JP2023157861A - 回転分光法によって規定された光ミリ波発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】サイズ、重量および電力を低減しながら正確かつ精密なクロックを提供する。【解決手段】フォトニックミリ波発振器は、2つの連続波レーザのヘテロダインビートノート(heterodyne beatnote)に基づいており、周波数変調分光法を使用する分子の回転分光法で周波数差を統制すると狭い線幅出力を提供するように構成されている。【選択図】図1A
Description
[優先権主張]
本出願は、2022年4月14日に出願され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国仮出願第63/363,006号に対する優先権の利益を主張する。
本出願は、2022年4月14日に出願され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国仮出願第63/363,006号に対する優先権の利益を主張する。
本発明は、光ミリ波発振器に関する。
高いスペクトル純度および分子または原子によって規定される安定性を同時に示すことができるミリ波およびテラヘルツ領域(100GHz~3THz)の電磁波は、無線通信、自律車、宇宙放射の撮像を含む多くの用途にとって非常に興味深い。さらに、チップスケーラビリティに向かう経路は明るく、オンチップフォトニック技術が出現し、特に窒化ケイ素プラットフォームが活用されている。
小さいサイズおよび重量および電力を有する正確かつ精密なクロックは、GPSが主要な構成要素である全地球航法衛星システムなどの位置、航法およびタイミングシステムの重要な構成要素である。物体の位置不確実性の支配的な成分は、そのタイミング不確実性に光の速度を乗じたものであり、非常に長いレバーアームである。GPSミッションがそのミッション寿命の終わりに達するにつれて、次世代がより良好に機能するように新しい技術を見つける試みが行われている。5Gネットワークの採用により、増加するビット容量は、ネットワーク構成要素の同期化に対してより大きな要求を課している。ミスした呼ハンドオーバ、容量低減、およびネットワークダウンタイムを防止するために、50ns程度の同期許容範囲が提案されている。
強い回転吸収スペクトルを有する分子が存在している。MITにおけるHanグループは、ミリ波(mmW)放射線による硫化カルボニル(OCS)分子のプロービングを使用して、市販の小型原子時計と競合する時計を生成することができることを示す。これらの分子のいくつかの回転の磁気モーメントは小さく、原子時計と比較して磁場に対する優れた非感受性をもたらす。これらの分子の多くは、室温で気相中に存在し、吸収試料調製のかなりの単純化につながる。
いくつかの実施形態では、フォトニックミリ波発振器は、2つの連続波レーザのヘテロダインビートノートに基づき、周波数変調分光法を使用する分子の回転分光法によって周波数差が規定されるとき、狭い線幅出力を提供するように構成される。
いくつかの実施形態では、フォトニックミリ波発振器は、光周波数コムによって生成された光パルス列の光検出に基づいており、光パルス列の繰返し率周波数が周波数変調分光法を使用して分子の回転分光法で調整されるときに狭い線幅出力を提供するように構成される。
いくつかの実施形態では、光パルス列繰返し率雑音特性を光注入によって2つのダイオードレーザに安定的に伝達する方法が提供される。本方法は、2つのダイオードレーザ間の周波数差が、周波数変調分光法を使用する分子の回転分光法で規定されるとき、狭い線幅出力を提供するステップを含む。
ある構成では、電気光学周波数コムは、電気光学変調器を駆動するマイクロ波発振器のフィードバック制御を通して、分子の回転分光法によって規定される反復率を有する。
いくつかの実施形態では、2つのストークス波で事前に安定化された光パルス列を生成する方法が提供される。本方法は、2つのダイオードレーザが光学的に注入されるファイバキャビティ内の誘導ブリルアン散乱を使用して2つのストークス波を生成するステップを含み、周波数差は分子の回転分光法によって規定される。
ある構成では、方法は、誤差信号を生成する電気光学変調器を駆動するマイクロ波発振器の位相ロックを通して、分子の回転分光法によって規定される周波数差を伴う、2つの光学線の電気光学分割を通して、クロック信号および安定ベースバンドまたはマイクロ波発振器を生成するステップを含む。
ある構成では、方法は、マイクロ波およびRF領域内の繰返し率周波数との光パルス列の同期を伴う、光学的に搬送されるミリ波信号の光周波数分割を通して、クロック信号および安定ベースバンドまたはマイクロ波発振器を生成するステップを含む。
ある構成では、方法は、分子の回転分光法によって規定される2つの光学線のヘテロダインビートノートを備える、光位相変調器における残留振幅変調のキャンセルを含む。
ある構成では、分子クロックは、低位相雑音ミリ波放射源を備える。分子クロックは、ミリ波放射を伝達するように構成された真空密閉チャンバまたは導波管をさらに備える。チャンバまたは導波管は、分子の純粋な試料で充填される。ある構成では、分子クロックはさらに、チャンバまたは導波管の出力におけるミリ波電力に感度を有する感光性要素を備える。分子クロックは、ミリ波放射の周波数を変調するように構成された周波数変調器をさらに備える。分子クロックは、ミリ波放射と回転遷移による試料のピーク吸収との間の周波数差に比例する誤差信号を生成するように構成された回路をさらに備える。分子クロックは、回転遷移による試料のピーク吸収と一致するように平均ミリ波放射の周波数を調整するように構成されたフィードバックシステムをさらに備える。分子クロックは、ミリ波放射をRFまたはマイクロ波領域内の信号に変換するように構成された周波数分割機構をさらに備える。
第2の分子の第1の非経験的定義は、アンモニア分子のマイクロ波反転分割(1949)に基づくが、アンモニア以外の分子クロックは、2018年まで、MIT周波数でのハン基がミリ波(mmW)放射を硫化カルボニル(OCS)の回転転移にロックしたときに研究されていない。MIT研究において、OCSの選択につながる選択基準は、単純なエネルギー準位構造であり、例えば、回転準位当たり1つの吸収線しか存在しなかった。しかしながら、この選択基準は、分子の選択を減少させ、核スピンを有する原子を含有する任意の種を排除する。本明細書に記載の特定の実施形態では、ミリ波発振器は、シアン化水素(HCN)および亜酸化窒素(N2O)を含むがこれらに限定されない他の分子ガスの回転分光法によって規定される。HCNは、OCSと比較して、潜在的に良好な周波数不安定性および良好な磁気不感受性を有する。OCSおよびHCNとは対照的に、N2Oは非毒性であるが、予想されるクロック不安定性はOCSの場合よりもわずかに悪いにすぎない。
ある構成では、フォトニックベースのミリ波発振器は、周波数変調分光法を使用して、その周波数差が分子吸収信号に規定される、2つの光連続波を使用して構成される。1つの光波は、直接変調(例えば、電流)されるか、または位相変調器によって外部変調される。周波数差生成は、光フォトンを連続波ミリ波放射に変換するアンテナ内で放射する感光性要素によって実現される。ミリ波放射は、分子ガスを通って進行する。信号吸収は、アンテナに結合された振幅検出器で検出される。ロックイン検出は、吸収信号を復調し、比例積分微分(PID)フィルタを用いて周波数差をフィードバックおよび補正するために使用される分散信号を提供する。フィードバックは、レーザ電流に直接、または光周波数シフタの電圧制御発振器を通してのいずれかで実現される。
ある構成では、フォトニックベースのミリ波発振器は、周波数変調分光法を使用して分子吸収信号に統制される繰返し率周波数を伴う光周波数コムからの光パルス列を使用して構成される。全てのコム線は変調される。繰返し率の生成は、光フォトンを連続波ミリ波放射に変換するアンテナ内で放射する感光性要素によって実現される。ミリ波放射は、分子ガスを通って進行する。信号吸収は、アンテナに結合された振幅検出器で検出される。ロックイン検出は、吸収信号を復調し、比例積分微分(PID)フィルタを用いて繰り返し率をフィードバックおよび補正するために使用される分散信号を提供する。フィードバックは、レーザ電流に直接、または光周波数シフタの電圧制御発振器を通してのいずれかで実現される。
ある構成では、フォトニックベースのミリ波発振器は、光パルス列とともに光学的に注入される2つのダイオードレーザと組み合わせて、光パルス列を使用して構成される。これは、光パルス列を、繰り返し率と同じノイズ特性を示す連続振幅包絡線に変換する。
ある構成では、フォトニックベースのミリ波ダウンカウンタは、周波数差が回転分光法によって規定される、デュアル光学ポンプを伴う、1つの電気光学コム発生器を使用して構成される(例えば、図8参照)。インターリーブされた電気光学コムのヘテロダインビートノートは、ミリ波領域における元のビートノートのノイズおよび安定性の複製であるRF(無線周波数)を生成する。さらに、電気光学コムを駆動するマイクロ波基準をRF信号に位相ロックすることによって、ミリ波信号をマイクロ波領域に周波数分割する。
ある構成では、フォトニックベースのミリ波ダウンカウンタは、マイクロ波範囲内の反復率を伴う光パルス列を使用して構成される(例えば、図9参照)。光パルス列へのミリ波周波数差を有する2つの光線路の光注入は、2つの光線路の包絡線とマイクロ波繰り返し率との同期をもたらす。マイクロ波繰り返し率は、感光素子を用いて生成される。
いくつかの実施形態では、電気光学変調器における外部変調の場合の残留振幅変調のキャンセルは、この変調トーンの光領域における復調によって実現され、次いで、電気光学変調器を駆動するバイアスTのDCポートに送り返される(たとえば、図10参照)。いくつかのそのような実施形態は、残留振幅変調の緩和を提供し、したがって、環境依存の周波数ドリフトにつながる閉ループ動作におけるベースラインドリフトをキャンセルする。
[実施形態]
図11によって概略的に図示されるように、光ミリ波発振器100のある構成では、それぞれ、波長ν1およびν2を有する、2つのダイオードレーザ10a、10bからの光は、ν2ν1/f~300GHz離れて同調され、50/50コンバイナ/スプリッタと組み合わせられ、2つの光路20a、b上を送信される。ダイオードレーザ10a、10bのうちの1つは、周波数変調される(例えば、500kHzで)。図11の上部光路20a上の光は、エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)30aを使用して増幅され、次いで、気密封止されたフィードスルーを介してガス42(例えば、N2Oガス)を含む真空チャンバ40に送信される。光は、続いて2つのダイオードレーザZfの周波数差に等しい光ヘテロダイン周波数でmm波放射を放射するユニトレベリングキャリアフォトダイオード(UTC-PD)44によって光検出される。さらに、ダイオードレーザ10a、10bの1つは、fmで電流変調(例えば、直接変調および直接フィードバックを伴う2レーザ局部発振器を示す図1Aによって概略的に図示されるように)または位相変調(例えば、外部変調および直接フィードバックを伴う2レーザ局部発振器を示す図1Bによって概略的に図示されるように)されて、mm波放射において同じ周波数の側波帯を生成する。図1Cは、外部フィードバックを有する2レーザ局部発振器を示す。ミリ波放射は、バイアスティー48を介してRF成分とDC成分に分割される電気信号を生成する検出器46(例えば、ショットキーダイオード)によって検出される。DC信号は分子吸収強度を追跡する。増幅されたRF信号は、ロックイン増幅フィルタリング、及びダイオードレーザの周波数へのPIDフィルタ52によるPIDループフィードバックを実行するFPGAベースの機器50によって処理される。下側光学アーム20b上の光は、安定したRb基準にロックされたシンセサイザ64によって駆動される10GHzのコム(comb)モード間隔を有する2つの電気光学(EO)コム60を生成する。重なり合うコムモードは、光バンドパスフィルタ(OBPF)70によって分離され、光検出器80によって光検出される。結果として得られるヘテロダイン周波数は、周波数カウンタ90によって測定され、Rbとも呼ばれる。カウンタは、N2O吸収によって規定されたmm波放射の絶対周波数を追跡する。
図11によって概略的に図示されるように、光ミリ波発振器100のある構成では、それぞれ、波長ν1およびν2を有する、2つのダイオードレーザ10a、10bからの光は、ν2ν1/f~300GHz離れて同調され、50/50コンバイナ/スプリッタと組み合わせられ、2つの光路20a、b上を送信される。ダイオードレーザ10a、10bのうちの1つは、周波数変調される(例えば、500kHzで)。図11の上部光路20a上の光は、エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)30aを使用して増幅され、次いで、気密封止されたフィードスルーを介してガス42(例えば、N2Oガス)を含む真空チャンバ40に送信される。光は、続いて2つのダイオードレーザZfの周波数差に等しい光ヘテロダイン周波数でmm波放射を放射するユニトレベリングキャリアフォトダイオード(UTC-PD)44によって光検出される。さらに、ダイオードレーザ10a、10bの1つは、fmで電流変調(例えば、直接変調および直接フィードバックを伴う2レーザ局部発振器を示す図1Aによって概略的に図示されるように)または位相変調(例えば、外部変調および直接フィードバックを伴う2レーザ局部発振器を示す図1Bによって概略的に図示されるように)されて、mm波放射において同じ周波数の側波帯を生成する。図1Cは、外部フィードバックを有する2レーザ局部発振器を示す。ミリ波放射は、バイアスティー48を介してRF成分とDC成分に分割される電気信号を生成する検出器46(例えば、ショットキーダイオード)によって検出される。DC信号は分子吸収強度を追跡する。増幅されたRF信号は、ロックイン増幅フィルタリング、及びダイオードレーザの周波数へのPIDフィルタ52によるPIDループフィードバックを実行するFPGAベースの機器50によって処理される。下側光学アーム20b上の光は、安定したRb基準にロックされたシンセサイザ64によって駆動される10GHzのコム(comb)モード間隔を有する2つの電気光学(EO)コム60を生成する。重なり合うコムモードは、光バンドパスフィルタ(OBPF)70によって分離され、光検出器80によって光検出される。結果として得られるヘテロダイン周波数は、周波数カウンタ90によって測定され、Rbとも呼ばれる。カウンタは、N2O吸収によって規定されたmm波放射の絶対周波数を追跡する。
ミリ波電力は、UTC-PD42に電力を供給する電流コントローラを介して監視される。UTC-PD42は、約20mWの光パワーにさらされる0Vと-2Vとの間でバイアスされる。これは、約0.2mWの放射mm波電力に対応する9mAの光電流を電流コントローラから引き出す。
ガス試料を通過することであって、ミリ波電力は、ミリ波電力検出器44(例えば、シングルバリアダイオードまたはショットキーダイオード)によって検出される。ミリ波発振器が周波数走査されるとき、2つのレーザ周波数差が、探査されるガスの回転遷移の予期される周波数に非常に近く調整されるとき、吸収線を観察することが可能。この吸収線は、ミリ波振幅検出器によって生成されるDC信号のディップにすぎない。
ミリ波振幅検出器での検出信号が周波数変調分光法と同じ周波数fmで復調されている場合、吸収線の一次微分信号(分散信号とも呼ばれる)を生成することができる。
吸収線の分散信号を誤差信号として利用し、分散信号のゼロクロスで局部発振器をロックするPID(proportional-integral-derivative)フィルタ52を用いてミリ波局部発振器の周波数を高精度に補正することができる。PIDコントローラは、レーザ10a、bの一方のみの周波数を駆動し、周波数差を補正する。したがって、2つのレーザ10a、bの周波数差は、分子回転線の周波数に従う。
ミリ波発振器の周波数補正に用いられるアクチュエータは、ダイオードレーザの電流制御とすることができる。レーザの直接制御が欠如している場合、外部周波数シフタを使用することも可能。これは、単側波帯電気光学変調器または音響光学変調器によって実現することができる。この場合、PIDコントローラは、光変調器を駆動する電圧制御発振器(VCO)に供給され、したがって、2つの光線路の周波数差が変調されている。
図2は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、光パルス列を使用する光ミリ波発振器100(たとえば、直接コム分光法)の例示的な実施形態を概略的に示す。マイクロ共振器ベースの光周波数コムは、小型化された光周波数コムである。それらは、100GHzのオーダーの繰返し率を提供し、それらをミリ波のフォトニック生成に関連させる。外部光周波数シフタ112を介して外部から制御される周波数を有する連続波レーザ110で励起されると、ソリトンコムは、共振器内の光非線形性を介して生成することができる。微小共振器114の出力には、>100GHzの繰返し率を有する位相ロック光コムモードを有する光パルス列がある。パルス列は(フィルタリングまたは増幅のために)光ファイバ内を伝播するので、この光パルス列の分散制御は、パルス列を高い信号対雑音比を有するミリ波信号に変換する際に使用することができる。これは、分散補償ファイバ116または波形整形器を用いて実現することができる。
図2に示すように、周波数変調は、全てのコムラインを変調するポンプレーザ光路上の光周波数シフタを駆動する電圧制御発振器120の変調により実現される。加えて、この例では、分散補償ファイバの段階の後、繰返しレート周波数は、加算電子回路122を使用して同じ電圧制御発振器によっても変調され得る。回転ラインをロックするために、PIDコントローラ124がこのVCO120に供給される。光パルス列の繰返し率は、感光素子に伝えることができ、回転分光法で規定されたミリ波発振器をもたらすことができる。ここで、フィードバック制御は、光周波数シフタを駆動する電圧制御発振器に適用してもよい。
分散補償が効果的でもなく自明でもない場合、1つの選択肢は、繰返し率のノイズ特性を2つのレーザダイオードのヘテロダインビートノートに移すことであり、したがって光ファイバにおける分散はもはや懸念されない。図3は、本明細書に記載の特定の実施態様による注入ロックLDのための完全な実験設定200を概略的に示す。外部キャビティダイオードレーザ110は、キャリア抑制シングルサイドバンド変調器(SSBM)を使用して周波数シフトされる。これは、エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)で増幅され、約301GHzの自由スペクトル範囲(FSR)を有する窒化シリコンリング共振器114をポンピングする。100GHz/μsの速度でポンプレーザ周波数を掃引することによって、単一ソリトンレジームにおけるDKSコムが形成される。ポンプ光は、バンドストップフィルタ(BSF)を使用して、結果として生じるコムからフィルタリングされる。次いで、コムは増幅される。光検出の前に、光パルス列は、周波数差が繰返し率の周波数差に等しい2つのダイオードレーザ210a、bに光学的に注入することができる。これは、回転分光法で規定されたミリ波発振器につながり得る。ここで、フィードバック制御は、光周波数シフタに外部から適用することもできる。
完全なDKSコムは、3ポートサーキュレータに送ることができる。ポート2を分割して、約1550nmおよび1552nmの調整可能な波長を有する2つのLDに接続することができる。およそ250μWの電力を各LDに注入することができ、これは対象のコムトゥース(comb tooth)における推定1~3μWの電力に対応する。コムトゥース(comb tooth)の周波数間隔は、数MHzのスケールであると測定されたこれらの注入電力のロック範囲よりもはるかに大きくなり得る。したがって、結果として生じるロック安定性に悪影響を及ぼすことなく、コム全体をLDキャビティに注入することができる。レーザ光は、ポート2からポート3に戻すことができる。
図4は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、外部からの光(例えば、電圧制御発振器を介さない)を変調しながらパルス列および注入ダイオードレーザの生成を実現する方法を示す。2つの注入されたダイオードレーザ210a、bの出力は分割され、干渉計220を通って伝搬する。この光干渉計は、2つのスペクトルフィルタリングされた光線である2つの光路222a、bを備える。1つの光線路222bは、光位相変調器224を介して変調することができる。光検出の前に、光パルス列は、周波数差が繰返し率の周波数差に等しい2つのダイオードレーザ210a、bに光学的に注入することができる。周波数変調は、ダイオードレーザ210a、bの一方のみに配置された位相変調器上で行うことができる。これは、回転分光法で規定されたミリ波発振器をもたらす。ここで、フィードバック制御は、代替として、光周波数シフタに外部から適用される。
図5は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、光学的に生成された局部発振器300の別の例を概略的に示す。以下のデュアル波長ブリルアンレーザ310の説明は、約100GHzから数THzまで周波数が分離された2つのレーザ312a、bについて繰り返される。ダイオードレーザ312a、bは、光アイソレータを組み込まず、テレコムC帯域近赤外(NIR)領域で動作する比較的大きな線幅の半導体ダイオードレーザ(~1MHz)であった。CWレーザ出力を90:10ファイバパワースプリッタに通した。次いで、より大きい光パワー出力をエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)320に供給し、その後、その出力は、長さ75mのファイバブリルアンリング共振器を含むブリルアンキャビティ330を非共振的にポンピングした。ブリルアンキャビティ330は、95:5のファイバカプラを有し、ファイバサーキュレータの使用による非共振ポンピング用に設定され、例えば、後方伝搬するストークス波のみがキャビティ上で共振する。ブリルアンキャビティ330は、温度および振動制御を伴って真空チャンバの内側に配置され、いかなる外部環境要因も伴わずに、独立して性能を安定化させた。シリカファイバからの対応する音響減衰は、結果として生じる動作波長でのブリルアンシフトの量だけ光出力を赤方偏移させる。
ブリルアン周波数シフトは、材料組成、ある程度の温度及び圧力はファイバ(例えば、本明細書に記載の測定は、別段の記載がない限り、室温で実施した)に依存する。ブリルアンファイバリングストークス放射線幅が数桁のよりも低く、入射ポンプ光となる。ブリルアンキャビティ330は、ストークス波長のみの放射を通過させる非線形狭帯域フィルタとして動作する。反転分布を有するレーザとは対照的に、自発的ブリルアン散乱は、組換え生成スキームにおける自発的放射とは対照的に、ストークス放射の単色性の程度を根本的に制限する。
次に、ストークス出力は、ブリルアンシフトされたストークス光を、ブリルアンシフトに適合するように設定されたEOMの動作周波数(例えば、マッハツェンダ強度変調器である)に応じてポンプの周波数に戻すために、電気光学変調器(EOM)340a、bを通過する。EOM340a、bは、周波数シンセサイザ342a、bで駆動され、所望の周波数範囲で1Wで動作する高出力RF増幅器344a、bが続く。次いで、EOM340a、bからの出力は、光パワーの精密な制御のために可変光減衰器(VOA)346a、bを通過し、その後、初期ファイバカプラのより低いパワーチャネルを介してCWレーザに注入される。EOM340a、bからの結果出力は、側波帯を含む。図5では、変調からの第1の青方偏移側波帯がポンプレーザに注入される。EOM動作からの残りの側波帯は、ポンプ周波数としてフィルタリングされる必要はなかった。EOM動作から得られた側波帯はまた、EOM340a、bへのDC入力を使用して、電力が容易に調整された。したがって、ダイオードレーザは、自己注入ロックすることができ、ブリルアンキャビティノイズフロアの熱平衡に達するまでループ内でその出力効率を反復的に改善することができる。ブリルアンキャビティ330からのストークス放射は、SBSレーザを顕在化するシステムの出力である。ブリルアン生成の外部では、ミリ波領域におけるガスの周波数変調分光法によって、2つの光線路の周波数差が規定される。
図5によって概略的に示されている例示的な発振器300では、周波数差は、(例えば、周波数変調が実現される)光干渉計220において、電気光学単側波帯変調器または音響光学変調器などの光周波数シフタを介して制御される。
図6は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による別の例示的なフォトニックミリ波局部発振器400を概略的に示す。図6の発振器400は、10GHzで高RF電力で電気光学的に位相変調される連続波レーザ110を備える。カスケード光位相変調器410は、CWポンプレーザ110から生成される多数の光サイドバンドをもたらす。スペクトルフィルタリングは、2つの光学側波帯からの周波数差が約10GHzのステップによって選択されることを可能にする。ミリ波周波数は、2つの光学サイドバンドが感光素子に当たったときに、この方法によって得ることができる。周波数変調は、電気光学変調器112を駆動する電圧制御発振器120を変調することによって実現することができる。電圧制御発振器120を介してフィードバック制御を実現することもできる。外部からは、ミリ波領域におけるガスの周波数変調分光法によって、2つの光線路の周波数差を把握することができる。
図7は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による別の例示的なフォトニックミリ波発振器500を概略的に示す。図7の例示的な発振器500は、2つのダイオードレーザの注入と、数テラヘルツの周波数分離を有する2つの光線路への事前の安定化とを用いて、ミリ波領域における繰返し率周波数を有する光パルス列を生成するように構成することができる。図7の例示的な発振器500は、2点ロックで2波長ブリルアンレーザ310に安定化することによって光パルス列のタイミングノイズを低減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、この例示的な発振器500は、ミリ波領域において最低の雑音を達成することができる。したがって、2fmにおける局部発振器の位相雑音が短期分数周波数安定性を制限する周波数変調分光法における相互変調効果を無視することが可能である。次いで、2つのレーザダイオードの周波数差は、分子分光法によって明らかにされる。
ミリ波放射の光子発生
いくつかの実施形態では、Δfdiode~300GHz離れて同調された2つのダイオードレーザ10a、bからの光は、50/50コンバイナ/スプリッタと結合される。例えば、図11に示されるように、上部光路20a上の光は、エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)30aを使用して増幅され、次いで、密閉されたフィードスルーを介して真空チャンバ40の中に送られることができる。光は、続いて2つのダイオード10a、bの周波数差に等しい周波数でmm波放射を放射するUTC-PD44によって光検出することができる。さらに、ダイオードレーザ10a、bのうちの1つは、fmod=500kHzで電流変調されて、mm波放射において同じ周波数の側波帯を生成することができる。
いくつかの実施形態では、Δfdiode~300GHz離れて同調された2つのダイオードレーザ10a、bからの光は、50/50コンバイナ/スプリッタと結合される。例えば、図11に示されるように、上部光路20a上の光は、エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)30aを使用して増幅され、次いで、密閉されたフィードスルーを介して真空チャンバ40の中に送られることができる。光は、続いて2つのダイオード10a、bの周波数差に等しい周波数でmm波放射を放射するUTC-PD44によって光検出することができる。さらに、ダイオードレーザ10a、bのうちの1つは、fmod=500kHzで電流変調されて、mm波放射において同じ周波数の側波帯を生成することができる。
ミリ波電力は、UTC-PD44に電力を供給する電流コントローラを介して監視することができる。例えば、UTC-PD44は、約20mWの光パワーに暴露される-1Vでバイアスされ得る。その結果、9mAの光電流を電流コントローラから引き出すことができ、これは放射mm波電力の~200μWに相当する。
ミリ波周波数読み出し
mm波放射の周波数はダイオードレーザ10a、bの周波数差に等しいので、周波数差は光ダウンコンバージョンを介して測定された。図11の下側光路20b上の光は、EDFA30bを使用して増幅され、電気光学(EO)コム62を通して送られた。両方のダイオードレーザ10a、bからの光は、安定ルビジウム(Rb)基準(Microsemi Rb 8040c)を基準とする合成器64によって駆動される3つのカスケード接続されたEO変調器を通過した。EOコム62は、モード間にfsynth~10GHzの間隔を有する15を超える側波帯(コムモード)を生成した。側波帯は、2つのレーザ周波数の間のギャップに広がり、光学バンドパスフィルタ(OBPF)70を使用して分離された重複モードのセットを生成した。孤立線を光検出し、従来のスペクトルアナライザによって測定するのに充分低い(fbeat<1GHz)周波数のビートノートを生成した。この周波数は、以下によってmm波周波数に直接関連する。
fmm =Δfdiode = 2n fsyhth ± fbeat (1)
ここで、nはn次コムモードである。fbeat項の符号は、fsynthを少量変化させ、結果として生じるfbeatのシフトを観察することによって実験的に決定した。ビートノート周波数は、その後32で除算され、Rbクロックとも呼ばれる周波数カウンタに送られた。周波数カウンタ90は、mm波発振器の絶対周波数を経時的に追跡した。
mm波放射の周波数はダイオードレーザ10a、bの周波数差に等しいので、周波数差は光ダウンコンバージョンを介して測定された。図11の下側光路20b上の光は、EDFA30bを使用して増幅され、電気光学(EO)コム62を通して送られた。両方のダイオードレーザ10a、bからの光は、安定ルビジウム(Rb)基準(Microsemi Rb 8040c)を基準とする合成器64によって駆動される3つのカスケード接続されたEO変調器を通過した。EOコム62は、モード間にfsynth~10GHzの間隔を有する15を超える側波帯(コムモード)を生成した。側波帯は、2つのレーザ周波数の間のギャップに広がり、光学バンドパスフィルタ(OBPF)70を使用して分離された重複モードのセットを生成した。孤立線を光検出し、従来のスペクトルアナライザによって測定するのに充分低い(fbeat<1GHz)周波数のビートノートを生成した。この周波数は、以下によってmm波周波数に直接関連する。
fmm =Δfdiode = 2n fsyhth ± fbeat (1)
ここで、nはn次コムモードである。fbeat項の符号は、fsynthを少量変化させ、結果として生じるfbeatのシフトを観察することによって実験的に決定した。ビートノート周波数は、その後32で除算され、Rbクロックとも呼ばれる周波数カウンタに送られた。周波数カウンタ90は、mm波発振器の絶対周波数を経時的に追跡した。
ミリ波放射を用いた分子分光法
mm波放射は、真空チャンバ40の内部でN2Oガス42と相互作用した(ベース圧力:-20mTorr)。放射は、UTC-PD44で生成され、テーパ導波路を通って指向性ホーン610に導かれた。ミラー付きホーン612およびテーパ導波路は、mm波放射をショットキーダイオード46上に伝搬させ、ショットキーダイオードは、入射mm波電力に比例する電流を生成した。バイアスティー48は、信号をDC成分およびRF成分に分割し、これらは最終的に、分子吸収信号および誤差信号をそれぞれ読み出す。
mm波放射は、真空チャンバ40の内部でN2Oガス42と相互作用した(ベース圧力:-20mTorr)。放射は、UTC-PD44で生成され、テーパ導波路を通って指向性ホーン610に導かれた。ミラー付きホーン612およびテーパ導波路は、mm波放射をショットキーダイオード46上に伝搬させ、ショットキーダイオードは、入射mm波電力に比例する電流を生成した。バイアスティー48は、信号をDC成分およびRF成分に分割し、これらは最終的に、分子吸収信号および誤差信号をそれぞれ読み出す。
真空チャンバ40は、~50mTorrの分圧のN2Oガス42を含んでいた。ガスの定常状態圧力は、1秒間隔でのチャンバ圧力測定の使用を通して維持され、精密流量コントローラにフィードバックされた。このループは、チャンバ圧力を±20μTorrに維持した。ガス42は、ミリ波コンポーネントの内部を透過し、したがって、吸収のためにUTC-PD44とショットキーダイオード46との間の全経路長(~20cm)を利用した。
mm波周波数は、301.442GHzでJ0=13→J=12遷移共振に同調された。絶対周波数は、前のセクションの周波数読み出し方法を使用して検証した。遷移線幅は約1MHzであったため、この精度は吸収線を観察するのに充分であった。吸収特徴のピークをmm波周波数にフィードバックするために、誤差信号を吸収の導関数から生成した。これは、fmod=500kHzにおけるmm波側波帯のロックイン検出によって達成された。
周波数安定化
ダイオードレーザ10a、b間の周波数差、したがってmm波周波数は、FPGAベースの信号プロセッサ50(Liquid instruments Moku Lab)からのPIDループを介して分子回転遷移にロックされた。FPGA50は、誤差信号のロックイン検出、並びに最終的にダイオードレーザ10aの1つにフィードバックされる制御信号に適用される比例ゲイン及び積分器ゲインを実行した。ダイオードレーザ10aに送られるfmodとFPGA50との間の位相差は、PIDループがmm波発振器を吸収特性のピークにロックするように調整された。
ダイオードレーザ10a、b間の周波数差、したがってmm波周波数は、FPGAベースの信号プロセッサ50(Liquid instruments Moku Lab)からのPIDループを介して分子回転遷移にロックされた。FPGA50は、誤差信号のロックイン検出、並びに最終的にダイオードレーザ10aの1つにフィードバックされる制御信号に適用される比例ゲイン及び積分器ゲインを実行した。ダイオードレーザ10aに送られるfmodとFPGA50との間の位相差は、PIDループがmm波発振器を吸収特性のピークにロックするように調整された。
mm波パワーは、2つの方法によって安定化された。第1の方法では、UTC-PD44を、熱電冷却器(TEC)を使用して温度制御(~295K)した。UTC-PD44は真空中にあるので、±10mKへの温度安定化。第2の方法では、UTC-PD光電流は、電流コントローラと上部光学アーム20a上のEDFA30aとの間のフィードバックループを通して能動的に安定化された。EDFA30aが飽和しているにもかかわらず、ポンプダイオード10a、bへの電流は、総増幅光パワーにわずかな調整を行うために変化させることができる。これらの調整は、温度安定化と共に、UTC-PD光電流を9mA設定点の±20nA以内に保持した。
初期分光法は、ダイオードレーザ10a、bの1つに周波数ランプを適用することによって行った。これは、吸収線形状および対応する誤差信号を測定するために、分子共鳴にわたってmm波発振器100の周波数を掃引する。図12Aは、そのような走査の結果を示す。吸収信号を1kHzのローパスフィルタでフィルタリングして、データから残留振幅ノイズを除去した。しかし、誤差信号は、信号対雑音比の推定を助けるためにフィルタリングされないままにした。誤差信号の信号対ノイズ比は、PIDループによって達成されるロックの品質を決定した。この誤差信号を使用して、N2Oガス圧力、UTC-PD光電流(例えば、mm波電力のプロキシである)、fmodおよびその対応する振幅、ならびにダイオードレーザに送られるfmod信号とロックイン検出との間の位相差などの実験におけるパラメータを定性的に調整した。
mm波発振器の定量的性能は、吸収線にロックされた状態でmm波発振器の周波数出力をカウントすることによって特徴付けられた。発振器の短期安定性を決定するために、周波数を1msのゲート時間で~60秒間カウントし、その後、修正されたアラン偏差を計算することによって分析し、その結果を図12Cに示す。発振器の短期挙動は、1.5×10-11/τ傾斜(ここで、τは平均化時間であり、平均化時間は1秒である)に従って平均化するにつれて、ホワイトノイズ挙動を示す。τ<10-2sにおけるこの傾きからの偏差は、ゲート時間が充分に短くないアーチファクトである可能性が最も高い。
mm波発振器の長期性能は、周波数出力によって決定し、3×104秒について1秒にわたって平均した。計数された頻度の結果を図12Bにプロットする。これらのデータは、その後、より短いデータ実行における修正されたアラン偏差よりも長期挙動のより良好な予測因子であるため、全アラン偏差を用いて分析された。最終結果を図12Cに示す。長期偏差は、τ=1秒でより速いゲート時間の結果とよく一致し、τ=104秒で4×10-12まで平均化する。しかしながら、全偏差は、純粋な白色雑音限界から急速に逸脱する。これは、長い時間スケールにわたるわずかな周波数ドリフトおよび/またはサイクルを示す。τ=103sにおける極大値を考慮すると、温度変動の結果である可能性が非常に高い。
1秒以下の平均化時間における発振器の性能は、誤差信号の信号対雑音比によって制限される(図12A参照)。Allan偏差は、少なくとも1桁改善することができる;最終的に、N2Oの10-13レベルの分子の吸収線によって制限されるべきである。
誤差信号におけるノイズは、いくつかの寄与を有する。1つの寄与は、2つのダイオードレーザからの発振器位相雑音である。fmodに等しいフーリエ周波数で、より低い位相雑音を有するmm波放射を生成するために、より高度なフォトニック源を使用することは、システム内の全雑音を減少させるであろう。同じ線に沿って、発振器のショットノイズフロアに到達するためにfmodを増加させることは、改善である。ダイオードレーザを500kHzよりも速く変調するために、異なる発振器を考慮することができる。興味深い候補は、微小共鳴器で生成されたカーソリトンを含み得る。ノイズに対する別の寄与は、UTC-PDによる振幅-位相ノイズ変換である。非線形デバイス(例えば、ライトフィールド強度に応答する)である全てのフォトダイオードは、強度変動の検出の結果として、いくらかの追加された位相ノイズを生成する。この寄与は、本明細書に記載される測定において使用される特定のUTC-PDについて詳細には特徴付けられていない。振幅-位相雑音に対抗するための確立された方法の使用は、潜在的に発振器安定性を改善することができる。ノイズに対する第3の寄与は、ショットキー検出ダイオードのノイズ相当電力である。比較的低いmm波電力(<200μW)で動作することによって、この寄与は、検出された信号におけるノイズへの有意な寄与であり得る。いくつかの潜在的な改善がなされ得、これは、ショットキーダイオードに到達するmm波電力を本質的に増加させる。この問題に対する別の興味深い解決策は、mm波ミキサを介してmm波放射のヘテロダイン検出を実行することである。信号損失およびmm波電力もまた、ヘテロダイン検出に対する技術的課題であるが、NEPにおいて顕著な改善がある。
発振器の短期性能は、より強くより狭い吸収信号で改善することができ、誤差信号ゼロ交差のより大きな傾きをもたらす。分子の異なる選択は、これらの種類の改善をもたらす可能性がある。分子吸収強度は、分子双極子に反比例するmm波強度で飽和する。本明細書に記載される測定において生成されるmm波パワーは、N2Oの吸収を飽和させるほど充分ではなかったが、mm波パワーは、OCSのような分子を飽和させるほど充分であった。さらに、-300GHzでの線の強度は、室温付近での量子準位の占有に依存する。N2Oの量子占有は600GHz付近でピークに達するが、OCSは300GHzにかなり近いピークに達する。さらに、吸収線幅は、pT/Mに比例し、式中、Tは温度であり、Mは分子のモル質量である。したがって、室温では、より重い分子は、わずかに狭い吸収線幅を有し、誤差信号勾配の増加をもたらすであろう。これらの理由から、OCSにおける回転遷移にmm波発振器をロックすることは、その短期安定性を改善することができる。
長期周波数安定性は、本明細書に記載の測定における分子吸収誤差信号の信号対雑音比によって制限されない。これは、測定された周波数が、誤差信号ゼロ交差の位置のドリフトに起因して、経時的にドリフトすることを意味する。これらのドリフトは2つの方法で生じる。ドリフトに対する第1の寄与は、分子吸収強度の変化である。図12Aは、吸収信号のベースラインが平坦でないことを示す。これは、分子吸収がそれぞれ強くなるかまたは弱くなるにつれて、吸収特徴の知覚中心がバックグラウンドによって多かれ少なかれ影響を受けることを意味する。ドリフトに対する第2の寄与は、吸収幅の変化である。図12Aはまた、吸収信号がその中心に関して完全に対称ではないことを示す。したがって、吸収線幅の変化は、誤差信号ゼロ交差を同様にドリフトさせる。mm波発振器の測定周波数を変化させる吸収特性のこれらの変化は、分子回転周波数の変化ではない可能性が高い。むしろ、これらは、分子吸収特徴を調べるために使用される分光法の方法における欠点である。具体的には、ミリ波パワーやガス温度の変動は吸収強度の変化につながり、N2O分圧の変化は吸収線幅の変化につながる。1秒の平均化時間を上回るアラン偏差は、これらのパラメータの変動によって影響を受ける可能性が高い。本明細書に開示される測定では温度が能動的に安定化されなかったため、特にガスの温度は、炎症を起こしやすい。代わりに、鋼真空チャンバ壁の非効率的な熱輸送を使用して、温度変化による吸収信号強度変動を減衰させた。
測定された吸収周波数におけるドリフトに対する洗練された解決策は、誤差信号の高次導関数を使用すること。これは、ロックイン検出のために変調周波数の高調波を使用することによって達成することができる。より高次の導関数を用いて生成された誤差信号は、実際には長期ドリフトの影響を弱めるが、信号強度が低くなり、したがって信号対雑音比が制限される性能が悪くなるという犠牲を払う。さらに、導関数の次数は、時間的に非線形または変動する場合、バックグラウンド勾配を完全に打ち消すことができない。
発振器性能の制限にもかかわらず、図12Bに示される周波数データの平均は、わずか7Hzの不確実性を有し、これまでに行われたこの特定の回転遷移周波数の最も正確な測定に対応する。他の室温ガス試料におけるこのレベルの精度は、前例のないものではないが、本明細書に開示される測定は、最も精密なマイクロ波分光法が競合しなければならない任意の種類のキャビティまたはエタロン効果の影響を欠いている。キャビティのない精度の利点は、精度のブレークスルーにもつながり得る。これは、これらの測定と、これまで301442.71±0.05MHzの文献における最も正確な測定との間の良好な一致によって支持されるが、これは方法論の詳細を提供しなかった。本明細書に記載される特定の実施態様は、多くの分子および多くの回転レベルに容易に一般化することができるので、精密分子回転分光法のための新しい技術を提供することができる。本明細書で説明するmm波発振器の周波数精度を精度と同じレベルで決定することができる場合、標準周波数基準の見込みはかなり良好である。本明細書で説明されるある構成の発振器短期安定性は、本明細書で説明される測定で使用された市販のRbクロック基準のそれにすでに匹敵する。本明細書で議論される短期および長期性能の両方における潜在的改善とともに、分子回転によって規定されるフォトニック発振器は、将来のmm波周波数用途のための候補周波数基準であり得る。
図13は、位相雑音の異なる電力スペクトル密度を有する局部発振器の場合の1秒の平均化時間における安定性レベルを示す。周波数変調分光法における相互変調効果は、周波数変調の2倍における局部発振器の位相雑音から生じた。3つの異なるフォトニックミリ波発振器の位相雑音の測定は、2つの市販のダイオードレーザが10-11という低い安定性に達することができるが、マイクロコムまたは2波長レーザ(市販されていない)などの局部発振器は、<10-11という優れた安定性を提供することができることを示す。
追記
例示的な非限定的な実験データは、本明細書に記載されるシステムおよび方法の様々な実施によって達成可能な結果を例示するために本明細書に含まれる。図に示されているかまたは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。本明細書に記載される例示的な実験、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、開示されるシステムおよび方法の動作条件の例示であることが意図され、本明細書に開示される方法およびシステムの様々な構成のための動作条件の範囲を限定することは意図されない。加えて、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構成が、1つ以上の所望の結果をもたらすように効果的に動作し得る、種々の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ず、これらの特定の値を含むか、またはそれらに及ぶ好適な範囲も含む。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、図等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。加えて、本明細書に開示される値は、表、グラフ、プロット、図等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、図等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、本明細書で開示されるデータは、1つまたは複数の有効動作範囲および/または特定の実施形態についての1つまたは複数の所望の結果を確立し得るが、すべての実施形態が、それぞれのそのような動作範囲で動作可能である必要はなく、またはそれぞれのそのような所望の結果を生じる必要もないことを理解されたい。さらに、開示されるシステムおよび方法の他の構成は、例示的な実験、実験データ、表、グラフ、プロット、図、および本明細書の他のデータを参照して示され、説明されるもの以外の他の動作レジームで動作し、および/または他の結果をもたらしてもよい。
例示的な非限定的な実験データは、本明細書に記載されるシステムおよび方法の様々な実施によって達成可能な結果を例示するために本明細書に含まれる。図に示されているかまたは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。本明細書に記載される例示的な実験、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、開示されるシステムおよび方法の動作条件の例示であることが意図され、本明細書に開示される方法およびシステムの様々な構成のための動作条件の範囲を限定することは意図されない。加えて、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構成が、1つ以上の所望の結果をもたらすように効果的に動作し得る、種々の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ず、これらの特定の値を含むか、またはそれらに及ぶ好適な範囲も含む。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、図等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。加えて、本明細書に開示される値は、表、グラフ、プロット、図等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、図等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、本明細書で開示されるデータは、1つまたは複数の有効動作範囲および/または特定の実施形態についての1つまたは複数の所望の結果を確立し得るが、すべての実施形態が、それぞれのそのような動作範囲で動作可能である必要はなく、またはそれぞれのそのような所望の結果を生じる必要もないことを理解されたい。さらに、開示されるシステムおよび方法の他の構成は、例示的な実験、実験データ、表、グラフ、プロット、図、および本明細書の他のデータを参照して示され、説明されるもの以外の他の動作レジームで動作し、および/または他の結果をもたらしてもよい。
本発明をいくつかの非限定的な実施形態で説明してきた。実施態様は相互排他的ではなく、1つの実施態様に関連して説明した要素は、所望の設計目的を達成するのに適した方法で、他の実施態様と組み合わせるか、他の実施態様から再配置するか、または他の実施態様から排除することができることを理解されたい。単一の特徴または特徴のグループは、各構成に必要または必要とされない。
本発明を要約する目的で、本発明のいくつかの態様、利点および新規の特徴を本明細書に記載する。しかしながら、必ずしもすべてのそのような利点が、任意の特定の実施形態に従って達成され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現化または実行され得る。
本明細書で使用されるように、「1つの構成」または「いくつかの構成」または「構成」への言及は、構成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つの構成に含まれることを意味する。明細書の様々な場所における「一実施形態では」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではない。りわけ、「can」、「could」、「might」、「may」、「e.g.」などの本明細書で使用される条件付き言語は、別段に具体的に述べられない限り、または使用される文脈内で別様に理解されない限り、概して、ある実施形態が、ある特徴、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が意図される。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」または「an」または「the」は、別段の指定がない限り、「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、用語「含む(comprises)」、「含む(comprising)」、「含む(includes)」、「含む(including)」、「有する(has)」、「有する(having)」、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、非排他的な包含を包含することが意図される。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んでもよい。さらに、反対のことが明示的に述べられていない限り、「または」は、包括的または排他的ではないことを指す。例えば、条件Aまたは条件Bは、以下のいずれかによって満たされる:Aは真(または存在)であり、Bは偽(または非存在)であるか、Aは偽(または非存在)であり、Bは真(または存在)であるか、またはAとBの両方が真(または存在)である。本明細書で使用される場合、項目のリストの「のうちの少なくとも1つ」を指す語句は、単一のメンバーを含む、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’’は、以下を包含することが意図される: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の「X、YおよびZの少なくとも1つ」という語句などの接続言語は、特に明記しない限り、項目、用語などがX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別段理解される。したがって、そのような連結言語は、概して、ある構成が、それぞれ、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つが存在することを必要とすることを暗示することを意図しない。
したがって、本明細書では特定の実施形態のみが具体的に説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多数の修正形態がなされ得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読みやすさ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らすことを意図するものではなく、特許請求の範囲を本明細書に記載される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 (15)
- 周波数変調分光法を用いて分子の回転分光法で周波数差を規定したときに狭い線幅出力を提供するように構成される、2つの連続波レーザのヘテロダインビートノートに基づくフォトニックミリ波発振器。
- 前記周波数変調分光法は、電流によって直接1つのダイオードレーザを変調することによって実現されることを特徴とする請求項1に記載の発振器。
- 前記周波数変調分光法は、前記2つの連続波レーザの一方を外部から位相変調器で変調することにより実現されることを特徴とする請求項1に記載の発振器。
- PIDフィルタを通じたフィードバック制御は、直流変調または2つの連続波レーザの一方における光周波数シフタの変調によって実現されることを特徴とする請求項1に記載の発振器。
- 光周波数コムによって生成された光パルス列の光検出に基づくフォトニックミリ波発振器であって、前記光パルス列の繰返し率周波数が周波数変調分光法を用いた分子の回転分光法によって規定されるときに狭い線幅出力を提供するように構成されていることを特徴とするフォトニックミリ波発振器。
- 光注入によって2つのダイオードレーザへの光パルス列繰返し率ノイズ特性での安定的な伝達の方法であって、前記2つのダイオードレーザ間の周波数差が、周波数変調分光法を使用する分子の回転分光法で規定されるとき、狭い線幅出力を提供するステップを含むことを特徴とする方法。
- フィードバック制御は、マイクロ共振器ベースの光周波数コムの場合、前記ポンプ周波数に直接実現されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- フィードバック制御は、2つのスペクトル線がスペクトルフィルタリングによって前記光パルス列から抽出されるときに、光周波数シフタを介して外部から実現されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 2つのストークス波の周波数差は、ファイバキャビティ内の誘導ブリルアン散乱によって生成され、狭い線幅信号を提供するために前記分子の回転分光法によって規定されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 電気光学変調器を駆動するマイクロ波発振器のフィードバック制御を通して分子の回転分光法によって規定された繰返し率を有することを特徴とする電気光学周波数コム。
- 2つのストークス波で事前に安定化された光パルス列を生成する方法であって、分子の回転分光法によって規定される周波数差で2つのダイオードレーザが光学的に注入されるファイバキャビティ内の誘導ブリルアン散乱を使用して前記2つのストークス波を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
- 誤差信号を生成する電気光学変調器を駆動するマイクロ波発振器の位相同期によって、分子の回転分光法によって規定される周波数差で2つの光線路を電気光学分割することによって、クロック信号および安定したベースバンドまたは前記マイクロ波発振器を生成することを特徴とする方法。
- 光搬送ミリ波信号を光周波数分割し、マイクロ波およびRF領域で光パルス列を繰返し周波数に同期させてクロック信号および安定したベースバンドまたはマイクロ波発振器を生成することを特徴とする方法。
- 分子の回転分光法によって規定された2つの光学線のヘテロダインビートノートを含む光位相変調器における残留振幅変調をキャンセルすることを特徴とする方法。
- 低位相雑音ミリ波放射源と、
分子の純粋な試料で充填され、ミリ波放射を伝達するように構成された真空密閉チャンバまたは導波管と、
前記チャンバまたは前記導波管の出力における前記ミリ波電力に感度を有する感光性要素と、
前記ミリ波放射の周波数を変調するように構成された周波数変調器と、
前記ミリ波放射と回転遷移による前記試料のピーク吸収との間の周波数差に比例する誤差信号を生成するように構成された回路と、
回転遷移による前記試料のピーク吸収と一致するように前記平均ミリ波放射の周波数を調整するように構成されたフィードバックシステムと、
前記ミリ波放射をRFまたはマイクロ波領域内の信号に変換するように構成された周波数分割機構とを備えることを特徴とする分子クロック。
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