KR20170013198A - 듀얼-주파수 광학 소스 - Google Patents

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KR20170013198A
KR20170013198A KR1020167021184A KR20167021184A KR20170013198A KR 20170013198 A KR20170013198 A KR 20170013198A KR 1020167021184 A KR1020167021184 A KR 1020167021184A KR 20167021184 A KR20167021184 A KR 20167021184A KR 20170013198 A KR20170013198 A KR 20170013198A
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Abstract

듀얼-주파수 광학 소스는: (a) 각각 제 1 및 제 2 펌프 레이저 주파수들(
Figure pct00190
및
Figure pct00191
)에서 광학 펌프 파워를 생성하기 위하여 배열된 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들; 및 (b) 브릴루앙(Brillouin) 시프트 주파수(
Figure pct00192
) 및 상기 브릴루앙 시프트 주파수의 정수 약수와 실질적으로 동일한 프리 스펙트럼 레인지(free spectral range)에 의해 특징지어지는 광학 공진기를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들 중 각각 하나는 상기 광학 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨진다. 각각 제 1 및 제 2 출력 주파수들(
Figure pct00193
및
Figure pct00194
)에서 상기 듀얼-주파수 광학 기준 소스의 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들은 각각 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들에 의해 상기 광학 공진기의 동시 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅된(stimulated) 브릴리앙 레이저 출력을 포함한다. 출력 차이 주파수(
Figure pct00195
)는 약 300 GHz보다 크다.

Description

듀얼-주파수 광학 소스{DUAL-FREQUENCY OPTICAL SOURCE}
[0001] 이 출원은 (i) 미국 가 출원 번호 61/931,060, 발명의 명칭 "Cascaded Optical Divider and Microwave Synthesizer", 출원일 2014년 1월 24일, 발명자 Kerry Vahala, Scott Diddams, Jiang Li, Xu Yi, 및 Hansuek Lee, 및 (ii) 미국 가 출원 번호 61/982,749, 발명의 명칭 "Dual SBS Lasers as Frequency References for Stable Microwave Generation by Optical Frequency Division", 출원일 2014년 4월 22일, 발명자 Jiang Li 및 Kerry Vahala에 기초하여 우선권을 주장한다. 상기 가 출원들 둘 다는 이로써 본원에 완전히 진술되는 바와 같이 인용에 의해 포함된다. 본 출원은 2015년 1월 26일 월요일에 출원되었다.
[0002] 본 출원은 공군에 의해 수여된 FA9550-10-1-0284 및 미국 국립 과학 재단에 의해 수여된 PHY-1125565 하에서 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리들을 가진다.
[0003] 본 발명의 분야는 듀얼 광학-주파수 신호들 및 듀얼-주파수 광학 소스들을 생성하는 것에 관한 것이다. 특히, 강화된 차이-주파수 안정성 및 감소된 위상 노이즈를 나타내는 듀얼 광학-주파수 신호들을 생성하기 위한 장치 및 방법들이 본원에 설명된다.
[0004] 본원에 개시되거나 청구된 청구 대상은 하기에 개시된 청구 대상에 관련될 수 있다:
- L. Goldberg, H. F. Taylor, J. F.Weller, and D. M. Bloom, "Microwave signal generation with injection locked laser diodes," Electron. Lett. 19, 491-493 (1983);
- Pillet, G., Morvan, L., Brunel, M., Bretenaker, F., Dolfi, D., Vallet, M., Huignard, J.-P., and Le Floch, A., "Dual frequency laser at 1.5 μm for optical distribution and generation of high-purity microwave signals," J. Lightwave Technol. 26, 2764-2773 (2008);
- Schneider, G. J., Murakowski, J. A., Schuetz, C. A., Shi, S., and Prather, D. W., "Radio frequency signal-generation system with over seven octaves of continuous tuning," Nat. Photon. 7, 118-122 (2013);
- Li, J., Lee, H., and Vahala., K.J., "Microwave synthesizer using an on-chip Brillouin oscillator," Nat. Commun. 4, 2097 (2013);
- Fortier, T., et al., "Generation of ultrastable microwaves via optical frequency division," Nat. Photon. 5, 425?429 (2011);
- H. Murata, A. Morimoto, T. Kobayashi, and S. Yamamoto, "Optical Pulse Generation by Electrooptic-Modulation Method and Its Application to Integrated Ultrashort Pulse Generators," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 1325 (2000);
- M. Fujiwara, J. Kani, H. Suzuki, K. Araya, M. Teshima, "Flattened optical multicarrier generation of 12.5 GHz spaced 256 channels based on sinusoidal amplitude and phase hybrid modulation," IEEE Electron. Lett. 37, 967-968 (2001);
- A. J. Metcalf, V. Torres-Company, D. E. Leaird, and A. M. Weiner, "High-power broadly tunable electro-optic frequency comb generator," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 3500306 (2013);
- A. Rolland, G. Loas, M. Brunel, L. Frein, M. Vallet, and M. Alouini, "Non-linear optoelectronic phase-locked loop for stabilization of opto-millimeter waves: towards a narrow linewidth tunable THz source," Opt. Express 19, 17944-17950 (2011);
- William C. Swann, Esther Baumann, Fabrizio R. Giorgetta, and Nathan R. Newbury, "Microwave generation with low residual phase noise from a femtosecond fiber laser with an intracavity electro-optic modulator," Opt. Express 19, 24387-24395 (2011);
- Papp, S. B., Beha, K., DelHaye, P., Quinlan, F., Lee, H., Vahala, K. J., Diddams, S. A., "A microresonator frequency comb optical clock," arXiv:1309.3525 (2013);
- C. B. Huang, S. G. Park, D. E. Leaird, and A. M. Weiner, "Nonlinearly broadened phase-modulated continuous-wave laser frequency combs characterized using DPSK decoding," Opt. Express 16, 2520-2527 (2008);
- I. Morohashi, T. Sakamoto, H. Sotobayashi, T. Kawanishi, and I. Hosako, "Broadband wavelength-tunable ultrashort pulse source using a Mach-Zehnder modulator and dispersion-flattened dispersion-decreasing fiber," Opt. Lett. 34, 2297-2299 (2009);
- A. Ishizawa, T. Nishikawa, A. Mizutori, H. Takara, A. Takada, T. Sogawa, and M. Koga, "Phase-noise characteristics of a 25-GHz-spaced optical frequency comb based on a phase- and intensity-modulated laser," Opt. Express 21, 29186-29194 (2013);
- S. Suzuki, K. Kashiwagi, Y. Tanaka, Y. Okuyama, T. Kotani, J. Nishikawa, H. Suto, M. Tamura, and T. Kurokawa, "12.5 GHz Near-IR Frequency Comb Generation Using Optical Pulse Synthesizer for Extra-Solar Planet Finder," in Nonlinear Optics, OSA Technical Digest: Nonlinear Optics Conference (Optical Society of America, 2013), paper NM3A.3;
- Young, B., Cruz, F., Itano, W., and Bergquist, J., "Visible Lasers with Subhertz Linewidths," Phys. Rev. Lett. 82, 3799-3802 (1999);
- T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye., "A sub-40-mHz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity," Nat. Photon. 6, 687-692 (2012);
- Lee, H., Chen, T., Li, J., Yang, K. Y., Jeon, S., Painter, O., and Vahala, K. J., "Chemically etched ultrahigh-Q wedge resonator on a silicon chip," Nat. Photon. 6, 369-373 (2012);
- Li, J., Lee, H., Chen, T., and Vahala, K. J., "Characterization of a high coherence, brillouin microcavity laser on silicon," Opt. Express 20, 20170-20180 (2012);
- J. Li, H. Lee, K. Y. Yang, and K. J. Vahala, "Sideband spectroscopy and dispersion measurement in microcavities," Opt. Exp. 20, 26337-26344 (2012);
- Drever, R., Hall, J. L., Kowalski, F., Hough, J., Ford, G., Munley, A., and Ward, H., "Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator," Appl. Phys. B 31, 97-105 (1983);
- Gross, M. C., Callahan, P. T., Clark, T. R., Novak, D., Waterhouse, R. B., and Dennis, M. L., "Tunable millimeter-wave frequency synthesis up to 100 GHz by dual-wavelength Brillouin fiber laser," Opt. Express 18, 13321-13330 (2010);
- Callahan, P. T., Gross, M. C., and Dennis, M. L., "Frequency-independent phase noise in a dual-wavelength Brillouin fiber laser," IEEE J. Quantum Electron. 47, 1142-1150 (2011);
- T. Sakamoto, T. Kawanishi, and M. Izutsu, "Asymptotic formalism for ultraflat optical frequency comb generation using a Mach-Zehnder modulator," Opt. Lett. 32, 1515-1517 (2007);
- Dudley, J. M., Genty, G., Coen, Stephane, "Supercontinuum generation in photonic crystal fiber," Rev. Mod. Phys. 78, 1135?1184 (2006);
- Li, J., Yi, X., Lee, H., Diddams, S., and Vahala, K., "Electro-optical frequency division and stable microwave synthesis," Science 345, 309-313;
- Geng, J., Staines, S., and Jiang, S., "Dual-frequency Brillouin fiber laser for optical generation of tunable low-noise radio frequency/microwave frequency," Opt. Lett. 33, 16-18 (2008);
- Pan, S., and Yao, J., "A wavelength-switchable single-longitudinal-mode dual-wavelength erbium-doped fiber laser for switchable microwave generation," Opt. Express 17, 5414-5419 (2009);
- Taylor, J., Datta, S., Hati, A., Nelson, C., Quinlan, F., Joshi, A., and Diddams, S., "Characterization of Power-to-Phase Conversion in High-Speed P-I-N Photodiodes," IEEE Photonics Journal 3, 140 (2011);
- A. J. Seeds, K. J. Williams, J., Lightwave Technol. 24, 4628-4641 (2006).
- J. Yao, J. Lightwave Technol. 27, 314-335 (2009);
- G. Carpintero et al., Opt. Lett. 37, 3657-3659 (2012);
- U. L. Rohde, Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design (Wiley, New York, 1997);
- E. N. Ivanov, S. A. Diddams, L. Hollberg, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 52, 1068-1074 (2005); 및
- J. Li, H. Lee, K. J. Vahala, Opt. Lett. 39, 287?290 (2014).
상기 나열된 참조 문헌들 각각은 본원에 완전히 진술된 것과 같이 인용에 의해 포함된다.
[0005] 듀얼-주파수 광학 소스는: (a) 개별 제 1 및 제 2 펌프 레이저 주파수들(
Figure pct00001
및
Figure pct00002
)에서 광학 펌프 파워를 생성하기 위하여 배열된 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들; 및 (b) 브릴루앙(Brillouin) 시프트 주파수(
Figure pct00003
) 및 브릴루앙(Brillouin) 시프트 주파수의 정수 약수와 실질적으로 동일한 프리 스펙트럼 레인지(free spectral range)에 의해 특징 지어지는 광학 공진기를 포함한다. 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들 중 각각 하나는 광학 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨진다. 개별 제 1 및 제 2 출력 주파수들(
Figure pct00004
및
Figure pct00005
)에서 듀얼-주파수 광학 기준 소스의 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들은 각각 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들에 의해 광학 공진기의 동시 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅된 브릴리앙 레이저 출력을 포함한다. 출력 차이 주파수(
Figure pct00006
)는 약 300 GHz보다 크다.
[0006] 듀얼-주파수 광학 소스를 사용하여, 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들을 생성하기 위한 방법은 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들로부터의 광학 펌프 파워로 광학 공진기를 동시에 펌핑하는 단계를 포함한다.
[0007] 마이크로파-주파수 소스들 및 듀얼-주파수 광학 소스들에 관련된 목적들 및 장점들, 및 이들의 이용을 위한 방법들은 도면들에 예시되고 다음 기록된 설명 또는 첨부된 청구항들에 개시된 예시적 실시예들을 참조할 때 명백하게 될 수 있다.
[0008] 본 요약은 하기 상세한 설명에서 추가로 설명되는 간략화된 형태의 개념들의 선택을 도입하기 위하여 제공된다. 이 요약은 청구된 청구 대상의 핵심 피처들 또는 필수적 피처들을 식별하기 위하여 의도되지도, 청구된 청구 대상의 범위를 결정하는데 도움으로서 사용되도록 의도되지도 않는다.
[0009] 도 1은 창의적인 마이크로파-주파수 소스를 개략적으로 예시한다.
[0010] 도 2는 위상-잠금 루프 어레인지먼트에서 전압-제어 발진기에 커플링된 창의적인 전기-광학 주파수 분할기를 개략적으로 예시한다.
[0011] 도 3은 다수의 측파대 광학 신호들을 포함하는 시뮬레이팅된 광학 스펙트럼이다.
[0012] 도 4는 창의적인 광학 주파수 분할기와 종래의 전기 주파수 분할기를 대조한다.
[0013] 도 5a-도 5e는 창의적인 마이크로파-주파수 소스의 측정된 스펙트럼들과 노이즈의 플롯(plot)들이다.
[0014] 도 6a-도 6c는 창의적인 마이크로파-주파수 소스의 측정된 스펙트럼들의 플롯들이다.
[0015] 도 7은 창의적인 듀얼-주파수 광학 소스를 개략적으로 예시한다.
[0016] 도 8은 다른 창의적인 듀얼-주파수 광학 소스를 개략적으로 예시한다.
[0017] 도 9a 및 도 9b는 창의적인 듀얼-주파수 광학 소스의 측정된 스펙트럼들의 플롯들이다.
[0018] 묘사된 실시예들은 단지 개략적으로 도시되고: 모든 피처들은 완전히 상세하게 또는 적당한 부분으로 도시되지 않을 수 있고, 특정 피처들 또는 구조들은 명확성을 위하여 다른 것들에 비해 과장될 수 있고, 그리고 도면들은 실척으로 존재하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 도시된 실시예들은 단지 예들이고: 실시예들은 제시된 개시내용 또는 첨부된 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 이해되지 않아야 한다.
[0019] 마이크로파- 및 라디오-주파수 발진기들은 통신들, 원격 감지, 내비게이션, 레이더, 과학적 측정들, 컴퓨터들, 클록(clock)들, 시간 표준들, 및 다른 영역들에서 널리 사용된다. 이들 발진기들은 종종 제어 가능하게 튜닝(tune)될 수 있는 단일 전기 주파수를 제공한다. 이들 발진기들의 성능은 파워 출력, 주파수 튜닝 범위, 및 주파수 안정성을 포함하는 다양한 메트릭(metric)들을 사용하여 특성화된다. 이들 매트릭들 중 최종의 것, 즉 주파수 안정성은 대부분의 애플리케이션들에 중요하고, 발진기의 비용은 제공하는 주파수 안정성 레벨에 직접 관련된다. 정말 가장 높은 성능 발진기들은 통상적으로 매우 안정된 주파수를 생성하기 위하여 높은-Q 유전체 공진기들을 이용하는 전기 발진기들에 기초하였다. 2개의 매우 코히어런트(coherent) 레이저 신호들의 광학 검출은 안정된 라디오-주파수 또는 마이크로파-주파수 신호를 생성하기 위하여 다른 잘-알려진 접근법이고; 2개의 광학 검출기(즉, 광검출기)와 일치하고 광학 검출기의 검출 주파수 대역폭 내에서 주파수 차이를 가지는 2개의 광학 신호들은 또한, 비트 음색(beat note) 또는 비트 주파수로서 지칭되는, 광학 신호들의 광학 차이 주파수의 광학 검출기로부터의 전기 출력 신호를 생성한다. 최근 몇 년에 걸쳐 개발된 더 새로운 접근법은 주파수-빗(comb) 광학 분할기(또는 간단히 "광학 분할기")로서 알려진 디바이스를 사용하여 마이크로파 합성에 혁명적인, 모든-광학 접근법을 이용한다. 광학 분할기들은 100s의 THz로 진동하는 높은 코히어런트 광학 신호를 입력으로서 허용한다. 이것은 보통 광학 기준 공동에 의해 안정화된 레이저 신호이다. 이런 매우 높은 입력 주파수는 광학 분할기를 사용하여 라디오-주파수 또는 마이크로파-주파수 범위(100s의 MHz 또는 100s의 GHz)의 비율로 하향 분할(divided down)된다. 이런 분할 프로세스는 초기 광학 신호에 비해 최종 신호의 위상 노이즈의 극적 감소를 수반하고 이에 의해 놀라운(및 기록) 안정성을 가진 라디오/마이크로파 신호를 제공한다. 주파수-빗 광학 분할기는 이런 감소를 달성하기 위하여 특정 모드 잠금 레이저를 이용한다.
[0020] 본원에는 주파수 제어 입력을 가지는 전기 발진기(때때로 전압-제어 발진기, 또는 VCO로 불림)에 의해 제공된 마이크로파-주파수 신호의 광학 주파수 분할 및 안정된 동작을 달성하기 위한 신규하고, 창조적인 장치 및 방법들이 개시된다. 이런 신규한 접근법은 방법의 실행 가능성을 보여주는 예비 측정들과 함께 본원에 설명된다. 창조적 접근법에서 레이저에 의해 제공된 2개의 기준 광학 신호들은, 레이저들의 상대적 주파수(즉, 레이저들의 차이 주파수)가 가능한 한 안정되도록(또는 주어진 용도 또는 애플리케이션에 필요한 성능을 달성하기 위해 실행 가능함, 즉 동작 가능하게 허용 가능한 기준 대역폭 내에서 비교적 안정화됨) 주파수-안정화된다. 그 다음 레이저 신호들은 VCO에 의해 드라이브되는 위상 변조기들의 캐스케이드(cascade)를 사용하여 변조된 위상이다. 광학 스펙트럼에서, 이것은 변조 주파수에 의해 이격된 초기 레이저 주파수들에 대한 측파대들의 스펙트럼을 생성한다. 위상-변조 광학 신호들은 강도 변조기, 분산 보상기, 광학 증폭기(필요하거나 원해지면), 그리고 비선형 광학 매체를 사용하여, 측파대 주파수 스펙트럼에서 측파대들의 수를 추가로 증가시키기 위하여 스펙트럼적으로 확장될 수 있다. 레이저들의 주파수 간격이 VCO의 최대 실행 가능 안정화를 제공하기 위하여 실행 가능한 만큼(주어진 용도 또는 애플리케이션에 대해) 큰 것이 바람직하다. 그러나, 주파수 간격은 위상 변조 캐스케이드(그리고 이용된다면, 비선형 광학 확장)에 의해 생성된 측파대들의 범위를 초과할 수 없다. 2개의 최내부 측파대들(도 3 참조)은, 상기 측파대들 사이의 비트 주파수가 포토다이오드를 사용하여 검출될 수 있도록, 주파수적으로 충분히 가까워야 한다. 추가로 하기 설명된 바와 같이, 포토다이오드 신호는 VCO로부터 발생하는 위상 정보를 포함하고 VCO를 안정화하기 위하여 사용된다. 본 발명의 방법은 이미, 10kHz 및 100kHz의 오프셋 주파수들의 높은 성능 전기 발진기 훨씬 아래의 위상 노이즈 레벨을 가진 매우 안정된 마이크로파-주파수 신호들의 생성을 가능하게 하였다. 본 발명의 방법의 성능은 2개의 기준 광학 신호들의 주파수 간격을 추가로 증가시킴으로써 상당히 개선될 수 있다. 본원에 개시된 예들에서 이들 기준 광학 신호들은 2개의 별개의 파장들에서 스티뮬레이팅(stimulate)되는 브릴루앙 발진을 생성하기 위하여 단일 높은-Q 디스크 공진기의 듀얼 펌핑에 의해 제공된다. 주파수 간격은, 하기 추가로 논의되는 바와 같이, 동일한 공동 내에서 별개의 라인들을 효과적으로 펌핑하기 위한 능력에 의해 제한된다. 다른 듀얼 광학-주파수 기준 소스들은 이용될 수 있고, 예컨대 기준 소스는 단일 기준 공진기 공동의 모드들을 분리하기 위하여 주파수-잠겨진 2개의 레이저들을 포함한다.
[0021] 종래의 주파수-빗 광학 분할기에 비교될 때, 본원에 개시된 본 발명 방법은 동일한, 레코드 주파수 안정성을 아직 얻지 못하였다. 그러나, 상기 설명된 상기 설명된 펄스-확장 방법들의 개선은, 위상 노이즈가 분할 비의 제곱만큼 감소되고 더 큰 차이 주파수가 더 큰 분할 비를 초래하기 때문에, 이미 나타낸 것에 비해 성능 개선들을 초래한다. 또한, 현재 성능 제한을 오프셋하여, 본 발명 접근법은 정교하고 값 비싼 디바이스인 모드-잠금 주파수 빗 생성기를 요구하지 않는다. 대신, 본 발명 방법은 비교적 간단하고 덜 비싼 광학 컴포넌트들을 이용하고, 이들 컴포넌트들의 대부분은 상업적으로 이용 가능하다. 또한, 많은 예들에서 기준 주파수(즉, 2개의 광학 소스들의 차이 주파수)는 단일 공진기 내에서 2개의 공진들의 상대적 안정성에 따른다. 원칙적으로, 이것은, 시스템 내 기술적 노이즈(즉, 시스템의 물리학에서 내재하는 양자 노이즈에 반대되는 바와 같은, 장비의 불안정성들로부터 발생함)가 양쪽 공진들에 공통이고 그러므로 차이 주파수에서 주로 상쇄되기 때문에 보다 강건한 기준이다. 대조하여, 종래의 분할기 접근법은 기술적 노이즈에 의해 더 강하게 영향을 받는 절대 기준 주파수에 따른다. 본원에 개시된 본 발명 광학 주파수 분할기의 동작 원리는 또한, 반복 주파수(즉, 측파대 간격)가 광학 공동에 반대되는 바와 같이 전기 VCO에 의해 설정된다는 점에서 상이하다. 결과로서, 출력 신호의 마이크로파 주파수를 튜닝하는 것이 가능하고, 이는 종래의 주파수-빗 광학 분할기로 쉽게 달성되지 않는다. 또한, 종래의 주파수-빗 분할기 접근법은 높은 대역폭을 가진 광의 높은 피크 파워 펄스들의 트레인(train)의 광학 검출에 따른다. 광검출 프로세스의 선형성은 이런 접근법을 사용하여 주파수 안정성을 달성하는데 결정적인 것으로 보여졌고 이용될 수 있는 광학 검출기들의 타입들을 크게 제한한다. 대조하여 본 발명은 더 낮은-대역폭 광학 검출기들 또는 완화된 선형성 요건들을 가진 검출기들을 이용할 수 있다.
[0022] 고성능 마이크로파-주파수 신호 생성을 위하여 광학 주파수 분할을 달성하기 위한 본원에 개시된 본 발명 장치 및 방법들은 직접 위상 변조 및 또한 자가-위상 변조(직접 위상 변조만을 사용하여 달성될 수 있는 것보다 더 큰 분할 비율들을 달성하기 위하여 필요하거나 원해지면)를 포함하는 캐스케이드된 위상 변조를 이용한다. 모드-잠금 레이저에 의해 생성된 스펙트럼 라인들의 빗에 대조하여, 캐스케이드된 위상 변조기들은, 어떠한 광학 공동도 없기 때문에, 고유 반복 주파수를 가지지 않는다. 이것이 임의로 선택된 라인 간격 주파수를 가진 측파대들의 캐스케이드-생성 빗을 부여할 수 있지만, 이는 또한 광학 주파수 분할이 종래의 주파수 빗들과 함께 사용된 것과 상이한 방식으로 달성되어야 하는 것을 의미한다.
[0023] 도 1-도 3은, 충분히 우수한(즉, 동작 가능하게 허용 가능한) 상대적 주파수 안정성을 가진 2개의 레이저 라인들이 마이크로파-주파수 소스에 대해 2개의 광학 기준 신호들(120a/120b)(스펙트럼(101)에 의해 특성화됨)을 제공하는 본 발명 접근법을 예시한다. 도 1은 시스템의 높은-레벨 블록도이고; 도 2는 시스템의 특정 엘리먼트들의 추가 상세들을 포함하고; 도 3은 본 발명 접근법에 관한 광학 신호들의 주파수 스펙트럼의 개략도이다. 일부 예들(하기 설명됨)에서, 2개의 레이저 라인들(120a/120b)은 2개의 대응하는 독립된 펌프 레이저들(130a/130b)(하기 추가로 논의되는 도 7 및 도 8)에 의해 펌핑되는 단일 높은-Q 마이크로공동(110) 또는 섬유-루프 공동(110')(FLC)에서 동시 브릴루앙 발진에 의해 생성된다. 대안적으로, 2개의 레이저 라인들(120a/120b)은 또한 듀얼-모드 레이저에 의해, 2개의 레이저들을 단일 공통 기준 공동(180)의 별개의 광학 모드들로 주파수-잠금함으로써, 또는 별개의 원자 전이들(190)로 주파수-잠금함으로써 생성될 수 있다. 2개의 기준 레이저 라인들은 전기-광학 주파수 분할기(즉, 전기-광학 측파대 생성기)에 진입하고 여기서 상기 레이저 라인들은 전압-제어 전기 발진기(600)(VCO)에 의해 설정된 주파수(
Figure pct00007
)에서 한 쌍의 변조기들(220)에 의해 위상 변조된다. 위상 변조기들(220)에 의해 생성된 측파대 스펙트럼(301)은 광섬유(350)에서 펄스-형성 및 자가-위상 변조에 의해 추가로 확장될 수 있다. 따라서 형성된 다수의 측파대 광학 신호들은 각각의 레이저 라인(120a/120b)으로부터 확장되고 한 쌍의 측파대 광학 신호들(430a/430b)(통상적으로 차이 주파수 스팬(span)의 중간-포인트에 가까움; 스펙트럼(401))을 초래한다. 측파대 광학 신호들(430a/430b)은 광학적으로 필터링되고 포토다이오드(420)를 사용하여 검출된다. 하기 논의된 바와 같이, 2개의 검출된 측파대 신호들(430a/430b)에 의해 생성된 비트 음색 신호는 광학 분할 팩터(factor)(
Figure pct00008
)에 의해 확대된 VCO(600)의 위상 노이즈를 포함하고, 측파대들의 수는 측파대 신호들(430a/430b)을 얻기 위하여 필요하다. 그러므로 비트 음색은 VCO(600)의 위상-잠금-루프 제어를 위해 적당한 에러 신호를 제공한다.
[0024] 본 발명 주파수 기준(10) 및 VCO(30)를 이용하여 마이크로파-주파수 소스를 많은 종래의 마이크로파-주파수 소스와 대조하는 것은 흥미롭다. 종래의 접근법(도 4 참조)에서, VCO(30)는 시스템에서 가장 높은 주파수를 제공한다. 이는 석영 발진기 같은 더 낮은-주파수 기준 발진기(10)에 전기 주파수 분할(20) 및 위상 비교에 의해 안정화된다. 대조하여, 본원에 개시된 본 발명 전기-광학 주파수 분할기는 주파수 도메인에서 VCO 및 기준 포지션들을 반전(reverse)함으로써 동작한다. 구체적으로, 기준(100)은 레이저 라인들의 상대적 주파수 간격에 의해 제공되고; 주파수 간격은 VCO(600)의 주파수보다 여러 배 크게 이루어진다(본 구현에서 이것은 통상적으로 광학 검출기를 사용하여 검출 가능하지 않은 레이트임). 게다가, 기준 주파수는 VCO 주파수를 기준 주파수 레이트(종래의 소스에서처럼)까지 분할하는 것과 반대되는 바와 같이 VCO 주파수(본 발명 소스에서)까지 분할된다. 이런 반전을 행함으로써, 본 발명 디바이스는 (i) 이제 통상적으로 마이크로파 발진기들의 안정성을 초과하는 광학 발진기들의 안정성, 및 (ii) 안정성을 마이크로파 도메인으로 이동하기 위한 광학 주파수 분할의 파워로부터 이익을 얻는다. 또한, 본 발명 분할기는 자신의 레이트를 전기 VCO(600)로부터 유도하기 때문에, 연속적으로 튜닝 가능하다. 특히, 주파수 출력은 공동 반복 레이트에 의해 고정되지 않은, 기준 레이저 라인들의 주파수 간격 및 전기 VCO의 튜닝 범위에 의해 설정된다.
[0025] 마이크로파 생성을 위한 기준을 유도하기 위하여 절대 주파수에 반대되는 바와 같은 주파수 간격의 사용은 종래의 모드-잠금 레이저 주파수 빗들을 사용하여 보여졌다. 이들 타입들의 디바이스들에서 주파수-빗 광학 분할기는 기준 공동의 2개의 주파수들로 빗을 잠금으로써 구현된다. 다른 종래의 광학 분할기들에서처럼, 빗의 검출은 이런 기준 공동 모드들의 주파수 간격의 경우에 하향 분할된 신호를 제공한다. 이런 2개의-포인트 잠금 접근법은 또한 2개의 원자 라인들 및 주파수 마이크로빗을 사용하여 이미 구현되었다.
[0026] 도 3은 본 발명 주파수 분할기에 의해 제공된 위상 노이즈 감소의 근원을 예시한다. 생성된 측파대 광학 신호들에서 누적된 위상 노이즈 기여들은 검출 가능 비트 음색을 생성하는 검출된 측파대들의 위상 차이까지 2개의 레이저 소스들로부터 추적된다. 검출된 비트 음색은 기준 발진기 신호에 비교된다. 위상 차이(
Figure pct00009
)를 무효화하기 위하여 VCO(600)의 위상을 조절함으로써, 결과적인 VCO 변동들은 다음 값으로 감소되고:
Figure pct00010
; 2개의 레이저 소스들의 위상 노이즈(예컨대, 공통-모드 기술적 노이즈로부터 발생함)의 상관들은 이런 접근법에서 소거된다. VCO(600)의 상대적 위상 노이즈의 궁극적 하한은 제곱된 분할 팩터에 의해 감소된(즉,
Figure pct00011
팩터에 의해 감소됨) 레이저 라인들의 광학 위상 노이즈에 의해 제공된다. 명확하게, 전기 VCO(600)의 위상 노이즈를 감소시키기 위하여, 레이저 주파수 간격(즉, 차이 주파수)은 가능한 한 크게(또는 주어진 용도 또는 애플리케이션에 실행 가능한, 즉 동작 가능하게 허용 가능함) 만들어져야 한다. 본 발명 시스템의 바람직한 실시예에서, 차이 주파수의 이런 크기는 듀얼-펌핑 브릴루앙 레이저들의 스팬에 의해 결정된다.
[0027] 듀얼 광학-주파수 기준 소스의 예는 도 7에 더 상세히 도시된다. 광학 기준 레이저 신호들(120a/120b)은 단일 실리카-온 실리콘 높은-Q 디스크 공진기(110) 내에서 브릴리앙 레이저 라인들 공동-레이징(co-lasing)에 의해 제공된다. 개별 브릴리앙 레이저 라인들의 코히어런스 특성들은 우수하고, 브릴리앙 레이저 라인들의 상대적 주파수 안정성은 공통 공진기 내의 공동-레이징에 의해 강화된다. 본 발명 마이크로파-주파수 소스에서 브릴리앙 레이저 라인들은, 듀얼 펌프 구성이 필요한 충분히 큰 주파수 차이에 의해 분리된다. 이런 예에서 실리카 디스크 공진기(110)는 1550 nm의 펌프 파장에서 실리카의 브릴리앙 시프트 주파수와 실질적으로 매칭하는 약 10.890 GHz의 프리-스펙트럼-레인지(FSR: free-spectral-range)로 설계 및 제조된다. 다른 필요하거나, 원해지거나, 적당한 재료들은 이용되어 상이한 브릴리앙 시프트 주파수들을 나타낸다. 각각의 펌프 레이저(130a/130b)(대응하는 파장들(λ1 및 λ2)을 방사함)는 파운드-드레버-홀(PDH: Pound-Drever-Hall) 기술을 사용하여 디스크 공진기(110)의 대응하는 별개의 공진 광학 모드로 주파수-잠겨지고, 순환기(114)를 통하여 디스크 공진기(110)에 커플링되고, 그리고 개별 광학 기준 주파수들(v1 및 v2)에서 역-전파 방향)으로 그 자신의 대응하는 브릴리앙 레이저를 여기시킨다. PDH 기술은 개별 광학 대역통과 필터들(132a/132b), 광검출기들(134a/134b), 및 피드백/서보 메커니즘들(136a/136b)을 이용함으로써 각각의 펌프 레이저(130a/130b)에 대해 구현되고; 각각의 펌프 파장의 제어는 직접 레이저 제어(펌프 레이저(130a)와 같이)를 통해 또는 레이저 출력의 주파수 시프팅(펌프 레이저(130b)의 출력의 음향-광학 시프팅과 같이)을 통해서 일 수 있다. 2개의 SBS 레이저들 사이의 주파수 간격(즉, 차이 주파수(
Figure pct00012
))은 상이한 방위각 모드 차수들을 가진 공진 모드들에서 펌핑하기 위하여 펌프 레이저들(130a/130b)을 튜닝함으로써 쉽게 튜닝될 수 있다. 도 8은 디스크 공진기(110)가 섬유-루프 광학 공진기(110')(즉, 섬유-루프 공동 또는 FLC)에 의해 대체되는 유사한 예를 도시한다.
[0028] 단일, 공통 FLC에서 섬유-기반 SBS 레이저들의 듀얼 펌핑은 광학 신호들의 종래의 광학 검출에 의해 안정된 마이크로파-주파수 신호들을 생성하기 위하여 이미 적용되었고, 2개의 펌프 레이저 파장들은 원하는 마이크로파 주파수에서 전기-광학 위상 변조에 의해 생성된 단일 연속-파(CW) 레이저의 측파대들이다. 이전 어레인지먼트에서 2개의 SBS 레이저 주파수들은, 그들의 차이 주파수(즉, 비트 음색)가 광학 검출기를 사용하여 직접 검출 가능하다는 점에서 주파수적으로 필수적으로 충분히 가까이에 있는다. 대조하여, 본 발명 어레인지먼트에서 SBS 레이저 주파수들(v2 및 v1)은 더 큰 주파수 간격들(예컨대, 다양한 실험들에서 109, 198, 327 및 1612 GHz, 독립적으로 튜닝 가능한 CW 레이저들을 사용하여 디스크 공진기 광학 모드들 상에서 듀얼 펌핑에 의해 10, 18, 30 및 148 공동 FSR만큼 분리됨)로 분리된다. 이들 증가하는 주파수 간격들은 증가하는 분할 팩터들에 의한 광학 주파수 분할에 의해 위상 노이즈 감소를 증가시키고; 그러므로 주파수 간격(즉, 차이 주파수(
Figure pct00013
))이 가능한 한 크거나 실행 가능하게 만들어지는 것이 바람직하다. 그런 큰 주파수 간격들은 통상적으로 너무 커서, 차이 주파수가 광학 검출기들의 검출 대역폭을 크게 초과하기 때문에 차이 주파수(즉, 비트 음색)를 광학적으로 검출하는 것은 가능하지 않다. 이제까지 구성된 실시예들에서 1612 GHz의 최대 간격은 SBS 펌프 레이저들 중 하나가 이용된 에르븀-도핑 섬유 증폭기의 이득 대역폭의 에지에 가까운 1537 nm에 있음으로써 제한되고; 다른 펌프 소스들은 광학 기준 신호들(120a/120b)의 더 큰 스펙트럼 간격을 달성하기 위하여 이용될 수 있다. 이들 스펙트럼 간격 중 몇몇에서 듀얼 SBS 라인들의 측정된 광학 스펙트럼들은 도 5a에 도시된다. 2개의 SBS 레이저 신호들(120a/120b)이 단일, 공통 칩-기반 디스크 공진기(110)뿐 아니라, 추후 광학/전기 변환 동안 동일한 광섬유 경로를 공유하여, 경로 길이 변동 효과들을 억제하는 것은 주목할 만하다.
[0029] 도 7 및 도 8의 예들에서, 광학 기준 신호들(120a/120b)은 순환기(114)를 사용하여 광학 분할기 섹션에 커플링된다. 다수의 측파대 광학 신호들(310)을 생성하기 위하여, 측파대 생성기(200)가 이용되고 2개의 위상 변조기들(220/230)을 포함하고 이때 비교적 낮은
Figure pct00014
(12 GHz에서)는 캐스케이드되고 대응하는 RF 위상 시프터들(224/234)과 위상 동기화된다(도 1 및 도 2). 위상 변조기들(220/230)은 또한 대략적으로 변조기들(220/230)에 의해 생성된 측파대들의 수의 절반과 동일한 약
Figure pct00015
까지의 총 위상 변조 진폭에 대응하는 32.5 dBm 및 30.7 dBm에서 드라이브된다. 위상 변조기들(220/230)에 대한 드라이브 신호(즉, 측파대 생성기 입력 전기 신호)는 주파수(
Figure pct00016
)의 VCO(600)의 출력 전기 신호(측파대 생성기 입력 광학 신호로서 동작함)의 부분(620)이다. 일 예에서, 최대 약 30 전기-광학-변조(EOM) 측파대들(즉, 약 30까지의
Figure pct00017
)은 측파대 생성기의 제 1 부분(200)만을 사용하여(즉, 측파대 신호들(310)을 생성하기 위하여 단지 위상 변조기들(220/230)만을 사용함) 생성될 수 있어서, 약 327 GHz까지의 차이 주파수(
Figure pct00018
) 및 약 30까지의 팩터만큼 광학 분할을 초래한다. 본래의 SBS 레이저 라인들(18 FSR 주파수 간격) 및 결과적 위상 변조 측파대들 둘 다를 도시하는 측정된 광학 스펙트럼은 도 5b에 도시된다. 30만큼 주파수 분할에 의해, 마이크로파-주파수 신호(610)의 위상 노이즈는 주파수(
Figure pct00019
)의 피드백 안정화에 의해, 광학 기준 신호들(120a/120b)의 차이 주파수의 위상 노이즈에 관하여 대략 약 900 팩터만큼 감소될 것이다(이하에 추가로 설명됨). 2개의 위상 변조기들은 도 2에 도시된 예에서 이용되지만; 그러나, 단일 위상 변조기는, 충분히 많은 측파대들을 생성하기 위하여 충분히 큰 변조를 제공하면 이용될 수 있다.
[0030] 측파대 스펙트럼들 폭을 추가로 강화하기 위하여, 부가적인 위상 변조기들이 사용될 수 있거나, 더 큰 위상 변조 진폭을 제공하는 위상 변조기들이 사용될 수 있다. 대안적으로, 또는 부가하여, 소위 컨티넘(continuum) 생성(예컨대, 상기 통합된 Huang 등(2008), Morohashi 등(2009), Ishizawa 등 (2013), 및 Suzuki 등(2013)의 공개물들에 설명된 바와 같이)은 측파대 생성기의 제 2 부분(300)을 이용함으로써 이용될 수 있다(도 2의 경로 II). 그 부분은 강도 변조기(320)(VCO 신호(620)의 일부에 의해 주파수(
Figure pct00020
)에서 드라이브되고 위상 시프터(324)를 사용하여 동기화됨), 분산 보상기(330), 광학 증폭기(340), 및 비선형 광학 매체(350)를 포함한다. 통상적인 예에서, 강도 변조기(320)는 전기-광학 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 포함할 수 있고, 분산 보상기(330)는 적당한 길이의 적당한 분산 광섬유(예컨대, 분산-시프트 광섬유 또는 분산-시프트 격자를 포함하는 광섬유)를 포함할 수 있고, 광학 증폭기(340)는 에르븀-도핑 광섬유 증폭기(EDFA)를 포함할 수 있고, 그리고 비선형 광학 매체(350)는 적당한 길이의 고도의 비선형 광섬유(HNLF)를 포함할 수 있다. 다른 기능적으로 동등한 컴포넌트들이 이용될 수 있고, 예컨대 전기흡수 변조기가 이용될 수 있다. 이런 예에서, 위상 변조기들(220/230)과 캐스케이드된 컨티넘 생성은 충분히 많은 측파대들을 생성할 수 있어서 2개의 기준 광학 신호들(120a/120b)이 위상 변조기들만을 사용하여 통상적으로 가능한 것보다 스펙트럼적으로 더 멀리 떨어져 이격되게 하고; 이 예에서, 차이 주파수(
Figure pct00021
)는 디스크 공진기(110)의 최대 148 FSR까지(즉, 이 예에서 최대 약 1.6 THz까지 떨어지고; 최대 148까지
Figure pct00022
; 상기 주의된 바와 같이 EDFA의 이득 대역폭에 의해 제한됨) 생성될 수 있다. 148에 의한 주파수 분할로 인해, 마이크로파-주파수 신호(610)의 위상 노이즈는 (하기 추가로 설명되는 바와 같이) 주파수(
Figure pct00023
)의 피드백 안정화에 의해 광학 기준 신호들(120a/120b)의 위상 노이즈에 관련하여 약 20,000 팩터만큼 감소될 것이다. 심지어 위상 노이즈의 더 큰 감소는 심지어 더 큰 차이 주파수들을 사용함으로써 달성될 수 있다.
[0031] 2개의 송신된 광학 측파대들(430a/430b)(통상적으로 <<
Figure pct00024
인
Figure pct00025
에 의해 분리된 개별 주파수들(
Figure pct00026
및
Figure pct00027
)에서)은 광학 대역통과 필터(410)에 의해 송신되고 그리고 증폭된 광학 검출기(420)(이 예에서 125 MHz 대역폭)를 사용하여 검출된다. 이들 송신된 측파대 신호들의 선형 중첩은 비트 음색 주파수(
Figure pct00028
)에서 광학 검출기 전기 신호를 생성하는 광학 검출기(420) 상에 입사하는 신호를 초래한다. 기준 발진기(510)는 주파수(fR)에서 기준 발진기 전기 신호를 생성한다(이 예에서 약 10 MHz에서 동작하는 석영 발진기; 임의의 적당한 기준 발진기가 이용될 수 있고; 약 1 MHz 내지 약 500 MHz의 주파수들(fR)이 이용되었음). 기준 발진기(510)에 의해 기여된 위상 노이즈는 또한 전체 주파수 분할에 의해 감소되고 광학 주파수 분할 프로세스에 의해 달성 가능한 위상 노이즈 감소에 대해 임의의 제한을 제시하지 않는다. 전기 회로(520)는 포토다이오드 및 기준 전기 신호들의 위상들을 비교하고 에러 신호를 생성하고(임의의 필요하거나, 원해지거나, 적당한 방식으로), 그 다음 에러 신호는 회로(520)에 의해 루프-필터링된다(임의의 필요하거나, 원해지거나, 적당한 방식으로). 루프-필터링된 에러 신호는 VCO(600)를 주파수(
Figure pct00029
)의 저조파(즉, 정수 약수)로 위상-잠금하기 위하여 사용된 VCO 전기 입력 신호(530)로서 역할을 한다. 예에서 VCO는 외부 FM 변조 입력 모드를 사용하여 동작되는 마이크로파 생성기를 포함하고; 임의의 적당한 타입 또는 구현의 VCO가 이용될 수 있다.
[0032] 브릴루앙 레이저들의 위상 노이즈 레벨(위상 노이즈 기준 레벨)을 설정하기 위하여, 도 5c의 최상부 곡선은 빠른 광학 검출기(50 GHz 대역폭) 상에서 도 7의 예시적 듀얼 SBS 레이저들의 출력의 광학 검출에 의해 생성된 비트 음색의 단일 측파대(SSB) 위상 노이즈
Figure pct00030
를 제공한다. 그 측정에 대해 듀얼 SBS 레이저 신호들은 떨어진 3개의 FSR에서 펌핑되어, 광학 검출기를 사용하여 검출 가능하고 전기 위상 노이즈 분석기에 의해 분석될 수 있는 32.7 GHz의 비트 음색을 초래한다. 위상 노이즈 레벨은 SBS 레이저 주파수들의 주파수 튜닝으로 대략적으로 일정하게 있고 그러므로 SBS 레이저 주파수들이 본 발명 주파수 분할 프로세스에서 사용된 매우 큰(즉, 검출 가능하지 않은) 주파수 간격들로 튜닝될 때에도 레이저들의 기준 위상 노이즈의 측정을 제공하는 것으로 도시되었다. 100Hz보다 높은 오프셋 주파수들(예컨대 도 5c의 수평 축)에 대해, 노이즈 스펙트럼은 숄로-타운즈(Schawlow-Townes) 노이즈에 의해 제한되는 반면, 100Hz 미만의 오프셋 주파수들에서 기술적 노이즈 성분은 존재한다. 현재 실험에서 이런 스펙트럼은 광학 주파수 분할 팩터(
Figure pct00031
)에 의해 2차식으로 감소되는 기준 노이즈 레벨(주파수 차이의 불변)을 제공한다. 광학 분할기를 테스트하기 위하여, VCO(600)는 루프-필터링 에러 신호(530)를 VCO 제어/튜닝 입력 포트에 공급함으로써 도 1-도 3에 도시된 바와 같이 분할된 광학 기준으로 잠겨진다. 도 5c의 더 낮은 2개의 곡선들은, 듀얼 SBS 라인들(120a/120b)의 초기 주파수 간격에 관련하여 30 팩터(제 2 가장 낮은 곡선) 및 148 팩터(가장 낮은 곡선)에 의해 광학적으로 분할할 때 10.89 GHz에서 VCO(600)의 대응하는 측정된 위상 노이즈 스펙트럼들이다. 분할 비의 증가로 인해 위상 노이즈의 감소는 데이터에 의해 명확하게 도시된다. 출력 신호(610)의 주파수는 튜닝 가능 펌프 레이저 소스들(130a/130b)을 사용하여 브릴리옹 레이저 라인들의 주파수 간격을 조절함으로써 이들 측정들에서 10.89 GHz로 홀딩된다. 코멘트로서, 대략 900 kHz(도 2의 경로 I을 사용하여 달성된 30의 분할 비) 및 300 kHz(도 2의 경로 II를 사용하여 달성된 148의 분할비)에서 위상 노이즈 스펙트럼들의 피처들은 위상-잠금 루프 제어 회로에서 서보 범프(servo bump)들이다. 이들 주파수들은 VCO(600)의 튜닝 응답 및 광학 및 전기 경로 길이들을 포함하는 서보 루프 지연에 의해 결정된다.
[0033] 위상-잠금 조건들 하에서 VCO 위상 노이즈의 성능의 개선을 예시하기 위하여, 도 5c의 점선은 프리 런닝(free running) VCO(600)의 위상 노이즈 스펙트럼이다. 30의 팩터로 327 GHz 브릴리옹 광학 차이 곡선을 분할할 때(도 2의 경로 I; 단지 위상 변조기들(220/230)만), 본래 프리 런닝 VCO(600)에 관련하여 1 kHz와 100 kHz 사이의 오프셋 주파수들에 대하여 대략 20 dB의 위상 노이즈 감소가 관찰되고, 그리고 10 kHz 오프셋 주파수에서 -112 dBc/Hz의 위상 노이즈 레벨 및 100 kHz 오프셋 주파수에서 -127 dBc/Hz는 10.89 GHz 캐리어에 대해 달성된다. 148의 팩터에 의해 1.61 THz 브릴리옹 광학 신호 차이 주파수를 분할할 때(도 2의 경로 II; 위상 변조기들 플러스 컨티넘 생성), 10.89 GHz 캐리어에 대해 달성된 위상 노이즈 레벨은 1 kHz 오프셋 주파수에서 -104 dBc/Hz이고, 10 kHz 오프셋 주파수에서 -121 dBc/Hz이고, 그리고 100 kHz 오프셋 주파수에서 -119 dBc/Hz이다. 148 분할 비에 대하여 100 kHz 오프셋에서 위상 노이즈의 상승은, 이런 오프셋이 300 kHz(서버 대역폭)에서 서보 피크에 가깝기 때문이다. 도 5d는 10.89 GHz에서 VCO 출력(610)의 측정된 스펙트럼들을 도시한다(전기 스펙트럼 분석기 상에서 20 kHz 스팬 및 30 Hz 해상도 대역폭 세팅들). 최상부 곡선은 프리 런닝 VCO 스펙트럼인 반면, 다른 스펙트럼들은 196, 327 GHz 및 1.61 THz의 대응하는 SBS 주파수 간격들로부터 각각 18, 30 및 148 팩터 하향 분할될 때 내림차순으로 위상-잠금 VCO(600)의 스펙트럼들이다. 도 5e는 1, 3, 4, 10, 18, 30 및 148의 분할 비들에 대해 플롯된 1 kHz, 10 kHz 및 100 kHz 오프셋 주파수들에서 측정된 위상 노이즈를 제공함으로써 이들 결과들을 요약한다. 파선들이
Figure pct00032
피트(fit)들을 제공하고 측정된 값들과 우수하게 일치한다. 비교를 위하여, 상부 수평 파선은 에질런트(Agilent) MXG 마이크로파 합성기(캐리어 11 GHz, 오프셋 100 kHz, 에질런트 온라인 데이터 시트, 문헌 번호 5989-7572EN)의 위상 노이즈이고, 그리고 하부 수평 파선은 고성능 에질런 PSG 마이크로 합성기(캐리어 11 GHz, 오프셋 100 kHz, 에질런트 온라인 데이터 시트, 문헌 번호 5989-0698EN, 옵션 UNX)의 위상 노이즈이다.
[0034] 어느 정도 도시된 예들에서 마이크로파 주파수(
Figure pct00033
)는 고정되지만; 그러나, 그 주파수는 분할 비를 가변시킴으로써 조절될 수 있다. 구체적으로, 듀얼 SBS 라인들(
Figure pct00034
)의 고정된 간격을 위하여 분할 비(
Figure pct00035
) 및 VCO 주파수(
Figure pct00036
)를 변경함으로써, 상이한 캐리어 주파수들(예컨대,
Figure pct00037
)의 위상 잠근 주파수 합성이 가능하다. 예컨대, 도 6a에서 측파대 주파수들은 2개의 상이한 분할 비율들(26 및 30)에 대한 중간점에서 거의 오버랩한다. 유일한 요건은 차이 주파수(
Figure pct00038
)가 원하는 출력/변조 주파수(
Figure pct00039
)의 정수 배와 대략 동일한 것이다. 도 6b는 위상-잠금 12.566 GHz 출력 신호(610)의 측정된 노이즈 스펙트럼을 도시하는 반면, 도 6c는 9.075 GHz에서 출력 신호(610)의 측정된 노이즈 스펙트럼을 도시한다. 게다가, 초기 기준 주파수 간격은 또한 튜닝될 수 있다. 가변 FSR들을 가지는 다수의 기준 공동들(110 또는 180)을 이용하는 것은 넓은 범위의 출력 주파수들이 단일 분할기를 사용하여 생성될 수 있게 한다.
[0035] 도 1 및 도 2를 참조하여, 마이크로파-주파수 소스는 출력 주파수(
Figure pct00040
)에서 출력 전기 신호를 생성하기 위하여 배열되고 (a) 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100); (b) 전기-광학 측파대 생성기(200/300); (c) 광학 대역통과 필터(410); (d) 광학 검출기(420); (e) 기준 발진기(510); (f) 전기 회로(520); 및 (g) 전압-제어 전기 발진기(600)를 포함한다. 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)는 (i) 제 1 광학 기준 주파수(v1)의 제 1 광학 기준 신호(120a) 및 (ii) 제 2 광학 기준 주파수(
Figure pct00041
)의 제 2 광학 기준 신호(120b)를 생성하도록 배열된다. 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들(120a/120b)의 스펙트럼(101) 예는 도 1의 삽입물로 개략적으로 표현된다. 전기-광학 측파대 생성기(200/300)는 (i) 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들(120a/120b) 및 주파수(
Figure pct00042
)의 측파대 생성기 입력 전기 신호를 수신하고 그리고 (ii) 이로부터
Figure pct00043
및
Figure pct00044
형태의 개별 측파대 광학 주파수들의 다수의 측파대 광학 신호들(210/310)을 생성하도록 배열되고, 여기서 n1 및 n2는 정수들이다. 다수의 측파대 광학 신호들(310)의 스펙트럼(301)의 예는 도 1 및 또한 도 3의 삽입물로 개략적으로 표현된다. 광학 대역통과 필터(410)는 주파수(
Figure pct00045
)의 측파대 광학 신호(430a) 및 주파수(
Figure pct00046
)(통상적으로 <<
Figure pct00047
인
Figure pct00048
에 의해 분리됨)의 측파대 광학 신호(430b)를 포함하는 다수의 측파대 광학 신호들(210/310)의 서브세트를 송신하기 위하여 배열된다. 송신된 측파대 광학 신호들(430a/430b)의 스펙트럼(401)의 예는 도 1 및 또한 도 3의 삽입물로 개략적으로 표현된다. 광학 검출기(420)는 (i)는 송신된 측파대 광학 신호들(430a/430b)을 수신하고 그리고 (ii) 비트 주파수(
Figure pct00049
)의 광학 검출기 전기 신호(440)를 생성하기 위하여 배열된다.
[0036] 기준 발진기(510)는 기준 발진기 주파수(fR)의 기준 발진기 전기 신호를 생성하도록 배열된다. 전기 회로(520)는 (i) 광학 검출기 전기 신호(440) 및 기준 발진기 전기 신호를 수신하고, (ii) 이로부터, 전기 회로(520)의 비교기 부분을 사용하여, 광학 검출기 및 기준 발진기 전기 신호들의 상대적 위상에 따른 전기 에러 신호를 생성하고, 그리고 (iii) 전기 회로(520)의 루프-필터 부분을 사용하여 전기 에러 신호를 프로세싱하기 위하여 배열된다. 전압-제어 전기 발진기(600)는 (i) 루프-필터 전기 에러 신호(530)를 VCO 입력 전기 신호로서 수신하고 그리고 (ii) 주파수(
Figure pct00050
)의 VCO 출력 전기 신호를 생성하기 위하여 배열되고, 여기서 VCO 출력 전기 신호의 제 1 부분(620)은 측파대 생성기 입력 전기 신호로서 전기-광학 측파대 생성기(200/300)에 의해 수신되고 VCO 출력 전기 신호의 제 2 부분(610)은 마이크로파-주파수 소스의 출력 전기 신호를 형성한다. 전기-광학 측파대 생성기(200/300)에 의해 측파대 생성기 입력 전기 신호로서 VCO 출력 전기 신호의 제 1 부분(620)의 수신은 전기 회로(520) 및 전압-제어 발진기(600)가 위상-잠금 루프(PLL)로서 기능하도록 네거티브 피드백 어레인지먼트에 커플링되게 한다. 전기 회로(520)의 비교기 및 루프-필터 부분들은 임의의 필요한, 원해진, 또는 적당한 방식으로 구현될 수 있다.
[0037] 출력 주파수(
Figure pct00051
)의 마이크로파-주파수 출력 전기 신호(610)를 생성하기 위한 방법은: (a) 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)를 사용하여 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들(120a/120b)을 생성하는 단계; (b) 전기-광학 측파대 생성기(200/300)를 사용하여 다수의 측파대 광학 신호들(210/310)을 생성하는 단계; (c) 광학 대역통과 필터(420)를 사용하여 측파대 광학 신호들(430a/430b)을 송신하는 단계; (d) 광학 검출기(420)를 사용하여 광학 검출기 전기 신호(440)를 생성하는 단계; (e) 기준 발진기(510)를 사용하여 기준 발진기 전기 신호를 생성하는 단계; (f) 전기 회로(520)를 사용하여 루프-필터 전기 에러 신호(530)를 생성하는 단계; 및 (g) VCO 출력 전기 신호(610/620)를 생성하기 위하여 전압-제어 전기 발진기(600)를 사용하는 단계를 포함한다. 전기-광학 측파대 생성기(200/300)에 의해 측파대 생성기 입력 전기 신호로서 VCO 출력 전기 신호의 제 1 부분(620)의 수신은 전기 회로(520) 및 전압-제어 발진기(600)가 위상-잠금 루프로서 기능하도록 네거티브 피드백 어레인지먼트에 커플링되게 한다.
[0038] 출력 주파수(
Figure pct00052
)는 예컨대 약 0.3 GHz와 약 300 GHz 사이의 전자기 스펙트럼의 소위 마이크로파 부분 내 어딘가에 놓여질 수 있다. 몇몇 예들에서 출력 주파수(
Figure pct00053
)는 약 1 GHz와 약 100 GHz 사이이다.
[0039] 도 3에 개략적으로 예시된 바와 같이, 전기-광학 측파대 생성기(200/300)는
Figure pct00054
팩터에 의해 차이 주파수(
Figure pct00055
)를 분할하도록 동작하여, 둘 다가 광학 대역통과 필터(410)의 통과 대역 내에 속하도록 스펙트럼적으로 충분히 서로 가까운 한 쌍의 측파대 광학 신호들(430a/430b)(개별 주파수들(
Figure pct00056
및
Figure pct00057
)에서)을 초래한다. 그러므로 전기-광학 측파대 생성기(200/300)는 전기-광학 주파수 분할기(EOFD)로서 지칭될 수 있다. 전기-광학 측파대 생성기(200/300) 및 전압 제어 발진기(600)를 위상-잠금하는 것과 결합된
Figure pct00058
의 팩터만큼 차이 주파수(
Figure pct00059
)의 분할은 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)의 위상 노이즈에 비하여, 약
Figure pct00060
의 팩터만큼 마이크로파-주파수 소스의 출력 전기 신호(610)의 위상 노이즈 감소를 초래한다.
[0040] 그러므로, 생성된 마이크로파-주파수 전기 신호의 위상 노이즈를 감소시키기 위하여 분할 비를 증가시키는 것이 유리하다. 더 높은 분할 비를 달성하기 위한 하나의 방식은 기준 차이 주파수(
Figure pct00061
)를 증가시키는 것이, 몇몇 예들에서, 기준 차이 주파수(
Figure pct00062
)는 약 100 GHz보다 크다. 이들 예들의 몇몇에서, 기준 차이 주파수(
Figure pct00063
)는 약 1 THz보다 크거나, 10 THz보다 크거나, 100 THz보다 크다. 여전히 더 큰 기준 차이 주파수들은 필요하거나, 원해지거나 적당할 때 이용될 수 있거나, 적당할 때 광학 소스는 전개되거나 이용 가능하게 된다.
[0041] 기준 차이 주파수(
Figure pct00064
) 및 원해진 출력 주파수(
Figure pct00065
)에 따라 임의의 적당한 분할 비(
Figure pct00066
)가 이용될 수 있다. 일부 예들에서 분할 비(
Figure pct00067
)는 10보다 크거나 같거나, 50보다 크거나 같거나, 100보다 크거나 같거나, 또는 1000보다 크거나 같다. 상기 주의된 바와 같이, 더 큰 분할 비는 위상 노이즈의 더 큰 감소를 제공한다.
[0042] 기준 광학 신호들(120a/120b)은 임의의 필요하거나, 원해지거나, 적당한 광학 주파수들에서 제공될 수 있다. 몇몇 예들에서 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(v1 및 v2)은 각각 약 75 THz와 약 750 THz 사이(즉, 약 400 nm와 약 4 ㎛ 사이의 파장들)), 약 120 THz와 약 430 THz 사이(즉, 약 700 nm와 약 2.5 ㎛ 사이의 파장들), 또는 약 150 THz와 약 300 THz 사이(즉, 약 1㎛와 약 2㎛ 사이)이다. 후자의 2개의 범위들은 이들 파장 구역들에서 광섬유 및/또는 고체 상태 소스들의 준비된 이용 가능성으로 인해 편리할 수 있다. 다른 파장들이 이용될 수 있다.
[0043] 몇몇 예들에서, 기준 발진기 주파수 및 비트 주파수는 약 1 MHz와 약 500 MHz 사이, 약 5 MHz와 약 100 MHz 사이, 또는 약 10 MHz와 약 50 MHz 사이일 수 있다. 몇몇 예들에서, 기준 발진기(510)는 수정 발진기, 예컨대 석영 발진기를 포함한다. 몇몇 다른 예들에서, 기준 발진기(510)는 전기 발진기, 예컨대 주파수-합성 발진기를 포함한다. 임의의 적당히 안정된 기준 발진기는 이용될 수 있고 주어진 용도 또는 애플리케이션에서 마이크로파-주파수 소스의 충분히 안정된(즉, 동작 가능하게 허용 가능한) 성능을 제공한다.
[0044] 몇몇 예들에서, 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)는 동작 가능하게 허용 가능한 광학 기준 대역폭 내에서 기준 차이 주파수(
Figure pct00068
)의 변동들(즉, 레이저들의 상대적 주파수 안정성)을 유지하기 위하여 안정화된다. 몇몇 예들에서, 동작 가능하게 허용 가능한 기준 대역폭(주어진 시간 간격에 걸쳐 특성화된 대역폭으로서 제공됨)은 약 1 초 기간에 걸쳐 약 100 Hz보다 작거나, 약 1 초 기간에 걸쳐 약 1 Hz보다 작다. 몇몇 예들에서, 동작 가능하게 허용 가능한 기준 대역폭(광학 캐리어 주파수에 관하여 주어진 오프셋 주파수의 광학 위상 노이즈로서 제공됨)은 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -40dBc/Hz 및 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz, 또는 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz 및 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -125 dBc/Hz이다. 일반적으로, 레이저 소스들의 상대적 안정성의 개선된 레벨들은 직접적으로 마이크로파-주파수 출력 신호의 전체 주파수 안정성의 개선들로 이동될 것이다. 또 더 나은 안정화된 기준들은 필요하거나, 원해지거나, 적당할 때 이용될 수 있거나, 적당할 때 광학 소스는 전개되거나 이용 가능하게 된다.
[0045] 상기 주의된 바와 같이, 몇몇 예들에서 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)는 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들(130a/130b) 및 광학 공진기(110(디스크 공진기; 도 7) 또는 110'(섬유-루프 공진기; 도 8))를 포함한다. 광학 공진기(110/110')의 프리 스펙트럼 레인지(FSR)은 광학 공진기의 브릴리앙 시프트 주파수의 정수 약수와 실질적으로 동일하다. 몇몇 예들에서, 광학 공진기는 실리카를 포함하고 광학 공진기의 브릴리앙 시프트 주파수는 약 10.9 GHz이고; 다른 필요하거나, 원해지거나, 적당한 재료들은 이용되고 상이한 브릴리앙 시프트 주파수들을 나타낸다. 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들(120a/120b)의 각각의 소스는 광학 공진기(110/110')의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨진다. 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들(120a/120b)은 개별적으로 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들(130a/130b)에 의해 동시에 광학 공진기의 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅 브릴리앙 레이저(SBL: stimulated Brillouin laser)를 포함한다. 몇몇 예들에서, 광학 공진기(110/110')의 프리 스펙트럼 레인지는 광학 공진기의 브릴리앙 시프트 주파수에 실질적으로 동일하다. 몇몇 예들에서, 광학 공진기는 디스크 광학 공진기(110) 같은 링 광학 공진기를 포함한다(도 7에서처럼). 다른 예들에서, 광학 공진기는 광섬유 공진기, 이를테면 섬유-루프 광학 공진기(110')(도 8에서처럼) 또는 선형, 패브리-페롯-타입 광섬유 공진기(예컨대 펌프 주파수 또는 SBL 주파수의 섬유 브랙(Bragg) 격자들을 포함할 수 있음)를 포함한다. 몇몇 예들에서, 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들의 각각의 소스는 파운드-드레버-홀 메커니즘에 의해 공진기(110/110')의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨지고; 임의의 적당한 메커니즘이 이용될 수 있고, 예컨대 헨슈-코울리라우드(Haensch-Couillaud) 메커니즘이 이용될 수 있다.
[0046] 듀얼-펌핑 스티뮬레이팅 브릴리앙 레이저(SBL)로서 동작하는 광학 공진기 대신, 몇몇 다른 예들에서 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)는 듀얼-모드 레이저 소스를 포함한다. 또 다른 예들에서 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)는 공통 광학 기준 공동(180)의 대응하는 별개의 공진 광학 모드에 각각 주파수-잠겨진 제 1 및 제 2 기준 레이저 소스들을 포함한다(도 1). 또 다른 예들에서, 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)는 대응하는 별개의 원자 전이(190)에 각각 주파수-잠겨진 제 1 및 제 2 기준 레이저 소스들을 포함한다(도 1). 임의의 다른 적당한 안정화된 듀얼 광학-주파수 기준 소스는 이용될 수 있고 필요하거나, 원해지거나, 적당한(즉, 동작 가능하게 허용 가능한) 기준 주파수들 및 차이 주파수 안정성을 제공할 수 있다.
[0047] 상기 주의된 바와 같이, 몇몇 예들에서 전기-광학 측파대 생성기는 주파수(
Figure pct00069
)에서 측파대 생성기 입력 전기 신호의 대응하는 부분에 의해 각각 구동되는 단지 2 또는 그 초과의 전기-광학 경로 변조기들(220/230)(도 2의 경로 I)을 포함한다. 2 또는 그 초과의 위상 변조기들(220/230)(측파대 생성기의 부분(200)을 형성함)은
Figure pct00070
및
Figure pct00071
형태의 대응하는 측파대 광학 주파수들에서 다수의 광학 측파대 신호들(310)을 생성하기 위하여 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들(120a/120b)을 순차적으로 송신하도록 직렬로 배열되고, 여기서 n1 및 n2는 정수들이다. 2개의 위상 변조기들(220/230)을 사용하여, 측파대 광학 신호들의 쌍들은 2로부터 적어도 30까지 범위의
Figure pct00072
으로 생성된다.
[0048] 다른 예들에서, 컨티넘 생성의 종래 기술은 2 또는 그 초과의 전기-광학 위상 변조기들(220/230), 강도 변조기(320), 분산 보상기(330), 광학 증폭기(340), 및 비선형 광학 매체(350)를 포함하는 전기-광학 측파대 생성기(도 2의 경로 II)의 부분(300)에 포함된다. 2 또는 그 초과의 전기-광학 위상 변조기들(220/230)은 VCO 출력 신호(620)로부터 유도되고 위상 시프터들(224/234)과 동기화되는 주파수(
Figure pct00073
)에서 측파대 생성기 입력 전기 신호의 다른 부분에 의해 유도된다. 강도 변조기는 VCO 출력 신호(620)로부터 유도되고 위상 시프터(324)와 합성되는 주파수(
Figure pct00074
)의 측파대 생성기 출력 전기 신호의 다른 부분에 의해 드라이브된다. 위상 변조기들(220/230), 강도 변조기(320), 분산 보상기(330), 광학 증폭기(340), 및 비선형 광학 매체(350)는 다수의 광학 측파대 신호들(310)을 생성하기 위하여 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들을 순서적으로 순차적으로 적절하게 송신하도록 직렬로 배열된다. 이들 신호들은
Figure pct00075
및
Figure pct00076
형태의 대응하는 주파수들에 있고, 여기서 n1 및 n2는 2 내지 적어도 100 또는 그 초과까지의 범위의
Figure pct00077
를 가진 정수들이다. 변조기들, 분산 보상기, 증폭기, 및 비선형 매체의 임의의 필요하거나, 원해지거나, 적당한 결합이 이용될 수 있다. 몇몇 예들에서, 강도 변조기는 전기-광학 마흐-젠더 간섭계를 포함하고, 분산 보상기(330)는 적당한 길이의 적당한 분산 광섬유(예컨대, 분산-시프트 광섬유 또는 분산-시프트 격자를 포함하는 광섬유)를 포함할 수 있고, 광학 증폭기(340)는 에르븀-도핑 광섬유 증폭기(EDFA)를 포함할 수 있고, 그리고 비선형 광학 매체(350)는 적당한 길이의 고도의 비선형 광섬유(HNLF)를 포함할 수 있다. 다른 기능적으로 동등한 컴포넌트들이 이용될 수 있고, 예컨대 전기흡수 변조기가 이용될 수 있다. 큰 위상 진폭 변조를 생성하기 위한 적당한 기술들은 개발되거나 이용 가능하기 때문에, 더 적거나 심지어 단일 위상 변조기로 상기 기능들을 대체하는 것이 가능할 수 있다.
[0049] 이미 언급된 바와 같이, 광학 주파수 분할(OFD)은 이제 레코드 낮은 위상 노이즈로 극도로 안정된 마이크로파-주파수 신호들의 생성을 가능하게 한다. OFD에 대한 핵심 구성요소는 안정된 광학 주파수 기준(OFR)이다. 광학 기준들은 2개의 타입들을 가질 수 있다: 절대 주파수 기준 또는 차이-주파수 기준. 후자 타입의 기준은 본원에 설명된 광학 주파수 분할기를 가진 애플리케이션에 매우 적당하다. 도 7 및 도 8에 개략적으로 예시된 본 발명 듀얼-주파수 광학 소스는 이제 보다 상세히 논의될 것이다. 듀얼-주파수 광학 소스(100)는 THz-대역폭 듀얼-모드 스티뮬레이팅 브릴리앙 레이저(SBL)들에 기초한다. 듀얼-모드 SBL 차이 주파수 기준의 위상 노이즈는, 주파수 기준이 광학 검출기로 직접-검출 가능한 차이 주파수(예컨대, 몇 10s GHz, 아마도 100 GHz)로 설정될 때, 1 kHz 오프셋에서 -105 dBc/Hz이도록 측정된다. 이것은 이미 이전 브릴리앙 레이저들에 비해 15 dB 개선을 표현하는 우수한 위상 노이즈 레벨이다. 주파수 기준으로서, 약 300 GHz에서 최대 약 1 THz, 약 5 THz, 약 10 THz, 약 100 THz 큰, 또는 100 THz를 넘는 매우 높은(즉, 직접 검출 가능하지 않음) 값들로 차이 주파수를 증가시키는 것이 바람직하다. 차이 주파수의 그런 증가는 근본적인 브릴리앙 레이저들의 물리적 관리 노이즈로 인해 위상 노이즈의 품질 저하가 적거나 없이 달성될 수 있다. 듀얼 모드 SBL 차이 주파수의 위상 노이즈는 2개의 레이저들의 근본적인 숄로-타운즈 주파수 노이즈에 의해 결정되고, 2개의 레이저들은 이들 사이의 주파수 간격에 관하여 대략 일정하다. 광학 주파수 분할을 사용하여, 그런 큰 차이 주파수(광학 검출기들을 사용하여 검출 가능하지 않음) 값들은 통상적으로 검출 가능한 주파수(예컨대, 10s의 GHz)로 하향 분할될 수 있다. 잘 알려진 바와 같이, 차이 주파수의 위상 노이즈는 분할 비의 제곱에 의해 하향 분할된 신호로 감소된다. 본 발명 듀얼-주파수 소스에 의해 생성된 차이 주파수의 이미 낮은 위상 노이즈가 제공되면, 위상 노이즈의 주파수-분할-유도 감소는 마이크로파 주파수들의 레코드-낮은 위상 노이즈를 가능하게 하는 것으로 예측된다. 본 발명 차이-주파수 기준은 표준 광섬유 컴포넌트들을 사용하여 생성될 수 있고 거의 또는 아예 값비싸지 않은 하드웨어를 요구한다. 그러므로 많은 사용한 용도들 및 애플리케이션들로 쉽게 이동 가능하다.
[0050] OFD 접근법을 사용하여 마이크로파-주파수 신호 생성을 위한 핵심 컴포넌트들은 안정된 광학 주파수 기준 및 광학 주파수 분할기이다. 본 발명 전기-광학 주파수 분할기는 상기 개시되었다. 다양한 OFD 접근법들에서 사용된 종래의 안정된 광학 주파수 기준들은 서브-헤르쯔 안정성을 가진 공동-안정화된 레이저들, 또는 단일, 공통 기준 광학 공동(180)에 주파수-잠금에 의해 우수한 상대적 주파수 안정성을 가진 2개의 레이저들(도 1)을 포함한다. 이들 2개의 방법들은 매우 부피가 크고 연약한 잘 절연된, 높은-파네스(finesse) 패브리-페롯(Fabry-Perot) 기준 광학 공동을 요구한다. 다른 한편, 다양한 타입들의 듀얼-모드 레이저들은 빠른 광학 검출기 상에서 듀얼 모드 레이저들(또한 듀얼 파장 레이저들이라 불림)의 광학 검출 및 레이저 신호들의 비트 주파수를 검출함으로써 우수한 품질을 가진 마이크로파 신호들을 생성하기 위하여 사용되었다. 예컨대, 단일 섬유-루프 공동에서 2개의 레이저들에 의해 펌핑되는 듀얼-모드 스티뮬레이팅 브릴리옹 레이저들은 광학 검출에 의해 10s MHz에서 최대 100 GHz까지의 마이크로파들을 생성하기 위하여 사용되었다. 그러나, 이들 방법들에서, 마이크로파-주파수 신호는 광학 검출기 상에서 레이저의 듀얼 광학 모드들의 비팅에 의해 직접 생성되고, 따라서 생성된 마이크로파-주파수 신호들은 광학 검출기의 대역폭(아마도 최대 100 GHz)에 의해 제한된다. 게다가, 마이크로파-주파수 신호의 위상 노이즈는 2개의 레이저 모드들의 상대적 주파수 안정성의 위상 노이즈와 동일하다.
[0051] 본 발명 듀얼-주파수 광학 소스(100)에서, 우리는 광학적으로 검출된 듀얼-모드 레이저들(최대 100 GHz의 대역폭)의 종래의 역할을 약 300 GHz 내지 약 100 THz 또는 심지어 그 초과 사이의 범위에서 더 큰 주파수 간격을 가진 안정된 광학 기준 기준들로 변환한다. 그 다음 본 발명 듀얼-모드 스티뮬레이팅 브릴리옹 레이저(SBL)들에 의해 생성된 기준 차이 주파수는 광학 주파수 분할기들(상기 설명된 본 발명 전기-광학 주파수 분할기, 또는 종래의 모드-잠금 레이저 주파수 빗 같은)을 사용하여 마이크로파 주파수들로 하향 분할될 수 있다. 생성된 마이크로파-주파수 신호의 위상 노이즈는 또한 20log10N dB에 의해 듀얼 모드 SBL들 사이의 상대적 안정성 위상 노이즈로부터 분할되고, 여기서 N은 분할 팩터이다. 광학적으로 분할된 마이크로파-주파수 신호의 위상 노이즈는 상기 주의된 바와 같은 낮은 위상 노이즈 자체를 가진 듀얼-주파수 광학-주파수 기준의 위상 노이즈에 비해 크게 감소될 수 있다. 광학 주파수 분할은 마이크로파 생성에 대한 비교적 새로운 접근법이다. 주파수 기준들, 절대 또는 차이-기반 주파수 기준들 둘 다는 통상적으로 부피가 크고 연약한 디바이스들이 패시브 패브리-페롯 공진기들을 사용하였다.
[0052] 이미 상기 설명되고 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명 듀얼-주파수 광학 소스(100)는 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들(130a/130b) 및 광학 공진기(110(디스크 공진기; 도 7) 또는 110'(섬유-루프 공진기; 도 8))를 포함한다. 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들은 개별 제 1 및 제 2 펌프 파장들(
Figure pct00078
및
Figure pct00079
)에 대응하는 개별 제 1 및 제 2 펌프 레이저 주파수들(
Figure pct00080
및
Figure pct00081
)의 광학 펌프 파워를 생성하도록 배열되었다. 광학 펌프 파워는 순환기(114)를 사용하여 광학 공진기(110/110')로 라우팅되고; 다른 적당한 어레인지먼트들은 이용될 수 있고, 예컨대 빔 분할기가 이용될 수 있다. 광학 공진기(110/110')는 브릴리옹 시프트 주파수(
Figure pct00082
) 및 브릴리옹 시프트 주파수의 정수 약수에 실질적으로 동일한 프리 스펙트럼 레인지(FSR)에 의해 특성화된다. 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들(130a/130b)의 각각의 소스는 광학 공진기(110/110')의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨지고; 임의의 필요하거나, 원해지거나, 적당한 주파수-잠금 기술 또는 메커니즘이 이용될 수 있다. 개별 제 1 및 제 2 출력 주파수들(
Figure pct00083
및
Figure pct00084
)의 듀얼-주파수 광학 기준 소스(100)의 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들(120a/120b)은 각각 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들(120a/120b)에 의해 광학 공진기(110/110')의 동시 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅 브릴리옹 레이저 출력을 포함한다. 출력 신호들(120a/120b)은 순환기(114)를 사용하여 듀얼-주파수 소스(110)에서 라우팅되고; 다른 적당한 어레인지먼트들은 이용될 수 있고, 예컨대 빔 분할기 또는 섬유 커플러가 이용될 수 있다. 듀얼-주파수 광학 소스(100)는, 출력 차이 주파수(
Figure pct00085
)가 약 300 GHz보다 크도록 배열 및 동작된다. 몇몇 예들에서 출력 차이 주파수(
Figure pct00086
)는 약 1 THz보다 크고; 몇몇 예들에서 출력 차이 주파수(
Figure pct00087
)는 약 5 THz보다 크고; 몇몇 예들에서 출력 차이 주파수(
Figure pct00088
)는 약 10 THz보다 크고; 이들 예들 중 몇몇에서 출력 차이 주파수(
Figure pct00089
)는 약 100 THz보다 크다. 주파수들(
Figure pct00090
및
Figure pct00091
)이 동일한 공동 내에서 생성되기 때문에, 차이 주파수(
Figure pct00092
)가 매우 안정되도록 그들 각각의 변동들에 높은 정도의 상관이 있다. 또한, 다른 공진기 기하 구조들(예컨대, 선형 공진기)은 듀얼 SBL 기준 라인들을 생성하기 위하여 이용될 수 있다.
[0053] 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들(120a/120b)을 생성하기 위한 방법은 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들(130a/130b)로부터의 광학 펌프 파워로 광학 공진기(110/110')를 동시에 펌핑하는 단계를 포함한다.
[0054] 본 발명 듀얼-주파수 광학 소스의 몇몇 예들에서, 광학 공진기(110/110')의 프리 스펙트럼 레인지(FSR)는 광학 공진기의 브릴리옹 시프트 주파수와 실질적으로 동일하다. 몇몇 예들에서, 광학 공진기는 실리카를 포함하고 광학 공진기의 브릴리옹 시프트 주파수는 약 10.9 GHz이고; 다른 필요하거나, 원해지거나 적당한 재료들은 이용될 수 있고 상이한 브릴리옹 시프트 주파수들을 나타낼 수 있다.
[0055] 기준 광학 신호들(120a/120b)은 임의의 필요하거나, 원해지거나, 적당한 광학 주파수들로 제공될 수 있다. 몇몇 예들에서 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(
Figure pct00093
및
Figure pct00094
)은 각각 약 75 THz와 약 750 THz 사이(즉, 약 400 nm와 약 4 ㎛ 사이의 파장들), 약 120 THz와 약 430 THz 사이(즉, 약 700 nm와 약 2.5 ㎛ 사이의 파장들), 또는 약 150 THz와 약 300 THz 사이(즉, 약 1㎛와 약 2㎛ 사이의 파장들), 또는 약 150 THz와 약 300 THz 사이(즉, 약 1㎛와 약 2㎛ 사이)이다. 후자의 2개의 범위들은 이들 파장 구역들에서 광섬유 및/또는 고체 상태 소스들의 준비된 이용 가능성으로 인해 편리할 수 있다. 다른 파장들은 이용될 수 있다.
[0056] 몇몇 예들에서, 듀얼 광학-주파수 기준 소스(100)는 동작 가능하게 허용 가능한 광학 기준 대역폭 내에서 기준 차이 주파수(
Figure pct00095
)(즉, 레이저들의 상대적 주파수 안정성)의 변동들을 유지하기 위하여 안정화된다. 몇몇 예들에서, 동작 가능하게 허용 가능한 기준 대역폭(주어진 시간 간격에 걸쳐 특성화된 대역폭으로서 제공됨)은 약 1 초 기간에 걸쳐 약 100 Hz 미만, 또는 약 1 초 기간에 걸쳐 약 1 Hz 미만이다. 몇몇 예들에서, 동작 가능하게 허용 가능한 기준 대역폭(광학 캐리어 주파수에 관하여 주어진 오프셋 주파수의 광학 위상 노이즈로서 제공됨)은 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -40dBc/Hz이거나 10 kHz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz이거나, 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz 및 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -125 dBc/Hz이다. 일반적으로, 레이저 소스들의 상대적 안정성의 개선된 레벨들은 마이크로파-주파수 출력 신호의 전체 주파수 안정성의 개선들로 직접 이동할 것이다. 여전히 더 우수한 안정화된 기준들은 필요하거나, 원해지거나 적당할 때 이용될 수 있거나, 또는 적당할 때 광학 소스들은 전개되거나 이용 가능하게 된다.
[0057] 몇몇 예들에서, 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들의 각각의 소스는 파운드-드레버-홀 메커니즘에 의해 공진기(110/110')의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨지고; 임의의 적당한 메커니즘, 예컨대 헨슈-코울리라우드 메커니즘이 이용될 수 있다. 도 7의 예에서, 각각의 펌프 레이저(130a/130b)(대응하는 파장들(
Figure pct00096
및
Figure pct00097
에서 방사함)은 파운드-드레버-홀(PDH) 기술을 사용하여 디스크 공진기(110)의 대응하는 별개의 공진 광학 모드로 주파수-잠겨지고, 순환기(114)에 의해 디스크 공진기(110)에 커플링되고, 그리고 개별 광학 기준 주파수들(
Figure pct00098
및
Figure pct00099
)에서 후방-전파 방향으로 그 자신의 대응하는 브릴리옹 레이저를 여기한다. PDH 기술은 개별 광학 대역통과 필터들(132a/132b), 광검출기들(134a/134b), 및 피드백/서보 메커니즘(136a/136b)을 이용함으로써 각각의 펌프 레이저(130a/130b)에 대해 구현되고; 각각의 펌프 파장의 제어는 직접 레이저 제어(펌프 레이저(130a)와 같이)를 통해 또는 레이저 출력의 주파수 시프팅(펌프 레이저(130b)의 출력의 음향-광학 시프팅과 같이)을 통해서 일 수 있다. 2개의 SBS 레이저들 사이의 주파수 간격(즉, 차이 주파수(
Figure pct00100
및
Figure pct00101
))은 상이한 방위각 모드 순서들로 공진기 모드들에서 펌핑하기 위하여 펌프 레이저들(130a/130b)을 튜닝함으로써 쉽게 튜닝될 수 있다. 도 8은, 디스크 공진기(110)가 섬유 루프 광학 공진기(110')(즉, 섬유-루프 공동 또는 FLC)에 의해 대체되고, 그리고 양쪽 펌프 레이저들(130a/130b)이 그들 각각의 파장들의 직접 제어에 영향을 받는 유사한 예를 도시한다.
[0058] 섬유-루프 광학 공진기(110')의 사용은 전기통신-관련 애플리케이션들을 위하여 개발된 쉽게 이용 가능한 광섬유 컴포넌트들의 사용을 가능하게 하고, 그리고 또한 디스크 공진기(110)와 비교되는 주파수 기준 자체 내에서 상당히 더 낮은 위상 노이즈(최대 40 dB보다 더 낮음) 측면에서 성능 이익을 가능하게 한다. 이런 개선들은 2개의 이유들 때문에 발생하는 것으로 믿어진다. 첫째, 섬유-루프 공동은 디스크 공진기(10 mm 내지 100 mm 정도의 왕복 길이)와 비교될 때 훨씬 더 큰 왕복 길이(100m 내지 500m 정도)를 가진다. 결과적으로, 섬유 루프 공동의 랜덤 온도 변동들로부터 발생하는 주파수 변동들은 디스크 공진기에 비해 크게 감소된다. 둘째, 섬유-루프 공동의 더 긴 공동 길이는 디스크 공진기에 비교될 때 대응하여 더 긴 공동 내 광자 스토리지 시간을 초래한다. 더 긴 광자 스토리지 시간은 차례로 레이저의 대응하여 더 낮은 근본적 숄로-타운즈 주파수 노이즈를 유도한다.
[0059] 광섬유를 사용한 듀얼-펌핑 브릴리옹 레이저들이 이전에 (상기 주의된 바와 같이) 나타냈지만, 이들 레이저들은 약 300 GHz, 약 1 THz, 약 5 THz, 약 10 THz, 약 100 THz, 또는 심지어 그 초과보다 큰 주파수 간격을 가진 차이 주파수 기준들로서가 아닌 약 100 GHz보다 통상적으로 작은 주파수 간격을 가진 마이크로파 소스들로서 동작되었다. 본 발명자들의 지식으로, 약 300 GHz보다 큰 차이 주파수들에서 듀얼-펌핑된, 듀얼-브릴리옹 레이저 라인 동작을 나타내는 어떠한 작업도 없었고; 실제로, 그런 큰 주파수 간격은 그들의 의도된 목적을 위하여 이전 듀얼-브릴리옹 레이저들이 부적당하게 할 것이다. 상기 논의된 광학 주파수 분할 기술들의 개발 전에, 그렇게 넓게 이격된 듀얼 기준 주파수들을 생성할 필요가 없을 것이다. 또한 이런 생각의 애플리케이션으로 듀얼-브릴리옹 레이저의 동작을 특성화하거나 이해하기 위한 시도가 없었다.
[0060] 안정된 마이크로파 생성을 위한 광학 주파수 분할로 인해 광학 차이 주파수 기준들로서 듀얼-모드 SBL들을 사용하기 위한 상세한 레이아웃은 도 7(디스크 공진기(110)를 사용함) 및 도 8(섬유-루프 공진기를 사용함)에 도시된다. 도 8을 참조하여, 2개의 펌프 레이저들(130a/130b(독립적으로 튜닝 가능한 CW 레이저들))은 광학 대역통과 필터들(132a/132b), 광검출기들(134a/134b), 및 피드백/서보 메커니즘(136a/136b)을 이용하는 표준 파운드-드레버-홀 잠금 기술을 사용하여 브릴리옹-액티브 섬유 루프 공동(110')(FLC)에 주파수-잠겨진다. 각각의 펌프 레이저(130a/130b)는, 섬유-루프 공동(110')의 순환하는 펌프 파워가 임계치에 도달하면 그 자신 스티뮬레이팅 브릴리옹 레이저를 여기시킨다. 2개의 SBL들 사이의 주파수 간격은 2개의 펌프 레이저들(130a/130b) 사이의 주파수 간격을 튜닝함으로써 10s의 MHz 내지 100 THz 또는 그 초과로 튜닝될 수 있다. 광학 주파수 분할을 위하여, 2개의 SBL들 사이의 주파수 간격은 몇 THz 정도일 수 있다. 예컨대, 1550nm에서 하나의 펌프 레이저를 사용하여, 2개의 SBL들의 주파수 간격은 1 THz(제 2 펌프 레이저를 1542nm로 튜닝), 10 THz(제 2 펌프 레이저를 1473nm로 튜닝함), 또는 100 THz(제 2 펌프 레이저를 1022nm로 튜닝함)로 설정될 수 있다. 그 다음 공동-발진, 듀얼-모드 SBL 출력들 사이의 차이 주파수는 주파수 분할 프로세스에서 안정된 광학-주파수 기준으로서 사용된다(도 3에서와 같이). 몇몇 예들에서 전기-광학 주파수 분할기를 포함하여 임의의 적당한 광학 분할기는 이용될 수 있다. 몇몇 다른 예들에서, OFD는 종래의 모드-잠금 광학 주파수 빗(OFC)에 기초하고, 여기서 OFC의 2개의 빗 라인들은, OFC의 반복 레이트가 안정되고 분할된 마이크로파 출력을 제공하도록 2개의 SBL들로 주파수-잠겨진다. 그러나, 본 발명 전기-광학 주파수 분할기는 구현하기 더 간단하고 모드-잠금 OFC에 기초하여 광학 주파수 분할에 대한 상당한 난제들을 제기하는 높은-대역폭 광검출의 선형성 제한들을 완화하는 것으로 관찰되었다.
[0061] 일련의 FLC들은 90/10 융합 커플러, 및 45 미터(FSR 4.4 MHz), 200 미터(FSR 1 MHz) 및 500 미터(FSR 400 kHz)의 상이한 공동 왕복 경로 길이들로 구성되게 구성되었고; 약 40 미터 길이보다 크거나 같거나, 약 100 미터 길이보다 크거나 같거나, 약 200 미터 길이보다 크거나 같거나, 또는 약 500 미터 길이보다 크거나 같은 임의의 다른 필요하거나, 원해지거나 적당한 섬유-루프 공동 길이는 이용될 수 있다. 더 긴 섬유-루프 광학 공진기는 통상적으로, 더 짧은 섬유-루프 광학 공진에 비해 더 작은 주파수 및 위상 노이즈를 나타내고, 다른 모든 것들은 동일하다. 이들 FLC들의 측정된 광학 파네스는 약 40(주로 커플러 손실에 의해 제한됨)이고, SBS 발진에 대한 펌프 임계치는 대략 몇 백 마이크로와트이다. SBL 임계치를 초과하여, 각각의 펌프 레이저의 펌프 파워(1550nm 파장 구역에서)는, 제 1 차 스토크 주파수에서의 레이징(lasing)이공진기의 제 2 차 스토크 파들을 여기하기 시작하도록 포인트에 도달될 때까지(~1 mW) 증가된다. 도 9b는 1537.2 nm 및 1549.6 nm에서 FLC를 듀얼 펌핑함으로써 얻어진 1.61 THz의 주파수 간격(12.5 nm)으로 듀얼-모드 SBL 차이 주파수 기준의 측정된 광학 스펙트럼을 도시한다. 제 2 차 스토크 라인의 발진의 삽입이 제 1 차 스토크 라인의 공동내 파워를 클램핑하는 것이 관찰되었다. 듀얼-모드 SBL들의 상대적 주파수 안정성의 근본적 제한은, 파워 클램핑시 공진 광학 모드의 볼륨과 역으로 가변하는 것으로 관찰된 브릴리옹 레이저의 숄로-타운즈 주파수 노이즈(Sv)에 의해 결정된다. 더 긴 섬유-루프 공동은 더 큰 효과적 모드 볼륨 및 따라서 제 2 차 스토크 발진의 삽입에 의해 유발된 파워 클램핑 감소된 숄로-타운즈 노이즈를 가진다.
[0062] 듀얼-모드 SBL들의 상대적 주파수 안정성(즉, 차이 주파수(
Figure pct00102
)의 안정성)의 위상 노이즈를 특성화하기 위하여, 듀얼 SBL들의 주파수 간격은 빠른 포토다이오드를 사용하여 직접 검출되고 전자적으로 프로세싱(이것은 필수적으로 유니티(unity) 분할의 경우임)되도록 충분히 낮은 주파수로 튜닝된다. 검출된 비트 음색은 20 GHz로 설정되고 그 위상 노이즈는 위상 노이즈 분석기(로데 슈바르쯔(Rohde Schwartz, 모델 번호 FSUP26)를 사용하여 측정된다. 상이한 FLC들로부터 SBL 비트 음색의 측정된 단일-측파대(SSB) 위상 노이즈 스펙트럼들은 도 9a에 도시된다(45m FLC: 상단 실곡선; 200m FLC: 중간 실곡선; 500m FLC: 하단 실곡선). 모든 측정된 위상 노이즈 스펙트럼들은 몇 Hz로부터 시작하여 100 kHz를 초과하는 오프셋 주파수들의 넓은 범위에 걸쳐 숄로-타운즈-노이즈-제한 위상 노이즈(
Figure pct00103
종속)를 도시한다. SBL들의 공통-모드 기술적 노이즈는 광학 검출시 비트 음색 신호를 실질적으로 소거한다. 따라서 듀얼 모드 SBL들에서 상대적 주파수 안정성의 위상 노이즈는 근본적 숄로-타운즈 노이즈에 의해 제한되고 2개의 공동-발진 SBL들 사이의 주파수 간격으로 변하지 않는다. 그러므로, 듀얼-모드 SBL들이 더 큰 차이 주파수로 튜닝되므로, 위상 노이즈의 상당한 감소는 광학 주파수 분할 프로세스로부터 발생한다. 광학적-분할 마이크로파-주파수 신호(
Figure pct00104
)는 분할 비(
Figure pct00105
)의 제곱에 의한 광학 위상 노이즈의 감소로부터 이익을 얻는다. 예컨대, N=100의 분할 팩터는 10,000의 위상 노이즈 감소 팩터(또는 20log10N = 40 dB)를 유도할 것이다.
[0063] 추가로, 듀얼-모드 SBL들(임의의 광학 주파수 분할 없이)의 차이 주파수의 측정된 단일-측파대(SSB) 위상 노이즈는 이전 결과들과 비교될 때 이미 개선되었다. 듀얼-모드 SBL 비트 음색의 측정된 위상 노이즈(캐리어: 20 GHz, 오프셋 주파수: 1 kHz)는 도 9a에 도시된 바와 같이, -95 dBc/Hz (45m FLC), -101 dBc/Hz (200m FLC), 및 -105 dBc/Hz (500m FLC)이다. 500m FLC는 약 18 mm의 왕복 길이를 가진 디스크 공진기에 대해 약 -83 dBc/Hz에 비교될 때, 10 kHz 오프셋 주파수에서 약 -125 dBc/Hz를 나타냈다. FLC 길이의 증가로 위상 노이즈의 대략 선형 감소는 공동 모델 볼륨 상 SBL의 숄로-타운즈 노이즈의 알려진 인버스 종속과 조화되어 관찰된다. 우리는 또한 20 GHz 비트 음색의 알란 편차(ADEV)를 측정하였다. 0.2s 내지 1s 게이트 시간 동안, 측정된 부분 ADEV는 약 1x10- 11 이다. 비교하여, 몇몇 이전 작업은 20 미터 FLC로부터 생성된 듀얼-모드 SBL들의 직접 광학 검출에 기초하여, 1 kHz 오프셋 주파수에서 5-20 GHz 비트 음색에 대해 -90 dBc/Hz의 측정된 위상 노이즈를 도시하였다. 다른 작업은 148 MHz 비트 음색에 대해 알란 편차를 도시하였고; 0.2 s 내지 1 s 게이트 시간 동안, 약 1x10-7의 부분 ADEV가 관찰되었다. 본 발명자의 지식에 대해 여기에 리포트된 결과들은 양쪽 간접-비트-음색-생성-기반 마이크로파 소스들 및 광학-주파수-분할-기반 마이크로파 소스들을 포함하는 마이크로파 포토닉스(photonics)에서 낮은-위상-노이즈 마이크로파 생성을 위하여 SBL들의 감소된 숄로-타운즈 노이즈를 초래하였다.
[0064] 마지막으로, 듀얼-모드 SBL 차이 주파수 기준(200m FLC에 기초함)으로부터의 OFD에 기초한 광학-분할 마이크로파 신호들의 예측된 위상 노이즈는 또한 도 9a에 플로팅된다. 점선 상단, 중간, 및 하단 곡선들은 각각 N=33, 100, 및 330의 분할 비들에 대응한다. 광학적 분할 마이크로파 신호의 캐리어 주파수는 10 GHz로 고정된다. 그러므로, 이들 분할 비들은 각각 330 GHz, 1 THz, 및 3.3 THz로 설정된 듀얼-모드 SBL 주파수 간격에 대응한다.
[0065] 도 9a의 예측된 위상 노이즈 레벨들은 레코드 낮은 레벨들을 표현한다. 게다가, SBL 차이 주파수 기준에 기초한 발진기는 값비싼 하드웨어를 요구하지도, 진공 또는 극저온 조건들에서 동작할 필요도 없다. 결과로서, 기술은 레이더, 통신들, 내비게이션 시스템들 같은 다양한 애플리케이션들에서 쉽게 전개될 수 있다.
[0066] 상기에 더하여, 다음 예들은 본 개시 또는 첨부된 청구항들의 범위 내에 속한다:
[0067] 예 1. 출력 주파수(
Figure pct00106
)의 출력 전기 신호를 생성하기 위한 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 마이크로파-주파수 소스는: (a) (i) 제 1 광학 기준 주파수(v1)의 제 1 광학 기준 신호 및 (ii) 제 2 광학 기준 주파수(
Figure pct00107
)의 제 2 광학 기준 신호를 생성하기 위하여 배열된 듀얼 광학-주파수 기준 소스; (b) (i) 상기 주파수(
Figure pct00108
)의 상기 제 1 광학 기준 신호와 상기 제 2 광학 기준 신호 및 측파대 생성기 입력 전기 신호를 수신하고 그리고 (ii) 상기 신호들로부터
Figure pct00109
및
Figure pct00110
형태의 개별 측파대 광학 주파수들의 다수의 측파대 광학 신호들을 생성 ―
Figure pct00111
는 정수들임 ― 하기 위하여 배열된 전기-광학 측파대 생성기; (c) 주파수(
Figure pct00112
)의 상기 측파대 광학 신호 및 주파수(
Figure pct00113
)의 상기 측파대 광학 신호를 포함하는 상기 다수의 측파대 광학 신호들의 서브세트를 송신 ― 여기서
Figure pct00114
는 정수들임 ― 하기 위하여 배열된 광학 측파대 필터; (d) (i) 송신된 측파대 광학 신호들을 수신하고 그리고 (ii) 비트 주파수(
Figure pct00115
)의 광학 검출기 전기 신호를 생성하기 위하여 배열된 광학 검출기; (e) 기준 발진기 주파수(fR)의 기준 발진기 전기 신호를 생성하기 위하여 배열된 기준 발진기; (f) (i) 상기 광학 검출기 전기 신호 및 상기 기준 발진기 전기 신호를 수신하고, (ii) 상기 광학 검출기 전기 신호 및 상기 기준 발진기 전기 신호로부터, 상기 전기 신호의 비교기 부분을 사용하여, 상기 광학 검출기 및 기준 발진기 전기 신호들의 상대적 위상에 따른 전기 에러 신호를 생성하고, 그리고 (iii) 상기 전기 회로의 루프-필터 부분을 사용하여 상기 전기 에러 신호를 프로세싱하기 위하여 배열된 전기 회로; 및 (g) (i) VCO 입력 전기 신호로서 상기 루프-필터링 전기 에러 신호를 수신하고 그리고 (ii) 주파수(
Figure pct00116
)의 VCO 출력 전기 신호를 생성하기 위하여 배열된 전압-제어 전기 발진기를 포함하고, 여기서 상기 VCO 출력 전기 신호의 제 1 부분은 상기 전기-광학 측파대 생성기에 의해 상기 측파대 생성기 입력 전기 신호로서 수신되고 상기 VCO 출력 전기 신호의 제 2 부분은 상기 마이크로파-주파수 소스의 상기 출력 전기 신호를 형성하고, (h) 상기 전기-광학 측파대 생성기에 의해 상기 측파대 생성기 입력 전기 신호로서 상기 VCO 출력 전기 신호의 제 1 부분의 수신은 상기 전기 회로 및 상기 전압-제어 발진기가 위상-잠금 루프(phase-locked loop)로서 기능하도록 네거티브 피드백 어레인지먼트(negative feedback arrangement)에 커플링되게 한다.
[0068] 예 2. 예 1의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 마이크로파-주파수 소스의 상기 출력 전기 신호의 위상 노이즈는 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스의 기준 차이 주파수(
Figure pct00117
)의 기준 차이 주파수 신호의 위상 노이즈에 관하여 약
Figure pct00118
의 팩터(factor)만큼 감소된다.
[0069] 예 3. 예 1 또는 예 2 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 출력 주파수(
Figure pct00119
)는 약 0.3 GHz와 약 300 GHz 사이이다.
[0070] 예 4. 예 1 또는 예 2 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 출력 주파수(
Figure pct00120
)는 약 1 GHz와 약 100 GHz 사이이다.
[0071] 예 5. 예 1-예 4 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 기준 발진기 주파수 및 상기 비트 주파수는 약 1 MHz와 약 500 MHz 사이이다.
[0072] 예 6. 예 1-예 4 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 기준 발진기 주파수 및 상기 비트 주파수는 약 5 MHz와 약 100 MHz 사이이다.
[0073] 예 7. 예 1-예 4 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 기준 발진기 주파수 및 상기 비트 주파수는 약 10 MHz와 약 50 MHz 사이이다.
[0074] 예 8. 예 1-예 7 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 기준 발진기는 수정 발진기, 예컨대 석영 발진기를 포함한다.
[0075] 예 9. 예 1-예 7 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 기준 발진기는 전기 발진기, 예컨대 주파수-합성 발진기를 포함한다.
[0076] 예 10. 예 1-예 9 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 기준 차이 주파수(
Figure pct00121
)는 약 100 GHz보다 크다.
[0077] 예 11. 예 1-예 9 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 기준 차이 주파수(
Figure pct00122
)는 약 1 THz보다 크다.
[0078] 예 12. 예 1-예 9 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 기준 차이 주파수(
Figure pct00123
)는 약 10 THz보다 크다.
[0079] 예 13. 예 1-예 9 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 기준 차이 주파수(
Figure pct00124
)는 약 100 THz보다 크다.
[0080] 예 14. 예 1-예 13 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서,
Figure pct00125
는 10보다 크거나 같다.
[0081] 예 15. 예 1-예 13 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서,
Figure pct00126
는 50보다 크거나 같다.
[0082] 예 16. 예 1-예 13 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서,
Figure pct00127
는 100 보다 크거나 같다.
[0083] 예 17. 예 1-예 13 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서,
Figure pct00128
는 1000보다 크거나 같다.
[0084] 예 18. 예 1-예 17 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소소스로서, 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(
Figure pct00129
및
Figure pct00130
)은 각각 약 75 THz와 약 750 THz 사이이다.
[0085] 예 19. 예 1-예 17 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(
Figure pct00131
및
Figure pct00132
)은 각각 약 120 THz와 약 430 THz 사이이다.
[0086] 예 20. 예 1-예 17 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(
Figure pct00133
및
Figure pct00134
)은 각각 약 150 THz와 약 300 THz 사이이다.
[0087] 예 21. 예 1-예 20 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스는 (i) 동작 가능하게 허용 가능한 광학 기준 대역폭 내에서 기준 차이 주파수(
Figure pct00135
)의 변동들을 유지하거나 또는 (ii) 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨 내에서 기준 차이 주파수 신호의 위상 노이즈를 유지하기 위하여 안정화된다.
[0088] 예 22. 예 21의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 동작 가능하게 허용 가능한 기준 대역폭은 약 1 초 기간에 걸쳐 약 100 Hz 미만이다.
[0089] 예 23. 예 21의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 동작 가능하게 허용 가능한 기준 대역폭은 약 1 초 기간에 걸쳐 약 1 Hz 미만이다.
[0090] 예 24. 예 21의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨은 100Hz 오프셋 주파수(offset frequency)에서 약 -40dBc/Hz 그리고 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz이다.
[0091] 예 25. 예 21의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨은 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz 및 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -125 dBc/Hz이다.
[0092] 예 26. 예 1-예 25 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, (i) 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스는 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들 및 광학 공진기를 포함하고, (ii) 상기 광학 공진기의 프리 스펙트럼 레인지(free spectral range)는 상기 광학 공진기의 브릴리앙 시프트 주파수(Brillouin shift frequency)의 정수 약수와 실질적으로 같고, (iii) 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들 중 각각의 소스는 광학 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠가지고(frequency-locked), 그리고 (iv) 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들은 각각 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들에 의해 동시에 상기 광학 공진기의 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅(stimulated) 브릴리앙 레이저 출력을 포함한다.
[0093] 예 27. 예 26의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 광학 공진기의 상기 프리 스펙트럼 레인지는 상기 광학 공진기의 상기 브릴리앙 시프트 주파수와 실질적으로 동일하다.
[0094] 예28. 예 26 또는 예 27 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 광학 공진기는 실리카를 포함하고 상기 광학 공진기의 상기 브릴리앙 시프트 주파수는 약 10.9 GHz이다.
[0095] 예 29. 예 26-예 28 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 광학 공진기는 링(ring) 광학 공진기를 포함한다.
[0096] 예 30. 예 29의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 링 광학 공진기는 디스크 광학 공진기를 포함한다.
[0097] 예 31. 예 26-예 28 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 광학 공진기는 광섬유 공진기를 포함한다.
[0098] 예 32. 예 31의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 광섬유 공진기는 섬유 패브리-페롯(Fabry-Perot) 광학 공진기를 포함한다.
[0099] 예 33. 예 31의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 광섬유 공진기는 섬유-루프(fiber-loop) 광학 공진기를 포함한다.
[0100] 예 34. 예 26-예 33 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들 중 각각의 소스는 파운드-드레버-홀(Pound-Drever-Hall) 메커니즘에 의해 상기 광학 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨진다.
[0101] 예 35. 예 1-예 25 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스는 듀얼-모드 레이저 소스를 포함한다.
[0102] 예 36. 예 1-예 25 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스는 제 1 및 제 2 기준 레이저 소스들을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 레이저 소스들은 각각 공통 광학 기준 공동의 대응하는 별개의 공진 광학 모드에 주파수-잠겨진다.
[0103] 예 37. 예 1-예 25 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스는 제 1 및 제 2 기준 레이저 소스들을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 레이저 소스들은 각각 대응하는 별개의 원자 전이에 주파수-잠겨진다.
[0104] 예 38. 예 1-예 37 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, (i) 상기 전기-광학 측파대 생성기는 주파수(
Figure pct00136
)의 상기 측파대 생성기 입력 전기 신호의 대응하는 부분에 의해 각각 드라이브(dirve)되는 하나 또는 그 초과의 전기-광학 위상 변조기들을 포함하고, 그리고 (ii) 상기 하나 또는 그 초과의 위상 변조기들은 상기 다수의 광학 측파대 신호들을 생성하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들을 송신하기 위해 배열된다.
[0105] 예 39. 예 1-예 37 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, (i) 상기 전기-광학 측파대 생성기는 주파수(
Figure pct00137
)의 상기 측파대 생성기 입력 전기 신호의 대응하는 부분에 의해 각각 드라이브되는 2 또는 그 초과의 전기-광학 위상 변조기들을 포함하고, 그리고 (ii) 상기 2 또는 그 초과의 위상 변조기들은 상기 다수의 광학 측파대 신호들을 생성하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들을 순차적으로 송신하기 위해 직렬로 배열된다.
[0106] 예 40. 예 38 또는 예 39 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 측파대 광학 신호들의 쌍들은 2로부터 적어도 30까지 범위의
Figure pct00138
로 생성된다.
[0107] 예 41. 예 38 또는 예 39 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 측파대 광학 신호들의 쌍들은 2로부터 적어도 100까지 범위의
Figure pct00139
으로 생성된다.
[0108] 예 42. 예 1-예 41 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소소스로서, (i) 상기 전기-광학 측파대 생성기는 주파수(
Figure pct00140
)의 상기 측파대 생성기 입력 전기 신호의 대응하는 부분에 의해 각각 드라이브되는 하나 또는 그 초과의 전기-광학 위상 변조기들, 주파수(
Figure pct00141
)의 상기 측파대 생성기 입력 전기 신호의 대응하는 부분에 의해 드라이브되는 강도 변조기, 분산 보상기, 광학 증폭기, 및 비선형 광학 매체를 포함하고, 그리고 (ii) 상기 하나 또는 그 초과의 위상 변조기들, 상기 강도 변조기, 상기 분산 보상기, 상기 광학 증폭기, 및 상기 비선형 광학 매체는 상기 다수의 광학 측파대 신호들을 생성하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들을 순서적으로 순차적으로 송신하기 위하여 직렬로 배열된다.
[0109] 예 43. 예 38-예 42 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소소스로서, 측파대 광학 신호들의 쌍들은 2로부터 적어도 100까지의 범위의
Figure pct00142
로 생성된다.
[0110] 예 44. 예 38-예 42 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소소스로서, 측파대 광학 신호들의 쌍들은 2로부터 적어도 10000까지의 범위의 로 생성된다.
[0111] 예 45. 예 42-예 44 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, (i) 상기 강도 변조기는 전기-광학 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 변조기를 포함하고, (ii) 상기 분산 보상기는 적당히 분산된 광섬유를 포함하고, (iii) 상기 광학 증폭기는 도핑된 광섬유 증폭기를 포함하고 그리고 (iv) 상기 비선형 광학 매체는 비선형 광섬유를 포함한다.
[0112] 예 46. 예 1-예 45 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스를 사용하여, 출력 주파수(
Figure pct00144
)의 마이크로파-주파수 출력 전기 신호를 생성하기 위한 방법으로서, 상기 방법은: (a) 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스를 사용하여, (i) 제 1 광학 기준 주파수(v1)의 제 1 광학 기준 신호 및 (ii) 제 2 광학 기준 주파수(
Figure pct00145
)의 제 2 광학 기준 신호를 생성하는 단계; (b) 상기 전기-광학 측파대 생성기를 사용하여, (i) 주파수(
Figure pct00146
)에서의 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 신호들 및 측파대 생성기 입력 전기 신호를 수신하고 그리고 (ii) 상기 신호들로부터,
Figure pct00147
및
Figure pct00148
형태의 개별 측파대 광학 주파수들에서 다수의 측파대 광학 신호들을 생성하는 단계 ― 여기서, n1 및 n2는 정수들임 ―; (c) 광학 대역통과 필터를 사용하여, 주파수(
Figure pct00149
)의 측파대 광학 신호 및 주파수(
Figure pct00150
)의 측파대 광학 신호를 포함하는 다수의 측파대 광학 신호들의 서브세트를 송신하는 단계 ― 여기서 N1 및 N2는 정수들임 ―; (d) 상기 광학 검출기를 사용하여, (i) 송신된 측파대 광학 신호들을 수신하고 그리고 (ii) 비트(beat) 주파수(
Figure pct00151
)의 광학 검출기 전기 신호를 생성하는 단계; (e) 상기 기준 발진기를 사용하여, 상기 기준 발진기 주파수(fR)의 상기 기준 발진기 전기 신호를 생성하는 단계; (f) 상기 전기 회로를 사용하여, (i) 상기 광학 검출기 전기 신호 및 상기 기준 발진기 전기 신호를 수신하고, (ii) 상기 전기 회로의 비교기 부분을 사용하여, 상기 광학 검출기 전기 신호 및 상기 기준 발진기 전기 신호로부터, 상기 광학 검출기 및 기준 발진기 전기 신호들의 상대적 위상에 따르는 전기 에러 신호를 생성하고, 그리고 (iii) 상기 전기 회로의 루프-필터 부분을 사용하여, 상기 전기 에러 신호를 프로세싱하는 단계; 및 (g) 상기 전압-제어 전기 발진기를 사용하여, (i) VCO 입력 전기 신호로서 상기 루프-필터링 전기 에러 신호를 수신하고 그리고 (ii) 주파수(
Figure pct00152
)의 상기 VCO 출력 전기 신호를 생성하는 단계 ― 여기서 상기 VCO 출력 전기 신호의 제 1 부분은 상기 전기-광학 측파대 생성기에 의해 측파대 생성기 입력 전기 신호로서 수신되고 상기 VCO 출력 전기 신호의 제 2 부분은 상기 마이크로파-주파수 출력 전기 신호를 형성함 ― 를 포함하고, (h) 상기 전기-광학 측파대 생성기에 의해 상기 측파대 생성기 입력 전기 신호로서 상기 VCO 출력 전기 신호의 제 1 부분의 수신은 상기 전기 회로 및 상기 전압-제어 발진기가 위상-잠금 루프로서 기능하기 위하여 네거티브 피드백 어레인지먼트에 커플링되게 한다.
[0113] 예 47. 듀얼-주파수 광학 소스로서: (a) 개별 제 1 및 제 2 펌프 레이저 주파수들(
Figure pct00153
및
Figure pct00154
)의 광학 펌프 파워를 생성하도록 배열된 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들; 및 (b) 브릴리옹 시프트 주파수(
Figure pct00155
) 및 상기 브릴리옹 시프트 주파수의 정수 약수에 실질적으로 동일한 프리 스펙트럼 레인지(FSR: free spectral range)에 의해 특성화되는 광학 공진기를 포함하고, 여기서: (c) 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들의 각각의 소스는 상기 광학 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨지고; (d) 개별 제 1 및 제 2 출력 주파수들(
Figure pct00156
및
Figure pct00157
)의 듀얼-주파수 광학 기준 소스의 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들은 각각 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들에 의해 광학 공진기의 동시 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅(stimulated) 브릴리옹 레이저 출력을 포함하고; 그리고 (e) 출력 차이 주파수(
Figure pct00158
)는 약 300 GHz보다 크다.
[0114] 예 48. 예 47의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광학 공진기의 상기 프리 스펙트럼 레인지는 상기 광학 공진기의 상기 브릴리옹 시프트 주파수와 실질적으로 동일하다.
[0115] 예 49. 예 47 또는 예 48 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광학 공진기는 링 광학 공진기를 포함한다.
[0116] 예 50. 예 49의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 링 광학 공진기는 디스크 광학 공진기를 포함한다.
[0117] 예 51. 예 47 또는 예 48 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광학 공진기는 광섬유 공진기를 포함한다.
[0118] 예 52. 예 51의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광섬유 공진기는 섬유 패브리-페롯 광학 공진기를 포함한다.
[0119] 예 53. 예 51의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광섬유 공진기는 섬유-루프 광학 공진기를 포함한다.
[0120] 예 54. 예 51-예 53 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광섬유 공진기는 약 40 미터 길이보다 크거나 같은 광섬유를 포함한다.
[0121] 예 55. 예 51-예 53 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광섬유 공진기는 약 100 미터 길이보다 크거나 같은 광섬유를 포함한다.
[0122] 예 56. 예 51-예 53 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광섬유 공진기는 약 200 미터 길이보다 크거나 같은 광섬유를 포함한다.
[0123] 예 57. 예 51-예 53 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광섬유 공진기는 약 500 미터 길이보다 크거나 같은 광섬유를 포함한다.
[0124] 예 58. 예 47-예 57 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 광학 공진기는 실리카를 포함하고 상기 광학 공진기의 상기 브릴리옹 시프트 주파수는 약 10.9 Ghz이다.
[0125] 예 59. 예 47-예 58 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 출력 차이 주파수(
Figure pct00159
)는 약 1 THz보다 크다.
[0126] 예 60. 예 47-예 58 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 출력 차이 주파수(
Figure pct00160
)는 약 10 THz보다 크다.
[0127] 예 61. 예 47-예 58 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 출력 차이 주파수(
Figure pct00161
)는 약 100 THz보다 크다.
[0128] 예 62. 예 47-예 61 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(
Figure pct00162
및
Figure pct00163
)은 각각 약 75 THz와 약 750 THz 사이이다.
[0129] 예 63. 예 47-예 61 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(
Figure pct00164
및
Figure pct00165
)은 각각 약 120 THz와 약 430 THz 사이이다.
[0130] 예 64. 예 47-예 61 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(
Figure pct00166
및
Figure pct00167
)은 각각 약 150 THz와 약 300 THz 사이이다.
[0131] 예 65. 예 47-예 64 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 듀얼-주파수 광학 소스는 (i) 동작 가능하게 허용 가능한 광학 대역폭 내에서 상기 출력 차이 주파수(
Figure pct00168
)의 변동들을 유지하거나 또는 (ii) 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨 내에서 상기 출력 차이 주파수의 광학 신호의 위상 노이즈를 유지하도록 안정화된다.
[0132] 예 66. 예 65의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 동작 가능하게 허용 가능한 대역폭은 약 1 초 기간에 걸쳐 약 100 Hz보다 작다.
[0133] 예 67. 예 65의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 동작 가능하게 허용 가능한 대역폭은 약 1 초 기간에 걸쳐 약 1 Hz보다 작다.
[0134] 예 68. 예 65의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨은 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -40dBc/Hz 및 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz이다.
[0135] 예 69. 예 65의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨은 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz 및 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -125 dBc/Hz이다.
[0136] 예 70. 예 65-예 69 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스로서, 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들의 각각의 소스는 파운드-드레버-홀 메커니즘에 의해 상기 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨진다.
[0137] 예 71. 예 47-예 70 중 어느 하나를 사용하여 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들을 생성하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들로부터의 광학 펌프 파워로 상기 광학 공진기를 동시에 펌핑하는 단계를 포함하고, 여기서: (a) 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들은 개별 제 1 및 제 2 펌프 레이저 주파수들(
Figure pct00169
및
Figure pct00170
)의 광학 펌프 파워를 생성하도록 배열되고; (b) 상기 광학 공진기는 브릴리옹 시프트 주파수 및 상기 브릴리옹 시프트 주파수의 정수 약수에 실질적으로 동일한 프리 스펙트럼 레인지에 의해 특성화되고, (c) 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들의 각각의 소스는 상기 광학 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨지고; (d) 상기 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들은 각각 제 1 및 제 2 출력 주파수들(
Figure pct00171
및
Figure pct00172
)이고 각각 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들에 의해 광학 공진기의 동시 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅 브릴리옹 레이저 출력을 포함하고; 그리고 (e) 출력 차이 주파수(
Figure pct00173
)는 약 300 GHz보다 크다.
[0138] 예 72. 예 71의 방법으로서, 광학 주파수 분할기를 사용하여, 분할 팩터(N)에 의해 상기 출력 차이 주파수를 분할하는 단계를 더 포함한다.
[0139] 예 73. 예 72의 방법으로서, 상기 분할 팩터는 약 10보다 크거나 같다.
[0140] 예 74. 예 72의 방법으로서, 상기 분할 팩터는 약 100보다 크거나 같다.
[0141] 예 75. 예 72의 방법으로서, 상기 분할 팩터는 약 1000보다 크거나 같다.
[0142] 예 76. 예 1-예 45 중 어느 하나의 마이크로파-주파수 소스로서, 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스는 예 47-예 70 중 어느 하나의 듀얼-주파수 광학 소스를 포함한다.
[0143] 예 77. 예 46의 방법으로서, 상기 듀얼 광학-주파수 기준 소스는 예 47-예 70 중 어느 하나의 상기 듀얼-주파수 광학 소스를 포함한다.
[0144] 예 78. 예 77의 방법으로서, 예 71-예 75 중 어느 하나의 방법을 수행하는 단계를 더 포함한다.
[0145] 개시된 예시적 실시예들 및 방법들의 등가물들이 본 개시내용 또는 첨부된 청구항들의 범위 내에 속할 것이라는 것이 의도된다. 개시된 예시적 실시예들 및 방법들, 및 이들의 등가물들이 본 개시내용 또는 첨부된 청구항들의 범위 내에 유지되면서 수정될 수 있다는 것이 의도된다.
[0146] 상기 상세한 설명에서, 다양한 피처들은 본 개시내용의 간소화의 목적을 위하여 몇몇 예시적 실시예들에서 함께 그룹화될 수 있다. 본 개시내용의 방법은 대응하는 청구항에서 명확하게 나열된 많은 피처들을 임의의 청구된 실시예가 요구하는 의도를 반영하는 것으로 해석되지 않을 것이다. 오히려, 첨부된 청구항들이 반영할 때, 본 청구 대상은 단일 개시된 예시적 실시예의 모든 피처들보다 작게 있을 수 있다. 따라서, 첨부된 청구항들은 이로써 상세한 설명에 통합되고, 각각의 청구항은 단독으로 별개의 개시된 실시예로서 주장한다. 그러나, 본 개시내용은 또한 본원에 명시적으로 개시되지 않을 수 있는 피처들의 세트들을 포함하여, 본 개시내용 또는 첨부된 청구항들에 나타나는 하나 또는 그 초과의 개시되거나 청구된 피처들의 임의의 적당한 세트(즉, 호환 가능하지도 상호 배타적이지도 않은 피처들의 세트)를 가지는 임의의 실시예를 암시적으로 개시하는 것으로서 이해될 수 있다. 게다가, 개시의 목적을 위하여, 첨부된 종속항들 각각은, 마치 다수의 종속 형태로 및 일치하지 않은 모든 선행 청구항들에 종속하게 기록된 것으로 이해될 것이다. 첨부된 청구항들의 범위가 본원에 개시된 청구 대상의 전체를 반드시 포함하지 않는 것이 추가로 주의되어야 한다.
[0147] 본 개시내용 및 첨부된 청구항들의 목적들을 위하여, 접속사 "또는"은, (i) 예컨대, "어느 하나...또는", "단지 하나", 또는 유사한 언어의 사용에 의해 다르게 명시적으로 언급되지 않으면; 또는 (ii) 나열된 대안들 중 2 또는 그 초과가 상기 경우에 특정 환경 내에서 상호 배타적이거나 "또는" 비-상호적-배타적 대안들을 포함하는 이들 결합들만을 포함하지 않으면 포괄적으로 이해될 것이다(예컨대, "개 또는 고양이"는 "개, 또는 고양이, 또는 둘 다"로서 해석될 것이고; "개, 고양이, 또는 쥐"는 "개, 또는 고양이, 또는 쥐, 또는 단지 둘, 또는 모두 3개"로서 해석될 것임). 본 개시내용 및 첨부된 청구항들의 목적들을 위하여, 단어들 "포함하는", "포함하는", "가지는" 및 이들의 변형들은, 그들이 나타나는 모든 곳 어디에서든, 열린 결말 용어들로서 해석될 것이고, 이는 명시적으로 다르게 언급되지 않으면, 어구 "적어도"가 그들의 각각의 예 이후 첨부되는 것과 동일한 의미를 가진다.
[0148] 첨부된 청구항들에서, 35 USC § 112(f)의 조항들이 장치 청구항에서 예를 들어지도록 원해지면, 용어 "수단"은 그 장치 청구항에 나타날 것이다. 이들 조항들이 방법 청구항에서 예를 들어지도록 원해지면, 단어들 "~위한 단계들"은 그 방법 청구항에 나타날 것이다. 반대로, 단어들 "수단" 또는 "~를 위한 단계"가 청구항에 나타나지 않으면, 35 USC § 112(f)의 조항들은 그 청구항을 위하여 예를 들어지려고 의도되지 않는다.
[0149] 임의의 하나 또는 그 초과의 개시들이 인용에 의해 본원에 통합되고 그런 통합된 개시내용들이 본 개시와 부분적으로 또는 전체적으로 충돌하거나, 범위가 상이하면, 충돌 범위, 더 넓은 개시내용, 또는 더 넓은 용어들의 정의까지, 본 개시가 제어된다. 그런 통합된 개시내용들이 서로 부분적으로 또는 전체적으로 충돌하면, 충돌 범위까지, 이후-날짜 개시내용은 제어된다.
[0150] 요약서는 특허 문헌 내의 특정 청구 대상을 찾기 위한 것에 대한 도움으로서 요구되는 바와 같이 제공된다. 그러나, 요약서는 본원에 열거된 임의의 엘리먼트들, 피처들, 또는 제한들이 임의의 특정 청구항에 의해 반드시 포함되는 것을 의미하도록 의도되지 않는다. 각각의 청구항에 의해 포함된 청구 대상의 범위는 단지 그 청구항의 인용에 의해만 결정될 것이다.

Claims (29)

  1. 듀얼-주파수 광학 소스로서,
    각각 제 1 및 제 2 펌프 레이저 주파수들(
    Figure pct00174
    및
    Figure pct00175
    )에서 광학 펌프 파워를 생성하기 위하여 배열된 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들; 및
    (b) 브릴루앙(Brillouin) 시프트 주파수(
    Figure pct00176
    ) 및 상기 브릴루앙 시프트 주파수의 정수 약수와 실질적으로 동일한 프리 스펙트럼 레인지(free spectral range)에 의해 특징지어지는 광학 공진기
    를 포함하고, 여기서:
    (c) 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들 중 각각 하나는 상기 광학 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨지고;
    (d) 각각 제 1 및 제 2 출력 주파수들(
    Figure pct00177
    및
    Figure pct00178
    )에서 상기 듀얼-주파수 광학 기준 소스의 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들은 각각 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들에 의해 상기 광학 공진기의 동시 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅된(stimulated) 브릴리앙 레이저 출력을 포함하고,
    (e) 출력 차이 주파수(
    Figure pct00179
    )는 약 300 GHz보다 큰,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 공진기의 상기 프리 스펙트럼 레인지는 상기 광학 공진기의 브릴루앙 시프트 주파수와 실질적으로 동일한,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 공진기는 링 광학 공진기를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 링 광학 공진기는 디스크 광학 공진기를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 공진기는 광섬유 공진기를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광섬유 공진기는 광섬유 패브리-페롯(Fabry-Perot) 광학 공진기를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 광섬유 공진기는 광섬유-루프 공진기를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 광섬유 공진기는 약 40 미터 길이보다 크거나 같은 광섬유를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 광섬유 공진기는 약 100 미터 길이보다 크거나 같은 광섬유를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 광섬유 공진기는 약 200 미터 길이보다 크거나 같은 광섬유를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 광섬유 공진기는 약 500 미터 길이보다 크거나 같은 광섬유를 포함하는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 공진기는 실리카를 포함하고 상기 광학 공진기의 상기 브릴루앙 시프트 주파수는 약 10.9 GHz인,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 차이 주파수(
    Figure pct00180
    )는 약 1 THz보다 큰,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 차이 주파수(
    Figure pct00181
    )는 약 10 THz보다 큰,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 차이 주파수(
    Figure pct00182
    )는 약 100 THz보다 큰,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(v1 및 v2)은 각각 약 75 THz와 약 750 THz 사이인,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(v1 및 v2)은 각각 약 120 THz와 약 430 THz 사이인,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광학 기준 주파수들(v1 및 v2)은 각각 약 150 THz와 약 300 THz 사이인,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀얼-주파수 광학 소스는 (ⅰ) 출력 차이 주파수(
    Figure pct00183
    )의 변동들을 동작 가능하게 허용 가능한 광학 대역폭 내에서 유지하거나 (ⅱ) 출력 차이 주파수의 광학 신호의 위상 노이즈를 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨 내에서 유지하기 위하여 안정화되는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 동작 가능하게 허용 가능한 대역폭은 약 1 초 기간에 걸쳐 약 100 Hz보다 작은,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 동작 가능하게 허용 가능한 대역폭은 약 1 초 기간에 걸쳐 약 1 Hz보다 작은,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨은 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -40dBc/Hz 및 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz인,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 동작 가능하게 허용 가능한 기준 위상 노이즈 레벨은 100Hz 오프셋 주파수에서 약 -80dBc/Hz 및 10kHz 오프셋 주파수에서 약 -125 dBc/Hz인,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들의 각각 하나는 파운드-드레버-홀(Pound-Drever-Hall) 메커니즘에 의해 상기 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨지는,
    듀얼-주파수 광학 소스.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항의 듀얼-주파수 광학 소스를 사용하여, 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들을 생성하기 위한 방법으로서,
    제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들로부터의 광학 펌프 파워로 광학 공진기를 동시에 펌핑하는 단계를 포함하고, 여기서:
    (a) 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들은 각각 제 1 및 제 2 펌프 레이저 주파수들(
    Figure pct00184
    및
    Figure pct00185
    )에서 광학 펌프 파워를 생성하도록 배열되고;
    (b) 상기 광학 공진기는 브릴루앙 시프트 주파수() 및 상기 브릴루앙 시프트 주파수의 정수 약수와 실질적으로 동일한 프리 스펙트럼 레인지에 의해 특징지어지고;
    (c) 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들 중 각각 하나는 상기 광학 공진기의 대응하는 공진 광학 모드에 주파수-잠겨지고;
    (d) 상기 제 1 및 제 2 광학 출력 신호들은 각각 제 1 및 제 2 출력 주파수들(
    Figure pct00187
    및
    Figure pct00188
    )이고 각각 상기 제 1 및 제 2 펌프 레이저 소스들에 의해 상기 광학 공진기의 동시 광학 펌핑에 의해 생성된 스티뮬레이팅된 브릴리앙 레이저 출력을 포함하고; 그리고
    (e) 출력 차이 주파수(
    Figure pct00189
    )는 약 300 GHz보다 큰,
    제 1 및 제 2 광학 출력 신호들을 생성하기 위한 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    광학 주파수 분할기를 사용하여, 상기 출력 차이 주파수를 분할 팩터(factor) N에 의해 분할하는 단계를 더 포함하는,
    제 1 및 제 2 광학 출력 신호들을 생성하기 위한 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 분할 팩터는 약 10보다 크거나 같은,
    제 1 및 제 2 광학 출력 신호들을 생성하기 위한 방법.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 분할 팩터는 약 100보다 크거나 같은,
    제 1 및 제 2 광학 출력 신호들을 생성하기 위한 방법.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 분할 팩터는 약 1000보다 크거나 같은,
    제 1 및 제 2 광학 출력 신호들을 생성하기 위한 방법.
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