CN107124910A - 稳定的微波频率源 - Google Patents

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Abstract

一种频率为fM的微波频率源，包括：双光频参考源、电‑光边带发生器、光带通滤波器、光检测器、参考振荡器、电路和压控振荡器(VCO)。边带发生器调制频率为v2和v1的双光参考信号以产生频率为v1±n1fM和v2±n2fM的边带信号。带通滤波器传输频率为v1+N1fM和v2‑N2fM的边带信号。光检测器产生频率为(v2‑N2fM)‑(v1+N1fM)的拍音。拍音和参考振荡器信号通过电路被处理以产生到输入到VCO的环路滤波误差信号。频率为fM的VCO的输出驱动边带发生器并形成微波频率输出信号。得到的分频导致微波频率信号的相位噪声的减小。

Description

稳定的微波频率源
相关申请的权益要求
本申请要求基于(i)于2014年1月24日以Kerry Vahala、Scott Diddams、JiangLi、Xu Yi和Hansuek Lee的名义提交的标题为“Cascaded Optical Divider andMicrowave Synthesizer”的美国临时申请第61/931,060号以及(ii)于2014年4月22日以Jiang Li和Kerry Vahala的名义提交的标题为“Dual SBS Lasers as FrequencyReferences for Stable Microwave Generation by Optical Frequency Division”的美国临时申请第61/982,749号的优先权，所述的临时申请两者都通过引用的方式并入，如同在本文中完全地阐述。本申请提交于2015年1月26日。
关于联邦资助的研究的声明
本发明是根据空军授予的FA9550-10-1-0284和根据国防高级研究计划局授予的W31P4Q14-1-0001由政府资助的情况下进行的。政府对本发明具有一定的权利。
发明领域
本发明的领域涉及利用双光频率源(dual optical-frequency source)和光分频产生微波频率电信号和微波频率源。特别是，在本文中描述了用于产生相对于双光频参考源(dual optical-frequency reference source)显示出减小的相位噪声的微波频率电信号的装置和方法。
背景
在本文中被公开或被声明的主题可能与以下被公开的主题有关：
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以上所列的每个参考文献通过引用并入本文，如同在本文中完全地阐述。
概述
一种用于产生输出频率为fM的输出电信号的微波频率源，包括：双光频参考源、电-光边带发生器、光带通滤波器、光检测器、参考振荡器、电路和压控电子振荡器。双光频参考源被布置以便产生(i)处于第一光参考频率v1的第一光参考信号以及(ii)处于第二光参考频率v2(v2>v1)的第二光参考信号。电-光边带发生器被布置以便(i)接收第一光参考信号和第二光参考信号以及处于频率fM的边带发生器输入电信号以及(ii)从中产生在形式分别为v1±n1fM和v2±n2fM的边带光频率的多个边带光信号，其中n1和n2为整数。光带通滤波器被布置以便传输多个边带光信号的子集，包括频率为v1+N1fM的边带光信号和频率为v2-N2fM的边带光信号，其中N1和N2为整数。光检测器被布置以便(i)接收所传输的边带光信号以及(ii)产生拍频为fBEAT＝(v2-N2fM)-(v1+N1fM)的光检测器电信号。参考振荡器被布置以便产生参考振荡频率为fR的参考振荡器电信号。电路被布置以便(i)接收光检测器电信号和参考振荡器电信号，(ii)利用电路的比较器部分，从中产生依赖于光检测器和参考振荡器电信号的相对相位的电误差信号，以及(iii)利用电路的环路滤波部分对电误差信号进行处理。压控电子振荡器被布置以便(i)接收作为VCO输入电信号的环路滤波电误差信号，以及(ii)产生频率为fM的VCO输出电信号，其中，VCO输出电信号的第一部分作为边带发生器输入电信号被电-光边带发生器接收，VCO输出电信号的第二部分形成微波频率源的输出电信号。由电-光边带发生器接收VCO输出电信号的第一部分作为边带发生器输入电信号导致电路和压控振荡器以负反馈布置的方式耦合，以便起到锁相环作用。
利用微波频率源，产生输出频率为fM的微波频率输出电信号的方法，包括：(a)产生第一光参考信号和第二光参考信号；(b)产生多个边带光信号；(c)传输多个边带光信号的子集，包括频率为v1+N1fM和v2-N2fM的边带光信号；(d)产生拍频为fBEAT＝(v2-N2fM)-(v1+N1fM)的光检测器电信号；(e)产生参考振荡器电信号；(f)产生环路滤波，以及(g)产生频率为fM的VCO输出电信号。
有关微波频率源和双频光源的目标和优点，以及它们的使用方法，根据对附图中所列举的事例实施例和下面的书面说明或所附权利要求中的披露，可变得明显。
本概述以简洁的形式被提供以介绍概念的选择，这些会在下面的详细描述中被进一步描述。本概述并不旨在确定所要求的主题的关键特征或必要特征，也不旨在被用作确定所要求的主题范围的辅助。
附图概述
图1示意性地示出了发明的微波频率源。
图2示意性地示出了在锁相环布置中的耦合到压控振荡器的发明的电-光分频器。
图3是包括多个边带光信号的模拟光谱。
图4对比了发明的光分频器和传统的电频分频器。
图5A-图5E是发明的微波频率源的实测光谱图和噪声图。
图6A-图6C是发明的微波频率源的实测光谱图。
图7示意性地示出了发明的双频光源。
图8示意性地示出了另一个发明的双频光源。
图9A和图9B是发明的双频光源的实测光谱图。
被描述的实例仅示意性地示出：所有特征可能并未完全详尽地或者以适当比例地示出，为了清晰起见，一些特征或结构相对于其他而言可能会被夸大，并且附图不应该被看成是按比例的。示出的实例仅仅是举例：它们不应该被理解为限制本公开或所附权利要求的范围。
具体实施方式
微波频率振荡器和无线电频率振荡器被广泛用于通信、遥感、导航、雷达、科学计量、计算机、计时器、时间标准和其他领域。它们提供了能经常被可控地调整的单个电频率。它们的性能通过利用各种度量来进行表征，所述各种度量包括功率输出、频率调整范围和频率稳定性。这些度量中的最后一个，频率稳定性，对于很多应用来说是至关重要的，并且振荡器的成本与提供的频率稳定性的水平有直接的关系。极高性能的振荡器一般基于利用高-Q介质谐振器产生高稳频率的电子振荡器。两个高度相干的激光信号的光检测是另一种众所周知的产生稳定无线电频率或微波频率信号的方法；在光检测器(即，光电探测器)上同时发生并且频差在光检测器的检测频率带宽内的两个光信号以光信号的光差频(也被称为拍音或拍频)从光检测器上产生电输出信号。在最近几年中发展起来的新方法利用被称为频梳分频器(或简称为“光分频器”)的装置，采用革命性的、全光方法进行微波合成。光分频器接受以100THz振荡的高相干光信号作为输入。这通常是已经通过光参考腔稳定了的激光信号。这个非常高的输入频率利用光分频器在无线电频率或微波频率范围内(100MHz或100GHz)被分频为一定的比例。这个分频过程伴随着在相对于初始光信号的最终信号中的相位噪声的显著减少，从而使得无线电信号/微波信号具有显著的(并且创纪录的)稳定性。频梳分频器采用特殊的锁模激光器以实现这种减少。
在本文中所公开的是新颖的、发明的装置和方法以实现光分频以及通过具有频率控制输入的电子振荡器(有时候称为压控振荡器，或者VCO)来提供微波频率信号的稳定操作。这种新颖的方法和证实该方法可行性的初始测量一起在本文中被描述。在本发明的方法中，通过激光器提供的两个参考光信号保持频率稳定，以便激光的相对频率(即，它们的差频)尽可能地稳定(或者对于给定的使用或应用来说，可行性地获取其必要性能，即，相对稳定在可操作的合意参考带宽内)。然后利用由VCO驱动的一连串的相位调相器对激光信号进行相位调制。在光谱中，这造成了被调制频率隔开的初始激光频率处的边带光谱。利用强度调制器、色散补偿器、光放大器(如果需要或者希望的话)和非线性光学介质，相位调制的光信号可被光谱展宽以进一步增加边带频谱中边带的数量。希望激光的频率间隔尽量大到切实可行(对于给定的使用或应用)，以提供VCO的最大可实践的稳定性。然而，频率间隔不能超过由相位调制级联生成的边带的范围(和非线性光学展宽，如果采用的话)。两个最内边带(见图3)的频率必须足够接近，这样可以使用光电二极管探测它们之间的差频。如下面进一步描述，光电二极管信号包含由VCO引起的相位信息，并被用于稳定VCO。本发明方法已经能够产生具有远低于偏频在10kH至100kHz的高性能电子振荡器的相位噪声水平的高稳微波频率信号。通过进一步增加两个参考光信号的频率间隔，可基本上改善本发明方法的性能。在本文公开的实例中，这些参考光信号由单个高Q的盘状谐振器的双泵浦(dualpumping)提供，以产生受激的两个不同波长的布里渊振荡。频率间隔受限于同一腔内有效地对分立谱线泵浦(pump separate lines)的能力，这会在下文进一步讨论。可使用其他的双光频参考源，如包含锁频到单个参考谐振腔的单独模式的两个激光器的参考源。
相比于传统的频梳分频器，在本文中所公开的发明方法还没有达到相同的、所记录的频率稳定性。然而，上面所描述的脉冲展宽方法的改进将导致超越那些已经证实的性能改善，因为相位噪声被按分频比的平方减少，以及较大差频导致较大分频比。同样，弥补当前性能限制，本发明方法不需要锁模频梳发生器(这是一种复杂且昂贵的装置)。反而，本发明方法采用相对简单和成本更低的光学部件，其中大部分都是可商购的。而且，在许多例子中，参考频率(即，两个光源的差频)取决于单个谐振器内的两个共振子的相对稳定性。原则上，这是更可靠的参考，因为系统中的技术噪声(即，来自于设备的不稳定性，与物理系统中固有的量子噪声截然相反)对两个共振来说都是一样的，因此在差频中大部分被消除掉了。相反，传统的分频器方法依赖于受技术噪声影响更强的绝对参考频率。本文公开的本发明光分频器的操作原理也是不同的，在于由电子VCO而不是光学谐振腔设置重复频率(即，边带间距)。因此，调整输出信号的微波频率是可能的，而采用传统频梳分频器则不容易实现。而且，传统频率梳分频器方法取决于对一系列具有高带宽光脉冲的高峰值功率的光检测。光电探测过程的线性度已被示出为对利用该方法获取频率稳定性是至关重要的，并且会大大限制可采用的光检测器的类型。与此相反，本发明可以采用低带宽的光检测器或者对线性度要求宽松的检测器。
本文公开的关于实现光分频以用于高性能微波频率信号的产生的装置和方法采用了级联相位调制，其包含直接相位调制以及自相位调制(如果需要或者希望比单独用直接相位调制实现更大的分频比)。与锁模激光器产生的一串光谱线相比，因为没有光腔，级联相位调制器并不具有固有的重复频率。虽然这可以赋予由级联产生的边带梳任意选定的谱线间距频率，但是这也意味着光分频必须以不同于传统频率梳所采用的方式来实现。
图1-3示出了本发明的方法，其中两个激光线具有足够好的(即，操作上可接受的)相对频率稳定性，为微波频率源提供了两个光参考信号120a/120b(以谱线101为特征)。图1是系统的高级别的框图；图2包含了系统的某些元素的进一步的细节；图3是与发明的方法有关的光信号的频谱示意图。在一些例子中(如下面所描述的)，两个激光线120a/120b在单独的高Q微腔110中或在由两个对应的、独立的泵浦激光器130a/130b(图7和图8，下面会进一步讨论)泵浦形成的光纤环路腔110'(FLC)中通过并存的布里渊振荡产生。可选地，两个激光线120a/120b也可以通过双模激光器、通过频率锁定两个激光到单独的公共的参考腔180的不同的光学模式或者通过频率锁定到不同的原子跃迁190产生。这两个参考激光线进入电-光分频器(即，电-光边带发生器)，在电-光分频器中，它们通过由压控电子振荡器600(VCO)设定的频率为fM的一对调制器220进行相位调制。由相位调制器220创造的边带谱线301可在光纤350中通过脉冲形成和自相相位调制进一步加宽。因此，多个边带光信号由每个激光线120a/120b延伸形成，并导致成对的边带光信号430a/430b(通常靠近差频跨距的中间点；见谱线401)。边带光信号430a/430b利用光电二极管420进行光学滤波和检测。如下面所讨论的，由两个检测过的边带信号430a/430b产生的拍音信号包含由光分频因子(N1+N2)(到达边带信号430a/430b所需的边带数量)放大的VCO600的相位噪声。因此，拍音为VCO600的锁相环路控制提供了适当的误差信号。
感兴趣的是，将本发明的微波频率源和采用频率参考10和VCO30的更传统的微波频率源作对比。在传统的方法中(见图4)，VCO30在系统中提供最高频率。通过电分频20和与较低频率参考振荡器10(诸如石英晶体振荡器)的相位比较，从而达到稳定。相比之下，本文所公开的本发明的电-光分频器是通过在频域中反转参考和VCO的位置而运行的。具体地，参考100是通过激光线的相对频率间隔提供的；该频率间隔被制成比VCO 600的频率大许多倍(本实施中，这通常是利用光检测器不能检测的速率)。而且，参考频率被下分频到VCO频率(在发明的源中)，与将VCO频率下分频到参考频率速率(如在传统的源中)截然不同。通过进行这种逆转，本发明的装置得益于(i)光振荡器的稳定性，现在它通常超过了微波振荡器的稳定性，以及(ii)将稳定性传输到微波领域的光分频的功率。而且，由于发明的分频器从电子VCO 600获取它的速率，因此它是连续可调的。尤其是，输出频率由电子VCO的调谐范围和参考激光线的频率间隔设定，而不是由腔重复率固定的。
与绝对频率截然不同，使用频率间隔为微波的生成获得参考已经通过使用传统的锁模激光频率梳证实了。在这些类型的装置中，频梳分频器通过锁定参考腔的两个频率梳来实现的。如在其他的传统分频器中，梳的检测提供下分频的信号，在这种情况下是参考腔模的频率间隔。这种两点锁方法也已在先前使用两个原子谱线和频率微梳中实施过。
图3示出了由发明的分频器提供的相位噪声减小的根源。累积的相位噪声在生成的边带光信号中的贡献可从两个激光源追溯到产生可检测的拍音的所检测的边带的相位差。检测到的拍音与参考振荡器信号相比较。通过调整VCO 600的相位以使相位差为零，VCO波动的结果下降至下面的值：在这种方法中，两个激光源的相位噪声中的相关性(例如，由共模技术噪声引起的)被取消。VCO 600的相对相位噪声的最终下限由通过分频系数的平方减小(即，通过因子(N1+N2)2减小)的激光线的光相位噪声给定。显然，为减小电子VCO 600的相位噪声，激光频率间隔(即，差频)应尽可能大(或者对于给定的用途或应用是可实践的，即操作上可接受的)。在发明的系统中的优选的实施方案中，差频的幅度由双泵浦布里渊激光器的跨距来确定。
图7更详细地示出了双光频参考源的例子。光参考激光器信号120a/120b由布里渊激光线在单独的硅基二氧化硅高Q的盘状谐振器110内共同发射激光提供的。单独的布里渊激光线的相干特性是很好的，并且布里渊激光线的相对频率稳定性可通过在公共的谐振器内共同发射激光而增强。在发明的微波频率源中，布里渊激光线通过双泵浦配置所需的足够大的差频而分开。在本例中，二氧化硅盘状谐振器110在大约10.890GHz的自由光谱范围(FSR)内被设计和制造，该范围与在二氧化硅(具备1550nm的泵浦波长)中的布里渊频移基本匹配。采用其他需要的、期望的、或者合适的材料可呈现出不同的布里渊频移。采用Pound-Drever-Hall(PDH)技术，每个泵浦激光器130a/130b(以对应波长λ1和λ2发射)可被锁频到盘状谐振器110相应的不同的谐振光学模式；通过循环器114，每个泵浦激光器130a/130b被耦合到盘状谐振器110，并激发其自身相应的布里渊激光，分别以光参考频率v1和v2沿着相反的方向传播。通过采用各自的光边带滤波器132a/132b、光电检测器134a/134b和反馈/伺服机构136a/136b，PDH技术可在每个泵浦激光器130a/130b中实现；对每个泵波长的控制可经由直接激光控制(如泵浦激光器130a)或者经由激光输出的频率移动(如泵浦激光器130b输出的声光移动)。通过在谐振腔模式中调谐泵浦激光器130a/130b以不同的方位角模式级别泵浦，很容易调整两个SBS激光之间的频率间隔(即差频v2-v1)。图8示出了类似的例子，其中盘状谐振器110被光纤环路光谐振器110'(即光纤环路腔，或者FLC)代替。
在单独的、共同的FCL中，基于光纤的SBS激光的双泵浦通过传统的光信号的光检测先前已经被用于产生稳定的微波频率信号，两个泵浦激光波长是以期望的微波频率通过电-光相位调制生成的单个连续波(CW)激光的边带。在以前的布置中，这两个SBS激光频率在频率上必须足够接近，这样它们的差频(即，拍音)可利用光检测器直接探测。与此相反，在本发明的布置中，SBS激光频率v2和v1以大得多的频率间隔被隔开(例如，在不同的实验中，通过在利用独立的可调CW激光由10、18、30和148腔的FSR隔开的盘状谐振器光学模式上的双泵浦，采用109GHz、198GHz、327GHz和1612GHz)。通过增大分频因子，这些不断增加的频率间隔会增大被光分频减小的相位噪声；因此，期望的是频率间隔(即，差频v2-v1)尽可能地或切实可行地越大越好。这么大的频率间隔通常大得使得不可能光学检测到差频(即，拍音)，因为大大超出了光检测器的检测带宽。迄今为止，在实施例中构建的最大的间隔是1612GHz，它受限于处于1537nm的SBS泵浦激光器中的一个，靠近所采用的掺杂的光纤放大器增益带宽的边缘；其他的泵浦源可被用于实现对光参考信号120a/120b更大的光谱分离。图5A示出了在部分这些光谱分离中双SBS线的测量光谱。值得注意的是，这两个SBS激光信号120a/120b不但共享单个的、公共的基于芯片的盘状谐振器110，而且还具有通过随后光/电转换的相同的光纤路径，因此会抑制路径长度变化的影响。
在图7和图8所示的例子中，光参考信号120a/120b使用循环器114被耦合到分频器部分。为了产生多个边带光信号310，采用了边带发生器200，边带发生器200包含具有较低的Vπ～3.9V(在12GHz)的串联的两个相位调制器220/230，并且相位同步于相应的RF移相器224/234(见图1和图2)。相位调制器220/230以32.5dBm和30.7dBm进行驱动，对应于总的相位调制幅值达到大约6π(≈πVdrive/Vπ)，这个数据也近似等于由调制器220/230产生的边带数量的一半。相位调制器220/230的驱动信号(即，边带发生器的输入电信号)是频率为fM的VCO 600输出电信号(充当边带发生器的输入光信号)的一部分620。在一个实例中，直到约30的电-光调制的(EOM)边带(即，N1+N2直到约30)可仅通过使用边带发生器的第一部分200(即仅使用相位调制器220/230以产生边带信号310；见图2中的路径I)产生，导致达到大约327GHz的差频v2-v1以及达到约为30倍的光分频。在图5B中示出了，测量的光学光谱示出了原始的SBS激光线(18FSR频率间隔)和得到的相位调制边带。随着频分30，通过频率fM的反馈稳定性(下面会进一步说明)，微波频率信号610的相位噪声相对于光参考信号120a/120b的差频的相位噪声将会以降低约900倍。在图2中在所示的例子中采用了两个相位调制器。然而，如果提供了足够大的调制来产生足够多的边带，则可以采用单个相位调制器。
为了进一步提高边带谱宽，可采用附加的相位调制器或者可以采用提供更大相位调制幅度的相位调制器。可选地，或另外，通过使用边带发生器的第二部分300，可采用(在图2中的路径II)所谓的连续光谱发生(例如，正如在Huang等(2008)、Morohashi等(2009)、Ishizawa等(2013)和Suzuki等(2013)的出版刊物中所描述的，并入上述)。这部分包括强度调制器320(被一部分VCO信号620以频率fM驱动，并利用移相器324同步)、色散补偿器330、光放大器340和非线性光学介质350。在典型的例子中，强度调制器320可包括马赫-曾德电-光干涉仪，色散补偿器330可包括合适长度的合适地色散光纤(如色散位移光纤或者包含色散位移光栅的光纤)，光放大器340可包括掺杂的光纤放大器(EDFA)，以及非线性光学介质350可包括合适长度的高度非线性光纤(HNLF)。也可采用其他功能上等效的元件，如电吸收调制器。在本例中，与相位调制器220/230级联的连续光谱发生器可产生足够多的边带，以能够使两个参考光信号120a/120b比通常可能使用单独的相位调制器在光谱上被隔开的更远；本例中，差频v2-v1可被生成达到盘状谐振器110的148FSR(即，本例中达到大约1.6THz间距；N1+N2达到148；如上所述，受限于EDFA的增益带宽)。当频分148时，相对于通过频率fM反馈稳定性(下面会进一步描述)的光参考信号120a/120b的相位噪声，微波频率信号610的相位噪声减小大约超过20000倍。通过利用更大的差频可获得相位噪声更大程度的减小。
这两种传输光边带430a/430b(频率分别为v1+N1fM和v2-N2fM，被通常＜＜fM的δf隔开)通过光带通滤波器410被传输，并利用放大的光检测器420(在本例中是125MHz带宽)检测。这些传输边带信号的线性叠加导致在光检测器420上的信号事件，其产生拍音频率的光检测电信号。参考振荡器510产生频率为fR(在本例中，石英振荡器以大约10MHz运行；可采用任何合适的参考振荡器；采用频率fR的范围从约1MHz到约500MHz)的参考振荡器电信号。源于参考振荡器510的相位噪声也通过整体分频被减小，并且并不对通过光频率分配过程可达到的相位噪声减小进行任何限制。电路520比较光电二极管和参考电信号的相位并生成误差信号(以任何所需的、期望的或者合适的方式)，该误差信号然后被电路520(以任何所需的、期望的或者合适的方式)环路滤波。环路滤波后的误差信号作为VCO的电输入信号530用于锁相VCO 600至频率v2-v1±fR的分谐波(即，整数因数)。在示例中，VCO包含利用外部的FM调制输入模式操作的微波发生器；可采用任何合适类型或实现的VCO。
为构建布里渊激光的相位噪声水平(相位噪声参考水平)，在图5C中的最上面的曲线给出了在快速的光检测器(50GHz的带宽)上的通过图7的示例的双SBS激光器的输出的光检测产生的的拍音的单一边带(SSB)的相位噪声对于该测量，双SBS激光器的信号在三个FSR处分开泵浦，从而产生了既可使用光检测器检测又可通过电相位噪声分析器分析的32.7GHz的拍音。随着SBS激光器的频率的频率调谐，相位噪声水平被示出为几乎保持恒定，并且因此提供了激光的参考相位噪声的测量，即使当它们被调谐到在发明的分频过程中使用的很大(即，不可检测)的频率间隔。对于高于100Hz的偏频(例如，在图5C中的水平轴)，噪声谱受限于Schawlow-Townes噪声，而在偏频低于100Hz处，存在技术噪声分量。在目前的实验中该光谱提供了随光分频因子N1+N2平方地减少的参考噪声水平(频差不变)。为了测试分频器，通过将环路滤波后的误差信号530反馈到VCO控制/调谐输入端，VCO 600被锁定到分频的光学参考，如在图1-3中所示。在图5C中较低的两条曲线是当相对于双SBS线120a/120b的初始的频率间隔被按30光学分频(第二低的曲线)和被按148光学分频(最低的曲线)时，VCO 600在10.89GHz下相应的测量的相位噪声谱。通过数据清楚地显示出，相位噪声随着分频比的增加而减小。在这些测量中通过利用可调的泵浦激光源130a/130b来调整布里渊激光线的频率间隔，使输出信号610的频率保持为10.89GHz。此外，在锁相环控制电路中，相位噪声谱在900kHz(采用在图2中的路径I可获得30倍的分频比)和300kHz(采用在图2中的路径II可获得148倍的分频比)的特性属于伺服泵浦(servo bumps)。这些频率取决于伺服环路延迟，包含光、电路径长度和VCO 600的调谐响应。
为了说明锁相情况下VCO相位噪声性能得到改善，在图5C中的虚线是自由运行的VCO 600的相位噪声谱。当按30因子分频327GHz布里渊光差频(在图2中的路径I，仅采用相位调制器220/230)时，观察到相对于初始自由运行的VOC 600偏频在1kHz到100kHz的相位噪声减少大约20dB，并且获得对于10.89GHz的载波的偏频为10kHz的-112dBc/Hz的相位噪声水平和偏频为100kHz的-127dBc/Hz相位噪声水平。当按148因子分频1.61THz的布里渊光信号差频(在图2中的路径II，相位调制器加上连续光谱发生)，对于10.89GHz的载波所获得的相位噪声水平偏频1kHz的-104dBc/Hz，偏频频10kHz的-121dBc/Hz和偏频为100kHz的-119dBc/Hz。148的分频比在100kHz的偏移处的相位噪声上升是因为该偏移非常接近300kHz(伺服带宽)时的伺服峰值。图5D示出了VCO输出610在10.89GHz(对电光谱分析仪设定的20kHz的跨距和30Hz的分辨带宽)所测量的光谱。最上面的曲线是自由运行时VCO的光谱，而其它的光谱，按照递减的顺序，分别是SBS频率间隔为196GHz、327GHz和1.61THz被相应按18、30、14因子分频的锁相VCO 600的光谱。图5E通过给出测量相位噪声在1kHz、10kHz和100kHz偏频与分频比为1、3、4、10、18、30和148的关系曲线，总结了这些结果。虚线与1/(N1+N2)2相对应，并且与测量值有很好的一致性。为了比较，上部水平虚线为Agilent MXG微波合成仪(11GHz载波，100kHz偏移，Agilent在线数据表，文献号5989-7572EN)的相位噪声，而下部水平虚线为高性能Agilent PSG微波合成仪(11GHz载波，100kHz偏移，Agilent在线数据表，文献号5989-0698EN，选择UNX)的相位噪声。
在目前为止所示的例子中，微波频率fM是固定的；但是，这个频率可以通过改变分频比进行调整。具体地，通过改变关于固定间隔的双SBS线v2-v1的分频比N1+N2和VCO频率fM，可实现不同的载波频率(如，fM＝(v2-v1±fR)/(N1+N2))的锁相频率合成。例如，在图6A中，边带频率在两个不同的分频比26和30处的中点位置几乎是重叠的。唯一的要求是差频v2-v1近似等于期望的输出/调制频率fM的整数倍。图6B示出了锁相12.566GHz输出信号610的测量噪声谱，而图6C示出了9.075GHz的输出信号610的测量噪声谱。而且，最初的参考频率间隔v2-v1也能调整。采用具有变化的FSR的多个参考腔110或180能够实现利用单个分频器就可产生宽范围的输出频率。
参照图1和图2，微波频率源布置为产生输出频率为fM的输出电信号，并且包含：(a)双光频参考源100；(b)电-光边带发生器200/300；(c)光带通滤波器410；(d)光检测器420；(e)参考振荡器510；(f)电路520；和(g)压控电子振荡器600。双光频参考源100被布置以产生(i)具有第一光参考频率v1的第一光参考信号120a；(ii)具有第二光参考频率v2＞v1的第二光参考信号120b。图1中的插图示意性地描绘出第一光参考信号和第二光参考信号120a/120b的光谱101的示例。电-光边带发生器200/300被布置以(i)接收第一光参考信号和第二光参考信号120a/120b和频率为fM的边带发生器输入电信号，以及(ii)从中产生多个边带光信号210/310，相应边带光频率为v1±n1fM和v2±n2fM形式，这里n1和n2都为整数。在图1的插图中以及图3中示意性地描绘出多个边带光信号310的光谱301的示例。光带通滤波器410被布置成以便传输多个边带光信号210/310的子集，包含频率为v1+N1fM的边带光信号430a和频率为v2-N2fM的边带光信号430b(间距为δf，且通常＜＜fM)。在图1的插图中和图3中示意性地描绘出传输后的边带光信号430a/430b的光谱401的示例。光检测器420被布置成以便(i)接收传输后的边带光信号430a/430b，以及(ii)产生拍频为fBEAT＝(v2-N2fM)-(v1+N1fM)的光检测电信号440。
参考振荡器510被布置为产生参考振荡频率为fR的参考振荡器电信号。电路520被布置为(i)接收光检测器电信号440和参考振荡器电信号；(ii)利用电路520的比较器部分，根据光检测器和参考振荡器电信号的相对相位，从中产生电误差信号，以及(iii)利用电路520的环路滤波部分对电误差信号进行处理。压控电子振荡器600被布置为(i)接收环路滤波电误差信号530作为VCO的输入电信号，以及(ii)产生频率为fM的VCO输出电信号，其中，VCO输出电信号的第一部分620被电-光边带发生器200/300接收作为边带发生器的输入电信号，而VCO输出电信号的第二部分610构成微波频率源的输出电信号。电-光边带发生器200/300接收VCO输出电信号的第一部分620作为边带发生器的输入电信号，引起电路520和压控振荡器600被耦合于负反馈布置中，以便起到锁相环(PLL)的作用。电路520的比较器和环路滤波部分可以任何所需的、期望的或适合的方式实现。
用于产生输出频率为fM的微波频率输出电信号610的方法，包括：(a)利用双光频参考源100产生第一光参考信号和第二光参考信号120a/120b；(b)利用电-光边带发生器200/300产生多个边带光信号210/310；(c)利用光带通滤波器420传输边带光信号430a/430b；(d)利用光检测器420产生光检测器电信号440；(e)利用参考振荡器510产生参考振荡器电信号；(f)利用电路520产生环路滤波电误差信号530；和(g)利用压控电子振荡器600产生VCO输出电信号610/620。通过电-光边带发生器200/300接收VCO输出电信号的第一部分620作为边带发生器的输入电信号，引起电路520和压控振荡器600被耦合于负反馈布置中，以便起到锁相环的作用。
输出频率fM可位于所谓的电磁谱微波部分的任何地方，例如在约0.3GHz和约300GHz之间。在一些例子中，输出频率fM在约1GHz和约100GHz之间。
如在图3中示意性地说明的，电-光边带发生器200/300起作用来将差频v2-v1按N1+N2因数分频，导致在光谱上足够接近的一对边带光信号430a/430b(频率分别为v1+N1fM和v2-N2fM)均落入光带通滤波器410的通带内。因此，电-光边带发生器200/300可被称为电光分频器(EOFD)。将差频v2-v1按N1+N2因数分频，同锁相电-光边带发生器200/300和压控振荡器600耦合，导致相对于双光频参考源100的相位噪声，微波频率源的输出电信号610的相位噪声减小约(N1+N2)2倍。
因此，增加分频比来减小所产生的微波频率电信号的相位噪声是有利的。获取较高分频比的方法是增加参考差频ν2-ν1。在一些例子中，参考差频ν2-ν1大于约100GHz。在这些示例中的某些示例中，参考差频ν2-ν1大于约1THz、大于10THz，或者大于100THz。根据需要的、期望的或合适的，或者根据合适的光源被开发或可得到的，可使用更大的参考差频。
根据参考差频ν2-ν1和期望的输出频率fM，任何适合的分频比N1+N2都能被使用。在一些例子中，分频比N1+N2大于或等于10、大于或等于50、大于或等于100、或者大于或等于1000。如上所述，更大的分频比提供相位噪声的更大程度的减小。
参考光信号120a/120b可以任何需要的、期望的或合适的光频被提供。在一些例子中，第一光参考频率和第二光参考频率v1和v2都位于约75THz和约750THz之间(即，波长在约400nm和约4μm之间)、约120THz和约430THz之间(即，波长在约700nm和约2.5μm之间)、或者在约150THz和约300THz之间(即，在约1μm和约2μm之间)。后两个范围可能很方便，因为容易得到这些波长区域中的光纤和/或固态源。其它波长都可以被使用。
在一些例子中，参考振荡频率和差频可位于约1MHz和约500MHz之间、在约5MHz和约100MHz之间，或者在约10MHz和约50MHz之间。在一些例子中，参考振荡器510包含晶体振荡器，如石英振荡器。在另一些例子中，参考振荡器510包含电子振荡器，如频率合成振荡器。任何合适的稳定参考振荡器都可被采用，以为给定用途或应用的微波频率源提供足够稳定的性能(即，操作上可接受的)。
在一些例子中，双光频参考源100是稳定的，以便维持参考差频ν2-ν1的波动(即，激光的相对频率稳定性)在可操作可接收的光参考带宽范围内。在一些例子中，操作上可接受的参考带宽(以在所给定的时间间隔内的带宽特征给出)在约1s时标上低于约100Hz，或者1s时标上低于约1Hz。在一些例子中，操作上可接受的参考带宽(相对于光载波频率，以给定偏频的情况下给出光相位噪声)在100Hz偏频下大约是-40dBc/Hz以及在10kHz偏频下大约是-80dBc/Hz、或者在100Hz偏频下大约是-80dBc/Hz以及在10kHz偏频下大约是-125dBc/Hz。通常，激光源相对稳定性的改善的水平，将直接体现于微波频率输出信号整体频率稳定度的改善。根据需要的、期望的或合适的，或者根据合适的光源被开发或可得到的，依然可使用更加稳定的参考。
如上所述，在一些例子中，双光频参考源100包含第一泵浦激光源和第二泵浦激光源130a/130b和光谐振器110(盘状谐振器；图7)或者110'(光纤环路光谐振器；图8)。光谐振器110/110'的自由光谱范围(FSR)基本上等于光谐振器的布里渊频移的整数约数。在一些例子中，光谐振器包含二氧化硅，并且光谐振器的布里渊频移大约是10.9GHz；其他需要的、期望的，或呈现出不同的布里渊频移的合适的材料可被使用。第一泵浦激光源和第二泵浦激光源120a/120b中的每一个都被锁频到光谐振器110/110'相应的谐振光学模式。第一光参考信号和第二光参考信号120a/120b包含受激的布里渊激光(SBL)输出，该受激的布里渊激光(SBL)输出分别由第一泵浦激光源和第二泵浦激光源130a/130b同时泵浦光谐振器产生。在一些例子中，光谐振器110/110'的自由光谱范围基本上等于光谐振器的布里渊频移。在一些例子中，光谐振器包含环形谐振器，诸如盘状光谐振器110(如图7所示)。在其他例子中，光谐振器包含光纤光谐振器，诸如光纤环路光谐振器110'(如图8所示)或者线性的法布里-珀罗类型的光纤光谐振器(它可包含，如泵浦频率或SBL频率处的光纤Bragg光栅)。在一些例子中，通过Pound-Drever-Hall机构，第一泵浦激光源和第二泵浦激光源中的每一个被锁频到谐振器110/110'相应的谐振光学模式；任何适合的机构可被采用，如Hansch-Couillaud机构。
取代光谐振器用作双泵浦受激布里渊激光器(SBL)，在另一些例子中双光频参考源100包含双模激光源。在又一些其他例子中，双光频参考源100包含第一参考激光源和第二参考激光源，它们每个都被锁频到公共光参考腔180(图1)的对应的不同的谐振光学模式。在又一些其他例子中，双光频参考源100包含第一参考激光源和第二参考激光源，它们每个都被锁频到对应的不同的原子跃迁190(图1)。可采用任何其他合适的稳定的双光频参考源，其可以提供需要的、期望的或适合的(即，操作上可接受的)参考频率和差频稳定性。
如上所述，在一些例子中，电-光边带发生器只包含两个或者更多电光相位调制器220/230(图2路径I)，每个被频率为fM的边带发生器输入电信号的相应部分所驱动。两个或更多相位调制器220/230(其形成了边带发生器的一部分200)被布置为串联连接，以便循序地传输第一光参考信号和第二光参考信号120a/120b，以便产生相应边带光频率的形式为v1±n1fM和v2±n2fM的多个光边带信号310，其中n1和n2为整数。利用这两个相位调制器220/230，成对的边带光信号被产生，且n1+n2从2直到至少30变动。
在其他例子中，连续光谱发生的传统技术被包含在电-光边带发生器的一部分300(图2中的路径II)，它包含了两个或多个电光相位调制器220/230、强度调制器320、色散补偿器330、光学放大器340和非线性光学介质350。两个或多个电光相位调制器220/230各自被从VCO输出信号620得到的并和移相器224/234同步的频率为fM的边带发生器输入电信号的相应部分驱动。强度调制器被从VCO输出信号620得到的并和移相器324同步的频率为fM的边带发生器输入电信号的另一部分驱动。相位调制器220/230、强度调制器320、色散补偿器330、光学放大器340和非线性光学介质350被串联布置，以便循序地、按顺序地传输第一光参考信号和第二光参考信号，以便产生多个光边带信号310。这些信号的相应频率的形式为v1±n1fM和v2±n2fM，其中，n1和n2为整数且n1+n2从2直到至少100或更大范围内变动。任何需要的、期望的或适合的调制器组合、色散补偿器、放大器和非线性介质都可被采用。在一些例子中，强度调制器包含电光马赫-曾德干涉仪，色散补偿器330可包含合适长度的相配地色散光纤(如色散位移光纤或者包含色散位移光栅的光纤)，光放大器340可包括掺杂的光纤放大器(EDFA)，且非线性光学介质350可包括长度合适的高度非线性光纤(HNLF)。可采用其他功能性设备组件，如电吸收调制器。随着用于产生大的相位幅度调制的合适技术被开发或者变为可用，利用更少的或甚至单个相位调制器代替上述功能将成为可能。
如上所述，光分频(OFD)现在能够产生具备创纪录低相位噪声的超稳定微波频率信号。OFD的关键要素是稳定的光学参考频率(OFR)。光参考可有两种类型：绝对的频率参考或者差频参考。本文描述了参考的后一种类型，以及其非常适用于利用光分频器的应用。现在将更详细地讨论图7和图8示意图所示的本发明的双频率光源。双频率光源100是基于在THz带宽双模受激布里渊激光(SBL)。当频率参考被设置为用光检测器可直接检测的差频(如，一些几十GHz，也许100GHz)时，双模SBL差频参考的相位噪声被测定为在1kHz移频下的-105dBc/Hz。这已经是极好的相位噪声水平了，显示出较以前的布里渊激光提高了15dB。作为参考频率，希望增加这个差频到非常高的(即，不能直接检测的)值，高于大约300GHz直到约1THz、约5THz、约100THz，或者甚至超过100THz。因为在布里渊激光的底层对噪声的物理控制，利用较少降低或者不降低的相位噪声便可实现差频的这种增大。双模SBL差频的相位噪声由两个激光根本的Schawlow-Townes频率噪声决定，它相对于它们之间的频率间隔几乎是不变的。使用光分频，如此大的差频(不能用光探测器检测到的)值可被分频成常见的可检测频率(如，几十GHz)。众所周知，以被分频比的平方下分频的信号中，差频的相位噪声被减小。鉴于由本发明双频源产生的差频中已经有很低的相位噪声，因分频引起的相位噪声的降低，预计会使微波频率具有创纪录的低相位噪声。本发明的差频参考可用标准的光纤组件来产生并需要不贵的或者花费不多的硬件。因此，它很容易可转移到许多不同的用途或者应用。
使用OFD方法的微波频率信号发生的关键组件是稳定的光频率参考和光分频器。以上公开了发明的电-光分频器。用于各种OFD方法中的常规的、稳定的光频率参考包括具有亚赫兹稳定度的空腔稳频激光、或者被锁频到单个的、公共参考光谐振腔180(图1)并具有特有相对频率稳定度的两个激光器。这两种方法都需要绝缘好、高精度的法布里-珀罗参考光腔，它通常笨重且精密。另一方面，通过快速光检测器上进行的双模激光(也称为双波长激光)的光检测和检测激光信号的拍频，各种类型的双模激光已被用于产生具有高品质的微波信号。例如，由单个光纤环路腔中的两个激光器泵浦的双模受激布里渊激光已被用于产生由光检测的从几十MHz到100GHz的微波。然而，在这些方法中，微波频率信号通过光检测器上激光的双光学模式的拍音直接产生，因此，产生的微波频率信号受制于光检测器的带宽(可能达到100GHz)。而且，微波频率信号的相位噪声等于相对频率稳定的两个激光学模式的相位噪声。
在发明的双频光源100中，我们将常规作用的光测双模激光(带宽达到100GHz)转换成具有更大频率间隔(范围在约300GHz到约100THz之间或者更大)的稳定的光参考。利用光分频器(例如上面所描述的本发明电光分频器，或者常规的锁模激光频率梳)，本发明双模受激布里渊激光产生的参考差频可被下分频为微波频率。产生的微波频率信号的相位噪声从双模SBL之间相对稳定度的相位噪声被分频20log10NdB，其中N为分频因子。相对于双频光频参考的相位噪声(如上所述自身已具有低的相位噪声)，光学分频的微波频率信号的相位噪声可极大地降低。光频分是用于产生微波的相对新的方法。频率参考(无论是二者都是绝对的或者基于差异的)通常被用于无源法布里-珀罗谐振器(一般为笨重且精密的设备)。
如上面已描述的以及在图7和图8中所示的，发明的双频光源100包含第一泵浦激光源和第二泵浦激光源130a/130b以及光谐振器110(盘状谐振器；图7)或110'(光纤环路谐振器；图8)。第一泵浦激光源和第二泵浦激光源被布置以各自的对应于各自的第一泵浦波长和第二泵浦波长λpump1和λpump2的第一泵浦激光器频率和第二泵浦激光器频率vpump1和vpump2产生光泵浦功率。利用循环器114将光泵浦功率传送到光谐振器110/110'上；可采用其他合适的布置，如分束器。光谐振器110/110'的特点是具有布里渊频移vB和基本上等于布里渊频移整数约数的自由光谱范围。第一泵浦激光源和第二泵浦激光源130a/130b中的每一个被锁频到光谐振器110/110'相应的谐振光学模式；任何需要的、期望的或者适合的锁频技术或装置都可被采用。双频光参考源100的频率分别为第一输出频率和第二输出频率v1＝vpump1-vB和v2＝vpump2-vB的第一光输出信号和第二光输出信号120a/120b包含受激的布里渊激光输出，它们分别由第一泵浦激光源和第二泵浦激光源120a/120b对光谐振器110/110'同时泵浦产生。采用循环器114，输出信号120a/120b被传送到双频率源110的输出端；可采用其他合适的装置，如分束器或光纤耦合器。双频光源100如此安排和操作成使得输出差频v2-v1大于约300GHz。在一些例子中，输出差频v2-v1大于约1THz；在一些例子中，输出差频v2-v1大于约5THz；在一些例子中，输出差频v2-v1大于约10THz；在有些这类例子中，输出差频v2-v1大于约100THz。因为频率v1和v2产生于同一腔中，它们各自的波动具有高度相关性使得差频v2-v1相当稳定。而且，其他谐振器几何结构(如线性谐振器)可被采用以产生双SBL参考线。
产生第一光输出信号和第二光输出信号120a/120b的方法包含利用来自第一泵浦激光源和第二泵浦激光源130a/130b的光泵浦功率同时泵浦激光器谐振器110/110'。
在发明的双频光源的一些例子中，光谐振器110/110'的自由光谱范围(FSR)基本上等于光谐振器的布里渊频移。在一些例子中，光谐振器包含二氧化硅，且光谐振器的布里渊频移是大约10.9GHz；其他需要的、期望的或呈现不同的布里渊频移的适合的材料可被采用。
参考光信号120a/120b可以以任何需要的、期望的或适合的光频率被提供。在一些例子中，第一光参考频率和第二光参考频率v1和v2每个都在大约75THz和大约750THz之间(即，波长在大约400nm和大约4μm之间)，在大约120THz和大约430THz之间(即，波长在大约700nm和大约2.5μm之间)，或者在大约150THz和大约300THz之间(即，在大约1μm和大约2μm之间)。后两种范围由于容易得到在这两种波长范围内的光纤和/或固态源而很方便。可使用其他的波长。
在一些例子中，双光频参考源100是稳定的，以便保持参考差频ν2-ν1的波动(即激光的相对频率稳定度)在操作上可接受的光参考带宽范围内。在一些例子中，操作上可接受的参考带宽(以在所给定的时间间隔内的带宽特征给出)在约1s时标上低于100Hz，或者1s时标上低于1Hz。在一些例子中，操作上可接受的参考带宽(相对于光载波频率，以给定偏频下的光相位噪声被给出)在100Hz偏频下大约是-40dBc/Hz以及在10kHz偏频下大约是-80dBc/Hz；或者在100Hz偏频下大约是-80dBc/Hz以及在10kHz偏频下大约是-125dBc/Hz。通常，激光源相对稳定性的提高的水平，将直接体现于微波频率输出信号的整体频率稳定度的改善。根据需要的、期望的或合适的，或者根据合适的光源被开发或可得到的，依然可使用更加稳定的参考。
在一些例子中，通过Pound-Drever-Hall机制，第一泵浦激光源和第二泵浦激光源中的每一个被锁频到谐振器110/110'的相应的谐振光学模式；其他适合的机制可被采用，如Hansch-Couillaud机制。在图7的例子中，利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术，每个泵浦激光器130a/130b(以相应波长λ1和λ2进行发射)被锁频到盘状谐振器110的相应的不同的谐振光学模式；通过循环器114被连接到盘状谐振器110；以及以各自的光参考频率为v1和v2以相反的传播方向激发其相应的布里渊激光。通过采用各自的光带通滤波器132a/132b、光电检测器134a/134b和反馈/伺服装置136a/136b，每个泵浦激光器130a/130b实施PDH技术；对每个泵浦波长的控制可经由直接激光控制(如利用泵浦激光器130a)或者经由激光输出(如利用泵浦激光器130b输出的声光移动)的频率移动。通过调整泵浦激光器130a/130b在谐振模式下以不同方位角模式顺序激发，可随时调整两个SBS激光之间的频率间隔(即，差频v2-v1)。图8示出了相似的例子，其中盘状谐振器110被光纤环路光谐振器110'(即，光纤环路腔或者FLC)代替，且其中两个泵浦激光器130a/130b受到它们各自波长的直接控制。
采用光纤环路光谐振器110'能够使用为有关通讯的应用已经开发出的易获取的光纤组件，以及与盘状谐振器110相比，也使性能在它的频率参考中在显著低的相位噪声(直到低于40dB)方面受益。这种改善通常认为因两个原因而引起的。第一，与盘状谐振器(往返长度在10mm到100mm数量级)相比，光纤环路腔有更大的往返长度(100m到500m数量级)。因此，相对于盘状谐振器，源于光纤环路腔随机温度波动的频率波动被大大地降低。第二，与盘状谐振器相比，更长腔长的光纤环路光谐振器会导致相应较长的腔内光子储存时间。较长光子储存时间反过来会导致激光的相应较低的基本Schawlow-Townes频率噪声。
虽然之前已经展示(如上所述)了使用光纤的双泵浦布里渊激光器，但是它们已经作为具有频率间隔通常少于约100GHz的微波源进行运行，而不是作为具有频率间隔大于约300GHz、约1THz、约5THz、约10THz、约100THz或甚至更高的差频参考。据发明者所知，还没有能展示以大于约300GHz差频运行的双泵浦、双布里渊激光线；事实上，如此大的频率间隔将会使以前的双布里渊激光器无法适用他们预定的目的。在以上公开的光分频技术开发之前，不需要产生间隔如此大的双参考频率。同样在本申请的考虑中也并没有试图特征化或者理解双布里渊激光的运行。
在图7(使用盘状谐振器110)和图8(使用光纤环路谐振器)中示出了对于为产生稳定的微波，使用双模SBL作为具有光分频的光差频参考的详细的布局。参照图8，采用光带通滤波器132a/132b、光电检测器134a/134b和反馈/伺服机构136a/136b，使用标准的Pound-Drever-Hall锁定技术，两个泵浦激光器130a/130b(独立可调谐的CW激光器)被锁频到布里渊激活的光纤环路腔110'(FLC)。一旦光纤环路腔110'中的循环泵浦功率达到阈值，每个泵浦激光器130a/130b激发其自身的受激的布里渊激光。通过调整两个泵浦激光器130a/130b之间的频率间隔，两个SBL之间的频率间隔可从几十MHz调整到100THz或者更大。对于光分频，两个SBL之间的频率间隔可以是几THz的数量级。例如，使用处于1550nm的一个泵浦激光器，两个SBL的频率间隔可被设置为1THz(调整第二个泵浦激光器到1542nm)、设置为10THz(调整第二个泵浦激光器到1473nm)或者设置为100THz(调整第二个泵浦激光器到1022nm)。在分频过程中(如在图3中)，同时振荡的双模SBL输出之间的差频然后可被用作稳定的光频参考。可采用任何合适的分频器，在一些例子中包括上述的电-光分频器。在另一些例子中，OFD是基于常规的锁模光频率梳(OFC)，其中OFC的两个梳线被锁频到两个SBL，以致OFC的重复率产生出稳定的、被分频的微波输出。然而，发明的电-光分频器易于实现，并被观测到可放松高带宽光电探测的线性限制，这对基于锁模的OFC的光分频提出了重大挑战。
已构建一系列的FLC，包含了90/10熔锥型耦合器以及45米(FSR4.4MHz)、200米(FSR 1MHz)和500米(FSR 400kHz)的不同腔往返路径长度；任何其他需要的、期望的或适合的光纤环路腔长可被采用，如大于或等于约40米长、大于或等于约100米长、大于或等于约200米长或者大于或等于约500米长。假设所有其他条件都不变，相对于较短的光纤环路光谐振器，较长的光纤环路光谐振器通常呈现出较小的频率和相位噪声。所测的这些FLC的光精细度大约为40(主要受限于耦合损耗)，且SBS振荡的泵浦阈值为几百微瓦数量级。在SBL阈值之上，每个泵浦激光器(处在1550nm波长区域)的泵浦功率增加直到达到一个点(约为1mW)使得第一阶Stokes频率的激光作用在谐振器中开始激发第二阶Stokes波。图9B示出了通过处于1537.2nm和1549.6nm的双泵浦FLC而获取的频率间隔为1.61THz(12.5nm)的双模SBL差频参考的所测量的光谱。可观测到，第二阶Stokes线振动的开始阶段表现出钳位了第一阶Stokes线的腔内功率。双模SBL的相对频率稳定度的基本限制取决于布里渊激光的Schawlow-Townes频率噪声(Sv)，其在钳位功率之上被观测到随着谐振光学模式的量而呈相反的变化。更长的光纤环路腔具有更有效的模量和因此在钳位功率(由第二阶StokesStokes振荡的开始阶段引起的)之上降低的Schawlow-Townes噪声。
为了表征双模SBL的相对频率稳定度(即，差频v2-v1的稳定度)的相位噪声，双SBL的频率间隔被调整到足够低到用快速光电二极管和处理过的电子电路直接检测到的频率(这对整体分频的情况是必要的)。被检测的拍音被设置为20GHz，并且它的相位噪声是利用相位噪声分析仪(Rohde Schwartz，型号FSUP26)进行测量的。在图9A中示出了来自不同FLC的SBL拍音的测量的单边带(SSB)相位噪声谱(45m FLC:顶部实曲线；200m FLC：中间实曲线；500m FLC：底端实曲线)。所有测量的相位噪声谱显示了在从几Hz开始到超过100kHz的宽范围的偏频上受限的Schawlow-Townes噪声的相位噪声(依赖1/f2)。SBL的共模技术噪声大体上抵消了根据光学探测到的拍音信号。因此，在双模SBL中相对频率稳定度的相位噪声受限于基本的Schawlow-Townes噪声，并不会随两个同振SBL之间频率间隔的变化而变化。因此，随着双模SBL被调整到较大的差频，相位噪声的显著降低是由光分频过程造成的。光学分频微波频率信号(fM)得益于以分频比的平方降低的光相位噪声，N≡(v2-v1)/fM。例如，分频因子N＝100，将导致相位噪声降低10000倍(或者20log10N＝40dB)。
此外，与之前结果相比，双模SBL差频的测量的单边带(SSB)相位噪声(没有任何光分频)已经改善。如图9A所示，双模SBL拍音(载波：20GHz，偏频：1kHz)的测量的相位噪声为-95dBc/Hz(45m FLC)、-101dBc/Hz(200m FLC)以及-105dBc/Hz(500m FLC)。与往返长度约18mm的盘状谐振器的约-83dBc/Hz相比，500m FLC在10kHz偏频下呈现出大约-125dBc/Hz。观察到的是，随着FLC长度的增大，相位噪声大致线性减小，这与所知的SBL的Schawlow-Townes噪声与腔体积模型的反比关系有很好的一致性。我们也测量了具有20GHz拍音的Allan方差(ADEV)。在0.2s到1s的选通时间内，测量的部分ADEV为1×10-11数量级。相比之下，一些先前的工作表明基于20米FLC生成的双模SBL的直接光检测，1kHz偏频下，5-20GHz拍音的测量相位噪声为-90dBc/Hz。其他工作表明了对于148MHz拍音的Allan方差；在0.2s到1s的选通时间内，观测到的是数量级为1×10-7部分ADEV。据发明者所知，这里所报告的结果首次展示了对于在微波光子学中低相位噪声微波产生(包含基于直接拍音产生的微波源和基于光分频的微波源)，FLC长度的增大导致SBL中降低的Schawlow-Townes噪声。
最后，在图9A中也描绘出了在双模SBL参考差频(基于200m FLC)的OFD基础上，光分频微波信号的预测相位噪声。顶端、中间和底端虚曲线分别对应于分频比为N＝33、100和330。光分频微波信号的载频被固定为10GHz。因此，这些分频比分别对应于被设置为330GHz、1THz和3.3THz的双模SBL频率间隔。
图9A中预测相位噪声水平反映了创纪录的低水平。而且，基于SBL差频参考的振荡器不需要成本高的硬件，也不需要运行在真空或低温条件下。因此，该技术能够易于部署在各种应用中，如雷达、通讯和导航系统。
除了前述的例子，下面的例子也落入在本公开或附加的权利要求范围内：
实施例1、一种用于产生输出频率为fM的输出电信号的微波频率源，该微波频率源包括：(a)双光频参考源，其被布置以便产生(i)第一光参考频率为v1的第一光参考信号，以及(ii)第二光参考频率为v2＞v1的第二光参考信号；(b)电-光边带发生器，被布置以便(i)接收第一光参考信号和第二光参考信号和具有频率fM的边带发生器输入电信号，以及(ii)从中产生各自的边带光信号频率为v1±n1fM和v2±n2fM的多个边带光信号，其中n1和n2是整数；(c)光带通滤波器，被布置以便传输多个边带光信号的子集，包括频率为v1+N1fM的边带光信号和频率为v2-N2fM的边带光信号，其中N1和N2是整数；(d)光检测器，其被布置成以便(i)接收被传输的边带光信号以及(ii)产生拍频为fBEAT＝(v2-N2fM)-(v1+N1fM)的光检测器电信号；(e)参考振荡器，其被布置成以便产生参考振荡频率为fR的参考振荡器电信号；(f)电路，其被布置以便(i)接收光检测器电信号和参考振荡器电信号，(ii)利用电路的比较器部分，从中产生依赖于光检测器和参考振荡器电信号的相对相位的电误差信号，以及(iii)利用电路的环路滤波器部分对电误差信号进行处理；以及(g)压控电子振荡器，其被布置成以便(i)接收环路滤波电误差信号作为VCO输入电信号，和(ii)产生频率为fM的VCO输出电信号，其中，VCO输出电信号的第一部分作为边带发生器输入电信号被电-光边带发生器接收，VCO输出电信号的第二部分形成微波频率源的输出电信号，(h)其中，通过电-光边带发生器接收VCO输出电信号的第一部分作为边带发生器输入电信号，引起电路和压控振荡器被耦合于负反馈布置中，以便起到锁相环作用。
实施例2、根据实施例1所述的微波频率源，其中，微波频率源的输出电信号的相位噪声相对于双光频参考源的参考差频为ν2-ν1的参考差频信号相位噪声被减小约(N1+N2)2倍。
实施例3、根据实施例1或实施例2中的任何一个所述的微波频率源，其中，输出频率fM在约0.3GHz和约300GHz之间。
实施例4、根据实施例1或实施例2中的任何一个所述的微波频率源，其中，输出频率fM在约1GHz和约100GHz之间。
实施例5、根据实施例1-4中的任何一个所述的微波频率源，其中，参考振荡器频率和拍频在约1MHz和约500MHz之间。
实施例6、根据实施例1-4中的任何一个所述的微波频率源，其中，参考振荡器频率和拍频在约5MHz和约100MHz之间。
实施例7、根据实施例1-4中的任何一个所述的微波频率源，其中，参考振荡器频率和拍频在约10MHz和约50MHz之间。
实施例8、根据实施例1-7中的任何一个所述的微波频率源，其中，参考振荡器包含晶体振荡器，如石英晶体振荡器。
实施例9、根据实施例1-7中的任何一个的微波频率源，其中，参考振荡器包含电子振荡器，如频率合成振荡器。
实施例10、根据实施例1-9中的任何一个所述的微波频率源，其中，参考差频ν2-ν1大于约100GHz。
实施例11、根据实施例1-9中的任何一个所述的微波频率源，其中，参考差频ν2-ν1大于约1THz。
实施例12、根据实施例1-9中的任何一个所述的微波频率源，其中，参考差频ν2-ν1大于约10THz。
实施例13、根据实施例1-9中的任何一个所述的微波频率源，其中，参考差频ν2-ν1大于约100THz。
实施例14、根据实施例1-13中的任何一个所述的微波频率源，其中，N1+N2大于或等于10。
实施例15、根据实施例1-13中的任何一个所述的微波频率源，其中，N1+N2大于或等于50。
实施例16、根据实施例1-13中的任何一个所述的微波频率源，其中，N1+N2大于或等于100。
实施例17、根据实施例1-13中的任何一个所述的微波频率源，其中，N1+N2大于或等于1000。
实施例18、根据实施例1-17中的任何一个所述的微波频率源，其中，第一光参考频率和第二光参考频率v1和v2每个都在约75THz和约750THz之间。
实施例19、根据实施例1-17中的任何一个所述的微波频率源，其中，第一光参考频率和第二光参考频率v1和v2每个都在约120THz和约430THz之间。
实施例20、根据实施例1-17中的任何一个的微波频率源，其中，第一光参考频率和第二光参考频率v1和v2每个都在约150THz和约300THz之间。
实施例21、根据实施例1-20中的任何一个所述的微波频率源，其中，双光频参考源是稳定的，以便(i)保持参考差频ν2-ν1的波动在操作上可接受的光参考带宽内，或者(ii)保持参考差频信号的相位噪声在操作上可接受的参考相位噪声水平内。
实施例22、根据实施例21所述的微波频率源，其中，操作上可接受的参考带宽在约1秒的时标上低于约100Hz。
实施例23、根据实施例21的微波频率源，其中，操作上可接受的参考带宽在约1秒的时标上低于约1Hz。
实施例24、根据实施例21所述的微波频率源，其中，操作上可接受的参考相位噪声水平在100Hz偏频下是约-40dBc/Hz，且在10kHz偏频下是约-80dBc/Hz。
实施例25、根据实施例21所述的微波频率源，其中，操作上可接受的参考相位噪声水平在100Hz偏频下是约-80dBc/Hz，且在10kHz偏频下是约-125dBc/Hz。
实施例26、根据实施例1-25中的任何一个所述的微波频率源，其中，(i)双光频参考源包含第一泵浦激光源和第二泵浦激光源以及光谐振器，(ii)光谐振器的自由光谱范围基本上等于光谐振器布里渊频移的整数约数，(iii)第一泵浦激光源和第二泵浦激光源中的每一个被锁频到光谐振器相应的谐振光学模式，且(iv)第一光参考信号和第二光参考信号包括通过第一泵浦激光源和第二泵浦激光源分别同时对光谐振器进行泵浦而产生的受激的布里渊激光输出。
实施例27、根据实施例26所述的微波频率源，其中，光谐振器的自由光谱范围基本上等于光谐振器的布里渊频移。
实施例28、根据实施例26或27中的任何一个所述的微波频率源，其中，光谐振器包含二氧化硅，且光谐振器的布里渊频移约10.9GHz。
实施例29、根据实施例26-28中的任何一个所述的微波频率源，其中，光谐振器包含环形光谐振器。
实施例30、根据实施例29所述的微波频率源，其中，环形光谐振器包含盘状光谐振器。
实施例31、根据实施例26-28中的任何一个所述的微波频率源，其中，光谐振器包含光纤光谐振器。
实施例32、根据实施例31所述的微波频率源，其中，光纤光谐振器包含法布里-珀罗光纤光谐振器。
实施例33、根据实施例31所述的微波频率源，其中，光纤光谐振器包含光纤环路光谐振器。
实施例34、根据实施例26-33中的任何一个所述的微波频率源，其中，第一泵浦激光器和第二泵浦激光源中的每一个通过Pound-Drever-Hall机制被锁频到光谐振器的相应的谐振光学模式。
实施例35、根据实施例1-25中的任何一个所述的微波频率源，其中，双光频参考源包含双模激光源。
实施例36、根据实施例1-25中的任何一个所述的微波频率源，其中，双光频参考源包含第一参考激光源和第二参考激光源，其中，第一激光源和第二激光源均被锁频到公共光参考谐振腔的相应的不同的谐振光学模式。
实施例37、根据实施例1-25中的任何一个所述的微波频率源，其中，双光频参考源包含第一参考激光源和第二参考激光源，其中，第一激光源和第二激光源均被锁频到相应的不同的原子跃迁。
实施例38、根据实施例1-37中的任何一个所述的微波频率源，其中，(i)电-光边带发生器包含一个或多个电-光相位调制器，该一个或多个电-光相位调制器中的每一个被以频率fM的边带发生器输入电信号的相应部分所驱动，且(ii)一个或多个相位调制器被布置成以便传输第一光参考信号和第二光参考信号，以便产生多个光边带信号。
实施例39、根据实施例1-37中的任何一个所述的微波频率源，其中，(i)电-光边带发生器包含两个或多个电-光相位调制器，该两个或多个电-光相位调制器均被以频率fM的边带发生器输入电信号的相应部分所驱动，且(ii)两个或多个相位调制器被串联布置，以便循序地传输第一光参考信号和第二光参考信号，以便产生多个光边带信号。
实施例40、根据实施例38或39中的任何一个所述的微波频率源，其中，成对的边带光信号被产生且n1+n2的范围为从2直到至少30。
实施例41、根据实施例38或39中的任何一个所述的微波频率源，其中，成对的边带光信号被产生且n1+n2的范围为从2直到至少100。
实施例42、根据实施例1-41中的任何一个所述的微波频率源，其中，(i)电-光边带发生器包含每个均由频率fM的边带发生器输入电信号的相应部分驱动的一个或多个电-光相位调制器、由频率为fM的边带发生器输入电信号的相应部分驱动的强度调制器、色散补偿器、光放大器和非线性光学介质，且(ii)一个或多个相位调制器、强度调制器、色散补偿器、光放大器，且非线性光学介质被串联布置，以便循序地、按顺序地传输第一光参考信号和第二光参考信号，以便产生多个光边带信号。
实施例43、根据实施例38-42中的任何一个所述的微波频率源，其中，成对的边带光信号被产生且n1+n2的范围从2直到至少100。
实施例44、根据实施例38-42中的任何一个所述的微波频率源，其中，成对的边带光信号被产生且n1+n2的范围从2直到至少10000。
实施例45、根据实施例42-44中的任何一个所述的微波频率源，其中，(i)强度调制器包含马赫-曾德电-光调制器，(ii)色散补偿器包含合适的色散光纤，(iii)光放大器包含掺杂的光纤放大器，且(iv)非线性光学介质包含非线性光纤。
实施例46、一种利用实施例1-45中的任何一个的微波频率源来产生输出频率为fM的微波频率输出电信号的方法，该方法包括：(a)利用双光频参考源，产生(i)第一光参考频率为v1的第一光参考信号，以及(ii)第二光参考频率为v2＞v1的第二光参考信号；(b)利用电-光边带发生器，(i)接收第一光参考信号和第二光参考信号及频率为fM的边带发生器输入电信号，且(ii)由此产生各自边带光频率的形式分别是v1±n1fM和v2±n2fM的多个边带光信号，其中n1和n2为整数；(c)利用光带通滤波器，传输多个边带光信号的子集，包含频率为v1+N1fM的边带光信号和频率为v2-N2fM的边带光信号，其中N1和N2为整数；(d)利用光检测器，(i)接收被传输的边带光信号，且(ii)产生拍频为fBEAT＝(v2-N2fM)-(v1+N1fM)的光检测电信号；(e)利用参考振荡器，产生参考振荡器频率为fR的参考振荡器电信号；(f)利用电路，(i)接收光检测器电信号和参考振荡器电信号，(ii)利用电路的比较器部分，从光检测器电信号和参考振荡器电信号产生依赖于光检测器和参考振荡器电信号的相对相位的电误差信号，以及(iii)利用电路的环路滤波器部分对电误差信号进行处理；且(g)利用压控电子振荡器，(i)接收环路滤波电误差信号作为VCO输入电信号，以及(ii)产生频率为fM的VCO输出电信号，其中，VCO输出电信号的第一部分被电-光边带发生器接收作为边带发生器输入电信号，且VCO输出电信号的第二部分形成微波频率源的输出电信号；(h)其中，通过电-光边带发生器接收VCO输出电信号的第一部分作为边带发生器输入电信号，引起电路和压控振荡器被耦合于负反馈布置中，以便起到锁相环作用。
实施例47、一种双频光源，包括：(a)第一泵浦激光源和第二泵浦激光源，所述第一泵浦激光源和第二泵浦激光源被布置以各自的第一泵浦激光器频率和第二泵浦激光器频率vpump1和vpump2产生光泵浦功率，以及(b)光谐振器，其特点是具有vB大小的布里渊频移和基本上等于布里渊频移的整数约数的自由光谱范围，其中：(c)第一泵浦激光源和第二泵浦激光源中的每一个被锁频到光谐振器相应的谐振光学模式；(d)双频光参考源的各自具有第一输出频率和第二输出频率v1＝vpump1-vB和v2＝vpump2-vB的第一光输出信号和第二光输出信号包含分别由第一泵浦激光源和第二泵浦激光源同时对光谐振器泵浦产生的受激的布里渊激光输出；以及(e)输出差频v2-v1大于约300GHz。
实施例48、根据实施例47所述的双频光源，其中，光谐振器的自由光谱范围基本上等于光谐振器的布里渊频移。
实施例49、根据实施例47或48中的任何一个所述的双频光源，其中，光谐振器包含环形光谐振器。
实施例50、根据实施例49所述的双频光源，其中，环形光谐振器包含盘状光谐振器。
实施例51、根据实施例47或48中的任何一个所述的双频光源，其中，光谐振器包含光纤光谐振器。
实施例52、根据实施例51所述的双频光源，其中，光纤谐光振器包含法布里-珀罗光纤光谐振器。
实施例53、根据实施例51所述的双频光源，其中，光纤光谐振器包含光纤环路光谐振器。
实施例54、根据实施例51-53中的任何一个所述的双频光源，其中，光纤光谐振器包括大于或等于约40米长的光纤。
实施例55、根据实施例51-53中的任何一个所述的双频光源，其中，光纤谐振器包括大于或等于约100米长的光纤。
实施例56、根据实施例51-53中的任何一个所述的双频光源，其中，光纤光谐振器包括大于或等于约200米长的光纤。
实施例57、根据实施例51-53中的任何一个所述的双频光源，其中，光纤光谐振器包括大于或等于约500米长的光纤。
实施例58、根据实施例47-57中的任何一个所述的双频光源，其中，光谐振器包含二氧化硅，且光谐振器的布里渊频移是大约10.9GHz。
实施例59、根据实施例47-58中的任何一个所述的双频光源，其中，输出差频v2-v1大于约1THz。
实施例60、根据实施例47-58中的任何一个所述的双频光源，其中，输出差频v2-v1大于约10THz。
实施例61、根据实施例47-58中的任何一个所述的双频光源，其中，输出差频v2-v1大于约100THz。
实施例62、根据实施例47-61中的任何一个所述的双频光源，其中，第一光参考频率和第二光参考频率v1和v2均都在约75THz和750THz之间。
实施例63、根据实施例47-61中的任何一个所述的双频光源，其中，第一光参考频率和第二光参考频率v1和v2均都在约120THz和430THz之间。
实施例64、根据实施例47-61中的任何一个所述的双频光源，其中，第一光参考频率和第二光参考频率v1和v2均都在约150THz和300THz之间。
实施例65、根据实施例47-64中的任何一个所述的双频光源，其中，双频光源被稳定成以便(i)保持输出差频v2-v1的波动在操作上可接受的光带宽范围内，或者(ii)保持在输出差频的光信号的相位噪声在操作上可接受的参考相位噪声水平内。
实施例66、根据实施例65所述的双频光源，其中，操作上可接受的带宽在约1秒时标上低于约100Hz。
实施例67、根据实施例65所述的双频光源，其中，操作上可接受的带宽在约1秒时标上低于约1Hz。
实施例68、根据实施例65所述的双频光源，其中，操作上可接受的参考相位噪声水平在100Hz偏频下是约-40dBc/Hz，且在10kHz偏频下是约-80dBc/Hz。
实施例69、根据实施例65所述的双频光源，其中，操作上可接受的参考相位噪声水平在100Hz偏频下是大约-80dBc/Hz，且在10kHz偏频下是大约-125dBc/Hz。
实施例70、根据实施例65-69中的任何一个所述的双频光源，其中，第一泵浦激光源和第二泵浦激光源中的每一个通过Pound-Drever-Hall机制被锁频到谐振器的相应的谐振光学模式。
实施例71、一种用于利用实施例47-70中的任何一个产生第一光输出信号和第二光输出信号的方法，该方法包括使用来自第一泵浦激光源和第二泵浦激光源的光泵浦功率来同时泵浦激光谐振器，其中：(a)第一泵浦激光源和第二泵浦激光源被布置成以各自的第一泵浦激光器频率和第二泵浦激光器频率vpump1和vpump2产生光泵浦功率；(b)光谐振器具有布里渊频移vB以及基本上等于布里渊频移的整数约数的自由光谱范围的特征；(c)第一泵浦激光源和第二泵浦激光源中的每一个被锁频到光谐振器的相应的谐振光学模式；(d)第一光输出信号和第二光输出信号各自的第一输出频率和第二输出频率为v1＝vpump1-vB和v2＝vpump2-vB，且包含分别由第一泵浦激光源和第二泵浦激光源同时对光激光谐振器进行泵浦而产生的受激的布里渊激光输出。
实施例72、根据实施例71所述的方法，还包括，利用光分频器以分频因子N分频输出差频。
实施例73、根据实施例72所述的方法，其中，分频因子大于或等于约10。
实施例74、根据实施例72所述的方法，其中，分频因子大于或等于约100。
实施例75、根据实施例72所述的方法，其中，分频因子大于或等于约1000。
实施例76、根据实施例1-45中的任何一个所述的微波频率源，其中，双光频参考源包括实施例47-70中的任何一个的双频光源。
实施例77、根据实施例46所述的方法，其中，双光频参考源包括实施例47-70中的任何一个的双频光源。
实施例78、根据实施例77所述的方法，还包括执行实施例71-75中的任何一个所述的方法。
意图是所公开的示例实施例和方法的等效形式应落在本公开或所附权利要求的范围内。意图是所公开的示例实施例和方法及其等效形式可被更改，同时保持在本公开或所附权利要求的范围内。
在前面的详细描述中，出于精简本公开的目的，在一些示例实施例中各种特征可以被组合在一起。本公开的方法不被解读为反映任何所要求保护的实施方案都需要比在相应的权利要求中特别叙述的更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，创造性的主题可能存在少于所公开的单个示例实施例的所有特征。因此，所附权利要求在此被并入详细描述中，每一项权利要求其自身可作为所公开的单独的实施方案。然而，本公开还应被理解为隐含地公开了具有出现在本公开或所附权利要求中的一个或多个公开的或要求保护的特征的任何恰当的组合(即不矛盾或不互相排斥的特征的组合)的任何实施方案，包括可能在本文中没有被明确地公开的那些组合。另外，出于公开的目的，每个附加的独立的权利要求应被理解为仿佛以多个从属的形式撰写，且取决于与它一致的所有前述权利要求。还应注意到，所附权利要求的范围不必包括本文公开的主题的全部。
出于本公开和附加的权利要求的目的，连词“或”应被理解为包含在内(如，“狗或猫”应该被解释为“狗，或者猫，或者二者”；如“狗、猫或老鼠”应该被解释为“狗，或猫，或老鼠，或任意两个，或所有三个”)，除非：(i)另外明确地声明，如，利用“要么…要么”，“…中的仅一个”，或类似言辞；或者(ii)两个或多个所列举的方案在特定的语境中是相互排斥的，在这种情况下，“或”将仅仅包含那些涉及不相互排斥方案的组合体。出于本公开或所附权利要求的目的，词语“包含”、“包括”、“具有”以及其变形无论它们在何处出现，应被解释为可扩充的术语，如同在其中的每个实例之后附加短语“至少”时所具有的相同含义，除非另外明确地声明。
在所附权利要求中，如果期望在装置权利要求中适用35USC第112(f)款的规定，那么词语“装置(means)”将出现在该装置的权利要求中。如果期望在方法权利要求中适用该规定，则语句“用于......的步骤”将出现在该方法权利要求中。相反地，如果词语“装置”或“用于......的步骤”没有出现在权利要求中，那么在该权利要求中不适用35USC第112(f)款的规定。
如果本文中的任何一个或多个公开内容在本文中通过引用并入本文且这些并入的公开的一部分或全部与本公开相冲突，或与本公开的范围不同，那么对于冲突的程度、更广泛的公开或更广泛的定义术语由本公开主导。如果这些并入的公开部分或全部彼此相冲突，那么对于冲突的程度由日期较晚的公开主导。
摘要的提供是为了便于技术人员在专利文献内搜索特定的主题的需要。然而，摘要并不旨在暗示其中叙述的任何元素、特征或限制都必须包括在任何特定的权利要求中。每一项权利要求所包含的主题的范围将只由该权利要求的叙述确定。

Claims (46)

1.一种用于产生处于输出频率fM的输出电信号的微波频率源，所述微波频率源包括：
(a)双光频参考源，所述双光频参考源被布置以便产生(i)处于第一光参考频率v1的第一光参考信号以及(ii)处于第二光参考频率v2＞v1的第二光参考信号；
(b)电-光边带发生器，所述电-光边带发生器被布置以便(i)接收所述第一光参考信号和所述第二光参考信号以及处于频率fM的边带发生器输入电信号，以及(ii)从中产生各自的边带光频率的形式为v1±n1fM和v2±n2fM的多个边带光信号，其中n1和n2是整数；
(c)光带通滤波器，所述光带通滤波器被布置以便传输所述多个边带光信号的子集，包括频率为v1+N1fM的所述边带光信号和频率为v2-N2fM的所述边带光信号，其中N1和N2是整数；
(d)光检测器，所述光检测器被布置以便(i)接收所传输的边带光信号，以及(ii)产生处于拍频fBEAT＝(v2-N2fM)-(v1+N1fM)的光检测器电信号；
(e)参考振荡器，所述参考振荡器被布置以便产生处于参考振荡器频率fR的参考振荡器电信号；
(f)电路，所述电路被布置以便(i)接收所述光检测器电信号和所述参考振荡器电信号，(ii)利用所述电路的比较器部分，从中产生依赖于所述光检测器电信号和所述参考振荡器电信号的相对相位的电误差信号，以及(iii)利用所述电路的环路滤波部分对所述电误差信号进行处理；以及
(g)压控电子振荡器，所述压控电子振荡器被布置以便(i)接收环路滤波的电误差信号作为VCO输入电信号，以及(ii)产生频率为fM的VCO输出电信号，其中，所述VCO输出电信号的第一部分被所述电-光边带发生器接收作为所述边带发生器输入电信号，且所述VCO输出电信号的第二部分形成所述微波频率源的所述输出电信号；
(h)其中，通过所述电-光边带发生器接收所述VCO输出电信号的所述第一部分作为所述边带发生器输入电信号导致所述电路和所述压控振荡器被耦合于负反馈布置中，以便起到锁相环作用。
2.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述微波频率源的所述输出电信号的相位噪声相对于所述双光频参考源的参考差频为ν2-ν1的参考差频信号的相位噪声被减小了约(N1+N2)2倍。
3.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述输出频率fM是在约0.3GHz和约300GHz之间。
4.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述输出频率fM是在约1GHz和约100GHz之间。
5.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述参考振荡器的频率和所述拍频是在约1MHz和约500MHz之间。
6.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述参考振荡器的频率和所述拍频是在约5MHz和约100MHz之间。
7.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述参考振荡器的频率和所述拍频是在约10MHz和约50MHz之间。
8.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述参考振荡器包括晶体振荡器。
9.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述参考振荡器包括电子振荡器。
10.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，参考差频ν2-ν1大于约100GHz。
11.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，参考差频ν2-ν1大于约1THz。
12.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，参考差频ν2-ν1大于约10THz。
13.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，参考差频ν2-ν1大于约100THz。
14.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，N1+N2大于或等于10。
15.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，N1+N2大于或等于50。
16.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，N1+N2大于或等于100。
17.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，N1+N2大于或等于1000。
18.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述第一光参考频率和所述第二光参考频率v1和v2均是在约75THz和约750THz之间。
19.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述第一光参考频率和所述第二光参考频率v1和v2均是在约120THz和约430THz之间。
20.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述第一光参考频率和所述第二光参考频率v1和v2均是在约150THz和约300THz之间。
21.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述双光频参考源被稳定以便(i)将参考差频ν2-ν1的波动保持在操作上可接受的光参考带宽内或(ii)将参考差频信号的相位噪声保持在操作上可接受的参考相位噪声水平内。
22.根据权利要求21所述的微波频率源，其中，所述操作上可接受的参考带宽在约1秒的时标上小于约100Hz。
23.根据权利要求21所述的微波频率源，其中，所述操作上可接受的参考带宽在约1秒的时标上小于约1Hz。
24.根据权利要求21所述的微波频率源，其中，所述操作上可接受的参考相位噪声水平在100Hz偏频下是约-40dBc/Hz以及在10kHz偏频下是约-80dBc/Hz。
25.根据权利要求21所述的微波频率源，其中，所述操作上可接受的参考相位噪声水平在100Hz偏频下是约-80dBc/Hz以及在10kHz偏频下是约-125dBc/Hz。
26.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，(i)所述双光频参考源包括第一泵浦激光源和第二泵浦激光源以及光谐振器，(ii)所述光谐振器的自由光谱范围基本上等于所述光谐振器的布里渊频移的整数约数，(iii)所述第一泵浦激光源和所述第二泵浦激光源中的每一个被锁频到所述光谐振器的相应的谐振光学模式，以及(iv)所述第一光参考信号和所述第二光参考信号包括通过所述第一泵浦激光源和所述第二泵浦激光源分别同时对所述光谐振器进行光学泵浦而产生的受激的布里渊激光输出。
27.根据权利要求26所述的微波频率源，其中，所述光谐振器的所述自由光谱范围基本上等于所述光谐振器的所述布里渊频移。
28.根据权利要求26所述的微波频率源，其中，所述光谐振器包括二氧化硅，以及所述光谐振器的所述布里渊频移约是10.9GHz。
29.根据权利要求26所述的微波频率源，其中，所述光谐振器包括环形光谐振器。
30.根据权利要求29所述的微波频率源，其中，所述环形光谐振器包括盘状光谐振器。
31.根据权利要求26所述的微波频率源，其中，所述光谐振器包括光纤光谐振器。
32.根据权利要求31所述的微波频率源，其中，所述光谐振器包括法布里-珀罗光纤光谐振器。
33.根据权利要求31所述的微波频率源，其中，所述光纤光谐振器包括光纤环路光谐振器。
34.根据权利要求26所述的微波频率源，其中，所述第一泵浦激光源和所述第二泵浦激光源中的每一个通过Pound-Drever-Hall机制被锁频到所述光谐振器的相应的谐振光学模式。
35.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述双光频参考源包括双模激光源。
36.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述双光频参考源包括第一参考激光源和第二参考激光源，其中，所述第一激光源和所述第二激光源均被锁频到共同的光参考腔的相应的不同的谐振光学模式。
37.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，所述双光频参考源包括第一参考激光源和第二参考激光源，其中，所述第一激光源和所述第二激光源均被锁频到相应的不同的原子跃迁。
38.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，(i)所述电-光边带发生器包括一个或多个电-光相位调制器，所述一个或多个电-光相位调制器中的每一个由频率为fM的所述边带发生器的输入电信号的相应的部分驱动，以及(ii)所述一个或多个相位调制器被布置以便传输所述第一光参考信号和所述第二光参考信号以便产生所述多个光边带信号。
39.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，(i)所述电-光边带发生器包括两个或多个电-光相位调制器，所述两个或多个电-光相位调制器中的每一个由频率为fM的所述边带发生器的输入电信号的相应的部分驱动，以及(ii)所述两个或多个相位调制器被串联布置，以便循序地传输所述第一光参考信号和所述第二光参考信号，以便产生所述多个光边带信号。
40.根据权利要求39所述的微波频率源，其中，成对的边带光信号被产生且n1+n2的范围为从2直到至少30。
41.根据权利要求39所述的微波频率源，其中，成对的边带光信号被产生且n1+n2的范围为从2直到至少100。
42.根据权利要求1所述的微波频率源，其中，(i)所述电-光边带发生器还包括一个或多个电-光相位调制器、强度调制器、色散补偿器、光放大器和非线性光学介质，所述一个或多个电-光相位调制器中的每一个由频率为fM的所述边带发生器的输入电信号的相应的部分驱动，所述强度调制器由频率为fM的所述边带发生器的输入电信号的相应的部分驱动，以及(ii)所述一个或多个相位调制器、所述强度调制器、所述色散补偿器、所述光放大器和所述非线性光学介质被串联布置，以便循序地、按顺序地传输所述第一光参考信号和所述第二光参考信号，以便产生所述多个光边带信号。
43.根据权利要求42所述的微波频率源，其中，成对的边带光信号被产生且n1+n2的范围为从2直到至少100。
44.根据权利要求42所述的微波频率源，其中，成对的边带光信号被产生且n1+n2的范围为从2直到至少10000。
45.根据权利要求42所述的微波频率源，其中，(i)所述强度调制器包括马赫-曾德电-光调制器，(ii)所述色散补偿器包括适当地色散的光纤，(iii)所述光放大器包括掺杂的光纤放大器，以及(iv)所述非线性光学介质包括非线性光纤。
46.一种用于利用权利要求1-45中的任一项所述的微波频率源产生输出频率为fM的微波频率输出电信号的方法，所述方法包括：
(a)利用所述双光频参考源产生(i)处于所述第一光参考频率v1的所述第一光参考信号，以及(ii)处于所述第二光参考频率v2＞v1的所述第二光参考信号；
(b)利用所述电-光边带发生器，(i)接收所述第一光参考信号和所述第二光参考信号以及频率为fM的所述边带发生器的输入电信号，以及(ii)从中产生各自的边带光频率的形式为v1±n1fM和v2±n2fM的多个边带光信号，其中n1和n2是整数；
(c)利用所述光带通滤波器传输所述多个边带光信号的子集，包括频率为v1+N1fM的所述边带光信号和频率为v2-N2fM的所述边带光信号，其中N1和N2是整数；
(d)利用所述光检测器，(i)接收所传输的边带光信号，以及(ii)产生拍频为fBEAT＝(v2-N2fM)-(v1+N1fM)的所述光检测器的电信号；
(e)利用所述参考振荡器产生所述参考振荡器频率为fR的所述参考振荡器的电信号；
(f)利用所述电路,(i)接收所述光检测器电信号和所述参考振荡器电信号，(ii)利用所述电路的比较器部分，从所述光检测器电信号和所述参考振荡器电信号产生依赖于所述光检测器电信号和所述参考振荡器电信号的相对相位的电误差信号，以及(iii)利用所述电路的环路滤波器部分对所述电误差信号进行处理；以及
(g)利用所述压控电子振荡器，(i)接收环路滤波的电误差信号作为所述VCO的输入电信号，以及(ii)产生频率为fM的所述VCO的输出电信号，其中，所述VCO的输出电信号的第一部分被所述电-光边带发生器接收作为所述边带发生器的输入电信号，且所述VCO的输出电信号的第二部分形成所述微波频率输出电信号；
(h)其中，通过所述电-光边带发生器接收所述VCO的输出电信号的所述第一部分作为所述边带发生器的输入电信号导致所述电路和所述压控振荡器被耦合于负反馈布置中，以便起到锁相环作用。
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