TWI701881B - 空腔穩定化雷射漂移補償技術 - Google Patents
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Abstract
本文中大體上論述了用於提供一頻率穩定化光學頻率梳之系統、裝置及方法,其包括:使該光學頻率梳頻率穩定至經頻率穩定至一光學參考空腔之一雷射;自該光學頻率梳產生一低頻電信號;比較該產生之低頻電信號與一參考低頻電信號;基於比較結果來判定一光學參考空腔漂移;以及接著回應於判定之該光學參考空腔漂移來調整該雷射之一頻率。
Description
本文中所論述之實施例係關於用於在一光學頻率梳系統中提供空腔穩定化雷射漂移補償之裝置、系統及方法。
在某些系統中,光學頻率梳在短時間標度(例如,小於一秒之時間標度)內可具有極低的相位雜訊。光學頻率梳可具有慢漂移,諸如可歸因於可用以使光學頻率梳穩定之空腔穩定化雷射的漂移。慢漂移可影響效能。
根據一實施例,一種用於提供一頻率穩定化光學頻率梳之方法可包括使該光學頻率梳頻率穩定至經頻率穩定至一光學參考空腔之一雷射。該方法亦可包括自該光學頻率梳產生一低頻電信號。該方法亦可包括比較該產生之低頻電信號與一參考低頻電信號。該方法亦可包括基於比較結果來判定一光學參考空腔漂移。該方法亦可包括接著回應於判定之該光學參考空腔漂移來調整該雷射之一頻率。該
方法亦可包括使用一卡爾曼濾波器來判定該光學參考空腔漂移。該方法亦可包括使用該卡爾曼濾波器來估計一時脈時間誤差及一時脈振盪週期誤差。該方法亦可包括使用該卡爾曼濾波器來估計與一個二階漂移模型相關聯的所有狀態。該方法亦可包括量測至少一個電組件之一方差及將量測之該方差作為一參數提供至該卡爾曼濾波器。該方法亦可包括以大於該低頻電信號之頻率的一第一速率調整該雷射之一頻率。產生該低頻電信號可包括藉由光學分割來產生一射頻信號,且接著基於產生之該射頻信號來產生該低頻電信號。該低頻電信號及參考電信號可包括每秒一個脈衝之一信號。該方法亦可包括使用一內部控制迴路來將一時脈振盪週期誤差調整為零。該方法亦可包括使用一外部控制迴路來將一時脈時間誤差調整為零。
根據另一實施例,一種用於提供一頻率穩定化光學頻率梳之系統可包括一光學頻率梳。該系統亦可包括一光學參考空腔,其係組配來接收一雷射束且將接收之該雷射束的一部分提供至該光學頻率梳。該系統亦可包括一頻率產生單元,其係組配來自該光學頻率梳產生一低頻電信號。該系統亦可包括一控制器,其係組配來:比較該產生之低頻電信號與一參考電信號;基於比較結果來判定一光學參考空腔漂移;以及接著回應於判定之該光學參考空腔漂移來調整該雷射之一頻率。該控制器可組配來實施一卡爾曼濾波器以估計該光學參考空腔漂移。該控制器可組配來實施該卡爾曼濾波器以估計一時脈時間誤差及一時
脈振盪週期誤差。該控制器可組配來實施該卡爾曼濾波器以估計與一個二階漂移模型相關聯的所有狀態。該控制器可組配來接收至少一個電組件之一方差的一量測且將該方差的該量測作為一參數提供至該卡爾曼濾波器。該控制器可組配來以大於該低頻電信號之頻率的一第一速率調整該雷射之一頻率。該控制器可組配來產生一射頻信號,且接著基於產生之該射頻信號來產生該低頻電信號。該低頻電信號及該參考電信號可包括每秒一個脈衝之一信號。該系統亦可包括用以將一時脈振盪週期誤差調整為零的一內部控制迴路。該系統亦可包括用以將一時脈時間誤差調整為零的一外部控制迴路。
100:精密光子振盪器
110:空腔參考單元
112:雷射
114:頻率調整器
116:光學參考空腔
120:飛秒雷射
122:光學分頻器
130:頻率產生單元
140:命令及控制電子裝置
142:1PPS產生電路
144:時脈時間誤差電路
146:估計器
146a:時脈誤差狀態更新器
146b:時脈誤差估計器
148、148a:控制器
148b:光學頻移計算器
200:控制架構
210:外部迴路控制器
212:命令信號
220:內部迴路控制器
230、240:積分器
410、430:第一跡線
420、440:第二跡線
510、520、530、540、550:步驟
900:機器
902:處理電路
904:主記憶體
906:靜態記憶體
908:匯流排
910:視訊顯示單元
912:文書字輸入裝置
914:使用者介面(UI)導覽裝置
916:磁碟機或大容量儲存單元
918:信號產生裝置
920:網路介面裝置
921:感測器
924:指令
926:通訊網路
928:輸出控制器
te:時脈時間誤差
Δte、Δτe、Δa、Δb:經更新之時脈誤差狀態
τe:時脈振盪週期誤差
τc:時脈振盪週期
τs:控制輸入
在不一定按比例繪製之圖式中,相似數字在不同視圖中可描述類似組件。具有不同字母後綴之相似數字可表示類似組件之不同例項。圖式總體上說明(舉例而言但不限於)本發明文件中所論述之各種實施例或實例。
圖1藉助於實例說明用於提供穩定化光學頻率梳之精密光子振盪器
圖2A藉助於實例說明光學頻率梳系統中之估計器及控制器。
圖2B藉助於實例說明控制器之控制架構。
圖3藉助於實例說明卡爾曼濾波器之誤差狀態的模擬結果。
圖4A及圖4B藉助於實例說明隨時間變化
的時脈時間誤差及時脈時間誤差之估計。
圖5藉助於實例說明精密光子振盪器之操作方法。
圖6藉助於實例說明可實施如本文中所論述之方法中之一或多者的機器之實施例的方塊圖。
本發明中之實施例大體上係關於空腔穩定化雷射漂移補償。
在一光學頻率梳可經穩定至一光學參考空腔的某些系統中,光學參考空腔中之漂移,諸如機械漂移或熱漂移,可導致光學頻率梳之效能降低。發明人已尤其認識到,有可能估計光學參考空腔中之漂移,諸如藉由使光學頻率梳穩定至參考1PPS信號。回饋電路可調整系統參數以補償光學參考空腔中之估計漂移。
圖1說明用於提供穩定化光學頻率梳之精密光子振盪器100的實例。該系統可包括空腔參考單元110、飛秒雷射120、頻率產生單元130以及命令及控制電子裝置140。空腔參考單元110可包括雷射112、頻率調整器114及光學參考空腔116。雷射112可為連續波雷射,包括但不限於光纖雷射、二極體雷射、氣體雷射以及固態雷射。光學參考空腔116可為超低膨脹空腔,且可具有任何合適的構造或組態,包括例如一塊超低膨脹玻璃。頻率調整器114可包括電光調變器。飛秒雷射120可包括
光學分頻器122。命令及控制電子裝置140可包括1PPS產生電路142、時脈時間誤差電路144、估計器146以及控制器148。
在操作期間,雷射112之頻率可經調整,諸如以將雷射112之頻率調諧至光學參考空腔116之共振。由雷射112發出之雷射束的頻率可藉由頻率調整器114來調整。光學參考空腔116可接收由雷射112發出之雷射束且可將接收之雷射束的透射部分提供至飛秒雷射120。由雷射112發出之雷射束之一部分可由光學參考空腔116反射,且雷射束之反射部分可用以藉由使用例如龐德-德雷弗霍爾(Pound-Drever-Hall)方法使發出雷射束之頻率穩定。光學分頻器122可接收由光學參考空腔提供的雷射束之一部分,且可例如藉由使光學頻率梳之一個梳線穩定至接收之雷射束而使由飛秒雷射120產生之光學頻率梳穩定至接收之雷射束。頻率產生單元130可接收由飛秒雷射120產生之光學頻率梳之一部分。該頻率產生單元可基於光學頻率梳之接收部分而產生射頻信號。在一實例中,該頻率產生單元可基於光學頻率梳之接收部分而產生10MHz射頻信號。該射頻信號可提供至1PPS產生電路,且1PPS產生電路可基於其而產生1PPS信號。可藉由時脈時間誤差電路144將1PPS信號與參考1PPS信號進行比較。在一實例中,1PPS參考信號可由區域銣振盪器提供。時脈時間誤差電路144可產生由1PPS產生電路提供的1PPS信號與參考1PPS信號之間的時間差量測,且可
將該時間差量測提供至估計器電路146。估計器電路146可基於接收之時間差量測來估計光學參考空腔116中之漂移。估計器電路146可將光學參考空腔中之估計漂移提供至控制器148。該控制器可指示頻率調整器114調整由雷射112發出之雷射束的頻率,以補償光學參考空腔中之估計漂移。卡爾曼濾波器可藉由估計器電路146來實施且可用以模擬誤差動態。因為動態可為線性且時間不變的,所以不同於傳統導覽問題,卡爾曼濾波器可為穩態卡爾曼濾波器。
圖2A說明如圖1中所說明的估計器146及控制器148之實例。估計器146可包括時脈誤差狀態更新器146a及時脈誤差估計器146b。控制器148可包括控制器148a及光學頻移電腦148b。在操作期間,時脈誤差狀態更新器146a可諸如自時脈時間誤差電路144接收時脈時間誤差。時脈時間誤差可表示參考1PPS信號與由1PPS產生電路142提供之1PPS信號之間的差。時脈誤差狀態更新器146a亦可自時脈誤差估計器146b接收時脈時間誤差t e 之估計。時脈誤差狀態更新器146a可基於接收之輸入來更新該等時脈誤差狀態,且可將經更新之時脈誤差狀態提供至時脈誤差估計器146b。時脈誤差估計器146b可接收該等經更新之時脈誤差狀態Δt e 、Δτ e 、Δa、Δb,且可提供經更新之時脈時間誤差t e 及基於其之時脈振盪週期誤差τ e 。控制器148a可判定控制輸入τ s 之值,其可提供對時脈振盪週期之調整,諸如以抵消如控制器148a所判定的光
學參考空腔之漂移。控制輸入τ s 之值可接著轉換為光學頻移之值。
圖2B說明用於調節如藉由上文所述的卡爾曼濾波器判定之時脈時間及時脈振盪週期之控制器(諸如控制器148)的控制架構之實例。控制架構200可包括外部迴路控制器210、內部迴路控制器220、積分器230以及積分器240。在操作期間,至外部迴路控制器210之輸入可包括時脈時間誤差t e 之估計。命令信號212可用以將時脈時間誤差te驅動至零。外部迴路控制器210可接收時脈時間誤差t e 之估計。外部迴路控制器210之輸出可提供至內部迴路控制器220之輸入端。命令信號222可用以將時脈振盪週期誤差τ e 驅動至零。內部迴路控制器220可接收時脈振盪週期誤差τ e 之估計。內部迴路控制器220之輸出可包括時脈振盪週期τc之變化。積分器230及240可將時脈振盪器週期之變化轉換為光學頻率之變化。光學頻率之經判定變化可用以調整由雷射112發出之光束的頻率,以補償例如光學參考空腔116中之漂移。
圖3說明卡爾曼濾波器之誤差狀態的模擬結果,諸如由時脈誤差狀態更新器146a更新之彼等誤差狀態。第一誤差狀態x1可對應於時脈時間誤差t e ,第二誤差狀態x2可對應於時脈振盪週期誤差τ e ,第三誤差狀態x3可對應於二階漂移項a,且第四誤差狀態x4亦可對應於二階漂移項b。在時脈誤差狀態更新器146a之操作期間,時脈時間誤差te之誤差可基於由1PPS產生電路提供之1PPS
信號與參考1PPS信號之間的時間差量測來判定。時脈振盪週期誤差τe之誤差、二階漂移項a及二階漂移項b亦可基於由1PPS產生電路提供之1PPS信號與參考1PPS信號之間的時間差量測來判定。時脈振盪週期誤差τe、二階漂移項a及二階漂移項b之估計的誤差可在由1PPS產生電路提供之1PPS信號與參考1PPS信號之間的時間差量測之若干次更新之後收斂至零。即使在由1PPS產生電路提供之1PPS信號與參考1PPS信號之間的時間差量測之若干次更新之後,時脈時間誤差te可繼續波動。在一實例中,時脈誤差狀態更新器146a可以一第一速率進行更新,且時脈誤差估計器146b可以一第二速率進行更新,其中該第二速率可比該第一速率快。在一實例中,時脈誤差狀態更新器146a可以近似1Hz之一速率進行更新,且時脈誤差估計器146b可以近似10Hz之一速率進行更新。與1PPS產生電路142相關聯之電雜訊可作為一參數輸入至卡爾曼濾波器中。舉例而言,原子振盪器之量測誤差方差、電子緩衝器之量測誤差方差、相位偵測器之量測誤差方差及/或類比至數位轉換器之量測誤差可作為參數提供至卡爾曼濾波器。與時脈動態中之四個狀態中之每一者相關聯的程序雜訊可作為一參數輸入至卡爾曼濾波器中。舉例而言,第一時脈緩衝器之程序雜訊方差、正反器之程序雜訊方差及/或第二時脈緩衝器之程序雜訊方差可作為參數提供至卡爾曼濾波器,以描述與時脈時間相關聯的程序雜訊。在另一實例中,與10MHz輸出中之抖動相關聯的程序雜訊
方差可作為一參數提供至卡爾曼濾波器,以描述與時脈振盪週期相關聯之程序雜訊。
圖4A及圖4B說明隨時間變化的時脈時間誤差及時脈時間誤差之估計的實例。在圖4A中所示之實例中,回饋可啟用,且頻率調整器114可調整由雷射112發出之雷射束的頻率,以補償光學參考空腔中之估計漂移。在圖4B中所示之實例中,回饋可停用,且光學參考空腔中之估計漂移可保持未補償。圖4A說明隨時間變化的時脈時間誤差之實例。在第一跡線410中,時脈時間誤差可基於由1PPS產生電路提供之1PPS信號與參考1PPS信號之間的時間差量測來判定。在第二跡線420中,時脈時間誤差可藉由卡爾曼濾波器來估計,諸如藉由估計器電路146所實施之估計。第二跡線420可緊密地匹配第一跡線410。基於估計之時脈時間誤差,控制器148可指示頻率調整器114調整由雷射112發出之雷射束的頻率,以補償光學參考空腔所述估計漂移。在時脈誤差狀態更新器146a之若干次更新之後,第一跡線410中所示的時間時脈誤差及藉由卡爾曼濾波器估計的時脈時間誤差兩者可接近零。圖4B說明隨時間變化的時脈時間誤差之實例。在第一跡線430中,時脈時間誤差可基於由1PPS產生電路提供之1PPS信號與參考1PPS信號之間的時間差量測來判定。在第二跡線440中,時脈時間誤差可藉由卡爾曼濾波器來估計,諸如藉由估計器電路146所實施之估計。第二跡線440可緊密地匹配第一跡線430。在圖4B中所示之
實例中,頻率調整器可不作用,且光學參考空腔中之估計漂移可保持未補償。
圖5藉助於實例說明用於操作用於使光學頻率梳穩定之系統(諸如精密光子振盪器100)之方法500。可使由飛秒雷射120產生之光學頻率梳穩定至經頻率穩定至光學參考空腔116之雷射112(步驟510)。頻率產生單元130可接收光學頻率梳之至少一部分且可自其產生一低頻信號(步驟520)。時脈時間誤差電路144可比較該產生之低頻電信號與一參考低頻電信號(步驟530)。估計器146可基於該比較來判定一光學參考空腔漂移(步驟540)。頻率調整器114可接著回應於該判定之光學參考空腔漂移來調整該雷射之一頻率(步驟550)。
圖6藉助於實例說明可實施如本文中所論述之方法中之一或多者的機器900之實施例的方塊圖。在一或多個實施例中,命令及控制電子裝置140之一或多個項目可由機器900來實施。在替代實施例中,機器900作為獨立裝置而操作或可連接(例如,網路化)至其他機器。在一或多個實施例中,命令及控制電子裝置140可包括機器900之項目中之一或多者。在網路化部署中,機器900可以伺服器用戶端網路環境中之伺服器或用戶端機器的身分而操作,或作為同級間(或分散式)網路環境中之同級機器而操作。機器可為個人電腦(PC)、平板PC、機上盒(STB)、個人數位助理(PDA)、蜂巢式電話、網路器具、網路路由器、交換器或橋接器,或能夠執行(依序或以其他方式)指
定待由彼機器採取之動作的指令之任何機器。此外,儘管僅說明單個機器,但術語「機器」亦應被視為包括個別地或聯合地執行一組(或多組)指令以執行本文中所論述之方法中的任何一或多者之機器的任何集合。
實例機器900包括處理電路902(例如,中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、特殊應用積體電路,電路,諸如一或多個電晶體、電阻器、電容器、電感器、二極體、邏輯閘、多工器、緩衝器、調變器、解調器、無線電(例如,傳輸或接收無線電或收發器)、感測器921(例如,將一種能量形式(例如,光、熱、電、機械或其他能量)轉換成另一種能量形式的換能器)或其類似者,或其組合)、主記憶體904及靜態記憶體906,前述各者經由匯流排908彼此通訊。機器900(例如,電腦系統)可進一步包括視訊顯示單元910(例如,液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT))。機器900亦包括文數字輸入裝置912(例如,鍵盤)、使用者介面(UI)導覽裝置914(例如,滑鼠)、磁碟機或大容量儲存單元916、信號產生裝置918(例如,揚聲器)以及網路介面裝置920。
磁碟機單元916包括機器可讀媒體922,其上儲存有體現本文中所描述之方法或功能中之任何一或多者或供本文中所描述之方法或功能中之任何一或多者使用的一或多組指令及資料結構(例如,軟體)924。指令924在其藉由機器900執行期間亦可完全或至少部分地駐存在主記憶體904內及/或處理器902內,主記憶體904及處
理器902亦構成機器可讀媒體。
如所說明之機器900包括輸出控制器928。輸出控制器928管理至/自機器900之資料流。輸出控制器928有時被稱作裝置控制器,而直接與輸出控制器928交互之軟體被稱作裝置驅動程式。
儘管機器可讀媒體922在一實例實施例中經展示為單一媒體,但術語「機器可讀媒體」可包括儲存一或多個指令或資料結構之單一媒體或多個媒體(例如,集中式或分散式資料庫,及/或相關聯快取記憶體及伺服器)。術語「機器可讀媒體」亦應理解為包括能夠儲存、編碼或載運用於供機器執行且使機器執行本發明之方法中之任何一或多者的指令或能夠儲存、編碼或載運由此等指令利用或與此等指令相關聯之資料結構的任何有形媒體。術語「機器可讀媒體」應相應地理解為包括但不限於固態記憶體及光學及磁性媒體。機器可讀媒體之特定實例包括非揮發性記憶體,包括(藉助於實例)半導體記憶體裝置,例如可抹除可規劃唯讀記憶體(EPROM)、電可抹除可規劃唯讀記憶體(EEPROM)及快閃記憶體裝置;磁碟,諸如內部硬碟機及抽取式磁碟;磁光碟;以及CD-ROM及DVD-ROM磁碟。
指令924可另外使用傳輸媒體經由通訊網路926傳輸或接收。指令924可使用網路介面裝置920及許多眾所周知的傳送協定(例如,HTTP)中之任一者來傳輸。通訊網路之實例包括區域網路(「LAN」)、廣域網路
(「WAN」)、網際網路、行動電話網路、簡易老式電話(Plain Old Telephone,POTS)網路以及無線資料網路(例如,WiFi網路及WiMax網路)。術語「傳輸媒體」應理解為包括能夠儲存、編碼或載運供機器執行之指令且包括數位或類比通訊信號或其他無形媒體以促進此軟體之通訊的任何無形媒體。
如本文中所使用,「以通訊方式耦接在…之間」」意謂耦接中之任一者上的實體必須經由其間的項目進行通訊且彼等實體不能在不經由該項目通訊的情況下彼此通訊。
儘管已參考特定實例實施例描述了實施例,但將顯而易見,可對此等實施例進行各種修改及改變,而不脫離本發明之更廣精神及範疇。因此,本說明書及圖式應在說明性意義上而非限制性意義上看待。形成本文之一部分的隨附圖式借助於說明展示(而非限制)可實踐標的物之特定實施例。對所說明的實施例進行足夠詳細的描述以使熟習此項技術者能夠實踐本文中所揭示之教示。可利用其他實施例且自本文中導出其他實施例,使得可以在不脫離本發明之範疇的情況下作出結構及邏輯的替代及改變。因此,此詳細描述並非以限制性意義獲得,且各種實施例之範疇僅由所附申請專利範圍以及此申請專利範圍授權的等效物之完整範圍界定。
100‧‧‧精密光子振盪器
110‧‧‧空腔參考單元
112‧‧‧雷射
114‧‧‧頻率調整器
116‧‧‧光學參考空腔
120‧‧‧飛秒雷射
122‧‧‧光學分頻器
130‧‧‧頻率產生單元
140‧‧‧命令及控制電子裝置
142‧‧‧1PPS產生電路
144‧‧‧時脈時間誤差電路
146‧‧‧估計器
148‧‧‧控制器
Claims (20)
- 一種用於提供一頻率穩定化光學頻率梳之方法,該方法包含: 使該光學頻率梳頻率穩定至經頻率穩定至一光學參考空腔之一雷射; 自該光學頻率梳產生一低頻電信號; 比較該產生之低頻電信號與一參考低頻電信號; 基於比較結果來判定一光學參考空腔漂移;以及 接著回應於判定之該光學參考空腔漂移來調整該雷射之一頻率。
- 如請求項1之方法,其進一步包含使用一卡爾曼濾波器來判定該光學參考空腔漂移。
- 如請求項2之方法,其進一步包含使用該卡爾曼濾波器來估計一時脈時間誤差及一時脈振盪週期誤差。
- 如請求項3之方法,其進一步包含使用該卡爾曼濾波器來估計與一個二階漂移模型相關聯的所有狀態。
- 如請求項2之方法,其進一步包含量測至少一個電組件之一方差及將量測之該方差作為一參數提供至該卡爾曼濾波器。
- 如請求項2之方法,其進一步包含以大於該低頻電信號之頻率的一第一速率調整該雷射之一頻率。
- 如請求項1之方法,其中產生該低頻電信號包括藉由光學分割來產生一射頻信號,且接著基於產生之該射頻信號來產生該低頻電信號。
- 如請求項1之方法,其中該低頻電信號及參考電信號包括每秒一個脈衝之一信號。
- 如請求項3之方法,其進一步包含使用一內部控制迴路來將一時脈振盪週期誤差調整為零。
- 如請求項9之方法,其進一步包含使用一外部控制迴路來將一時脈時間誤差調整為零。
- 一種用於提供一頻率穩定化光學頻率梳之系統,該系統包含: 一光學頻率梳; 一光學參考空腔,其係組配來接收一雷射束且將接收之該雷射束的一部分提供至該光學頻率梳; 一頻率產生單元,其係組配來自該光學頻率梳產生一低頻電信號; 一控制器,其係組配來: 比較該產生之低頻電信號與一參考電信號; 基於比較結果來判定一光學參考空腔漂移;以及 接著回應於判定之該光學參考空腔漂移來調整該雷射之一頻率。
- 如請求項11之系統,其中該控制器係組配來實施一卡爾曼濾波器以估計該光學參考空腔漂移。
- 如請求項12之系統,其中該控制器係組配來實施該卡爾曼濾波器以估計一時脈時間誤差及一時脈振盪週期誤差。
- 如請求項13之系統,其中該控制器係組配來實施該卡爾曼濾波器以估計與一個二階漂移模型相關聯的所有狀態。
- 如請求項12之系統,其中該控制器係組配來接收至少一個電組件之一方差的一量測且將該方差的該量測作為一參數提供至該卡爾曼濾波器。
- 如請求項12之系統,其中該控制器係組配來以大於該低頻電信號之頻率的一第一速率調整該雷射之一頻率。
- 如請求項11之系統,其中該控制器係組配來產生一射頻信號,且接著基於產生之該射頻信號來產生該低頻電信號。
- 如請求項11之系統,其中該低頻電信號及該參考電信號包括每秒一個脈衝之一信號。
- 如請求項13之系統,其進一步包含用以將一時脈振盪週期誤差調整為零的一內部控制迴路。
- 如請求項19之系統,其進一步包含用以將一時脈時間誤差調整為零的一外部控制迴路。
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