JP2013171285A - 二光子ルビジウム遷移を使用して超安定周波数基準を発生させるための、精密フォトニック発振器および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二光子ルビジウム遷移を使用して超安定周波数基準を発生させる。
【解決手段】レーザー光源１０２を含むキャビティ安定化基準レーザー１１２が、安定化キャビティにロックされる。安定化されたレーザー出力によりルビジウムセル１０８が呼び掛けられて、少なくとも二光子ルビジウム遷移を引き起こし、検出器１１０は、上準位ルビジウム遷移の自然崩壊に起因する蛍光を検出してもよい。キャビティ安定化基準レーザーをロックして、安定化されたレーザー出力を発生させるために、蛍光の波長において検出器の出力が提供される。周波数コム安定器１１４は、安定化されたレーザー出力にロックされ、超安定周波数基準を発生する際に使用するための光波長のスーパーコンティニューム１１５を発生させる。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

政府の権利
本発明は、米国政府の支援により製作されていない。米国政府は、本発明において特定の権利を有していない。

技術分野
実施形態は、精密発振器と、超安定周波数基準の発生とに関する。いくつかの実施形態は、フォトニック発振器に関する。いくつかの実施形態は、周波数基準発生および通信のシステムに関する。いくつかの実施形態は、レーダーシステム用および航空機搭載システム用の低位相ノイズ超安定発振器に関する。

背景
従来の多くの周波数基準に関する１つの問題は、安定度である。１０⁻¹⁴またはより良好な範囲中の周波数安定度（すなわち、Δｆ／ｆ）に達するための従来の技術は、低温冷却された水晶発振器、セシウムファウンテン時計、および／または、高安定光時計を使用する。これらの従来の周波数基準の多くは、その大きなサイズ、重さ、複雑さ、および／または、電力消費のせいで、魅力的でない。

したがって、超安定周波数基準を発生させるための、改善された精密発振器および方法に対する一般的な必要性がある。従来の多くのシステムよりも複雑でない、超安定周波数基準を発生させるための精密発振器および方法に対する一般的な必要性もある。レーダーシステム、通信システム、および、信号収集システムでの使用に適した、低位相ノイズおよび超安定発振器に対する必要性もある。同期化を要求するシステムで使用するための超安定発振器に対する必要性もある。困難なＥＭＩ環境での使用に適した超安定発振器に対する必要性もある。１０⁻¹⁴を超える周波数安定度を提供することができる超安定周波数基準に対する必要性もある。

概要

いくつかの実施形態では、超安定周波数基準発生システムは、安定化されたレーザー出力を発生させるために安定化キャビティにロックされているレーザー光源を含む、キャビティ安定化基準レーザーと、安定化されたレーザー出力により呼び掛けられ（インタロゲートされ）て、少なくとも二光子ルビジウム遷移を引き起こすように構成されているルビジウムセルと、この上準位ルビジウム遷移の自然崩壊に起因する蛍光を検出する検出器とを具備する。検出器は、キャビティ安定化基準レーザーをロックして、安定化されたレーザー出力を発生させるために、蛍光の波長において出力を提供してもよい。安定化されたレーザー出力にロックして、広いスペクトル範囲をカバーする超安定周波数基準を発生させる際に使用するための光波長のスーパーコンティニュームを発生させる周波数コム安定器を具備してもよい。

いくつかの実施形態では、レーザー光源を安定化キャビティにロックして、予め安定化されたレーザー出力を発生させるキャビティロックループと、二光子励起を使用する上準位ルビジウム遷移の崩壊にレーザー光源をさらにロックして、安定化されたレーザー出力を発生させる周波数制御ループとを具備する超安定周波数基準発生システムが提供されている。システムは、周波数コムをゼロ周波数に対して安定化させる第１の周波数コム安定器制御ループと、周波数コム間隔を安定化させる第２の周波数コム安定器制御ループとを有する周波数コム安定器も具備してもよい。周波数コムは、フェムト秒周波数コムであってもよい。

いくつかの実施形態では、超安定周波数基準を発生させるための方法が提供されている。これらの実施形態では、レーザー光源は、予め安定化されたレーザー出力を発生させるために、安定化キャビティにロックされている。レーザー光源はさらに、安定化されたレーザー出力を発生させるために、二光子ルビジウム遷移の崩壊にロックされている。周波数コム安定器は、安定化されたレーザー出力にロックされ、超安定周波数基準を発生させる際に使用するための光出力を発生させる。

特許請求の範囲は、ここで開示するさまざまな実施形態のうちのいくつかに向けられている。しかしながら、図面とともに考えるときに、詳細な説明は、さまざまな実施形態のより完全な理解を提示し、同一の参照番号は、図面全体を通して類似するアイテムのことを指す。
図１は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準発生システムの機能ダイヤグラムである。 図２Ａは、いくつかの実施形態にしたがった、ルビジウム遷移を示している。 図２Ｂは、いくつかの実施形態にしたがった、周波数基準として使用してもよい超微細遷移のサンプルのスペクトルを示している。 図３は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準発生システムに対する周波数制御ループを示している。 図４は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準発生システムに対するキャビティロックループを示している。 図５は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準発生システムに対する周波数コム安定器を示している。 図６は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準を発生させるための手順である。

詳細な説明

以下の説明および図は、当業者がそれらを実施することができるように特定の実施形態を十分に示している。他の実施形態は、構造的な変更、論理的な変更、電気的な変更、プロセスの変更、および、他の変更を組み込んでもよい。いくつかの実施形態の一部および特徴は、他の実施形態の一部および特徴に含まれていてもよく、あるいは、他の実施形態の一部および特徴と置き換えてもよい。特許請求の範囲で述べる実施形態は、これらの特許請求の範囲のすべての利用可能な均等物を含んでいる。

図１は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準発生システムの機能ダイヤグラムである。超安定周波数基準発生システム１００は、５ｘ１０⁻¹⁴を超える周波数安定度を有する超安定周波数基準１１７を発生させるように構成されていてもよい。いくつかの実施形態では、超安定周波数基準発生システム１００は、場合によってはおよそ１０⁻¹⁵を超える周波数安定度を有する超安定周波数基準１１７を発生させてもよいが、実施形態の範囲はこの点で限定されない。

ここで使用する周波数安定度は、一般的に、１秒における周波数変動、または、１秒平均での周波数変動のことを指す。例えば、１０⁻¹⁵の周波数安定度は、測定当たり平均化時間が１秒以内の一連の周波数測定の標準偏差のことを指す。

いくつかの実施形態では、超安定周波数基準発生システム１００は、安定化キャビティ１０４にロックされているレーザー光源１０２を含む、キャビティ安定化基準レーザー１１２を含んでいてもよい。システム１００は、キャビティ安定化基準レーザー１１２の安定化されたレーザー出力１０５により呼び掛けられることがあるルビジウム（Ｒｂ）セル１０８も含んでいてもよく、キャビティ安定化基準レーザー１１２の安定化されたレーザー出力１０５は、少なくとも（上準位への）二光子ルビジウム遷移をルビジウムセル１０８内で引き起こしてもよい。検出器１１０は、上準位ルビジウム遷移の自然崩壊に起因する、ルビジウムセル１０８内の蛍光１０９を検出してもよい。これらの実施形態では、検出器１１０は、蛍光の波長において検出器出力１１１を提供して、キャビティ安定化基準レーザー１１２をロックし、安定化されたレーザー出力１１３を発生させてもよい。これらの実施形態では、レーザー光源１０２は、安定化キャビティ１０４とルビジウムセル１０８内のルビジウム遷移との双方にロックしている。

いくつかの実施形態では、超安定周波数基準発生システム１００は、安定化されたレーザー出力１０５の周波数を２倍にする周波数二倍器１０６も含んでいてもよい。２倍にされた安定化レーザー出力１０７は、レーザー光源１０２をルビジウム遷移にロックする際に使用するための出力を発生させるためにルビジウムセル１０８に呼び掛けるように構成されていてもよい。

超安定周波数基準発生システム１００は、周波数コム安定器１１４も含んでいてもよく、周波数コム安定器１１４は、安定化されたレーザー出力１１３にロックされてもよい。周波数コム安定器１１４は、光波長のスーパーコンティニューム１１５を含む光波長の出力を発生させてもよい。スーパーコンティニューム１１５は、オクターブスパンの波長であってもよいが、実施形態の範囲はこの点で限定されない。いくつかの実施形態では、光コムの歯の間の間隔は、周波数コムを発生させるのに使用してもよいフェムト秒レーザーのフェムト秒レーザーパルス繰り返し周波数により決定されてもよい。

いくつかの実施形態では、超安定周波数基準発生システム１００は、光波長のスーパーコンティニューム１１５から超安定周波数基準１１７を発生させるＲＦ発生回路１１６も含んでいてもよい。超安定周波数基準１１７は、１つ以上の超安定ＲＦ出力信号またはマイクロ波出力信号を含んでいてもよいが、実施形態の範囲はこの点で限定されない。ＲＦ発生回路１１６は、数ある中で、光波長のスーパーコンティニューム１１５を超安定周波数基準１１７に変換するフォト検出器を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、超安定周波数基準１１７は、１組のＲＦ信号またはマイクロ波信号を含んでいてもよい。

いくつかの実施形態では、周波数コム安定器１１４は、数ある中で、ファイバーポンプと、ｆ−２ｆロッキング干渉計と、ファイバーベースの周波数コム（すなわち、ファイバーコム）とを含んでいてもよい。ファイバーベースの周波数コムは、光波長のスーパーコンティニューム１１５を発生させるための非線形ファイバーを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、周波数コム安定器１１４は、周波数コムをゼロ周波数に対して安定させる第１の制御ループと、周波数コムの間隔を安定させる第２の制御ループとを含んでいる。これらの実施形態は以下でさらに詳細に論じる。

いくつかの実施形態では、ルビジウムセル１０８は、ルビジウム８５およびルビジウム８７のような、ルビジウムのさまざまな同位体を含むルビジウム蒸気セルであってもよいが、実施形態の範囲はこの点で限定されない。これらの実施形態では、ルビジウム蒸気セルが呼び掛けられて（光源により照射されて）、光子励起が引き起こされる。

図１で示されているように、２つの補足的なロックループを使用して、安定化されたレーザー出力１１３を発生させてもよい。キャビティロックループ１２１は、安定化キャビティ１０４にレーザー光源１０２をロックしてもよい。キャビティロックループ１２１は、システム１００の短期位相ノイズ性能を助長することができる。周波数制御ループ１２３は、ルビジウムセル１０８内のルビジウム遷移にレーザー光源１０２をロックしてもよい。周波数制御ループ１２３は、より長期の安定度の達成を助長するために、長期の環境ドリフトの減少を助長してもよい。これらの実施形態では、周波数制御ループ１２３は、二光子励起を使用する上準位ルビジウム遷移の崩壊にレーザー光源をロックして、安定化されたレーザー出力を発生させることができる。

これらの実施形態では、レーザー光源１０２を安定化キャビティ１０４にロックすることにより、キャビティ安定化基準レーザー１１２のレーザー周波数の変動を減少させてもよい。キャビティ安定化基準レーザー１１２の出力を原子遷移（すなわち、二光子ルビジウム遷移）にロックすることにより、レーザー周波数の変動はさらに減少される。何らかのロッキングループを使用しないと、レーザー出力の周波数は、数分の間に、数ＭＨｚだけドリフトするかもしれない。安定化キャビティ１０４にロックすることは、このドリフトを実質的に（例えば、だいたい数百万回強だけ）減少させることができる。二光子ルビジウム遷移にロックすることは、依然として残っている何らかのスロードリフトを除去することができる。したがって、周波数の揺らぎおよびドリフトが除去され、または、少なくとも大幅に減少され、それにより、出力１１３は安定化されたと見なされる。

システム１００は、長期の安定度においてかなりの改善を提供し、従来の多くのシステムを越える位相ノイズが達成される。例えば、超安定周波数基準発生システム１００により発生される超安定周波数基準１１７は、少なくとも５ｘ１０⁻¹⁴の周波数安定度を、または、より高い周波数安定度を有していてもよく、５ｘ１０⁻¹⁵を超える周波数安定度を有することさえあるが、実施形態の範囲はこの点で限定されない。超安定周波数基準１１７は、さらに、例えば、１０ＧＨｚキャリアから離れた１Ｈｚにおいて、−１００ｄＢｃ／Ｈｚより小さい位相ノイズを有していてもよい。

超安定周波数基準発生システム１００は、チップスケール周波数基準として実現されてもよく、ハンドヘルドＧＰＳ受信機のような小型で安価なデバイスで現在使用されている従来の多くの水晶発振器よりも、さらに良好な性能を提供することができる。いくつかの実施形態では、超安定周波数基準発生システム１００は、宇宙船システムまたは航空機搭載システムに統合するのに適したパッケージで実現されてもよい。

超安定周波数基準発生システム１００は、レーダーシステム、通信システム、および、信号収集システムでの使用にも適していてもよい。超安定周波数基準発生システム１００は、同期化を要求するシステムでの使用にも適していてもよい。超安定周波数基準発生システム１００は、困難なＥＭＩ環境での使用にも適していてもよい。

図１では、いくつかの別個の機能エレメントを有するものとして超安定周波数基準発生システム１００が示されているが、機能エレメントのうちの１つ以上を組み合わせてもよく、機能エレメントのうちの１つ以上は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む処理エレメントのような、ハードウェアエレメントとソフトウェア構成エレメントの組み合わせにより、および／または、他のハードウェアエレメントにより、実現されてもよい。例えば、いくつかのエレメントは、１つ以上のマイクロプロセッサ、ＤＳＰ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）、ならびに、少なくともここで説明する機能を実行するためのさまざまなハードウェアおよび論理回路の組み合わせを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、超安定周波数基準発生システム１００の機能エレメントは、１つ以上の処理エレメント上で動作する１つ以上のプロセスのことを指してもよい。

図２Ａは、いくつかの実施形態にしたがった、ルビジウム遷移を示している。上記で論じたように、安定化されたレーザー出力１０７（図１）によるルビジウムセル１０８（図１）の呼び掛け（インタロゲーション）は、少なくとも二光子ルビジウム遷移２０３を引き起こしてもよい。示されているように、二光子ルビジウム遷移２０３は、５ｓ準位２０２から５ｄ準位２０４への二光子ルビジウム遷移であってもよい。崩壊遷移２０７として示されている、６ｐ準位２０６から５ｓ準位２０２への自然崩壊は、検出器１１０（図１）により検出されることがある蛍光を、結果として生じさせることがある。励起された原子は、上準位（例えば、準位２０６）から、正確な波長において蛍光を発する下準位（例えば、準位２０２）へと自然に崩壊する。

これらの実施形態では、５ｓ準位２０２から５ｄ準位２０４への二光子ルビジウム遷移２０３は、正確に７７８．１ｎｍの波長におけるものであってもよい。崩壊遷移２０７および検出される蛍光１０９（図１）は、正確に４２０．２ｎｍの波長におけるものであってもよい。これらの実施形態では、検出器出力１１１（図１）は、崩壊遷移２０７の波長（例えば、４２０．２ｎｍ）におけるものであってもよく、検出器出力１１１（図１）を使用して、キャビティ安定化基準レーザー１１２（図１）をさらにロックして、安定化されたレーザー出力１１３（図１）を発生させてもよい。これらの実施形態では、崩壊遷移２０７の波長に敏感であるように検出器１１０が選択されてもよい。

いくつかの例示的な実施形態では、レーザー光源１０２は、１５５６ｎｍ波長を発生させる１５５６ｎｍファイバーレーザーであってもよい。波長分割器１０６（図１）により半減されたときに、７７８ｎｍ波長が生成されてもよく、７７８ｎｍ波長は、ルビジウムセル１０８内で二光子遷移２０３を引き起こすために使用されることがある。これらの例示的な実施形態では、１５５６ｎｍ波長の正確に半分である、正確に７７８ｎｍにおいて、二光子ルビジウム遷移２０３が起こるので、１５５６ｎｍファイバーレーザーが使用される。二光子ルビジウム遷移２０３を引き起こすための７７８ｎｍ波長を発生させるために、他のレーザー光源および波長分割器／逓倍器の組み合わせも使用してもよい。いくつかの実施形態では、波長分割器１０６は、１５５６ｎｍ波長を７７８ｎｍ波長に変換するための非線形光学の構成部分を含んでいてもよいが、これは必要条件ではない。

図２Ａはまた、ルビジウム８５に対する超微細分裂２１２と、ルビジウム８７に対する超微細分裂２１４とを示している。示されているように、この超微細分裂は、結果として、異なる遷移になり、５ｓ準位２０２および５ｄ準位２０５に対して起こることがある。いくつかの実施形態にしたがって、ルビジウムの同位体のうちの１つにおける最も強い遷移が、安定化のために使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、安定化キャビティ１０４（図１）は、寸法安定光学キャビティ（dimensionally-stable optical cavity）であってもよく、超低膨張（ＵＬＥ）ガラスファブリー・ペローキャビティであってもよいが、これは、必要条件ではない。パウンド・ドレバー・ホール（ＰＤＨ）安定化技術を使用して、レーザー光源１０２の出力を光学キャビティに予め安定化させてもよい。この予めの安定化により、超安定周波数基準発生システム１００の短期の安定度を改善することができる。例示的な実施形態では、７．７５ｃｍの長さと、１５０，０００より大きいか、または、１５０，０００に等しい高フィネスとを有するファブリー・ペローキャビティを使用してもよい。いくつかの実施形態では、１０，０００のフィネスを持つノッチドマウントキャビティ（notched mount cavity）を使用してもよい一方で、他の実施形態では、１５０，０００のフィネスを持つミッドプレーンマウントキャビティ（mid-plane mount cavity）を使用してもよい。レーザー光源１０２を高フィネスキャビティに予め安定化することは、その短期の周波数安定度を改善するが、より長い時間では、キャビティ長の熱ドリフトが、望ましくない周波数のふらつきを引き起こすかもしれない。レーザー光源１０２の周波数を時不変二光子ルビジウム遷移にロックすることにより、この周波数のふらつきを除去してもよい。

図２Ｂは、いくつかの実施形態にしたがった、周波数基準として使用してもよい超微細遷移のサンプルのスペクトルを示している。５Ｓ_1/2（Ｆ＝２）−＞５Ｄ５／２（Ｆ＝４，３，２，１）の超微細遷移のサンプルのスペクトルが示されており、これは、５Ｓ_1/2の基底状態から５Ｄ_5/2の励起状態への遷移のスペクトルを含んでいる。スペクトルは、超微細基底状態Ｆ＝２から超微細励起状態（左から）Ｆ＝４、Ｆ＝３、Ｆ＝２、および、Ｆ＝１への⁸⁷Ｒｂにおける遷移であり、これもまた示されている。

図３は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準発生システムに対する周波数制御ループを示している。周波数制御ループ３００は、レーザー光源１０２（図１）をルビジウム遷移２０７（図２Ａ）にロックするための周波数制御ループ１２３（図１）として使用するのに適していてもよい。

以前に論じた、レーザー光源１０２と、波長分割器１０６と、ルビジウムセル１０８と、検出器１１０とに加えて、周波数制御ループ３００は、安定化されたレーザー出力１０５を変調するために、音響光学変調器（ＡＯＭ）３１２のような変調器を含んでいてもよい。周波数制御ループ３００は、波長を周波数コム安定器１１４（図１）に結合するカプラ１２５の前に、ＡＯＭ３１２の変調された出力を増幅させるために、エルビウム添加ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）３１４のような増幅器も含んでいてもよい。周波数制御ループ３００はまた、検出器からの出力信号１１１上で動作して、レーザー光源１０２の周波数制御に対する誤差信号３１９を発生させるために、ロックイン増幅器３１６と比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置３１８とを含んでいてもよい。ＦＭ源３２２は、ＡＯＭ３１２にＦＭ信号を提供してもよく、周波数変調器３２４により変調されてもよい。周波数変調器３２４は、レーザー光源１０２の周波数制御のために、誤差信号３１９上にディザを提供するために使用されてもよい。予め安定化された基準レーザーを、ルビジウムにおける二光子共鳴の周波数にロックするのに使用される誤差信号３１９を発生させるために、プローブビームは、周波数ディザリング（frequency dithered）されていてもよく、ロックイン増幅器３１６を使用して結果の蛍光を復調してもよい。いくつかの実施形態では、検出器１１０は、光電子倍増管（ＰＭＴ）を含んでいてもよい。

図４は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準発生システムに対するキャビティロックループを示している。キャビティロックループ４００は、レーザー光源１０２をキャビティ１０４にロックするためのキャビティロックループ１２１（図１）として使用するのに適していてもよい。キャビティロックループ４００の使用は、改善された短期位相ノイズ性能の達成を助長することができる。

キャビティロックループ４００は、安定化キャビティ１０４の何らかの周波数オフセットを補償するＡＯＭ４１２と、安定化されたレーザー出力１０５をＡＯＭ３１２（図３）に結合するタップカプラ１２７とを含んでいてもよい。キャビティロックループ４００はまた、位相変調器４１４と、サーキュレータ４１６と、高速フォトダイオード４１８と、ミキサー４２０と、レーザー光源１０２にフィードバック信号４２３を提供するフィードバックループ中に配置されているフィルタおよびＰＩＤエレメント４２２とを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、圧電作動（piezo-actuated）ミラーを制御するレーザー光源１０２の圧電入力に、フィードバック信号４２３が提供されてもよい。

いくつかの例示的な実施形態では、安定化キャビティ１０４は、真空筐体４３２内に提供されてもよいＵＬＥキャビティ４３０を含んでいてもよい。安定化キャビティ１０４は、音および振動の絶縁も含んでいてもよいが、キャビティ安定化のために他の技術を使用してもよいので、これらは必要条件ではない。

図５は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準発生システムに対する周波数コム安定器を示している。周波数コム安定器５００は、超安定周波数基準発生システム１００（図１）の周波数コム安定器１１４（図１）内で使用するのに適していてもよいが、他のコンフィギュレーションも適していることがある。周波数コム安定器５００は、安定化されたレーザー出力１１３（図１）からスーパーコンティニューム１１５を発生させてもよい。いくつかの実施形態では、例えば、スーパーコンティニューム１１５は、少なくともオクターブスパンの波長を含んでもよい。

図５において示されているように、周波数コム安定器５００は、周波数コムをゼロ周波数に対して安定化させる第１の周波数コム安定器制御ループ５０３と、周波数コムの間隔を安定化させる第２の周波数コム安定器制御ループ５０５とを含んでいる。

周波数コム安定器５００は、光波長のスーパーコンティニューム１１５を発生させる非線形ファイバーを含む、ファイバーベースの周波数コム５０２を含んでいてもよい。ｆ−２ｆ干渉計５０８のような干渉計は、波長発生器５１０の出力と混合してＰＩＤ制御装置５１８に入力を提供するために、スーパーコンティニューム１１５からうなりトーンを発生させ、ＰＩＤ制御装置５１８は、制御ループ５０３の一部として、ファイバーベースの周波数コム５０２へのフィードバック５１９として、キャリアエンベロープオフセット（ＣＥＯ）周波数を発生させてもよい。

制御ループ５０５は、安定化されたレーザー出力１１３（図１）とファイバーコム５０２の出力とを組み合わせてＲＦうなりトーンを発生させる５０−５０カプラ５１２を含んでいてもよく、ＲＦうなりトーンは、波形発生器５１４からの出力と混合されて、ＰＩＤ制御装置５１６に入力を提供する。ＰＩＤ制御装置５１６は、ファイバーコム５０２に対するフィードバックを発生させてもよい。いくつかの実施形態では、光信号をフィルタリングして検出ノイズを減少させるために、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）５０４とサーキュレータ５０６を、制御ループ５０５中に含めてもよい。

図１の参照に戻ると、いくつかの実施形態では、ＲＦ発生回路１１６は、フォト検出器に加えて、フォト検出器の出力から複数のマイクロ波信号を発生させるマイクロ波周波数コムを含んでいてもよい。これらの複数のマイクロ波信号は、１組のクロック信号または基準信号を含んでいてもよく、（例えば、１秒平均において、およそ５ｘ１０¹⁵〜の５ｘ１０¹⁴の、）安定化されたレーザー出力１１３の安定度を近似する安定度を有していてもよい。複数のマイクロ波信号は、超安定周波数基準１１７（図１）に対応していてもよい。これらの実施形態では、１組のクロック信号および基準信号は、共通の基準を有する複数のクロック信号を使用するシステム中でクロック信号として使用するのに適していてもよいが、実施形態の範囲はこの点で限定されない。いくつかの実施形態では、他のレーザーをロックするのに使用してもよい、および／または、光学センサーのための基準として使用してもよい、１組の光基準信号を発生させてもよい。

図６は、いくつかの実施形態にしたがった、超安定周波数基準を発生させるための手順である。超安定周波数基準発生システム１００（図１）のような、超安定周波数基準発生システムにより、手順６００を実行してもよいが、他の超安定周波数基準発生システムも、手順６００を実現する際に使用するのに適していることがある。

動作６０２は、レーザー光源を安定化キャビティにロックして、予め安定化されたレーザー出力を発生させることを含む。いくつかの実施形態では、キャビティロックループ１２１（図１）のコンポーネントが使用されてもよい。

動作６０４は、予め安定化されたレーザー出力によりルビジウムセルに呼び掛けて、少なくとも二光子ルビジウム遷移を引き起こすことを含む。いくつかの実施形態では、二光子ルビジウム遷移２０３（図２Ａ）は、７７８．１ｎｍ波長による、ルビジウムセル１０８（図１）の呼び掛けに起因してもよい。

動作６０６は、二光子ルビジウム遷移の自然崩壊に起因する蛍光を検出して、蛍光の波長において出力を提供することを含む。蛍光は、崩壊遷移２０７（図２Ａ）に起因してもよい。

動作６０８は、キャビティ安定化基準レーザーを、検出した蛍光の出力にロックして、安定化されたレーザー出力を発生させることを含む。いくつかの実施形態では、周波数制御ループ１２３（図１）のコンポーネントが使用されてもよい。

動作６１０は、周波数コム安定器を、安定化されたレーザー出力にロックして、光波長のスーパーコンティニュームを発生させることを含む。動作６１０は、例えば、周波数コム安定器１１４（図１）により実行されてもよい。

動作６１２は、光波長のスーパーコンティニュームから超安定周波数基準を発生させることを含む。動作６１２は、例えば、ＲＦ発生回路１１６（図１）により実行されてもよい。

いくつかの実施形態では、システム１００（図１）は、原子共鳴（すなわち、ルビジウム遷移）を参照するフォトニック発振器を含んでいてもよい。原子共鳴を参照する発振器の周波数安定度（Δｆ／ｆ）は、基本的には、以下の式に基づいて、二光子遷移の測定されたＱと、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の双方により限定されてもよい。

Ｑは、遷移の測定された線幅で除算した遷移の周波数（ｖ／Δｖ）として規定されてもよく、τは、平均化時間である。さまざまな広がりのメカニズムに帰因して、測定された線幅が、固有の線幅を超えることがある。広がりを最小化するために、ルビジウムセル１０８の周囲に磁気遮蔽が提供されてもよい。これは、３５０ｋＨｚの固有幅に近い測定された線幅に結果としてなるゼーマン広がりを、大きく減少させることができる。信号対ノイズレベルを増加させるために、ショットノイズ制限レジームで蛍光検出が動作されてもよく、４２０．２ｎｍ蛍光のかなり大幅な部分を収集し、周波数２倍プロセスを７７８ｎｍに最大化し、４２０．２ｎｍ動作のために検出器を最適化し、迷光をなくし、ジョンソンノイズのような検出器ノイズを最小化し、高Ｒｂ蒸気圧力によりクロックを動作することにより、ショットノイズ制限レジームが達成されてもよい。二光子遷移の固有の線幅で制限されているＱは、Ｑ＝２．６ｘ１０⁹であり、１５０００の実際のＳＮＲでは、システムの安定度は、１秒間におおよそ２．３ｘ１０⁻¹⁴であってもよく、２分未満の集積では１０⁻¹⁵に近づく。この安定度をマイクロ波／ＲＦドメインに翻訳するために、システム１００は、コンパクトな手段を利用して、光ドメインから分割してもよい。回路１１６（図１）中でフェムト秒レーザーベース周波数コムを使用して、これを達成してもよい。安定度を光からマイクロ波に移すために、フェムト秒周波数コムがキャビティ安定化レーザー１１２にロックされてもよい。

ファイバーベース周波数コム５０２（図５）を外部からの安定化基準レーザー（すなわち、レーザー出力１１３）に安定化させるためのプロセスでは、周波数コム安定器５００として、図５において示されているように、エンベロープオフセット（ＣＥＯ）安定化が使用される。制御ループ５０３は、周波数コムをゼロ周波数に対して安定化させる。高非線形ファイバーを通して周波数コム５０２内でスーパーコンティニューム１１５が発生されてもよい。スーパーコンティニューム１１５は、オクターブスパニングを実現し、スペクトルの基本部分の間にうなりトーンを発生させ、基本波のオクターブの第二高調波は、ゼロからの周波数コムオフセットを表す。このトーンは、その後、デジタル位相検出器中で、統制された任意波形発生器（ＡＷＧ）５１０から発生されたＲＦトーンと混合される。ミックスダウンされた信号は、モードロックされたファイバーベース周波数コム５０２へのポンプ電力を調節するＰＩＤ制御装置５１８中に供給される。

他の制御ループ５０５は、周波数コム間隔を安定化させてもよい。モードロックされたファイバーベース周波数コムのキャビティ長を安定化させることにより、これが達成されてもよい。例示的な実施形態では、ＦＢＧ５０４を通して、おおよそ１００ｎｍから０．１ｎｍへと、最初にスペクトルが狭められてもよく、その中心波は、キャビティ安定化レーザーの中心波に等しい。この狭めるプロセスは、周波数コムを安定させるために使用されるＲＦうなりトーンを発生させるフォト検出器上のショットノイズを制限することができる。狭めた後に、５０−５０カプラ５１２を使用して、周波数コムをキャビティ安定化レーザーと結合し、これは、結果として、コムの線とキャビティ安定化レーザーとの間の周波数差を示すＲＦうなりトーンを生じさせる。ＩｎＧａＡｓフォト検出器によりＲＦうなりトーンが発生されてもよく、ＩｎＧａＡｓフォト検出器は、５０−５０カプラ５１２の一部であってもよい。結果のＲＦ信号は、デジタル位相検出器中で、第２の統制されたＡＷＧ５１４に対して混合されてもよい。デジタル位相検出器は、３０ラジアンの位相偏差にわたる誤差信号を発生させることが可能であってもよく、これは、位相検出器としてアナログミキサーを使用するのと比較して、１０ｘ多くの位相偏差を許容する。デジタル位相検出器からの出力は、ＰＩＤ制御装置５１６にルーティングされ、ＰＩＤ制御装置５１６は、コム間隔フィードバックに対する誤差信号を発生させる。いくつかの実施形態では、おおよそ１０ｋＨｚの帯域幅を持つファイバーベースの周波数コム内の圧電作動（piezo-actuated）ミラーを、誤差信号が制御してもよい。

ハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアのうちの１つであるいはそれらの組み合わせで、実施形態を実現してもよい。ここで説明した動作を実行するために、少なくとも１つのプロセッサによって読み取られて実行される、コンピュータ読取可能記憶デバイス上に記憶されている命令として、実施形態を実現してもよい。コンピュータ読取可能記憶デバイスは、機械（例えば、コンピュータ）により読み取り可能な形態で情報を記憶するために、何らかの一時的でないメカニズムを含んでいてもよい。例えば、コンピュータ読取可能記憶デバイスは、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、ならびに、他の記憶デバイスおよび媒体を含んでいてもよい。いくつかの実施形態は、１つ以上のプロセッサにより実現されてもよく、コンピュータ読取可能記憶デバイス上に記憶されている命令で構成されていてもよい。

技術的な開示の性質および要旨を読者が把握できるようにする要約書を要求する米国特許法施行規則セクション１．７２（ｂ）を遵守するように、要約書が提供されている。特許請求の範囲の範囲または意図を限定するあるいは解釈するために要約書が使用されないという理解で、要約書は提出されている。以下の特許請求の範囲は、ここでは詳細な説明に組み込まれており、各請求項は、別の実施形態として、それ自身で自立している。

Claims (27)

1. 超安定周波数基準発生システムにおいて、
   安定化されたレーザー出力を発生させるために安定化キャビティにロックされているレーザー光源を含む、キャビティ安定化基準レーザーと、
   前記安定化されたレーザー出力により呼び掛けられて、少なくとも二光子ルビジウム遷移を引き起こすように構成されているルビジウムセルと、
   前記ルビジウム遷移の自然崩壊に起因する蛍光を検出する検出器と、
   前記安定化されたレーザー出力にロックされ、超安定周波数基準を発生させる際に使用するための光出力を発生させる周波数コム安定器とを具備する超安定周波数基準発生システム。
2. 前記周波数コム安定器は、
   周波数コムと、
   前記周波数コムをゼロ周波数に対して安定化させる第１の制御ループと、
   前記周波数コムの周波数コムの間隔を安定化させる第２の制御ループとを含む請求項１記載の超安定周波数基準発生システム。
3. 前記周波数コムは、フェムト秒周波数コムである請求項２記載の超安定周波数基準発生システム。
4. 前記超安定周波数基準を発生させる際に使用するための、光波長のスーパーコンティニュームを発生させるために、前記周波数コム安定器は前記安定化されたレーザー出力にロックされ、
   前記検出器は、前記キャビティ安定化基準レーザーをロックして、前記安定化されたレーザー出力を発生させるために、前記蛍光の波長において検出器出力を提供するように構成されている請求項３記載の超安定周波数基準発生システム。
5. 前記二光子ルビジウム遷移は、５ｓ準位から５ｄ準位への二光子ルビジウム遷移であり、
   前記検出した蛍光は、６ｐ準位から前記５ｓ準位への前記自然崩壊に起因し、
   前記ルビジウムセルは、ルビジウム８７を含むルビジウム蒸気セルである請求項２記載の超安定周波数基準発生システム。
6. 前記安定化されたレーザー出力の波長を半減する波長分割器をさらに具備し、
   前記半減された安定化レーザー出力は、前記ルビジウムセルに呼び掛けて、前記キャビティ安定化基準レーザーを前記ルビジウム遷移にロックする際に使用するための出力を発生させるためのものである請求項５記載の超安定周波数基準発生システム。
7. 前記安定化キャビティは、寸法安定光学キャビティであり、超低膨張（ＵＬＥ）ガラスファブリー・ペローキャビティを含み、
   パウンド・ドレバー・ホール安定化技術を使用して、前記レーザー光源の出力は前記光学キャビティに予め安定化される請求項２記載の超安定周波数基準発生システム。
8. 前記周波数コムは、非線形ファイバーを含むファイバーベースの周波数コムを備え、
   前記ファイバーベースの周波数コムは、少なくともオクターブスパンを含む光波長のスーパーコンティニュームを発生させるためのものである請求項２記載の超安定周波数基準発生システム。
9. 前記光波長のスーパーコンティニュームから前記超安定周波数基準を発生させるＲＦ発生回路をさらに具備し、前記超安定周波数基準は、１つ以上の超安定マイクロ波信号またはＲＦ出力信号を含む請求項２記載の超安定周波数基準発生システム。
10. 前記ＲＦ発生回路は、
    前記光波長のスーパーコンティニュームを１組のマイクロ波信号に変換するフォト検出器と、
    前記フォト検出器の出力から１組のマイクロ波クロック信号または基準信号を発生させるマイクロ波周波数コムとを備え、
    前記１組のマイクロ波クロック信号または基準信号は、前記安定化されたレーザー出力の安定度を近似する安定度を有する請求項９記載の超安定周波数基準発生システム。
11. 前記光波長のスーパーコンティニュームを１組の光基準信号に変換する光基準信号発生回路をさらに具備する請求項２記載の超安定周波数基準発生システム。
12. 前記安定化されたレーザー出力は、およそ１０⁻¹⁵の安定度を有する請求項１記載の超安定周波数基準発生システム。
13. 超安定周波数基準を発生させるための方法において、
    レーザー光源を安定化キャビティにロックして、予め安定化されたレーザー出力を発生させることと、
    前記レーザー光源を二光子ルビジウム遷移の崩壊にさらにロックして、安定化されたレーザー出力を発生させることと、
    周波数コム安定器を前記安定化されたレーザー出力にロックして、超安定周波数基準を発生させる際に使用するための光出力を発生させることとを含む方法。
14. 前記周波数コム安定器を前記安定化されたレーザー出力にロックすることは、光波長のスーパーコンティニュームを発生させ、
    前記方法は、前記スーパーコンティニュームから前記超安定周波数基準を発生させることをさらに含む請求項１３記載の方法。
15. 前記周波数コム安定器は、非線形ファイバーを含むファイバーベースの周波数コムを備え、
    前記方法は、前記ファイバーベースの周波数コムにより、少なくともオクターブスパンを含む前記光波長のスーパーコンティニュームを発生させることを含む請求項１４記載の方法。
16. 前記予め安定化されたレーザー出力によりルビジウムセルに呼び掛けて、少なくとも上準位への前記二光子ルビジウム遷移を引き起こすことと、
    前記上準位ルビジウム遷移の自然崩壊に起因する蛍光を検出して、前記レーザー光源をさらにロックする際に使用するために、検出した出力を前記蛍光の波長において提供することとをさらに含む請求項１５記載の方法。
17. 前記ルビジウムセルは、ルビジウム８７を含むルビジウム蒸気セルであり、
    前記二光子ルビジウム遷移は、５ｓ準位から５ｄ準位への二光子ルビジウム遷移であり、
    前記検出した蛍光は、６ｐ準位から前記５ｓ準位への前記自然崩壊に起因する請求項１６記載の方法。
18. 前記ルビジウムセルに呼び掛けて、前記キャビティ安定化基準レーザーを前記ルビジウム遷移にロックする際に使用するための出力を発生させる前に、前記安定化されたレーザー出力の周波数を２倍にすることをさらに含む請求項１７記載の方法。
19. 超安定周波数基準発生システムにおいて、
    レーザー光源を安定化キャビティにロックして、予め安定化されたレーザー出力を発生させるキャビティロックループと、
    二光子励起を使用する上準位ルビジウム遷移の崩壊に前記レーザー光源をさらにロックして、安定化されたレーザー出力を発生させる周波数制御ループと、
    周波数コムをゼロ周波数に対して安定化させる第１の周波数コム安定器制御ループと、周波数コム間隔を安定化させる第２の周波数コム安定器制御ループとを有する周波数コム安定器とを具備し、
    前記周波数コム安定器を前記安定化されたレーザー出力にロックして、超安定周波数基準を発生させる際に使用するための光波長を発生させる超安定周波数基準発生システム。
20. 前記キャビティロックループは、前記安定化キャビティにロックされている前記レーザー光源を含むキャビティ安定化基準レーザーを備え、
    前記周波数制御ループは、
    前記安定化されたレーザー出力により呼び掛けられて、少なくとも二光子ルビジウム遷移を引き起こすように構成されているルビジウムセルと、
    前記遷移の自然崩壊に起因する蛍光を検出する検出器とを備え、
    前記検出器は、前記キャビティ安定化基準レーザーをロックして、前記安定化されたレーザー出力を発生させるために、前記蛍光の波長において検出器出力を提供するように構成されている請求項１９記載の超安定周波数基準発生システム。
21. 前記ルビジウムセルは、ルビジウム８７を含むルビジウム蒸気セルであり、
    前記二光子ルビジウム遷移は、５ｓ準位から５ｄ準位への二光子ルビジウム遷移であり、
    前記検出した蛍光は、６ｐ準位から前記５ｓ準位への前記自然崩壊に起因する請求項２０記載の超安定周波数基準発生システム。
22. 前記周波数制御ループは、前記安定化されたレーザー出力の波長を半減させる波長分割器をさらに備え、
    前記半減された安定化レーザー出力は、前記ルビジウムセルに呼び掛けて、前記キャビティ安定化基準レーザーを前記ルビジウム遷移にロックする際に使用するための出力を発生させる請求項２１記載の超安定周波数基準発生システム。
23. 前記周波数コム安定器は、非線形ファイバーを含むファイバーベースの周波数コムを備え、
    前記ファイバーベースの周波数コムは、少なくともオクターブスパンを含む前記光波長のスーパーコンティニュームを発生させるためのものである請求項２０記載の超安定周波数基準発生システム。
24. 前記周波数コムは、フェムト秒周波数コムである請求項１９記載の超安定周波数基準発生システム。
25. 超安定周波数基準を発生させるための方法において、
    安定化キャビティにロックされているレーザー光源を含むキャビティ安定化基準レーザーから、安定化されたレーザー出力を発生させることと、
    前記安定化されたレーザー出力によりルビジウムセルに呼び掛けて、少なくとも二光子ルビジウム遷移を引き起こすことと、
    前記ルビジウム遷移の自然崩壊に起因する蛍光を検出して、前記蛍光の波長において、検出した出力を提供することと、
    前記キャビティ安定化基準レーザーを、前記蛍光の前記波長にロックすることと、
    周波数コム安定器を、前記安定化されたレーザー出力にロックして、光波長のコンティニュームを発生させることとを含む方法。
26. 前記光波長のコンティニュームから超安定周波数基準を発生させることをさらに含む請求項２５記載の方法。
27. 前記周波数コム安定器をロックすることは、
    第１の制御ループにより、周波数コムをゼロ周波数に対して安定化させることと、
    第２の制御ループにより、前記周波数コムの周波数コム間隔を安定化させることとを含む請求項２６記載の方法。

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