht, Amplitudenrauschminimierung einen Soliton-Kamm mit geringerem Rauschen verglichen mit einem freilaufenden Soliton-Kamm erzeugen. Für ROF-Stabilisierung kann PDH-Verriegelung verwendet werden, um die Pumpenfrequenz an der Resonanzfrequenz des Hohlraums zu verriegeln. Um PDH-Verriegelung zu ermöglichen, kann ein zusätzlicher EO-Phasenmodulator zwischen dem DP-MZI und dem Resonator eingefügt werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal kann dann auf einen Aktuator wirken, der die Pumpenfrequenz steuert, zum Beispiel über den DP-MZM. Alternativ kann für PDH-Verriegelung die Pumpenfrequenz durch nur einen DP-MZM moduliert und gesteuert werden, wobei seine zwei Freiheitsgrade genutzt werden, wie vorstehend erläutert. Um sicherzustellen, dass der MR in dem Soliton-Regime bleibt, muss der DP-MZM auf die korrekte Frequenzverschiebung über den VCO in 1 eingestellt sein, während gleichzeitig eine Phasenmodulation auf den CW-Laser angewandt wird. Dies kann sichergestellt werden, indem ein Zweiton-RF-Signal anstelle eines Eintonsignals auf den VCO angewandt wird. Die Vorspannungssteuerung in dem DP-MZM kann dann für die Verriegelung des ROF über die Spannung V_m2 verwendet werden.
Für Amplitudenrauschunterdrückung wird Amplitudenrauschen des Soliton-Kamms durch einen Photodetektor gemessen und mit einem DC-Signal verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal wird dann zu einem Aktuator wie zum Beispiel dem PD-MZM oder dem Pumpenlaserstrom für Pumpenleistungssteuerung zurückgeführt.
Es ist anzumerken, dass, wie in 2a gezeigt, der vorliegende MR-Resonatorkamm die Bandbreite einer Oktave nicht bedeckt, wodurch kein Zugriff auf das tatsächliche fceo-Signal erhalten werden kann. Jedoch können nahezu oktaven- und sogar oktavenumspannende Frequenzkämme über Optimierung der Dispergierung in MRs erzeugt werden. Mit solchen MR-Kämmen kann auf das fceo-Signal zum Beispiel mit einem Standard-f-2f-Interferometer zugegriffen werden. Wenn die Spitzenleistung der in den MRs erzeugten Impulse nicht ausreichend ist, kann ein CW-Laser als ein Übertragungsoszillator verwendet werden. Dafür werden zwei optische Schwebungen gemessen. Die erste Schwebung f_Schwebung1 (fbeat1 =(nfrep+fceo) - fcw) wird zwischen einem MR-Modus und dem CW-Laser ausgewählt, der phasenverriegelt werden muss (der Einfachheit halber unter der Annahme einer Nullfrequenz). Die zweite Schwebung f_Schwebung2 (fbeat2 = (mfrep+fceo) - 2fcw) ist ausgewählt zwischen einem MR-Modus und dem frequenzgedoppelten CW-Laser, der gleich dem fceo des MR ist (fbeat2 = (mfrep+fceo) - 2fcw = (mfrep+fceo) - 2*(nfrep+fceo) = -fceo). Sobald fceo durch eines der vorstehenden zwei Verfahren erfasst ist, kann fceo gesteuert werden, indem entweder Pumpenfrequenz oder Leistung gesteuert wird.
Beispielhaftes System zweiter Ausführungsform
Das Arbeitsprinzip der 2. Alternative ist in Bezug auf 3 veranschaulicht. Hier werden zwei Graphenmodulatoren abgeschieden auf dem Eingangsarm zu dem MR sowie dem MR selbst für vollständige MR-Steuerung verwendet. Der MR kann zum Beispiel auf SiN, Polybutylenterephthalat (z. B. Hydex), amorphem Silizium, Diamant, Lithiumniobat oder anderen Materialien basieren, welche die Konstruktion eines Resonators mit hohem Q ermöglichen, wobei hohes Q ein Q von mehr als 10⁵ bedeutet. Der Graphenmodulator #1 (GM1) kann für Steuerung oder Modulation der Pumpenleistung zu dem MR verwendet werden, wohingegen der Graphenmodulator #2 (GM2) für Steuerung der Resonanzfrequenz des MR verwendet werden kann. Die eingesetzte Modulationstiefe der Pumpenleistung kann etwa einige Prozent sein und der eingesetzte Bereich der Resonanzfrequenzsteuerung kann bis zu einigen GHz sein.
Die Modulation kann durch eine Steuerung des Fermi-Niveaus in der Graphenschicht durchgeführt werden, indem zum Beispiel ein dielektrischer Film und eine Gate-Elektrode auf der Graphenschicht gebildet werden und ein elektrisches Feld zwischen dem Gate und dem Graphen erzeugt wird. Die Änderung der elektronischen Bandstruktur des Graphens wirkt sich auf ihre optische Absorption aus, die dem Imaginärteil des Brechungsindex entspricht, und ermöglicht die Intensitätssteuerung. Zum Beispiel wird Absorption von Licht bei einer Wellenlänge von 1,55 µm und einer Photonenenergie von 0,8 eV stufenweise unterdrückt, wenn sich das Fermi-Niveau von Graphen der Photonenenergie von 0,8 eV annähert. Andererseits wird der Realteil des Brechungsindex simultan durch die Kramers-Kronig-Beziehung zwischen dem Realteil und dem Imaginärteil des Brechungsindex moduliert. Die Beziehung ist schematisch in 4 gezeigt. Um effiziente Pumpenleistungsmodulation mit GM1 zu ermöglichen, ist das Fermi-Niveau von GM1 bevorzugt an einem Punkt vorgespannt, an dem die imaginäre Brechungsindexmodulation relativ unempfindlich gegenüber jeglichen angelegten Spannungsvariationen ist, typischerweise um ein Fermi-Niveau von etwa 0,5 eV für Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1,55 µm. Die effiziente Steuerung der Resonanzfrequenz des Mikroresonators mit GM2 wird mit einem etwas größeren Fermi-Niveau als demjenigen für die Intensitätsmodulation durchgeführt, bei der die Änderung in dem Realteil des Brechungsindex relativ groß ist, während Änderungen in dem Imaginärteil des Brechungsindex klein sind. Beispiele für die Betriebsbereiche sind durch doppelseitige Pfeile in 4 angegeben. Zum Verriegeln des ROF kann ein zusätzlicher EO-Phasenmodulator stromaufwärts des Resonators zur Erzeugung eines Fehlersignals eingefügt werden. Der zusätzliche EO-Modulator kann auch auf einem elektro-optischen Graphenmodulator basieren, aber es kann auch eine beliebige andere Form der Elektromodulation implementiert werden. Für tatsächliche ROF-Verriegelung kann ein PDH-Verriegelungsschema implementiert werden, wie vorstehend erörtert, und das Fehlersignal kann den Graphenmodulator im Hohlraum oder alternativ die Frequenz des CW-Lasers gekoppelt in den Hohlraum betätigen.
Es können verschiedene Verfahren angewandt werden, um einen Graphenmodulator an einem MR anzubringen. Zum Beispiel offenbaren C. T. Phare, et al. in „Graphene electro-optic modulator with 30 GHz bandwidth", Nature Photonics, Band 9, S. 511 - 514 (2015) das Einsetzen von Nassübertragung eines Graphenfilms auf den MR.
Mit einem Graphenmodulator abgeschieden auf einem SiN-Mikroresonator ist eine Modulationsfrequenz von 30 GHz und höher erreichbar. Eine solche hohe Modulationsbandbreite kann nicht nur für die Steuerung eines Soliton-Kamms in einem MR wie vorstehend beschrieben, sondern auch für die Erzeugung eines Kurogi-Kamms verwendet werden. In einer Anpassung eines MR als ein Kurogi-Kamm werden Seitenbänder zu dem CW-Licht eingespritzt in den MR durch repetitive Phasenmodulation in dem MR über den Graphenmodulator wiederholt erzeugt. Dies führt zu der Bildung eines kammartigen Spektrums mit einem Kammabstand bei der Modulationsfrequenz. Die Erzeugung eines Kurogi-Kamms wird verstärkt, wenn der FSR des MR und die angewandte Modulationsfrequenz identisch sind.
Beispielhaftes System dritter Ausführungsform
Das Arbeitsprinzip der dritten Alternative ist wie folgt und in 5 schematisch gezeigt. Hier ist ein Pumpenlaser, bevorzugt basierend auf einem Halbleiterdiodenlaser oder Verstärker, über das Kopplungselement C1 an einen Mikroresonator (MR) gekoppelt. Das Kopplungselement C1 kann zum Beispiel mikrooptische Linsen oder Wellenleiterverjüngungen umfassen, um die Kopplungseffizienz zu optimieren. Der MR umfasst auch zumindest einen Mikroheizer abgeschieden an dem MR für schnelle Erwärmung der Hohlraumlänge. Zum Beispiel kann der Mikroheizer ein Widerstandsmikroheizer basierend auf Pt und Al mit einem Widerstand von etwa 200 Ohm sein. Solche Mikroheizer können unter Anwendung von Standardherstellungstechniken wie zum Beispiel Abhebprozessen abgeschieden werden. Gut gestaltete Heizer ermöglichen die Modulation von MR-Hohlraumlängen um > 10^-4 von fraktionierter Hohlraumlängenänderung mit einer Modulationsbandbreite von > 100 kHz.
Die Mikroheizer können dann zur Initiierung eines Soliton-Zustands ähnlich dem in Bezug auf 1 beschriebenen Verfahren verwendet werden. Wohingegen jedoch in 1 die Pumpenfrequenz schnell moduliert wurde, wird hier die Hohlraumlänge schnell moduliert. Die Mikroheizer in Verbindung mit Pumpenstrommodulation werden dann auch für vollständige Steuerung des fceo und frep des MR verwendet, wie ebenfalls in Bezug auf 1 erläutert.
Steuerung eines Pumpenlasers über Modulation des Pumpenstroms moduliert sowohl Pumpenfrequenz als auch Pumpenleistung. Andererseits bewirken Mikroheizer hauptsächlich Modulation der ROF, äquivalent zu Pumpenfrequenzmodulation. Daher kann eine angemessene Auswahl der ROF von der MR-Resonanz über Mikroheizungen Nebensprechen zwischen Pumpenstrommodulation und Mikroheizermodulation minimieren.
Zum Beispiel kann bei einer angemessenen ROF (ROF_opt) Pumpenfrequenzmodulation minimale Änderungen an fceo erzeugen, während viel größere Änderungen an n×frep in dem MR induziert werden, während Pumpenleistungsmodulation bei ROF_opt Änderungen an fceo und nxfrep von ähnlicher Größe erzeugt. Hier entspricht n×frep der Emissionsfrequenz des MR in der optischen Domäne, die ähnlich der Frequenz des eingespritzten CW-Lasers ist. Da Stromänderungen in dem Pumpenlaser typischerweise sowohl Modulationen von Pumpenfrequenz als auch -leistung erzeugen, können bei ROF_opt zu erster Ordnung die fceo-Änderungen, die sich aus durch Pumpenstrommodulation induzierte Frequenzmodulation ergeben, ignoriert werden, wodurch nur die fceo-Änderungen zurückgelassen werden, die sich aus pumpenstrominduzierten Leistungsmodulationen ergeben. Gleichzeitig bleiben durch Pumpenstrommodulation induzierte Modulationen von nxfrep sowohl von durch Pumpenstrom induzierten Leistungs- als auch Frequenzmodulationen. Daher wird vollständige Steuerung des MR nahe ROF_opt bevorzugt, wobei Heizermodulation hauptsächlich nxfrep steuert und Pumpenstrommodulation fceo mit minimalem Nebensprechen zu nxfrep steuert.
Im Allgemeinen ist sogar in dem optimalen Fall unabhängige frep- und fceo-Steuerung nicht möglich, aber solange die Empfindlichkeit von frep oder fceo gegenüber einem bestimmten Betätigungsparameter unterschiedlich ist, kann immer noch frep- und fceo-Langzeitverriegelung erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen angemessene elektronische Gestaltungen basierend auf linearer Superposition für die zwei Steuersignale für die zwei Modulatoren, Nebensprechen zwischen Pumpenstrom- und Heizermodulation zu minimieren.
Wie unter Bezugnahme auf die anderen zwei Alternativen erörtert, kann auch PDH-Verriegelung der ROF implementiert werden. Um PDH-Verriegelung zu ermöglichen, kann die ROF über die Mikroheizer gesteuert werden und kann die Pumpenfrequenz des CW-Lasers direkt moduliert werden. Jedoch können auch zusätzliche Modulatoren oder Hohlraumlängensteuerungen wie in Bezug auf Alternative eins und zwei erörtert verwendet werden.
Zusätzlich oder alternativ kann ein zwei Wellenlängen verzögertes selbstheterodynes Interferometer, z. B. wie erörtert in US-Patentveröffentlichung Nr. 2018/0180655 , Ultra-low noise photonic phase noise measurement system for microwave signals, zu N. Kuse et al. (das hiermit durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen ist) verwendet werden, um Phasenrauschen von frep zu unterdrücken. Gleichzeitig können beliebige hierin beschriebene Modulatoren und Aktuatoren verwendet werden, um frep zu steuern, wenn frep eines MR an einem zwei Wellenlängen verzögerten selbst-heterodynen Interferometer verriegelt wird. Außerdem kann die Verwendung eines zwei Wellenlängen verzögerten selbst-heterodynen Interferometers zur Reduzierung oder Minimierung des Phasenrauschens von frep mit einem beliebigen MR verwendet werden.
Wie in Bezug auf Alternative eins und zwei beschrieben, kann die hier beschriebene Pumpenfrequenz-/Leistungsmodulation auch für Intensitätsrauschunterdrückung des Kamm-MR verwendet werden. Darin kann das Fehlersignal von dem PI-Schleifenfilter zurückgeführt werden, um entweder Pumpenfrequenz oder -leistung für die gewünschte Amplitudenrauschunterdrückung zu steuern. Amplitudenrauschunterdrückung kann zum Beispiel nützlich sein, um den Zeittakt-Jitter der in dem MR erzeugten Impulse zu unterdrücken.
Mit ausreichend Heizstrom, der auf das System angewandt wird, gezeigt in 5, kann der fraktionierte Hohlraumlängeneinstelbereich > 10^-3 erreichen. Eine solche große fraktionierte Hohlraumlängenänderung kann einer Verschiebung der Kammlinien in der optischen Domäne um mehr als einen freien Spektrumsbereich (FSR) entsprechen. Jedoch kann in einigen Anwendungen ein fraktionierter Hohlraumlängeneinstelbereich von nur 50 % des FSR oder nur 10 % des FSR oder nur 5 % des FSR verwendet werden. In verschiedenen Konfigurationen kann ein Modulationsmechanismus (wie z. B. MR-Erwärmung) angewandt auf einen MR eine Frequenzverschiebung der Kammlinien um mehr als einen FSR für eine Resonatorwiederholungsfrequenz < 20 GHz, < 100 GHz, < 300 GHz und sogar < 1 THz erzeugen, wodurch sich eine Reihe von neuen Anwendungen ergibt. Jedoch kann es im Allgemeinen, wenn solche großen Wiederholungsratenänderungen angewandt werden, herausfordernd sein, die Oszillation eines Soliton-Kamms innerhalb des Resonators beizubehalten. Zum Beispiel demonstrierten M. Yu et al. in „Gas-phase MR-based comb spectroscopy without an external pump laser“, arXiv:1806.01348v1, das Einstellen der Kammlinien eines MR von 195 GHz um etwa einen FSR, aber die Oszillation eines Soliton-Kamms war nicht erreichbar. Stattdessen wurde ein chaotischer Kamm mit einer breiten Linienbreite ähnlich der Linienbreite des MR-Kamms beobachtet, sogar beim Koppeln des MR an einen externen Faserresonator mit einem FSR von etwa 5,2 MHz.
Diese Herausforderung kann zum Beispiel angesprochen werden, indem der FSR des MR und die Pumpenfrequenz simultan abgetastet werden. Wie in Bezug auf die vorstehenden drei beispielhaften Ausführungssysteme erörtert, die in Bezug auf 1-5 beschrieben sind, kann PDH-Verriegelung implementiert werden, um die ROF zu stabilisieren und um den CW-Pumpenlaser an dem MR zu verriegeln. Wenn PDH-Verriegelung aktiviert ist, bleibt der Pumpenlaser an der ROF-Frequenz verriegelt und somit kann der Pumpenlaser der Variation der Hohlraummodi folgen, wenn die Temperatur des MR mit den Mikroheizern hochgefahren (oder willkürlich moduliert) wird. Zusätzlich oder alternativ kann das System konfiguriert sein, sodass die Heizer Verriegelung der ROF ermöglichen, wenn Hochfahren (oder willkürliches Modulieren) des CW-Pumpenlasers angewandt wird.
In einigen Ausführungsformen, wenn das PDH-Verfahren angewandt wird, um einen Soliton-Kamm zu erzeugen, ist die Pumpenfrequenz auf der roten Seite der MR-Resonanz fixiert, z. B. ist ein Seitenband von einem Phasenmodulator eingesetzt für PDH-Verriegelung an der Resonanz fixiert. Jedoch kann in einigen Implementierungen die Pumpenfrequenz auch auf der blauen Seite der MR-Resonanz sein.
Beispielhaftes MR-Abtastsystem unter Verwendung von PDH-Verriegelung
Ein schematisches Blockdiagramm für eine Implementierung eines schnellen MR-Abtastsystems unter Verwendung von PDH-Verriegelung ist in 6 gezeigt. Um PDH-Verriegelung des MR zu ermöglichen, wird ein 1. Phasenmodulator (PM) zwischen dem CW-MR-Pumpenlaser (mit optionalem Modulator) und dem MR eingefügt. Der 1. Phasenmodulator kann zum Beispiel auf einem elektro-optischen (EO) PM basieren. Der 1. PM kann durch eine RF-Frequenz von einem RF-Oszillator angetrieben werden, die genau die gleiche wie das Verstimmen zwischen der Pumpen- und der nächsten Resonanzfrequenz sein kann (aber nicht sein muss). Der 1. PM erzeugt Seitenbänder auf beiden Seiten des Pumpenlasers, wobei das Seitenband auf der blauen Seite der Pumpenlaserfrequenz an der nächsten Resonanzfrequenz durch die PDH-Verriegelung verriegelt werden kann.
Zur Veranschaulichung sind an dem Abtastprozess beteiligte Frequenzen unter Bezugnahme auf 7 weiter erläutert. In diesem Beispiel befindet sich eine CW-Laserfrequenz auf einer roten Seite einer Hohlraumresonanz, n*FSR. Duale Seitenbänder werden durch den 1. Phasenmodulator für PDH-Verriegelung erzeugt. Das Seitenband auf der blauen Seite, PDH-Seitenband #1, ist an der Hohlraumresonanz durch PDH-Verriegelung befestigt. Die FSR des Hohlraums ist ungefähr gleich dem Soliton-Kammmodusabstand, frep. Die ROF entspricht der Trennung zwischen dem CW-Laser und dem PDH-Seitenband #1 in Frequenzraum.
Unter erneuter Bezugnahme auf 6 wird das durch den MR übertragene Signal mit Photodetektor PD photoerfasst. Ein Signal von dem PD wird über einen RF-Mischer gemischt und ein Phasenverschieber mit der RF-Modulationsfrequenz auf den 1. PM (von dem RF-Oszillator, der in 6 gezeigt ist) für Demodulationszwecke angewandt, wodurch ein Fehlersignal erzeugt wird. Das Fehlersignal wird über eine Proportional-Integral-Derivat-(PID- )Steuerung zu einem 2. Modulator (z. B. einem EO-Modulator) zurückgeführt, der zum Beispiel den Pumpenlaser oder V_m1 für einen DP-MZM umfassen kann, wie in 1 gezeigt. Wenn die Resonanzfrequenz des MR zum Beispiel durch einen Mikroheizer abgetastet wird, folgt die Pumpenfrequenz dem MR mit einer festen ROF, wenn die Rückkopplungsschleife mit der PID-Steuerung aktiviert ist. In dieser Implementierung stellt die PID-Steuerung sicher, dass der 2. EO-Modulator die CW-Laserfrequenz um eine angemessene Menge verschiebt, damit die ROF im Wesentlichen fest bleibt.
In einer alternativen Konfiguration (nicht separat gezeigt), wenn die CW-Pumpenfrequenz abgetastet wird, folgt die MR-Resonanzfrequenz der Pumpenfrequenz, wodurch die ROF fixiert wird, indem das Fehlersignal zum Beispiel zu einem Mikroheizer zurückgeführt wird. In beiden Fällen kann eine Rückkopplungsbandbreite von > 10 kHz, > 100 kHz oder sogar > mehreren hundert kHz erreicht werden, gegebenenfalls begrenzt durch die Wärmereaktionszeit der Mikroheizer oder die Pumpenlaserreaktionszeit. Mit der Implementierung von schnelleren Modulatoren, wie zum Beispiel Graphenmodulatoren wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, können noch höhere Rückkopplungsbandbreiten erreicht werden.
Die Frequenzrampe, d. h. die Änderung der CW-Pumpenfrequenz pro Einheitszeit, der Soliton-Kammmodi in der optischen Domäne kann präzise gesteuert werden. Außerdem ist die Frequenzrampe über das gesamte Soliton-Kammspektrum ungefähr die gleiche, aber für eine relativ kleine Änderung von f_rep. Wenn ROF nahe ROF_opt ausgewählt ist, können die Änderungen in fceo während des Abtastvorgangs reduziert oder minimiert werden.
Eine beispielhafte Messung eines Wellenlängen-Sweeps ermöglicht über Heizung eines MR ist in 8 gezeigt. Hier wird die Temperatur des MR geändert und wird eine PDH-Verriegelung aktiviert. In 8 ist die Variation der Frequenzen des -3. (gestrichelte Linie) und des 0. (durchgezogene Linie) Soliton-Kammmodus gezeigt, wodurch demonstriert wird, dass die Frequenzänderung pro Einheitstemperaturänderung über das Soliton-Kammspektrum tatsächlich sehr ähnlich ist. Der Gesamtwellenlängendurchlauf in diesem Beispiel ist etwa 7 GHz. Es wird angenommen, dass die kleine Diskrepanz durch die eingesetzten unterschiedlichen Moduszahlen entsteht.
Mit angemessenen Mikroheizern (z. B. wie unter Bezugnahme auf 5 erläutert) ermöglicht das vorstehend erläuterte Verfahren das Abtasten des Soliton-Kammmodus um mehr als einen FSR, wodurch viele neue Anwendungen ermöglicht werden. Einige Anwendungen erfordern die Anwendung einer stark linearen Frequenzrampe oder einer willkürlich auswählbaren Frequenzrampe. Eine solche Frequenzrampe kann zum Beispiel über externe Kalibrierung der Frequenzrampe unter Verwendung eines externen Frequenzkamms angewandt werden. Nach anfänglicher Kalibrierung kann der externe Frequenzkamm entfernt und die gewünschte Frequenzrampe aufgrund der hohen Präzision, mit der die Frequenzrampe durch die Mikroheizer bestimmt wird, gehalten werden. Alternativ kann mit Echtzeitüberwachung von f_ceo und f_rep eine stark lineare Frequenzrampe oder eine willkürlich auswählbare Frequenzrampe erhalten werden.
Wenn Echtzeitsteuerung der Frequenzrampe gewünscht ist, kann ein zusätzliches unausgeglichenes Mach-Zehnder-Interferometer (nicht separat gezeigt) zwischen den CW-Laser und den 1. PM gezeigt in 6 eingefügt werden, und das Schwebungssignal zwischen dem CW-Lasersignal und seiner zeitlich verzögerten Version kann durch Mischen mit einem externen Referenzsignal zu dem CW-Laser zurückgeführt werden. Ein solches Schema wurde zum Beispiel erörtert in N. Satyan et al., „Precise control of broadband frequency chirps using optoelectronic feedback“, Opt. Expr., 17, 15991 (2009) und ist hier nicht weiter erörtert.
Nachfolgend werden einige Anwendungen detailliert beschrieben, aber es versteht sich, dass das vorstehende Modulationsschema, das als breites Bandbreiten-MR-Sweeping (WIMS) bezeichnet werden kann, nicht auf diese Anwendungen begrenzt ist, sondern angewandt werden kann, wann immer die simultane Modulation vieler Spektrallinien nützlich ist.
Beispielhafte Anwendung von WIMS auf totzonenfreie Spektroskopie
In einem ersten Beispiel ist eine Anwendung von WIMS auf totzonenfreie Spektroskopie unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Bei der totzonenfreien Spektroskopie wird eine geprüfte Probe stromabwärts des abtastenden MR eingefügt und der Probe wird stromabwärts durch einen Wellenlängendivisionsmultiplexer (WDM) gefolgt, um jeden Soliton-Kammmodus zu trennen. Der MR kann durch einen großen Anteil des FSR, den FSR oder sogar durch eine Menge abgetastet werden, die den FSR des MR übersteigt. Die getrennten Soliton-Kammmodi können durch eine Photodetektoranordnung PD1 bis PDN (wobei N 1, 2, 3 oder mehr sein kann) photoerfasst werden. Solche Photodetektoranordnungen können auch ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs) umfassen. Durch Heften der erhaltenen Signale von jedem PD in der Anordnung können vollständige Spektralinformationen der Probe über die vollständige spektrale Bandbreite des Soliton-Kamms erhalten werden. Um eine absolute Frequenzachse hinzuzufügen, kann ein selbstreferenzierter Soliton-Kamm verwendet werden, wodurch eine Auslesung von f_ceo und f_rep mit Zählern in Echtzeit ermöglicht wird. Zusätzlich oder alternativ kann eine bekannte Frequenzreferenz (wie zum Beispiel eine Acetylenabsorptionslinie, nicht separat gezeigt) für Frequenzkalibrierungszwecke verwendet werden. Da die Kammmodusabtastung schnell sein kann und der erforderliche Abtastbereich nur ein FSR sein kann, anders als wenn versucht wird, den gesamten Spektrumsbereich mit der Verwendung von nur einem CW-Laser abzudecken, kann schneller Signalerwerb erhalten werden. Zusätzlich kann die Frequenzauflösung einfach durch die Erwerbszeit bestimmt werden, die viel höher als mit konventionellen optischen Spektrumsanalysatoren möglich sein kann (z. B. ∼ 4 GHz). Außerdem können für erhöhte Empfindlichkeit Modulationsspektroskopieverfahren implementiert werden, wobei die Kammmodi über eine angewandte Modulationsfrequenz auf den CW-Laser abgetastet werden und das erfasste Signal von jedem Detektor mit dieser gleichen Modulationsfrequenz über einen Mischer und einen Tiefpassfilter demoduliert wird, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Ein Vorteil der Verwendung von WIMS für Modulationsspektroskopie ist, dass ein großer Spektrumsbereich simultan abgedeckt werden kann. Außerdem kann WIMS über die Verwendung von angemessenen Soliton-Kämmen, die in dem mittleren IR arbeiten, auch in dem mittleren Infrarot-Spektralbereich (mittlerem IR) verwendet werden.
Beispielhafte Anwendungen von WIMS auf LIDAR
In einer zweiten beispielhaften Anwendung kann WIMS als eine Multiwellenlängenlaserquelle für Multiwellenlängen-LIDAR oder multiwellenlängenfrequenzmodulierten Dauerstrich-(FMCW-)LIDAR verwendet werden, wie unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. Herkömmlicherweise wird FMCW-LIDAR für Abstandsmessungen verwendet, wenn ein einzelner oder eine Anordnung von unabhängigen CW-Lasern verwendet wird. Wenn eine Säbelzahnfrequenzmodulation auf die CW-Laser angewandt wird, können der Abstand und die Geschwindigkeit eines Zielobjekts durch Messung der Schwebung zwischen dem modulierten lokalen und zurückgegebenen Signal extrahiert werden. Wenn WIMS verwendet wird, kann jeder Kammmodus eines Soliton-Kamms als ein CW-Laser für FMCW-LIDAR verwendet werden, da die Frequenz jedes Kammmodus ungefähr gleich und simultan abgetastet werden kann.
Das allgemeine Konzept von WIMS-basiertem FMCW-Kamm-LIDAR wird unter Bezugnahme auf 10 weiter beschrieben. Die Ausgabe des Soliton-Kamms wird durch den optischen Koppler 1 entlang zweier Wege geteilt, wobei die Kammmodi, die entlang eines ersten Weges gerichtet sind, als ein lokaler Oszillator verwendet werden, und die Kammmodi, die entlang eines zweiten Weges gerichtet sind, als Signal eingesetzt werden. Die Signalkammmodi werden durch ein 1. WDM-System in eine Anzahl an Kanälen geteilt und werden anschließend zu einem Strahllenksystem gerichtet, das Sender und Empfänger beinhalten kann. Die nachfolgend beschriebene 11 zeigt ein Beispiel für das Strahllenksystem. Die Sender und die Empfänger können zum Beispiel Gitterkoppler, Phasenanordnungen, mechanische Abtastvorrichtungen wie Galvanometerabtastvorrichtungen oder mikroelektromechanische Halbleiter-(MEMS-)Systeme sein.
Die durch die Sender emittierten Signale werden an einem Ziel reflektiert und mit Empfängern gesammelt. Der empfangene Signalmodus und die lokalen Oszillatormodi werden zuerst über ein 2. WDM-System gestört und die einzelnen Kanäle werden mit einem 3. WDM-System getrennt. Die einzelnen Kanäle werden mit einer Anordnung von Photodetektoren (PD1...PDN) erfasst. Die einzelnen Kanäle können zum Beispiel ausgewählt werden, um die gleiche Kanalzuordnung wie durch den 1. WDM bestimmt aufzuweisen. In einigen Implementierungen können das 2. und das 3. WDM-System zu einem System kombiniert werden. Alternativ kann das 2. WDM-System auch durch einen optischen Koppler substituiert werden. Die erfassten Schwebungssignale an den PDs enthalten Abstands- und Geschwindigkeitsinformationen des von jedem Signalmodus mit unterschiedlicher Frequenz erhaltenen Ziels. Jeder Kammmodus kann Abstandsinformationen an unterschiedlichen Punkten des Ziels bereitstellen, indem die Emissionsrichtung (z. B. über das Strahllenksystem) abhängig von der Frequenz geändert wird.
Eine Ausführungsform eines Kammabtastsystems ist unter Bezugnahme auf 11 weiter beschrieben. Die Ausgabe des Soliton-Kamms wird durch einen optischen 1x2-Koppler entlang zweier Wege geteilt, wobei die Kammmodi, die entlang eines ersten Weges gerichtet sind, als ein lokaler Oszillator verwendet werden, und die Kammmodi, die entlang eines zweiten Weges gerichtet sind, als ein Signal eingesetzt werden. Die Signalkammmodi werden durch einen 1. WDM-Demultiplexer, der auf einem angeordneten Wellenleitergitter (AWG) basieren kann, in eine Anzahl an Kanälen geteilt und werden anschließend auf ein Strahllenksystem gerichtet, das Gitterkoppler umfasst, die aus eindimensionalen periodischen dielektrischen Strukturen bestehen und gestaltet sein können, sodass die Koppler Licht vertikal emittieren (wie in 11 gezeigt). Solche vertikal emittierenden Gitterkoppler und AWGs können an einem Chip basierend auf Siliziumphotonikherstellungstechniken integriert sein. Die Gitterkoppler emittieren Signallicht vertikal (wie in 11 gezeigt) zu einem Ziel, wo die Richtung der Emission gesteuert werden kann, indem die Vorrichtungen erwärmt werden.
Die emittierten Signale werden an dem Ziel reflektiert und mit Empfängergitterkopplern gesammelt, die gestaltet sind, sodass sie Licht sammeln, das aus vertikalen Richtungen kommt (wie in 11 gezeigt). Die empfangenen Signalmodi und die lokalen Oszillatormodi werden zuerst über einen 1. WDM-Multiplexer gestört und die einzelnen Kanäle werden mit einem 2. WDM-Demultiplexer getrennt, wobei sowohl Multiplexer als auch Demultiplexer aus AWGs bestehen können. Die einzelnen Kanäle werden mit einer Anordnung von Photodetektoren (PD1, PD2, ...) erfasst. Die einzelnen Kanäle können die gleiche Kanalzuordnung wie durch den 1. Demultiplexer bestimmt aufweisen. Die erfassten Schwebungssignale an den PDs enthalten Abstands- und Geschwindigkeitsinformationen des von jedem Signalmodus mit unterschiedlicher Frequenz erhaltenen Ziels.
Eine Säbelzahnfrequenzmodulation kann durch WIMS während der Messung durchgehend auf den Soliton-Kamm angewandt werden, wobei eine typische Modulationstiefe in einem Bereich von 1-100 GHz ausgewählt werden kann. In einigen Ausführungsformen können so bis zu 10 Kanäle verwendet werden. In einigen Anwendungen kann die Kanalzahl 100 überschreiten, wobei der individuelle Kanalabstand zwischen 10 -100 GHz ausgewählt sein kann. Es können auch andere Kanalabstände und eine noch höhere Anzahl an Kanälen implementiert werden. Außerdem können in Verbindung mit MR-Kämmen im Chip-Maßstab und Anordnungen von Multiplexern und Demultiplexern sowie Photodetektoren im Chip-Maßstab, zum Beispiel in Siliziumphotonik, ultrakompakte LIDAR-Systeme im Chip-Maßstab mit der Verwendung von WIMS umgesetzt werden.
Simultanes Abtasten vieler Kammmodi über wesentliche Frequenzbereiche ohne Verlust von Soliton-Betrieb in einem MR ist nicht nur für Spektroskopie oder LIDAR nützlich, sondern kann auch für beliebige andere Anwendungen angewandt werden. Wie vorstehend erörtert, kann simultane Steuerung der FSR eines MR und von Pumpenfrequenz implementiert werden, um den Soliton-Betrieb während breitem Bandbreiten-MR-Sweep beizubehalten, wobei eine beliebige Form von simultaner Steuerung des FSR und der Pumpenfrequenz angewandt werden kann. Es kann FSR-Abtasten um mehr als 5 % des FSR, mehr als 10 % des FSR, mehr als 50 % des FSR und sogar mehr als 100 % des FSR implementiert werden. Zum Beispiel können solche Systeme konfiguriert sein, sodass Heizer Modulation des FSR ermöglichen, während simultan Modulation der CW-Pumpenlaserleistung oder -frequenz implementiert wird. Es können angemessene Rückkopplungsschleifen implementiert werden, um sicherzustellen, dass solche Systeme weiter in dem Soliton-Modus arbeiten. Zum Beispiel kann die Rückkopplungsschleife, wie auch vorstehend erörtert, bei der Pumpenlaserleistung oder - frequenz arbeiten. Der Pumpenlaser kann dann der Variation der Hohlraummodi folgen, wenn die Temperatur des MR mit den Mikroheizern hochgefahren (oder willkürlich moduliert) wird. Als ein weiteres Beispiel kann das System konfiguriert sein, sodass die Heizer Modulation des FSR des MR ermöglichen, während Modulation der CW-Pumpenlaserfrequenz angewandt wird. Dann kann eine Rückkopplungsschleife verwendet werden, um die Ausgangsleistung des MR während des Abtastprozesses zu stabilisieren. Solche Permutationen von MR-Abtastsystemen sind hier nicht separat gezeigt. Alternativ sind Anwendungen in der Spektroskopie oder LIDAR mit Abtasten eines elektro-optischen Kamms (EO-Kamm) kompatibel, wie zum Beispiel offenbart in WO 2016/164263A1 , Systems and methods for low noise frequency multiplication, division, and synchronization, zu M. E. Fermann et al., das hiermit durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen ist. Solche EO-Kämme ermöglichen auch simultanes Abtasten vieler Kammmodi über wesentliche Frequenzbereiche. Andere Anwendungen des Abtastens von MR-Kämmen und elektro-optischen Kämmen sind ebenfalls möglich.
Beispielhafte Anwendungen von WIMS auf LIDAR mit hoher Auflösung
WIMS erzeugt stark korrelierte Frequenzabtastungen zwischen den einzelnen Kammlinien von aw-MR, wie aus dem in 8 gezeigten Beispiel ersichtlich ist. Der hohe Grad der Korrelation kann verwendet werden, um die räumliche Auflösung eines LIDAR-Systems stark zu erweitern, indem die Frequenzabtastungen von einzelnen Kammlinien kohärent miteinander geheftet werden. Dies wird nachfolgend weiter erörtert.
Um die Chirprate und die momentane Frequenz von einzelnen Kammmodi zu erhalten, kann ein Referenzinterferometer mit einer bekannten Verzögerung verwendet werden. Das Interferometer kann nicht nur für kohärentes Heften, sondern auch für Korrekturen an nichtlinearer Frequenzabtastung implementiert werden. Ein beispielhaftes System zum Umsetzen von kohärent geheftetem Kamm-LIDAR ist in 12 gezeigt. Das System beginnt mit einem Steuersignal, das z. B. durch einen frequenzabgetasteten CW-Laser (mit einer Mittelfrequenz von ν₀ gezeigt als vertikale Linie 1200) erzeugt wird, das entlang zweier Wege geteilt ist. Ein Weg enthält ein Referenzinterferometer, das hierin detaillierter weiter beschrieben ist. Der andere Weg wird verwendet, um einen Frequenzkamm 1204 (zum Beispiel einen MR-Kamm wie unter Bezugnahme auf 1-9 beschrieben oder einen elektro-optischen (EO) Kamm wie zum Beispiel offenbart in WO 2016/164263A1 , Systems and methods for low noise frequency multiplication, division, and synchronization, zu M. E. Fermann et al., das hiermit durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen ist) mit einem Kammabstand von Δ zu erzeugen. Beispiele für individuelle Kammlinien 1204a, 1204b, 1204c und 1204d sind in 12 gezeigt.
Der Frequenzkamm 1204 ist auf ein Ziel gerichtet, das hier der Einfachheit halber als ein Zielinterferometer (z. B. ein Mach-Zehnder-Interferometer) gezeigt ist. Das Zielinterferometer umfasst einen 1. Strahlteiler (BS1), der den Strahl entlang eines kurzen Weges (SP) und eines langen Weges (LP) teilt. Der lange Weg kann ferner ein Ziel umfassen, das in 12 gezeigt ist, das zum Beispiel zwei Reflektoren (oder eine willkürliche Anzahl an Streuobjekten oder Zielen für eine allgemeine Probe) umfassen kann, die sich in leicht unterschiedlichen Abständen befinden (um mögliche Auflösung zu evaluieren). Das Signal, das entlang des kurzen und des langen Weges propagiert, wird in einem zweiten Strahlteiler (BS2) rekombiniert, bevor es zu einem Wellenlängen-Divisions-Multiplexer (WDM) gerichtet wird. Der WDM wird verwendet, um die Signale entsprechend den einzelnen Kammlinien 1204a-1204d zu trennen. Zum Beispiel gibt der K-te Kanal des WDM Licht mit einer optischen Frequenz zwischen ν₀ + (K - 1)Δ und ν₀ + KΔ weiter. Die getrennten WDM-Kanäle, welche die getrennten Kammmodi enthalten, können mit einzelnen Photodetektoren photoerfasst und mit Analog-zu-Digital-Wandlern (ADCs) zur Signalverarbeitung digitalisiert werden. Ein Signal von dem Referenzinterferometer kann mit einem Referenzdetektor (z. B. einem Photodetektor stromabwärts des Referenzinterferometers wie in 12 gezeigt) photoerfasst und in der Signalverarbeitung verwendet werden, wie nachfolgend weiter beschrieben.
13a zeigt ein Beispiel für die momentanen Frequenzen 1302a, 1302b, 1302c, 1302d und 1302e der Kammmodi mit Frequenzabtastung. Hier wird der Einfachheit halber angenommen, dass der Kammabstand Δ des Frequenzkamms fest ist und die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz abgetastet wird, was für EO-Kämme implementiert werden kann. Auch wird der Einfachheit halber angenommen, dass Frequenzabtasten rein linear ist, d. h. dass die Frequenzänderung pro Einheitszeit konstant ist. Hier stellen die durchgezogenen Linien die Entwicklung von Frequenz für die einzelnen Kammlinien gemessen an dem MR dar. Die gestrichelten Linien stellen die Frequenzentwicklung nach Reflexion von einem Ziel dar (der Einfachheit halber wird nur von einem Ziel ausgegangen). Das Schwebungssignal in Bezug auf FMCW-LIDAR wird zwischen der durchgezogenen Linie und der gestrichelten Linie beobachtet.
Bevorzugt werden die Kammmodi durch eine kleine Menge über dem Kammabstand abgetastet, wodurch eine Frequenzüberlappung zwischen dem (K-1)-ten und dem (K-2)-ten Kammmodi in dem K-ten Kanal erzeugt wird. Die gestrichelten vertikalen Linien in 13a zeigen die Abtastung über dem Kammabstand, z. B. über einen Zeitraum ε.
Wenn die Zeit, die benötigt wird, damit die Kammabtastung den Kammabstand erreicht, bekannt ist, können alle Kammmodi kohärent geheftet werden, wie schematisch in 13b gezeigt. 14a und 14b zeigen das Arbeitsprinzip unter Verwendung von FMCW-LIDAR-Signalen 1402a, 1402b, 1402c, 1402d und 1402e in der Zeitdomäne. Aufgrund der kleinen Frequenzüberlappung an den Peripherien jedes WDM-Kanals sieht der K-te Kanal das gleiche Signal an dem Ende des Abtastbereichs während eines kurzen Zeitraums ε (bevorzugt ausgewählt, um verglichen mit der Zykluszeit Tzyklus_Zyklus klein zu sein) wie an dem Anfang der Abtastung; insbesondere sieht der K-te Kanal das gleiche Signal zu Zeit = 0 + t und Zeit = T_Zyklus + t (0 <= t < ε). In verschiedenen Ausführungsformen kann der Zeitraum ε weniger als etwa 0,1 T_Zyklus, weniger als etwa 0,05 T_Zyklus, weniger als etwa 0,01 Tzyklus_Zyklus oder ein anderer Wert sein.
Ein FMCW-LIDAR-Signal mit Länge von N × T_Zyklus kann durch kohärentes Heften von FMCW-LIDAR-Signalen wie folgt erhalten werden: der 1. deckt die Zeit für 0 - T_Zyklus ab, der 2. Kanal für T_Zyklus - 2T_Zyklus..., und der N-te Kanal deckt die Zeit für (N-1)T_Zyklus - NT_Zyklus ab. Durch kohärentes Heften eines Frequenzkamms mit N Kammmodi kann trotz eines tatsächlichen Abtastbereichs des CW-Lasers von nur etwa einem Kammabstand Δ eine N-mal größere effektive Frequenzabtastung erhalten werden, wodurch die erhaltbare Auflösung des LIDAR-System N-Fach verbessert wird. Somit können sowohl hohe Auflösung als auch eine große Kohärenzlänge erhalten werden, wenn zum Beispiel ein auf verteilter Rückkopplung (DFB) basierter CW-Laser in Verbindung mit einem Frequenzkamm in einem solchen LIDAR-System verwendet wird. Außerdem kann verglichen mit einem standardmäßigen frequenzmodulierten LIDAR-System der gleiche Abtastbereich in einer N-mal kürzeren Abtastzeit erhalten werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 12 wird die Funktion des Referenzinterferometers detaillierter erläutert. Das Referenzinterferometer kann zum Beispiel ein Mach-Zehnder-Interferometer mit einer bekannten Verzögerung τ_ref umfassen. Außerdem kann das Referenzinterferometer auch verwendet werden, um die Frequenzabtastung in Abhängigkeit von Zeit durch Beobachtung des Schwebungssignals an dem Referenzdetektor genau zu überwachen. Zum Beispiel ist die beobachtbare Schwebungsnotenfrequenz an dem Referenzdetektor in Abhängigkeit von Zeit durch annähernd f_Schwebung(t) = dξ(t)/dt * τ_ref gegeben, wobei dξ(t)/dt die Zeitvariation in Frequenz des Kammmodus ist. Die Schwebungsnotenfrequenz f_Schwebung (t) kann einfach überwacht werden, indem der Abstand zwischen Nulldurchgängen des Signals von dem Referenzinterferometer aufgenommen und das Zielinterferometer zu der Zeit der Nulldurchgänge erneut abgetastet wird. Interpolation zwischen den Nulldurchgängen kann auch für höhere Auflösung verwendet werden. Solche Verfahren zum erneuten Abtasten sind zum Beispiel beschrieben in T. Zhang et al., „Nonlinear error correction for FMCW LADAR by the amplitude modulation method", Opt. Expr., Band 26, S. 11510 (2018). Um die Genauigkeit von FMCW-LIDAR mit zeitlich variierenden Frequenzabtastungen zu verbessern, kann mehr als ein Referenzinterferometer verwendet werden. Eine solche Implementierung ist nicht separat gezeigt.
Alternativ kann das mit der Referenzfrequenz beobachtete Schwebungssignal über Phasenverriegelung zu einer lokalen Oszillatorfrequenzreferenz über Zurückführen zu dem Laserstrom stabilisiert werden, wodurch das CW-Laserimpuls-Chirpen aktiv linearisiert wird. Beispiele für solche Verfahren werden von T. Zhang et al erörtert.
Mit der bekannten Verzögerung τ_ref in dem Referenzinterferometer kann die Zykluszeit T_Zyklus im Voraus erhalten werden als $T_{Z y k l u s} = \frac{Δ}{f_{S c h w e b u n g, r e f}} \cdot τ_{r e f}$
Hier ist f_Schwebung,_ref eine korrigierte Frequenz des FMCW-LIDAR-Signals für das Referenzinterferometer, wobei lineares Abtasten angenommen wird. Unter Standardlaborbedingungen oder mit Temperaturstabilisierung kann ein Referenzinterferometer konstruiert aus einem Faserinterferometer 6 Genauigkeitsstellen (10^-6) für die Verzögerung (τ_ref) erzeugen, da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Quarzglasfaser etwa 10^-5/K beträgt.
Ein Parameter, um zu helfen, korrektes kohärentes Heften sicherzustellen, ist die Phasenfehlübereinstimmung zwischen der Phase φ_k(t) des Schwebungssignals (erzeugt durch ein Ziel) zu Zeit t und der Phase φ_k(t + T_Zyklus) des Schwebungssignals zu Zeit t + T_Zyklus (0<= t < ε). Idealerweise φ_k(t) - φ_k(t + T_Zyklus) < +/- π, das korrektes kohärentes Heften über Signalverarbeitung ermöglicht. Sobald bekannt ist, dass die Phasenfehlübereinstimmung C= (φ_k(t) - (φ_k(t + T_Zyklus) innerhalb von +/- π ist, kann C eine kleine Korrektur hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass φ_k(t) genau gleich φ_k(t + T_Zyklus) ist.
Als ein Beispiel kann bei Annahme von 6 Genauigkeitsstellen der Verzögerung und Δ=100 GHz Kammabstand mit der zulässigen +/- π Phasenfehlübereinstimmung mehr als 1 µs Verzögerung in einem Zielinterferometer (τ_Ziel < (zulässige Phasenfehlübereinstimmung)/(2π × Genauigkeit × Δ)) gemessen werden, wobei sich Genauigkeit auf die Genauigkeit der Messung von τ_ref erhalten mit dem Referenzinterferometer bezieht. Je höher die Genauigkeit, desto länger der Bereich, der gemessen werden kann. Um die Genauigkeit zu maximieren, kann Präzisionstemperaturstabilisierung des Referenzinterferometers implementiert werden. Auch kann, um den Fußabdruck des Gesamtsystems zu minimieren, ein Referenzinterferometer basierend auf spiralförmig gespulten Wellenleitern implementiert werden. Spiralförmig gespulte Wellenleiter sind zum Beispiel beschrieben in M. E. Fermann et al., SYSTEMS AND METHODS FOR LOW NOISE FREQUENCY MULTIPLICATION, DIVISION, AND SYNCHRONIZATION, US-Patent-Veröffentlichungsnummer: US 2018/0048113A1 , das hiermit durch Verweis vollständig hierin aufgenommen ist. Dispersionskompensation in dem Referenzinterferometer kann ebenfalls implementiert werden.
Ein Beispiel für ein kohärent geheftetes LIDAR-Signal unter Verwendung des in 12 gezeigten Systems mit drei Kanälen ist in 15 gezeigt. Das Signal (in willkürlichen Einheiten) ist in Abhängigkeit von Zeit gezeigt. Das Gesamtsignal beinhaltet drei Signalabschnitte I, II und III mit annähernd gleicher Amplitude für einen Zeitraum von 10 ms und abnehmender Amplitude an den Peripherien von jedem der Signalabschnitte. Die abnehmenden Amplituden an den Peripherien ergeben sich aus den Begrenzungen der WDM-Filter. Filter mit infinit steilen Cuton- und Cut-off-Filterfunktionen können im Prinzip die abnehmenden Amplituden an den Peripherien der Signalabschnitte beseitigen; in der Praxis sind Filterkanten nicht infinit steil, was zu der beobachteten Amplitudenmodulation führt. Die Zeiten zwischen den gestrichelten Linien zwischen den Abschnitten I und II sowie zwischen den Abschnitten II und III stellen die Zeit dar, zu der es Signalüberlappung in benachbarten Erfassungskanälen gibt.
Beispiele für tatsächliche Zielmessungen, die von einer Fourier-Transformation des LIDAR-Signals erhalten werden, das in 15 gezeigt ist, ist in 16a und 16b gezeigt. 16a zeigt die Verbesserung der Auflösung, die für ein einzelnes Ziel erhalten wird, und 16b zeigt die Verbesserung der Auflösung, die für ein Doppelziel erhalten wird, wenn nur ein oder drei (kohärent geheftete) WDM-Kanäle verwendet werden. Hier stellen die breiteren Kurven 1604 die Zielauflösung dar, die mit nur einem Kanal erhalten wird, und die schmaleren Kurven 1608 stellen die Auflösung dar, die mit drei kohärent gehefteten Kanälen erhalten wird. Tatsächlich erhöht sich LIDAR-Auflösung umgekehrt proportional zu der Anzahl an gehefteten WDM-Kanälen.
Das System wie unter Bezugnahme auf 12 beschrieben, ist mit EO-Kämmen oder einer beliebigen Form von abtastenden MR-Kämmen kompatibel. Bei Verwendung von MR-Kämmen kann ein zusätzliches Problem angesprochen werden. Wie in 8 gezeigt, ändert sich mit abtastenden MR-Kämmen die Wiederholungsfrequenz zusätzlich zu Änderungen der Carrier-Envelope-Offset-(CEO-)Frequenz. In einigen Implementierungen kann es eine Differenz zwischen dem Abtasten eines EO-Kamms, der typischerweise nur die CEO-Frequenz und nicht die Wiederholungsrate abtastet, und zwischen dem Abtasten eines MR-Kamms geben, wobei sich sowohl CEO-Frequenz als auch Wiederholungsrate ändern. Wenn ein MR-Kamm abgetastet wird, kann sich der Kammabstand akkordeonartig ändern, wie in 17a veranschaulicht. Hier geben die durchgezogenen Linien das Kammmodusspektrum vor dem Abtasten an und geben die gestrichelten Linien das Kammmodusspektrum an, sobald der Kammmodusabstand geändert worden ist. Daher hängt, wenn ein Kammabstand beteiligt ist, die Zeit (als Zykluszeit bezeichnet), zu der Kammmodi durch den anfänglichen Kammabstand (Δ_rep0) abgetastet werden, von der Kammmoduszahl wie in 17b gezeigt ab. Es kann zusätzliche Signalverarbeitung angewandt werden, bevor mit kohärentem Heften fortgesetzt wird.
Die zusätzliche Signalverarbeitung kann durchsetzen, dass die Zykluszeiten die gleichen sind, indem die Zeitachse für alle Kammmodi neu skaliert wird, wie in 18 veranschaulicht. Es kann ein genauer Neuskalierungsfaktor erhalten werden, indem der Kammabstand mit bekannten Kammmoduszahlen konstant gemessen wird. Sobald die Zykluszeiten ausgerichtet sind, können alle Kammmodi auf die gleiche Weise wie unter Bezugnahme auf 14 erläutert kohärent geheftet werden.
Ein mathematischer Ausdruck für die neu skalierte Zeit t_k entsprechend der neu skalierten Zeitachse für das FMCW-Signal in Bezug auf den k-ten Kammmodus kann erhalten werden als: $t_{k} = \frac{Δ_{r e p 0} + K δ_{r e p}}{Δ_{r e p 0}} t,$
wobei K die Kanalzahl ist, Δ_rep0 und δ_rep jeweils der Kanalabstand vor dem Abtasten und die Kanalabstandsänderung während dem Abtasten sind.
Für zeitliche Neuskalierung kann die Wiederholungsfrequenz des Frequenzkamms konstant in der RF-Domäne gemessen werden. Nach zeitlicher Neuskalierung können alle Kammmodi kohärent geheftet werden, zum Beispiel auf die gleiche Art wie wenn nur die CEO-Frequenz abgetastet wird.
MR für optische Uhren und mmWellen-Erzeugung mit geringem Phasenrauschen
Wie hierin erörtert, können Mikroresonatoren auch für Mikrowellenerzeugung mit geringem Phasenrauschen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Mikroresonator zu einer Faserverzögerungslinie verriegelt werden. Einige Implementierungen verwenden optische Frequenzteilung für Mikrowellenerzeugung mit geringem Phasenrauschen. Optische Frequenzteilung ist das Gegenteil von Frequenzmultiplikation, verwendet zum kohärenten Verknüpfen von Signalen in der Mikrowellendomäne mit Signalen in der optischen Domäne, wie zum Beispiel beschrieben in A. Rolland et al., „Non-linear optoelectronic phase-locked loop for stabilization of opto-millimeter waves: towards a narrow linewidth tunable THz source", Opt. Expr., Band 19, S. 17944 (2011). Frequenzteilung ist eine Technik zum Übertragen der Stabilität eines optischen Signals auf die Mikrowellendomäne durch einen selbstreferenzierten optischen Frequenzkamm, der (in dem optimalen Fall) das Phasenrauschen in der Mikrowellendomäne um einen Faktor 1/N² reduzieren kann, wobei N das Frequenzverhältnis zwischen der optischen und der Mikrowellenfrequenz ist, wie zum Beispiel beschrieben in T. M. Fortier et al., „Generation of ultrastable microwaves via optical frequency division", Nature Photonics, Band 5, S. 425 (2011).
Wir beschreiben hier die Erweiterung der Frequenzteilungstechnik auf die Erzeugung von mmWellensignalen (manchmal hierin als mmWelle oder mmw bezeichnet) mit geringem Phasenrauschen durch die Verwendung eines MR-Soliton-Kamms mit hoher Wiederholungsrate. Einige MR-Kämme können relativ geringe Energie pro Impuls erzeugen. Um höhere Energie pro Impuls bereitzustellen, können einige Systeme zwei CW-Laser mit ultraniedrigem Phasenrauschen getrennt durch einige paar THz verwenden, um die Wiederholungsrate und die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz des Soliton-Kamms zu verriegeln, wie in dem beispielhaften mmWellen-Oszillatorsystem gezeigt, das in 19 angezeigt ist.
In 19 verbinden optische Fasern die verschiedenen Komponenten, aber es ist kein Erfordernis des mmWellen-Oszillatorsystems. Der Strahlteilerkoppler BS1teilt die Ausgabe des Soliton-Mikroresonatorkamms MR1 (der zum Beispiel bei einer Wiederholungsfrequenz von 300 GHz arbeitet) in zwei Pfade. Der Strahlteilerkoppler BS2 teilt einen dieser Strahlwege durch einen weiteren Faktor von zwei. Der Koppler 1 (C1) kombiniert die Ausgabe von dem Soliton-Kamm mit der Ausgabe einer ersten CW-Laserreferenz (optische Ref. 1) und der Koppler 2 (C2) kombiniert die Ausgabe von dem Soliton-Kamm mit der Ausgabe einer zweiten CW-Laserreferenz (optische Ref.2). In dem System, das in 19 gezeigt ist, ist der Ausgang der optischen Ref.1 bei etwa 1530 nm und ist der Ausgang der optischen Ref.2 bei etwa 1565 nm; in anderen Ausführungsformen können andere Ausgangswellenlängen verwendet werden.
Ein Beispiel für die beteiligten Kammmodi von MR1 und CW-Laserfrequenzen ist in 22a dargestellt, was nachfolgend weiter beschrieben wird. Die zwei kombinierten Ausgaben von den Kopplern C1 und C2 werden auf die Photodioden D1 und D2 gerichtet, um zwei Schwebungssignale mit Modi des nächsten Nachbarn des Soliton-Kamms zu erzeugen. Der Mischer M1 kombiniert die zwei Schwebungssignale und erzeugt ein sekundäres Schwebungssignal, das unabhängig von der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz des Soliton-Kamms ist. Die Wiederholungsrate des Soliton-Kamms kann dann stabilisiert werden, indem ein Fehlersignal erzeugt wird, indem das sekundäre Schwebungssignal mit einem lokalen Oszillator (LO) an dem Mischer M2 gemischt und das Fehlersignal über eine PID-Steuerung zu einem Aktuator gerichtet wird, um die Wiederholungsrate des Soliton-Kamms zu steuern. Ein solcher Aktuator kann zum Beispiel ein Heizelement umfassen, das an MR1 angebracht ist, wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf 5 erörtert.
Mit diesem Schema wird das Phasenrauschen der Wiederholungsrate des Soliton-Kamms über Frequenzteilung reduziert, was in einem optimalen Fall zu einem Wiederholungsratenphasenrauschen φ(f_rep1) reduziert auf das Differentialphasenrauschen zwischen den zwei CW-Lasern φ(v₁ - v₂) geteilt durch das Quadrat des Verhältnisses ihrer Frequenzteilung v₁ - v₂ und der Wiederholungsrate f_rep des Soliton-Kamms führt, z. B. $φ (f_{rep 1}) = φ (ν_{1} - ν_{2}) / {[(ν_{1} - ν_{2}) / f_{rep 1}]}^{2},$
wie auch in 22a gezeigt. Unter Annahme einer Frequenzteilung von 4,5 THz für die zwei CW-Laser und einer Wiederholungsrate von 300 GHz (hier werden 300 GHz nur als ein Beispiel verwendet, andere Frequenzen in dem Bereich von 50 GHz - 50 THz können ebenfalls verwendet werden) entspricht dies einem Teilungsfaktor von 23,3 dB. Kompakte CW-Laser oder Laser im Chip-Maßstab können ein Frequenzrauschen von 1 Hz²/Hz bei 100 kHz Offset-Frequenz erreichen (zum Beispiel: OEwaves HI-Q 1,5 Micron Laser), wodurch ein Einseitenbandphasenrauschen bei 300 GHz von -132,3 dBc/Hz bereitgestellt wird. Dieses Niveau überbietet das Phasenrauschen von mmWellen-Quellen des Standes der Technik multipliziert hoch von ofengesteuerten Quartz-Oszillatoren um mehr als 40 dB. Die Auswahl eines Soliton-Kamms mit Millimeterwellenwiederholungsrate stellt eine hohe Leistung pro Kammmodus bereit und kann im Prinzip optische zu Millimeterumwandlung mit einem mmWellen-Phasenrauschen geregelt durch die Schussrauschgrenze erreichen.
Der Koppler C3 teilt die Ausgabe von MR1 und die optischen Bandpassfilter (OBPF) filtern zwei individuelle MR-Kammmodi heraus, deren Differenzfrequenz durch die Wellenlängendifferenz dieser zwei optischen Kammmodi bestimmt wird. Die EO-Modulator-(EO-)Frequenz moduliert eine der zwei Kammmodi. Der Koppler C4 rekombiniert die zwei Kammmodi und der Koppler C5 teilt einen Anteil der optischen Leistung entlang Weg A und Weg B. Eine Photodiode mit einem Lichtträger (UTC-PD) kann verwendet werden, um zwei optische Wellenlängen, die entlang Weg B propagieren, in einen Einzelton in der Millimeterwellen- und THz-Domäne umzuwandeln, dessen Frequenz durch die Wellenlängendifferenz der optischen Linien bestimmt wird. Um die Millimeterwellenquelle einzustellen, kann ein akusto-optischer Modulator (oder akusto-optischer Frequenzverschieber) AO an dem optischen Weg von einer Wellenlänge (oder beider Wellenlängen) eingeführt werden, wie in 19 gezeigt. Feinabstimmbarkeit der Millimeterwellenquelle kann vorteilhaft sein, um den Langzeitfrequenzdrift zu einer externen Referenz zu stabilisieren. Eine Ausgabe von dem Koppler C5 (entlang Weg A in 19) kann zu einem Abwärtskonvertierungssystem führen, z. B. beschrieben unter Bezugnahme auf 20.
20 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für eine Konfiguration eines mikroresonatorbasierten Frequenzabwärtskonvertierers, der ein mm-Wellensignal in ein Mikrometerwellensignal umwandelt. Um die Millimeterwellenschwebungsnote zu der RF-Domäne abwärts zu konvertieren, kann ein zweiter Frequenzkamm, zum Beispiel ein MR-Kamm, in 20 als MR2 bezeichnet, bei einer niedrigeren Wiederholungsfrequenz als der Soliton-Kamm in 19 verwendet werden. Die Eingabe in den Abwärtskonvertierer kann von der Ausgabe des Kopplers C5 entlang Weg A (gezeigt in 19) erhalten werden und umfasst die zwei CW-Laserwellenlängen getrennt durch den gewünschten Frequenzabstand. Praktischerweise kann ein MR-Soliton-Kamm, der bei einer Frequenz von 10 GHz oszilliert, verwendet werden, jedoch kann auch eine MR-Frequenz in einem Bereich von 1 - 30 GHz und sogar höher oder niedriger verwendet werden. Wenn kleine Größe nicht erforderlich ist, kann auch ein modusverriegelter Festkörperlaser, ein modusverriegelter Faser- oder Diodenlaser oder ein EO-Kamm zur Abwärtskonvertierung verwendet werden. Der zweite Frequenzkamm MR2 kann auf die gleiche Weise wie der Soliton-Kamm mit 300 GHz stabilisiert werden, gezeigt in 19. Zum Beispiel erfasst ein Detektor D_A die zwei Schwebungen der zwei CW-Laser mit Kammlinien des nächsten Nachbars von MR2. Die involvierten Kammlinien und CW-Laserfrequenzen sind in 22b separat dargestellt.
Zurück zu 20 werden die zwei Schwebungen in der RF-Domäne durch zwei RF-Bandpassfilter (RFBP) gefiltert. Die zwei Schwebungen werden anschließend durch den gezeigten Mischer M₁ gemischt, der ein sekundäres Schwebungssignal erzeugt. Der Mischer M₁ reduziert oder eliminiert die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz von MR2 von dem sekundären Schwebungssignal. Das sekundäre Schwebungssignal wird dann mit einem lokalen Oszillator, LO, (zum Beispiel bei einer Frequenz von 10 MHz) gemischt, wodurch ein Fehlersignal über PID-Steuerung erzeugt wird, das zu einer Wiederholungsratensteuerung in MR2 zurückgeführt wird, zum Beispiel ein Heizelement wie unter Bezugnahme auf 5 erörtert. Die intermodale Schwebungsfrequenz von MR2 wird dann mit dem Detektor D_B erfasst und erzeugt eine ultrastabile Ausgabe an der Wiederholungsrate von MR2.
Auf diese Weise werden die zwei Wellenlängen von den zwei CW-Lasern getrennt durch 300 GHz verwendet, um die Wiederholungsrate von MR2 zu stabilisieren. Daher trägt die Wiederholungsrate bei 10 GHz das Differentialphasenrauschen der zwei CW-Laser mit einer Frequenztrennung von 300 GHz. Anders gesagt ist die Frequenzstabilität des Signals mit 10 GHz die gleiche (oder nahezu die gleiche) wie die Stabilität der Differenzfrequenz bei 300 GHz.
Ferner kann dieses Signal von 10 GHz verwendet werden, um die erzeugte mmWelle an einer externen Referenz wie zum Beispiel einem MASER, einem ofengesteuerten Kristalloszillator (OCXO) usw. zu verriegeln, wodurch Langzeitstabilität sichergestellt wird. Alternativ können andere Präzisionsfrequenzreferenzen wie zum Beispiel MASER, OCXO usw. an dem vorhandenen Signal von 10 GHz verriegelt werden, wenn die 10 GHz selbst als Ausgangssignal der optischen Uhr verwendet werden, wie nachfolgend erläutert.
Millimeterwellenübergänge in dem Rotationsspektrum von Molekülen können eine Zeittaktreferenz bereitstellen, die verwendet werden kann, um atomische Uhren im Chip-Maßstab zu entwickeln. Zum Beispiel wurde eine vollständig elektronische THz-Uhr basierend auf CMOS-Technologie demonstriert, wie beschrieben in C. Wang et al., „An on-chip fully electronic molecular clock based on sub-terahertz molecular spectroscopy“, Nature Electronics (2018). Solche elektronischen molekularen Uhren sind durch Phasenrauschen und Stabilität des lokalen Oszillators an dem molekularen Übergang begrenzt. Der Ansatz des MR-Solitonkamms kann diese Begrenzung verstärken, während Konstruktion auf eine Weise im Chip-Maßstab zugelassen wird.
Ein Beispiel für eine Implementierung einer solchen optischen molekularen Uhr ist in 21 gezeigt. Das System umfasst einen lokalen Oszillator basierend auf zwei CW-Lasern verriegelt an MR1, wie unter Bezugnahme auf 19 beschrieben, sowie eine Abwärtskonvertierungseinheit unter Verwendung von MR2, um die Uhrenfrequenz in dem Sub-THz-Bereich auf eine zählbare Frequenz in der Mikrowellendomäne abwärts zu konvertieren, z. B. wie unter Bezugnahme auf 20 beschrieben. Diese Systeme werden durch eine Kombination aus einer wellenleitergekoppelten UTC-Photodiode, zum Beispiel IOD-PMJ-13001 erhältlich von NTT Electronics Corp., einer Gaszelle basierend zum Beispiel auf einer Carbonylsulfid-(OCS- )Gaszelle, und einer Schottky-Barrierendiode (SBD), zum Beispiel WR3.4ZBD erhältlich von Virginia Diodes, Inc. verstärkt. In 21 ist eine Gaszelle gezeigt, die molekulares OCS-Gas enthält, aber es können auch andere Gase mit angemessenen Absorptionsspektren verwendet werden. Bevorzugt enthält die Gaszelle Gas (z. B. OCS) bei reduziertem atmosphärischen Druck, um Druckausbreitung der Absorptionslinien zu reduzieren oder zu minimieren. Der UTC-PD wandelt die zwei optisch gefilterten CW-Laser (verriegelt an einzelnen Soliton-Kammmodi in MR1) getrennt durch frep1 in einen Millimeterwellenton um. Dieses Signal wird in eine Gaszelle gekoppelt, die dazu gedacht ist, als ein Wellenleiter für den Millimeterwellenton zu dienen, wodurch eine lange Interaktionslänge sichergestellt wird. Das durch die Gaszelle übertragene Signal wird durch die SBD erfasst.
Um die Frequenz der mm-Welle zu stabilisieren, kann ein in 21 gezeigter AO-Frequenzverschieber verwendet werden, der die Wellenlänge von einem der CW-Laser in der Frequenz verschieben kann. Die Abwärtskonvertierung der zwei optischen Töne getrennt durch frep1 wird durch den zweiten Soliton-MR-Kamm, MR2, umgesetzt, der bei einer Wiederholungsfrequenz frep2 arbeitet, die eine Mikrowellenfrequenz ist, die direkt durch den Photodetektor D₂ photoerfasst wird. Frep2 trägt die Rauschfluktuationen der OCS-Gaszelle.
Eine beispielhafte Implementierung zum Verriegeln des mmw-Tons an der Gaszelle ist ebenfalls in 21 gezeigt. Ähnlich konventionellen atomischen Uhren im Chip-Maßstab (CSACs) führt die molekulare Uhr dynamische Frequenzkorrekturen im geschlossenen Kreislauf an dem AO durch den gezeigten VCO durch. Um den Frequenzfehler zwischen dem mmw-Ton fmmw und der Spektrallinienmitte focs einer ausgewählten Referenzabsorptionslinie in der OCS-Gaszelle zu erfassen, kann Frequenzverschiebungseingabe (FSK) implementiert werden. Bei der FSK wird der mmw-Ton, der auf die Gaszelle auftrifft, bei einer Frequenz f_m bevorzugt bei etwa 1/10 der Übergangslinienbreite moduliert. Für eine OCS-Gaszelle bei einem bevorzugten Druck von etwa 1-30 Pa kann die Modulationsfrequenz etwa 100 kHz sein. Die Modulationsfrequenz kann zum Beispiel durch einen elektro-optischen Modulator EO angewandt werden, der in 21 gezeigt ist, der eine der zwei CW-Wellenlängen moduliert.
Als ein Ergebnis der Frequenzmodulation wird die momentane Frequenz des Sondensignals periodisch zwischen f_mmw+f_m und f_mmw-f_m geschaltet. Wenn fmmw nicht in der Mitte der Absorptionslinie ist, ist die Gasabsorption zwischen den zwei Halbtaktzyklen unterschiedlich. Die Schottky-Diode misst das Modulationssignal, das dann über ein PID in ein Fehlersignal umgewandelt wird, das die Frequenz des VCO steuert, in 21 gezeigt. Wenn f_mmw in der Mitte der Absorptionslinie ist, ist das Fehlersignal null.
Zur Veranschaulichung sind die Frequenzen in der optischen mmWellen-Uhr in 22a und 22b angezeigt. 22a stellt das Kammspektrum in Bezug auf Soliton-MR-Kamm MR1 dar. MR1 wird an den zwei CW-Lasern bei Frequenzen v₁, v₂ über Phasenverriegelung von zwei MR1-Kammlinien nächster Nachbarn verriegelt. Zur Allgemeingültigkeit ist gezeigt, dass die zwei Kammlinien nächster Nachbarn über einen Aktuator verriegelt werden können, der sowohl auf die Wiederholungsrate als auch auf die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz einwirkt. Wenn ein Mischer verwendet wird, um die zwei Schwebungssignale zwischen den CW-Lasern und den Kammlinien des nächsten Nachbars zu mischen (wie unter Bezugnahme auf 19 erörtert), kann der Aktuator der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz weggelassen werden. Die Wiederholungsrate f_rep1 wird dann über die schematisch gezeigte Rückkopplungsschleife stabilisiert, die eine ausgewählte molekulare Absorptionslinie in der Gaszelle abfragt (z. B. unter Bezugnahme auf 21 beschrieben). Mit stabilisierter Wiederholungsrate f_rep1 ist auch die erzeugte mmWelle bei Frequenz f_rep1 stabilisiert.
Die Abwärtskonvertierung von f_rep1 zu f_rep2 ist in 22b schematisch veranschaulicht. Hier ist MR2 auch an den zwei CW-Laserlinien phasenverriegelt, wodurch wiederum die Wiederholungsrate von MR2 bei f_rep2 stabilisiert wird, die durch einen Frequenzzähler gezählt werden kann. Erneut ist mit der Verwendung eines Mischers nur ein Aktuator erforderlich, um MR2 an den zwei CW-Laserlinien zu verriegeln. Wenn MR2 stabilisiert ist, kann das Phasenrauschen der Wiederholungsrate f_rep2 wie folgt geschrieben werden (siehe 22b): $φ (f_{r e p 2}) = \frac{φ (f_{r e p 1})}{[f_{r e p 1} / f_{r e p 2}] 2},$
z. B. wird das Phasenrauschen bei frep2 um das Frequenzverhältnis (f_rep1/f_rep2)² reduziert.
Das photoerfasste Signal bei frep2 ist eine direkte Auslesung der molekularen THz-Uhr, da sie die fraktionale Stabilität von frep1 trägt, die von der Fluktuation der OCS-Gaszelle abhängt.
Ähnlich wie erläutert unter Bezugnahme auf Gleichung (C1), zeigt Gleichung (C2), dass eine Phasenrauschreduzierung über Frequenzteilung erhalten werden kann. Durch Kombinieren von Gleichung (C1) und Gleichung (C2) wird das Phasenrauschen bei Frequenz frep2 erhalten als $φ (f_{rep 2}) = φ (ν_{1} - ν_{2}) / {[(ν_{1} - ν_{2}) / f_{rep 2}]}^{2},$
z. B. ist der Gesamtteilungsfaktor des Systems gegeben durch [(v₁ - v₂)/f_rep2] ². Daher kann die Ausgabe von dem Photodetektor D_B auch eine sehr kompakte Quelle von Mikrowellenstrahlung mit geringem Phasenrauschen sein. Für eine Frequenztrennung von 4,5 THz zwischen den CW-Lasern und f_rep2 von 10 GHz ist der Phasenrauschreduzierungsfaktor 53 dB. Das Mikrowellensignal von Ausführungsformen der molekularen Uhr kann eine Stabilität < 10^-12 in 1 Sekunde aufweisen.
Für Mikro- oder mmWellen-Erzeugung mit geringem Phasenrauschen sowie die höchste Frequenzstabilität von molekularen Uhren im Allgemeinen kann es ferner nützlich sein, die hier beschriebenen Mikroresonatoren optisch zu kühlen. Optische Kühlung kann zum Beispiel erhalten werden, indem ein Kühllaser gegendirektional zu dem MR-Pumpenlaser eingespritzt wird, wie zum Beispiel erörtert in T. E. Drake, „Thermal decoherence and laser cooling of Kerr microresonator solitons“, https://arxiv.org/pdf/1903.00431.pdf. Ein schematisches Beispiel für die Implementierung eines Kühllasers in Verbindung mit einem Mikroresonator ist in 23 gezeigt. In diesem Beispiel propagiert der MR-Pumpenlaser im Uhrzeigersinn (gezeigt als Kurve 2302). Der Kühllaser propagiert gegen den Uhrzeigersinn (gezeigt als Kurve 2304). Ein kurzer Soliton-Impuls wird mit dem Pumpenlaser erzeugt und ist im unteren Bereich von 23 als Kurve 2308 dargestellt.
Mit Soliton-MR-Kämmen mit geringem Rauschen können MR-Kämme mit Sub-THz-Wiederholungsraten eliminiert werden und kann eine molekulare optische Uhr mit nur einem Soliton-MR-Kamm konstruiert werden, der bei moderaten Wiederholungsraten zwischen 3 - 30 GHz arbeitet, wodurch der Bedarf an einer separaten Abwärtskonvertierungseinheit eliminiert wird. Alternativ könnte auch ein Festkörper- oder Faserlaser mit angemessenen Frequenzausbreitungsstufen verwendet werden. Ein solcher Soliton-MR-Kamm, der bei moderaten Wiederholungsraten arbeitet, kann auf zwei CW-Laser auf die gleiche Weise wie unter Bezugnahme auf 19 erläutert stabilisiert werden.
Der UTC-PD erfasst dann ein Vielfaches der MR-Kammwiederholungsrate um die Übergangsfrequenz einer molekularen Gasabsorptionslinie. Das mit der Hilfe der Absorptionszelle erzeugte Rückkopplungssignal kann verwendet werden, um die Frequenz von einem der CW-Laser durch den AO-Modulator zu modulieren, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 21 erläutert. Ein Anteil der Ausgabe des MR-Soliton-Kamms kann dann auf einen anderen Detektor gerichtet werden, der in der Funktion dem Detektor D_B in 20 ähnlich ist, um das intermodulationale Schwebungssignal zwischen den Kammlinien und die entsprechende Wiederholungsrate des MR-Kamms zu erfassen, bei dem es sich um das gewünschte zählbare Uhrensignal handelt. Somit sind eine separate Frequenzabwärtskonvertierungseinheit und ein zweiter MR-Soliton-Kamm mit einer solchen Einrichtung nicht erforderlich.
Zusätzliche Aspekte
1. Ein mikroresonaterbasierter Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Pumpenlaser, einen Mikroresonator, der konfiguriert ist, um den CW-Laser zu empfangen, einen Einseitenband-(SSB-)Mach-Zehnder-Modulator, der für Frequenz- und Amplitudenmodulation des CW-Lasers konfiguriert ist, wobei der SSB-Modulator konfiguriert ist, um einen kohärenten Soliton-Zustand in dem Mikroresonator zu induzieren, wobei der SSB-Modulator ferner für Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-, fceo-, und Wiederholungsraten-, frep-, Langzeitverriegelung des Mikroresonators konfiguriert ist.
2. Ein mikroresonaterbasierter Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Pumpenlaser, einen Mikroresonator, der konfiguriert ist, um Ausgabe von dem CW-Laser zu empfangen, zumindest einen Graphenmodulator, der an dem Mikroresonator abgeschieden ist, der für Modulation der Hohlraumlänge des Mikroresonators konfiguriert ist, wobei der Graphenmodulator ferner für Langzeitverriegelung von einem oder mehreren des Folgenden konfiguriert ist: Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, fceo, Wiederholungsrate, frep, oder Resonanz-Offset-Frequenz, ROF, des Mikroresonators.
3. Ein mikroresonaterbasierter Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Halbleiterpumpenlaser, der einen Pumpenstrom empfängt; einen Mikroresonator, MR, der konfiguriert ist, um den CW-Laser zu empfangen, zumindest einen Mikroheizer, der einen Heizstrom empfängt und ferner für Modulation der Hohlraumlänge des Mikroresonators konfiguriert ist, wobei der MR für stabile Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-, fceo-, und Wiederholungsraten-, frep-, Langzeitverriegelung über Steuerung der Pumpen- und Heizströme konfiguriert ist, wobei die stabile fceo- und frep-Langzeitverriegelung vereinfacht wird, indem die Mikroresonatorresonanz-Offset-Frequenz, ROF, auf einen Betriebspunkt in einem Bereich des 1 - 10-Fachen der MR-Hohlraumlinienbreite auf der roten Seite einer MR-Hohlraumresonanz eingestellt wird.
4. Ein mikroresonaterbasierter Frequenzkamm nach Aspekt 3, wobei die ROF auf einen Punkt eingestellt ist, an dem fceo-Änderungen resultierend aus pumpenstrommodulationsinduzierten Frequenzmodulationen verglichen mit fceo-Änderungen resultierend aus pumpenstrominduzierten Leistungsmodulationen klein sind.
5. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Halbleiterpumpenlaser, der konfiguriert ist, um einen Pumpenstrom zu empfangen und um Licht bei einer Pumpenfrequenz zu emittieren; einen Mikroresonator, MR, der einen freien Spektrumsbereich (FSR) aufweist, wobei der MR konfiguriert ist, um das Licht von dem CW-Laser zu empfangen, wobei der MR konfiguriert ist, um Kammmodi getrennt in Frequenzraum annähernd um den FSR zu trennen, zumindest einen Modulator, der konfiguriert ist, um die Kammmodi um einen wesentlichen Anteil des FSR abzutasten, während Soliton-Betrieb in dem MR beibehalten wird, wobei der wesentliche Anteil mehr als 5 % des FSR entspricht.
6. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach Aspekt 5, wobei der wesentliche Anteil mehr als 10 %, mehr als 50 % oder mehr als 100 % des FSR entspricht.
7. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Halbleiterpumpenlaser, der konfiguriert ist, um einen Pumpenstrom zu empfangen und um Licht bei einer Pumpenfrequenz zu emittieren; einen Mikroresonator, MR, der konfiguriert ist, um das Licht von dem CW-Laser zu empfangen und eine Resonanzfrequenz aufweist; zumindest einen Modulator, der konfiguriert ist, um die Pumpenfrequenz und die MR-Resonanzfrequenz simultan abzutasten.
8. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Aspekte 5-7, ferner konfiguriert für totzonenfreie Spektroskopie, wobei der Kamm ferner Folgendes umfasst: eine geprüfte Probe, die angeordnet ist, um die Ausgabe des frequenzabtastenden Mikroresonatorkamms zu empfangen; ein Wellenlängen-Divisions-Multiplexing-System, das konfiguriert ist, um eine Ausgabe von der geprüften Probe auf eine Anordnung von Photodetektoren zu teilen.
9. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Aspekte 5-7, ferner konfiguriert für Multi-Wellenlängen-LIDAR.
10. Ein frequenzabtastender Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Aspekte 5 bis 7, der ferner für multiwellenlängenfrequenzmodulierten CW-(FMCW-)LIDAR konfiguriert ist.
11. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Aspekte 5-7, 9 oder 10, der ferner konfiguriert ist, um zumindest zwei Kanäle eines multiwellenlängenfrequenzmodulierten Dauerstrich-(FMCW-)LIDAR-Systems kohärent miteinander zu heften.
12. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Aspekte 5-11, ferner umfassend: eine Rückkopplungsschleife, die konfiguriert ist, um auf die MR-Resonanzfrequenz oder die Pumpenfrequenz zu wirken.
13. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Aspekte 5-12, ferner umfassend: eine Rückkopplungsschleife, die konfiguriert ist, um eine Resonanz-Offset-Frequenz (ROF) des Mikroresonators zu stabilisieren.
14. Ein frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Aspekte 5-13, ferner umfassend: eine Rückkopplungsschleife, die konfiguriert ist, um auf eine Ausgangsleistung des MR zu wirken.
15. Ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-(FMCW-)LIDAR-System, umfassend: eine FMCW-Laserquelle; wobei die FMCW-Laserquelle konfiguriert ist, um eine Frequenzkammquelle zu pumpen; wobei die Kammquelle einen Frequenzkamm mit einzelnen frequenzmodulierten Kammlinien umfasst, wobei die Kammlinien um einen Frequenzabstand getrennt sind; wobei die Kammquelle über ein Zielinterferometer auf ein Ziel gerichtet ist; ein Wellenlängen-Divisions-Multiplexing-(WDM-)System, wobei das WDM-System konfiguriert ist, um optische Ausgabe von dem Zielinterferometer zu empfangen, wobei das WDM-System ferner konfiguriert ist, um die optische Ausgabe des Zielinterferometers optisch in einzelne Frequenzkanäle mit einem Frequenzabstand äquivalent zu dem Frequenzabstand der einzelnen Kammlinien zu teilen; eine Detektoranordnung, die konfiguriert ist, um das Signal von den Frequenzkanälen zu empfangen; eine Digitalsignalverarbeitungseinheit, wobei die Digitalsignalverarbeitungseinheit konfiguriert ist, um Signale von zumindest zwei benachbarten Frequenzkanälen kohärent miteinander zu heften, wodurch die räumliche Auflösung des LIDAR-Systems erhöht wird.
16. Ein FMCW-LIDAR-System nach Aspekt 15, wobei der Frequenzkamm einen elektro-optischen Kamm umfasst.
17. Ein FMCW-LIDAR-System nach Aspekt 15 oder Aspekt 16, wobei der Frequenzkamm einen Mikroresonatorkamm umfasst.
18. Ein FMCW-LIDAR-System nach einem der Aspekte 15-17, wobei das WDM-System ferner konfiguriert ist, um eine spektrale Überlappung zwischen benachbarten Kanälen bereitzustellen.
19. Ein FMCW-LIDAR-System nach einem der Aspekte 15-18, ferner beinhaltend ein Referenzinterferometer, wobei das Referenzinterferometer konfiguriert ist, um die Frequenzmodulation der FMCW-Laserquelle zu verfolgen oder zu steuern.
20. Ein FMCW-LIDAR-System nach Aspekt 19, wobei das Referenzinterferometer konfiguriert ist, um eine Frequenzänderung pro Einheitszeit der frequenzmodulierten CW-Laserquelle über eine Rückkopplungsschleife zu linearisieren.
21. Ein FMCW-LIDAR-System nach Aspekt 19 oder Aspekt 20, wobei das Referenzinterferometer konfiguriert ist, um ein Abtastgitter zum Abtasten der optischen Ausgabe, die von dem Zielinterferometer ausgeht, bereitzustellen.
22. Molekulare Uhr, umfassend: einen primären Mikroresonatorkamm, wobei der Mikroresonatorkamm eine Wiederholungsrate, eine Carrier-Envelope-Offset-Frequenz aufweist und eine Ausgabe in der Form von einzelnen Kammlinien getrennt durch die Wiederholungsrate erzeugt; wobei zumindest die Mikroresonatorwiederholungsrate an zwei Dauerstrich-(CW-)Lasern mit geringem Phasenrauschen getrennt durch eine Differenzfrequenz verriegelt ist, wobei die Differenzfrequenz größer als eine Frequenz entsprechend der Wiederholungsrate des Mikroresonatorkamms ist, ein optisches Schwebungssignal abgeleitet von zwei der einzelnen Kammlinien, wobei das Schwebungssignal an einer molekularen Absorptionslinie in dem Frequenzbereich von 50 GHz - 50 THz verriegelt ist, wodurch die Frequenz des Schwebungssignals stabilisiert wird.
23. Eine molekulare Uhr nach Aspekt 22, ferner umfassend einen sekundären Mikroresonatorkamm, der konfiguriert ist, um die Differenzfrequenz zu der Mikrowellendomäne herunter zu konvertieren.
24. Eine molekulare Uhr, umfassend: einen Mikroresonatorkamm, wobei der Mikroresonatorkamm eine Wiederholungsrate, eine Carrier-Envelope-Offset-Frequenz aufweist und konfiguriert ist, um eine Ausgabe in der Form von einzelnen Kammlinien getrennt durch die Wiederholungsrate zu erzeugen; einen ersten und einen zweiten Dauerstrich-(CW-)Referenzlaser, wobei die Mikroresonatorwiederholungsrate an einer Differenzfrequenz zwischen dem ersten und dem zweiten CW-Referenzlaser verriegelt ist, ein optisches Schwebungssignal, das von zwei der einzelnen Kammlinien abgeleitet ist, zumindest einen Modulator, der konfiguriert ist, um eine Frequenz des Schwebungssignals zu modulieren, eine primäre Photodiode, die konfiguriert ist, um das modulierte Schwebungssignal in eine modulierte Millimeterwellen-(mmWellen-)Frequenz zentriert an einer Mittelfrequenz in der mm-Wellendomäne umzuwandeln, wobei das modulierte mmWellen-Signal eine Referenzabsorptionslinie eines molekularen Gases abfragt, das in einer Gaszelle enthalten ist, einen Demodulator, der konfiguriert ist, um das modulierte mmWellensignal übertragen durch die Gaszelle zu demodulieren, wodurch ein Demodulationssignal erzeugt wird, wobei das Demodulationssignal in Verbindung mit einem lokalen Oszillatorsignal ein Fehlersignal erzeugt, wobei das Fehlersignal über eine PID-Steuerung einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) antreibt, wobei der VCO einen weiteren Modulator antreibt, der die mmWellen-Mittelfrequenz in Bezug auf eine Absorptionslinie innerhalb der Gaszelle stabilisiert.
25. Eine molekulare Uhr nach Aspekt 24, wobei der Demodulator eine Schottky-Barrierediode umfasst.
26. Eine molekulare Uhr nach Aspekt 24 oder Aspekt 25, wobei die primäre Photodiode eine Uni-Travelling-Carrier-(UTC-)Diode umfasst.
27. Eine molekulare Uhr nach einem der Aspekte 24-26, wobei die modulierte mmWellen-Frequenz mit einem Phasenmodulator bei einer Frequenz in einer Nähe der Bandbreite der Absorptionslinie moduliert wird.
28. Eine molekulare Uhr nach einem der Aspekte 22-27, ferner konfiguriert, um ein Mikrowellensignal mit geringem Phasenrauschen zu erzeugen.
29. Eine molekulare Uhr nach einem der Aspekte 22-28, ferner konfiguriert, um ein Mikrowellensignal mit einer Stabilität < 10^-12 in 1 Sekunde zu erzeugen.
Zusätzliche Informationen
Beispielhafte, nicht einschränkende experimentelle Daten sind in dieser Patentschrift enthalten, um Ergebnisse zu veranschaulichen, die durch verschiedene Ausführungsformen der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren erreichbar sind. Alle Bereiche von Daten und alle Werte innerhalb solcher Bereiche von Daten, die in den Figuren gezeigt oder in der Patentschrift beschrieben sind, sind in dieser Offenbarung ausdrücklich enthalten. Die beispielhaften Experimente, experimentellen Daten, Tabellen, Graphen, Darstellungen, Figuren und Verarbeitungs- und/oder Betriebsparameter (z. B. Werte und/oder Bereiche), die hierin beschrieben sind, sind zur Veranschaulichung von Betriebsbedingungen der offenbarten Systeme und Verfahren gedacht und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Betriebsbedingungen für verschiedene Ausführungsformen der hierin offenbarten Verfahren und Systeme zu begrenzen. Zusätzlich demonstrieren die Experimente, experimentellen Daten, berechneten Daten, Tabellen, Graphen, Darstellungen, Figuren und anderen Daten, die hierin offenbart sind, verschiedene Regimes, in denen Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren effektiv arbeiten können, um ein oder mehrere gewünschte Ergebnisse zu produzieren. Solche Betriebsregimes und gewünschten Ergebnisse sind nicht nur auf spezifische Werte von Betriebsparametern, Bedingungen oder Ergebnissen begrenzt, die zum Beispiel in einer Tabelle, einem Graphen, einer Darstellung oder einer Figur gezeigt sind, sondern beinhalten auch geeignete Bereiche, die diese spezifischen Werte beinhalten oder umspannen. Entsprechend beinhalten die hierin offenbarten Werte den Bereich von Werten zwischen beliebigen der Werte, die in den Tabellen, Graphen, Darstellungen, Figuren usw. aufgelistet oder gezeigt sind. Zusätzlich beinhalten die hierin offenbarten Werte den Bereich von Werten über oder unter beliebigen der Werte, die in den Tabellen, Graphen, Darstellungen, Figuren usw. aufgelistet oder gezeigt sind, wie durch andere Werte demonstriert werden kann, die in den Tabellen, Graphen, Darstellungen, Figuren usw. aufgelistet oder gezeigt sind. Auch versteht es sich, dass, obwohl die hierin offenbarten Daten einen oder mehrere wirksame Betriebsbereiche und/oder ein oder mehrere gewünschte Ergebnisse für bestimmte Ausführungsformen begründen können, nicht jede Ausführungsform in jedem solchen Betriebsbereich ausführbar sein muss oder jedes solche gewünschte Ergebnis produzieren muss. Ferner können andere Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren in anderen Betriebsregimes arbeiten und/oder andere Ergebnisse produzieren als unter Bezugnahme auf die beispielhaften Experimente, experimentellen Daten, Tabellen, Graphen, Darstellungen, Figuren und andere Daten hierin gezeigt und beschrieben sind.
Somit ist die Erfindung in mehreren nicht einschränkenden Ausführungsformen beschrieben worden. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht gegenseitig ausschließend sind und Elemente, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben sind, auf geeignete Weisen mit anderen Ausführungsformen kombiniert, neu angeordnet oder davon weggelassen werden können, um gewünschte Gestaltungsziele zu erreichen. Es ist kein einzelnes Merkmal oder keine Gruppe von Merkmalen für jede Ausführungsform notwendig oder erforderlich. Alle möglichen Kombinationen und Teilkombinationen von Elementen sind innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung enthalten.
Für Zwecke der Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung sind hierin bestimmte Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass nicht zwingend alle solchen Vorteile gemäß einer beliebigen bestimmten Ausführungsform erreicht werden können. Somit kann die vorliegende Erfindung auf eine Weise ausgeführt oder durchgeführt werden, die eine oder mehrere Vorteile erreicht, ohne zwingend andere Vorteile, wie sie hierin gelehrt oder vorgeschlagen werden können, zu erreichen.
Wie hierin verwendet, bedeutet jegliche Bezugnahme auf „eine Ausführungsform“ oder „einige Ausführungsformen“ oder „eine beliebige Ausführungsform“, dass ein(e) bestimmte(s) Element, Merkmal, Struktur oder Eigenschaft, das/die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in zumindest einer Ausführungsform enthalten ist. Der Satz „in einer Ausführungsform“, der an verschiedenen Stellen in der Patentschrift vorkommt, verweist nicht unbedingt immer auf die gleiche Ausführungsform. Konditionalsprache, die hierin verwendet wird, wie zum Beispiel unter anderem „kann“, „könnte“, „möglicherweise“, „gegebenenfalls“, „z. B.“ und dergleichen, ist, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder innerhalb des Kontexts wie verwendet anders verstanden, im Allgemeinen dazu gedacht, zu vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte beinhalten, während diese andere Ausführungsformen nicht beinhalten. Zusätzlich sind die Artikel „ein“ oder „eine“ oder „der/die/das“ wie in dieser Anmeldung und den angehängten Ansprüchen verwendet so auszulegen, dass sie „eines oder mehr“ oder „zumindest eines“ bedeuten, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhaltet“, „beinhaltend“, „weist auf“, „aufweisend“ oder eine beliebige andere Variation davon offene Begriffe und dazu gedacht, einen nicht-ausschließenden Einschluss abzudecken. Beispielsweise ist ein Prozess, ein Verfahren, ein Erzeugnis oder eine Vorrichtung, welche(s/r) eine Auflistung von Elementen umfasst, nicht zwingend nur auf diese Elemente begrenzt, sondern kann weitere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder solchen Prozessen, Verfahren, Erzeugnissen oder Vorrichtungen innewohnen. Ferner meint „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, ein einschließendes Oder und nicht ein ausschließendes Oder. Zum Beispiel ist eine Bedingung A oder B durch jedwedes der Folgenden erfüllt: A ist zutreffend (oder vorhanden) und B ist nicht zutreffend (oder nicht vorhanden), A ist nicht zutreffend (oder nicht vorhanden) und B ist zutreffend (oder vorhanden) oder sowohl A als auch B sind zutreffend (oder vorhanden). Wie hierin verwendet bezieht sich ein Ausdruck, der sich auf „zumindest eines von“ einer Liste von Elementen bezieht, auf eine beliebige Kombination dieser Elemente, darunter Einzelelemente. Als Beispiel soll „zumindest eines von: A, B oder C“ Folgendes abdecken: A, B, C, A und B, A und C, B und C, und A, B, und C. Konjunktivsprache wie zum Beispiel der Ausdruck „zumindest eines von X, Y und Z“, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, wird ansonsten mit dem Kontext als allgemein verwendet verstanden, um zu übermitteln, dass ein Element, ein Begriff usw. zumindest eines von X, Y oder Z sein kann. Somit ist eine solche Konjunktivsprache nicht allgemein dazu gedacht, zu implizieren, dass bestimmte Ausführungsformen zumindest eines von X, zumindest eines von Y und zumindest eines von Z erfordern, um jeweils vorhanden zu sein.
Somit ist ersichtlich, dass hierin zwar nur bestimmte Ausführungsformen spezifisch beschrieben worden sind, jedoch zahlreiche Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Ferner werden Akronyme lediglich verwendet, um die Lesbarkeit der Patentschrift und der Ansprüche zu verbessern. Es ist anzumerken, dass diese Akronyme nicht dazu gedacht sind, die Allgemeingültigkeit der verwendeten Begriffe abzuschwächen und sie sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche auf die darin beschriebenen Ausführungsformen einschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62744862 [0001]
US 62/769700 [0001]
US 62/824040 [0001]
US 2018/0180655 [0036]
WO 2016/164263 A1 [0057, 0059]
US 2018/0048113 A1 [0069]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Guo et al., „Universal dynamics and deterministic switching of dissipative Kerr solitons in optical microresonators“, Nature physics, Band 13, S. 94 (2017) [0014]
J. R. Stone et al., „Thermal and Nonlinear Dissipative-Soliton Dynamics in Kerr-Microresonator Frequency Combs“, Phys. Rev. Lett., Band 121, S. 063902 (2018) [0015]
C. T. Phare, et al. in „Graphene electro-optic modulator with 30 GHz bandwidth“, Nature Photonics, Band 9, S. 511 - 514 (2015) [0028]
T. Zhang et al., „Nonlinear error correction for FMCW LADAR by the amplitude modulation method“, Opt. Expr., Band 26, S. 11510 (2018) [0065]
A. Rolland et al., „Non-linear optoelectronic phase-locked loop for stabilization of opto-millimeter waves: towards a narrow linewidth tunable THz source“, Opt. Expr., Band 19, S. 17944 (2011) [0076]
T. M. Fortier et al., „Generation of ultrastable microwaves via optical frequency division“, Nature Photonics, Band 5, S. 425 (2011) [0076]

Claims

Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm, umfassend: Einen Dauerstrich-(CW-)Halbleiterpumpenlaser, der konfiguriert ist, um einen Pumpenstrom zu empfangen und um Licht bei einer Pumpenfrequenz zu emittieren; einen Mikroresonator, MR, der einen freien Spektralbereich (FSR) aufweist, wobei der MR konfiguriert ist, um das Licht von dem CW-Laser zu empfangen, wobei der MR konfiguriert ist, um Kammmodi getrennt in einem Frequenzraum annähernd durch den FSR zu emittieren, zumindest einen Modulator, der konfiguriert ist, um die Kammmodi um einen wesentlichen Anteil des FSR abzutasten, während Soliton-Betrieb in dem MR aufrechterhalten wird, wobei der wesentliche Anteil mehr als 5 % des FSR entspricht.
Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach Anspruch 1, wobei der wesentliche Anteil mehr als 10 %, mehr als 50% oder mehr als 100 % des FSR entspricht.
Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner konfiguriert für totzonenfreie Spektroskopie, wobei der Kamm ferner Folgendes umfasst: eine geprüfte Probe, die angeordnet ist, um die Ausgabe des frequenzabtastenden Mikroresonator-Frequenzkamms zu empfangen; ein Wellenlängen-Divisions-Multiplexing-System, das konfiguriert ist, um eine Ausgabe von der geprüften Probe auf eine Anordnung von Photodetektoren zu teilen.
Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Ansprüche 1-3, ferner konfiguriert für Multi-Wellenlängen-LIDAR.
Frequenzabtastender Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Ansprüche 1-4, der ferner für multiwellenlängenfrequenzmodulierten CW-(FMCW-)LIDAR konfiguriert ist.
Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem von Anspruch 1-2, 4 oder 5, der ferner konfiguriert ist, um zumindest zwei Kanäle eines multiwellenlängenfrequenzmodulierten Dauerstrich-(FMCW-)LIDAR-Systems kohärent miteinander zu heften.
Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Ansprüche 1-6, ferner umfassend: eine Rückkopplungsschleife, die konfiguriert ist, um auf die MR-Resonanzfrequenz oder die Pumpenfrequenz zu wirken.
Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Ansprüche 1-7, ferner umfassend: eine Rückkopplungsschleife, die konfiguriert ist, um eine Resonanz-Offset-Frequenz (ROF) des Mikroresonators zu stabilisieren.
Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm nach einem der Ansprüche 1-8, ferner umfassend: eine Rückkopplungsschleife, die konfiguriert ist, um auf eine Ausgangsleistung des MR zu wirken.
Frequenzabtastender Soliton-Mikroresonator-Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Halbleiterpumpenlaser, der konfiguriert ist, um einen Pumpenstrom zu empfangen und um Licht bei einer Pumpenfrequenz zu emittieren; einen Mikroresonator, MR, der konfiguriert ist, um das Licht von dem CW-Laser zu empfangen und eine Resonanzfrequenz aufweist; zumindest einen Modulator, der konfiguriert ist, um die Pumpenfrequenz und die MR-Resonanzfrequenz simultan abzutasten.
Molekulare Uhr, umfassend: einen primären Mikroresonatorkamm, wobei der Mikroresonatorkamm eine Wiederholungsrate, eine Carrier-Envelope-Offset-Frequenz aufweist und eine Ausgabe in der Form von einzelnen Kammlinien getrennt durch die Wiederholungsrate erzeugt; wobei zumindest die Mikroresonatorwiederholungsrate verriegelt an zwei Dauerstrich-(CW-)Lasern mit geringem Phasenrauschen getrennt durch eine Differenzfrequenz ist, wobei die Differenzfrequenz größer als eine Frequenz entsprechend der Wiederholungsrate des Mikroresonatorkamms ist, ein optisches Schwebungssignal, das von zwei der einzelnen Kammlinien abgeleitet ist, wobei das Schwebungssignal an einer molekularen Absorptionslinie in dem Frequenzbereich von 50 GHz - 50 THz verriegelt ist, wodurch die Frequenz des Schwebungssignals stabilisiert wird.
Molekulare Uhr nach Anspruch 11, ferner umfassend einen sekundären Mikroresonatorkamm, der konfiguriert ist, um die Differenzfrequenz zu der Mikrowellendomäne herunter zu konvertieren.
Molekulare Uhr, umfassend: einen Mikroresonatorkamm, wobei der Mikroresonatorkamm eine Wiederholungsrate, eine Carrier-Envelope-Offset-Frequenz aufweist und konfiguriert ist, um eine Ausgabe in der Form von einzelnen Kammlinien getrennt durch die Wiederholungsrate zu erzeugen; einen ersten und einen zweiten Dauerstrich-(CW-)Referenzlaser, wobei die Mikroresonatorwiederholungsrate an einer Differenzfrequenz zwischen dem ersten und dem zweiten CW-Referenzlaser verriegelt ist, ein optisches Schwebungssignal, das von zwei der einzelnen Kammlinien abgeleitet ist, zumindest einen Modulator, der konfiguriert ist, um eine Frequenz des Schwebungssignals zu modulieren, eine primäre Photodiode, die konfiguriert ist, um das modulierte Schwebungssignal in eine modulierte Millimeterwellen-(mmWellen-)Frequenz zentriert an einer Mittelfrequenz in der mmWellen-Domäne umzuwandeln, wobei das modulierte mmWellen-Signal eine Referenzabsorptionslinie eines Molekulargases abfragt, das in einer Gaszelle enthalten ist, einen Demodulator, der konfiguriert ist, um das modulierte mmWellen-Signal übertragen durch die Gaszelle zu demodulieren, wodurch ein Demodulationssignal erzeugt wird, wobei das Demodulationssignal in Verbindung mit einem lokalen Oszillatorsignal ein Fehlersignal erzeugt, wobei das Fehlersignal über eine Proportional-Integral-Derivat-(PID-)Steuerung einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) antreibt, wobei der VCO einen anderen Modulator antreibt, der die mmWellen-Mittelfrequenz in Bezug auf eine Absorptionslinie innerhalb der Gaszelle stabilisiert.
Molekulare Uhr nach Anspruch 13, wobei der Demodulator eine Schottky-Barrierediode umfasst.
Molekulare Uhr nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei die primäre Photodiode eine Uni-Travelling-Carrier-(UTC-)Diode umfasst.
Molekulare Uhr nach einem der Ansprüche 13-15, wobei die modulierte mmWellen-Frequenz mit einem Phasenmodulator bei einer Frequenz in einer Nähe der Bandbreite der Absorptionslinie moduliert wird.
Molekulare Uhr nach einem der Ansprüche 12-16, ferner konfiguriert, um ein Mikrowellensignal mit geringem Phasenrauschen zu erzeugen.
Molekulare Uhr nach einem der Ansprüche 12-17, ferner konfiguriert, um ein Mikrowellensignal mit einer Stabilität < 10^-12 in 1 Sekunde zu erzeugen.
Mikroresonatorbasierter Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Halbleiterpumpenlaser, der einen Pumpenstrom empfängt; einen Mikroresonator, MR, der konfiguriert ist, um den CW-Laser zu empfangen, zumindest einen Mikroheizer, der einen Heizstrom empfängt und ferner zur Modulation der Hohlraumlänge des Mikroresonators konfiguriert ist, wobei der MR für stabile Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-, fceo-, und Wiederholungsraten-, frep-, Langzeitverriegelung über Steuerung der Pumpen- und Heizströme konfiguriert ist, wobei die stabile fceo- und frep-Langzeitverriegelung vereinfacht wird, indem die Mikroresonatorresonanz-Offset-Frequenz, ROF, auf einen Betriebspunkt in einem Bereich des 1 - 10-Fachen der MR-Hohlraumlinienbreite auf der roten Seite einer MR-Hohlraumresonanz eingestellt wird.
Mikroresonatorbasierter Frequenzkamm nach Anspruch 19, wobei die ROF auf einen Punkt abgestimmt ist, an dem fceo-Änderungen, die sich aus durch Pumpenstrommodulation induzierten Frequenzmodulationen ergeben, verglichen mit fceo-Änderungen, die sich aus durch Pumpenstrom induzierten Leistungsmodulationen ergeben, klein sind.
Mikroresonatorbasierter Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Pumpenlaser, einen Mikroresonator, der konfiguriert ist, um den CW-Laser zu empfangen, einen Einseitenband-(SSB-)-Mach-Zehnder-Modulator, der für Frequenz- und Amplitudenmodulation des CW-Lasers konfiguriert ist, wobei der SSB-Modulator konfiguriert ist, um einen kohärenten Soliton-Zustand in dem Mikroresonator zu induzieren, wobei der SSB-Modulator ferner für Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-, fceo-, und Wiederholungsraten-, frep-, Langzeitverriegelung des Mikroresonators konfiguriert ist.
Mikroresonatorbasierter Frequenzkamm, umfassend: einen Dauerstrich-(CW-)Pumpenlaser, einen Mikroresonator, der konfiguriert ist, um Ausgabe von dem CW-Laser zu empfangen; zumindest einen Graphenmodulator, der auf dem Mikroresonator abgeschieden ist, der zur Modulation der Hohlraumlänge des Mikroresonators konfiguriert ist, wobei der Graphenmodulator ferner für Langzeitverriegelung von einem oder mehreren des Folgenden konfiguriert ist: Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, fCEO, Wiederholungsrate, frep oder Resonanz-Offset-Frequenz, ROF, des Mikroresonators.
FMCW-LIDAR-System, umfassend: eine frequenzmodulierte Dauerstrich-(FMCW-)Laserquelle; wobei die FMCW-Laserquelle konfiguriert ist, um eine Frequenzkammquelle zu pumpen; wobei die Kammquelle einen Frequenzkamm mit einzelnen frequenzmodulierten Kammlinien umfasst, wobei die Kammlinien durch einen Frequenzabstand getrennt sind; wobei die Kammquelle über ein Zielinterferometer auf ein Ziel gerichtet ist, ein Wellenlängen-Divisions-Multiplexing-(WDM-)System, wobei das WDM-System konfiguriert ist, um optische Ausgabe von dem Zielinterferometer zu empfangen, wobei das WDM-System ferner konfiguriert ist, um die optische Ausgabe des Zielinterferometers optisch in einzelne Frequenzkanäle mit einem Frequenzabstand äquivalent zu dem Frequenzabstand der einzelnen Kammlinien zu trennen; eine Detektoranordnung, die konfiguriert ist, um das Signal von den Frequenzkanälen zu empfangen; eine Digitalsignalverarbeitungseinheit, wobei die Digitalsignalverarbeitungseinheit konfiguriert ist, um Signale von zumindest zwei benachbarten Frequenzkanälen kohärent miteinander zu heften, wodurch die räumliche Auflösung des LIDAR-Systems erhöht wird.
FMCW-LIDAR-System nach Anspruch 23, wobei der Frequenzkamm einen elektro-optischen Kamm umfasst.
FMCW-LIDAR-System nach Anspruch 23, wobei der Frequenzkamm einen Mikroresonatorkamm umfasst.
FMCW-LIDAR-System nach einem der Ansprüche 23-25, wobei das WDM-System ferner konfiguriert ist, um eine spektrale Überlappung zwischen benachbarten Kanälen bereitzustellen.
FMCW-LIDAR-System nach einem der Ansprüche 23-26, ferner beinhaltend ein Referenzinterferometer, wobei das Referenzinterferometer konfiguriert ist, um die Frequenzmodulation der FMCW-Laserquelle zu verfolgen oder zu steuern.
FMCW-LIDAR-System nach Anspruch 27, wobei das Referenzinterferometer konfiguriert ist, um eine Frequenzänderung pro Einheitszeit der frequenzmodulierten CW-Laserquelle über eine Rückkopplungsschleife zu linearisieren.
FMCW-LIDAR-System nach Anspruch 27 oder Anspruch 28, wobei das Referenzinterferometer konfiguriert ist, um ein Abtastgitter zum Abtasten der optischen Ausgabe, die von dem Zielinterferometer ausgeht, bereitzustellen.