DE112021001041T5 - Ultrarauscharmer Millimeterwellen-Oszillator mit Phasenrauschen und Verfahren zum Charakterisieren derselben - Google Patents

Abstract

Ein abstimmbarer Millimeterwellen-Signaloszillator umfasst zwei phasenkohärente optische Oszillatoren, eine Faserringkavität, die konfiguriert ist, um zwei Stokes-Wellen zu erzeugen, und ein fotoempfindliches Element, das die Frequenzdifferenz von zwei optischen Oszillatoren in eine Millimeterwellenstrahlung konvertiert. Ein Millimeterwellen-Oszillator auf Chip-Größe umfasst zwei Dauerstrichlaser, eine Mehrzahl von mikrooptischen Resonatoren, einen optischen Frequenzteilungsmechanismus, zwei optische abstimmbare Bandpassfilter und ein fotoempfindliches Element, das die Pulsfolge eines Frequenzkamms in eine Millimeterwellenstrahlung konvertiert. Ein Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator umfasst ein optisches Interferometer, zwei lichtempfindliche Elemente und einen fundamentalen Millimeterwellen-Frequenzmischer. Ein Millimeterwellen-Frequenzzähler umfasst einen elektrooptischen optischen Frequenzkammgenerator, einen mikrowellenspannungsgesteuerten Oszillator und eine optoelektronische Phasenregelschleife. Ein elektrischer Millimeterwellen-Spektrumanalysator umfasst einen Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator, einen Millimeterwellen-Amplitudendetektor, einen Millimeterwellen-Frequenzzähler und eine Datenverarbeitungseinheit.

Description

• ANSPRUCH DER PRIORITÄT
• Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S. Anmeldung Nr. 63/009,291, eingereicht am 13. April 2020, die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
• HINTERGRUND
• Gebiet
• Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf abstimmbare Millimeterwellen-Oszillatoren in einem Frequenzbereich von etwa 300 GHz bis etwa 1 THz und insbesondere auf Implementierungen im Chipmaßstab und Verfahren zur Charakterisierung der Langzeitstabilität der spektralen Phasenrauschleistungsdichte zur Verwendung in Mikrowellentakten.
• Beschreibung des Stands der Technik
• Viele Studien haben verschiedene Ansätze vorgeschlagen, um Millimeterwellen-Oszillatoren zu implementieren. Zum Beispiel beruht die häufigste Technologie der direkten Erzeugung auf Gunn-Diodenoszillatoren. Ein Gunn-Diodenoszillator ist ein Oszillator, der um eine Gunn-Diode herum gebaut ist, die eine Art von Diode ist, die zwei negativ dotierte Bereiche mit einem etwas weniger negativ dotierten Bereich zwischen den zwei negativ dotierten Bereichen verwendet. Diese Diodenkonfiguration stellt einen negativen Widerstand über eine bestimmte Schwellenspannung bereit und verhält sich wie eine Vorrichtung zur Elektronenübertragung. Mit einem negativen Widerstand können Instabilität und Oszillationen ohne weiteres auftreten. Gunn-Dioden können unter Verwendung von Halbleitermaterialien mit sehr hoher Elektronenmobilität und Frequenzantwort hergestellt werden, und Terahertz-Oszillatoren wurden unter Verwendung dieser Technologie gebaut. Zum Beispiel werden Galliumarsenid- und Galliumnitrid-Halbleitermaterialien üblicherweise verwendet, um Gunn-Dioden herzustellen, die im Gigahertz- bis Terahertz-Frequenzbereich arbeiten. Gunn-Diodenoszillatoren sind dafür bekannt, dass sie extrem hohe Energieniveaus bei hohen Frequenzen erzeugen können, und sie werden üblicherweise in Mikrowellen-, Millimeterwellen- und Terahertz-Systemen verwendet.
• Mikrowellenmultiplikation ist ein weiterer beispielhafter Ansatz zum Implementieren von Millimeterwellen-Oszillatoren, bei dem die Frequenz eines Mikrowellenoszillators multipliziert wird, wobei ein Signal mit einer Frequenz von bis zu etwa 10 GHz emittiert wird. Im Allgemeinen kann das Mikrowellensignal basierend auf Stufenwiederherstellungsdioden und elektrischen Kammgeneratoren bei hoher Leistung verstärkt werden und kann die Diode sättigen, um einen elektrischen Kamm mit Frequenzen bis zum Millimeterwellenbereich zu erzeugen. Das Phasenrauschen des Mikrowellenoszillators wird jedoch auch multipliziert und erfährt daher eine Zunahme des Phasenrauschens um 20 × log(N), wobei N die Frequenzmultiplikationsordnung ist.
• Ein weiterer beispielhafter Ansatz zum Implementieren von Millimeterwellen-Oszillatoren ist das Fotomischen (auch als optische Gleichrichtung bekannt), bei dem ein nichtlineares optisches Medium mit Licht beaufschlagt wird (z. B. unter Verwendung von Fotodioden und/oder Fotoleitern), wobei das Licht mindestens zwei optische Frequenzen aufweist, die durch die gewünschte Millimeterwellenfrequenz voneinander getrennt sind (z. B. bis zu einigen THz; 5 THz). Um jedoch spektral reine und stabile Signale zu erzeugen (z. B. vergleichbar mit denen, die unter Verwendung der anderen zwei beispielhaften Ansätze erhalten werden), wird das Phasenrauschen der zwei optischen Leitungen wünschenswerterweise stark korreliert. Während das Laserlinienrauschen nicht niedrig sein muss, ist es ausreichend, wenn das gemeinsame Rauschen auf den zwei optischen Leitungen von demselben anteilig ist, um die erste Ordnung am Fotodetektor aufzuheben. Gleichlaufende Fotodioden sind praktisch zu verwenden, in dem Sinne, dass sie THz-Wellen bis zu 2 THz emittieren können unter Verwendung von Licht bei 1550 nm. Ein Nachteil dieses Fotomischansatzes ist die niedrige emittierte Leistung, im Gegensatz zu Fotoleitern, die direkt einige mW erzeugen können (z. B. für Licht bei 800 nm).
• ZUSAMMENFASSUNG
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein Verfahren zum Erzeugen von optischen Millimeterwellensignalen bereit. Das Verfahren umfasst das Phasenverriegeln von zwei Frequenzkomponenten einer bichromatischen Pumpquelle. Das Verfahren umfasst ferner das Eingeben der zwei Frequenzkomponenten in eine Faserringkavität und das Erzeugen einer bichromatischen Ausgabe aus der Faserringkavität. Das Verfahren umfasst ferner das Fotomischen der bichromatischen Ausgabe der Faserringkavität.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Phasenrauschanalysator bereit, der konfiguriert ist, um Phasenrauschen von Millimeterwellenstrahlung zu messen. Der Phasenrauschanalysator umfasst ein optisches Interferometer, das einen ersten Arm und einen zweiten Arm umfasst. Der erste Arm ist konfiguriert, um zwei erste optische Signale zu übertragen, die in der Frequenz voneinander durch eine Millimeterwellenfrequenz getrennt sind. Der zweite Arm ist konfiguriert, um zwei zweite optische Signale zu übertragen, die in der Frequenz voneinander durch eine Summe oder eine Differenz der Millimeterwellenfrequenz und einer Funkfrequenz getrennt sind. Der Phasenrauschanalysator umfasst ferner einen optischen Pfad, der konfiguriert ist, um ein verzögertes heterodynes Signal zu übertragen, das eine Frequenzdifferenz der zwei ersten optischen Signale und der zwei zweiten optischen Signale anzeigt.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Phasenrauschanalysator bereit, der konfiguriert ist, um Phasenrauschen von Millimeterwellenstrahlung zu messen. Der Phasenrauschanalysator umfasst einen optischen Frequenzmodulator, der konfiguriert ist, um durch die Millimeterwellenstrahlung angetrieben zu werden, um ein Dauerstrich-Lasersignal zu empfangen und um optische Seitenbänder auf dem Dauerstrich-Lasersignal zu erzeugen. Die optischen Seitenbänder sind vom Dauerstrich-Lasersignal durch einen Abstand gleich der Millimeterwellenstrahlung beabstandet. Der Phasenrauschanalysator umfasst ferner einen optischen Verzögerungspfad. Der Phasenrauschanalysator umfasst ferner ein fotoleitendes Element und einen Mischer, der konfiguriert ist, um eine homodyne Schwebung zwischen einer Frequenzdifferenz zwischen den optischen Seitenbändern und der Millimeterwellenstrahlung abzuleiten.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Dualmodus-Spektrumanalysator bereit, der konfiguriert ist, um Phasenrauschen der Millimeterwellenstrahlung zu analysieren. Der Dualmodus-Spektrumanalysator umfasst einen optischen Schalter, der konfiguriert ist, um eine optische Eingabe aus entweder bichromatischer Strahlung oder Dauerstrich-Laserstrahlung auszuwählen, die bei einer Millimeterwellenfrequenz der Millimeterwellenstrahlung moduliert ist. Der Dualmodus-Spektrumanalysator umfasst ferner einen Phasenrauschanalysator, der ein optisches Interferometer umfasst, das einen ersten Arm und einen zweiten Arm umfasst. Der erste Arm ist konfiguriert, um zwei erste optische Signale zu übertragen, die in der Frequenz voneinander durch eine Millimeterwellenfrequenz getrennt sind. Der zweite Arm ist konfiguriert, um zwei zweite optische Signale zu übertragen, die in der Frequenz voneinander durch eine Summe oder eine Differenz der Millimeterwellenfrequenz und einer Funkfrequenz getrennt sind. Der Phasenrauschanalysator umfasst ferner einen optischen Pfad, der konfiguriert ist, um ein verzögertes heterodynes Signal zu übertragen, das eine Frequenzdifferenz der zwei ersten optischen Signale und der zwei zweiten optischen Signale anzeigt. Der Dualmodus-Spektrumanalysator umfasst ferner einen Frequenzdetektor, ein lichtempfindliches Element, das konfiguriert ist, um die bichromatische Strahlung zu fotomischen, einen Millimeterwellen-Leistungsdetektor und einen Millimeterwellen-Spannungsdetektor.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Dualmodus-Spektrumanalysator bereit, der konfiguriert ist, um Phasenrauschen der Millimeterwellenstrahlung zu analysieren. Der Dualmodus-Spektrumanalysator umfasst einen optischen Frequenzmodulator, der konfiguriert ist, um durch die Millimeterwellenstrahlung angetrieben zu werden, um ein Dauerstrich-Lasersignal zu empfangen und um optische Seitenbänder auf dem Dauerstrich-Lasersignal zu erzeugen. Die optischen Seitenbänder sind vom Dauerstrich-Lasersignal durch einen Abstand gleich der Millimeterwellenstrahlung beabstandet. Der Phasenrauschanalysator umfasst ferner einen optischen Verzögerungspfad. Der Phasenrauschanalysator umfasst ferner ein fotoleitendes Element und einen Mischer, der konfiguriert ist, um eine homodyne Schwebung zwischen einer Frequenzdifferenz zwischen den optischen Seitenbändern und der Millimeterwellenstrahlung abzuleiten. Der Dualmodus-Spektrumanalysator umfasst ferner einen Frequenzdetektor, ein lichtempfindliches Element, das konfiguriert ist, um die bichromatische Strahlung zu fotomischen, einen Millimeterwellen-Leistungsdetektor und einen Millimeterwellen-Spannungsdetektor.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein Verfahren zum Echtzeit-Frequenzzählen von Millimeterwellenfrequenzen und Terahertz-Frequenzen bereit, die durch Fotomischen von zwei optischen Frequenzen erzeugt werden. Das Verfahren umfasst das Erzeugen von räumlich überlappenden verschränkten elektrooptischen Kämmen aus jeder der zwei optischen Frequenzen unter Verwendung von Frequenz- und Amplitudenmodulatoren. Das Verfahren umfasst ferner optisches und elektronisches Filtern der zwei verschränkten Kämme, um die niedrigste Differenzfrequenz zwischen den zwei verschränkten Kämmen bei einer elektronisch zählbaren Funkfrequenz zu isolieren.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine Millimeterwellenquelle im Chip-Maßstab mit reduziertem Phasenrauschen bereit. Die Quelle umfasst einen photonischen integrierten Frequenzkamm mit einer Wiederholungsfrequenz oder einem Vielfachen der Wiederholungsfrequenz, die auf die Millimeterwellenfrequenz abstimmbar ist. Die Quelle umfasst ferner Mittel zum Phasenverriegeln von zwei Kammzähnen auf zwei optische Frequenzen durch Einstellen der Wiederholungsfrequenz und Trägerversatzfrequenzen des Frequenzkamms. Die Quelle umfasst ferner Mittel zum Reduzieren von Phasenrauschen der resultierenden Millimeterwelle relativ zu einem Phasenrauschen der zwei optischen Frequenzen.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Millimeterwellensignalgenerator bereit, der zwei phasenverriegelte Dauerstrich-Laser mit einer Frequenzdifferenz von einigen hundert GHz umfasst; ein Verstärkungselement, das eine Faserringkavität mit stimulierter Brillouin-Streuung umfasst; zwei optische phasenverriegelte Schleifen, die konfiguriert sind, um Modensprünge der Faserringkavität zu eliminieren; ein lichtempfindliches Element, das konfiguriert ist, um zwei optische Leitungen mit einer Frequenztrennung zu empfangen und um ein Millimeterwellensignal mit einer Frequenz gleich der Frequenzdifferenz zwischen den zwei optischen Leitungen, die durch eine Millimeterwellenantenne geführt oder abgestrahlt werden, zu erzeugen.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator bereit, der ein Interferometer basierend auf einem faseroptischen Verzögerungspfad und einen akustooptischen Modulator basierend auf einem optisch erzeugten Millimeterwellen-Frequenzschieber umfasst; zwei lichtempfindliche Elemente, die konfiguriert sind, um zwei optische Leitungen mit einer Frequenztrennung zu empfangen und um ein Millimeterwellensignal mit einer Frequenz gleich der Frequenzdifferenz zwischen den zwei optischen Leitungen, die durch eine Millimeterwellenantenne geführt oder abgestrahlt werden, zu erzeugen; einen Millimeterwellen-Grundfrequenzmischer, der konfiguriert ist, um eine Zwischenfrequenz in der RF-Domäne aus zwei Millimeterwellensignalen mit einer Frequenzdifferenz ungleich null zu erzeugen.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator bereit, der ein Interferometer basierend auf einem faseroptischen Verzögerungspfad und einen akustooptischen Modulator basierend auf einem optisch erzeugten Millimeterwellen-Frequenzschieber umfasst; ein einzelnes lichtempfindliches Element, das konfiguriert ist, um zwei optische Leitungen mit einer Frequenztrennung zu empfangen und um ein Millimeterwellensignal mit einer Frequenz gleich der Frequenzdifferenz zwischen den zwei optischen Leitungen, die durch eine Millimeterwellenantenne geführt oder abgestrahlt werden, zu erzeugen; und einen Millimeterwellen-Amplitudendetektor.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Millimeterwellen-Frequenzzähler bereit, der einen Mikrowellenspannungssteueroszillator, der kaskadierte elektrooptische Phasen- und/oder Amplitudenmodulatoren steuert, einen optischen Bandpassfilter und eine optoelektronische Phasenregelschleife umfasst.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine Phasenverriegelungsarchitektur zur Stabilitätsübertragung einer Mikrowellenquelle zu einer Faserringkavität bereit, die einen Dauerstrich-Pumplaser, ein akustooptisches optisches Interferometer, eine Faserringkavität, ein lichtempfindliches Element, das konfiguriert ist, um ein heterodynes Signal zu erzeugen, das die Stabilität der Faserringkavität trägt, und eine Phasenregelschleife umfasst.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen elektrischen Millimeterwellen-Spektrumanalysator bereit, der einen Millimeterwellen-Frequenzzähler, einen Millimeterwellen-Amplitudendetektor, einen Millimeterwellen-Leistungsmesser, einen Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator und eine Datenverarbeitungseinheit umfasst.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine Implementierung im Chipmaßstab eines Millimeterwellenoszillators bereit, der zwei Dauerstrich-Laser, einen Mikroresonator mit hohem Qualitätsfaktor (Q), der konfiguriert ist, um eine optische Referenz zur Stabilisierung von Dauerstrich-Lasern zu sein, zwei Pound-Drever-Hall(PDH)-Verriegelungsmittel, einen optischen Kombinationsmodulator, einen optischen Mikroresonator-basierten Frequenzkamm mit hoher Wiederholungsrate (z. B. einige hundert GHz) und ein lichtempfindliches Element, das konfiguriert ist, um eine optische Pulsfolge in ein Millimeterwellensignal umzuwandeln, umfasst.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Mechanismus zur optischen Linienbreitenreduzierung eines optischen Mikroresonator-basierten Soliton-Frequenzkamms, eines optischen Kerr-Frequenzkamms oder eines optischen Modulationsinstabilitäts-Frequenzkamms bereit. Ein Pumplaser-Frequenzrauschen wird unter Verwendung eines selbstheterodynen Interferometers kompensiert.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen physikalischen Mechanismus bereit, der konfiguriert ist, um die Kammmoden eines optischen Frequenzmikrokamms auf die Resonanzen eines Mikroresonators zu stabilisieren, der unter kalten Bedingungen bei sehr geringer optischer Leistung ausgenutzt wird, wobei das thermische Rauschen, das durch hohe Leistung in Resonatoren induziert wird, überwunden wird, um optische Frequenzmikrokämme zu erzeugen.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Mikroresonator bereit, der in einem Soliton-Regime arbeitet, um ein Millimeterwellensignal durch Fotodetektion der Wiederholungsrate des Mikroresonators zu erzeugen. Die Wiederholungsrate wird zu einem dielektrischen Resonanzoszillator durch ein optoelektronisches Abwärtskonvertierungsmittel basierend auf Fotodetektion zwischen dem Verschränken von zwei elektrooptischen Frequenzkämmen stabilisiert, die aus zwei optischen Leitungen aus einem Soliton-Mikrokamm erzeugt werden.
• Bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen stellen einen Mechanismus zur optischen Linienbreitenreduzierung (z. B. Frequenzrauschreduzierung) von Dauerstrich-Lasern durch stimulierte Brillouin-Streuung in einem optischen Lithium-Niobat-Resonator (LN-Resonator) mit hohem Q-Wert bereit. Der Resonator basiert auf einem Rippenwellenleiter oder einem Streifenwellenleiter mit einem oberen und unteren Mantel aus Siliziumdioxid oder Luft.
• Die vorstehende Zusammenfassung und die folgenden Zeichnungen und detaillierte Beschreibung sollen nicht einschränkende Beispiele veranschaulichen, die Offenbarung jedoch nicht einschränken.
• Figurenliste
• 1 veranschaulicht schematisch kohärentes Pumpen einer Brillouin-Faserringkavität und eine Millimeterwellen-Signalerzeugung von zwei Stokes-Wellen gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 2A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Oszillator basierend auf dem kohärenten Pumpen einer Faserringkavität und der damit verbundenen Modensprung-Unterdrückung für die Einmodenoszillation von zwei Stokes-Wellen, die auf ein lichtempfindliches Element auftreffen, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 2B ist eine grafische Darstellung der gemessenen spektralen Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) eines beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators von 2A (mit „IMRA Brillouin (2019)“ bezeichnet) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen im Vergleich zu der PSD von zuvor offenbarten Millimeterwellen-Oszillatoren.
• 2C ist eine grafische Darstellung der Bruchteilfrequenz-Instabilität gegenüber der Durchschnittszeit (s) eines beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators von 2A (mit „IMRA Brillouin (300 GHz)“ bezeichnet) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen im Vergleich zu der von zuvor offenbarten kompakten Millimeterwellen-Oszillatoren, die bei Standardtemperatur und -druck arbeiten.
• 3A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Oszillator basierend auf einer elektrooptischen Multiplikation einer Mikrowellenquelle, die spektral durch eine Brillouin-basierte Faserringkavität gereinigt wird, die zwei Stokes-Wellen erzeugt, die auf ein lichtempfindliches Element auftreffen, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 3B ist eine grafische Darstellung der optischen Leistung (dB) gegen die Wellenlänge (nm) des elektrooptischen Frequenzkamms, der durch den beispielhaften Millimeterwellen-Oszillator von 3A erzeugt wird, vor und nach spektraler Filterung und Verstärkung gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 4A veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Konfiguration für die Stabilisierung (z. B. Phasenverriegelung) einer Faserringkavität mit einer Mikrowellenreferenz gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 4B ist eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) eines beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators ohne Phasenverriegelung (mit „IMRA 2019“ bezeichnet) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen und mit Phasenverriegelung des Brillouin-Oszillators mit einem Rubidium(Rb)-Takt (mit „Phaseverriegelt mit Rb Takt“ bezeichnet) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 5A veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Konfiguration für die Stabilisierung einer Faserringkavität mit einer Mikrowellenreferenz und Polarisationshandhabung zum Implementieren eines Einzelfrequenzlasergenerators gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 5B ist eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) der beispielhaften Konfiguration von 5A, die als ein einzelner Dauerstrichlaser außerhalb der Schleife betrieben wird, der gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird.
• 6A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator basierend auf einem selbstheterodynen Interferometer und einem Abwärtskonvertierungsmittel basierend auf einem lichtempfindlichen Element, das mit einem Millimeterwellen-Amplitudendetektor gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt ist.
• 6B ist eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichte (PSD) des Millimeterwellen-Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz), die bei 300 GHz unter Verwendung des beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysators von 6A gemessen wird.
• 7A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator basierend auf einem selbstheterodynen Interferometer und einem Abwärtskonvertierungsmittel basierend auf zwei lichtempfindlichen Elementen, die mit einem Millimeterwellen-Grundfrequenzmischer gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt sind.
• 7B ist eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichte (PSD) des Millimeterwellen-Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz), die bei 300 GHz unter Verwendung des beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysators von 7A gemessen wird.
• 8 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator basierend auf einem Wandler zur Wandllung von Millimeterwellen zu optischen Wellen, einem selbstheterodynen Interferometer und einem Abwärtskonvertierungsmittel basierend auf zwei lichtempfindlichen Elementen, die mit einem Millimeterwellen-Grundfrequenzmischer gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt sind.
• 9 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator basierend auf einem Wandler zur Wandlung von Millimeterwellen zu optischen Wellen, einem selbsthomodynen Interferometer und einem Abwärtskonvertierungsmittel basierend auf einem lichtempfindlichen Element, das mit einem Millimeterwellen-Grundfrequenzmischer gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt ist.
• 10 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator basierend auf einem selbsthomodynen Interferometer und einem Abwärtskonvertierungsmittel basierend auf einem lichtempfindlichen Element, das mit einem heterodynen Millimeterwellen-Detektor gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt ist.
• 11A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Frequenzzähler basierend auf einer elektrooptischen Abwärtskonvertierung der Frequenzdifferenz von zwei optischen Wellenlängen gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 11B ist eine grafische Darstellung der Millimeterwellenfrequenz (GHz) gegen die Zeit (ms) eines beispielhaften frequenzgezählten Millimeterwellen-Oszillators gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 11C ist eine grafische Darstellung der relativen Leistung (dB) gegen die relative Frequenz (kHz) der Phasenverriegelung für die interne Zählung eines beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 11D ist eine grafische Darstellung der Bruchteilfrequenz-Instabilität gegenüber der Durchschnittszeit (s), die die Empfindlichkeit und Auflösung des beispielhaften Millimeterwellen-Frequenzzählers von 11A aufweist.
• 12 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften elektrischen ultrahochempfindlichen und -auflösenden Millimeterwellen-Spektrumanalysator gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 13 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung eines ultrarauscharmen Millimeterwellen-Oszillators auf Chip-Größe basierend auf der optischen Frequenzteilung der Frequenzdifferenz von zwei Dauerstrichlasern bis hinunter zu einem Millimeterwellensignal durch einen optischen Frequenzmikrokamm mit einer Pulsfolge, die auf ein lichtempfindliches Element auftrifft, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 14A veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung einer Rauschreduzierung eines optischen Frequenzmikrokamms auf Chip-Größe basierend auf der Rauschkompensation des Pumplasers gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 14B ist eine grafische Darstellung des Frequenzrauschens (Hz²/Hz) gegenüber der Versatzfrequenz (Hz) des In-Loop-Signals für die beispielhafte Implementierung von 14A, wenn das Kompensationsmittel ein- und ausgeschaltet ist, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 14C ist eine grafische Darstellung des Frequenzrauschens (Hz²/Hz) gegenüber der Versatzfrequenz (Hz) des Signals außerhalb der Schleife für die beispielhafte Implementierung von 14A, wenn das Kompensationsmittel ein- und ausgeschaltet ist, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 14D ist eine grafische Darstellung des Frequenzrauschens (Hz²/Hz) gegen die Frequenz (THz) des Signals außerhalb der Schleife für die beispielhafte Implementierung von 14A, wenn das Kompensationsmittel für mehrere Modenzahlen des optischen Frequenzmikrokamms eingeschaltet ist, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 15A veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung einer Rauschreduzierung eines optischen Frequenzmikrokamms auf Chip-Größe basierend auf der Rauschkompensation des Pumplasers durch ein internes selbstheterodynes Interferometer gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 15B veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung einer Rauschreduzierung eines optischen Frequenzmikrokamms auf Chip-Größe basierend auf der Rauschkompensation des Pumplasers durch ein externes selbstheterodynes Interferometer gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 16 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung einer Rauschreduzierung eines optischen Frequenzmikrokamms auf Chip-Größe basierend auf der Stabilisierung einer Mikrokammmode auf die Resonanz eines kalten Mikroresonators gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 17 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung einer Rauschreduzierung eines optischen Frequenzmikrokamms auf Chip-Größe basierend auf der Stabilisierung von zwei Mikrokammmoden auf die Resonanzen eines kalten Mikroresonators gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 18A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellenoszillator (z. B. Chip-Größe) unter Verwendung eines beispielhaften Stabilisierungsmittels, um die spektrale Reinheit eines dielektrischen Resonanzoszillators auf die Wiederholungsrate eines Mikroresonators in einem Soliton-Regime gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen zu übertragen.
• 18B ist eine grafische Darstellung der gemessenen spektralen Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) des beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators von 18A, der mit einem Mikrokamm bei 300 GHz gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen erzeugt wird.
• 19A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Chip-Brillouin-Laser basierend auf einem optischen LN-Resonator gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 19B veranschaulicht schematisch einen Querschnitt einer beispielhaften LN-Rippenwellenleiterstruktur für die Brillouin-Laserung von 19A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 19C zeigt beispielhafte simulierte optische Moden (oberer Abschnitt von 19C) und akustische Moden (unterer Abschnitt von 19C) eines beispielhaften LN-Wellenleiters mit einem schematisch in 19B veranschaulichten Querschnitt gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• 19D ist eine grafische Darstellung der Brillouin-Verschiebungsfrequenz gegenüber der berechneten Brillouin-Verstärkung in einem beispielhaften x-geschnittenen LN-Wellenleiter gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen.
• Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zum Zwecke der Veranschaulichung und sollen nicht einschränkend sein. Wo immer zutreffend, können ähnliche oder gleiche Referenznummern oder Referenzbezeichnungen in den Figuren verwendet werden und können ähnliche oder gleiche Funktionalität anzeigen.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• 1 veranschaulicht schematisch kohärentes Pumpen einer Faserringkavität (z. B. Brillouin-Faserringkavität) und eine Millimeterwellen-Signalerzeugung von zwei Stokes-Wellen gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Zum Beispiel kann eine Pumpquelle (z. B. bichromatische Pumpquelle) konfiguriert sein, um ein erstes nichtresonantes Pumpsignal 110 mit einer ersten Frequenz und ein zweites nichtresonantes Pumpsignal 120 mit einer zweiten Frequenz zu erzeugen, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet (z. B. von der ersten Frequenz durch einige hundert GHz getrennt ist). Ein elektrooptischer Kamm 130, der als Abwärtswandler wirkt und mehrere Kammlinien umfasst, die durch einen freien Spektralbereich (FSR) voneinander beabstandet sind, kann verwendet werden, um die ersten und zweiten Pumpsignale 110, 120 auf ein Mikrowellensignal mit einer Frequenz von weniger als 1 GHz zu versetzen. Eine Faserringkavität (nicht gezeigt) kann konfiguriert sein, um die zwei phasenkohärenten Pumpsignale 110, 120 aufzunehmen, die nicht mit der Faserringkavität resonant sind, aber konfiguriert sind, um entsprechende Brillouin-Streuverstärkungssignale 112, 122 zu erzeugen, die spektral vom entsprechenden phasenkohärenten Pumpsignal 110, 120 getrennt sind (z. B. um etwa 11 GHz). Zwei Stokes-Wellen 112, 122 können innerhalb der Faserringkavität resonieren, wobei die zwei Stokes-Wellen 112, 122 spektral voneinander getrennt sind (z. B. um den gleichen Betrag wie die zwei Pumpsignale 110, 120 voneinander getrennt sind).
• In bestimmten Ausführungsformen ist die Faserringkavität ausreichend lang, sodass der Qualitätsfaktor größer als 106 ist. In bestimmten Ausführungsformen ist die Länge der Faserringkavität ausreichend lang, sodass die optische Leistung einer Pumpwelle, die nicht mit der Faserringkavität resonant ist und die Brillouin-Streuung innerhalb der Faserringkavität erzeugt, ausreichend niedrig ist, um eine degenerierte Vierwellenmischung zu vermeiden (z. B. ist die optische Leistung kleiner als 300 mW). In bestimmten Ausführungsformen ist die Länge der Faserringkavität ausreichend kurz, sodass der freie Spektralbereich der Faserringkavität größer als 1 MHz ist. Beispielsweise kann die optische Faser der Faserringkavität eine Länge in einem Bereich von 50 Metern bis 150 Metern aufweisen. Zusätzlich kann Phasenrauschen der Stokes-Wellen 112, 122 unter dem kombinierten Einfluss der akustischen Dämpfung und der Kavitätsrückkopplung stark reduziert werden. Es gibt keine Populationsinversion im Brillouin-Laserprozess, und spontane Streuung, nicht spontane Emission, begrenzt den Grad der Monochromatizität der Stokes-Strahlung. Für eine Monomodenoszillation der Stokes-Welle umfassen bestimmte Ausführungsformen eine zusätzliche Phasenregelschleife (PLL), die konfiguriert ist, um die Faserringkavität zu zwingen, auf nur einer Mode der Faserringkavität zu oszillieren. Die Frequenzdifferenz (entsprechend der sogenannten Brillouin-Verschiebung) zwischen der Stokes-Welle und ihrem jeweiligen Pumpsignal ist phasenverriegelt zu einem Mikrowellenoszillator mit einer Frequenz, die gleich der Brillouin-Verschiebung ist. In bestimmten Ausführungsformen wird ein Fehlersignal an eine Frequenzmodulation der Pumpquelle angelegt (z.B. durch Modulieren des Laserstroms oder durch Verwenden eines externen akustooptischen Modulators) durch einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler).
• 2A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Oszillator 200 basierend auf dem kohärenten Pumpen einer Faserringkavität 210 und der damit verbundenen Modensprung-Unterdrückung für die Einmodenoszillation von zwei Stokes-Wellen, die auf ein lichtempfindliches Element auftreffen, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. In bestimmten Ausführungsformen umfasst der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 200 einen Faserverstärker 202 (z.B. einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA)) und eine Faserringkavität 210 (bezeichnet als „Faserringkavität“), die eine polarisationserhaltende Faser 212 (z.B. mit einer Länge von 75 m) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die stimulierte Brillouin-Streuung darin aufweist. Während die Pumplaser nicht in der Faserringkavität 210 resonant sind, ist das rückgestreute Licht (z.B. Stokes-Welle) in der Faserringkavität 210 resonant, so dass unabhängig von der Betriebsbedingung des Millimeterwellen-Oszillators 200 immer Licht am Ausgang vorhanden ist.
• In bestimmten Ausführungsformen, wie schematisch durch 2A veranschaulicht, umfasst der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 200 eine Dualpumpquelle 220 (bezeichnet als „Dualpumpquelle“). In bestimmten Ausführungsformen, in denen die Dualpumpquelle 220 auf einer festen Weise basiert, kann die Dualpumpquelle 220 zwei phasenkohärente Dauerstrich-Laser 222a,b umfassen (z.B. erhältlich von Redfern Integrated Optics of Santa Clara, Kalifornien), wie schematisch durch 2A veranschaulicht, wobei die zwei Laser 222a,b in der Frequenz voneinander getrennt sind (z.B. durch 300 GHz). In bestimmten anderen Ausführungsformen kann die Dualpumpquelle 220 einen wellenlängenfesten Laser und einen abstimmbaren Laser umfassen. In bestimmten Ausführungsformen wird der Ausgang der zwei Laser 222a,b der Dualpumpquelle 220 zusammen mit einem Faserkoppler kombiniert.
• In bestimmten Ausführungsformen, wie schematisch durch 2A veranschaulicht, umfasst der beispielhafte Millimeterwellenoszillator 200 ferner eine optoelektronische Phasenregelschleife 230 (mit der Bezeichnung „OEPLL für kohärentes Pumpen“), die einen Faserverstärker 232 (z.B. einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA)), der konfiguriert ist, um einen Teil des Ausgangs von der Dualpumpquelle zu empfangen, zwei kaskadierte optische Phasenmodulatoren (PM) 234, die durch ein entsprechendes Paar von Phasenschiebern (φ) 236 gesteuert werden, und einen dielektrischresonanten Oszillator (DRO) 238 (z.B. bei etwa 10 GHz) umfasst, wobei die zwei Phasenmodulatoren 234 konfiguriert sind, um den Ausgang vom Faserverstärker 232 zu empfangen, einen optischen Bandpassfilter (OBPF) 242, der konfiguriert ist, um den phasenmodulierten Ausgang von den Phasenmodulatoren 234 zu empfangen, und einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) 244, der konfiguriert ist, um das gefilterte Signal zu empfangen und ein Signal an die Dualpumpquelle 220 bereitzustellen. In bestimmten Ausführungsformen erzeugen die Pumpsignale eine Stokes-Welle, die durch die OEPLL 230 oszilliert, wie in 2A gezeigt. In bestimmten Ausführungsformen, in denen das Rauschen der zwei Laser 222a, b der Duallaserquelle 220 korreliert werden soll, ist die optoelektronische Phasenregelschleife 230 konfiguriert, um eine Abwärtskonvertierung zu verwenden, um das Rauschen der zwei Pumplaser 222a, b innerhalb der Rückkopplungsbandbreite der OEPLL 230 zu korrelieren (siehe z. B. A. Rolland, G. Loas, M. Brunel, L. Frein, M. Vallet und M. Alouini, „Non-linear optoelectronic phase-locked loop for stabilization of opto-millimeter waves: towards a narrow linewidth tunable THz source,“ Optics Express, 19, 17944-17950 (2012)).
• In bestimmten Ausführungsformen, wie schematisch durch 2A veranschaulicht, umfasst der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 200 ferner eine optische Modensprung-Unterdrückungsschaltung 250 (bezeichnet als „Modensprung-Unterdrückung“), die konfiguriert ist, um Modensprünge zu unterdrücken, die aus der Länge der Faserringkavität 210 resultieren. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die optische Modensprung-Unterdrückungsschaltung 250 ein Paar akustooptischer (AO) Modulatoren 252a,b, die jeweils konfiguriert sind, um einen Teil der Ausgangssignale von einem jeweiligen Laser der Dualpumpquelle 220 zu empfangen und um ein Ausgangssignal an die Faserringkavität 210 bereitzustellen. Die Frequenz der Modensprung-Unterdrückungsschaltung mischt einen Abgriff der frequenzverschobenen optischen Ausgabe der AO-Modulatoren 252a,b mit einem Abgriff von der optischen Ausgabe der Faserringkavität 210 auf der Fotodiode 254a,b. Die Frequenzdifferenz zwischen der optischen Ausgabe der AO-Modulatoren 252a,b und ihrer erzeugten Brillouin-Strahlung kann einen Wert von f_B ± FSR überspannen, wobei f_B die Brillouin-Verschiebung und FSR der freie Spektralbereich der Faserringkavität 210 ist. Wenn sich die Frequenzdifferenz entweder fB + FSR oder f_B - FSR nähert, neigt die Brillouin-Ausgabe zu Modensprüngen, umgekehrt, wenn die Frequenzdifferenz nahe an f_B ist, neigt die Brillouin-Ausgabe nicht zu Modensprüngen. Daher wird die optische Frequenzdifferenz auf eine externe RF-Frequenzquelle, die fB entspricht, unter Verwendung der PID-Schaltung 256a,b verriegelt, die wiederum die durch die AO-Modulatoren 252a,b induzierte Frequenzverschiebung einstellt, um die gewünschte Frequenzdifferenz aufrechtzuerhalten.
• In bestimmten Ausführungsformen, wie schematisch durch 2A veranschaulicht, umfasst der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 200 ferner eine Fotodiode 260 (z. B. UTC-Fotodiode) (bezeichnet als „Fotodetektions-mmW-Erzeugung“), die konfiguriert ist, um die zwei Stokes-Wellen 112, 122 (z. B. abstimmbar von 250-400 GHz) in die Millimeterwellen-Domäne abwärts zu konvertieren. Die Fotodiode 260 ist konfiguriert, um die abwärtskonvertierten Signale an einen Wellenleiter zu emittieren (z. B. ohne irgendeine Antenne, um die abwärtskonvertierten Signale im freien Raum abzustrahlen).
• 2B ist eine grafische Darstellung der gemessenen spektralen Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) des beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators von 2A (mit „IMRA Brillouin (2019)“ bezeichnet) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die gemessene PSD des Phasenrauschens beträgt -65 dBc/Hz bei 100 Hz Fourier-Frequenz und geht bei 1 MHz auf -140 dBc/Hz zurück. 2B zeigt auch die PSD des Phasenrauschens, das für verschiedene andere Millimeterwellen-Oszillatoren berichtet wurde, die zuvor offenbart wurden von: U.S. Anmeldung Nr. 2019/0235445A1 (mit „MIT CMOS Quelle“ bezeichnet); doi.org/10.1364/OE.27.035257 (mit „NPL Mikrokamm Quelle“ bezeichnet); N5194A UXG X-Series Agile Vector Adapter (mit „Keysight synthesizer“ bezeichnet); doi.org/10.1364/OL.44.000359 (mit „IMRA Brillouin (2018)“ bezeichnet). 2B zeigt, dass die gemessene PSD des Phasenrauschens des beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators von 2A fast vier Größenordnungen niedriger sind als die der zuvor offenbarten Millimeterwellen-Oszillatoren.
• 2C ist eine grafische Darstellung der Bruchteilfrequenz-Instabilität gegenüber der Durchschnittszeit (s) des beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators von 2A (mit „IMRA Brillouin (300 GHz)“ bezeichnet) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Unter einem groben Vakuum in einer Acrylkammer erreicht der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator von 2A bei 300 GHz eine Durchschnittszeit von 6 × 10^-14 bei 1 Sekunde und, aufgrund von Verschiebungen, im Durchschnitt etwa 1 × 10^-13 bei höheren Durchschnittszeiten. 2C zeigt auch die Bruchteilfrequenz-Instabilität, die für verschiedene andere Millimeterwellen-Oszillatoren berichtet wurde (die bei Standardtemperatur und -druck arbeiten): OSA-8607 Boitier ä Vieillissement Ameliore (BVA) Oszillator, erhältlich von Brandywine Communications of Tustin CA (mit „BVA-Oszillator“ bezeichnet); HF-ULN ofengesteuerter Kristalloszillator, erhältlich von Wenzel Associates, Inc. of Austin TX (mit „OCXO“ bezeichnet); Whispering Gallery (WG) Oszillator, offenbart von doi.org/10.1063/1.2039387 (mit „WG-Saphir“ bezeichnet). 2C zeigt, dass das Niveau der Instabilität des beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators von 2A mit den Instabilitäten anderer kompakter Oszillatoren, die bei Standardtemperatur und -druck arbeiten, wettbewerbsfähig ist.
• 3A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Oszillator 300 basierend auf einer elektrooptischen Multiplikation einer Mikrowellenquelle, die spektral durch eine Faserringkavität 310 (z. B. Brillouin-basierte Faserringkavität) gereinigt wird, die zwei Stokes-Wellen erzeugt, die auf ein lichtempfindliches Element 360 auftreffen, gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 300 von 3A umfasst einen einzelnen Dauerstrich-Pumplaser 320 (z.B. erhältlich von Redfern Integrated Optics of Santa Clara, Kalifornien), der durch zwei kaskadierte elektrooptische Phasenmodulatoren 330 (PM), die durch zwei Phasenschieber 332 (φ) angetrieben werden, und einen dielektrischresonanten Oszillator 334 (DRO) (z.B. bei etwa 10 GHz) phasenmoduliert ist. In bestimmten Ausführungsformen ist der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 300 von 3A konfiguriert, um optische Seitenbänder auf beiden Seiten der Pumpsignale zu erzeugen. Wie schematisch in 3A veranschaulicht, umfasst der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 300 ferner zwei separate optische Bandpassfilter 340 (OBPFs), die konfiguriert sind, um die zwei Seitenbänder spektral zu filtern und um die spektral gefilterten Seitenbandpumpsignale an die Faserringkavität 310 bereitzustellen. Die Frequenzdifferenz der OBPFs 340 kann von einem Benutzer gewählt werden. Die Faserringkavität 310 ist konfiguriert, um die Stokes-Wellen als Reaktion auf die Seitenbandpumpsignale zu erzeugen. Der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 300 von bestimmten Ausführungsformen ist für die Multiplikation des DRO 334 mit der Millimeterwellendomäne konfiguriert, die spektral durch die Faserringkavität 310 gereinigt wird.
• 3B ist eine grafische Darstellung der optischen Leistung (dB) gegen die Wellenlänge (nm) des elektrooptischen Frequenzkamms, der durch den beispielhaften Millimeterwellen-Oszillator 300 von 3A erzeugt wird, vor und nach spektraler Filterung und Verstärkung gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die optische Leistung vor spektraler Filterung und Verstärkung ist in 3A durch die Lichtlinie bezeichnet und überspannt fast 5 nm, und das optische Leistungsspektrum nach spektraler Filterung und Verstärkung ist in 3B durch die dunkle Linie gekennzeichnet und zeigt die zwei optischen Modi, die durch die zwei OBPFs 340 und eine EDFA ausgewählt werden. Die Signal-Rausch-Verhältnisse der zwei optischen Modi sind größer als 50 dB, und diese zwei optischen Modi sind intrinsisch phasenkohärent und können verwendet werden, um die Faserringkavität zu pumpen, wie in 3A gezeigt.
• 4A veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Konfiguration 400 für die Stabilisierung (z. B. Phasenverriegelung) einer Faserringkavität 410 mit einer Mikrowellenreferenz gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Konfiguration 400 von 4A kann als robuste Brillouin-Quelle im Standarddruck- und Temperaturbetrieb nützlich sein. Wie schematisch durch 4A veranschaulicht, sendet eine Laserpumpquelle 420 Pumpsignale durch ein Interferometer 430, das einen ersten Arm 432 umfasst, der einen akustooptischen (AO) Modulator 434 und einen zweiten Arm 436 umfasst. Die Ausgabe des Interferometers 430 umfasst optische Signale, die zwei optische Wellenlängen umfassen, die durch die Frequenz getrennt sind, die den AO-Modulator 434 antreibt, und intrinsisch ein kohärentes Pumpen der Faserringkavität 410 ist. Ein Schwebungston zwischen den zwei Stokes-erzeugten Signalen trägt das Rauschen der Faserringkavität 410 und die zwei oszillierenden Moden sind in der Frequenz nur durch einige zehn MHz voneinander getrennt. In bestimmten Ausführungsformen kann der Schwebungston mit demselben Signal, das den AO-Modulator 434 antreibt, plus einem Frequenzversatz, der den Kavitätsresonanzen entspricht, auf DC abwärtskonvertiert werden und kann ein Fehlersignal erzeugen. Durch einen PID-Regler 450 kann dieses Fehlersignal an den Pumpstrom des Pumplasers 420 angelegt werden (z.B. durch einen Thermoverriegelungseffekt). Während die beispielhafte Konfiguration 400 von 4 verwendet werden kann, um die Faserringkavität 410 zu stabilisieren, kann es schwierig sein, einen einzelnen Laser aus der beispielhaften Konfiguration 400 zu extrahieren.
• 4B ist eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens (dBc/Hz) (z.B. Phasenverriegelungsfehler innerhalb der Schleife) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) eines beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators ohne Phasenverriegelung (mit „IMRA 2019“ bezeichnet) und mit Phasenverriegelung des Brillouin-Oszillators mit einem Rubidium(Rb)-Takt (mit „Phaseverriegelt mit Rb Takt“ bezeichnet) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Phasenverriegelung der Faserringkavität ist durch den Thermoverriegelungseffektinnerhalb der Schleife und wird auf den Rb-Takt stabilisiert, indem das Fehlersignal an den Pump-Dauerstrich-Laser zurückgeführt wird. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Rückkopplungsschleifenbandbreite von etwa 600 Hz verwendet werden, um die hohe spektrale Reinheit der Brillouin-Oszillation nicht zu behindern.
• 5A veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Konfiguration 500 für die Stabilisierung einer Faserringkavität 510 zu einer Mikrowellenreferenz und Polarisationshandhabung zum Implementieren eines Einzelfrequenzlasergenerators gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Im oberen linken Oval 520 von 5A wird monochromatisches Dauerstrich-Licht (z. B. von der Quelle 502) über einen 60/40-Strahlteiler 522 aufgeteilt, die Komponente auf der Frequenz des unteren Arms wird um eine RF-Frequenz verschoben (z. B. durch den AO-Modulator 524), und im oberen Arm bleibt sie frei. Die zwei Frequenzkomponenten werden über einen polarisierenden Strahlteiler (PBS) 526 rekombiniert und die zwei Frequenzkomponenten werden auf orthogonalen Polarisationsachsen in der Faser übertragen. Im oberen rechten Oval 530 von 5A pumpen die zwei orthogonal polarisierten optischen Frequenzen eine Faserringkavität 510, um orthogonal polarisierte Stokes-Strahlung zu erzeugen, die durch die AOM-Frequenz getrennt ist. Der Blei-Zirkonat-Tantalit(PZT)-Wandler 532 stellt die Länge der Faserkavität 510 ein. Der 95/5-Strahlteiler 534 koppelt das sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitende Brillouin-Licht aus. Im unteren Oval 540 von 5A wird ein PBS 542 verwendet, um die zwei Stokes-Frequenzen zu trennen. Im verbleibenden Oval 550 von 5A wird ein PBS 552 verwendet, um die zwei Stokes-Komponenten in eine einzelne Polarisationskomponente zu vereinen, was eine heterodyne Detektion der Frequenzdifferenz ermöglicht. Diese Frequenzdifferenz wird dann mit dem RF-Antrieb des AOM verriegelt, indem die Länge der Faserringkavität 510 über die Betätigung des PZT-Wandlers 532 oder durch Ändern der Quellenlaser(RIO)-Frequenz geändert wird. In bestimmten Ausführungsformen sind die zwei Pumpsignale orthogonal polarisiert und die zwei Stokes-Wellen werden durch einen Polarisationsstrahlteiler (PBS) getrennt und räumlich voneinander aufgeteilt. Doppelbrechung der Faser kann zu einer zusätzlichen Rauschdekorrelation führen. In bestimmten Ausführungsformen kann eine einzelne Wellenlänge aus der beispielhaften Konfiguration 500 von 5A extrahiert werden, die als ein Einzelwellenlängengenerator mit einer spektralen Reinheit, die vom Qualitätsfaktor der Faserringkavität 510 abhängig ist, und einer Langzeitstabilität, die mit der Stabilität der zur Stabilisierung verwendeten Mikrowellenreferenz vergleichbar ist, verwendet werden kann.
• 5B ist eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) der beispielhaften Konfiguration 500 von 5A, die als ein einzelner Dauerstrichlaser außerhalb der Schleife betrieben wird, der gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird. Das optische Phasenrauschen des Dauerstrich-Lasers außerhalb der Schleife mit einer 25 Meter langen Faserringkavität (mit der Bezeichnung „25 mSPT“) ist höher als das optische Phasenrauschen des Dauerstrich-Lasers außerhalb der Schleife mit einer 75 Meter langen Faserringkavität (mit der Bezeichnung „75 m50 mTorr, temperaturstabilisiert“), weist jedoch einen Weißphasenrauschboden von -120 dBc/Hz auf.
• 6A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator 600 basierend auf einem selbstheterodynen Interferometer 610 und einem Abwärtskonvertierungsmechanismus basierend auf einem lichtempfindlichen Element, das mit einem Millimeterwellen-Amplitudendetektor gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt ist. In bestimmten Ausführungsformen ist der beispielhafte Phasenrauschanalysator 600 von 6A konfiguriert, um die spektrale Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens eines photonisch erzeugten Millimeterwellensignals zu detektieren, zu messen und zu kalibrieren. Der beispielhafte Phasenrauschanalysator 600 umfasst ein selbstheterodynes Interferometer 610, das konfiguriert ist, um ein optisches Eingangssignal 602 zu empfangen, das zwei optische Wellenlängen aufweist, die in der Frequenz voneinander durch eine Frequenzdifferenz getrennt sind, die einer Millimeterwellenfrequenz entspricht. Ein erster Arm 612a (z. B. oberer Arm in 6A) des Interferometers 610 ist konfiguriert, um die Eingangsfrequenzdifferenz durch Aufteilen des optischen Signals in zwei Teilarme frequenzzuverschieben. Der erste Teilarm 614a (z. B. unterer Teilarm in 6A) filtert eine Wellenlänge spektral und der zweite Teilarm 614b (z. B. oberer Teilarm in 6A) filtert die andere Wellenlänge spektral und frequenzverschiebt die andere Wellenlänge durch einen akustooptischen Modulator (AO1) 616, der bei fAO1 angetrieben wird. Beide Wellenlängen werden dann mit ihrer Frequenzdifferenz, die um fAO1 verschoben ist, rekombiniert. Der zweite Arm 612b (z. B. unterer Arm in 6A) des Interferometers 610 ist konfiguriert, um das optische Eingangssignal 602 mit einem akustooptischen Modulator (AO2) 618, der bei fAO2 angetrieben wird, frequenzzuverschieben, um die Wellenlängen des ersten Arms 612a nicht zu stören, und umfasst einen Faserverzögerungspfad 622, der konfiguriert ist, um das frequenzverschobene optische Signal mit zwei Wellenlängen um eine Verzögerung τ zu verzögern.
• Der beispielhafte Phasenrauschanalysator 600 umfasst ferner ein lichtempfindliches Element 630 (z. B. UTC-PD), das konfiguriert ist, um die vier optischen Pfade vom ersten und zweiten Arm 612a,b zu empfangen: $${\text{v}}_{\text{s1}}\left(\text{t}\right)$$

  

  $$\left[{\text{v}}_{\text{s2}}+{\text{f}}_{\text{AO1}}\right]\left(\text{t}\right)$$

  

  $$\left[{\text{v}}_{\text{s1}}+{\text{f}}_{\text{AO2}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right)$$

  

  $$\left[{\text{v}}_{\text{s2}}+{\text{f}}_{\text{AO2}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right)$$

  

  welches ein Signal mit vier Millimeterwellen erzeugt: $$\left[{\text{v}}_{\text{s1}}+{\text{f}}_{\text{AO2}}\right]\left(\text{t}\right)-{\text{v}}_{\text{s1}}\left(\text{t}\right)=\left[{\text{v}}_{\text{s2}}-{\text{v}}_{\text{s}1}\right]\left(\text{t}\right)+{\text{f}}_{\text{AO1}}\left(\text{t}\right)$$

  

  $$\left[{\text{v}}_{\text{s2}}+{\text{f}}_{\text{AO2}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right)-{\text{v}}_{\text{s1}}\left(\text{t}\right)$$

  

  $$\left[{\text{v}}_{\text{s2}}+{\text{f}}_{\text{AO1}}\right]\left(\text{t}\right)\left[{\text{v}}_{\text{s1}}-{\text{f}}_{\text{AO2}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right)$$

  

  $$\left[{\text{v}}_{\text{s2}}+{\text{f}}_{\text{AO2}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right)-\left[{\text{v}}_{\text{s1}}-{\text{f}}_{\text{AO2}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right)=\left[{\text{v}}_{\text{s2}}-{\text{v}}_{\text{s1}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right).$$

  
• Der beispielhafte Phasenrauschanalysator 600 umfasst ferner einen Millimeterwellen-Amplitudendetektor 640 (z. B. eine einzelne Barrierediode (SBD) oder Schottky-Diode), der konfiguriert ist, um das vier Millimeterwellensignal zu empfangen. Als Tiefpassfilter wirkend, ist der detektierte Schwebungston: $$\left[{\text{v}}_{\text{s2}}-{\text{v}}_{\text{s1}}\right]\left(\text{t}\right)+{\text{f}}_{\text{AO1}}\left(\text{t}\right)-\left[{\text{v}}_{\text{s2}}-{\text{v}}_{\text{s1}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right)$$

  

  und das Phasenrauschen, das fAO1 trägt, wird dann moduliert durch: $$\left[{\text{v}}_{\text{s2}}-{\text{v}}_{\text{s1}}\right]\left(\text{t}\right)-\left[{\text{v}}_{\text{s2}}-{\text{v}}_{\text{s1}}\right]\left(\text{t}-\mathrm{\tau }\right)$$

  

  welches das Phasenrauschen ist. Die am Ausgang des Millimeterwellen-Amplitudendetektors 600 detektierte Funkfrequenz enthält daher das Phasenrauschen des zu testenden Millimeterwellen-Oszillators.
• 6B ist eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichte (PSD) des Millimeterwellen-Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz), die bei 300 GHz unter Verwendung des beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysators 600 von 6A gemessen wird. 6B zeigt die fundamentale Grenze des beispielhaften Phasenrauschanalysators von 6A. Die Rauschäquivalentleistung im Millimeterwellen-Amplitudendetektor erlegt eine Grenze von 0/f² dBc/Hz fest.
• 7A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator 700 basierend auf einem selbstheterodynen Interferometer 710 und einem Abwärtskonvertierungsmechanismus basierend auf zwei lichtempfindlichen Elementen 740a,b, die mit einem Millimeterwellen-Grundfrequenzmischer 750 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt sind. Das selbstheterodyne Interferometer 710 empfängt das optische Eingangssignal 702, das zwei optische Wellenlängen aufweist, die in der Frequenz voneinander durch eine Frequenzdifferenz getrennt sind, die einer Millimeterwellenfrequenz entspricht, und umfasst ein Frequenzverschiebungsinterferometer 720 in einem ersten Arm 712a (z. B. oberer Arm in 7A) und eine Faserverzögerungspfad 730 in einem zweiten Arm 712b (z. B. unterer Arm in 7A). Der beispielhafte Phasenrauschanalysator 700 von 7A umfasst ferner ein erstes lichtempfindliches Element 740a, das konfiguriert ist, um die Ausgabe des Frequenzverschiebungsinterferometers des ersten Arms 712a zu empfangen, ein zweites lichtempfindliches Element 740b, das konfiguriert ist, um die Ausgabe der Faserverzögerungspfad 730 des zweiten Arms 712b zu empfangen, und einen Grund-Millimeterwellen-Frequenzmischer 750, der konfiguriert ist, um die Ausgaben der ersten und zweiten lichtempfindlichen Elemente 740a,b zu empfangen. Die ersten und zweiten lichtempfindlichen Elemente 740a,b und der fundamentalen Millimeterwellen-Frequenzmischer 750 sind konfiguriert, um die optischen Signale in das Basisband abwärts zu konvertieren.
• 7B ist eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsdichte (PSD) des Millimeterwellen-Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) des beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators 200 von 2A, die bei 300 GHz unter Verwendung des beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysators 700 von 7A gemessen wird. Das Phasenrauschen (mit „300 GHz Phasenrauschen“ bezeichnet) zeigt, dass bei hoher Fourier-Frequenz der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 200 von 2A dem optischen Phasenrauschen des Brillouin-Lasers (mit „Brillouin optisches Phasenrauschen“ bezeichnet) folgt.
• 8 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator 800 basierend auf einem Wandler zur Wandlung von Millimeterwellen zu optischen Wellen, einem selbstheterodynen Interferometer 710 und einem Abwärtskonvertierungsmechanismus basierend auf zwei lichtempfindlichen Elementen 740a,b, die mit einem Millimeterwellen-Grundfrequenzmischer 750 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt sind. Die beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysatoren 600, 700 von 6A und 7A sind zur Verwendung konfiguriert, wenn der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator photonisch erzeugt wird und zwei optische Wellenlängen enthält. In bestimmten Ausführungsformen, in denen der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator 802 nur ein elektrisches Signal bereitstellt, kann ein elektrisch-optisches Konvertierungselement verwendet werden, wie schematisch durch 8 veranschaulicht. Zum Beispiel kann ein Silizium-plasmonischer elektrooptischer Modulator 804 eine ausreichende ultrahohe Bandbreite aufweisen, um im beispielhaften Phasenrauschanalysator 800 von 8 verwendet zu werden. Für optische Signale, die durch den optischen Modulator 804 moduliert werden, der durch das Millimeterwellensignal angetrieben wird, werden optische Seitenbänder 810a, b erzeugt und die Frequenzdifferenz zwischen den optischen Seitenbändern 810a, b entspricht der Millimeterwellenfrequenz des zu testenden Oszillators 802. Zusätzlich enthält diese Frequenzdifferenz auch das Phasenrauschen des Oszillators 802. Daher können die hierin beschriebenen selbstheterodynen Interferometer verwendet werden, um das Phasenrauschen des zu testenden Oszillators 802 zu messen.
• 9 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator 900 basierend auf einem Wandler zur Wandlung von Millimeterwellen zu optischen Wellen, einem selbsthomodynen Interferometer und einem Abwärtskonvertierungsmechanismus basierend auf einem lichtempfindlichen Element, das mit einem Millimeterwellen-Grundfrequenzmischer gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt ist. Wie schematisch in 9 veranschaulicht, wird der Ausgang des zu testenden Oszillators 902 in zwei Pfade aufgeteilt, wobei ein erster Pfad das elektrische Millimeterwellensignal in ein optisches Signal durch einen Silizium-plasmonischen Modulator 904 umwandelt, um eine Verzögerung durch eine optische Faser 930 zu erfahren. Nach dem Erfahren der Verzögerung in der optischen Domäne wird das Millimeterwellensignal in der Millimeterwellendomäne unter Verwendung eines lichtempfindlichen Elements 940 zurückgebracht. In bestimmten Ausführungsformen, in denen der Frequenzmischer 950 einen Ausgang aufweist, der Gleichstromgekoppelt ist, kann das Phasenrauschen am Ausgang des Frequenzmischers 950 abgerufen werden.
• 10 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator 1000 basierend auf einem selbsthomodynen Interferometer 1020 und einem Abwärtskonvertierungsmechanismus basierend auf einem lichtempfindlichen Element 1040, das mit einem heterodynen Millimeterwellen-Detektor gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt ist. Während eine nahezu quantenbegrenzte heterodyne Terahertz-Detektion bisher nur durch die Verwendung kryogen gekühlter supraleitender Mischer als Frequenzabwärtskonvertierer möglich war, kann der beispielhafte Millimeterwellen-Phasenrauschanalysator 1000 von 10 jüngste Fortschritte von heterodyen Raumtemperatur-Terahertz-Detektoren mit quantennaher begrenzter Empfindlichkeit nutzen. Diese Art von Heterodyn-Detektor weist zwei Eingänge auf. Ein erster Eingang kann ein Millimeterwellen- oder Terahertz-Signal empfangen, während ein zweiter Eingang ein optisches Signal 1002 empfangen kann, das zwei optische Wellenlängen mit einer Frequenzdifferenz in der Millimeterwellen- oder Terahertz-Domäne umfasst. Der heterodyne Detektor 1000 kann dann die Frequenzdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Eingang unter Verwendung eines Frequenzverschiebungselements, das in der optischen Domäne realisiert ist, in einem ersten Arm (z. B. oberer Arm 1012a von 10) ausgeben. Der Ausgang des heterodynen Detektors 1000 ist eine Zwischenfrequenz in einem Basisband, das direkt das Phasenrauschen des zu testenden Millimeterwellen-Oszillators trägt.
• 11A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Frequenzzähler 1100 basierend auf einer elektrooptischen Abwärtskonvertierung der Frequenzdifferenz von zwei optischen Wellenlängen gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die meisten Frequenzzähler arbeiten unter Verwendung eines Zählers, der die Anzahl von Ereignissen akkumuliert, die innerhalb einer bestimmten Zeitperiode auftreten. Nach einer voreingestellten Periode, bekannt als die Gate-Zeit (z. B. eine Sekunde), wird der Wert im Zähler an eine Anzeige übertragen und der Zähler wird auf null zurückgesetzt. Wenn sich das Ereignis, das gemessen wird, mit ausreichender Stabilität wiederholt und die Frequenz erheblich niedriger ist als die des verwendeten Taktoszillators, kann die Auflösung der Messung durch Messen der Zeit für eine ganze Anzahl von Zyklen erheblich verbessert werden, anstatt die Anzahl von ganzen Zyklen zu zählen, die für eine voreingestellte Dauer beobachtet werden (z. B. oft als reziproke Technik bezeichnet). Der interne Oszillator, der die Zeitsignale bereitstellt, kann als die Zeitbasis bezeichnet werden und ist genau zu kalibrieren. Mikrowellenfrequenzzähler können derzeit Frequenzen bis zu fast 56 GHz messen, können aber nicht direkt bei Millimeterwellenfrequenzen verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen wird eine hohe Frequenz mit einem Frequenzmischer und einem lokalen Oszillator, der in der Frequenz nahe am zu testenden Oszillator ist, abwärtskonvertiert. Stabile lokale Oszillatoren sind im Allgemeinen bei Millimeterwellenfrequenzen nicht verfügbar und Subharmonische-Mischer weisen einen signifikanten Konvertierungsverlust auf, der das Signal-Rausch-Verhältnis stark begrenzt.
• Gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen kann der beispielhafte Millimeterwellen-Frequenzzähler 1100 in 11A benutzt werden, um eine optoelektronische Abwärtskonvertierung zur Millimeterwellen-Frequenzzählung zu implementieren. Zum Beispiel können die zwei optischen Linien 1102 (z. B. verschieden um einige hundert GHz) von einem Phasemodulator 1104 moduliert werden, angetrieben von einer Mikrowellenreferenz (z. B. bei 10 GHz) und zwei optische Frequenzkämme 1110a,b können jeweils aus den beiden optischen Linien erzeugt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Niederfrequenzdetektion mit einer Fotodiode der Schwebungsnote zwischen den beiden optischen Frequenzkämmen 1110a,b durchgeführt werden. Diese Schwebungsnote ist Träger der Instabilität des Millimeterwellensignals. In bestimmten Ausführungsformen wird ein Phasenregelkreis verwendet, um die Mikrowellenreferenz zu stabilisieren, und die Frequenz wird in Bezug auf ein Frequenznormal gezählt, wobei die Millimeterwellenfrequenz abgelesen wird: f_mmw = 2n × f_RF + f_IF.
• 11B ist eine grafische Darstellung der Millimeterwellenfrequenz (GHz) gegen die Zeit (ms) eines beispielhaften frequenzgezählten Millimeterwellen-Oszillators 200 (z. B. wie in 2A gezeigt) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Momentanfrequenz wurde unter Verwendung des beispielhaften Frequenzzählers 1100 von 11A gemessen. 11C ist eine grafische Darstellung der relativen Leistung (dB) gegen die relative Frequenz (kHz) der Phasenverriegelung für die interne Zählung des beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators 200 von 2A unter Verwendung des beispielhaften Frequenzzählers 1100 von 11A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. 11C zeigt, dass es möglich ist, den beispielhaften Millimeterwellen-Oszillator 200 von 2A mit einer Mikrowellenreferenz, einem atomaren Mikrowellentakt oder einem globalen Positionierungssystem (GPS)-disziplinierten Mikrowellenoszillator (z. B. mit einer Verriegelungsbandbreite von einigen zehn kHz) durch Verwendung des beispielhaften Frequenzzählers 1100 von 11A phasenzuverriegeln.
• 11D ist eine grafische Darstellung der Bruchteilfrequenz-Instabilität gegenüber der Durchschnittszeit (s), die die Empfindlichkeit und Auflösung des beispielhaften Millimeterwellen-Frequenzzählers von 11A aufweist. 11D zeigt die absolute Grenze des beispielhaften Millimeterwellen-Frequenzzählers 1100 von 11A. Bei 300 GHz weist der beispielhafte Frequenzzähler 1100 von 11A eine Bruchteilfrequenz-Instabilität von 2 × 10-15/± in Bezug auf Allan-Abweichung (mit „Verriegelt: madev @ 300 GHz“ bezeichnet) und ein Instabilitätsniveau von 1 × 10^-16 bei einer zweiten Durchschnittszeit in Bezug auf modifizierte Allan-Abweichung (mit „Verriegelt: adev @ 300 GHz“ bezeichnet) auf, was nahelegt, dass der beispielhafte Millimeterwellen-Oszillator von 2A mit der Stabilität eines optischen Gittertaktgebers verriegelt oder gezählt werden kann.
• 12 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellen-Spektrumanalysator 1200 mit ultrahoher Empfindlichkeit gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. In bestimmten Ausführungsformen können Datensätze von drei Größen verwendet werden (z. B. in Echtzeit gemessen), um das elektrische Spektrum einer elektromagnetischen Welle v(t) aufzuzeichnen: die Momentanfrequenz f(t), die Phasenmodulation φ (t) und die Amplitudenmodulation α (t) unter Verwendung der folgenden Gleichung: $$\text{v}\left(\text{t}\right)=\text{A0}\left[1+\mathrm{\alpha }\left(\text{t}\right)\right]\times \text{cos}\left[2\mathrm{\pi }\text{f}\left(\text{t}\right)+\mathrm{\varphi }\left(\text{t}\right)\right].$$

  
• In bestimmten Ausführungsformen, wie schematisch durch 12 veranschaulicht, ist der Spektrumanalysator 1200 konfiguriert, um zwei alternative Eingänge zu empfangen. Der beispielhafte Spektrumanalysator 1200 kann einen ersten Eingang 1202a empfangen, der zwei optische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen mit einer Frequenzdifferenz umfasst, die in der Millimeterwellendomäne liegt, und/oder einen zweiten Eingang 1202b, der ein direkt erzeugtes Millimeterwellensignal umfasst. In bestimmten solchen Ausführungsformen kann der beispielhafte Spektrumanalysator 1200 einen optischen Schalter 1210 umfassen, der konfiguriert ist, um entweder den ersten Eingang 1202a oder den zweiten Eingang 1202b auszuwählen. Da die gemessenen Größen in der optischen Domäne liegen, kann der beispielhafte Spektrumanalysator 1200 einen Silizium-plasmonischen Modulator 1220 umfassen, der konfiguriert ist, um das Millimeterwellensignal zu empfangen und in die optische Domäne umzuwandeln und das umgewandelte Signal an den optischen Schalter 1210 bereitzustellen.
• Wie schematisch in 12 veranschaulicht, ist der beispielhafte Spektrumanalysator 1200 konfiguriert, um das optische Signal vom optischen Schalter 1210 in drei Arme aufzuteilen. Ein erster Arm 1232a (z. B. der obere Arm von 12) misst die Momentanfrequenz f(t), ein zweiter Arm 1232b (z. B. der mittlere Arm von 12) misst die Amplitudenmodulation α(t) (z. B. unter Verwendung eines Amplitudendetektors, wie beispielsweise einer Schottky-Diode, gefolgt von einem Voltmeter mit hoher Empfindlichkeit, um die Spannung v(t) zu messen, und einem Millimeterwellen-Leistungsmesser, um die absolute Leistung P(t) zu messen). Ein dritter Arm 1232c (z. B. der untere Arm von 12) misst das Phasenrauschen φ(t) in Echtzeit (z. B. unter Verwendung eines selbstheterodynen Interferometers gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen). In bestimmten Ausführungsformen werden die von den ersten, zweiten und dritten Armen 1232a, b, c gemessenen Größen von einem Computer (z. B. einem digitalen Signalprozessor; einer integrierten Schaltung eines feldprogrammierbaren Gate-Arrays) verarbeitet.
• 13 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung eines Millimeterwellen-Oszillators 1300 im Chip-Maßstab gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Der beispielhafte Oszillator 1300 von 13 ist konfiguriert, um eine optische Frequenzteilung des differentiellen Phasenrauschens von zwei optischen Wellen von ersten und zweiten Dauerstrich-Lasern 1302a, b bei Frequenzen v1 und v2 zu verwenden, die durch einige THz getrennt sind. Die ersten und zweiten Dauerstrich-Laser 1302a, b können (z. B. unter Verwendung einer Pound-Drever-Hall-Stabilisierung) auf einen gemeinsamen Resonator mit einem hohen Qualitätsfaktor stabilisiert werden. In bestimmten Ausführungsformen folgen die ersten und zweiten Dauerstrich-Laser 1302a, b teilweise den Fluktuationen des gemeinsamen Resonators, was zu einer gemeinsamen Rauschunterdrückung auf die erste Ordnung führen kann. Die zwei rückgestreuten Stokes-Oszillationen können für eine bessere spektrale Reinheit extrahiert werden. In bestimmten Ausführungsformen ist ein Dual-Mach-Zehnder-Modulator (DMZM) 1310 konfiguriert (der z. B. als zwei Aktuatoren wirkt), um die Wiederholungsratenfrequenz f_rep und die Trägerhüllkurvenversatzfrequenz f_ceo zu steuern und einen optischen Frequenzmikrokamm zu erzeugen, der durch den ersten Dauerstrich-Laser 1302a bei einer Modenresonanz n gepumpt wird. Jedes optische Kammmodenfrequenzrauschen kann aus dem Frequenzrauschen des ersten Dauerstrich-Lasers 1302a abgeleitet werden. In bestimmten Ausführungsformen wird ein Schwebungston zwischen dem zweiten Dauerstrich-Laser 1302b und einer benachbarten Kammmode m mit einem stabilen RF-Signal im Basisband verglichen. Der Frequenzvergleich kann verwendet werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das an den DMZM 1310 zurückgeführt wird, der die Wiederholungsratenfrequenz f_rep oder die Trägerhüllkurvenversatzfrequenz f_ceo moduliert.
• In bestimmten Ausführungsformen wird das optische Frequenzmikrokamm-Phasenrauschen unter Verwendung von zwei Gleichungen bestimmt: $$\text{n}\mathrm{\delta }{\text{f}}_{\text{rep}}+\text{n}\mathrm{\delta }{\text{f}}_{\text{ceo}}=\mathrm{\delta }{\text{v}}_2$$

  

  $$\text{m}\mathrm{\delta }{\text{f}}_{\text{rep}}+\mathrm{\delta }{\text{f}}_{\text{ceo}}=\mathrm{\delta }{\text{v}}_2$$

  

  was zu Folgendem führt: $$\mathrm{\delta }{\text{f}}_{\text{rep}}\mathrm{=}\left(\mathrm{\delta }{\text{v}}_2-\mathrm{\delta }{\text{v}}_1\right)/\left(\text{m}-\text{n}\right).$$

  
• In bestimmten Ausführungsformen wird das differentielle Phasenrauschen durch einen Soliton-Mikrokamm bei der Wiederholungsrate, die bei einigen hundert GHz liegen kann (z. B. Millimeterwelle), heruntergeteilt. In bestimmten Ausführungsformen sind alle in 13 schematisch veranschaulichten Komponenten im Chip-Maßstab. Die Vorhersage der Phasenrauschleistung kann schwierig sein, und Dauerstrich-Laser in einem Chip-Maßstab-Faktor sind möglicherweise nicht so rauscharm wie die umfangreiche Brillouin-Quelle. Unter Verwendung einer 8 THz-Frequenztrennung bis hinunter zu 300 GHz wird jedoch erwartet, dass bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen zu einer Phasenrauschreduzierung von fast 30 dB führen.
• 14A veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung 1400 einer Rauschreduzierung eines optischen Frequenzmikrokamms auf Chip-Größe basierend auf der Rauschkompensation des Pumplasers gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Wie schematisch durch 14A veranschaulicht, wird Pumplicht von einem Dauerstrich-Laser 1402 verstärkt und in zwei Abschnitte aufgeteilt, die sich in getrennten Pfaden ausbreiten. Ein erster Abschnitt des Pumplichts (z. B. 1% des Pumplichts) wird von einem ersten Arm 1412a aufgenommen, der ein selbstheterodynes Interferometer mit einer optischen Verzögerung (z. B. Verzögerungslänge kann so kurz wie einige Zentimeter sein) auf einem ersten Zweig und einen optischen Frequenzschieber (z. B. einen Einzelseitenbandmodulator oder einen akustischen optischen Modulator (AOM)) auf einem zweiten Zweig umfasst, und das Ausgangssignal, das die kombinierte Ausgabe vom ersten und zweiten Zweig umfasst, wird mit einer Fotodiode (PD) 1420 detektiert. In bestimmten Ausführungsformen wird ein Fehlersignal durch Mischen des Signals von der PD 1420 und eines 80 MHz-Signals, das mit einem Signalgenerator (SG2) und einem Teiler erzeugt wird, erzeugt, der Antriebssignale für alle optischen Frequenzschieber im System bereitstellen kann. Wie schematisch durch 14A veranschaulicht, kann das Fehlersignal von einer PID-Sperreinheit (z. B. zum Kompensieren des Frequenzrauschens der Pumpe) empfangen werden, und sein Ausgangssteuersignal kann an einen Einzelseitenbandmodulator (SSBM) 1430 angelegt werden, um das Laserrauschen durch einen Spannungsaddierer, einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einen RF-Verstärker und einen hybriden 90-Grad-Teiler zu kompensieren.
• Ein zweiter Abschnitt des Pumplichts (z. B. 99 % des Pumplichts) von 14A wird von einem zweiten Arm 1412b empfangen, der einen Ringresonator 1440 umfasst, der zur Kammerzeugung und zur Phasenrausch-Charakterisierung außerhalb der Schleife verwendet wird. Der Soliton-Kamm kann durch ein schnelles Durchstimmen der Pumpfrequenz mit dem SSBM 1430 initiiert werden, wobei das Durchstimmen durch eine Stufenwellenform von einem Signalgenerator (SG1) gestartet wird. Zum Beispiel kann der Resonator 1440 aus Siliziumnitrid hergestellt sein und kann einen freien Spektralbereich von etwa 300 GHz aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen wird, um die Messung außerhalb der Schleife zu demonstrieren, das starke Pumplicht des Soliton-Kamms mit einem Bandsperrfilter (BSF) unterdrückt, um Übersprechen zu vermeiden, und eine der Kammlinien wird mit einem Bandpassfilter (BPF) gewählt, um das Frequenzrauschen zu messen. Die ausgewählte Kammlinie kann verstärkt werden und ihr Rauschen kann durch eine Selbstheterodyn-Interferometer-Frequenzrauschmessung charakterisiert werden.
• 14B ist eine grafische Darstellung des Frequenzrauschens innerhalb der Schleife der beispielhaften Implementierung 1400 im Chip-Maßstab von 14A. Wie in 14B gezeigt, wird der größte Teil des beobachteten Rauschens unterdrückt, indem der PID-Regler des SSBM 1430 eingeschaltet wird, bei Versatzfrequenzen, die höher als 100 kHz sind, wird die Rauschunterdrückung aufgrund einer begrenzten Rückkopplungsbandbreite nicht beobachtet. 14C ist eine grafische Darstellung des Frequenzrauschens einer Kammlinie, das durch die Messung außerhalb der Schleife der beispielhaften Implementierung 1400 im Chip-Maßstab von 14A erhalten wird. Wie in 14C gezeigt, wird eine große Frequenzrauschreduzierung (z. B. um fast zwei Größenordnungen) bei Fourier-Frequenzen zwischen 1 kHz und 50 kHz mit der PID-Regelung erreicht. 14D ist eine grafische Darstellung solcher Messungen, die für verschiedene Kammlinien zwischen 1542 nm und 1568 nm (191,3 bis 194,5 THz) und aufgezeichnetem Frequenzrauschpegel bei 10 kHz Fourier-Frequenz wiederholt werden. 14D zeigt eine moderate Zunahme des Kammlinienrauschens, wenn die Frequenz für die freie Laufbedingung zunimmt. Ein lokales Minimum wird bei einer Pumpfrequenz für die PID-Regelung mit 100 m Verzögerung gezeigt, wobei das Pumpphasenrauschen unterdrückt wird, was impliziert, dass das niedrige Rauschen eines Pumpsignals nicht auf alle Kammlinien übertragen wird, wenn das Wiederholungsratenrauschen im Vergleich zum Pumprauschen groß ist.
• 15A und 15B veranschaulichen schematisch zwei beispielhafte Interferometer 1500 zur Laserrauschkompensation (z. B. wie in der beispielhaften Implementierung von 14A verwendet) gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. In jedem der 15A und 15B wird ein Mikrokamm durch ein schnelles Durchstimmen der Frequenz eines Pumplasers mit einem SSBM 1530 initiiert, der mit einem Ringresonator 1540 gekoppelt ist. Das Pumplicht wird nach dem SSBM in zwei Arme aufgeteilt. In einer internen Interferometerkonfiguration, die schematisch durch 15A veranschaulicht ist, ist der erste Arm 1512a konfiguriert, um den Mikrokamm zu erzeugen, und der zweite Arm 1512b ist konfiguriert, um das empfangene Licht mit einem akustischen optischen Modulator (AOM) 1514 zu modulieren. Der im ersten Arm 1512a erzeugte Mikrokamm wird in zwei Teilarme aufgeteilt, einen ersten Teilarm 1520a, der für eine Außerschleifenmessung konfiguriert ist, und einen zweiten Teilarm 1520b, der zum Kombinieren seines Lichts mit dem modulierten Licht des zweiten Arms 1512b konfiguriert ist. Das kombinierte Licht wird mit einer Fotodiode (PD) 1550 detektiert, um sowohl Resonatorrauschen als auch Laserrauschen zu messen.
• In einer externen Interferometerkonfiguration, die schematisch durch 15B veranschaulicht ist, ist der erste Arm 1512a konfiguriert, um den Mikrokamm zu erzeugen und für die Außerschleifenmessung, und der zweite Arm 1512b ist direkt mit einem Rauschmesssystem mit selbstheterodyner Frequenz in einer externen Interferometerkonfiguration verbunden, wobei nur Laserrauschen an einer PD 1550 detektiert wird. Das detektierte Rauschen kann verwendet werden, um Fehlersignale zu erzeugen, und das Rauschen kann durch PID-Regelung zum SSBM 1530 kompensiert werden.
• 16 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung 1600 einer Rauschreduzierung eines optischen Frequenzmikrokamms auf Chip-Größe basierend auf der Stabilisierung einer Mikrokammmode auf die Resonanz eines Mikroresonators 1610 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Wie schematisch durch 16 veranschaulicht, wird der Mikrokamm unter Verwendung einer rauscharmen Quelle 1602 von Pumplicht erzeugt. Eine der Kammlinien, die eine Frequenz weit weg von der der Pumpe aufweist, wird mit einem optischen Koppler und einem optischen Bandpassfilter (OBPF) 1620 herausgefiltert. Die gefilterte Kammlinie ist mit einem Referenzresonator 1630 gekoppelt, und die Transmission wird mit einem Fotodetektor (PD) 1640 gemessen. Die Differenz zwischen der Wellenlänge der Kammlinie und der Resonanz des Resonators wird durch die Transmission des Resonators gemessen und kann nominell auf einen Punkt hoher Transmission pro Wellenlängensteigung eingestellt werden. Die Transmission kann konstant gehalten werden, indem entweder die Frequenz des Mikrokamm-Resonators (z.B. mit einer Heizvorrichtung) oder die Pumpamplitude oder -frequenz gesteuert wird. In bestimmten solchen Ausführungsformen werden zwei Frequenzen des Mikrokamms mit großer Frequenzdifferenz stabilisiert, was zu einer Stabilisierung der Mikrokamm-Wiederholungsrate führt.
• 17 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Implementierung 1700 einer Rauschreduzierung eines optischen Frequenzmikrokamms auf Chip-Größe basierend auf der Stabilisierung von zwei Mikrokammmoden auf die Resonanzen eines Mikroresonators gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Wie schematisch durch 17 veranschaulicht, wird der Mikrokamm unter Verwendung einer Quelle 1702 von Dauerstrich-Pumplicht erzeugt, und die zwei Kammlinien werden mit optischen Kopplern und optischen Bandpassfiltern (OBPF) 1720 herausgefiltert. Die gefilterten Kammlinien werden mit unterschiedlichen Frequenzen durch elektrooptische Modulatoren (EOMs) 1730 moduliert und sind mit einem Referenzresonator 1740 gekoppelt, wobei die Wellenlängen der Kammlinien bei steilen Steigungen der Resonanzen eingestellt werden können. Die Transmission wird mit einem Fotodetektor (PD) 1750 detektiert, und ein Diplexer 1760 trennt RF-Signale mit den zwei unterschiedlichen Frequenzen. Jede RF-Signalintensität kann konstant gehalten werden, indem entweder die Pumpamplitude oder - frequenz gesteuert wird. In bestimmten solchen Ausführungsformen werden zwei Frequenzen des Mikrokamms mit großer Frequenzdifferenz stabilisiert, was zu einer Stabilisierung der Mikrokamm-Wiederholungsrate führt.
• 18A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Millimeterwellenoszillator 1800 (z. B. im Chip-Maßstab) unter Verwendung eines beispielhaften Stabilisierungsmittels, um die spektrale Reinheit eines dielektrischen Resonanzoszillators auf die Wiederholungsrate eines Mikroresonators in einem Soliton-Regime gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen zu übertragen. Ein abstimmbarer Dauerstrichlaser 1802 (z.B. Pumplaser) ist konfiguriert, um einen Siliziumnitrid(SiN4)-Mikroresonator 1810 durch einen optischen Einzelseitenbandmodulator 1820 (z.B. einen Dual-Mach-Zehnder-Modulator oder DMZM) und einen optischen Verstärker 1822 (z.B. einen Erbium-dotierten Faserverstärker oder EDFA) zu pumpen. Die Ausgabe aus dem optischen Verstärker 1822 wird in einen ersten Arm 1824a und einen zweiten Arm 1824b aufgeteilt. Der erste Arm 1824a umfasst ein lichtempfindliches Element 1830, das konfiguriert ist, um die Wiederholungsrate zu fotodetektieren. Der zweite Arm 1824b umfasst einen Wellenformer 1840, der konfiguriert ist, um zwei optische Linien des Soliton-Kamms auszuwählen (z.B. um als ein Doppelbandpassfilter zu wirken). Die zwei ausgewählten optischen Linien sind in der Frequenz durch die Wiederholungsrate getrennt (z.B. im Millimeterwellen- und Terahertz-Bereich) und werden beide durch zwei kaskadierte Phasenmodulatoren (PM) 1850 moduliert, die durch einen dielektrischen Resonanzoszillator (DRO) 1852 angetrieben werden, der mit einem Hochleistungsverstärker (HPA) 1854 verstärkt wird. Der DRO 1852 kann mit einem von 10 MHz abgeleiteten Signal synchronisiert werden (z.B. durch einen atomaren Takt oder durch GPS). Zwei elektrooptische Frequenzkämme werden dann aus den zwei ausgewählten optischen Leitungen erzeugt. Durch Detektieren des Spektralbereichs, in dem sich die zwei elektrooptischen Frequenzkämme überlappen, kann eine RF-Frequenz (z.B. größer als 5 GHz, wenn die DRO-Frequenz 10 GHz beträgt) detektiert werden. Diese RF-Frequenz trägt das Wiederholungsratenrauschen sowie das Phasenrauschen des DRO 1852, das durch f_rep/f_DRO multipliziert wird. Nach RF-Verstärkung des Signals mit einem rauscharmen Verstärker (LNA) wird ein Fehlersignal mit einem Phasendetektor erzeugt, wobei die RF-Frequenz mit demselben 10 MHz-Signal gemischt wird, das den DRO 1852 synchronisiert. Das Fehlersignal wird an den DMZM 1820 durch einen PID-Filter 1860 angelegt, der einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 1862 antreibt. Das Phasenrauschen der Wiederholungsrate ist eine Kopie des Phasenrauschens des DRO, das mit f_rep/f_DRO multipliziert wird.
• 18B ist eine grafische Darstellung der gemessenen spektralen Leistungsdichte (PSD) des Phasenrauschens (dBc/Hz) gegenüber der Fourier-Frequenz (Hz) des beispielhaften Millimeterwellen-Oszillators 1800 von 18A, der mit einem Mikrokamm bei 300 GHz gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen erzeugt wird. Um eine Messung des Phasenrauschens außerhalb der Schleife durchzuführen, das mit dem Mikrokamm durch das Millimeterwellen-Signal erzeugt wird, wurde eine Brillouin-Quelle bei 300 GHz als Referenz verwendet. Die Brillouin-Quelle bei 300 GHz war zuvor mit großer Vorsicht charakterisiert worden, um vorläufig sicher bezüglich des Rauschens des Mikrokamms zu sein. Ein Millimeterwellen-Grundfrequenzmischer wurde verwendet, um einen Schwebungston zwischen den zwei Millimeterwellenquellen zu detektieren. Wie in 18B gezeigt, erreichte das gemessene Phasenrauschen -88 dBc/Hz bei 10 kHz Fourier-Frequenz, was ein aufgezeichnetes Phasenrauschen bei 300 GHz ist, das durch einen Mikroresonator erzeugt wird.
• 19A veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Chip-Brillouin-Laser 1900 basierend auf einem optischen Lithium-Niobat-Resonator (LN-Resonator) 1910 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Dauerstrichlicht ist mit dem LN-Resonator 1910 gekoppelt, und das Licht wird durch Brillouin-Streuung rückgestreut. Die Linienbreite des rückgestreuten Lichts wird aufgrund des optischen hohen Q-Werts des Resonators 1910 und der akustischen Dämpfung reduziert. Mit einem starken Pumplicht innerhalb des Resonators 1910 kann eine akustische Welle durch den Elektrostriktionseffekt oder durch Strahlungsdruck im Material induziert werden, und das Pumplicht kann ein Stokes-Lichtsignal erzeugen, das durch die akustische Welle gestreut wird (z. B. in die entgegengesetzte Richtung). Das Phänomen ist als stimulierte Brillouin-Streuung bekannt. Wenn der freie Spektralbereich des Resonators 1910 innerhalb einer Brillouin-Verschiebungsfrequenz von LN mit einer bestimmten Linienbreite (z. B. 17,8 GHz mit einer Linienbreite von 10-100 MHz) liegt, können sowohl das Pumplicht als auch das Stokes-Licht mit dem Resonator 1910 in Resonanz sein, sodass das System als ein Dreipegelsystem mit einer bestimmten Brillouin-Laserschwelle betrachtet werden kann. Mit einem hohen Q-Wert des Resonators 1910 können die Pumpstrahlung und das Stokes-Licht die akustische Welle stark verstärken, und die Brillouin-Laserschwelle kann dramatisch reduziert werden (z. B. beträgt eine geschätzte Schwelle für einen LN-Resonator etwa 20 mW mit Q von 4 × 10⁶). Zusätzlich kann die Linienbreite der Stokes-Welle aufgrund des optischen hohen Q-Werts und des akustischen Dämpfungseffekts (z. B. etwa 30-fache Reduzierung für einen LN-Resonator mit Q von 4 × 10⁶) reduziert werden (z. B. wird das Frequenzrauschen reduziert).
• In bestimmten Ausführungsformen wird LN aufgrund seiner moderat hohen fotoelastischen Koeffizienten verwendet. Andererseits ist LN ein anisotropes Material mit einem trigonalen Kristallsystem, und seine Brillouin-Verschiebungsfrequenz ist für verschiedene Ausbreitungsrichtungen unterschiedlich. In bestimmten Ausführungsformen, wie schematisch in 19A veranschaulicht, weist die Resonatorstruktur die Form einer Rennbahn auf, die gekrümmte Wellenleiterabschnitte und gerade Wellenleiterabschnitte umfasst. In bestimmten Ausführungsformen sind die geraden Abschnitte länger als die gekrümmten Abschnitte, und die geraden Abschnitte sind auf eine Kristallorientierung mit einem höheren fotoelastischen Koeffizienten ausgerichtet, um die Brillouin-Verstärkung zu maximieren. In bestimmten Ausführungsformen kann der beispielhafte Brillouin-Laser verwendet werden, um Frequenzrauschen von Dauerstrichlasern für die Millimeterwellenquelle im Chip-Maßstab zu unterdrücken.
• In bestimmten Ausführungsformen hängen die Eigenschaften des Brillouin-Lasers von der Kristallorientierung der LN aufgrund der anisotropen Struktur von LN ab. Die Eigenschaften können durch Simulieren von optischen und akustischen Moden, die in einem Wellenleiter angeregt werden, geschätzt werden. Zum Beispiel können Brillouin-Verstärkung und Verschiebungsfrequenz durch Folgen der Prozedur berechnet werden, die in Wenjun Qiu, Peter T. Rakich, Heedeuk Shin, Hui Dong, Marin Soljǎcić und Zheng Wang, „Stimulated Brillouin scattering in nanoscale silicon step-index waveguides: a general framework of selection rules and calculating SBS gain,“ Optics Express 21, 31402-419 (2013) beschrieben ist.
• 19B veranschaulicht schematisch einen Querschnitt einer beispielhaften LN-Rippenwellenleiterstruktur für die Brillouin-Laserung von 19A gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Eine x-geschnittene LN kann eingesetzt werden und die gesamte Struktur kann mit Siliziumdioxid beschichtet werden. Zum Beispiel kann, wie schematisch in 19B veranschaulicht, die LN-Rippenwellenleiterstruktur eine Plattendicke t_slab von 0,3 Mikrometer, eine Wellenleiterbreite W_wg von 1,6 Mikrometer, eine Wellenleiterdicke t_wg von 0,3 Mikrometer und einen Wellenleiterwandwinkel θ_Wall von 62 Grad aufweisen.
• 19C zeigt beispielhafte simulierte optische Moden (oberer Abschnitt von 19C) und akustische Moden (unterer Abschnitt von 19C) des beispielhaften LN-Wellenleiters mit einem schematisch in 19B veranschaulichten Querschnitt gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Simulation wurde durch das Finite-Elemente-Verfahren durchgeführt.
• 19D ist eine grafische Darstellung der Brillouin-Verschiebungsfrequenz gegenüber der berechneten Brillouin-Verstärkung in einem beispielhaften x-geschnittenen LN-Wellenleiter gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. Wie in 19D gezeigt, betrugen die erhaltene maximale Verstärkung und ihre Brillouin-Verschiebungsfrequenz für ein Pumplicht mit einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer jeweils etwa 1,9 (m*W)^-1 und 17,7 GHz. Die gleiche Berechnung wurde für LN-Wellenleiter mit unterschiedlichen Kristallorientierungen durchgeführt, und eine maximale Verstärkung von etwa 0,45 (m*W)^-1 und eine Brillouin-Verschiebungsfrequenz von 17,7 GHz wurden für z-geschnittene LN (z. B. y-Achse entsprechend der horizontalen Achse in einem Wellenleiterquerschnitt) erhalten, und eine maximale Verstärkung von etwa 0,48 (m*W)^-1. und eine Brillouin-Verschiebungsfrequenz von 19,7 GHz wurden jeweils für y-geschnittene LN (z. B. x-Achse entsprechend der horizontalen Achse in einem Wellenleiterquerschnitt) erhalten.
• Somit wurde die Erfindung in mehreren Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und Elemente, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, mit anderen Ausführungsformen auf geeignete Weise kombiniert, umgeordnet oder eliminiert werden können, um gewünschte weitere Ausführungsformen zu realisieren. Kein einzelnes Merkmal oder keine Gruppe von Merkmalen ist für jede Ausführungsform notwendig oder erforderlich.
• Zum Zwecke der Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung werden bestimmte Aspekte, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass nicht notwendigerweise alle derartigen Vorteile gemäß einer bestimmten Ausführungsform erreicht werden können. Somit kann die vorliegende Erfindung auf eine Weise ausgeführt oder durchgeführt werden, die einen oder mehrere Vorteile erzielt, ohne notwendigerweise andere Vorteile zu erzielen, wie sie hierin gelehrt oder vorgeschlagen werden können.
• Wie hierin verwendet, bedeutet jede Bezugnahme auf „eine Ausführungsform“ oder „einige Ausführungsformen“, dass ein bestimmtes Element, Merkmal, Struktur oder Eigenschaft, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Das Auftreten des Ausdrucks „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in der Beschreibung bezieht sich nicht notwendigerweise alle auf dieselbe Ausführungsform. Hierin verwendete bedingte Sprache, wie unter anderem „kann“, „könnte“, „z.B.“ und dergleichen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder anderweitig im verwendeten Kontext verstanden, soll im Allgemeinen vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte enthalten, während andere Ausführungsformen dies nicht tun. Darüber hinaus sind die Artikel „ein“ oder „eine“ oder „der/die/das“, wie sie in dieser Anmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, so auszulegen, dass sie „ein oder mehrere“ oder „mindestens ein“ bedeuten, sofern nicht anders angegeben.
• Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthält“, „enthaltend“, „weist auf“, „aufweisend“ oder jede andere Variation davon offene Begriffe und sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung meinen. Zum Beispiel ist ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst, nicht notwendigerweise auf nur diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente enthalten, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder einem solchen Prozess, Verfahren, Artikel oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind. Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich gegenteilig angegeben, auf ein einschließendes oder und nicht auf ein ausschließendes oder. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), oder sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden). Wie hierin verwendet, bezieht sich ein Ausdruck, der sich auf „mindestens eines von“ einer Liste von Elementen bezieht, auf jede Kombination dieser Elemente, einschließlich einzelner Elemente. Als ein Beispiel soll „mindestens eines von: A, B oder C“ abdecken: A, B, C, A und B, A und C, B und C, und A, B und C. Konjunktive Sprache wie der Ausdruck „mindestens eines von X, Y und Z“ wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, anderweitig mit dem Kontext verstanden, wie er im Allgemeinen verwendet wird, um zu vermitteln, dass ein Element, Begriff usw. mindestens eines von X, Y oder Z sein kann. Somit bedeutet diese konjunktive Sprache im Allgemeinen nicht, dass bestimmte Ausführungsformen mindestens eines von X, mindestens eines von Y und mindestens eines von Z erfordern, um jeweils vorhanden zu sein.
• Obwohl hierin nur bestimmte Ausführungsformen spezifisch beschrieben wurden, ist es somit offensichtlich, dass daran zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Ferner werden Akronyme lediglich verwendet, um die Lesbarkeit der Beschreibung und der Ansprüche zu verbessern. Es ist zu beachten, dass diese Akronyme nicht dazu gedacht sind, die Allgemeingültigkeit der verwendeten Begriffe zu verringern, und sie sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche auf die darin beschriebenen Ausführungsformen beschränken.

Claims (22)

1. Verfahren zum Erzeugen von optischen Millimeterwellensignalen, wobei das Verfahren umfasst: Phasenverriegeln von zwei Frequenzkomponenten einer bichromatischen Pumpquelle; Eingeben der zwei Frequenzkomponenten in einer Faserringkavität und Erzeugen einer bichromatischen Ausgabe aus der Faserringkavität; und Fotomischen der bichromatischen Ausgabe der Faserringkavität.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die bichromatische Pumpquelle einen einzelnen Laser, einen elektrooptischen Kamm und mindestens einen optischen Bandpassfilter umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Faserringkavität ein Modenspektrum aufweist, das mit einer Mikrowellenreferenzfrequenz phasenverriegelt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Faserringkavität durch die zwei Frequenzkomponenten der bichromatischen Pumpquelle gepumpt wird, wobei die zwei Frequenzkomponenten eine erste Frequenz und eine zweite Frequenz aufweisen, die von der ersten Frequenz durch die Mikrowellenreferenzfrequenz oder durch ein ganzzahliges Vielfaches der Mikrowellenreferenzfrequenz getrennt sind.
5. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend das Vergleichen einer Phase einer heterodynen Schwebung zwischen den zwei Frequenzkomponenten mit einer Phase der heterodynen Schwebung zwischen den zwei Frequenzkomponenten.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zwei Frequenzkomponenten durch Einstellen der Faserlänge unter Verwendung eines mechanischen Faserstreckers, Einstellen einer Fasertemperatur und/oder Einstellen einer Frequenz des Pumplichts phasenverriegelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend das Trennen der zwei Frequenzkomponenten unter Verwendung von Polarisationsaufspaltung.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zwei Frequenzkomponenten orthogonale Polarisationsachsen aufweisen.
9. Ein Phasenrauschanalysator, der konfiguriert ist, um Phasenrauschen von Millimeterwellenstrahlung zu messen, wobei der Phasenrauschanalysator umfasst: ein optisches Interferometer, umfassend: einen ersten Arm, der konfiguriert ist, um zwei erste optische Signale zu übertragen, die in der Frequenz voneinander durch eine Millimeterwellenfrequenz getrennt sind; und einen zweiten Arm, der konfiguriert ist, um zwei zweite optische Signale zu übertragen, die in der Frequenz voneinander durch eine Summe oder eine Differenz der Millimeterwellenfrequenz und einer Funkfrequenz getrennt sind; und einen optischen Pfad, der konfiguriert ist, um ein verzögertes heterodynes Signal zu übertragen, das eine Frequenzdifferenz der zwei ersten optischen Signale und der zwei zweiten optischen Signale anzeigt.
10. Phasenrauschanalysator nach Anspruch 9, ferner umfassend ein lichtempfindliches Element und einen Millimeterwellen-Amplitudendetektor, der konfiguriert ist, um das verzögerte heterodyne Signal zu erzeugen und zu detektieren.
11. Phasenrauschanalysator nach Anspruch 9, ferner umfassend zwei lichtempfindliche Elemente und einen Millimeterwellen-Amplituden-Grundmischer, der konfiguriert ist, um das verzögerte heterodyne Signal zu erzeugen und zu detektieren.
12. Der Phasenrauschanalysator nach Anspruch 9, ferner umfassend ein lichtempfindliches Element und einen heterodynen Terahertz-Detektor, der konfiguriert ist, um das verzögerte heterodyne Signal zu erzeugen.
13. Ein Phasenrauschanalysator, der konfiguriert ist, um Phasenrauschen von Millimeterwellenstrahlung zu messen, wobei der Phasenrauschanalysator umfasst: einen optischen Frequenzmodulator, der konfiguriert ist, um durch die Millimeterwellenstrahlung angetrieben zu werden, um ein Dauerstrich-Lasersignal zu empfangen und um optische Seitenbänder auf dem Dauerstrich-Lasersignal zu erzeugen, wobei die optischen Seitenbänder vom Dauerstrich-Lasersignal durch einen Abstand gleich der Millimeterwellenstrahlung beabstandet sind; ein optischer Verzögerungspfad; und ein fotoleitendes Element und einen Mischer, der konfiguriert ist, um eine homodyne Schwebung zwischen einer Frequenzdifferenz zwischen den optischen Seitenbändern und der Millimeterwellenstrahlung abzuleiten.
14. Ein Dualmodus-Spektrumanalysator, der konfiguriert ist, um Phasenrauschen der Millimeterwellenstrahlung zu analysieren, wobei der Dualmodus-Spektrumanalysator umfasst: einen optischen Schalter, der konfiguriert ist, um eine optische Eingabe aus entweder bichromatischer Strahlung oder CW-Laserstrahlung auszuwählen, die bei einer Millimeterwellenfrequenz der Millimeterwellenstrahlung moduliert ist; einen Phasenrauschanalysator wie in einem der Ansprüche 9 bis 13 beschrieben; einen Frequenzdetektor; ein fotoempfindliches Element, das konfiguriert ist, um die bichromatische Strahlung zu fotomischen; einen Millimeterwellen-Leistungsdetektor; und einen Millimeterwellen-Spannungsdetektor.
15. Verfahren zum Echtzeit-Frequenzzählen von Millimeterwellenfrequenzen und Terahertz-Frequenzen, die durch Fotomischen von zwei optischen Frequenzen erzeugt werden, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen von räumlich überlappenden verschränkten elektrooptischen Kämmen aus jeder der zwei optischen Frequenzen unter Verwendung von Frequenz- und Amplitudenmodulatoren; und optisches und elektronisches Filtern der zwei verschränkten Kämme, um die niedrigste Differenzfrequenz zwischen den zwei verschränkten Kämmen bei einer elektronisch zählbaren Funkfrequenz zu isolieren.
16. Eine Millimeterwellenquelle im Chip-Maßstab mit reduziertem Phasenrauschen, wobei die Quelle umfasst: einen photonischen integrierten Frequenzkamm mit einer Wiederholungsfrequenz oder einem Vielfachen der Wiederholungsfrequenz, die auf die Millimeterwellenfrequenz abstimmbar ist; Mittel zum Phasenverriegeln von zwei Kammzähnen auf zwei optische Frequenzen durch Einstellen der Wiederholungsfrequenz und Trägerversatzfrequenzen des Frequenzkamms; Mittel zum Reduzieren von Phasenrauschen der resultierenden Millimeterwelle relativ zu einem Phasenrauschen der zwei optischen Frequenzen.
17. Millimeterwellenquelle im Chip-Maßstab nach Anspruch 16, wobei die zwei optischen Frequenzen auf denselben stabilen Frequenzdiskriminator verriegelt sind.
18. Ein Verfahren zum Reduzieren des Phasenrauschens der Pumpstrahlung auf einen photonischen integrierten Kamm.
19. Ein Verfahren zum Reduzieren der Phase der Pumpstrahlung und zusätzlichem Rauschen, das durch die Kammbildung induziert wird.
20. Ein Verfahren zum Phasenverriegeln der Moden eines photonischen integrierten Kamms mit einem Referenzresonator.
21. Ein Verfahren zum Übertragen der spektralen Reinheit eines dielektrischen Resonanzoszillators auf die Wiederholungsrate eines Mikroresonators, der im Soliton-Regime arbeitet.
22. Ein Verfahren zum Reduzieren des Frequenzrauschens kontinuierlicher Laser für eine Millimeterwellenquelle im Chip-Maßstab durch stimulierte Brillouin-Streuung in einem optischen Lithium-Niobat-Resonator.

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