JP2022504605A - 小型微小共振器周波数コム - Google Patents

Abstract

微小共振器（ＭＲ）ベースの周波数コムの精密制御のためのシステムおよび方法は、ＭＲのキャリアエンベロープオフセット周波数、繰り返し率、または共振オフセット周波数の長期ロックを制御するために最適化されたＭＲアクチュエータまたはＭＲ変調器を実装することができる。ＭＲ変調器は振幅雑音制御にも使用することができる。ＭＲパラメータは、連続波レーザまたはマイクロ波基準などの外部基準周波数にロックすることができる。ＭＲパラメータは、ＭＲパラメータ間のクロストークを低減し、長期ロックを容易にするように選択することができる。ＭＲは、低雑音マイクロ波生成のために外部の２波長遅延自己ヘテロダイン干渉計にロックすることができる。ＭＲベースの周波数コムは、フィードバック制御システムを介して自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）の相当の部分以上によって調整することができる。走査ＭＲ周波数コムは、無不感帯分光法、多波長ＬＩＤＡＲ、高精度光クロック、または低位相雑音マイクロ波源に適用することができる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１０月１２日に出願された米国特許出願第６２／７４４，８６２号、２０１８年１１月２０日に出願された米国特許出願第６２／７６９，７００号、および２０１９年３月２６日に出願された米国特許出願第６２／８２４，０４０号に対する優先権の利益を主張し、それらのすべては、ＣＯＭＰＡＣＴ ＭＩＣＲＯＲＥＳＯＮＡＴＯＲ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＣＯＭＢと題され、それらのすべては、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

背景
分野
本開示は、超低雑音フォトニクス微小共振器周波数コムの構築および制御ならびにそれらの応用形態に関する。

関連技術の説明
微小共振器（ＭＲ）ベースの周波数コムは、例えば広帯域無線および光通信、レーダ、試験および測定機器、分光法、または感知を含む、電磁信号の生成および処理を必要とする任意の用途においてますます多くの使用が見出されている。例えば、ＭＲ周波数コムの制御のためのシステムおよび方法が本明細書に開示される。

概要
精密微小共振器周波数コムは、コム間隔、キャリアエンベロープオフセット周波数、共振オフセット周波数、または振幅雑音などのコムパラメータ、ならびにコヒーレント状態の開始の制御を含むことができる。一部の用途では、コムパラメータの高帯域幅変調も提供される。

微小共振器（ＭＲ）ベースの周波数コムの精密制御のためのシステムおよび方法の様々な実施例が開示される。最適化されたＭＲアクチュエータおよびＭＲ変調器を実装することによって、ＭＲのキャリアエンベロープオフセット周波数、繰り返し率、または共振オフセット周波数のいずれか、すべて、または任意のサブセットの長期ロックを制御することができる。加えて、変調器は振幅雑音制御にも使用することができる。様々なＭＲパラメータは、連続波レーザまたはマイクロ波基準などの外部基準周波数にロックすることができる。様々なＭＲパラメータは互いに結合されるが、最適化されたＭＲパラメータの選択を介して、ＭＲパラメータ間のクロストークを低減または最小化することができ、長期ロックを容易にする。ＭＲは、低雑音マイクロ波生成のために外部の２波長遅延自己ヘテロダイン干渉計にロックすることもできる。ＭＲベースの周波数コムは、自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）の実質的な割合によって、およびさらにはフィードバック制御システムの適用を介して２つ以上のＦＳＲによって調整、走査、または変調することができる。走査型ＭＲ周波数コムは、例えば、無不感帯分光法および多波長ＬＩＤＡＲに適用することができる。任意のコムベースのＬＩＤＡＲシステムの解像度は、個々のコムラインのコヒーレントスティッチングによって大幅に向上させることができる。ＭＲベースのコムは、周波数分割および分子基準の利用を介して、高精度光クロックおよび低位相雑音マイクロ波源においても利用することができる。

例示的な実施形態では、コム間隔およびコムＭＲのキャリアエンベロープオフセット周波数の両方を制御するために、単側波帯変調器が使用される。

別の例示的な実施形態では、ＭＲの迅速な制御のために少なくとも１つのグラフェン変調器が使用される。

さらに別の例では、ヒータとダイオードポンプ電流変調との組み合わせがＭＲ制御に使用される。

本明細書に記載の主題の１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。他の特徴、態様、および利点は、本明細書、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。この概要も以下の詳細な説明も、本発明の主題の範囲を定義または限定することを意図していない。

微小共振器（ＭＲ）を制御するための方式の一実施形態の概略図である。 微小共振器（ＭＲ）を制御するための方式の一実施形態の概略図である。 微小共振器（ＭＲ）を制御するための方式の一実施形態の概略図である。 微小共振器（ＭＲ）を制御するための方式の一実施形態の概略図である。 ＭＲコムからの出力スペクトルの例示的な測定値を示す図である。 ファイバコムにロックされたときのＭＲコムモードの周波数安定性の例示的な測定値を示す図である。 グラフェン変調器を用いたＭＲの制御方式の一実施形態の概略図である。 ＭＲ制御にグラフェン変調器を用いた場合の好ましいグラフェンバイアス点の一例の概略図である。 マイクロヒータと共に半導体レーザを使用する微小共振器の制御方式の一実施形態の概略図である。 マイクロヒータと共に半導体レーザを使用する微小共振器の精密な波長走査のためのシステムの一実施形態の概略図である。 微小共振器波長走査に関与し得る様々な周波数の概略図である。 波長走査の実施形態から得られるコムモード周波数対温度の変化の一例の概略図である。 波長走査微小共振器を使用する分光測定のためのシステムの一実施形態の概略図である。 波長走査微小共振器を用いたＬＩＤＡＲ検出システムの一例の概略図である。 波長走査微小共振器を用いた別のＬＩＤＡＲ検出システムの一例の概略図である。 コヒーレントにスティッチングされたコムベースの周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムの一例の概略図である。 コヒーレントスティッチング前のコムベースのＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムの隣接するコムモードの周波数展開の一例の概略図である。 コヒーレントスティッチング後のコムベースのＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムの隣接するコムモードの周波数展開の一例の概略図である。 コヒーレントスティッチング前のコムベースのＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムの隣接するコムモードに関連するビート信号の時間展開の一例の概略図である。 コヒーレントスティッチング後のコムベースのＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムの隣接するコムモードに関連するビート信号の時間展開の一例の概略図である。 ３つのコムモードからの信号のコヒーレントスティッチングに基づく、時間領域における実際に測定されたコヒーレントスティッチングＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ信号の図である。 コヒーレントスティッチングを用いて、および、用いずに得られた空間分解能（例えば、単一のターゲットへのラウンドトリップ時間遅延によって表される）の図である。 コヒーレントスティッチングを用いて、および、用いずに得られた空間分解能（例えば、二重ターゲットへのラウンドトリップ時間遅延によって表される）を表し、この例では、コヒーレントスティッチングのみで２つのターゲットを区別することができる、図である。 コム間隔が異なる２つの値の間で切り替わるときの微小共振器のコムモードのスペクトルの変更の例の概略図であって、２つの値のコムモードスペクトルが実線および点線で表されている、図である。 コムモード数の関数としてのサイクル時間Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}の変化を概略的に示す、時間的再スケーリングの実施前の走査微小共振器コムの個々のコムモードに関連するＦＭＣＷ信号の時間的信号展開の一例の概略図である。 時間的再スケーリングの実施後の走査微小共振器コムの個々のコムモードに関連するＦＭＣＷ信号の時間的信号展開の一例の概略図である。 微小共振器ベースの低位相雑音ミリメートル（ｍｍ）波発振器の構成の一例の概略図である。 ミリ波信号をマイクロ波信号に変換する微小共振器ベースの周波数ダウンコンバータの構成の一例の概略図である。 微小共振器ベースの光分子クロックの構成の一例の概略図である。 微小共振器ベースの光分子クロックに関連するコムベースのミリ波源および２つの連続波（ｃｗ）基準レーザの周波数スペクトルの一例の概略図である。 微小共振器ベースの光分子クロックに関連するコムベースのミリ波－マイクロ波ダウンコンバータおよび２つのｃｗ基準レーザの周波数スペクトルの一例の概略図である。 ポンプおよび冷却レーザの両方を備える微小共振器の一例の概略図である。

図面は、例示の目的で本開示の様々な実施形態を示しており、限定することを意図するものではない。実践可能な場合はいつでも、類似または同様の参照番号または参照ラベルが図で使用され得、類似または同様の機能を示すことができる。

詳細な説明
概説
微小共振器（ＭＲ）ベースの周波数コムは、例えば広帯域無線および光通信、レーダ、試験および測定機器、分光法、および感知を含む、電磁信号の生成および処理を必要とする任意の用途においてますます多くの使用が見出されている。これらの用途の多くは、繰り返し率ｆｒｅｐ、キャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏ、および／または振幅雑音の制御を可能にする周波数コムの利用可能性から大きい恩恵を受け、明確に定義された光周波数をもたらす。

ＭＲベースの周波数コムの最近の進歩により、それらの精密な制御がますます重要になっている。実際、ＭＲ設計は非常に普及しているが、実際の用途に対するそれらの有用性は制限され得る。真の大量適用について、例えばＢ．Ｓｔｅｒｎ他「Ｂａｔｔｅｒｙ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」（Ｎａｔｕｒｅ（２０１８））に開示されているように、チップスケールの可能性がある設計のためのＣＭＯＳ互換技術に基づくＭＲが好ましい。しかしながら、ＭＲコムパラメータの完全な制御およびＭＲコムパラメータの変調を可能にする、チップスケール設計と互換性のある設計アーキテクチャに基づくＭＲ周波数コムが依然として必要とされている。

特に興味深いのは、ソリトンコムを放出するチップスケール周波数コムである。変調不安定性ベースのコム（カオティックコム）とは対照的に、ソリトンコムはモードロック状態にあり、高コヒーレント、超短パルス、および低雑音コムを生成する。様々な可能なコムＭＲプラットフォームの中でも、チップスケール設計を可能にするＣＭＯＳ互換性製造プロセスを可能にするプラットフォームが特に重要である。ＣＭＯＳ互換性製造プロセスの例には、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、ハイデックス、およびアモルファスシリコンが含まれるが、他の例も可能である。

安定したソリトンコムを生成することは、一般に、カオティックコムからソリトンコムに移行するときに熱光学的に誘発されるキャビティの変化が速いために困難である。この課題を克服するために、例えば、Ｈ．Ｇｕｏ他「Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ Ｋｅｒｒ ｓｏｌｉｔｏｎｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」（Ｎａｔｕｒｅ ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．１３，ｐｐ．９４（２０１７））に示されているように、二重並列マッハツェンダ干渉計変調器（ＤＰ－ＭＺＭ）から構成される単側波帯変調器（ＳＳＢＭ）による高速周波数走査および前後ポンプ周波数走査を含むいくつかの方法が実証されている。ＳＳＢＭを介した高速走査は、高い忠実度を有する単一のソリトンコムの生成を可能にし、ポンプレーザ変調を必要としないため、特に魅力的である。

光周波数コムの場合、ｆｃｅｏおよびｆｒｅｐは、一般に、それぞれポンプ周波数およびポンプパワー制御によって決定される。ＳＳＢＭによる安定したソリトンコムの生成後、ＳＳＢＭは、Ｊ．Ｒ．Ｓｔｏｎｅ他「Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ－Ｓｏｌｉｔｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ Ｋｅｒｒ－Ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｍｂｓ」（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１２１，ｐｐ．０６３９０２（２０１８））に開示されているように、Ｐｏｕｎｄ Ｄｒｅｖｅｒ Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）ロックの使用を介して共振オフセット周波数ＲＯＦ（ＲＯＦはポンプレーザ周波数とキャビティ共振周波数との間の差である）を制御するために使用することもできる。ＳＳＢＭはまた、ｆｃｅｏおよびｆｒｅｐ制御のために容易に実施することができる。ｆｃｅｏおよびｆｒｅｐ制御には一般に２自由度が必要であるため、音響光学変調器（ＡＯＭ）が、典型的には、ポンプパワーを調整することを可能にするＭＲの直前に挿入される。しかしながら、ＡＯＭの使用は、一般に、チップスケールＭＲの実現と互換性がない。さらに、ソリトンコム開始、ｆｒｅｐおよびｆｃｅｏまたはＲＯＦ制御のために異なる構成要素を使用すると、そのようなデバイスのコストが増加し、大規模用途には実用的ではない。

部品数を制限し、チップスケール設計と完全に互換性がある完全マイクロコム制御の様々な代替形態が本明細書に開示されている。第１の代替形態として、ソリトンコム生成のためだけでなく、ｆｃｅｏおよびｆｒｅｐ制御の両方のためにＳＳＢＭを使用することもできる。この手法では、マイクロコムのポンプパワーは、ＳＳＢＭのバイアス電圧の１つを変更することによって光学側波帯と残留キャリアとの間のパワー分布を変調することによって制御される。側波帯周波数の変調はさらに、コム開始ならびに完全ｆ_ｃｅｏおよびｆ_ｒｅｐ制御のための注入光周波数の迅速な走査を可能にする。付加的または代替的に、外部参照を一切使用せずにソリトンコムのコム繰り返し率ｆ_ｒｅｐの雑音を低減するために、ＲＯＦはＰＤＨロックを使用して固定することができる。このために、ポンプ周波数はＳＳＢＭによって制御される。

第２の代替形態では、ＭＲ上に堆積されたグラフェン変調器が完全ＭＲコム制御に使用される。

第３の代替形態では、ポンプ電流変調によるポンプレーザの出力パワーの変調、ならびに完全ｆｒｅｐおよびｆｃｅｏ制御のためのＭＲの迅速な熱変調を使用することができる。

例示的な動作原理および例示的な第１の実施形態のシステム
第１の代替形態の動作原理を図１に示す。図１（ａ）は、ポンプ周波数およびパワーが制御されるＤＰ－ＭＺＭを通って導かれる連続波（ｃｗ）レーザを概略的に示す。基本的に、ＤＰ－ＭＺＭはキャリア抑制単側波帯モードで動作する。このモードでは、ネストされた上側および下側の両方のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）が、電圧Ｖ_{ｂｉａｓ１}およびＶ_{ｂｉａｓ２}を印加することによって適切にバイアスされ、それによって光キャリアが排除され、２つの側波帯が残る。ここで、２つのＭＺＩは、（電圧制御発振器（ＶＣＯ）からの）同じ無線周波数（ＲＦ）周波数によって変調されるが、（９０度ハイブリッドスプリッタを使用して）９０度の位相差を有する。次に、メインＭＺＩに適切なバイアス電圧Ｖ_{ｂｉａｓ３}を印加することによって、赤色側または青色側のいずれかの側波帯が抑制され、単一の側波帯のみが残る。次いで、単一の残りの側波帯は、ＭＲのためのポンプとして使用される。まず、安定した単一のソリトンコムにアクセスするために、ＶＣＯにＤＣ電圧（Ｖ_{ＤＣ，ｓｃａｎ}）を印加することによってＶＣＯ周波数が迅速に調整され、その結果、図１（ｂ）に示すように、ポンプ波長が青色から赤色へと迅速に走査される。安定した単一のソリトンコムが得られると、ポンプ周波数およびパワーは、特定の変調電圧（ポンプ周波数のためのＶ_ｍ１およびパワーのためのＶ_ｍ２）を印加することによってさらに制御することができる。ポンプ周波数制御の場合、Ｖ_ｍ１がＶ_{ＤＣ，ｓｃａｎ}に追加され、ＶＣＯに印加され、図１（ｃ）に示すようにＶＣＯ周波数変化を介したポンプ周波数制御を可能にする。パワー制御のために、Ｖ_{ｂｉａｓ１}にＶ_ｍ２が加えられる。なお、Ｖ_{ｂｉａｓ１}は、Ｖ_ｍ２の合理的な電圧変化によって、図１（ｄ）に示すように、サイドモードと残留キャリアとの間のパワー分布を変化させることができるように、最適キャリア抑制点から意図的に不首尾に調整されている。側波帯と残留キャリアとの間のパワー比は、光増幅後でも同じままであり、これは、単一キャリアのパワーが光増幅器の前に変調される場合とは対照的であり得ることに留意されたい。この場合、利得飽和は典型的には、マイクロコムの可能なポンプパワー変調を制限し、より実質的なパワー変調のために音響光学変調器（ＡＯＭ）を使用することができる。

より具体的には、安定した単一のソリトンコムを生成するために、ＳＳＢ変調器は、いくつかのパラメトリックコムモードが観測される周波数に設定される。次いで、ＶＣＯ周波数が迅速に走査されて、共振線幅の数倍～１０倍だけＭＲ共振の赤色側にシフトしたポンプ周波数を生成する。このシフトは、好ましくは、ＤＣ電圧（図１（ａ）のＶ_{ＤＣ，ｓｃａｎ}）を印加することにより、数ｎｓ～数十ｎｓの時間内に実行される。ソリトンコムによって得られた生成光スペクトルの一例を図２ａに示す。

長期ｆｃｅｏおよびｆｒｅｐロックを実証するために、ＭＲはファイバ周波数コムにロックされる。このロック方式では、１つのＭＲコムモードのビート周波数は、ファイバ周波数コムから次の隣接するコムモードを介して干渉され、結果得られるビート周波数は、標準ＰＩＤフィードバックループを介してマイクロ波基準に安定化される。次いで、ＰＩＤループからの結果得られる誤差信号が、ＭＲにおけるポンプパワーまたはポンプ周波数制御のいずれかに印加される。別のＭＲコムモードについても同じ手順が繰り返される。このロック方式は２自由度を有するため、共振器の同時ｆｃｅｏおよびｆｒｅｐロックと同等である。２つのＰＩＤループが、ここで使用されるポンプパワーおよびポンプ周波数などのＭＲにおける２つの異なる制御機構に対して作動するために使用されることに留意されたい。２点ロック方式は、ｃｗレーザまたはマイクロ波基準などの他の周波数基準とともに使用することもできる。いくつかの用途では、ＭＲコムを１つの外部基準のみにロックすれば十分であり得る。

長期周波数ロックの場合、上述したように、ポンプ周波数は、典型的には、ＭＲの赤色波長側における微小共振器の共振の線幅の数倍～１０倍の範囲に離調される。安定したソリトンが生成されると、広い範囲のＲＯＦでｆｃｅｏおよびｆｒｅｐロックが可能である。ＤＰ－ＭＺＭによって提供される２つの制御メカニズムにより、ファイバコムに対するＭＲの長期ロックが容易に実証される。一例として、ロック状態下で周波数カウンタを用いて測定される時間の関数としてのＭＲの中心周波数（ｆ_ｐｕｍｐ）を図２ｂに示す。

一部のＭＲコム用途はまた、例えば外部基準が利用できない場合、またはｆｃｅｏもしくはｆｒｅｐを容易に測定できない場合に、ＲＯＦの制御を必要とする。そのような場合、少なくともＲＯＦを安定化し、必要に応じて振幅雑音を最小化することにより、自走ソリトンコムと比較して、より低雑音のソリトンコムを生成することができる。ＲＯＦ安定化のために、ポンプ周波数をキャビティの共振周波数にロックするためにＰＤＨロックを使用することができる。ＰＤＨロックを可能にするために、追加のＥＯ位相変調器をＤＰ－ＭＺＩと共振器との間に挿入して誤差信号を生成することができる。次いで、誤差信号は、例えばＤＰ－ＭＺＭを介してポンプ周波数を制御するアクチュエータに作用することができる。あるいは、ＰＤＨロックの場合、ポンプ周波数は、上記で説明したようにその２自由度を利用して、ただ１つのＤＰ－ＭＺＭによって変調および制御することができる。ＭＲがソリトン領域に留まることを確実にするために、ＤＰ－ＭＺＭが、図１のＶＣＯを介して正しい周波数シフトに設定されると同時に、ｃｗレーザに位相変調を適用する必要がある。これは、１つのトーン信号の代わりに２つのトーンＲＦ信号をＶＣＯに印加することによって保証することができる。次いで、ＤＰ－ＭＺＭにおけるバイアス制御を、電圧Ｖ_ｍ２を介したＲＯＦのロックに使用することができる。

振幅雑音抑制のために、ソリトンコムの振幅雑音が光検出器によって測定され、ＤＣ信号と比較されて誤差信号が生成される。次いで、誤差信号は、ＰＤ－ＭＺＭまたはポンプパワー制御のためのポンプレーザ電流などのアクチュエータにフィードバックされる。

図２ａに示すように、本ＭＲ共振器コムはオクターブの帯域幅をカバーせず、したがって実際のｆ_ｃｅｏ信号へのアクセスを得ることができないことに留意されたい。しかしながら、ＭＲの分散を最適化することによって、オクターブに近い、さらにはオクターブにまたがる周波数コムを生成することができる。そのようなＭＲコムを用いて、ｆ_ｃｅｏ信号には、例えば、標準的なｆ－２ｆ干渉計を用いてアクセスすることができる。ＭＲにおいて発生するパルスのピークパワーが十分でない場合には、ｃｗレーザを転送発振器として用いることができる。このために、２つの光学ビートが測定される。第１のビートｆ_{ｂｅａｔ１}（ｆｂｅａｔ１＝（ｎｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ）－ｆｃｗ）は、ＭＲモードとｃｗレーザとの間で選択され、位相ロックされる（単純にするためにゼロ周波数にあると仮定する）。第２のビートｆ_{ｂｅａｔ２}（ｆｂｅａｔ２＝（ｍｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ）－２ｆｃｗ）は、ＭＲモードと周波数２倍ｃｗレーザとの間で選択され、これはＭＲのｆｃｅｏに等しい（ｆｂｅａｔ２＝（ｍｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ）－２ｆｃｗ＝（ｍｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ）－２＊（ｎｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ）＝－ｆｃｅｏ）。上記の２つの方法のいずれかによってｆｃｅｏが検出されると、ｆｃｅｏは、ポンプ周波数またはパワーのいずれかを変調することによって制御することができる。

例示的な第２の実施形態のシステム
第２の代替形態の動作原理は、図３に関して示されている。ここでは、ＭＲへの入力アームおよびＭＲ自体に堆積された２つのグラフェン変調器が、完全ＭＲ制御のために使用される。ＭＲは、例えば、ＳｉＮ、ポリブチレンテレフタレート（例えば、ハイデックス）、アモルファスシリコン、ダイヤモンド、ニオブ酸リチウム、または高Ｑ共振器の構築を可能にする他の材料に基づくことができ、高Ｑは１０^５より大きいＱを意味する。グラフェン変調器＃１（ＧＭ１）はＭＲへのポンプパワーの制御または変調に用いることができ、グラフェン変調器＃２（ＧＭ２）はＭＲの共振周波数の制御に用いることができる。ポンプパワーの使用される変調深さは、約数パーセントであり得、共振周波数制御の使用される範囲は、最大数ＧＨｚであり得る。

変調は、例えば、グラフェン層の上に誘電体膜およびゲート電極を形成し、ゲートとグラフェンとの間に電界を発生させることによって、グラフェン層中のフェルミレベルを制御することを通じて行うことができる。グラフェンの電子バンド構造の変化は、屈折率の虚数部に相当するグラフェンの光吸収をもたらし、強度制御を可能にする。例えば、グラフェンのフェルミレベルが光子エネルギー０．８ｅＶに近づくと、波長１．５５μｍ、光子エネルギー０．８ｅＶの光の吸収が漸進的に抑制される。他方、屈折率の実部は、屈折率の実部と虚数部との間のＫｒａｍｅｒｓ－Ｋｒｏｎｉｇ関係によって同時に変調される。その関係を概略的に図４に示す。ＧＭ１による効率的なポンプパワー変調を可能にするために、ＧＭ１のフェルミレベルは、好ましくは、虚数屈折率変調がいかなる印加電圧変動にも相対的に影響されない点、典型的には約１．５５μｍの波長を有する光に対して約０．５ｅＶのフェルミレベル付近でバイアスされる。ＧＭ２による微小共振器の共振周波数の効率的な制御は、屈折率の実部の変化が比較的大きく、一方で屈折率の虚数部の変化が小さい強度変調よりもわずかに大きいフェルミレベルで実行される。動作範囲の例を図４に双頭矢印によって示す。ＲＯＦをロックするために、誤差信号を生成するために追加のＥＯ位相変調器を共振器の上流に挿入することができる。追加のＥＯ変調器はまた、グラフェン電気光学変調器に基づくことができるが、任意の他の形態の電気変調も実施することができる。実際のＲＯＦロックのために、前述のように、ＰＤＨロック方式を実施することができ、誤差信号は、キャビティ内グラフェン変調器、あるいはキャビティに結合されるｃｗレーザの周波数に対して作動することができる。

グラフェン変調器をＭＲに取り付けるために、いくつかの方法を使用することができる。例えば、Ｃ．Ｔ．Ｐｈａｒｅ他「Ｇｒａｐｈｅｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ３０ ＧＨｚ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ」（Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．９，ｐｐ５１１－５１４（２０１５））には、ＭＲへのグラフェン膜の湿式転写を使用することが開示されている。

ＳｉＮ微小共振器上に堆積されたグラフェン変調器により、３０ＧＨｚ以上の変調周波数が達成可能である。このような高い変調帯域幅は、上述したようなＭＲにおけるソリトンコムの制御だけでなく、クロギコムの生成にも利用することができる。クロギコムとしてのＭＲの適応では、ＭＲに注入されるｃｗ光に対する側波帯が、グラフェン変調器を介したＭＲにおける繰り返し位相変調を介して繰り返し生成される。この結果として、変調周波数においてコム間隔を有するコム様スペクトルが形成される。クロギコムの生成は、ＭＲのＦＳＲおよび適用される変調周波数とが同一である場合に強化される。

例示的な第３の実施形態のシステム
第３の代替形態の動作原理は以下の通りであり、図５に概略的に示されている。ここで、好ましくは半導体ダイオードレーザまたは増幅器に基づくポンプレーザが、結合要素Ｃ １を介して微小共振器（ＭＲ）に結合される。結合要素Ｃ１は、例えば、結合効率を最適化するためのマイクロ光学レンズまたは導波路テーパを含むことができる。ＭＲはまた、キャビティ長の急速加熱のためにＭＲ上に堆積された少なくとも１つのマイクロヒータも備える。例えば、マイクロヒータは、約２００オームの抵抗を有するＰｔおよびＡｌに基づく抵抗マイクロヒータとすることができる。そのようなマイクロヒータは、リフトオフプロセスなどの標準的な製造技術を使用して堆積させることができる。良好に設計されたヒータは、１００ｋＨｚを超える変調帯域幅による１０^－４を超える部分キャビティ長変化によるＭＲキャビティ長の変調を可能にする。

次いで、マイクロヒータを、図１に関して説明した方法と同様のソリトン状態の開始に使用することができる。しかしながら、図１では、ポンプ周波数が急速に変調されたのに対して、ここではキャビティ長が急速に変調される。次いで、図１に関しても説明したように、マイクロヒータはポンプ電流変調と併せて、ＭＲのｆｃｅｏおよびｆｒｅｐを完全に制御するためにも使用される。

ポンプ電流の変調を介したポンプレーザの制御は、ポンプ周波数およびポンプパワーの両方を変調する。他方、マイクロヒータは、主にポンプ周波数変調と同等のＲＯＦの変調を引き起こす。このため、マイクロヒータを介したＭＲ共振からのＲＯＦの適切な選択は、ポンプ電流変調とマイクロヒータ変調との間のクロストークを最小限に抑えることができる。

例えば、適切なＲＯＦ（ＲＯＦｏｐｔ）において、ポンプ周波数変調はｆｃｅｏに最小限の変化をもたらすことができるが、ＭＲにおいてｎ×ｆｒｅｐにはるかに大きい変化を引き起こし、一方で、ＲＯＦ_ｏｐｔにおけるポンプパワー変調はｆｃｅｏおよびｎ×ｆｒｅｐに同様の大きさの変化をもたらす。ここで、ｎ×ｆｒｅｐは、注入されるｃｗレーザの周波数と同様の、光領域におけるＭＲの放射周波数に対応する。ポンプレーザにおける電流変化は、典型的には、ＲＯＦ_ｏｐｔにおいて一次へのポンプ周波数およびパワーの両方の変調を生成するため、ポンプ電流変調誘導周波数変調から生じるｆｃｅｏ変化は無視することができ、ポンプ電流誘導パワー変調から生じるｆｃｅｏ変化のみを残す。同時に、ポンプ電流誘導パワーおよび周波数変調の両方からのｎ×ｆｒｅｐのポンプ電流変調誘導変調が残る。したがって、ＲＯＦ_ｏｐｔ付近のＭＲの完全制御が好ましく、ヒータ変調は主にｎ×ｆｒｅｐを制御し、ポンプ電流変調はｎ×ｆｒｅｐとのクロストークを最小限に抑えてｆｃｅｏを制御する。

一般に、最適な場合でさえ、独立したｆｒｅｐおよびｆｃｅｏ制御は不可能であるが、特定の作動パラメータに対するｆｒｅｐまたはｆｃｅｏの感度が異なる限り、長期ｆｒｅｐおよびｆｃｅｏロックを依然として達成することができる。さらに、２つの変調器の２つの制御信号の線形重ね合わせに基づく適切な電子設計は、ポンプ電流およびヒータ変調の間のクロストークを最小限に抑えることを可能にする。

他の２つの代替形態に関して説明したように、ＲＯＦのＰＤＨロックを実施することもできる。ＰＤＨロックを可能にするために、マイクロヒータを介してＲＯＦを制御することができ、ｃｗレーザのポンプ周波数を直接変調することができる。しかしながら、代替形態１および２に関して説明したように、追加の変調器またはキャビティ長コントローラも使用することができる。

付加的または代替的に、例えば、Ｎ．Ｋｕｓｅ他に対する米国特許出願公開第２０１８／０１８０６５５号「Ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌｓ」（その全体が参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているような、２波長遅延自己ヘテロダイン干渉計を使用して、ｆｒｅｐの位相雑音を抑制することができる。同様に、本明細書に記載の任意の変調器およびアクチュエータを使用して、ＭＲのｆｒｅｐを２波長遅延自己ヘテロダイン干渉計にロックするときにｆｒｅｐを制御することができる。さらに、ｆｒｅｐの位相雑音を低減または最小化するための２波長遅延自己ヘテロダイン干渉計の使用は、任意のＭＲとともに使用することができる。

代替形態１および２に関して説明したように、ここで説明したポンプ周波数／パワー変調は、コムＭＲの強度雑音抑制にも使用することができる。この場合、ＰＩループフィルタからの誤差信号は、所望の振幅雑音抑制のためにポンプ周波数またはパワーのいずれかを制御するためのフィードバックとすることができる。振幅雑音抑制は、例えば、ＭＲにおいて生成されるパルスのタイミングジッタを抑制するのに有用であり得る。

図５に示すシステムに十分な加熱電流を印加すると、部分キャビティ長調整範囲は１０^－３を超えて達することができる。そのような大きい部分キャビティ長の変化は、２つ以上の自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）による光領域内のコムラインのシフトに対応することができる。しかしながら、いくつかの用途では、ＦＳＲの５０％のみ、またはＦＳＲの１０％のみ、またはＦＳＲの５％のみの部分キャビティ長調整範囲を使用することができる。様々な構成において、ＭＲに適用される変調メカニズム（例えば、ＭＲ加熱など）は、２０ＧＨｚ未満、１００ＧＨｚ未満、３００ＧＨｚ未満、および、さらには１ＴＨｚ未満の共振器繰り返し周波数に対して２つ以上のＦＳＲによるコムラインの周波数シフトを生成することができ、一連の新規な用途を開く。しかしながら、一般に、そのような大きい繰り返し率の変化を適用する場合、共振器内のソリトンコムの振動を維持することは困難であり得る。例えば、Ｍ．Ｙｕ他は、「Ｇａｓ－ｐｈａｓｅ ＭＲ－ｂａｓｅｄ ｃｏｍｂ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐｕｍｐ ｌａｓｅｒ」（ａｒＸｉｖ：１８０６．０１３４８ｖ１）において、約１つのＦＳＲによる１９５ＧＨｚ ＭＲのコムラインの同調を実証したが、ソリトンコムの振動は達成できなかった。むしろ、約５．２ＭＨｚのＦＳＲを有する外部ファイバ共振器にＭＲを結合するときでさえ、ＭＲコムの線幅と同様の広い線幅を有するカオティックコムが観察された。

この課題は、例えば、ＭＲのＦＳＲおよびポンプ周波数を同時に走査することによって対処することができる。図１～図５を参照して説明した上記の３つの例示的な実施形態のシステムに関して説明したように、ＲＯＦを安定させ、ｃｗポンプレーザをＭＲにロックするためにＰＤＨロックを実施することができる。ＰＤＨロックが作動されると、ポンプレーザはＲＯＦ周波数にロックされたままであり、したがって、ポンプレーザは、マイクロヒータを用いてＭＲの温度をランピング（または任意選択的に変調）するときにキャビティモードの変動に追従することができる。付加的または代替的に、システムは、ｃｗポンプレーザのランプ（または任意選択的に変調）が適用されるときにヒータがＲＯＦのロックを可能にするように構成することができる。

いくつかの実施形態では、ソリトンコムを生成するためにＰＤＨ方法を適用するとき、ポンプ周波数はＭＲ共振の赤色側に固定され、例えば、ＰＤＨロックに使用される位相変調器からの側波帯は共振に固定される。しかしながら、いくつかの実施態様では、ポンプ周波数は、ＭＲ共振の青色側にあってもよい。

ＰＤＨロックを使用する例示的なＭＲ走査システム
ＰＤＨロックを使用する高速ＭＲ走査システムの実施態様の概略ブロック図を図６に示す。ＭＲのＰＤＨロックを可能にするために、第１の位相変調器（ＰＭ）がｃｗ ＭＲポンプレーザ（任意選択の変調器を有する）とＭＲとの間に挿入される。第１の位相変調器は、例えば、電気光学（ＥＯ）ＰＭに基づくことができる。第１のＰＭは、ＲＦ発振器からのＲＦ周波数によって駆動することができ、これは、ポンプと最も近い共振周波数との間の離調とまったく同じであり得る（しかし、そうである必要はない）。第１のＰＭは、ポンプレーザの両側に側波帯を生成し、ポンプレーザ周波数の青側の側波帯は、ＰＤＨロックによって最も近い共振周波数にロックすることができる。

説明のために、走査プロセスに含まれる周波数を図７を参照してさらに説明する。この例では、ｃｗレーザ周波数は、キャビティ共振の赤色側ｎ＊ＦＳＲに位置する。二重側波帯が、ＰＤＨロックのために第１の位相変調器によって生成される。青側側波帯、ＰＤＨ側波帯＃１は、ＰＤＨロックによってキャビティ共振において固定される。キャビティのＦＳＲは、ソリトンコムモード間隔ｆｒｅｐにほぼ等しい。ＲＯＦは、周波数空間におけるｃｗレーザとＰＤＨ側波帯＃１との間の分離に対応する。

図６に戻って参照すると、ＭＲによって伝送される信号は、光検出器ＰＤによって光検出される。ＰＤからの信号は、ＲＦミキサおよび移相器を介して、復調目的で第１のＰＭ（図６に示すＲＦ発振器からの）に印加されるＲＦ変調周波数と混合されて、誤差信号が生成される。誤差信号は、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを介して第２の変調器（例えば、ＥＯ変調器）にフィードバックされ、第２の変調器は、例えば、図１に示すように、ＤＰ－ＭＺＭのためのポンプレーザまたはＶ_ｍ１を含むことができる。ＭＲの共振周波数が例えばマイクロヒータによって走査される場合、ＰＩＤコントローラによるフィードバックループが起動されると、ポンプ周波数は固定ＲＯＦによってＭＲに追従する。この実施態様では、ＰＩＤコントローラは、第２のＥＯ変調器がｃｗレーザ周波数を、ＲＯＦが本質的に固定されたままであるのに適切な量だけシフトさせることを保証する。

代替的な構成（別個には図示せず）では、ｃｗポンプ周波数が走査されると、誤差信号を例えばマイクロヒータにフィードバックすることによって、ＭＲ共振周波数はポンプ周波数に追従し、したがってＲＯＦを固定する。どちらの場合も、１０ｋＨｚ超、１００ｋＨｚ超、またはさらには数百ｋＨｚ超のフィードバック帯域幅を達成することができ、マイクロヒータの熱応答時間またはポンプレーザ応答時間によって制限される可能性がある。図３を参照して説明したグラフェン変調器などのより高速な変調器の実装により、さらに高いフィードバック帯域幅を達成することができる。

光領域におけるソリトンコムモードの周波数ランプ、例えば単位時間当たりのｃｗポンプ周波数の変化は、正確に制御することができる。さらに、周波数ランプは、ソリトンコムスペクトル全体にわたってほぼ同じであるが、ｆ_ｒｅｐの変化は比較的小さい。ＲＯＦがＲＯＦ_ｏｐｔの近くで選択される場合、走査動作中のｆｃｅｏの変化を低減または最小化することができる。

ＭＲの加熱によって可能になる波長掃引の例示的な測定値を図８に示す。ここで、ＭＲの温度が変更され、ＰＤＨロックが起動される。図８において、－３次（破線）および０次（実線）のソリトンコムモードの周波数の変化が示されており、実際に、単位温度変化当たりの周波数変化が、ソリトンコムスペクトルにわたって非常に類似していることを実証している。この例における全波長掃引は約７ＧＨｚである。小さい不一致は、使用される異なるモード数から生じると考えられる。

適切なマイクロヒータ（例えば、図５を参照して説明したような）を用いて、上記で説明した方法は、２つ以上のＦＳＲによるソリトンコムモードの走査を可能にし、多くの新規な用途を可能にする。いくつかの用途は、高線形周波数ランプまたは任意に選択可能な周波数ランプの適用を必要とする。そのような周波数ランプは、例えば、外部周波数コムを使用した周波数ランプの外部較正を介して適用することができる。初期較正後、外部周波数コムを除去することができ、周波数ランプがマイクロヒータによって決定される高い精度に起因して所望の周波数ランプが保持される。あるいは、ｆ_ｃｅｏおよびｆ_ｒｅｐのリアルタイム監視により、高線形周波数ランプまたは任意の選択可能な周波数ランプを得ることができる。

周波数ランプのリアルタイム制御が所望される場合、追加の不平衡マッハツェンダ干渉計（別個には図示せず）を図６に示すｃｗレーザと第１ＰＭとの間に挿入することができ、ｃｗレーザ信号とその時間遅延バージョンとの間のビート信号を、外部基準信号との混合を介してｃｗレーザにフィードバックすることができる。そのような方式は、例えば、Ｎ．Ｓａｔｙａｎ他「Ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐｓ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ」（Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．，１７，１５９９１（２００９））に論じられており、ここではこれ以上説明しない。

以下では、いくつかの用途を詳細に説明するが、広帯域幅ＭＲ掃引（ＷＩＭＳ）と呼ぶことができる上記の変調方式は、これらの用途に限定されず、多くのスペクトル線の同時変調が有用であるときはいつでも適用できることが理解される。

無不感帯分光法へのＷＩＭＳの適用例
第１の実施例では、無不感帯分光法へのＷＩＭＳの適用について、図９を参照して説明する。無不感帯分光法では、被試験サンプルが走査ＭＲの下流に挿入され、サンプルの下流に、各ソリトンコムモードを分離するための波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）が後続する。ＭＲは、ＦＳＲの大部分、ＦＳＲ、またはさらにはＭＲのＦＳＲを超える量によっても走査され得る。分離ソリトンコムモードは、光検出器アレイＰＤ１～ＰＤＮ（Ｎは１、２、３、またはそれ以上であり得る）によって光検出することができる。そのような光検出器アレイはまた、電荷結合素子（ＣＣＤ）を含むことができる。アレイ内の各ＰＤから得られた信号をスティッチングすることによって、ソリトンコムの全スペクトル帯域幅にわたるサンプルの全スペクトル情報を得ることができる。絶対周波数軸を追加するために、自己参照ソリトンコムを使用することができ、リアルタイムでカウンタを用いてｆ_ｃｅｏおよびｆ_ｒｅｐを読み出すことができる。付加的または代替的に、周波数較正の目的で既知の周波数基準（例えば、別個に示されていないアセチレン吸収線など）を使用することができる。コムモード走査は高速であり得、必要な走査範囲は１つのＦＳＲのみであり得るため、ｃｗレーザのみを使用してスペクトル範囲全体をカバーしようとする場合とは異なり、迅速な信号取得を得ることができる。さらに、周波数分解能は単に取得時間によって決定されてもよく、これは従来の光スペクトルアナライザ（例えば、約４ＧＨｚ）で可能であるよりもはるかに高くなり得る。さらに、感度を高めるために、変調分光法を実施することができ、コムモードはｃｗレーザに適用された変調周波数を介して走査され、各検出器からの検出信号はミキサおよびローパスフィルタを介して同じ変調周波数で復調されて、信号対雑音比が増加する。ＷＩＭＳを変調分光法に使用する利点は、広いスペクトル範囲を同時にカバーできることである。さらに、ＷＩＭＳは、中赤外（ｍｉｄ－ＩＲ）スペクトル範囲内で動作する適切なソリトンコムの使用を介して、ｍｉｄ－ＩＲにおいても使用することができる。

ＷＩＭＳのＬＩＤＡＲへの応用例
第２の例示的な用途では、図１０を参照して説明されているように、ＷＩＭＳは、多波長ＬＩＤＡＲまたは多波長周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲのための多波長レーザ源として使用することができる。従来、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲは距離測定に使用され、単一のｃｗレーザまたは独立したｃｗレーザのアレイが使用される。ｃｗレーザに鋸歯状周波数変調を適用すると、変調されたローカル信号と戻り信号との間のビートを測定することによって、対象物の距離および速度を抽出することができる。ＷＩＭＳを使用する場合、各コムモードの周波数をほぼ等しく同時に走査することができるため、ソリトンコムの各コムモードをＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲのｃｗレーザとして使用することができる。

ＷＩＭＳベースのＦＭＣＷコムＬＩＤＡＲの一般概念を、図１０を参照してさらに説明する。ソリトンコムの出力は光結合器１によって２つの経路に沿って分割され、第１の経路に沿って導かれるコムモードは局部発振器として使用され、第２の経路に沿って導かれるコムモードは信号として使用される。信号コムモードは、第１のＷＤＭシステムによっていくつかのチャネルに分離され、その後、送信機および受信機を含むことができるビームステアリングシステムに向けられる。後述する図１１は、ビームステアリング装置の一例を示す。送信機および受信機は、例えば、格子結合器、フェーズドアレイ、ガルバノメータ走査デバイスまたは微小電気機械半導体（ＭＥＭＳ）システムなどの機械的走査デバイスであってもよい。

送信機によって放出される信号は、ターゲットにおいて反射され、受信機によって収集される。受信信号モードおよび局部発振器モードは、最初に第２のＷＤＭシステムを介して干渉され、個々のチャネルは第３のＷＤＭシステムによって分離される。個々のチャネルは、光検出器のアレイ（ＰＤ１．．．ＰＤＮ）によって検出される。個々のチャネルは、例えば、第１のＷＤＭによって決定されるのと同じチャネル割り当てを有するように選択することができる。いくつかの実施態様では、第２のＷＤＭシステムおよび第３のＷＤＭシステムを１つのシステムに組み合わせることができる。あるいは、第２のＷＤＭシステムを光結合器に置き換えることもできる。ＰＤにおける検出されたビート信号は、異なる周波数を有する各信号モードから得られるターゲットの距離および速度情報を含む。各コムモードは、周波数に応じて放射方向を（例えば、ビームステアリングシステムを介して）変更することにより、ターゲットの異なる点における距離情報を提供することができる。

図１１を参照して、コム走査システムの一実施形態をさらに説明する。ソリトンコムの出力は１×２光結合器によって２つの経路に沿って分割され、第１の経路に沿って導かれるコムモードは局部発振器として使用され、第２の経路に沿って導かれるコムモードは信号として使用される。信号コムモードは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）に基づくことができる第１のＷＤＭデマルチプレクサによっていくつかのチャネルに分離され、続いて格子結合器を備えるビームステアリングシステムに向けられ、格子結合器は、一次元周期的誘電体構造から構成することができ、結合器が垂直に（図１１に示すように）光を放射するように設計することができる。このような垂直放射格子結合器およびＡＷＧは、シリコンフォトニクス製造技法に基づいてチップ上に集積することができる。格子結合器は、ターゲットに向かって垂直に（図１１に示すように）信号光を放射し、ここで、デバイスを加熱することによって放射の方向を制御することができる。

放出された信号は、ターゲットにおいて反射され、垂直方向（図１１に示すように）から入来する光を収集するように設計された受信格子結合器によって収集される。受信信号モードおよび局部発振器モードは最初に第１のＷＤＭマルチプレクサを介して干渉され、個々のチャネルは第２のＷＤＭデマルチプレクサによって分離され、マルチプレクサとデマルチプレクサの両方はＡＷＧから構成することができる。個々のチャネルは、光検出器のアレイ（ＰＤ１、ＰＤ２，．．．）によって検出される。個々のチャネルは、第１のデマルチプレクサによって決定されるものと同じチャネル割り当てを有することができる。ＰＤにおける検出されたビート信号は、異なる周波数を有する各信号モードから得られるターゲットの距離および速度情報を含む。

鋸歯状周波数変調を、測定中にＷＩＭＳによってソリトンコムに連続的に適用することができ、典型的な変調深さは１～１００ＧＨｚの範囲で選択することができる。いくつかの実施形態では、最大１０個のチャネルをそのように利用することができる。いくつかの用途では、チャネル数は１００を超える可能性があり、個々のチャネル間隔は１０～１００ＧＨｚの間で選択できる。他のチャネル間隔およびさらに多数のチャネルも実装することができる。さらに、例えばシリコンフォトニクスにおける、マルチプレクサおよびデマルチプレクサならびに光検出器のチップスケールＭＲコムおよびチップスケールアセンブリと併せて、ＷＩＭＳを利用して超小型チップスケールＬＩＤＡＲシステムを実現することができる。

ＭＲにおけるソリトン動作を失うことなく実質的な周波数範囲にわたって多くのコムモードを同時に走査することは、分光法またはＬＩＤＡＲに有用であるだけでなく、任意の他の用途にも実施することができる。上述したように、ＭＲのＦＳＲおよびポンプ周波数の同時制御は、広帯域幅ＭＲ掃引中にソリトン動作を維持するために実施することができ、ＦＳＲおよびポンプ周波数の任意の形態の同時制御を利用することができる。ＦＳＲの５％超、ＦＳＲの１０％超、ＦＳＲの５０％超、さらにはＦＳＲの１００％超によるＦＳＲ走査を実施することができる。例えば、そのようなシステムは、ヒータがＦＳＲの変調を可能にし、同時にｃｗポンプレーザ出力または周波数の変調が実施されるように構成することができる。そのようなシステムがソリトンモードで動作し続けることを保証するために、適切なフィードバックループを実装することができる。例えば、上記でも述べたように、フィードバックループは、ポンプレーザ出力または周波数において動作することができる。このとき、ポンプレーザは、マイクロヒータを用いてＭＲの温度をランピング（または任意選択的に変調）するときにキャビティモードの変動に追従することができる。別の例として、システムは、ヒータがＭＲのＦＳＲの変調を可能にし、同時にｃｗポンプレーザ周波数の変調が適用されるように構成することができる。このとき、走査プロセス中にＭＲの出力パワーを安定化させるためにフィードバックループを使用することができる。ＭＲ走査システムのそのような配列は、ここでは別個に示されていない。あるいは、分光法またはＬＩＤＡＲにおける応用は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるＭ．Ｅ．Ｆｅｒｍａｎｎ他への国際公開第２０１６／１６４２６３号「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ａｎｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ」に開示されているように、電気光学コム（ＥＯコム）の走査と互換性がある。そのようなＥＯコムはまた、実質的な周波数範囲にわたって多くのコムモードの同時走査を可能にする。走査ＭＲコムおよび電気光学コムの他の用途も可能である。

高解像度ＬＩＤＡＲへのＷＩＭＳの応用例
ＷＩＭＳは、図８に示す例から明らかなように、ａｗ ＭＲの個々のコムライン間に相関の高い周波数走査を生成する。この高い相関度は、個々のコムラインの周波数走査をコヒーレントにスティッチングすることによってＬＩＤＡＲシステムの空間分解能を大幅に拡張するために利用することができる。これについて以下でさらに説明する。

個々のコムモードのチャープ率および瞬時周波数を得るために、既知の遅延を有する基準干渉計を使用することができる。干渉計は、コヒーレントスティッチングのためだけでなく、非線形周波数走査の補正のためにも実装することができる。コヒーレントにスティッチングされたコムＬＩＤＡＲを実現する例示的なシステムを図１２に示す。システムは、例えば、周波数走査ｃｗレーザ（垂直線１２００として示されるν_０の中心周波数を有する）によって生成される制御信号によって開始し、これは２つの経路に沿って分割される。１つの経路は基準干渉計を含み、これについては本明細書でさらに詳細に説明する。他方の経路は、Δのコム間隔を有する周波数コム１２０４（例えば、図１～図９に関して記載されているＭＲコム、または、その全体が参照により本明細書に組み込まれるＭ．Ｅ．Ｆｅｒｍａｎｎ他に対する国際公開第２０１６／１６４２６３号「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ａｎｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ」に開示されているような電気光学（ＥＯ）コム）を生成するために使用される。個々のコムライン１２０４ａ，１２０４ｂ，１２０４ｃ，および１２０４ｄの例を図１２に示す。

周波数コム１２０４はターゲットに向けられており、ターゲットは、ここでは単純にするためにターゲット干渉計（例えば、マッハツェンダ干渉計）として示されている。ターゲット干渉計は、短い経路（ＳＰ）および長い経路（ＬＰ）に沿ってビームを分割する第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）を備える。長い経路は、図１２に示すターゲットをさらに含むことができ、これは、例えば、わずかに異なる距離に（可能な分解能を評価するために）配置された２つの反射器（または一般的なサンプルの任意の数の散乱物体またはターゲット）を含むことができる。短い経路および長い経路に沿って伝播する信号は、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）に導かれる前に第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）において再結合される。ＷＤＭは、個々のコムライン１２０４ａ～１２０４ｄに対応する信号を分離するために使用される。例えば、ＷＤＭのＫ番目のチャネルは、ν_０＋（Ｋ－１）Δとν_０＋ＫΔとの間の光周波数を有する光を通過させる。分離されたコムモードを含む分離されたＷＤＭチャネルは、個々の光検出器によって光検出され、信号処理のためにアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル化され得る。基準干渉計からの信号は、基準検出器（例えば、図１２に示す基準干渉計の下流の光検出器）によって光検出され、以下でさらに説明するように信号処理に使用することができる。

図１３ａは、周波数走査を伴うコムモードの瞬時周波数１３０２ａ，１３０２ｂ，１３０２ｃ，１３０２ｄ，および１３０２ｅの一例を示している。ここでは、単純にするために、周波数コムのコム間隔Δが固定され、キャリアエンベロープオフセット周波数が走査されると仮定するが、これはＥＯコムに対して実施することができる。また、単純にするために、周波数走査が純粋に線形である、すなわち、単位時間当たりの周波数変化が一定であると仮定する。ここで、実線は、ＭＲにおいて測定される個々のコムラインの周波数の展開を表す。破線は、ターゲットからの反射後の周波数展開を表す（単純にするために、１つのターゲットのみが仮定される）。ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲに関するビート信号は、実線と破線との間に観測される。

好ましくは、コムモードは、コム間隔をわずかに超えて走査され、Ｋ番目のチャネルにおいて（Ｋ－１）番目のコムモードと（Ｋ－２）番目のコムモードとの間に周波数重複を生じる。図１３ａの破線の垂直線は、例えば時間εにわたるコム間隔を超える走査を示す。

コム走査がコム間隔に達するのにかかる時間が既知である場合、図１３ｂに概略的に示すように、すべてのコムモードをコヒーレントにスティッチングすることができる。図１４ａおよび図１４ｂは、時間領域におけるＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ信号１４０２ａ、１４０２ｂ、１４０２ｃ、１４０２ｄ、および１４０２ｅを使用した動作原理を示している。各ＷＤＭチャネルの周辺部での周波数重複が小さいため、Ｋ番目のチャネルは、短い時間期間ε（好ましくは、サイクル時間Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}と比較して小さくなるように選択される）中に、走査範囲の終わりにおいて走査の開始時と同じ信号を想定し、具体的には、Ｋ番目のチャネルは、時間＝０＋ｔおよび時間＝Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}＋ｔ（０＜＝ｔ＜ε）において同じ信号を想定する。様々な実施形態において、時間期間εは、約０．１ Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}未満、約０．０５ Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}未満、約０．０１ Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}未満、または他の何らかの値であってもよい。

Ｎ×Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}の長さを有するＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ信号は、以下のようにＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ信号をコヒーレントにスティッチングすることによって取得することができる。すなわち、第１のチャネルは０～Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}の時間をカバーし、第２のチャネルはＴ_{ｃｙｃｌｅ}～２ Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}の時間をカバーし．．．、第Ｎのチャネルは（Ｎ－１）Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}～ＮＴ_{ｃｙｃｌｅ}の時間をカバーする。Ｎ個のコムモードによって周波数コムをコヒーレントにスティッチングすることによって、１つのコム間隔Δ付近のみのｃｗレーザの実際の走査範囲にもかかわらず、Ｎ倍大きい有効周波数走査を得ることができ、ＬＩＤＡＲシステムの得られる分解能はＮ倍向上する。したがって、例えば分散フィードバック（ＤＦＢ）ベースのｃｗレーザをそのようなＬＩＤＡＲシステムの周波数コムと組み合わせて使用するときに、高分解能と大きいコヒーレンス長の両方を得ることができる。さらに、標準的な周波数変調ＬＩＤＡＲシステムと比較して、同じ走査範囲をＮ倍短い走査時間で得ることができる。

図１２に戻って参照して、基準干渉計の機能についてより詳細に説明する。基準干渉計は、例えば、既知の遅延τ_ｒｅｆを有するマッハツェンダ干渉計を備えることができる。さらに、基準干渉計を使用して、基準検出器上のビート信号の観測によって時間の関数として周波数走査を正確に監視することもできる。例えば、時間の関数としての基準検出器上の観測可能なビート音周波数は、近似的にｆ_{ｂｅａｔ（}ｔ）＝ｄξ（ｔ）／ｄｔ＊τ_ｒｅｆによって与えられ、ここで、ｄξ（ｔ）／ｄｔは、コムモードの周波数の時間変動である。ビート音周波数ｆｂｅａｔ（ｔ）は、基準干渉計からの信号のゼロ交差間の距離を記録し、ゼロクロス時にターゲット干渉計を再サンプリングすることによって、好都合に監視することができる。ゼロ交差間の補間も、より高い分解能のために使用することができる。そのようなリサンプリング方法は、例えば、Ｔ．Ｚｈａｎｇ他「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ＦＭＣＷ ＬＡＤＡＲ ｂｙ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ」（Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．，ｖｏｌ．２６，ｐｐ．１１５１０（２０１８））に記載されている。時変周波数走査によってＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲの精度を向上させるために、２つ以上の基準干渉計を使用することができる。そのような実施態様は別個に示されていない。

あるいは、基準周波数によって観測されるビート信号は、レーザ電流にフィードバックすることによって局部発振器周波数基準に位相ロックすることによって安定化することができ、それによってｃｗレーザパルスチャープを能動的に線形化することができる。そのような方法の例は、Ｔ．Ｚｈａｎｇ他によって論じられている。

基準干渉計における既知の遅延τ_ｒｅｆにより、サイクル時間Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、以下のように得ることができる。

ここで、ｆ_{ｂｅａｔ，ｒｅｆ}は、線形走査を想定した基準干渉計のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲ信号の補正周波数である。標準的な実験室条件下で、または温度安定化を伴って、ファイバ干渉計から構成された基準干渉計は、シリカファイバの熱膨張係数が約１０^－５／Ｋであるため、遅延（τ_ｒｅｆ）に対して６桁の正確度（１０^－６）を生成することができる。

正しいコヒーレントスティッチングを保証するのに役立つパラメータは、時刻ｔにおける（ターゲットによって生成される）ビート信号の位相φ_ｋ（ｔ）と、時刻ｔ＋Ｔ_{ｃｙｃｌｅ（}０＜＝ｔ＜ε）におけるビート信号の位相φ_ｋ（ｔ＋Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）との間の位相不整合である。理想的には、φ_ｋ（ｔ）－φ_ｋ（ｔ＋Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）＜＋／－πであり、これにより、信号処理による正しいコヒーレントなスティッチングが可能になる。位相不整合Ｃ＝φ_ｋ（ｔ）－φ_ｋ（ｔ＋Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）が＋／－π以内であることが分かると、φ_ｋ（ｔ）がφｋ（ｔ＋Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）とまったく同じであることを保証するために小さい補正をＣに加えることができる。

一例として、遅延の６桁の精度および許容可能な＋／－π位相不整合を伴うΔ＝１００ＧＨｚのコム間隔を仮定すると、ターゲット干渉計における１μｓを超える遅延（τ_{ｔａｒｇｅｔ}＜（許容可能な位相不整合）／（２π×正確度×Δ））を測定することができ、正確度は、基準干渉計を用いて得られるτ_ｒｅｆの測定の正確度を指す。正確度が高いほど、測定できる範囲が長くなる。正確度を最大化するために、基準干渉計の精密な温度安定化を実施することができる。また、システム全体のフットプリントを最小限に抑えるために、螺旋状に巻かれた導波路に基づく基準干渉計を実装することができる。螺旋状に巻かれた導波路は、例えば、Ｍ．Ｅ．Ｆｅｒｍａｎｎ他「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＬＯＷ ＮＯＩＳＥ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＭＵＬＴＩＰＬＩＣＡＴＩＯＮ，ＤＩＶＩＳＩＯＮ，ＡＮＤ ＳＹＮＣＨＲＯＮＩＺＡＴＩＯＮ」、米国特許出願公開第２０１８／００４８１１３号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。基準干渉計における分散補償も実施することができる。

３つのチャネルを有する図１２に示すシステムを使用した、コヒーレントスティッチングＬＩＤＡＲ信号の例を図１５に示す。信号（任意単位）は、時間の関数として示されている。全体的な信号は、１０ｍｓの時間期間にわたってほぼ等しい振幅を有し、各信号セクションの周縁で振幅が減少する３つの信号セクションＩ、ＩＩ、およびＩＩＩを含む。周縁部における振幅の減少は、ＷＤＭフィルタの制限から生じる。無限に急峻なカットオンおよびカットオフフィルタ機能を有するフィルタは、原則として、信号セクションの周縁部における振幅の減少を排除することができる。実際には、フィルタエッジは無限に急ではなく、観測される振幅変調をもたらす。セクションＩとセクションＩＩとの間およびセクションＩＩとセクションＩＩＩとの間の破線間の時間は、隣接する検出チャネルに信号重複がある時間を表す。

図１５に示すＬＩＤＡＲ信号のフーリエ変換から得られる実際の目標測定値の例を図１６ａおよび図１６ｂに示す。図１６ａは、単一のターゲットに対して得られる解像度の向上を示し、図１６ｂは、ただ１つまたは３つの（コヒーレントスティッチング）ＷＤＭチャネルを使用する場合の二重ターゲットに対して得られる解像度の向上を示す。ここで、より広い曲線１６０４は、ただ１つのチャネルによって得られる目標解像度を表し、より狭い曲線１６０８は、３つのコヒーレントスティッチングチャネルによって得られる解像度を表す。実際、ＬＩＤＡＲ解像度は、スティッチングされたＷＤＭチャネルの数に反比例して増加する。

図１２に関して説明したシステムは、ＥＯコムまたは任意の形態の走査ＭＲコムと互換性がある。ＭＲコムを使用する場合、追加の問題に対処することができる。図８に示すように、ＭＲコムを走査すると、繰り返し周波数が、キャリアエンベロープオフセット（ＣＥＯ）周波数の変化に加えて変化する。いくつかの実施態様では、典型的には反復率ではなくＣＥＯ周波数のみを走査するＥＯコムの走査の間、および、ＣＥＯ周波数と反復率の両方が変化しているＭＲコムの走査の間に差があり得る。ＭＲコムを走査するとき、コム間隔は、図１７ａに示すように、アコーディオンのように変化し得る。ここで、実線は走査前のコムモードスペクトルを示し、破線はコムモード間隔が変更された後のコムモードスペクトルを示す。このため、コム間隔走査が含まれる場合、図１７ｂに示されるように、コムモードが初期コム間隔（Δ_ｒｅｐ０）だけ走査される時間（サイクルタイムと呼ばれる）は、コムモード数に依存する。コヒーレントスティッチングを進める前に、追加の信号処理を利用することができる。

追加の信号処理は、図１８に示すように、すべてのコムモードについて時間軸を再スケーリングすることによって、サイクルタイムを強化して同じにすることができる。既知のコムモード数によってコム間隔を常に測定することにより、正確な再スケーリング係数を得ることができる。サイクルタイムが整列されると、図１４に関して説明したのと同じ方法ですべてのコムモードをコヒーレントにスティッチングすることができる。

ｋ番目のコムモードに関連するＦＭＣＷ信号の再スケーリングされた時間軸に対応する再スケーリングされた時間ｔ_ｋの数式は、以下のように得ることができる。

式中、Ｋはチャネル数であり、Δ_ｒｅｐ０およびδ_ｒｅｐはそれぞれ走査前のコム間隔および走査中のコム間隔変化である。

時間再スケーリングの場合、周波数コムの繰り返し周波数は、ＲＦ領域において常に測定することができる。時間再スケーリングの後、例えば、ＣＥＯ周波数のみが走査されるときと同じ方法で、すべてのコムモードをコヒーレントにスティッチングすることができる。

光クロックのＭＲおよび低位相雑音ｍｍ波生成
本明細書で説明するように、微小共振器は、低位相雑音マイクロ波生成にも使用することができる。例えば、微小共振器をファイバ遅延線にロックすることができる。いくつかの実施態様は、低位相雑音マイクロ波生成のために光周波数分割を使用する。光周波数分割は、例えばＡ．Ｒｏｌｌａｎｄ他「Ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｆｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｏ－ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅｓ：ｔｏｗａｒｄｓ ａ ｎａｒｒｏｗ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ ＴＨｚ ｓｏｕｒｃｅ」（Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．，ｖｏｌ．１９，ｐｐ．１７９４４（２０１１））に記載されているような、マイクロ波領域の信号を光領域の信号にコヒーレントに連結するために使用される、周波数多重化の逆である。周波数分割は、例えば、Ｔ．Ｍ．Ｆｏｒｔｉｅｒ他「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｔａｂｌｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ ｖｉａ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ」（Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．５，ｐｐ．４２５（２０１１））に記載されているような、自己参照光周波数コムを介してマイクロ波領域に光信号の安定性を伝達するための技術であり、これは（最適な場合には）マイクロ波領域の位相雑音を１／Ｎ^２倍低減することができ、ここでＮは、光周波数とマイクロ波周波数との間の周波数比である。

本明細書では、高繰り返し率ＭＲソリトンコムの使用による、低位相雑音を有するミリ波（本明細書ではｍｍ波またはｍｍｗと呼ばれることもある）信号の生成への周波数分割技法の拡張について説明する。いくつかのＭＲコムは、パルスごとに比較的低いエネルギーを生成することができる。パルス当たりのより高いエネルギーを提供するために、いくつかのシステムは、図１９に示す例示的なｍｍ波発振器システムに示すように、数ＴＨｚだけ分離された２つの超低位相雑音ｃｗレーザを使用して、ソリトンコムの繰り返し率およびキャリアエンベロープオフセット周波数をロックすることができる。

図１９では、光ファイバが様々な構成要素を接続しているが、これはｍｍ波発振器システムの要件ではない。ビームスプリッタ結合器ＢＳ１は、（例えば３００ＧＨｚの繰り返し周波数で動作する）ソリトン微小共振器コムＭＲ１の出力を２つの経路に分割する。ビームスプリッタ結合器ＢＳ２は、これらのビーム経路のうちの１つをさらに２つに分割する。結合器１（Ｃ１）は、ソリトンコムからの出力を第１のｃｗレーザ基準（光基準１）の出力と結合し、結合器２（Ｃ２）は、ソリトンコムからの出力を第２のｃｗレーザ基準（光基準２）の出力と結合する。図１９に示すシステムでは、光基準１の出力は約１５３０ｎｍであり、光基準２の出力は約１５６５ｎｍである。他の実施形態では、他の出力波長を使用することができる。

ＭＲ１およびｃｗレーザ周波数の関連するコムモードの例が図２２ａに示されており、これについては下記にさらに説明する。結合器Ｃ１およびＣ２からの２つの結合出力は、フォトダイオードＤ１およびＤ２に向けられて、ソリトンコムの次の隣接するモードを有する２つのビート信号を生成する。ミキサｍ１は、２つのビート信号を結合し、ソリトンコムのキャリアエンベロープオフセット周波数とは無関係の二次ビート信号を生成する。次いで、二次ビート信号をミキサｍ２において局部発振器（ＬＯ）と混合することによって誤差信号を生成し、ＰＩＤコントローラを介して誤差信号をソリトンコムの繰り返し率を制御するためのアクチュエータに導くことによって、ソリトンコム繰り返し率を安定化することができる。そのようなアクチュエータは、例えば、図５に関して説明したように、例えばＭＲ１に取り付けられた加熱要素を含むことができる。

この方式では、ソリトンコム繰り返し率の位相雑音が周波数分割によって低減され、その結果、例えば、以下のように、繰り返し率位相雑音φ（ｆ_ｒｅｐ１）が、２つのｃｗレーザ間の差分位相雑音φ（ν_１－ν_２）を、それらの周波数分離ν_１－ν_２とソリトンコム繰り返し率ｆ_ｒｅｐとの比の二乗で除算した値に低減される最適な場合がもたらされる。

φ（ｆ_ｒｅｐ１）＝φ（ν_１－ν_２）／［（ν_１－ν_２）／ｆ_ｒｅｐ１］^２，（Ｃ１）
これは図２２ａにも示されている。２つのｃｗレーザの周波数分離が４．５ＴＨｚであり、繰り返し周波数が３００ＧＨｚ（ここでは、３００ＧＨｚは一例としてのみ使用され、５０ＧＨｚ～５０ＴＨｚの範囲の他の周波数も使用することができる）であると仮定すると、これは２３．３ｄＢの分割係数に相当する。小型またはチップスケールのｃｗレーザは、１００ｋＨｚのオフセット周波数（例えば、ＯＥｗａｖｅｓ ＨＩ－Ｑ １．５ Ｍｉｃｒｏｎ Ｌａｓｅｒ）において１Ｈｚ^２／Ｈｚの周波数雑音に達し得、このオフセット周波数は、３００ＧＨｚにおいて－１３２．３ｄＢｃ／Ｈｚの単側波帯位相雑音をもたらす。このレベルは、オーブン制御水晶発振器から増倍された現行技術水準のミリ波源の位相雑音よりも４０ｄＢだけ性能が優れている。ミリメートル波繰り返し率ソリトンコムの選択は、コムモードあたりの高パワーを可能にし、原理的には、ショット雑音限界によって支配されるミリ波位相雑音で光からミリメートル波への変換を達成することができる。

結合器Ｃ３はＭＲ１の出力を分割し、光バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ）は、その周波数差がこれら２つの光コムモードの波長差によって決定される２つの個々のＭＲコムモードをフィルタリング除外する。ＥＯ変調器（ＥＯ）は、２つのコムモードのうちの１つを周波数変調する。結合器Ｃ４は２つのコムモードを再結合し、結合器Ｃ５は光パワーの一部を経路Ａおよび経路Ｂに沿って分割する。単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ－ＰＤ）を使用して、経路Ｂに沿って伝播する２つの光波長を、その周波数が光線の波長差によって決定されるミリメートル波およびＴＨｚ領域の単一トーンに変換することができる。ミリメートル波源を調整するために、図１９に示すように、一方の波長（または両方の波長）の光路上に音響光学変調器（または音響光学周波数シフタ）ＡＯを導入することができる。ミリメートル波源の微調整が可能であることは、外部基準に対する長期の周波数ドリフトを安定させるために有利であり得る。結合器Ｃ５からの出力（図１９の経路Ａに沿った）は、例えば、図２０を参照して説明される下方変換システムをもたらすことができる。

図２０は、ミリ波信号をマイクロ波信号に変換する微小共振器ベースの周波数ダウンコンバータの構成の一例を概略的に示す。ミリメートル波のビート音をＲＦ領域にダウンコンバートするために、図１９のソリトンコムよりも低い繰り返し周波数にある、図２０においてＭＲ２として示される第２の周波数コム、例えばＭＲコムを使用することができる。ダウンコンバータへの入力は、経路Ａ（図１９に示す）に沿った結合器Ｃ５出力から得ることができ、所望の周波数間隔によって分離された２つのｃｗレーザ波長を含む。好都合には、１０ＧＨｚの周波数で振動するＭＲソリトンコムを使用することができるが、１～３０ＧＨｚの範囲内、さらにはより高いまたはより低いＭＲ周波数を使用することもできる。小さいサイズが必要でない場合、モデルロック固体レーザ、モデルロックファイバもしくはダイオードレーザ、またはＥＯコムも下方変換に使用することができる。第２の周波数コムＭＲ２は、図１９に示した３００ＧＨｚのソリトンコムと同様に安定化されてよい。例えば、検出器Ｄ_Ａは、ＭＲ２からの最近傍コムラインを用いて２つのｃｗレーザの２つのビートを検出する。関連するコムラインおよびｃｗレーザ周波数は、図２２ｂに別個に示されている。

図２０に戻ると、２つのビートは２つのＲＦバンドパスフィルタ（ＲＦＢＰ）によってＲＦ領域内でフィルタリングされる。２つのビートは、その後、図示のミキサＭ_１によって混合され、二次ビート信号を生成する。ミキサＭ_１は、二次ビート信号からＭＲ２のキャリアエンベロープオフセット周波数を低減または除去する。次いで、二次ビート信号は、局部発振器ＬＯ（例えば、１０ＭＨｚの周波数にある）と混合され、ＰＩＤコントローラを介して誤差信号を生成し、これはＭＲ２内の繰り返し率コントローラ、例えば図５に関して説明したような加熱要素にフィードバックされる。次いで、ＭＲ２からのモード間ビート周波数が、検出器ＤＢによって検出され、ＭＲ２の繰り返し率において超安定出力を生成する。

このようにして、３００ＧＨｚによって分離された２つのｃｗレーザからの２つの波長は、ＭＲ２の繰り返し率を安定化するために使用される。したがって、１０ＧＨｚにおける繰り返し率は、３００ＧＨｚの周波数分離を有する２つのｃｗレーザの差分位相雑音を運ぶ。言い換えれば、１０ＧＨｚ信号の周波数安定性は、３００ＧＨｚにおける周波数差の安定性と同じ（またはほぼ同じ）である。

さらに、この１０ＧＨｚ信号は、生成されたｍｍ波をＭＡＳＥＲ、オーブン制御水晶発振器（ＯＣＸＯ）などの外部基準にロックするために使用することができ、それによって長期安定性を保証する。あるいは、以下に説明するように、光クロック出力信号として１０ＧＨｚ自体を使用する場合、ＭＡＳＥＲ、ＯＣＸＯなどの他の精度の周波数基準を本１０ＧＨｚ信号にロックすることができる。

分子の回転スペクトルにおけるミリメートル波遷移は、チップスケール原子クロックを開発するために使用することができるタイミング基準を提供することができる。例えば、Ｃ．Ｗａｎｇ他「Ａｎ ｏｎ－ｃｈｉｐ ｆｕｌｌｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｌｏｃｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｂ－ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」（Ｎａｔｕｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（２０１８））に記載されているように、ＣＭＯＳ技術に基づいて完全電子ＴＨｚクロックが実証されている。そのような電子分子クロックは、分子遷移において局部発振器の位相雑音および安定性によって制限される。ＭＲソリトンコム手法は、チップスケールでの構築を可能にしながら、この制限を活用することができる。

そのような光学分子クロックの実施態様の一例を図２１に示す。システムは、図１９に関して説明したように、ＭＲ１にロックされた２つのｃｗレーザに基づく局部発振器と、例えば図２０に関して説明したように、サブＴＨｚ範囲のクロック周波数をマイクロ波領域の計数可能な周波数にダウンコンバートするためにＭＲ２を使用する下方変換ユニットとを備える。これらのシステムは、例えばＮＴＴ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐ．から入手可能なＩＯＤ－ＰＭＪ－１３００１などの導波路結合ＵＴＣフォトダイオード、例えば硫化カルボニル（ＯＣＳ）ガスセルに基づくガスセル、および、例えばＶｉｒｇｉｎｉａ Ｄｉｏｄｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＷＲ３．４ＺＢＤなどのショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の組み合わせによって増強される。図２１では、ＯＣＳ分子ガスを含むガスセルを示しているが、適切な吸収スペクトルを有する他のガスを使用することもできる。好ましくは、ガスセルは、吸収ラインの圧力広がりを低減または最小にするために、減圧された大気圧にあるガス（例えば、ＯＣＳ）を含む。ＵＴＣ－ＰＤは、ｆｒｅｐ１によって分離された２つの光学フィルタリングされたｃｗレーザ（ＭＲ１の個々のソリトンコムモードにロックされている）をミリメートル波トーンに変換する。この信号は、ミリメートル波トーンの導波路として機能するように設計されたガスセルに結合され、長い相互作用長を保証する。ガスセルを通じて送信された信号は、ＳＢＤによって検出される。

ミリ波の周波数を安定化させるために、図２１に示すＡＯ周波数シフタを利用することができ、これはｃｗレーザのうちの１つの波長を周波数シフトさせることができる。ｆｒｅｐ１によって分離された２つの光トーンの下方変換は、光検出器Ｄ２によって直接光検出されるマイクロ波周波数である繰り返し周波数ｆｒｅｐ２で動作する第２のソリトンＭＲコムを介して実現される。ｆｒｅｐ２は、ＯＣＳガスセルの雑音変動を担持する。

ｍｍｗトーンをガスセルにロックするための例示的な実施態様も図２１に示す。従来のチップスケール原子クロック（ＣＳＡＣ）と同様に、分子クロックは、示されたＶＣＯを介してＡＯに対して閉ループ動的周波数補正を実行する。ＯＣＳガスセル内の選択された基準吸収線のｍｍｗトーンｆ_ｍｍｗとスペクトル線中心ｆ_ＯＣＳとの間の周波数誤差を検出するために、周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）を実施することができる。ＦＳＫでは、ガスセルに衝突するｍｍｗトーンが、好ましくは遷移線幅の約１／１０の周波数ｆ_ｍにおいて変調される。約１～３０Ｐａの好ましい圧力のＯＣＳガスセルの場合、変調周波数は約１００ｋＨｚであり得る。変調周波数は、例えば、図２１に示す電気光学変調器ＥＯを介して適用することができ、これは、２つのｃｗ波長のうちの一方を変調する。

周波数変調の結果として、プローブ信号の瞬時周波数は、ｆ_ｍｍｗ＋ｆ_ｍとｆ_ｍｍｗ－ｆ_ｍとの間で周期的に切り替えられる。ｆ_ｍｍｗが吸収線の中心にない場合、ガス吸収は２つのハーフデューティサイクル間で異なる。ショットキーダイオードは変調信号を測定し、変調信号はその後、ＰＩＤを介して図２１に示すＶＣＯの周波数を制御する誤差信号に変換される。ｆ_ｍｍｗが吸収線の中心にあるとき、誤差信号は０である。

説明のために、ｍｍ波光クロックにおける周波数が図２２ａおよび図２２ｂに表示されている。図２２ａは、ソリトンＭＲコムＭＲ１に関するコムスペクトルを示している。ＭＲ１は、２つの次の隣接するＭＲ１コムラインの位相ロックを介して、周波数ν_１、ν_２において２つのｃｗレーザにロックされる。一般性のために、２つの次の隣接コムラインは、繰り返し率およびキャリアエンベロープオフセット周波数の両方に作用するアクチュエータを介してロックすることができることが示されている。（図１９に関して説明したように）ｃｗレーザと次の隣接するコムラインとの間の２つのビート信号を混合するためにミキサが使用される場合、キャリアエンベロープオフセット周波数に対するアクチュエータを省略することができる。次いで、ガスセル（例えば、図２１を参照して説明される）内の選択された分子吸収線を調べる概略的に示されたフィードバックループによって、繰り返し率ｆ_ｒｅｐ１が安定化される。繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐ１が安定すると、周波数ｆ_ｒｅｐ１で発生するｍｍ波も安定する。

ｆ_ｒｅｐ１からｆ_ｒｅｐ２への下方変換を図２２ｂに概略的に示す。ここで、ＭＲ２はまた、２つのｃｗレーザ線に位相ロックされ、これによって、周波数カウンタによって計数することができるｆ_ｒｅｐ２におけるＭＲ２の繰り返し率が安定する。ここでもミキサを使用すると、ＭＲ２を２つのｃｗレーザ線にロックするために必要なアクチュエータは１つだけである。ＭＲ２が安定化されると、繰り返し率ｆ_ｒｅｐ２の位相雑音は以下のように書くことができる（図２２ｂ参照）。

例えば、ｆｒｅｐ２における位相雑音は、周波数比（ｆ_ｒｅｐ１／ｆ_ｒｅｐ２）^２だけ低減される。

ｆ_ｒｅｐ２における光検出信号は、ＯＣＳガスセルの変動に依存するｆｒｅｐ１の分別安定性を担持するため、ＴＨｚ分子クロックの直接読み出しである。

式（Ｃ１）に関して説明したのと同様に、式（Ｃ２）は、周波数分割によって位相雑音低減を得ることができることを示す。式（Ｃ１）および式（Ｃ２）を組み合わせると、周波数ｆｒｅｐ２における位相雑音は以下のように求められる。

φ（ｆ_ｒｅｐ２）＝φ（ν_１－ν_２）／［（ν_１－ν_２）／ｆ_ｒｅｐ２］^２，（Ｃ３）
例えば、システムの全体的な分割係数は、［（ν_１－ν_２）／ｆ_ｒｅｐ２］^２によって与えられる。したがって、光検出器Ｄ_Ｂからの出力は、低位相雑音マイクロ波放射の非常にコンパクトな供給源でもあり得る。ｃｗレーザと、１０ＧＨｚのｆ_ｒｅｐ２との間の４．５ＴＨｚの周波数分離の場合、位相雑音低減係数は５３ｄＢである。分子クロックの実施形態からのマイクロ波信号は、１秒で１０^－１２未満の安定性を有することができる。

一般的に低位相雑音マイクロ波またはミリ波の生成、ならびに分子クロックの最高の周波数安定性のために、本明細書に記載の微小共振器を光学的に冷却することがさらに有用であり得る。光冷却は、例えば、Ｔ．Ｅ．Ｄｒａｋｅ「Ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ Ｋｅｒｒ ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｓｏｌｉｔｏｎｓ」（ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／１９０３．００４３１．ｐｄｆ）で論じられているように、ＭＲポンプレーザに反対方向に冷却レーザを注入することによって得ることができる。微小共振器と組み合わせた冷却レーザの実施態様の概略的な実施例を図２３に示す。この例では、ＭＲポンプレーザは時計回りに伝播している（曲線２３０２として示されている）。冷却レーザは、反時計回りに伝播している（曲線２３０４として示されている）。短いソリトンパルスがポンプレーザによって生成され、図２３の下部において曲線２３０８として表されている。

低雑音ソリトンＭＲコムでは、サブＴＨｚ繰り返し率を有するＭＲコムを排除することができ、分子光クロックは、３～３０ＧＨｚの中程度の繰り返し率で動作するただ１つのソリトンＭＲコムによって構成することができ、別個の下方変換ユニットの必要性を排除する。あるいは、適切な周波数拡大段を有する固体またはファイバレーザを使用することもできる。中程度の繰り返し率において動作するこのようなソリトンＭＲコムは、図１９に関して説明したのと同じ方法で、２つのｃｗレーザに安定化することができる。

次に、ＵＴＣ－ＰＤは、分子ガス吸収線の遷移周波数付近のＭＲコム繰り返し率の倍数を検出する。吸収セルの支援を受けて生成されるフィードバック信号は、図２１に関して前述したように、ＡＯ変調器を介してｃｗレーザのうちの１つの周波数を変調するために使用することができる。次いで、コムライン間の変調間ビート信号および所望の計数可能なクロック信号であるＭＲコムの対応する繰り返し率を検出するために、図２０の検出器Ｄ_Ｂと同様の機能において、ＭＲソリトンコムの出力の一部を別の検出器に向けることができる。したがって、このような構成では、別個の周波数下方変換ユニットおよび第２のＭＲソリトンコムは必要とされない。

さらなる態様
１．微小共振器ベースの周波数コムであって、
連続波（ｃｗ）ポンプレーザと、前記ｃｗレーザを受け取るように構成された微小共振器と、
前記ｃｗレーザの周波数および振幅変調のために構成された単側波帯（ＳＳＢ）マッハツェンダ変調器とを備え、前記ＳＳＢ変調器は、前記微小共振器内にコヒーレントなソリトン状態を誘起するように構成されており、前記ＳＳＢ変調器は、前記微小共振器のキャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏおよび繰り返し率ｆｒｅｐのロックを長期安定化させるようにさらに構成されている、微小共振器ベースの周波数コム。

２．微小共振器ベースの周波数コムであって、
連続波（ｃｗ）ポンプレーザと、前記ｃｗレーザからの出力を受け取るように構成された微小共振器と、前記微小共振器のキャビティ長を変調するように構成されている、前記微小共振器上に堆積された少なくとも１つのグラフェン変調器とを備え、前記グラフェン変調器は、前記微小共振器のキャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏ、繰り返し率ｆｒｅｐ、または共振オフセット周波数ＲＯＦのうちの１つまたは複数を長期ロックするようにさらに構成される、微小共振器ベースの周波数コム。

３．微小共振器ベースの周波数コムであって、
ポンプ電流を受け取る連続波（ｃｗ）半導体ポンプレーザと、前記ｃｗレーザを受け取るように構成された微小共振器ＭＲと、加熱電流を受け取り、前記微小共振器のキャビティ長を変調するようにさらに構成された少なくとも１つのマイクロヒータとを備え、前記ＭＲは、前記ポンプおよび加熱電流の制御を介してキャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏおよび繰り返し率ｆｒｅｐのロックを長期安定化させ、前記長期安定化ｆｃｅｏおよびｆｒｅｐロックは、前記微小共振器共振オフセット周波数ＲＯＦを、ＭＲキャビティ共振の赤色側のＭＲキャビティ線幅の１～１０倍の範囲内の動作点に調整することによって促進される、微小共振器ベースの周波数コム。

４．前記ＲＯＦは、ポンプ電流変調誘導周波数変調から生じるｆｃｅｏの変化が、ポンプ電流誘導パワー変調から生じるｆｃｅｏの変化と比較して小さい点に調整される、態様３に記載の微小共振器ベースの周波数コム。

５．周波数走査ソリトン微小共振器周波数コムであって、ポンプ電流を受け取り、ポンプ周波数において光を放出するように構成された、連続波（ｃｗ）半導体ポンプレーザと、自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）を有する微小共振器ＭＲであって、前記ＭＲが前記ｃｗレーザから前記光を受信するように構成され、前記ＭＲがほぼ前記ＦＳＲによって周波数空間において分離されたコムモードを放出するように構成される、微小共振器ＭＲと、前記ＭＲにおけるソリトン動作を維持しながら、前記ＦＳＲの実質的な割合によって前記コムモードを走査するように構成された少なくとも１つの変調器であって、前記実質的な割合が前記ＦＳＲの５％超に対応する、少なくとも１つの変調器とを備える、周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

６．前記実質的な割合が、前記ＦＳＲの１０％超、５０％超、または１００％超に対応する、態様５に記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

７．周波数走査ソリトン微小共振器周波数コムであって、ポンプ電流を受け取り、ポンプ周波数において光を放出するように構成された、連続波（ｃｗ）半導体ポンプレーザと、前記ｃｗレーザから前記光を受け取るように構成され、共振周波数を有する微小共振器ＭＲと、前記ポンプ周波数および前記ＭＲ共振周波数を同時に走査するように構成された少なくとも１つの変調器とを備える、周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

８．無不感帯分光法のためにさらに構成されており、前記コムは、
前記周波数走査微小共振器周波数コムの出力を受け取るように構成された被試験サンプルと、
前記被試験サンプルからの出力を光検出器のアレイ上に分割するように構成された波長分割多重化システムとをさらに備える、態様５～７のいずれかに記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

９．多波長ＬＩＤＡＲのためにさらに構成された、態様５～７のいずれか１つに記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

１０．多波長周波数変調ｃｗ（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲのためにさらに構成された、態様５～７のいずれか１つに記載の周波数走査微小共振器周波数コム。

１１．多波長周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムの少なくとも２つのチャネルをコヒーレントにスティッチングするようにさらに構成された、態様５～７、９、または１０のいずれか１つに記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

１２．前記ＭＲ共振周波数または前記ポンプ周波数に作用するように構成されたフィードバックループをさらに備える、態様５～１１のいずれか１つに記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

１３．前記微小共振器の共振オフセット周波数（ＲＯＦ）を安定させるように構成されたフィードバックループをさらに備える、態様５～１２のいずれか１つに記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

１４．前記ＭＲの出力パワーに作用するように構成されたフィードバックループをさらに備える、態様５～１３のいずれか１つに記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。

１５．周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムであって、ＦＭＣＷレーザ源であって、前記ＦＭＣＷレーザ源は、周波数コム源をポンピングするように構成され、前記コム源は、個々の周波数変調コムラインを有する周波数コムを含み、前記コムラインは、周波数間隔によって分離されており、前記コム源は、ターゲット干渉計を介してターゲットに向けられる、前記ＦＭＣＷレーザ源と、波長分割多重化（ＷＤＭ）システムであって、前記ＷＤＭシステムは、前記ターゲット干渉計からの光出力を受け取るように構成され、前記ＷＤＭシステムは、前記ターゲット干渉計の前記光出力を、前記個々のコムラインの周波数間隔と同等の周波数間隔を有する個々の周波数チャネルに光学的に分離するようにさらに構成される、ＷＤＭシステムと、前記周波数チャネルから前記信号を受信するように構成された検出器アレイと、少なくとも２つの隣接する周波数チャネルの信号をコヒーレントにともにスティッチングして、前記ＬＩＤＡＲシステムの空間分解能を増大させるように構成されているデジタル信号処理ユニットとを備える、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。

１６．前記周波数コムは電気光学コムを含む、態様１５に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。

１７．前記周波数コムが微小共振器コムを備える、態様１５または態様１６に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。

１８．前記ＷＤＭシステムは、隣接するチャネル間の何らかのスペクトル重複を提供するようにさらに構成される、態様１５～１７のいずれか１つに記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。

１９．基準干渉計をさらに含み、前記基準干渉計は、前記ＦＭＣＷレーザ源の周波数変調を追跡または制御するように構成される、態様１５～１８のいずれか１つに記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。

２０．前記基準干渉計は、フィードバックループを介して前記周波数変調ｃｗレーザ源の単位時間当たりの周波数の変化を線形化するように構成される、態様１９に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。

２１．前記基準干渉計は、前記ターゲット干渉計から出現する前記光出力をサンプリングするためのサンプリング格子を提供するように構成される、態様１９または態様２０に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。

２２．分子クロックであって、一次微小共振器コムであって、前記微小共振器コムは、繰り返し率、キャリアエンベロープオフセット周波数を有し、前記繰り返し率によって分離された個々のコムラインの形態の出力を生成する、一次微小共振器コムと、周波数差によって分離された２つの低位相雑音連続波（ｃｗ）レーザにロックされている、少なくとも前記微小共振器繰り返し率であって、前記周波数差が、前記微小共振器コムの前記繰り返し率に対応する周波数よりも大きい、少なくとも前記微小共振器繰り返し率と、前記個々のコムラインのうちの２つから得られる光ビート信号であって、前記ビート信号は、５０ＧＨｚ～５０ＴＨｚの周波数範囲の分子吸収線にロックされて、前記ビート信号の周波数を安定化させる、光ビート信号とを備える、分子クロック。

２３．前記周波数差をマイクロ波領域にダウンコンバートするように構成された二次微小共振器コムをさらに備える、態様２２に記載の分子クロック。

２４．分子クロックであって、微小共振器コムであって、前記微小共振器コムは、繰り返し率、キャリアエンベロープオフセット周波数を有し、前記繰り返し率によって分離された個々のコムラインの形態の出力を生成するように構成される、微小共振器コムと、第１および第２の連続波（ｃｗ）基準レーザであって、前記微小共振器の繰り返し率は、前記第１のｃｗ基準レーザと前記第２のｃｗ基準レーザとの間の周波数差にロックされる、第１および第２の連続波（ｃｗ）基準レーザと、前記個々のコムラインのうちの２つから得られる光ビート信号と、前記ビート信号の周波数を変調するように構成された少なくとも１つの変調器と、前記変調ビート信号を、ミリメートル波領域の中心周波数を中心とする変調ミリメートル波（ｍｍ波）周波数に変換するように構成された一次フォトダイオードであって、前記変調ミリメートル波信号が、ガスセルに含まれる分子ガスの基準吸収線を調べる、一次フォトダイオードと、前記ガスセルによって送信される前記変調ミリメートル波信号を復調し、復調信号を生成するように構成された復調器とを備え、前記復調信号は局部発振器信号とともに誤差信号を生成し、前記誤差信号は、ＰＩＤコントローラを介して電圧制御発振器（ＶＣＯ）を駆動し、前記ＶＣＯは、別の変調器を駆動し、別の変調器は、前記ガスセルの内部の吸収線に対してｍｍ波中心周波数を安定させる、分子クロック。

２５．前記復調器がショットキーバリアダイオードを備える、態様２４に記載の分子クロック。

２６．前記一次フォトダイオードは、単一走行キャリア（ＵＴＣ）ダイオードを備える、態様２４または態様２５に記載の分子クロック。

２７．前記変調ｍｍ波周波数が、前記吸収線の帯域幅付近の周波数において位相変調器によって変調される、態様２４～２６のいずれか１つに記載の分子クロック。

２８．低位相雑音マイクロ波信号を生成するようにさらに構成されている、態様２２～２７のいずれか１つに記載の分子クロック。

２９．１秒内で１０^－１２未満の安定性を有するマイクロ波信号を生成するようにさらに構成されている、態様２２～２８のいずれか１つに記載の分子クロック。

追加情報
例えば、本明細書に記載のシステムおよび方法の様々な実施形態によって達成可能な結果を示すために、非限定的な実験データが本明細書に含まれる。図に示されているかまたは本明細書に記載されているすべてのデータ範囲およびそのようなデータ範囲内のすべての値は、本開示に明確に含まれる。本明細書に記載の例示的な実験、実験データ、表、グラフ、プロット、図、ならびに処理および／または動作パラメータ（例えば、値および／または範囲）は、開示されたシステムおよび方法の動作条件を例示することを意図しており、本明細書に開示された方法およびシステムの様々な実施形態の動作条件の範囲を限定することを意図していない。さらに、本明細書に開示される実験、実験データ、計算データ、表、グラフ、プロット、図、および他のデータは、開示されるシステムおよび方法の実施形態が１つまたは複数の所望の結果を生成するために効果的に動作することができる様々なレジームを実証する。そのような動作レジームおよび所望の結果は、例えば表、グラフ、プロット、または図に示される動作パラメータ、条件、または結果の特定の値のみに限定されるのではなく、これらの特定の値を含む、またはそれらにまたがる適切な範囲も含む。したがって、本明細書に開示される値は、表、グラフ、プロット、図などに列挙または示される値のいずれかの間の値の範囲を含む。さらに、本明細書に開示される値は、表、グラフ、プロット、図などに列挙または示される他の値によって実証され得るように、表、グラフ、プロット、図などに列挙または示される値のいずれかの上または下の値の範囲を含む。また、本明細書に開示されるデータは、特定の実施形態について１つまたは複数の有効動作範囲および／または１つまたは複数の所望の結果を確立することができるが、すべての実施形態がそのような各動作範囲内で動作可能である必要はなく、またはそのような各所望の結果を生成する必要はないことを理解されたい。さらに、開示されたシステムおよび方法の他の実施形態は、他の動作レジームで動作し、および／または本明細書の例示的な実験、実験データ、表、グラフ、プロット、図、および他のデータを参照して示され、説明された以外の他の結果を生成することができる。

したがって、本発明は、いくつかの非限定的な実施形態において説明されている。実施形態は相互に排他的ではなく、１つの実施形態に関連して説明された要素は、所望の設計目的を達成するために適切な方法で他の実施形態と組み合わされ、再構成され、または削除されてもよいことを理解されたい。各実施形態について単一の特徴または特徴のグループは必須または必要ではない。要素のすべての可能な組み合わせおよび部分的な組み合わせは、本開示の範囲内に含まれる。

本発明を要約する目的で、本発明の特定の態様、利点および新規の特徴が本明細書に記載されている。しかしながら、必ずしもそのような利点のすべてが、任意の特定の実施形態に従って達成され得るとは限らないことを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書で教示または示唆され得るような他の利点を必ずしも達成することなく、１つまたは複数の利点を達成するように具体化または実施することができる。

本明細書で使用される場合、「１つの実施形態」または「いくつかの実施形態」または「一実施形態」への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の要素、特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な箇所における「１つの実施形態では」という句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。とりわけ、「～できる」、「～し得る」、「～する場合がある」、「してもよい」、「例えば」などの本明細書で使用される条件付きの文言は、特に別途明記しない限り、または使用される文脈内で他の意味で理解されない限り、一般に、特定の実施形態が特定の特徴、要素、および／またはステップを含むが、他の実施形態は含まないことを伝えることを意図している。さらに、本出願および添付の特許請求の範囲で使用される冠詞「ａ」もしくは「ａｎ」または「ｔｈｅ」は、特に指定されない限り、「１つまたは複数」または「少なくとも１つ」を意味すると解釈されるべきである。

本明細書で使用される場合、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」という用語またはそれらの任意の他の変形は、非限定的な用語であり、非排他的な包含を網羅することを意図している。例えば、要素のリストを含むプロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素のみに限定されず、明示的に列挙されていない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含むことができる。さらに、そうではないと明示的に述べられていない限り、「または」は論理和を指し、排他的論理和を指すのではない。例えば、条件ＡまたはＢは、以下のいずれか１つによって満たされる。Ａが真（または存在する）かつＢが偽（または存在しない）、Ａが偽（または存在しない）かつＢが真（または存在する）、またはＡとＢの両方が真（または存在する）である。本明細書で使用される場合、項目のリストの「少なくとも１つ」を参照する語句は、単一の部材を含む、それらの項目の任意の組み合わせを指す。一例として、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣ、ならびにＡ、ＢおよびＣを包含するように意図されている。語句「Ｘ、ＹおよびＺのうちの少なくとも１つ、」などの接続語は、特に別途明記しない限り、項目、用語などがＸ、Ｙ、またはＺの少なくとも１つであり得ることを伝えるために一般に使用される文脈で他の意味に理解される。したがって、そのような接続語は、一般に、特定の実施形態が、各々が存在するためにＸのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、およびＺのうちの少なくとも１つを必要とすることを意味することを意図するものではない。

したがって、本明細書では特定の実施形態のみを具体的に説明してきたが、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、多数の修正を行うことができることは明らかであろう。さらに、頭字語は、単に明細書および特許請求の範囲の可読性を高めるために使用される。これらの頭字語は、使用される用語の一般性を減じることを意図するものではなく、特許請求の範囲をそこに記載された実施形態に限定すると解釈されるべきではないことに留意されたい。

Claims (29)

1. 周波数走査ソリトン微小共振器周波数コムであって、
   ポンプ電流を受け取り、ポンプ周波数において光を放出するように構成された、連続波（ｃｗ）半導体ポンプレーザと、
   自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）を有する微小共振器ＭＲであって、前記ＭＲが前記ｃｗレーザから前記光を受信するように構成され、前記ＭＲがほぼ前記ＦＳＲによって周波数空間において分離されたコムモードを放出するように構成される、微小共振器ＭＲと、
   前記ＭＲにおけるソリトン動作を維持しながら、前記ＦＳＲの実質的な割合によって前記コムモードを走査するように構成された少なくとも１つの変調器であって、前記実質的な割合が前記ＦＳＲの５％超に対応する、少なくとも１つの変調器とを備える、周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
2. 前記実質的な割合が、前記ＦＳＲの１０％超、５０％超、または１００％超に対応する、請求項１に記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
3. 無不感帯分光法のためにさらに構成されており、前記コムは、
   前記周波数走査微小共振器周波数コムの出力を受け取るように構成された被試験サンプルと、
   前記被試験サンプルからの出力を光検出器のアレイ上に分割するように構成された波長分割多重化システムとをさらに備える、請求項１または請求項２に記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
4. 多波長ＬＩＤＡＲのためにさらに構成された、請求項１～３のいずれか１項に記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
5. 多波長周波数変調ｃｗ（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲのためにさらに構成された、請求項１～４のいずれか１項に記載の周波数走査微小共振器周波数コム。
6. 多波長周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムの少なくとも２つのチャネルをコヒーレントにスティッチングするようにさらに構成された、請求項１～２、４、または５のいずれか１項に記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
7. 前記ＭＲ共振周波数または前記ポンプ周波数に作用するように構成されたフィードバックループをさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
8. 前記微小共振器の共振オフセット周波数（ＲＯＦ）を安定させるように構成されたフィードバックループをさらに備える、請求項１～７のいずれか１項に記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
9. 前記ＭＲの出力パワーに作用するように構成されたフィードバックループをさらに備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
10. 周波数走査ソリトン微小共振器周波数コムであって、
    ポンプ電流を受け取り、ポンプ周波数において光を放出するように構成された、連続波（ｃｗ）半導体ポンプレーザと、
    前記ｃｗレーザから前記光を受け取るように構成され、共振周波数を有する微小共振器ＭＲと、
    前記ポンプ周波数および前記ＭＲ共振周波数を同時に走査するように構成された少なくとも１つの変調器とを備える、周波数走査ソリトン微小共振器周波数コム。
11. 分子クロックであって、
    一次微小共振器コムであって、前記微小共振器コムは、繰り返し率、キャリアエンベロープオフセット周波数を有し、前記繰り返し率によって分離された個々のコムラインの形態の出力を生成する、一次微小共振器コムと、
    周波数差によって分離された２つの低位相雑音連続波（ｃｗ）レーザにロックされている、少なくとも前記微小共振器繰り返し率であって、前記周波数差が、前記微小共振器コムの前記繰り返し率に対応する周波数よりも大きい、少なくとも前記微小共振器繰り返し率と、
    前記個々のコムラインのうちの２つから得られる光ビート信号であって、前記ビート信号は
    ５０ＧＨｚ～５０ＴＨｚの周波数範囲の分子吸収線にロックされて、前記ビート信号の周波数を安定化させる、光ビート信号とを備える、分子クロック。
12. 前記周波数差をマイクロ波領域にダウンコンバートするように構成された二次微小共振器コムをさらに備える、請求項１１に記載の分子クロック。
13. 分子クロックであって、
    微小共振器コムであって、前記微小共振器コムは、繰り返し率、キャリアエンベロープオフセット周波数を有し、前記繰り返し率によって分離された個々のコムラインの形態の出力を生成するように構成される、微小共振器コムと、
    第１および第２の連続波（ｃｗ）基準レーザであって、
    前記微小共振器繰り返し率は、前記第１のｃｗ基準レーザと前記第２のｃｗ基準レーザとの間の周波数差にロックされる、第１および第２の連続波（ｃｗ）基準レーザと、
    前記個々のコムラインのうちの２つから得られる光ビート信号と、
    前記ビート信号の周波数を変調するように構成された少なくとも１つの変調器と、
    前記変調ビート信号を、ミリメートル波領域の中心周波数を中心とする変調ミリメートル波（ｍｍ波）周波数に変換するように構成された一次フォトダイオードであって、
    前記変調ミリメートル波信号が、ガスセルに含まれる分子ガスの基準吸収線を調べる、一次フォトダイオードと、
    前記ガスセルによって送信される前記変調ミリメートル波信号を復調し、復調信号を生成するように構成された復調器とを備え、
    誤差信号を生成する前記復調信号は局部発振器信号とともに誤差信号を生成し、
    前記誤差信号は、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを介して電圧制御発振器（ＶＣＯ）を駆動し、前記ＶＣＯは、別の変調器を駆動し、別の変調器は、前記ガスセルの内部の吸収線に対してｍｍ波中心周波数を安定させる、分子クロック。
14. 前記復調器がショットキーバリアダイオードを備える、請求項１３に記載の分子クロック。
15. 前記一次フォトダイオードは、単一走行キャリア（ＵＴＣ）ダイオードを備える、請求項１３または請求項１４に記載の分子クロック。
16. 前記変調ｍｍ波周波数が、前記吸収線の帯域幅付近の周波数において位相変調器によって変調される、請求項１３～１５のいずれか１項に記載の分子クロック。
17. 低位相雑音マイクロ波信号を生成するようにさらに構成されている、請求項１２～１６のいずれか１項に記載の分子クロック。
18. １秒内で１０^－１２未満の安定性を有するマイクロ波信号を生成するようにさらに構成されている、請求項１２～１７のいずれか１項に記載の分子クロック。
19. 微小共振器ベースの周波数コムであって、
    ポンプ電流を受け取る連続波（ｃｗ）半導体ポンプレーザと、
    前記ｃｗレーザを受け取るように構成された微小共振器ＭＲと、
    加熱電流を受け取り、前記微小共振器のキャビティ長を変調するようにさらに構成された少なくとも１つのマイクロヒータとを備え、
    前記ＭＲは、前記ポンプおよび加熱電流の制御を介してキャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏおよび繰り返し率ｆｒｅｐのロックを長期安定化させ、前記長期安定化ｆｃｅｏおよびｆｒｅｐロックは、前記微小共振器共振オフセット周波数ＲＯＦを、ＭＲキャビティ共振の赤色側のＭＲキャビティ線幅の１～１０倍の範囲内の動作点に調整することによって促進される、微小共振器ベースの周波数コム。
20. 前記ＲＯＦは、ポンプ電流変調誘導周波数変調から生じるｆｃｅｏの変化が、ポンプ電流誘導パワー変調から生じるｆｃｅｏの変化と比較して小さい点に調整される、請求項１９に記載の微小共振器ベースの周波数コム。
21. 微小共振器ベースの周波数コムであって、
    連続波（ｃｗ）ポンプレーザと、
    前記ｃｗレーザを受け取るように構成された微小共振器と、
    前記ｃｗレーザの周波数および振幅変調のために構成された単側波帯（ＳＳＢ）マッハツェンダ変調器とを備え、
    前記ＳＳＢ変調器は、前記微小共振器内にコヒーレントなソリトン状態を誘起するように構成されており、
    前記ＳＳＢ変調器は、前記微小共振器のキャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏおよび繰り返し率ｆｒｅｐのロックを長期安定化させるようにさらに構成されている、微小共振器ベースの周波数コム。
22. 微小共振器ベースの周波数コムであって、
    連続波（ｃｗ）ポンプレーザと、
    前記ｃｗレーザからの出力を受け取るように構成された微小共振器と、
    前記微小共振器のキャビティ長を変調するように構成されている、前記微小共振器上に堆積された少なくとも１つのグラフェン変調器とを備え、
    前記グラフェン変調器は、前記微小共振器のキャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏ、繰り返し率ｆｒｅｐ、または共振オフセット周波数ＲＯＦのうちの１つまたは複数を長期ロックするようにさらに構成される、微小共振器ベースの周波数コム。
23. ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムであって、
    周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーザ源であって、
    前記ＦＭＣＷレーザ源は、周波数コム源をポンピングするように構成され、
    前記コム源は、個々の周波数変調コムラインを有する周波数コムを含み、前記コムラインは、周波数間隔によって分離されており、
    前記コム源は、ターゲット干渉計を介してターゲットに向けられる、ＦＭＣＷレーザ源と、
    波長分割多重化（ＷＤＭ）システムであって、前記ＷＤＭシステムは、前記ターゲット干渉計からの光出力を受け取るように構成され、前記ＷＤＭシステムは、前記ターゲット干渉計の前記光出力を、前記個々のコムラインの周波数間隔と同等の周波数間隔を有する個々の周波数チャネルに光学的に分離するようにさらに構成される、ＷＤＭシステムと、
    前記周波数チャネルから前記信号を受信するように構成された検出器アレイと、
    少なくとも２つの隣接する周波数チャネルの信号をコヒーレントにともにスティッチングして、前記ＬＩＤＡＲシステムの空間分解能を増大させるように構成されているデジタル信号処理ユニットとを備える、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。
24. 前記周波数コムは電気光学コムを含む、請求項２３に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。
25. 前記周波数コムが微小共振器コムを備える、請求項２３に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。
26. 前記ＷＤＭシステムは、隣接するチャネル間の何らかのスペクトル重複を提供するようにさらに構成される、請求項２３～２５のいずれか１項に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。
27. 基準干渉計をさらに含み、前記基準干渉計は、前記ＦＭＣＷレーザ源の周波数変調を追跡または制御するように構成される、請求項２３～２６のいずれか１項に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。
28. 前記基準干渉計は、フィードバックループを介して前記周波数変調ｃｗレーザ源の単位時間当たりの周波数の変化を線形化するように構成される、請求項２７に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。
29. 前記基準干渉計は、前記ターゲット干渉計から出現する前記光出力をサンプリングするためのサンプリング格子を提供するように構成される、請求項２７または請求項２８に記載のＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステム。

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