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特許7457152フォトニック結晶受信器を使用して標的物体を検出するレーダシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-18
(45)【発行日】2024-03-27
(54)【発明の名称】フォトニック結晶受信器を使用して標的物体を検出するレーダシステム
(51)【国際特許分類】
G01S 7/285 20060101AFI20240319BHJP
G01S 7/35 20060101ALI20240319BHJP
G02F 1/035 20060101ALI20240319BHJP
【ＦＩ】
G01S7/285
G01S7/35
G02F1/035
【請求項の数】
27
(21)【出願番号】P 2022555762
(86)(22)【出願日】2021-03-15
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-04-27
(86)【国際出願番号】 CA2021050341
(87)【国際公開番号】W WO2021184110
(87)【国際公開日】2021-09-23
【審査請求日】2022-11-11
(31)【優先権主張番号】62/990,244
(32)【優先日】2020-03-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】521266918
【氏名又は名称】クオンタム ヴァリー アイデアズ ラボラトリーズ
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜
(74)【代理人】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【弁理士】
【氏名又は名称】那須 威夫
(74)【代理人】
【識別番号】100176418
【弁理士】
【氏名又は名称】工藤 嘉晃
(72)【発明者】
【氏名】アマルロー ハーディ
(72)【発明者】
【氏名】ラミレス－セラーノ ジェイミー
(72)【発明者】
【氏名】シェーファー ジェームズ ピー
【審査官】▲高▼場 正光
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１０８９１９２０１（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１７６１６５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０４９００７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－１９７０４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５６８９２７５（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１９７８３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】GORDON, Joshua A. 外３名，“Quantum-Based SI Traceable Electric-Field Probe”，2010 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY，2010年，Pages 321-324，<DOI: 10.1109/ISEMC.2010.5711293 >
【文献】PAN, Minghai 外４名，“Impacts of space-time-frequency synchronization errors on wideband target echo characteristics of bistatic/multistatic radar”，JOURNAL OF SYSTEMS ENGINEERING AND ELECTRONICS，2016年06月22日，Volume 27, Number 3，Pages 562-573，<DOI: 10.1109/JSEE.2016.00060 >
【文献】CHUNG, Chi-Jui 外８名，“Towards a fully packaged high-performance RF sensor featuring slotted photonic crystal waveguides”，PROCEEDINGS OF SPIE，2016年05月02日，Volume 9747，Aritcle 97471V, 12 Pages，<URL: https://doi.org/10.1117/12.2213557 >
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／００ － Ｇ０１Ｓ ７／４２
Ｇ０１Ｓ １３／００ －Ｇ０１Ｓ １３／９５
Ｇ０１Ｒ ２９／００ － Ｇ０１Ｒ ２９／２６
Ｇ０２Ｆ １／００ － Ｇ０２Ｆ ７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ放出するように構成された伝送ステーションと、前記領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を処理するように構成された受信ステーションとを備え、前記リターン信号が、前記領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づいており、前記受信ステーションが、
誘電性材料から形成されたフォトニック結晶受信器であり、
標的ＲＦ電磁放射に結合するように構成され、前記ＲＦ電磁放射のリターン信号が前記標的ＲＦ電磁放射を含む、アンテナ構造、
細長いスロットが配置され、前記標的ＲＦ電磁放射を前記細長いスロットに集中させるように構成されたフォトニック結晶構造、および
前記細長いスロット内に配置された蒸気を含むフォトニック結晶受信器と、
前記フォトニック結晶受信器からの光信号に基づいて分光データを生成するように構成され、前記分光データが前記標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を表す、光学システムと、
前記分光データに基づいて時系列の特性データを生成するように構成され、前記時系列の特性データが前記標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を経時的に表す、データ処理サブシステムと
を備えるレーダシステム。
【請求項2】
前記時系列の特性データが、前記標的ＲＦ電磁放射の振幅を経時的に表す振幅データ、
前記標的ＲＦ電磁放射の位相を経時的に表す位相データ、または
前記標的ＲＦ電磁放射の周波数を経時的に表す周波数データのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項3】
前記アンテナ構造が、前記標的ＲＦ電磁放射の偏光をフィルタリングするように構成された偏光器を備え、前記時系列の特性データが、前記標的ＲＦ電磁放射の偏光を経時的に表す偏光データを含む、
請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項4】
前記データ処理サブシステムが、前記時系列の特性データに基づいて、前記領域内の標的物体の特性を判定するようにさらに構成されている、請求項１または請求項２～３のいずれか１項に記載のレーダシステム。
【請求項5】
前記特性が、前記領域内の前記標的物体の場所、
前記標的物体の速度、
前記標的物体の形状、または
前記標的物体の組成のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載のレーダシステム。
【請求項6】
前記フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、前記受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、前記第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、前記標的ＲＦ電磁放射の第１の周波数に結合するように構成され、
前記第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、前記標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる周波数に結合するように構成されている、
請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項7】
前記フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、前記受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、前記第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、前記標的ＲＦ電磁放射の第１の偏光をフィルタリングするように構成された第１の偏光器を備え、
前記第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、前記標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる偏光をフィルタリングするように構成された第２の偏光器を備える、
請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項8】
前記受信ステーションが、前記受信ステーションの位置を判定するように構成された慣性航法サブシステムを備える、請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項9】
前記受信ステーションが、前記受信ステーションに対する局所的基準時間および局所的基準位相のうちの一方または両方を設定するように構成されたローカルクロックサブシステムを備える、請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項10】
それぞれのローカルクロックサブシステムを備える複数の受信ステーションと、前記伝送ステーションおよび各受信ステーションの前記ローカルクロックサブシステムと同期信号を交換するように構成されたグローバルクロックステーションとを備え、前記同期信号が、前記レーダシステムに対する大域的基準時間および大域的基準位相を表す、
請求項９に記載のレーダシステム。
【請求項11】
複数の受信ステーションと、前記伝送ステーションおよび前記複数の受信ステーションと通信するように構成されたデータ制御センターとを備え、前記データ制御センターが、
それぞれの受信ステーションからの複数の時系列の特性データに基づいて、前記領域内の標的物体の特性を表す処理データを生成すること、および
前記伝送ステーション、前記複数の受信ステーションのうちの１つもしくは複数、または両方へ前記処理データを通信することを含む動作を実行するように構成されている、
請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項12】
前記光学システムが、前記蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用する入力光信号を前記細長いスロットに提供するように構成されたレーザサブシステムを備える、請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項13】
前記光学システムが、前記細長いスロットからの出力光信号に基づいて前記分光データを生成するように構成された光検出サブシステムを備える、請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項14】
前記伝送ステーションが、制御信号に応答して、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を前記領域内へ放出するように構成された協調型の伝送ステーションである、請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項15】
前記伝送ステーションが、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を前記領域内へ受動的に放出するように構成された非協調型の伝送ステーションである、請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項16】
領域内の標的物体を検出するレーダ方法であって、伝送ステーションの動作によって、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を前記領域内へ伝送することと、
受信ステーションの動作によって、前記領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を処理することとを含み、前記リターン信号が、前記領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づいており、前記リターン信号を処理することが、
前記受信ステーションのフォトニック結晶受信器で、前記領域からの前記ＲＦ電磁放射のリターン信号を受信することであり、前記フォトニック結晶受信器が、誘電性材料から形成され、
標的ＲＦ電磁放射に結合するように構成され、前記ＲＦ電磁放射のリターン信号が前記標的ＲＦ電磁放射を含む、アンテナ構造、
細長いスロットが配置され、前記標的ＲＦ電磁放射を前記細長いスロットに集中させるように構成されたフォトニック結晶構造、および
前記細長いスロット内に配置された蒸気を含む、受信することと、
前記受信ステーションの光学システムの動作によって、前記フォトニック結晶受信器からの光信号に基づいて分光データを生成することであり、前記分光データが前記標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を表す、生成することと、
前記受信ステーションのデータ処理サブシステムの動作によって、前記分光データに基づいて時系列の特性データを生成することであり、前記時系列の特性データが前記標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を経時的に表す、生成することとを含む、レーダ方法。
【請求項17】
前記アンテナ構造が、前記標的ＲＦ電磁放射の偏光をフィルタリングするように構成された偏光器を備え、前記リターン信号を受信することが、前記アンテナ構造の前記偏光器を使用して、前記ＲＦ電磁放射のリターン信号の偏光をフィルタリングすることを含む、
請求項１６に記載のレーダ方法。
【請求項18】
前記リターン信号を処理することが、前記データ処理サブシステムの動作によって、前記時系列の特性データに基づいて前記領域内の前記標的物体の特性を判定することを含む、請求項１６に記載のレーダ方法。
【請求項19】
前記特性が、前記領域内の前記標的物体の場所、
前記標的物体の速度、
前記標的物体の形状、または
前記標的物体の組成のうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載のレーダ方法。
【請求項20】
前記リターン信号を処理することが、前記蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用する入力光信号を前記細長いスロットに通すことと、
前記光学システムで、前記入力光信号に基づく前記細長いスロットからの出力光信号を受信することとを含み、前記分光データが、前記出力光信号に基づいて生成される、請求項１６に記載のレーダ方法。
【請求項21】
前記フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、前記受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、前記第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、前記標的ＲＦ電磁放射の第１の偏光をフィルタリングするように構成された第１の偏光器を備え、
前記第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、前記標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる偏光をフィルタリングするように構成された第２の偏光器を備え、
前記リターン信号を受信することが、それぞれ前記第１および第２のアンテナ構造の前記第１および第２の偏光器を使用して、前記ＲＦ電磁放射のリターン信号の偏光をフィルタリングすることを含む、
請求項１６に記載のレーダ方法。
【請求項22】
前記リターン信号を処理することが、前記受信ステーションの慣性航法サブシステムの動作によって、前記受信ステーションの位置を判定することを含む、請求項１６に記載のレーダ方法。
【請求項23】
前記リターン信号を処理することが、前記受信ステーションのローカルクロックサブシステムの動作によって、前記受信ステーションに対する局所的基準時間および局所的基準位相を設定することを含む、請求項１６に記載のレーダ方法。
【請求項24】
複数の受信ステーションが各々、前記領域内の前記１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づくそれぞれのリターン信号を処理し、前記レーダ方法が、
グローバルクロックステーションの動作によって、前記伝送ステーションおよび各受信ステーションの前記ローカルクロックサブシステムと同期信号を交換することを含み、前記同期信号が、大域的基準時間および大域的基準位相を表す、
請求項２３に記載のレーダ方法。
【請求項25】
複数の受信ステーションが各々、前記領域内の前記１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づくそれぞれのリターン信号を処理し、前記レーダ方法が、
データ制御センターで、それぞれの受信ステーションからの複数の時系列の特性データを受信することと、
前記データ制御センターの動作によって、前記複数の時系列の特性データに基づいて処理データを生成することであり、前記処理データが前記領域内の前記標的物体の特性を表す、生成することと、
前記伝送ステーション、前記複数の受信ステーションのうちの１つもしくは複数、または両方へ前記処理データを通信することとを含む、
請求項１６に記載のレーダ方法。
【請求項26】
前記伝送ステーションが協調型の伝送ステーションであり、前記プローブ信号を伝送することが、
前記伝送ステーションで制御信号を受信することと、
前記受信した制御信号に応答して、前記ＲＦ電磁放射のプローブ信号を前記領域内へ伝送することとを含む、
請求項１６に記載のレーダ方法。
【請求項27】
前記伝送ステーションが非協調型の伝送ステーションであり、前記プローブ信号を伝送することが、前記ＲＦ電磁放射を前記領域内へ受動的に放出することを含む、
請求項１６に記載のレーダ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年３月１６日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ」という名称の米国仮特許出願第６２／９９０，２４４号に対する優先権を主張する。この優先出願の開示が、全体として参照により本明細書に組み込まれている。
本出願は、２０２０年３月１６日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ」という名称の米国仮特許出願第６２／９９０，２４４号に対する優先権を主張する。この優先出願の開示が、全体として参照により本明細書に組み込まれている。
【0002】
以下の説明は、フォトニック結晶受信器を使用して標的物体を検出するレーダシステムに関する。
【背景技術】
【0003】
受信器は、典型的に、電磁放射を使用可能な形態に変換するために使用される。たとえば受信器は、レーダシステムにおいて、１つまたは複数の物体から散乱した電磁放射を検出するために使用することができる。いくつかのシステムでは、レーダシステムの伝送器は強い無線周波（ＲＦ）信号を放出し、次いでこのＲＦ信号は標的の方へ伝播する。次いで標的はこの強いＲＦ信号を散乱させて、散乱ＲＦ信号を生成し、次に散乱ＲＦ信号は受信器によって検出される。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【図1】１つの伝送ステーションおよび複数の受信ステーションを含む例示的なマルチスタティックレーダシステムの概略図である。
【図2】伝送ステーションおよび受信ステーションを含む例示的なレーダシステムの概略図である。
【図3】レーダ信号を変換および処理する例示的なレーダ方法の概略図である。
【図4A】例示的な心棒のない蒸気セルおよび例示的なフォトニック結晶受信器の概略図である。
【図4B】無線周波（ＲＦ）電磁放射を感知するための例示的な受信器の概略斜視図である。
【図5】ディッシュおよびフォトニック結晶受信器を含む例示的なアンテナの概略図である。
【図6】電磁放射を受信する突起および孔の周期的な配置を含む例示的なフォトニック結晶フレームの概略図である。
【図7】偏光器として働く例示的な突起の狭窄区分に沿って配置された周期的なアレイ状のセグメントを含むフォトニック結晶フレームの例示的な突起（またはその一部分）の概略図である。
【図8A】各構成がフォトニック結晶フレームに結合された光ファイバアセンブリの異なる配置を有している、フォトニック結晶フレームの代替構成の概略断面図である。
【図8B】各構成がフォトニック結晶フレームに結合された光ファイバアセンブリの異なる配置を有している、フォトニック結晶フレームの代替構成の概略断面図である。
【図8C】各構成がフォトニック結晶フレームに結合された光ファイバアセンブリの異なる配置を有している、フォトニック結晶フレームの代替構成の概略断面図である。
【図8D】各構成がフォトニック結晶フレームに結合された光ファイバアセンブリの異なる配置を有している、フォトニック結晶フレームの代替構成の概略断面図である。
【図8E】各構成がフォトニック結晶フレームに結合された光ファイバアセンブリの異なる配置を有している、フォトニック結晶フレームの代替構成の概略断面図である。
【図10A】例示的なスロット付きのフォトニック結晶導波路の単位セルの図である。
【図11A】孔の周期的な配置によって画定されるフォトニック結晶構造を含む例示的なフォトニック結晶フレームの概略図である。
【図12A】パラボラディッシュを使用した例示的なテーパ状導波路に対する４５．６９７ＧＨｚの電磁波のシミュレートされた結合の等高線グラフである。
【図13A】入ってくるＲＦ電磁波がガウシアンビームとしてモデル化されている、例示的な非テーパ状導波路に対する入ってくるＲＦ電磁波のシミュレートされた結合効率の図である。
【図13B】入ってくるＲＦ電磁波がガウシアンビームとしてモデル化されている、例示的なテーパ状導波路に対する入ってくるＲＦ電磁波のシミュレートされた結合効率の図である。
【図14A】フォトニック結晶フレーム内に３つのテーパを有する例示的なフォトニック結晶受信器の概略斜視図である。
【図16】例示的なフォトニック結晶フレームの一区分の概略図、および様々な大きさの孔のずれに対する例示的なフォトニック結晶フレームの群屈折率（ｎg）とＲＦ電磁放射の周波数（ｆ）との間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0005】
今日、多くの典型的なレーダシステムは、標的物体から散乱した信号を検出するために、金属受信器を使用する。しかし、金属受信器の使用は、現代のレーダシステムに対して制限をもたらす。たとえば、金属受信器は、標的の形状を判定するのに有用なレベルで偏光を感知することが困難である。金属受信器はまた、金属性の性質が交差干渉を誘起するために、互いに隣接して配置することが困難である。さらに、金属受信器は絶対的には較正されないため、散乱信号の振幅は一般に、検出には使用されない。金属受信器の製造および環境の変動により、そのような較正は非常に困難になる。
【0006】
そのような制限は、たとえば複数の周波数および偏光を感知することが可能な多機能レーダシステムの配備を抑制または阻止する可能性がある。同時に行われる複数の周波数および偏光測定では、単一の周波数および／または偏光システムでは判定することができない重要な情報をレーダ信号から抽出することができ、たとえば降水量の形状を測定することによって、暴風雨の強さを抽出することができる。たとえば、金属受信器の金属性の性質、ならびにサイズ、重量、および電力（ＳＷａＰ）により、レーダ、特に多機能性のバイスタティックおよびマルチスタティックレーダシステムを、標的物体の形状および組成の判定、標的物体の検出可能性、ならびにクラッタおよび干渉の軽減に関連する問題に適用することが妨げられる。しかし、これらの問題に対処することができた場合、レーダの民生用および軍事用の応用例に非常に大きな利益をもたらすことができる。
【0007】
本明細書に開示するいくつかの態様では、レーダシステムは、無線周波（ＲＦ）電磁放射の信号を受信するための１つまたは複数のフォトニック結晶受信器を有する受信ステーションを含む。レーダシステムは、マルチスタティックレーダシステムまたは他のタイプのレーダシステムとすることができる。フォトニック結晶受信器は、誘電性材料から形成することができ、したがってグループ化またはクラスタ化することができる。グループ化またはクラスタ化されたとき、フォトニック結晶受信器は、互いに最小限に干渉し、レーダシステムが多機能能力によって動作することを可能にすることができる。たとえば、異なるそれぞれの偏光（たとえば、直交偏光）をフィルタリングするように、２つ以上のフォトニック結晶受信器を構成することができる。そのような構成により、複数の偏光を空間内のほぼ同じ点で同時に判定することが可能になる。別の例では、異なるそれぞれの周波数で動作するように、２つ以上のフォトニック結晶受信器を構成することができる。この構成により、ほぼ同じ空間的な位置で、複数の周波数を測定することが可能になる。レーダシステムの多機能能力は、レーダシステムが標的物体の形状および組成の一方または両方を判定することを可能にすることができる。
【0008】
加えて、フォトニック結晶受信器に対するＳＷａＰは、より小さくすることができ、受信ステーションが位置およびタイミングのためにＧＰＳおよび他の慣性航法サブシステムに結合されたとき、動的マルチスタティックレーダシステムを実現することが可能になる。マルチスタティックシステムは、クラッタおよび干渉の除去を可能にするため、標的の検出をより容易にすることができる。さらに、フォトニック結晶受信器は、自己較正された振幅によって動作することができ、それにより振幅データを使用して標的物体に関するさらなる情報を得ることが可能になる。典型的な従来のレーダシステムでは、標的情報を得るために絶対振幅を使用することは、不可能でなくても困難な可能性がある。この難題は、金属受信器のアンテナの変動（たとえば、製造、環境応答などの変動）に起因する。振幅情報は、実際の標的物体からのクラッタおよび干渉を区別するのに特に有用となりうる。フォトニック結晶受信器はまた、レーダシステムをより低いコストで作製することを可能にすることができる。たとえば、レーダシステムに対して単一の伝送器を使用することができるが、標的の検出および特徴付けを最適化するために、複数の受信器を動的に配置することもできる。
【0009】
様々な実装例では、フォトニック結晶受信器は、［１］フォトニック結晶受信器が、独自のフィルタとして作用することができること、［２］フォトニック結晶受信器が、増幅器がなくても標準的な性能を実現することができること、［３］フォトニック結晶受信器の複数の事例を最小の干渉でともにグループ化することができること、［４］フォトニック結晶受信器が偏光を感知することができること、および［５］フォトニック結晶受信器を自己較正することができること、という利点のうちの１つまたは複数を提供することができる。さらに、フォトニック結晶受信器は、小さく小型サイズのダイオードレーザとともに使用することができる。さらに、フォトニック結晶受信器は、電力増幅器を必要とすることなく、低電力電子機器によって電力供給することができる。電力増幅器の除去により、携帯型で小型のマルチスタティックレーダシステムを可能にすることができる。
【0010】
図１を次に参照すると、１つの伝送ステーション１０２および複数の受信ステーション１０４を含む例示的なマルチスタティックレーダシステム１００の概略図が提示されている。伝送ステーション１０２は、無線周波（ＲＦ）電磁放射などの電磁放射１０６のプローブ信号を放出し、プローブ信号は、飛行機などの標的１０８と相互作用する。標的１０８は、電磁放射１０６を散乱させ、電磁放射１０６は、標的１０８の周囲環境内へ外方に広がる。一般に、散乱した電磁放射１１０は、放出された電磁放射１０６より強度が弱くなる。受信ステーション１０４は、伝送ステーション１０２の環境内に配置されており、散乱した電磁放射１１０（またはその一部分）に基づく電磁放射のリターン信号を処理するように構成される。散乱した電磁放射１１０の受信を改善するために、受信ステーション１０４のうちの１つまたは複数は、電磁放射のリターン信号を捕捉して集束させる能力を増大させるためのディッシュを含むことができる。
【0011】
受信ステーション１０４は、１つまたは複数のフォトニック結晶受信器を含むことができる。図１で、受信ステーション１０４の各々が、フォトニック結晶受信器のクラスタを有するものとして提示されている。しかし、他の受信器構成も可能である。いくつかの事例では、受信ステーション１０４のうちの１つまたは複数が、単一のフォトニック結晶受信器を含む。いくつかの事例では、受信ステーション１０４のうちの１つまたは複数が、フォトニック結晶受信器のグルーブまたはクラスタを含むことができる。いくつかの場合、標的１０８は、協働標的とすることができる。これらの場合、標的１０８は電磁放射を放出する伝送器を有し、この電磁放射は受信ステーション１０４によって検出される。受信ステーション１０４は、標的１０８の位置の判定（たとえば、散乱パルスのタイミングによる）、標的１０８の速度の判定（たとえば、散乱パルスのドップラー偏移による）、標的１０８の組成の判定（たとえば、散乱パルスの偏光特性による）、またはこれらの何らかの組合せを行うことができる。他の特性（たとえば、標的の形状）も可能である。
【0012】
レーダは、標的１０８などの物体から散乱した電磁放射、典型的にはＲＦ電磁放射を検出することによって機能する。検出するべき標的である物体を、関連しない物体（たとえば、クラッタ）から区別することができると最適である。いくつかの例では、伝送器、たとえば伝送ステーション１０２が強いプローブ信号を放出し、このプローブ信号は、標的１０８などの１つまたは複数の物体を含む関心領域内へ伝播する。１つまたは複数の物体は、プローブ信号を散乱させ、次にこのプローブ信号が、受信器、たとえば受信ステーション１０４のうちの１つまたは複数によって、より弱いリターン信号として検出される。検出するべき標的が協働標的である場合、リターン信号は放出信号を含むことができる。リターン信号は、１つまたは複数の物体、特に標的物体に関する情報を取得するために使用される。プローブ信号は関心領域内へ伝播する際に広がるため、リターン信号はプローブ信号に比べてより弱い。加えて、標的物体は、プローブ信号を多くの方向に散乱させ、次にプローブ信号は空間内にさらに広がる。標的物体の検出に競合するのは、他のアンテナを含む非標的物体からくるクラッタおよび／または望ましくない信号である。受信器は、伝送器によって放出されるプローブ信号より弱いリターン信号を検出することが可能でなければならない。
【0013】
レーダシステムは、３００ＭＨｚ～３００ＧＨｚの範囲内の周波数を有する電磁放射を使用して動作することができる。特定の応用例に選択される動作周波数は、意図される標的のサイズおよび伝播距離（たとえば、雰囲気中）によって決定することができる。たとえば、Ｇバンド周波数（たとえば、中距離レーダの場合は４～６ＧＨｚ）、Ｅ／ＦまたはＤバンド周波数（たとえば、より長距離のレーダの場合は１～４ＧＨｚ）、Ｉ／Ｊバンド周波数（たとえば、気象レーダの場合は８～２０ＧＨｚ）を使用することができる。連続波、準連続波、およびパルスレーダも可能である。いくつかの変形例では、レーダシステムの伝送器は、最大メガワット規模の電力を有するプローブ信号を放出し、約１ＭＨｚの帯域幅でミリワットまたはマイクロワット規模のリターン信号を検出することができる。いくつかの変形例では、レーダシステムは、集束デバイス、いわゆるディッシュを使用して、特により高い周波数で受信器の感度を強化することができる。パルスレーダの場合、繰返し率は、１００Ｈｚ～１００ｋＨｚの範囲とすることができる。パルス幅は、数ミリ秒～数十ナノ秒とすることができる。いくつかの場合、レーダシステムは、ｍｍ波周波数を使用することができる。
【0014】
レーダシステムは、可能な限り多くの情報をリターン信号から抽出するように設計することができる。有用な情報は、［１］測距に使用することができるリターン信号のタイミング、［２］標的速度の測定に使用することができるリターン信号のドップラー偏移、ならびに［３］サイズ、形状、および組成の推定に使用することができる偏光から得ることができる。そのような情報を生成するために、レーダ信号を信号処理電子機器によって処理することができる。そのような信号処理は、リターン信号の特性（たとえば、タイミング、ドップラー偏移、偏光など）を抽出するための変調および復調方法を使用することができる。
【0015】
図１のマルチスタティックレーダシステム１００などのマルチスタティックレーダシステムは、単一または制限された数の伝送ステーションが複数の受信ステーションとともに使用されるレーダシステムを指すことができる。１つまたは複数のフォトニック結晶受信器を含む受信ステーションを用いるとき、これらのシステムは、［１］標的物体のレーダ断面も効果的に増大させることができる有効範囲の増大、［２］検出可能性の低減、［３］冗長性による残存性の増大、ならびに［４］クラッタおよび干渉の低減または除去を含む１つまたは複数の利点を有することができる。他の利点も可能である。いくつかの実装例では、マルチスタティックレーダシステムは、協調型または非協調型の伝送ステーションを含む。協調型の伝送ステーションは、マルチスタティックレーダシステムの１つまたは複数の受信ステーションと協働して動作するように、操作者またはコンピュータシステムが制御することができる。非協調型の伝送ステーションは、マルチスタティックレーダシステムの環境への受動放出周囲ＲＦ電磁放射とすることができる（たとえば、携帯電話塔）。いくつかの実装例では、マルチスタティックレーダシステムは、移動式の１つまたは複数の伝送ステーションを含む。たとえば、マルチスタティックレーダシステムは、ドローン、有人飛行機、ボート、またはトラックなどの移動車両に取り付けられた伝送ステーションを含むことができる。
【0016】
多くの実装例では、マルチスタティックレーダシステムは、受信ステーションから大きい距離をあけて位置する１つまたは複数の伝送ステーションを含む。これらの実装例では、マルチスタティックレーダシステムは、ネットまたはネット状システムを形成することができる。ネットまたはネット状システムは、伝送ステーションを比較的安全な場所に離しておくことができ、受信ステーションをより危険な位置に配置することができるため、軍事用の応用例に有利である。システムが受信器の一部を（たとえば、敵の砲撃から）失った場合でも、システムが完全に不能になるわけではない。受信ステーションが分散されているとき、各受信ステーションが独立して妨害されるはずであるため、この利点は、レーダ妨害にも拡張される。さらに、妨害信号を誘導するために伝送ステーションからのプローブ信号が使用されるため、受信ステーションを伝送ステーションから独立したものとすることができることから、敵は妨害するべき受信ステーションを見つけるのに苦労するはずである。民生用の応用例の場合、複数の受信ステーションも有利である。複数の受信器ノードを有することによって、マルチスタティックレーダシステムは、単一の受信器ノードの損失によって機能性を失うことはなく、したがって空港監視レーダなどの応用例に使用されるシステムの保守およびグレースフルエイジングに役立つ。
【0017】
複数の移動受信ステーションを有することで、クラッタと実際の信号との間の違いを見分けるために、受信ステーションをネット内に最適に配置することを可能にすることもできる。ネットは、標的を三角化すること（またはより容易に三角化すること）を可能にする。さらに受信ステーションは、ＧＰＳならびに慣性案内およびタイミングシステムを使用して、コヒーレントに動作することができる。しかし、システムが金属受信器に依拠する場合、そのようなシステムに多機能能力を加えることは困難なことがある。特に、金属受信器のアンテナは、互いに相互作用することがある。しかし、受信ステーションが誘電性材料から形成されたフォトニック結晶受信器を使用する場合、そのような相互作用を軽減することができる。この場合、受信ステーションを空間内に広げることによって、場合により標的と受信器の距離を低減させることができるため、ネット状システムに対してより低電力の伝送器を使用することも可能である。
【0018】
複数の受信ステーションを有するさらなる利点には、データの融合が含まれる。たとえば、受信ステーションは、２つの受信器（たとえば、フォトニック結晶受信器）を、異なるそれぞれの周波数で使用することができる。第１の受信器は、標的物体からの信号を受信するために使用することができ、この信号は、第１の周波数（または第１の周波数範囲）を含むことができる。第２の受信器は、伝送ステーションからの同期信号を受信するために使用することができ、この信号は、第２の周波数（または第２の周波数範囲）を含むことができる。そのような場合、より高電磁透過性の誘電性受信器によって提供される最小の干渉および交差結合が有利となりうる。データの融合は、複数の受信ステーションからデータを受信すること、受信データを合成または処理すること、ならびに合成データを再び伝送ステーションおよび／または受信ステーションへ分配することを含むことができる。合成データは、他のステーションまたは関係先（たとえば、中央基地局）に分配することもできる。
【0019】
フォトニック結晶受信器は、レーダシステムに対して、たとえば金属受信器を上回る利点を提供することができる。フォトニック結晶受信器は、蒸気またはリュードベリ原子に基づく電磁放射の検出を使用する。そのような受信器は、現況技術の金属受信器と同等の感度で動作することができる一方で、すべて誘電性材料から形成されており、自己較正が可能であり、電力増幅を必要としない。フォトニック結晶受信器は、現況技術のリュードベリ原子に基づく受信器に比べて、３桁を超えて増大した電界感度を有することができる。フォトニック結晶受信器はまた、［１］１つまたは複数のテーパを介したフォトニック結晶フレームへの電磁波の効率的な結合、［２］偏光感度を強化するためのフォトニック結晶偏光器、［３］フォトニック結晶構造を使用した電磁波の減速、［４］スロット導波路を使用した電磁波の集中、および［５］空洞を形成するためにフォトニックミラーを使用した電磁波の集中などの特徴を含むことができる。多くの変形例では、フォトニック結晶受信器は、これらすべての特徴を統合する。フォトニック結晶受信器はまた、外部の蒸気セル内に密閉する必要がなく、金属性部分を有しておらず、吹きガラス特徴（寸法的に制御することが困難であり、誤りを引き起こす可能性がある）を有していないことから、モノリシックとすることができる。フォトニック結晶受信器が自己較正する能力は、ネット状レーダシステム内でデータを合成または融合するのに非常に有用である。
【0020】
図２を次に参照すると、伝送ステーション２０２および受信ステーション２０４を含む例示的なレーダシステム２００の概略図が提示されている。例示的なレーダシステム２００は、図２に示すように、複数の受信ステーション２０４を含むことができる。伝送ステーション２０２は、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ放出するように構成される。プローブ信号は、ＲＦ電磁放射の連続放出、ＲＦ電磁放射のパルス放出、またはこれらの組合せによって画定することができる。いくつかの変形例では、伝送ステーション２０２は、操作者またはコンピュータシステムによって生成されるものなどの制御信号に応答して、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ放出するように構成された協調型の伝送ステーションである。いくつかの変形例では、伝送ステーションは、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ受動的に放出するように構成された非協調型の伝送ステーションである。非協調型の伝送ステーションの例には、別のレーダシステムを目的とする携帯電話塔および伝送ステーションが含まれる。伝送ステーション２０２は、静止式または移動式とすることができる。たとえば、伝送ステーション２０２は、ドローン、有人飛行機、ボート、またはトラックなどの移動車両に取り付けることができる。いくつかの実装例では、例示的なレーダシステム２００は、複数の伝送ステーション２０２を含む。
【0021】
受信ステーション２０４は、領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を処理するように構成される。リターン信号は、標的物体などの１つまたは複数の物体から領域内へ散乱したプローブ信号に基づいている。受信ステーション２０４は、誘電性材料から形成することができるフォトニック結晶受信器２０６を含む。フォトニック結晶受信器２０６は、標的ＲＦ電磁放射に結合するように構成されたアンテナ構造を含み、標的ＲＦ電磁放射は、１ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数（または複数の周波数）を有することができる。標的ＲＦ電磁放射は、単一の周波数、周波数範囲、または両方に対応することができる。多くの変形例では、標的ＲＦ電磁放射は、ＲＦ電磁放射のリターン信号の一部である。たとえば、標的ＲＦ電磁放射は、ＲＦ電磁放射のリターン信号と共通の周波数を共有することができる。標的ＲＦ電磁放射はまた、ＲＦ電磁放射のリターン信号に関連する１つまたは複数の周波数と重複する周波数範囲を有することができる。フォトニック結晶受信器２０６はまた、細長いスロットが配置されたフォトニック結晶構造を含み、フォトニック結晶構造は、標的ＲＦ電磁放射を細長いスロットに集中させるように構成される。細長いスロットに蒸気が配置される。いくつかの変形例では、フォトニック結晶受信器２０６は、ディッシュと対になって、ＲＦ電磁放射のリターン信号に対するフォトニック結晶受信器２０６の感度を増大させる。フォトニック結晶受信器２０６のさらなる例は、図４Ａ～図１７に関連して説明する。
【0022】
いくつかの実装例では、受信ステーション２０４は、複数のフォトニック結晶受信器２０６を含む。いくつかの変形例では、複数のフォトニック結晶受信器２０６のうちの１つまたは複数は、標的ＲＦ電磁放射の別個の特性（たとえば、異なるそれぞれの周波数、異なるそれぞれの偏光など）に専用である。たとえば、複数のフォトニック結晶受信器２０６は、第１のフォトニック結晶受信器および第２のフォトニック結晶受信器を含むことができる。第１のフォトニック結晶受信器２０６の第１のアンテナ構造は、標的ＲＦ電磁放射の第１の偏光をフィルタリングするように構成された第１の偏光器を含むことができ、第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造は、標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる偏光をフィルタリングするように構成された第２の偏光器を含む。第１および第２の偏光は、互いに直交することができる。しかし、他の相対的な向きも可能である。別の例では、第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造は、標的ＲＦ電磁放射の第１の周波数（または第１の周波数範囲）に結合するように構成され、第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造は、標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる周波数（または第２の異なる周波数範囲）に結合するように構成される。いくつかの変形例では、複数のフォトニック結晶受信器２０６の１つまたは複数のサブグルーブが、標的ＲＦ電磁放射の別個の特性に専用である。
【0023】
受信ステーション２０４はまた、フォトニック結晶受信器２０６からの光信号に基づいて分光データを生成するように構成された光学システム２０８を含む。分光データは、標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を表す。いくつかの変形例では、図２に示すように、光学システム２０８は、光ファイバケーブル２１０によってフォトニック結晶受信器２０６に結合される。光学システム２０８は、蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用する入力光信号を細長いスロットに提供するように構成されたレーザサブシステムを含むことができる。光学システム２０８はまた、細長いスロットからの出力光信号に基づいて分光データを生成するように構成された光検出サブシステムを含むことができる。光学システム２０８は、レーザサブシステムおよび光検出サブシステムのうちの一方または両方を制御する制御電子機器をさらに含むことができる。光ファイバケーブル２１０は、レーザサブシステムからの入力光信号をフォトニック結晶受信器２０６へ伝送すること、細長いスロットからの出力光信号を光検出サブシステムへ伝送すること、または両方を行うように動作可能とすることができる。いくつかの変形例では、入力および出力光信号は、それぞれの光ファイバケーブルによって伝送される。
【0024】
受信ステーション２０４は、分光データに基づいて時系列の特性データを生成するように構成されたデータ処理サブシステム２１２をさらに含む。時系列の特性データは、標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を経時的に表す。１つまたは複数の特性の例には、振幅、位相、周波数、および偏光が含まれる。他の特性も可能である。データ処理サブシステム２１２は、時系列の特性データの生成を支援するために、１つまたは複数のプロセッサおよび１つまたは複数のメモリを含むことができる。１つまたは複数のプロセッサおよび１つまたは複数のメモリは、データ処理サブシステム２１２のアプリケーション層２１４を画定することができる。いくつかの変形例では、データ処理サブシステム２１２は、システムオンチップ（ＳｏＣ）を含むことができる。これらの変形例では、ＳｏＣは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）と組み合わされた中央演算処理装置（ＣＰＵ）とすることができる。しかし、他の構成のＳｏＣも可能である。
【0025】
いくつかの実装例では、時系列の特性データは、標的ＲＦ電磁放射の振幅を経時的に表す振幅データを含む。いくつかの実装例では、時系列の特性データは、標的ＲＦ電磁放射の位相を経時的に表す位相データを含む。いくつかの実装例では、時系列の特性データは、標的ＲＦ電磁放射の周波数を経時的に表す周波数データを含む。いくつかの実装例では、アンテナ構造は、標的ＲＦ電磁放射の偏光をフィルタリングするように構成された偏光器を含み、時系列の特性データは、標的ＲＦ電磁放射の偏光を経時的に表す偏光データを含む。振幅データ、位相データ、周波数データ、および偏光データの組合せも可能である。
【0026】
いくつかの実装例では、データ処理サブシステム２１２は、時系列の特性データに基づいて、領域内の標的物体の特性を判定するようにさらに構成される。特性の例には、領域内の標的物体の場所、標的物体の速度、標的物体の形状、および標的物体（またはその一部分）の組成が含まれる。これらの特性は、単独でまたは任意の組合せで判定することができる。
【0027】
データ処理サブシステム２１２はまた、例示的なレーダシステム２００の他のステーションとデータを交換するための通信インターフェースを含むことができる。通信インターフェースは、データ処理サブシステム２１２の通信層２１６を画定することができ、光ファイバ、電気ケーブル（たとえば、イーサネットケーブル）、または両方に結合するように構成することができる。通信インターフェースはまた、無線信号（たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１規格によって定義されたＷｉＦｉ信号、衛星信号など）を送信および受信するためのアンテナを含むことができる。いくつかの変形例では、通信インターフェースは、データ処理サブシステム２１２がコンピュータ（たとえば、ラップトップ）とデータを交換してユーザインターフェースを操作者に提示することを可能にすることができる。ユーザインターフェースは、操作者が受信ステーション２０４に対する保守を制御または実行することを可能にすることができる。多くの変形例では、通信インターフェースは、システムオンチップ（ＳｏＣ）を含む。これらの変形例では、ＳｏＣは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）と組み合わされた中央演算処理装置（ＣＰＵ）とすることができる。しかし、他の構成のＳｏＣも可能である。
【0028】
いくつかの実装例では、受信ステーション２０４は、受信ステーション２０４に対する局所的基準時間および局所的基準位相のうちの一方または両方を設定するように構成されたローカルクロックサブシステム２１８を含む。ローカルクロックサブシステム２１８は、データ処理サブシステム２１２が時系列の特性データを局所的基準時間および局所的基準位相に相関させることを可能にすることができる。いくつかの変形例では、ローカルクロックサブシステム２１８は、受信ステーション２０１を位置付けるためのナビゲーションクロックを含む。たとえば、ローカルクロックサブシステム２１８は、局所的基準時間および位相がＧＰＳ信号（衛星通信が利用可能である場合）に基づくことを可能にするためのＧＰＳ受信器を含むことができる。いくつかの変形例では、ローカルクロックサブシステム２１８は、Ｃｓ／Ｒｂクロック、メーザー、水晶発振器、またはチップスケール原子クロックなどの予備クロックを含む。予備クロックとＧＰＳ受信器（存在する場合）を組み合わせて、局所的基準時間および位相を再同期させ、それによってローカルクロックサブシステム２１８をＧＰＳ信号によって操作することを可能にすることもできる。
【0029】
いくつかの実装例では、受信ステーション２０４は、受信ステーション２０４の位置を判定するように構成された慣性航法サブシステム２２０を含む。受信ステーション２０４が移動する変形例では、慣性航法サブシステム２２０はまた、受信ステーション２０４の動きを追跡するように構成することができる。慣性航法サブシステム２２０は、ローカルクロックサブシステム２１８と共有することができるナビゲーションクロックを含むことができる。慣性航法サブシステム２２０はまた、加速度計、ＧＰＳ受信器、ジャイロスコープ、またはこれらの何らかの組合せを含むことができる。慣性航法サブシステム２２０はまた、ＧＰＳポジショニングを利用して、受信ステーション２０４の位置を判定することができる。しかし、衛星通信が拒否された場合、慣性航法サブシステム２２０は、運動センサ（たとえば、加速度計、ジャイロスコープなど）を使用して、受信ステーション２０４の位置を追跡することができる。
【0030】
いくつかの実装例では、図２に示すように、複数の受信ステーション２０４の各々は、ローカルクロックサブシステム２１８を含む。これらの実装例では、例示的なレーダシステム２００は、伝送ステーション２０２および各受信ステーションのローカルクロックサブシステム２１８と同期信号を交換するように構成されたグローバルクロックステーションを含むことができる。同期信号は、例示的なレーダシステム２００に対する大域的基準時間および大域的基準位相を表す。
【0031】
さらなる実装例では、例示的なレーダシステム２００は、伝送ステーション２０２および複数の受信ステーション２０４と通信するように構成されたデータ制御センター２２２を含む。特定の場合、データ制御センター２２２は、グローバルクロックステーションを含むことができる。データ制御センター２２２はまた、それぞれの受信ステーション２０４からの複数の時系列の特性データに基づいて処理データを生成することを含む動作を実行するように構成される。処理データは、領域内の標的物体の特性を表す。動作はまた、伝送ステーション２０２、複数の受信ステーション２０４のうちの１つもしくは複数、または両方に処理データを通信することを含む。データ制御センター２２２は、例示的なレーダシステム２００の他のステーションとデータを交換するための通信インターフェースを含むことができる。いくつかの変形例では、通信インターフェースは、データ制御センター２２２が、遠隔位置にある基地局など、他の場所にある１つまたは複数のステーションとデータを交換することを可能にする。１つまたは複数のステーションは、陸上、空中（たとえば、飛行機）、水域（たとえば、ボート）、または宇宙（たとえば、衛星）に位置することができる。通信インターフェースは、データ制御センター２２２の通信層を画定することができ、光ファイバ、電気ケーブル（たとえば、イーサネットケーブル）、または両方に結合するように構成することができる。通信インターフェースはまた、無線信号（たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１規格によって定義されたＷｉＦｉ信号、衛星信号など）を送信および受信するためのアンテナを含むことができる。多くの変形例では、通信インターフェースは、システムオンチップ（ＳｏＣ）を含む。これらの変形例では、ＳｏＣは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）と組み合わされた中央演算処理装置（ＣＰＵ）とすることができる。しかし、他の構成のＳｏＣも可能である。
【0032】
動作中、データ制御センター２２２は、複数の時系列の特性データをともに融合することによって、処理データを生成することができる。たとえば、データ制御センター２２２は、２つ以上の受信ステーション２０４からの時系列の振幅データを融合して、処理データを生成することができる。別の例では、データ制御センター２２２は、２つ以上の受信ステーション２０４からの時系列の周波数データおよび時系列の偏光データを融合して、処理データを生成することができる。他の組合せの特性データも可能である。データ制御センター２２２は、例示的なレーダシステム２００のステーション２０２、２０４または例示的なレーダシステム２００と通信しているユーザに分配することができるように、複数の時系列の特性データを迅速に処理するために、大きい計算資源を有することができる。そのような分配は、光ファイバケーブル、電気ケーブル、または無線信号を介して行うことができる。そのデータ制御センター２２２はまた、データの分配を容易にするために、１つまたは複数の衛星と通信することができる。しかし、例示的なレーダシステム２００が配備されている場所および例示的なレーダシステム２００の環境に応じて、複数の通信方法およびチャネルを使用することができる。高速固定通信のためには、光ファイバケーブルが望ましい。いくつかの事例では、受信ステーションがＧＰＳポジショニング信号ではなくデータ制御センター２２２と通信することができる場合、例示的なレーダシステム２００を使用して、標的から生成されたリターン信号およびクラッタを使用することによって、受信ステーションの位置を取得することができる。たとえば、受信ステーションのうちの１つまたは複数が、例示的なレーダシステム２００内の残りのステーション２０２、２０４に対して動くことができる。
【0033】
グローバルクロックステーションは、例示的なレーダシステム２００全体にわたって正確なタイミングおよび位相情報を分配することができることを確実にするように動作可能である。グローバルクロックステーションは、メーザー、原子クロック、またはＧＰＳクロック（原子クロックに基づくことができる）に対応するグローバルクロックを含むことができる。いくつかの変形例では、グローバルクロックは、ＧＰＳによって操作される水晶発振器またはチップスケール原子クロックを含むことができる。同期信号は、各ステーション２０２、２０４およびデータ制御センター２２２の通信層によって画定された通信システムを介して分配することができる。いくつかの変形例では、同期信号は、伝送ステーション２０２によって放送される訓練シーケンスによって分配することができる。グローバルクロックステーションは、データ制御センター２２２と同じ場所に配置することができ、または別の安全な場所に配置することができる。
【0034】
いくつかの実装例では、伝送ステーション２００は、従来のレーダ伝送器またはアレイに基づく。しかし、増幅リュードベリ原子メーザーなどのデバイスを伝送器に対するソースとして使用することも可能である。これらのタイプの伝送器は指向性を有し、ネット状受信ステーション２０４を使用して標的物体に照準を定めるために使用することができる。言い換えれば、例示的なレーダシステム２００は、狭ビーム伝送器による追跡のために使用することができる。図２は１つの伝送ステーション２０２のみを有する例示的なレーダシステム２００を示すが、複数の伝送ステーション２０２も可能である。たとえば、各タイプの伝送器の利点とネット状の複数の受信ステーション２０４を組み合わせることで、従来の走査広域伝送器を使用して標的を見つけることができ、狭帯域幅伝送器を使用して標的に照準を定めることができる。また、複数の伝送ステーションが利用される場合、マルチラテレーションを改善することができる。
【0035】
いくつかの実装例では、受信ステーション２０４のうちの１つまたは複数は、追跡システムに結合されたフォトニック結晶受信器２０６を含む。追跡システムは、ギンブルドマウントを含む３軸モータ駆動式の機械駆動装置とすることができる。これらの実装例では、フォトニック結晶受信器２０６は、追跡システムによって判定される方向と位置合わせされる。いくつかの実装例では、レーザサブシステムは、入力光信号（たとえば、準備および読出し信号）を生成するためのレーザ、レーザ安定化デバイス（たとえば、レーザロックおよび同調基準）、レーザ周波数を切り換えるためのシステム、およびレーザサブシステムを制御するための低レベル電子機器を含む。複数のフォトニック結晶受信器２０６を含む受信ステーション２０４の場合、レーザサブシステムは、低減された数のレーザで複数のフォトニック結晶受信器２０６を駆動することを可能にするために、複数のレーザまたはスイッチを含むことができる。低レベル電子機器はまた、レーザ強度安定化ユニットおよび必要なアクチュエータを含むことができる。いくつかの実装例では、光検出サブシステムは、出力光信号を感知するための光検出器、および光検出サブシステムを制御するための低レベル電子機器を含む。
【0036】
いくつかの実装例では、受信ステーション２０４のうちの１つまたは複数は基準サブシステムを含み、基準サブシステムは、基準アンテナまたはリュードベリ原子メーザーを含むことができる。基準アンテナまたはリュードベリ原子メーザーは、細長いスロット内の蒸気の位置で基準信号およびリターン信号の両方を重ね合わせることによって、リターン信号の相対的な位相および周波数を判定するために使用することができる（たとえば、ヘテロダイン測定による）。同様に、ループで構成される多光子方法を使用して、リターン信号の位相および周波数偏移を判定することもできる。リュードベリ原子メーザーはまた、受信ステーションによって受信された基準信号またはリターン信号のための増幅器として使用することもできる。たとえば、基準信号は、フォトニック結晶受信器２０６と相互作用する基準アンテナから放出されたクロックＲＦ信号とすることができる。基準信号はまた、フォトニック結晶受信器と相互作用するリュードベリ原子メーザーからのＲＦ信号とすることができる。リュードベリ原子メーザーは、フォトニック結晶受信器２０６のための増幅器として作用するように構成することができる。リュードベリ原子メーザーはまた、誘電性材料から形成することができ、フォトニック結晶受信器２０６に使用されるものと同じレーザタイプによって準備または励起することができる。
【0037】
いくつかの実装例では、例示的なレーダシステム２００は、各ステーション２０２、２０４およびデータ制御センター２２２の通信インターフェースによって部分的に画定された通信層を含む。通信層は、１つまたは複数の受信ステーション２０４（またはそれぞれのデータ処理サブステーション２１２）に関連付けられたアプリケーション層２１４からデータを受信する。そのようなデータは、必要に応じて、ローカルインターフェースおよび記憶ユニット、データ制御センター２２２、ならびに／または他の受信ステーション２０４へ伝達することができる。各通信インターフェースに対するＳｏＣの構成は、ステーション２０２、２０４とデータ制御センター２２２との間の通信チャネルの数に依存する。構成はまた、通信チャネルの性質（たとえば、タイプ、伝達速度、電力要件など）に依存する。通信層は、通信チャネルを介して情報を送信および受信するために、通信インターフェースのトランシーバに依拠することができる。通信チャネルのためのプロトコルは、チャネルの性質、必要とされるデータ速度、および必要とされるタイミングに特有のものである。例示的なレーダシステム２００が小さい区域にわたって分配される実装例では、データ制御センター２２２へのポイントツーポイント通信のために、リュードベリ原子メーザーまたはレーザを使用することができる。通信層はまた、受信ステーションの位置（またはその動き）を表す交換同期信号およびデータを取り扱うことができる。
【0038】
いくつかの実装例では、受信ステーション２０４のうちの１つまたは複数は、ユーザインターフェースを提示するためにディスプレイを有するコンピュータまたは専用のＳｏＣを含む。ディスプレイはまた、時系列の特性データまたは標的物体の１つもしくは複数の特性などのレーダデータを提示することができる。ユーザインターフェースは、例示的なレーダシステム２００に対する保守を調整または実行するために使用することができる。たとえば、ユーザインターフェースを使用して、レーザサブシステムのレーザを手動で再ロックすること、またはロック（または再ロック）されたレーザを監視することができる。データ記憶もまた、ユーザインターフェースに関連付けることができる。ディスプレイは、通信層の一部である通信インターフェースを介して、１つまたは複数の受信ステーション２０４に接続することができる。
【0039】
図３を次に参照すると、レーダ信号を変換および処理する例示的なレーダ方法３００の概略図が提示されている。例示的なレーダ方法３００は、受信ステーション、またはより具体的にはその中のフォトニック結晶受信器でレーダ信号を受信することから開始することができ、受信ステーションの操作者によって終了することができる。例示的なレーダ方法３００は、領域内の標的物体を検出するために使用することができ、操作者は、ローカルユーザインターフェース（たとえば、受信ステーションと通信しているラップトップまたはコンピュータ）を介して受信ステーションと対話することができる。この概略図は、レーダ信号測定の流れ、および受信ステーションの異なる構成要素がレーダ信号測定を実現するためにどのようにともに機能するかを示す。レーダ信号は、領域内の１つまたは複数の物体から散乱するＲＦ電磁放射のプローブ信号に応答して生成されたＲＦ電磁放射のリターン信号によって画定することができる。リターン信号に対するフォトニック結晶受信器内の蒸気の応答が、時系列の特性データに変換される。蒸気の応答がフォトニック結晶受信器から読み出されて、分光信号を生成する（たとえば、Ａｕｔｌｅｒ－Ｔｏｗｎｅｓ分割またはプローブレーザ振幅）。これらの動作は、フォトニック結晶受信器、レーザサブシステム、および光検出サブシステムの協調作用によって行われる。結果として得られる分光データは時間シーケンスに変換され、この時間シーケンスをローカルクロックサブシステムと同期させて、アプリケーション層の下位レベルで正確なタイミングおよび位相情報を提供する。
【0040】
データ処理サブシステムによって制御されるアプリケーション層はまた、時系列の特性データを、範囲（または場所）、速度、微分偏光、形状、および組成などの標的物体の特性に変換する。変換された後、通信層は、生データ（たとえば、複数の時系列の特性データおよび複数の時系列の特性データ）を、ローカルユーザインターフェースおよび記憶システム、データ制御センター、ならびにポインティングおよび追跡システムに渡す。グローバルクロックステーションを使用して、受信ステーションのローカルクロックサブシステムを同期させ、ローカルクロックサブシステムは、局所的基準時間および位相を提供して時間シーケンスデータを生成する。ローカルクロックサブシステムはまた、受信ステーションの位置を生成するために慣性航法サブシステムによって使用されるナビゲーションクロックを含むことができる。受信ステーションの位置は、データ制御センターに通信することができる。ローカルクロックサブシステムは、ＧＰＳ信号が利用可能でない場合、慣性航法サブシステムに対応することができる。データ制御センターによって融合（または処理）されたデータはまた、ポインティングおよび追跡システムによって利用することができる。
【0041】
いくつかの実装例では、例示的なレーダ方法３００は、伝送ステーションの動作によって、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ伝送することを含む。例示的なレーダ方法３００はまた、受信ステーションの動作によって、領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を処理することを含む。リターン信号は、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づく。リターン信号を処理することは、受信ステーションのフォトニック結晶受信器で、領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を受信することを含む。フォトニック結晶受信器は、図２に関連して説明したフォトニック結晶受信器に類似している。例示的なレーダ方法３００は、受信ステーションの光学システムの動作によって、フォトニック結晶受信器からの光信号に基づいて分光データを生成することをさらに含む。分光データは、標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を表す。例示的なレーダ方法３００はまた、受信ステーションのデータ処理サブシステムの動作によって、分光データに基づいて時系列の特性データを生成することを含む。時系列の特性データは、標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を経時的に表す。
【0042】
いくつかの実装例では、伝送ステーションからのプローブ信号が、ネット状レーダシステムの有効区域内の標的を精査するために送出される。放出することができるプローブ信号は極めて一般的であり、異なる位相、振幅、および偏光を有するパルスシーケンスを含むことができる。バーカー符号は、レーダパルスのタイプの一例である。フォトニック結晶受信器は、標的物体からの小さい反射信号（たとえば、リターン信号）を検出する。この放射は、フォトニック結晶受信器内の蒸気に入射する。入力光信号は、リュードベリ原子受信器に使用されるレーザ光で運ばれる。出力光信号は、光ファイバケーブルを介して光学システムへ進み、光学システムが分光データを生成する。振幅、位相、周波数、偏光、またはこれらの任意の組合せなどの特性を、分光データから抽出することができる。時間の関数であるこれらの特性は、ローカルクロックサブシステムからのクロックタイミングデータを使用してアプリケーション層内で構築される。次いで、この時間シーケンスデータを使用して、範囲（または場所）、速度、形状、および組成などの標的物体の特性を抽出する。特性を表すデータは、通信層を通ってデータ制御センターへ伝達することができ、したがって他の受信ステーションからのデータと統合することができる。そのような統合の結果、標的物体およびその特性をより良好に識別することができる処理データが得られる。そのような統合はまた、標的物体をクラッタおよび干渉からより良好に区別することを可能にすることができる。所望される場合、受信ステーションへ戻るローカルデータおよび融合データを使用して、標的物体の追跡を助けることができる。
【0043】
例示的なレーダ方法３００は、受信ステーションの慣性航法サブシステムの動作によって、受信ステーションの位置を判定することを含む。慣性航法サブシステム（ＩＮＳ）は、ＧＰＳ信号が拒否された場合、受信ステーションの位置を維持する。しかし、ＧＰＳ衛星との通信が利用可能である場合、ＧＰＳ信号を使用して、受信ステーションの位置を取得することができる。ＩＮＳは、ＧＰＳポジショニング信号が拒否されているときに受信ステーションの位置が動いた場合にのみ必要とされうる。受信ステーションの位置は、通信インターフェースを介して通信層を通ってデータ制御センターへ中継することができる。例示的なレーダ方法３００はまた、受信ステーションのローカルクロックサブシステムの動作によって、受信ステーションに対する局所的基準時間および局所的基準位相を設定することを含む。ローカルクロックサブシステムはまた、ナビゲーションクロックをＩＮＳと共有することができる。ナビゲーションクロックは、グローバルクロックステーションからの同期信号を使用して同期させることができる。同期信号は、通信インターフェースを介して通信層を通って伝送することができる。いくつかの事例では、同期信号は、伝送ステーションによって放出されるタイミング信号に基づく。伝送ステーションの位置を表すデータもまた、通信システムまたはデータ制御センターを通って通信することができる。いくつかの変形例では、レーダ受信器は、データ融合センターまたは局所的に獲得したレーダデータを介して受信ステーションへ通信されるデータを使用して標的物体を追跡するように、誘導または使用することができる。このデータを使用して、モータ式のギンブルドマウントなどの機械３軸ポインティングデバイスを駆動することができる。
【0044】
レーダシステムは、フォトニック結晶受信器を組み込む１つまたは複数の受信ステーションを含むことができる。フォトニック結晶受信器は、蒸気状態の原子を使用して動作することができ、これはリュードベリ原子に基づく感知に対応することができる。多くの変形例では、フォトニック結晶受信器は、ＭＨｚ－ＴＨｚ周波数の無線周波（ＲＦ）波を取得し、それらの波を光信号に変換するように構成されており、この光信号は電気信号に変換することができる（たとえば、光検出器を使用）。光信号の生成は、変換媒体として働いてＲＦ波と相互作用する蒸気状態の原子によって支援される。いくつかの実装例では、フォトニック結晶受信器は、蒸気またはリュードベリ原子の位置でＲＦ波の電界を強化する。たとえば、フォトニック結晶受信器は、フォトニック結晶を使用して、ＲＦ波を導波路内に集中させて減速させることができる。そのような強化により、フォトニック結晶受信器の感度を従来のレーダ受信器以上の大きさまで増大させることができる。多くの実装例では、フォトニック結晶受信器は、ＲＦ波（またはＲＦ電磁放射）の電界を強化するように動作可能なモノリシックのフォトニック結晶フレームを含む。いくつかの実装例では、フォトニック結晶受信器は受信器システムに組み込まれる。受信器システムは、レーザと、レーザからの光をフォトニック結晶受信器に光学的に結合する光ファイバ回路とを含むことができる。受信器システムはまた、信号処理が可能な検出およびデジタル制御システムを含むことができる。
【0045】
本明細書に記載するいくつかの態様では、フォトニック結晶受信器は、リュードベリ原子に基づく感知を利用して、無線およびｍｍ波周波数の標的電磁放射に対する高い感度を提供する。標的電磁放射を感知するために、蒸気状態の原子が構造に含まれる。フォトニック結晶受信器は、フォトニック結晶フレームを作製し、次いで４つまたは２つの光学窓をフレームに接合することによって構築することができる。フレームにはテーパ状のシリコンアンテナが一体化されており、このアンテナはまた、偏光フィルタを含むことができる。フォトニック結晶フレームは、シリコンなどの誘電性材料から形成することができる。しかし、ＢａＬｎ2Ｔｉ4Ｏ12（ＢＬＴ）など、低損失（または低吸収）の他の高誘電性材料も可能であり、ここでＬｎは、元素周期表のランタニド群からの１つまたは複数の元素を指す。光学窓はまた、ガラスまたはシリコンなどの誘電性材料から形成することができる。フレームおよび光学窓の誘電性材料は、フォトニック結晶フレーム上の粘着層（たとえば、シリコンまたは二酸化ケイ素）の支援によって接合することができる。次いで標的電磁放射を光学的に読み出すことができる。フォトニック結晶受信器は大規模に正確に製造することができ、センサは原子であるため、フォトニック結晶受信器は自己較正することができる。
【0046】
フォトニック結晶フレームは、フォトニック結晶を画定する孔の周期的な配置に配置された線欠陥を含むことができる。たとえば、線欠陥は、孔の周期的な配置における１行の「充填」孔、たとえば孔の不在に対応することができる。線欠陥内の中心に細長いスロットを配置して、スロット導波路を画定することができる。ＩＡ属原子の蒸気（たとえば、セシウム原子の蒸気、ルビジウム原子の蒸気など）などの蒸気が、細長いスロットを占めることができる。細長いスロット内の蒸気は、フォトニック結晶フレームに入射するＲＦ電磁放射（たとえば、ＲＦ波）を感知するように動作可能である。ＲＦ電磁放射は、細長いスロット内で強化または増強することができ、フォトニック結晶構造の存在のためによりゆっくりと進む群速度を有することができる。アンテナ構造（たとえば、テーパ状突起）および偏光フィルタは、ＲＦ電磁放射を線欠陥および細長いスロットに効率的に結合するように設計することができる。
【0047】
製造中、制御された真空（または分圧）条件下で、フォトニック結晶受信器に蒸気を導入することができる。低温接触接合を使用して、細長いスロット内の蒸気を真空封止することができる。スロットを原子で充填する他の方法を使用することもできる。たとえば、導管によって細長いスロットに接続された空洞内に、パラフィンに入ったアルカリサンプルまたはレーザ活性化ゲッタ（ＳＡＥＳ）を配置することができる。蒸気のこれらの供給源は、供給源にエネルギーを誘導すること（たとえば、レーザによる加熱）によって、後に活性化することができる。蒸気が細長いスロット内に純粋なまま残るように、光学窓のうちの１つ、または光学窓のうちの１つの充填孔を接触接合することができる。両方の窓の陽極接合も同様に可能な封止方法である。しかし、接合、たとえば陽極接合の他の方法では、接合を形成するために、フォトニック結晶フレームおよび光学窓に高温、高圧、または両方を印加する必要がある。そのような印加は、著しいガス抜けを招く可能性があり、フォトニック結晶受信器の性能を損なうことがある。いくつかの場合、リュードベリ原子に基づく電界感知のために、原子の純粋な蒸気（たとえば、セシウム原子の純粋な蒸気）が使用される。いくつかの変形例では、小さい心棒を使用して、フォトニック結晶受信器を充填することができる。これらの変形例では、心棒を通って細長いスロットに蒸気を装填する前に、両方の光学窓をフォトニック結晶フレームに陽極接合またはフリット接合することができる。
【0048】
フォトニック結晶フレームは、インピーダンス整合によってフォトニック結晶受信器の異なる区分間の結合損失を最小にするために、１つまたは複数のテーパを含むことができる。たとえば、動作中、フォトニック結晶フレームは、誘電体の端部から延びるテーパ状突起によって、ＲＦ電磁放射を捕捉することができる。テーパ状突起は、アンテナ構造を画定し、いくつかの事例では、特有の偏光をフィルタリングする偏光器を含む。フォトニック結晶フレームにおける孔の周期的な配置もまた、標的ＲＦ電磁波を制御された形で減速させるために、先細りさせる（またはずらす）ことができる。第２のカプラを使用して、捕捉したまたは受信した波をフォトニック結晶フレーム内の領域（または細長いスロット）に結合することができる。たとえば、第２のカプラは、１つまたは複数のチャネルによって画定されたテーパ状突起の内部にあるテーパとすることができる。いくつかの変形例では、フォトニック結晶フレームは、線欠陥（または細長いスロット）におけるＲＦ電磁放射の電界強度を増幅するために、フォトニック結晶空洞を含む。フォトニック結晶空洞は、線欠陥の一端または両端近傍の孔の間隔を先細りさせて（またはずらす）、それらの領域にフォトニック結晶受信器の軸に沿ってＲＦ電磁放射を前後に反射させることによって実装することができる。いくつかの変形例では、フォトニック結晶フレームは、孔の周期的な配置のサイズまたは間隔を選択することなどによって、標的周波数または周波数範囲の電磁波を捕捉するように構成することができる。
【0049】
フォトニック結晶受信器は、動作中、２つ以上の読出しレーザ（たとえば、結合レーザおよびプローブレーザ）に光学的に結合することができる。そのような光学的結合は、自由空間を介して、光ファイバなどの導波路によって、またはそれらのいくつかの組合せによってもたらすことができる。動作中、標的電磁場が蒸気に与える影響が光学場で符号化され、これを検出器へ搬送することができる。検出器によって生成された信号は、次にアナログまたはデジタル電子機器を使用して処理することができる。フォトニック結晶受信器の感度を強化するために、レーザからの光ビームによる様々な変調技法を使用することもできる。そのような変調技法の例には、周波数、振幅、または位相変調方法が含まれる。
【0050】
いくつかの変形例では、フォトニック結晶受信器のフォトニック結晶フレームは、横磁場（ＴＭ）放射および横電場（ＴＥ）放射のうちの一方または両方に対するバンドギャップを有するフォトニック結晶構造を含む。フォトニック結晶構造は、空隙または空洞の周期的な配置（たとえば、孔の周期的な配置）を含むことができ、ＴＭおよびＴＥ放射は、特有の標的周波数または周波数範囲に対応することができる。フォトニック結晶フレームはまた、ＴＭおよびＴＥ放射の偏光を感知するように構成することができる。いくつかの変形例では、受信器のフォトニック結晶構造は、標的電磁放射の群速度を低減させ、それによって細長いスロット内に配置された蒸気との相互作用時間、ならびに電界の強度を増大させる働きをする。
【0051】
電磁放射を感知するための蒸気またはリュードベリ原子を含む蒸気セルを構築する特定の従来の製造方法は、ガラス吹きに依拠しており、これは小さい構造を作るには不正確になりかつ使用するのが困難になる可能性がある。精度を改善するために、精密な機械加工プロセス（たとえば、レーザおよびリソグラフィ）および低温接合プロセスを使用して、フォトニック結晶受信器を製造することができる。たとえば、フォトニック結晶フレームは、レーザを使用してシリコンから機械加工し、次いで少なくとも１つの光学窓に接触接合することができる。フォトニック結晶フレームと光学窓との間の封止接合は約１５０℃以下で形成することができるため、フォトニック結晶受信器（たとえば、一方または両方の光学窓）にスピン緩和防止コーティングを施して、積分時間を増大させることができる。したがって、フォトニック結晶受信器は、蒸気セルの磁気測定など、他の応用例にも使用することができる。精密な機械加工プロセスにより、フォトニック結晶受信器を自己較正することが可能になる。自己較正は、マルチスタティックレーダシステムにおけるクラッタの解消のようなタスクを実現するのに有用である。さらに、異なる受信器のそれぞれの信号レベルを絶対的な感覚で互いに比較することができる。
【0052】
多くの実装例では、フォトニック結晶受信器は、モノリシックに構成されている。たとえば、図面に示す例示的なフォトニック結晶受信器は、外側蒸気セル内に密閉されることも、吹きガラス部分を有することもなく、これらはいずれも入射電磁放射を歪ませて、効率を低下させる可能性がある。フォトニック結晶受信器はまた、固有の導波路を形成する単一の蒸気セルへの光減速構造、スロット構造、およびフォトニック空洞構造のシームレスな統合を含むことができる。この構成は、自動化された製造に適しており、大きい生産量まで容易に規模を拡大することができる。
【0053】
多くの変形例では、フォトニック結晶受信器の構成要素は全誘電性材料から作られており、したがって複数の事例を同じ近傍に配置することができる。この近接した配置により、近接して隔置されたフォトニック結晶受信器群としての動作が可能になる。誘電性材料により、フォトニック結晶受信器群は、隣接する受信器からの干渉が最小でありかつ交差結合が特に低減された状態で動作することが可能になる。干渉および交差結合は、複数のアンテナを同じ区域内に配置するレーダおよび通信において顕著な問題になりうる。
【0054】
図４Ａを次に参照すると、例示的な心棒のない蒸気セル４００および例示的なフォトニック結晶受信器４２０の概略図が提示されている。例示的な心棒のない蒸気セル４００は、２つの光学窓４０４、４０６間に配置（および接合）された誘電体４０２を含む。例示的な心棒のない蒸気セル４００の誘電体４０２は、蒸気（たとえば、Ｃｓ原子の蒸気）を含む円筒形の空洞４０８を含む。例示的なフォトニック結晶受信器４２０はまた、２つの光学窓４２４、４２６間に配置（および接合）された誘電体４２２を含む。しかし、例示的な心棒のない蒸気セル４００とは異なり、例示的なフォトニック結晶受信器４２０の誘電体４２２は、フォトニック結晶フレーム４２８（または構造）を画定する。フォトニック結晶フレーム４２８は、フォトニック結晶を画定する孔４３０の周期的な配置を含む。フォトニック結晶フレーム４２８はまた、孔４３０の周期的な配置に欠陥４３２を含む。欠陥４３２は、孔４３０の周期的な配置における１行の「充填」孔、たとえば孔の不在に対応することができる。
【0055】
欠陥４３２の中心に細長いスロット４３４を配置することができる。孔４３０の周期的な配置、欠陥４３２、および細長いスロット４３４は、フォトニック結晶フレーム４２８内に導波路を画定するようにともに動作することができる。この線形の空洞を、ＩＡ属原子の蒸気（たとえば、セシウム原子の蒸気、ルビジウム原子の蒸気など）などの蒸気が占めることができる。多くの変形例では、フォトニック結晶フレーム４２８は、例示的なフォトニック結晶受信器４２０に入射する電磁放射（たとえば、ＲＦ放射）に結合するために、テーパ状突起などのアンテナ構造４３６を含む。フォトニック結晶フレーム４２８の特徴により、特に例示的な心棒のない蒸気セル４００に対して、電磁放射（たとえば、電界）への例示的なフォトニック結晶受信器４２０の感度が改善される。そのような改善は、少なくとも３桁分（すなわち、１０3）高くことができる。またフォトニック結晶フレーム４２８の特徴により、例示的なフォトニック結晶受信器４２０が電磁放射の偏光に対して高い感度を有することを可能にすることができる。
【0056】
例示的なフォトニック結晶受信器４２０は、電磁放射に対するその感度をさらに改善するために、ディッシュとともに使用することができる。たとえば、図５は、ディッシュ５０２およびフォトニック結晶受信器５０４を含む例示的なアンテナ５００の概略図を提示する。例示的なアンテナ５００は、ヘテロダイン検出のために構成することができる。ディッシュ５０２は、焦点を画定する放物線状の断面を有しており、フォトニック結晶受信器５０４は、ディッシュ５０２によって集束された電磁放射を受信するように、焦点（またはその付近）に配置される。例示的なアンテナ５００はまた、ガウシアンまたは基準／ヘテロダインビーム３０８をフォトニック結晶受信器５０４内へ集束させるために、ディッシュ５０２の頂点に光学系５０６を含む。基準ビームは、標的電磁場キャリア周波数またはその付近の周波数を有するアンテナまたはメーザー(たとえば、リュードベリ原子メーザー)によって生成された電磁波とすることができる。基準ビームを使用してヘテロダイン検出を行うことができ、これには全体的な受信器をある程度金属性にすることを伴うことができる。アンテナは、標的電磁場のヘテロダイン検出を実施するために低放出電力で使用することができることから、小型にすることができ、有利となりうる。
【0057】
例示的なフォトニック結晶受信器４２０は、心棒のない蒸気セル４００などのそのままの蒸気セルと比較すると、高周波電磁場（ＭＨｚ～ＴＨｚ）に対する受信器の感度を１０００倍より大きく増大させるように、入射場を集中および減速させるように構成することができる。フォトニック結晶空洞はまた、電磁場強度をさらに増大させるために使用することができる。空洞は、反射性構造を作るようにフォトニック結晶導波路の端部でテーパを変化させることによって実装することができる。例示的なフォトニック結晶受信器４２０は、所望される場合に偏光器として働くことができるテーパ状カプラを含むことができ、スロット導波路への結合の損失を低減させるためにテーパを含むこともでき、損失が低減されるように制御された形で入射電磁波を減速させるためにテーパアレイ状の孔をさらに含むことができる。例示的なフォトニック結晶受信器４２０は、ディッシュ（たとえば、図５のディッシュ５０２）を使用して、入ってくる電磁放射をカプラ上へ集束させることができる。これらの異なる特徴は、独立してまたは任意の組合せで使用することができる。多くの構成では、例示的なフォトニック結晶受信器４２０は、小型で自己較正式の全誘電性受信器であり、従来の受信器より性能が優れており、感度が最善の受信器に匹敵する。本明細書では、「全誘電性」という用語は、従来の受信器より電磁透過性の高い材料構造を指す。例示的なフォトニック結晶受信器４２０のいくつかの事例は、誘電性構造のため、最小の干渉および交差結合でまとめることができる。例示的なフォトニック結晶受信器４２０はまた、従来のアンテナより強化された偏光感度を呈することができる。例示的なフォトニック結晶受信器４２０は、商品化のために確実に自動化および大量生産することができるように設計される。
【0058】
図４Ｂを次に参照すると、無線周波（ＲＦ）電磁放射を感知するための例示的な受信器４５０（または例示的なフォトニック結晶受信器４５０）の概略斜視図が提示されている。例示的な受信器４５０は、図４Ａに関連して説明したフォトニック結晶受信器４２０に類似したものとすることができ、ＲＦ電磁放射は、１ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数（または複数の周波数）を有することができる。例示的な受信器４５０は誘電体４５２を含み、誘電体４５２は、例示的な受信器４５０によって測定される電界（または電磁放射）に対して実質的に透過性を有する材料から形成することができる。材料は、高い抵抗率、たとえばρ＞１０3Ω・ｃｍを有する絶縁材料とすることができ、単結晶材料、多結晶材料、または非晶質（またはガラス）材料にも対応することができる。たとえば、誘電体４５２は、シリコンから形成することができる。別の例では、誘電体４５２は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、またはアルミノケイ酸ガラスなどの酸化ケイ素（たとえば、ＳｉＯ2、ＳｉＯxなど）を含むガラスから形成することができる。いくつかの事例では、誘電体４５２の材料は、酸化マグネシウム（たとえば、ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（たとえば、Ａｌ2Ｏ3）、二酸化ケイ素（たとえば、ＳｉＯ2）、二酸化チタン（たとえば、ＴｉＯ2）、二酸化ジルコニウム（たとえば、ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（たとえば、Ｙ2Ｏ3）、酸化ランタン（たとえば、Ｌａ2Ｏ3）などの酸化物材料である。酸化物材料は、非化学量論的（たとえば、ＳｉＯx）とすることができ、１つまたは複数の二元酸化物（たとえば、Ｙ：ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3など）の組合せとすることもできる。特定の変形例では、この組合せは、ＢａＬｎ2Ｔｉ4Ｏ12に対応することができ、ここでＬｎは、元素周期表のランタニド群からの１つまたは複数の元素を指す。他の事例では、誘電体４５２の材料は、ケイ素（Ｓｉ）、ダイヤモンド（Ｃ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）などの非酸化物材料である。
【0059】
誘電体４５２は、誘電体４５２内にフォトニック結晶構造４５６を画定するように周期的に並べられたアレイ状空洞４５４を含む。アレイ状空洞４５４は、部分的または完全に誘電体４５２を通って延びることができる。たとえば、アレイ状空洞４５４は、アレイ状の非貫通孔とすることができ、または図４Ｂに示すように、アレイ状の貫通孔とすることができる。アレイ状空洞４５４はまた、部分的または完全に誘電体４５２を通って延びる部分に分割することができる。たとえば、アレイ状空洞４５４は、部分的に誘電体を通って延びる第１の部分（たとえば、非貫通孔）と、完全に誘電体を通って延びる第２の部分（たとえば、貫通孔）とを含むことができる。図４Ｂはアレイ状空洞４５４を円形貫通孔のアレイとして示すが、アレイ状空洞４５４に対して他の形状（たとえば、六角形、長円形など）も可能である。アレイ状空洞４５４は、１０μｍ～１５ミリメートルの範囲内の最大寸法（たとえば、直径）を有することができる。最大寸法は、各空洞に対して同じにすることができる。いくつかの変形例では、アレイ状空洞４５４の各々は、０．５ミリメートル～１０ミリメートルの範囲内の最大寸法を有する。いくつかの変形例では、アレイ状空洞４５４は、０．９ミリメートル～１５ミリメートルの範囲内の周期的な間隔を有する。いくつかの変形例では、誘電体４５２は、０．５ミリメートル～１０ミリメートルの範囲内の厚さを有する板である。
【0060】
誘電体４５２はまた、フォトニック結晶構造４５６内に欠陥を画定するアレイ状空洞４５４内の領域４５８を含む。多くの変形例では、領域４５８は、空洞の不在によって画定されたアレイ状空洞４５４内の中実領域である。空洞の不在は、フォトニック結晶構造４５６の欠陥に対応することができる。たとえば、欠陥は、１行または１列の「充填」空洞とすることができる。しかし、他のパターンの「充填」空洞も可能である。いくつかの変形例では、図４Ｂに示すように、領域４５８は、誘電体４５２の中心に配置することができる。誘電体４５２は、誘電体４５２の表面４６４内のスロット開口４６２から少なくとも部分的に誘電体４５２を通って延びる領域４５８を通る細長いスロット４６０をさらに含む。いくつかの変形例では、図４Ｂに示すように、細長いスロット４６０は、領域の中心に配置され、誘電体４５２の長手方向軸に沿って位置合わせされる。例示的な受信器４５０の動作中、フォトニック結晶構造４５６、領域４５８、および細長いスロット４６０は、ＲＦ電磁放射に対する導波路としてともに機能することができることが理解されよう。
【0061】
いくつかの実装例では、フォトニック結晶構造４５６は、例示的な受信器４５０に対するフォトニックバンドギャップを画定する。たとえば、フォトニック結晶構造４５０は、ＲＦ電磁放射の横磁場（ＴＭ）モードに関連するフォトニックバンドギャップを画定することができる。別の例では、フォトニック結晶構造４５６は、ＲＦ電磁放射の横電場（ＴＥ）モードに関連するフォトニックバンドギャップを画定することができる。ＲＦ電磁放射に対するＴＭおよびＴＥモードの組合せも可能である。
【0062】
いくつかの実装例では、フォトニック結晶構造４５６は、１００ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数を有する標的ＲＦ電磁放射の群速度を減少させるように構成される。そのような構成は、アレイ状空洞４５４のうちの１つもしくは複数の空洞のサイズを選択すること、アレイ状空洞４５４のうちの１つもしくは複数の空洞の間隔を選択すること、アレイ状空洞４５４の順序を選択すること、および／または誘電体４５２の厚さを選択することを伴うことができる。他の特性（たとえば、誘電体４５２の材料を選択すること）も可能である。いくつかの場合、フォトニック結晶構造４５６の構成は、数値モデル化によって判定することができる。標的ＲＦ電磁放射の群速度を減少させるための例示的な構成は、図９、図１１Ａ～図１１Ｂ、および図１４Ａ～図１４Ｃに関連して後述する。
【0063】
いくつかの実装例では、フォトニック結晶構造４５６は、標的ＲＦ電磁放射を細長いスロット４６０に集中させるように構成される。標的ＲＦ電磁放射は、１００ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数を有する。そのような構成は、アレイ状空洞４５４のうちの１つもしくは複数の空洞のサイズを選択すること、アレイ状空洞４５４のうちの１つもしくは複数の空洞の間隔を選択すること、アレイ状空洞４５４の順序を選択すること、および／または誘電体４５２の厚さを選択することを伴うことができる。他の特性（たとえば、誘電体４５２の材料を選択すること）も可能である。いくつかの場合、フォトニック結晶構造４５６の構成は、数値モデル化によって判定することができる。標的ＲＦ電磁放射を細長いスロットに集中させるための例示的な構成は、図１０Ａ～図１０Ｂおよび図１４Ａ～図１４Ｃに関連して後述する。
【0064】
いくつかの実装例では、フォトニック結晶構造４５６は、標的ＲＦ電磁放射の向きを変える（たとえば、反射する）ように構成されたフォトニック結晶ミラーを含むことができる。たとえば、アレイ状空洞４５４は、アレイ４５４内の概念上の周期的な位置から空間的にずらされた１つまたは複数のずれた空洞を含むことができる。１つまたは複数のずれた空洞は、フォトニック結晶ミラーを画定することができる。いくつかの変形例では、１つまたは複数のずれた空洞は、細長いスロットの端部の最も近くに位置し、細長いスロットの端部から離れる方にそれぞれの空間的なずれを有する。いくつかの変形例では、１つまたは複数のずれた空洞は、細長いスロットの側面の最も近くに位置し、細長いスロットの側面から離れる方にそれぞれの空間的なずれを有する。
【0065】
例示的な受信器４５０はまた、細長いスロット４６０内に蒸気または蒸気源を含むことができる。蒸気は、アルカリ金属原子のガス、希ガス、二原子ハロゲン分子のガス、または有機分子のガスなどの成分を含むことができる。たとえば、蒸気は、アルカリ金属原子のガス（たとえば、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓなど）、希ガス（たとえば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒなど）、または両方を含むことができる。別の例では、蒸気は、二原子ハロゲン分子のガス（たとえば、Ｆ2、Ｃｌ2、Ｂｒ2など）、希ガス、または両方を含むことができる。さらに別の例では、蒸気は、有機分子のガス（たとえば、アセチレン）、希ガス、または両方を含むことができる。他の成分を含む蒸気に対する他の組合せも可能である。蒸気源は、熱、紫外放射への露出、レーザ光による照射などのエネルギー刺激に応答して蒸気を生成することができる。たとえば、蒸気は、アルカリ金属原子のガスに対応することができ、蒸気源は、細長いスロット４６０に入れられたときに固相または液相になるように十分に冷却されたアルカリ金属塊に対応することができる。
【0066】
例示的な受信器４５０は、細長いスロット４６０を覆っており、スロット開口４６２の周りに封止を形成するように誘電体４５２の表面４６４に接合された窓面を有する光学窓４６６をさらに含むことができる。光学窓４６６は、接触接合、陽極接合、ガラスフリット接合などを使用して、誘電体４５２に接合することができる。そのような接合は、開示が全体として参照により本明細書に組み込まれている、「Ｖａｐｏｒ Ｃｅｌｌｓ Ｈａｖｉｎｇ Ｏｎｅ ｏｒ Ｍｏｒｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｂｏｎｄｅｄ ｔｏ ａ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｏｄｙ」という名称の米国特許第１０，８５９，９８１号に記載されている技法を使用して形成することができる。光学窓４６６は、蒸気を精査するために使用される電磁放射（たとえば、レーザ光）に対して透過性を有する材料から形成することができる。たとえば、光学窓４６６は、電磁放射の赤外波長（たとえば、７００～５０００ｎｍ）、電磁放射の可視波長（たとえば、４００～７００ｎｍ）、または電磁放射の紫外波長（たとえば、１０～４００ｎｍ）に対して透過性を有することができる。さらに、光学窓４６６の材料は、高い抵抗率、たとえばρ＞１０3Ω・ｃｍを有する絶縁材料とすることができ、単結晶材料、多結晶材料、または非晶質（またはガラス）材料にも対応することができる。たとえば、光学窓４６６の材料は、石英、石英ガラス、またはホウケイ酸ガラス内に見られるような酸化ケイ素（たとえば、ＳｉＯ2、ＳｉＯxなど）を含むことができる。別の例では、光学窓４６６の材料は、サファイアまたはアルミノケイ酸ガラス内に見られるような酸化アルミニウム（たとえば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌxＯyなど）を含むことができる。いくつかの事例では、光学窓４６６の材料は、酸化マグネシウム（たとえば、ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（たとえば、Ａｌ2Ｏ3）、二酸化ケイ素（たとえば、ＳｉＯ2）、二酸化チタン（たとえば、ＴｉＯ2）、二酸化ジルコニウム（たとえば、ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（たとえば、Ｙ2Ｏ3）、酸化ランタン（たとえば、Ｌａ2Ｏ3）などの酸化物材料である。酸化物材料は、非化学量論的（たとえば、ＳｉＯx）とすることができ、１つまたは複数の二元酸化物（たとえば、Ｙ：ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3、ＢａＬｎ2Ｔｉ4Ｏ12など）の組合せとすることもできる。他の事例では、光学窓４６６の材料は、ダイヤモンド（Ｃ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）などの非酸化物材料である。
【0067】
いくつかの実装例では、光学窓４６６は、細長いスロット４６０および細長いスロット４６０にすぐ隣接する誘電体４５２の表面４６４（たとえば、領域４５８またはその一部分）のみを覆う。しかし、いくつかの実装例では、光学窓４６６は、フォトニック結晶構造４５６に付随する誘電体４５２の表面４６４も覆う。これらの実装例では、図４Ｂに示すように、誘電体４５２の表面４６４は、アレイ状空洞４５４の各々に対して空洞開口を画定する。光学窓４６６は、空洞開口の各々を覆う。さらに、光学窓４６６の窓面は、空洞開口の各々の周りに封止を形成する。
【0068】
細長いスロット４６０が部分的にのみ誘電体４５２を通って延びる実装例では、単一の光学窓を誘電体４５２に接合して、細長いスロット４６０内の蒸気または蒸気源を封止することができる。しかし、いくつかの実装例では、細長いスロット４６０は、誘電体４５２を通って延びることができる。これらの実装例では、２つの光学窓を誘電体４５２に接合して、細長いスロット４６０内の蒸気または蒸気源を封止することができる。たとえば、誘電体４５２の表面４６４を第４の表面とすることができ、誘電体４５２は、第１の表面とは反対側に第２の表面を含むことができる。このとき細長いスロット４６０は、誘電体４５２を通って第１の表面から第２の表面まで延びることができる。この場合、スロット開口４６２は、第１のスロット開口とすることができ、誘電体４５２の第２の表面は、細長いスロット４６０の第２のスロット開口を画定することができる。例示的な受信器４５０は、図４Ｂに示すように、第２のスロット開口を覆う第２の光学窓４６８を含むことができる。第２の光学窓は、第２のスロット開口の周りに封止を形成するように誘電体４５２の第２の表面に接合された第２の窓面を有する。
【0069】
いくつかの実装例では、第２の光学窓は、細長いスロット４６０および細長いスロット４６０にすぐ隣接する誘電体４５２の第２の表面（たとえば、領域４５８またはその一部分）のみを覆う。しかし、いくつかの実装例では、第２の光学窓はまた、フォトニック結晶構造４５６に付随する誘電体４５２の第２の表面も覆う。たとえば、誘電体４５２の第１および第２の表面は、アレイ状空洞４５４の各々に対してそれぞれ第１および第２の空洞開口を画定することができる。この場合、アレイ状空洞４５４は、誘電体４５２を通って第１の表面から第２の表面まで延びる。このとき第２の光学窓は、図４Ｂに示すように、それぞれ第２の空洞開口の各々を覆うことができる。さらに、第２の窓面は、第２の空洞開口の各々の周りに封止を形成することができる。
【0070】
いくつかの実装例では、誘電体４５２は、誘電体４５２の端部４７２から延びて細長いスロット４６０と位置合わせされたアンテナ構造４７０を含む。たとえば、アンテナ構造４７０は、誘電体４５２の端部４７２から延びてテーパ内で終端する突起とすることができる。アンテナ構造４７０は、１００ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数を有する標的ＲＦ電磁放射に結合するように構成することができる。そのような構成は、標的ＲＦ電磁放射に対する数値シミュレーションによって決定することができるアンテナ構造４７０の長さを選択することを伴うことができる。寸法の比、たとえば厚さ、幅、長さと幅の比、長さと厚さの比などを含む他の寸法を伴うこともできる。標的ＲＦ電磁放射に結合するためのアンテナ構造４７０の構成はまた、アンテナ構造４７０の形状またはアンテナ構造４７０の湾曲度を選択することを伴うことができる。形状、湾曲度、または両方もまた、数値シミュレーションによって決定することができる。
【0071】
いくつかの変形例では、アンテナ構造４７０は偏光器を含み、偏光器は、アンテナ構造４７０に一体化することができる。たとえば、アンテナ構造４７０は、細長いスロット４６０と位置合わせされた狭い部分を含むことができる。アンテナ構造４７０はまた、狭い部分から外方へ延びて狭い部分に沿って周期的な間隔を有するアレイ状の共平面セグメントを含むことができる。アレイ状の共平面セグメントは、標的ＲＦ電磁放射の偏光をフィルタリング（または選択）するように構成される。
【0072】
いくつかの変形例では、アンテナ構造４７０は、アンテナ構造４７０の内部にテーパ４７６を画定する１つまたは複数のチャネル４７４を含む。テーパ４７６は、アンテナ構造４７０によって受信した電磁放射、たとえば標的ＲＦ電磁放射を、細長いスロット４６０に結合するように構成される。その際、テーパ４７６は、細長いスロット４６０と位置合わせされた頂点４７８を有することができる。たとえば、アンテナ構造４７０は、誘電体４５２の端部４７２から延びる突起とすることができる。この場合、アンテナ構造４７０は、突起の内部にテーパを画定するＶ字状チャネルを含むことができる。このテーパの先端（または頂点）は、先端と位置合わせされた細長いスロット４６０の端部からずらすことができる。代替の事例として、図４Ｂに示すように、アンテナ構造４７０は、ベース部分４７４ａおよび２つの分岐部分４７４ｂを含むＹ字形チャネルを突起内に含むことができる。ベース部分４７４ａは、細長いスロット４６０と位置合わせされており、細長いスロット４６０の端部からずれた端部内で終端する。２つの分岐部分４７４ｂは、ベース部分４７４ａから分離して、突起の内部にテーパ（たとえば、テーパ４７６）を画定する。テーパ４７６に対して他の構成も可能である。
【0073】
動作の際、例示的な受信器４５０は、誘電体４５２のアンテナ構造４７０でＲＦ電磁放射を受信する。いくつかの事例では、例示的な受信器４５０は、アンテナ構造の内部にあるテーパ４７６を使用して、受信したＲＦ電磁放射を細長いスロット４６０に結合する。例示的な受信器４５２はまた、受信したＲＦ電磁放射をフォトニック結晶構造４５６と相互作用させる。そのような相互作用において、フォトニック結晶構造４５６は、受信したＲＦ電磁放射の群速度を、細長いスロット４６０に平行な方向に沿って減少させることができる。フォトニック結晶構造４５６はまた、受信したＲＦ電磁放射を細長いスロット４６０に集中させることができる。加えて、例示的な受信器は、細長いスロット４６０内の蒸気に入力光信号を通して、１つまたは複数の出力光信号を生成する。入力光信号は、１つまたは複数のレーザ（たとえば、プローブレーザ、結合レーザなど）によって生成することができる。いくつかの変形例では、例示的な受信器４５０は、ＲＦ電磁放射に対する例示的な受信器４５０の感度を改善するために、図５に関連して説明したディッシュ５０２などのディッシュとともに使用することができる。
【0074】
いくつかの実装例では、入力光信号を通すことは、細長いスロット４６０によって画定された光路に沿って入力光信号を伝播させることを含む。いくつかの実装例では、入力光信号を通すことは、細長いスロットの端部に配置されたミラーから入力光信号を反射することを含む。たとえば、例示的な受信器４５０は、細長いスロット４６０の端部に配置されたミラー４８０を含むことができる。ミラー４８０は、光路に対して傾斜する（たとえば、４５°傾斜する）ことができ、または図４Ｂに示すように、光路に直交することができる。そのような向きにより、ミラー４８０が光を細長いスロット４６０内へ誘導すること、蒸気を通って光を細長いスロット４６０に沿って誘導すること、および／または細長いスロット４６０から光を誘導することを可能にすることができる。ミラー４８０の例示的な位置および向きは、図８Ａ～図８Ｅに関連してさらに説明する。
【0075】
いくつかの実装例では、フォトニック結晶の空洞および構造は、蒸気セルの接合および機械加工方法を使用することによってアルカリ系の蒸気セルと一体化するのに理想的である。ＭＨｚ～ＴＨｚの放射のための集中要素として作用するフォトニック結晶構造は、レーザ（たとえば、Ｐｒｏｔｏｌａｓｅｒ Ｒツール）、機械加工、または深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用して構造内に機械加工された空洞を有することができる。次に、空洞（たとえば、細長いスロット）は、たとえば空洞をアルカリ蒸気環境に封止すること、パラフィンで被覆されたアルカリ原子を空洞に入れること、および／またはレーザ活性化ゲッタ源を空洞に入れることによって、蒸気で充填することができる。高純度のアルカリ原子源（たとえば、アルカリ原子の固体塊）を、直接空洞に入れることもできる。フォトニック構造は、入射した高周波電界を蒸気内で集中させて束にするように設計することができる。蒸気内のＲＦ放射場を減速させて増幅することで、光読出し応答を増大させ、それによって入射電磁波に対するデバイスの感度を高める。入射電磁場に対する原子の感度は、入射ＲＦ電磁場との相互作用時間、および原子の位置におけるＲＦ電磁場の強度によって決定される。減速（標的電磁波の群速度の低下）およびフォトニック結晶受信器のスロット内の電界の集中はどちらも、電界の強度および原子との相互作用時間を効果的に増大させることによって、標的電磁放射に対する原子の感度を強化する働きをする。フォトニック結晶構造は、接触接合することができる高誘電率材料（たとえば、シリコン）に基づいている。粘着層が付加される場合、ＢａＬｎ2Ｔｉ4Ｏ12（ＢＬＴ）など、他の高誘電率の低損失材料を使用することもできる。
【0076】
フォトニック結晶受信器は、そのままの蒸気セルと比較すると相当な倍率（たとえば、約１０００倍または別の倍率）だけ強化された電界感度を有するリュードベリ原子に基づくレーダ受信器として機能することができる。フォトニック結晶受信器は、従来の受信器に少なくとも同等の感度を有することができ、熱ノイズフロアに到達することが可能である。フォトニック結晶受信器を製作するための方法は、シリコンおよびガラスをレーザで機械加工し、それによってμｍ精度および１０μｍ未満の特徴サイズで、これらの材料における微細構造の形成を可能にすることを含む。無線周波場の波長は１０μｍよりはるかに大きいため、そのような精度および特徴規模は、無線周波場と相互作用するフォトニック結晶フレームによく適している。標的放射の波長に関連する高精度の機械加工プロセスは、デバイスにおける損失を低減させることもできる。
【0077】
これまで、電気測量にリュードベリ原子を使用することで、約１μＶ／ｃｍという高周波（ＧＨｚ～ＴＨｚ）電界の最も正確な絶対測定がすでに実現されている。標準的な相互作用量の場合、５～２５ＧＨｚの範囲における計算された原子ショットノイズ限界は、約１ｐＶｃｍ-1Ｈｚ-1／2であり、これは関与原子の数およびコヒーレンス時間によって決定される。現在の感度限界は、従来の読出し場におけるショットノイズによって決定される。誘電性のリュードベリ原子に基づく感知デバイスを実証するために使用される従来の蒸気セルは、現在実用的でない追加の量子資源（たとえば、絡み合いまたはスクイーズド光）を使用しなければ感度を改善することができない。広い範囲の変形通信およびレーダ応用例に対する感度を改善するための方法は、信号を強化するように蒸気セルを設計することである。最終的に、原子と入射電磁場との相互作用が、吸収速度（または相互作用速度）にコヒーレンス時間を掛けた値、すなわち原子と電磁場との間の結合定数および原子が減衰する速度によって決定されるため、そのままの蒸気セルにおける信号レベルは制限されている。しかし、集中および減速によって原子の領域内で電磁場を増幅させることは、これらの影響により入射電磁場の振幅に対する原子応答が増大するため、より高感度の受信器を作るための実行可能な方法である。たとえば、特有の周波数に対してこれらの構造を設計し、自己較正式のデバイスを構築し、出力信号を調整するための高精度の製造が有利である。
【0078】
多くの変形例では、フォトニック結晶受信器は、誘電性材料から形成され、それによって最小の干渉および交差結合で、フォトニック結晶受信器をともにクラスタ化することを可能にする。フォトニック結晶受信器は、異なる周波数および偏光を感知することができる。多くの変形例では、フォトニック結晶受信器は、増大された偏光感度を有しており、０．０５度未満の偏光回転を区別することが可能である。偏光回転の区別とは、受信器によって変化を解決するために偏光がどれだけ回転しなければならないかを指す。
【0079】
多くの変形例では、フォトニック結晶受信器の感度は、１ＭＨｚの帯域幅で－１２０ｄＢｍより大きい。感度は、感度をさらに増大させることができ、従来の受信器とともに一般に使用される、ディッシュからの強化を含まない。たとえば、フォトニック結晶受信器は、約１５ＧＨｚの中心周波数の１ＭＨｚの帯域幅で、－１１０ｄＢｍに対応することができる。この中心周波数に対する１ｍ2のディッシュは、フォトニック結晶受信器の感度を約３桁分増大させることができる。
【0080】
多くの変形例では、フォトニック結晶受信器は、軽量で、携帯でき、かつ低コストである。フォトニック結晶受信器は、ダイオードレーザ技術および蒸気セル技術に基づくことができる。サイズ、重量、および電力（ＳＷａＰ）を低減させることは、多くの応用例（たとえば、電気通信システム、現代のレーダシステムなど）にとって重要な原動力である。多くの変形例では、フォトニック結晶受信器は、従来の蒸気セルに関連するガラス吹き構造より容易に製造することができるように構築される。したがって、フォトニック結晶受信器は、機械力、振動などに対してより頑強である。
【0081】
いくつかの実装例では、フォトニック結晶受信器は、帯域幅、パルス繰返し率、低いＳＷａＰ、および誘電性でありかつ偏光を感知するという利点がレーダ応用例によく適しているため、レーダのための受信器として働くことができる。レーダシステムは、約１ｍｓ～１０ｎｓのパルス幅で、約１００Ｈｚ～１００ｋＨｚのパルス繰返し率を使用することが多い。これらのパルス幅は、１ｋＨｚ～１００ＭＨｚの範囲の信号帯域幅に換算される。多くの変形例でリュードベリ原子に基づく感知を利用するフォトニック結晶受信器は、これらの性能レベルを満たすことができる。
【0082】
図６を次に参照すると、電磁放射を受信するための突起および孔の周期的な配置を含む例示的なフォトニック結晶フレームの概略図が提示されている。突起は、標的ＲＦ電磁放射を受信するように構成することができ、１つまたは複数のテーパ面を含むことができる。いくつかの変形例では、突起は、電磁放射の偏光をフィルタリングするように構成することができる。たとえば、図７は、例示的な突起の狭窄区分に沿って配置された周期的なアレイ状のセグメントを含むフォトニック結晶フレームの例示的な突起（またはその一部分）の概略図を提示する。例示的な突起は、厚さ３ｍｍとすることができる。しかし、他の厚さも可能である。各セグメントは、狭窄区分に直交して外方へ延びる。セグメントは、間隙によって互いから等しく隔置されており、間隙の寸法は、セグメントの寸法と同じとすることができる。いくつかの変形例では、セグメントおよび間隙は、２ｍｍの幅を有する。しかし、他の寸法も可能である。周期的なアレイ状のセグメントは、入力電磁放射（たとえば、ＲＦ場）の偏光をフィルタリングして、フィルタリングされた出力電磁放射（たとえば、フィルタリングされたＲＦ場）を生成するように動作可能である。
【0083】
次に図６を再び参照すると、例示的なフォトニック結晶フレームはまた、標的電磁波（いわゆる構造的に遅い光）を減速させる孔の周期的な配置に配置された線欠陥を含む。線欠陥は、孔の周期的な配置における１行の「充填」孔、たとえば孔の不在に対応することができる。線欠陥の中心には、フォトニック結晶導波路を画定する線形空洞が位置することができる。線形空洞の各端部におけるミラー（たとえば、ブラッグミラー）は、プローブおよび結合レーザビームなどのために、線形空洞に沿って光路を画定するのに役立つことができる。プローブおよび結合レーザビームは、リュードベリ原子に基づく感知における電磁誘起透過度の読出しで使用することができる。ＩＡ属原子（たとえば、Ｃｓ、Ｒｂなど）の蒸気などの蒸気が、線形空洞を占めることができる。線形空洞内の蒸気は、線形空洞内で強化または増強することができる例示的なフォトニック結晶フレームに入射する標的電磁放射と相互作用するように動作可能である。光路に沿って進む光信号（たとえば、レーザビーム）はまた、線形空洞内の蒸気と相互作用し、それによって標的電磁場との原子の相互作用を、標的電磁場の特性（たとえば、振幅、位相、偏光など）を判定するのに好適な光信号に変換することができる。
【0084】
光信号は、光ファイバアセンブリ、およびいくつかの変形例では線形空洞内に配置された１つまたは複数のミラーを通って、線形空洞に出入りすることができる。たとえば、図８Ａ～図８Ｅは、フォトニック結晶受信器の代替構成の概略断面図を提示し、各構成は光ファイバアセンブリの異なる配置を有する。これらの断面図は、側面斜視図として示されている（すなわち、孔は図８Ａ～図８Ｅの短い寸法に平行である）。フォトニック結晶受信器は、空洞内に蒸気（たとえば、Ｃｓ原子の蒸気）を有するフォトニック結晶フレームを含む。空洞は、光路に関連する軸（たとえば、線形軸）に沿って、第１の端部から第２の端部まで延びることができる。構成に応じて、フォトニック結晶受信器は、光路と光学的に通信するフォトニック結晶フレームに結合された１つまたは２つの光ファイバアセンブリを含むことができる。いくつかの構成では、図８Ｂ～図８Ｅに示すように、空洞の第１および第２の端部のうちの一方または両方が、ミラー（たとえば、ブラッグミラー）を含む。ミラーは、光路に沿って光を案内するように動作可能である。ミラーは、入力光ファイバアセンブリからの光を空洞内へ反射すること、空洞からの光を出力光ファイバアセンブリ内へ反射すること、または両方を行うことができる。光は、空洞に出入りする光信号に対応することができる。ミラーは、ミラーをチャネル内に配置するように、フレーム内へ接着、精密嵌め、または機械加工して被覆することができる。
【0085】
例示的なフォトニック結晶フレームは、シリコンから形成することができる。しかし、他のタイプの誘電性材料を使用することもできる。例示的なフォトニック結晶フレームはまた、２つの光学窓間に挟んでこれらの光学窓に接合することができる。光学窓は、ガラス（たとえば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスなど）などの光学的に透明な誘電性材料から形成することができる。光学窓に接合されたとき、例示的なフォトニック結晶フレーム（線形空洞内に蒸気を含む）をフォトニック結晶受信器として構成することができる。光がチャネル内へ導入されるフォトニック結晶フレームに、より小さい窓を接合することも可能である。たとえば、光がチャネルに入る位置に孔を有するシリコンキャップを、フォトニック結晶フレームに接合することができる。光学窓は、光の導入のための孔が位置するシリコンキャップに接合することができる。
【0086】
いくつかの事例では、フォトニック結晶受信器は、小型の全誘電性構造を提供し、機能性、たとえば電磁透過性、自己較正、およびＳＷａＰに関して現在の受信器より性能が優れている。さらに、いくつかのフォトニック結晶受信器は、その誘電性のため、互いに干渉することなくともにグループ化することができる。完全に誘電性の受信器は、レーダおよび通信などの多くの応用例で有益である。様々な実装例では、リュードベリ原子に基づく感知技術に基づくフォトニック結晶受信器の利点として、［１］受信器が独自のフィルタとして作用することができること、［２］標準的な性能を実現するために増幅器を必要としないこと、［３］最小の干渉および交差結合で複数の受信器をともにグループ化することができること、［４］受信器が偏光を感知することができること、および［５］受信器が自己較正式であること、のうちの１つまたは複数を含むことができる。他の利点も可能である。異なる周波数でもリターン信号の直交偏光を感知するようにフォトニック結晶受信器をグループ化することも可能である。ダイオードレーザおよび低電力電子機器の小さい小型サイズの使用、ならびに電力増幅器の除去は、携帯型の小型レーダシステム、特にマルチスタティックレーダシステム、ならびに通信システム（たとえば、電気通信）にとって利点である。
【0087】
いくつかの実装例では、フォトニック結晶受信器は、気象レーダの応用例向けに構成される。フォトニック結晶受信器は、誘電性材料から構築されたとき、従来の金属アンテナより偏光に対して高い感度を有することができる。偏光感度を増大させることで、物体の形状をより良好に区別することができる。導波路は、特に偏光器セグメントが導波路または最初の結合段階と一体化された状態で、偏光に対して高い感度を有することができる。異なる偏光間の差分リターン、微分位相、および相関関係に対する精度の向上により、定量的な降水量推定のためのモデルが本当に予測的になることを可能にすることができる。フォトニック結晶受信器は、複数の周波数を使用することができ、これにより雨、雪、および氷の特徴付けのモデルがさらに抑制される。特にトルネードおよび深刻な雷雨のような壊滅的な状況における早期警戒のための気象の予測は、数十億ドル規模の産業である。米国では、フォトニック結晶受信器によって可能になるようなより良好な多周波レーダシステムが、場合により、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ Ｒａｄａｒ、Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｒａｄａｒ、Ａｉｒｐｏｒｔ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ Ｒａｄａｒ、およびＡｉｒ Ｒｏｕｔｅ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ Ｒａｄａｒから構成される４つの異なるネットワークに取って代わり、莫大なコストの節減をもたらす可能性がある。通信では、放射の原因を識別して妨害信号の識別を可能にすることができる軽量受信器、および小さい空間的位置に位置しなければならない多周波通信システム（たとえば、ドローン）などの類似の応用例が存在する。
【0088】
いくつかの実装例では、フォトニック結晶フレームは、フォトニック結晶受信器が、電磁放射を減速させることによって約１０倍、空洞内の蓄積から約２０倍、電磁放射場を導波路に集中させることによって約３０倍、電界感度を改善することを可能にする。蒸気または原子が位置する空洞をこの電界感度で約３０倍長くすることができるため、より多数の原子を使用することによって、追加の利得を得ることもできる。いくつかの場合、これらの特徴をすべて、同じフォトニック結晶フレーム内で実現することができる。これらの上述した利得が電界感度に関して引用されるため、典型的にはレーダ受信器を特徴付けるために使用される電力に関する感度の改善は、これらの数の２乗に比例して増大し、１０6大きくすることができる。
【0089】
たとえば、図９は、図６の例示的なフォトニック結晶受信器に対する群屈折率（ｎg）のグラフを、ＲＦ電磁放射の周波数（ｆ）の関数として示す。例示的なフォトニック結晶受信器のフォトニック結晶フレーム内の孔の周期的な配置は、ＲＦ電磁放射の波を減速させる。標的ＲＦ電磁波の速度は、ｎgに反比例する。図９で、ｎgの増大は、約１５．７５ＧＨｚを著しく下回っており、これはフォトニック結晶受信器が受信するのによく適したＲＦ電磁放射の周波数（たとえば、約１５．７５ＧＨｚ未満）を示す。フォトニック結晶導波路は、細長いスロットに場を閉じ込めることによって、標的ＲＦ電磁放射（またはその電界成分）に対する感度を強化することができる。標的ＲＦ電磁波を減速させることによっても、感度を強化することができ、ここでｎg＝ｃ／ｖgである。ここで、ｃは真空中の光の速度であり、ｖgはフォトニック結晶内の標的ＲＦ電磁波の群速度である。図７に示すように、数百を超える値を有するｎgが実行可能である。デバイスの帯域幅とｎgの値との間には、トレードオフが存在する。ｎgが大きければ大きいほど、帯域幅は低減される。図９に示す例示的な計算は、１００～１３０のｎgの場合、デバイスの帯域幅は約５ＭＨｚであることを示し、これは十分に現在のレーダシステムおよびいくつかの通信システムで使用される範囲内である。
【0090】
図１０Ａは、例示的なスロット付きのフォトニック結晶導波路の単位セルを提示する。図１０Ｂは、図１０Ａの単位セル内の電界のシミュレーションを提示しており、等高線グラフによって示される。左の等高線グラフは単位セルのｚｘ平面に対応し、右の等高線グラフは単位セルのｘｙ平面に対応する。示されている例では、例示的なスロット付きのフォトニック結晶導波路を特徴付けるのに、単一の単位セルで十分である。等高線グラフは、単位セルによって表される例示的なスロット付きのフォトニック結晶導波路の線形空洞（または細長いスロット）内の電界の蓄積または集中を示す。この例では、電界の増幅は約３０倍である。
【0091】
フォトニック結晶受信器は、標的電磁放射とフォトニック結晶導波路との間の結合損失を最小にするための特徴を含むことができる。たとえば、ｎgを調整するために、孔の周期的な配置における孔を概念上の周期的な位置からずらすことができる。特に空洞またはスロット導波路に隣接するそのようなずれは、インピーダンス整合を提供するように、孔のテーパを画定することができる。図１１Ａは、孔の周期的な配置によって画定されたフォトニック結晶構造を含む例示的なフォトニック結晶フレームを提示する。孔の周期的な配置は、例示的なフォトニック結晶フレームによって受信された電磁放射を減速させるように構成される。図１１Ｂは、図１１Ａの孔の周期的な配置におけるテーパの程度に関してシミュレートされた伝送損失を示す、５０ＭＨｚの周波数間隔のグラフを提示する。図１１Ａで、例示的なフォトニック結晶フレームは、電磁放射（またはＲＦ波）の減速による損失を示すために、連続して示されている。フォトニック結晶の群速度は、構造への結合を最大にして伝送損失を最小にするために、例示的なフォトニック結晶フレームに沿って変化させられる。
【0092】
フォトニック結晶の群速度を変化させることは、スロット導波路への孔の距離を制御された形で修正することによって行うことができる。図１１Ｂは、ＲＦ波が徐々に減速するフォトニック結晶フレームは、３０％未満の伝送損失を呈するのに対して、未修正構造の損失はそれよりはるかに大きく、約７３％であることを示す。さらに、ＲＦ波が徐々に減速するフォトニック結晶フレームの有用な帯域幅における損失は均一である。フォトニック結晶導波路の例示的な設計周波数は、約１５．６９７ＧＨｚである。フォトニック結晶構造への電磁放射の結合は、構造全体にとって約３０％である。その結果、図１１Ａの例示的なフォトニック結晶フレームに基づくフォトニック結晶受信器は、１ＭＨｚの帯域幅で－１１０ｄＢｍの感度レベルに到達することができ、これは現在の金属受信器に匹敵する。そのような感度レベルでは、ディッシュを使用しない。感度は、いくつかの従来の受信器で行われているように、ディッシュ（たとえば、図５のディッシュ５０２）を使用することによってさらに増大させることができ、それによって例示的なフォトニック結晶システムの感度を改善することができる。たとえば、フォトニック結晶システムは、協調して機能するフォトニック結晶受信器およびディッシュを含むことができる。１ｍ2のディッシュは、例示的なフォトニック結晶フレームの感度を約１５ＧＨｚでほぼ３桁分改善することができる。熱ノイズフロアは、１ＭＨｚの帯域幅で約－１４０ｄＢｍであることに留意されたい。コヒーレント方式により、熱ノイズフロア内の信号の検出を可能にすることができるが、感度が熱ノイズフロアをはるかに超えることは概して重要でない。
【0093】
偏光感度は概して、リターン信号の強度および少なくとも２つの制限要因に依存する。制限要因は、受信器の感度限界および水平偏光と垂直偏光とのフォトニック結晶構造の除去比を含む。いくつかの例示的な設計の感度限界および１０μＷ（－２０ｄＢｍ）の標的リターン信号電力に基づいて、分解可能な最小の偏光角度は、約０．００６度の回転において約１０-4ラドで検出されるほぼ最小の検出可能電界／期待電界である。図４Ａ～４Ｂおよび図６に示すフォトニック結晶受信器に対する水平偏光と垂直偏光との間の除去比は、約０．０６度で約１０-3ラドとすることができる。しかし、図４Ａ～４Ｂおよび図６には示されていないが、フォトニック結晶受信器の他の構成には、フォトニック結晶フレームからの突起（またはテーパ）に追加することができる偏光器（たとえば、図７によって示す周期的なアレイ状のセグメント）が含まれる。これらの偏光器は、偏光選択性を３～４桁分さらに増大させることができる。０．０５度を下回る角度分解能を実現することができる。これらの性能メトリックスは、ディッシュのない状態で計算され、信号をさらに増幅して偏光の区別を増大させることができる。さらに、偏光を区別するために蒸気を使用することもできる。
【0094】
いくつかの場合、フォトニック結晶受信器を安定したレーザシステムと対にして、フィールド配備可能ユニットを実現することができる。いくつかの実装例では、フォトニック結晶受信器は、蒸気（たとえば、Ｃｓ原子の蒸気）の固定遷移に同調された１組のレーザに光学的に結合される。たとえば、フォトニック結晶受信器は、８５２ｎｍの光子ビームを放出することが可能な分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザ、および波長約５１０ｎｍの光子ビームを放出することが可能な単一パス２重ファイバレーザに光学的に結合することができる。５１０ｎｍの波長は、セシウム原子の蒸気と相互作用するのによく適している。５１０ｎｍで動作するＤＢＲまたは分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザを使用することも可能である。５１０ｎｍのＤＢＲまたはレーザは、受信器システムのサイズを減少させることができ、安定性を増大させることができ、受信器システムを動作させるために必要とされる電力を低減させることができる。いくつかの変形例では、ファブリ－ペローレーザを、５１０ｎｍのフィルタ空洞レーザシステムとして構築することができる。本発明者らが構築したファブリ－ペローフィルタ空洞レーザは、最大１００ｍＷの電力を提供することができる。フィルタ空洞レーザは、ＤＢＲまたはＤＦＢレーザの利点の多くを有する（たとえば、受信器システムを実行するために必要とされる電力の低減）。しかし、ＤＢＲまたはＤＦＢレーザとは異なり、フィルタ空洞レーザは典型的に、生産中に気密封止されず、自由空間光学系を含む。いくつかの変形例では、フォトニック結晶受信器の光回路全体を光ファイバアセンブリとすることができる。
【0095】
いくつかの異なる方法で、フォトニック結晶受信器の空洞に光を結合することができる。いくつかの事例では、図４Ａ～図４Ｂに示すように、テーパのない側から、光学窓を通って空洞に光を結合することができる。ファイバおよびレンズアセンブリをシリコンフレームに融合することもできる（たとえば、図８Ａ～図８Ｅに示す）。溝アセンブリ上の小さいミラーを使用して、構造の側から光を結合することもできる。ＲＦ導波路内に小さい４５度のミラーを配置して、側面結合アセンブリと位置合わせすることができる（たとえば、図８Ｃ～図８Ｅに示す）。またこれらの構成はすべて、空洞またはＲＦ導波路にプローブ光を光学的に結合するために使用することができ、それによりセシウムガスの透過性を測定する。フィルタを使用して、望ましくない光を除去することができる。いくつかの応用例では、結合外プローブ光が結合内経路に沿って戻るように、スロットを戻って光を逆反射することが有利となりうる（たとえば、図８Ｂおよび図８Ｅに示す）。
【0096】
フォトニック結晶受信器を作る難題のうちの１つは、フォトニック結晶構造を機械加工するために必要とされる精度である。レーザ機械加工を使用すると、フォトニック結晶受信器の構成要素を２μｍの精度で構築することができる。特徴サイズは、１０μｍまで小さくすることができる。これらの寸法は、受信器を構築するために必要とされる構成要素を機械加工するのに十分に小さく、１部が１５ＧＨｚで波長の１０4である。フォトニック結晶受信器は波長に対応し、受信器は他の電磁周波数に対応することができる。フォトニック結晶受信器は、シリコンなどの誘電性材料からフレームを機械加工し、スロットがセシウム蒸気で充填された後、フレームに光学窓を接合することによって構築することができる。セシウム蒸気は、背景蒸気から、パラフィンで被覆された微量のセシウムを蒸気セル内に堆積させることによって、またはレーザ活性化ゲッタ材料（ＳＡＥＳ）を使用することによって、充填することができる。高純度のセシウム原子源（たとえば、セシウム原子の固体塊）を、直接スロットに入れることもできる。いくつかの製造方法では、陽極接合を使用して、第１の光学窓がフレームに接合される。フレームはシリコンから作られる。次いで、第２の光学窓がフレームに接触接合される。しかし、いくつかの変形例では、原子が存在する空洞に蒸気（たとえば、セシウム原子の蒸気）を導入するために充填孔が開いたままである限り、第２の窓は同様にフレームに陽極接合される。充填孔は、接触接合または陽極接合を使用して封止することができる。接触接合は、他の接合方法（たとえば、陽極接合）が汚染種のガス抜けをもたらす高い温度および電圧を必要とすることから、最後の封止のために使用される。リュードベリ原子の電気測量は、リュードベリ状態のスペクトル拡幅がＮ2で約２００ＭＨｚトル-1であるため、約１０-3トル未満など、背景ガス密度が小さいときに高い性能を呈する。ＢＬＴなど、高誘電率を有する他のフレーム材料を使用することもできる。シリコンまたは他のフレーム材料とともに、粘着層を使用することができる。この動作周波数における低損失材料も望ましい。フォトニック結晶フレームに必要とされる孔は、フレームのみを通って切断するのではなく、最終ステップでガラスおよびフレームを通ってまっすぐに切断することができる。
【0097】
図４Ａ～図４Ｂに関連して説明したように、ディッシュは、フォトニック結晶受信器の感度を増大させることができる。図１２Ａは、パラボラディッシュを使用した例示的なテーパ状導波路への１５．６９７ＧＨｚの電磁波のシミュレートされた結合の等高線グラフを提示する。ディッシュは、平面波と比較すると、結合を数桁分強化することができる。集束されたガウシアンビームは、例示的なテーパ状導波路により良好に結合し、ディッシュは、入射平面波のより大きい部分を捕捉する。例示的なフォトニック結晶受信器は、図４Ａ～図４Ｂに関連して説明した例示的なフォトニック結晶受信器と同様に構成することができる。図４０Ｂは、例示的なテーパ状導波路への図１２Ａの１５．６９７ＧＨｚの電磁波のシミュレートされた結合の等高線グラフを提示するが、パラボラディッシュは不在であり、平面波として受信される。１５．６９７ＧＨｚの電磁波（または信号）は、線形空洞（または導波路）の長さに沿って誘導される。ガウシアン焦点は、フォトニック結晶受信器に最適化されない。焦点サイズの最適化は、ディッシュによって捕捉された標的電磁場のフォトニック結晶受信器への結合をさらに増大させることができる。
【0098】
図１３Ａ～図１３Ｂは、例示的な導波路に対する２０ＧＨｚの入ってくるＲＦ電磁波のシミュレートされた結合効率（たとえば、テーパ状対非テーパ状）を提示する。例示的な導波路は、細長いスロットおよび孔の周期的な配置を有するフォトニック結晶フレームを含む。図１３Ａ～図１３Ｂの等高線グラフは、導波路を含む領域における入ってくるＲＦ電磁波の電界強度を示す。図１３Ａの等高線グラフは、導波路内にテーパのない状態でシミュレートされ、図１３Ｂの等高線グラフは、導波路内にテーパのある状態でシミュレートされている。等高線グラフ内の黒色の線は、特に細長いスロットに沿って、導波路の輪郭を示す。図１３Ｂで、集中部分は、導波路の端部を越えて三角形の領域に延びている。
【0099】
結合効率と周波数の関係を表すグラフ（すなわち、図１３Ａ～図１３Ｂの下半分）は、周波数範囲の大部分にわたってテーパが結合効率を２倍にすることを示し、これは１３ＧＨｚ～２０ＧＨｚに示されている。入ってくるＲＦ電磁波は、ガウシアンビームとしてモデル化され、例示的なフォトニック結晶受信器は、図４Ａ～図４Ｂの例示的なフォトニック結晶受信器と同様に構成することができる。ガウシアンビームの想定は、図５に示す状況と一貫している。図５で、ディッシュはリターン信号を捕捉しており、リターン信号は公称で、標的（または目標）が遠く離れているため、フォトニック結晶受信器の位置にある平面波である。放物線状の形状により、ディッシュが平面波をフォトニック結晶受信器に集束させることが可能になる。レーダシステムなどの受信側の応用例では、典型的に、散乱ＲＦ電磁場源が受信器から非常に離れており、したがって入ってくるＲＦ場は平面波である。
【0100】
図１４Ａを次に参照すると、フォトニック結晶フレーム内に３つのテーパを有する例示的なフォトニック結晶受信器の概略斜視図が提示されている。第１のテーパおよび第２のテーパは、フォトニック結晶フレームからの突起に付随している。第１のテーパは、自由空間からフォトニック結晶フレームの本体内への電磁波に対する遷移を画定することができる。第２のテーパは、フォトニック結晶フレーム内の導波路への電磁波の結合を改善することができる。図１１Ａ～図１１Ｂおよび図１３Ａ～図１３Ｂに関連して説明したように、孔の周期的な配置の間隔に第３のテーパが付随する。第３のテーパは、低速波構造への標的電磁波の結合を増大させるのに役立ち、それによって損失を低減させる。孔の周期的な配置の間隔は、孔間距離（または格子定数）ａおよび孔径ｄによって表すことができる。様々な電磁周波数のシリコンフレームに対する例示的な孔間距離および孔径が、以下の表１に提示されている。各周波数に対して、シリコンから形成されたフォトニック結晶フレームの高さは、孔径ｄに整合する。しかし、孔径とは異なる高さも可能である。
【0101】
【表1】
【0102】
図１４Ｂは、図１４Ａの例示的なフォトニック結晶受信器の空洞部分の詳細図を提示する。空洞部分は、線形空洞内に反射ミラー（たとえば、ブラッグミラー）を含む。図１４Ｃは、図１４Ａの例示的なフォトニック結晶受信器のフォトニック結晶フレーム内の孔の周期的な配置の一部分の詳細図を提示する。孔の周期的な配置の間隔が図１４Ｃに示されており、図１４Ｃは、孔間距離（または格子定数）ａ、孔径ｄ、およびフォトニック結晶フレームの高さｈを示す。
【0103】
図１５Ａは、図１４Ａの第２のテーパの詳細上面斜視図を提示する。第２のテーパは、チャネル導波路をスロット導波路に結合するように動作可能とすることができる。結合損失は、図１５Ｂおよび図１５Ｃによって示すように、１５ＧＨｚ～１６ＧＨｚの周波数範囲に対して０．３５ｄＢ未満である。結合は、９２％より良好なものとすることができる。フォトニック結晶の寸法、すなわち孔の直径ｄ、孔の周期性または格子定数ａ、および特定のフォトニック結晶受信器に対するシリコンフレームの厚さｈは、標的ＲＦ電磁場の周波数の関数である。フォトニック結晶受信器が線欠陥領域における標的ＲＦ電磁場を減速させるために、フォトニック結晶は、所望の設計周波数付近のバンドギャップを有するべきである。デバイスは、孔の間隔、デバイスの厚さ、および孔径を選ぶことによって、フォトニック結晶に設計されたフォトニック共鳴付近で生じる分散を使用する。他の形状の孔およびパラメータも可能である。表１は、いくつかの周波数におけるこれらのパラメータに関して、シリコンフレームに対する代表的な設計値を提供する。
【0104】
フォトニック結晶導波路への効率的な結合のために、群指数ｎgのテーパが提供される。図１５に示すように、互いにより近くまたは遠くなるように、スロット領域に隣接する複数行の孔のシフト（またはテーパ）により、ｎgを変化させることができる。そのような構成によって、すべてのテーパを含むスロット導波路への結合効率は、１５．６９７ＧＨｚで約７２％になる。孔のずれによる孔のシフト（またはテーパ）を使用することで、波がフォトニック結晶導波路により効率的に結合するように、制御された形で電磁波を減速させることができる。
【0105】
原子を準備して読み出すためのレーザ光は、自由空間を通って、またはフォトニック結晶フレームへの光のファイバ結合を通って、フォトニック結晶受信器の内外へ結合することができる。いくつかの変形例では、フォトニック結晶フレームは、スロットの一端に、蒸気と相互作用するようにスロットに沿ってレーザビームを誘導するためのブラッグミラーなどのミラーを含むことができる。ミラーは、チャネルの他端にも同様に配置することができる。この追加のミラーを使用して、レーザビームをチャネルに沿って後方反射することができ、フィルタおよびビームスプリッタ（たとえば、ファイバビームスプリッタまたはサーキュレータ）によって、レーザビームを分離することができる。
追加のミラーを使用して、レーザのうちの１つまたは複数からの光を反射し、デバイスと１つまたは複数のレーザとの間に配置されたアライメントピースまたは溝アセンブリなどによって、それをデバイスの外へ結合することもできる。ミラーは、異なる色の光を分離するためのフィルタとして設計することができる。スロットの両端にファイバカプラが存在することも可能である。この場合、光は、スロット内のミラーを使用することなく、一端で導波路に結合され、他端で受信される。プローブレーザ光（リュードベリ原子に基づく感知構成を参照）がチャネルを離れた後、プローブレーザ光を光検出器へ搬送し、その光信号を処理して、時間に応じて入ってくるＲＦ電磁場の強度、偏光、および位相を読み出す。他のパラメータも可能である。
追加のミラーを使用して、レーザのうちの１つまたは複数からの光を反射し、デバイスと１つまたは複数のレーザとの間に配置されたアライメントピースまたは溝アセンブリなどによって、それをデバイスの外へ結合することもできる。ミラーは、異なる色の光を分離するためのフィルタとして設計することができる。スロットの両端にファイバカプラが存在することも可能である。この場合、光は、スロット内のミラーを使用することなく、一端で導波路に結合され、他端で受信される。プローブレーザ光（リュードベリ原子に基づく感知構成を参照）がチャネルを離れた後、プローブレーザ光を光検出器へ搬送し、その光信号を処理して、時間に応じて入ってくるＲＦ電磁場の強度、偏光、および位相を読み出す。他のパラメータも可能である。
【0106】
図１７を次に参照すると、図１４Ａの例示的なフォトニック結晶受信器に対するシミュレートされた総結合効率のグラフが提示されている。グラフの縦座標は、総結合効率を百分率で示し、グラフの横座標は、例示的なフォトニック結晶受信器によって受信された入ってくるＲＦ電磁放射の周波数を示す。総結合効率は、フォトニック結晶受信器の動作に対する３つのテーパ、すなわち図１４Ａに示す第１、第２、および第３のテーパの寄与を表す。総結合効率は、特に１５．６８ＧＨｚを超えて増大し、約１５．６９７ＧＨｚでピークになる。
【0107】
記載するいくつかの態様では、レーダシステムについて、以下の例によって説明することができる。
例１．
ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ放出するように構成された伝送ステーションと、
領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を処理するように構成された受信ステーションとを備え、リターン信号が、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づいており、受信ステーションが、
誘電性材料から形成されたフォトニック結晶受信器であり、
標的ＲＦ電磁放射に結合するように構成され、ＲＦ電磁放射のリターン信号が標的ＲＦ電磁放射を含む、アンテナ構造、
細長いスロットが配置され、標的ＲＦ電磁放射を細長いスロットに集中させるように構成されたフォトニック結晶構造、および
細長いスロット内に配置された蒸気を含むフォトニック結晶受信器と、
フォトニック結晶受信器からの光信号に基づいて分光データを生成するように構成され、分光データが標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を表す、光学システムと、
分光データに基づいて時系列の特性データを生成するように構成され、時系列の特性データが標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を経時的に表す、データ処理サブシステムと
を備えるレーダシステム。
例２．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の振幅を経時的に表す振幅データを含む、例１に記載のレーダシステム。
例３．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の位相を経時的に表す位相データを含む、例１または例２に記載のレーダシステム。
例４．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の周波数を経時的に表す周波数データを含む、例１または例２～３のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例５．
アンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の偏光をフィルタリングするように構成された偏光器を備え、
時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の偏光を経時的に表す偏光データを含む、
例１または例２～４のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例６．データ処理サブシステムが、時系列の特性データに基づいて、領域内の標的物体の特性を判定するようにさらに構成されている、例１または例２～５のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例７．特性が、領域内の標的物体の場所を含む、例６に記載のレーダシステム。
例８．特性が、標的物体の速度を含む、例６または例７に記載のレーダシステム。
例９．特性が、標的物体の形状を含む、例６または例７～８のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１０．特性が、標的物体の組成を含む、例６または例７～９のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１１．
フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、
第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第１の周波数に結合するように構成され、
第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる周波数に結合するように構成されている、
例１または例２～１０のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１２．
フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、
第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第１の偏光をフィルタリングするように構成された第１の偏光器を備え、
第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる偏光をフィルタリングするように構成された第２の偏光器を備える、
例１または例２～１１のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１３．受信ステーションが、受信ステーションの位置を判定するように構成された慣性航法サブシステムを備える、例１または例２～１２のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１４．受信ステーションが、受信ステーションに対する局所的基準時間および局所的基準位相のうちの一方または両方を設定するように構成されたローカルクロックサブシステムを備える、例１または例２～１３のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１５．
それぞれのローカルクロックサブシステムを備える複数の受信ステーションと、
伝送ステーションおよび各受信ステーションのローカルクロックサブシステムと同期信号を交換するように構成されたグローバルクロックステーションとを備え、同期信号が、レーダシステムに対する大域的基準時間および大域的基準位相を表す、
例１４に記載のレーダシステム。
例１６．
複数の受信ステーションと、
伝送ステーションおよび複数の受信ステーションと通信するように構成されたデータ制御センターとを備え、データ制御センターが、
それぞれの受信ステーションからの複数の時系列の特性データに基づいて、領域内の標的物体の特性を表す処理データを生成すること、および
伝送ステーション、複数の受信ステーションのうちの１つもしくは複数、または両方へ処理データを通信することを含む動作を実行するように構成されている、
例１または例２～１５のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１７．光学システムが、蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用する入力光信号を細長いスロットに提供するように構成されたレーザサブシステムを備える、例１または例２～１６のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１８．光学システムが、細長いスロットからの出力光信号に基づいて分光データを生成するように構成された光検出サブシステムを備える、例１または例２～１７のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１９．伝送ステーションが、制御信号に応答して、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ放出するように構成された協調型の伝送ステーションである、例１または例２～１８のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例２０．伝送ステーションが、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ受動的に放出するように構成された非協調型の伝送ステーションである、例１または例２～１９のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１．
ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ放出するように構成された伝送ステーションと、
領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を処理するように構成された受信ステーションとを備え、リターン信号が、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づいており、受信ステーションが、
誘電性材料から形成されたフォトニック結晶受信器であり、
標的ＲＦ電磁放射に結合するように構成され、ＲＦ電磁放射のリターン信号が標的ＲＦ電磁放射を含む、アンテナ構造、
細長いスロットが配置され、標的ＲＦ電磁放射を細長いスロットに集中させるように構成されたフォトニック結晶構造、および
細長いスロット内に配置された蒸気を含むフォトニック結晶受信器と、
フォトニック結晶受信器からの光信号に基づいて分光データを生成するように構成され、分光データが標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を表す、光学システムと、
分光データに基づいて時系列の特性データを生成するように構成され、時系列の特性データが標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を経時的に表す、データ処理サブシステムと
を備えるレーダシステム。
例２．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の振幅を経時的に表す振幅データを含む、例１に記載のレーダシステム。
例３．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の位相を経時的に表す位相データを含む、例１または例２に記載のレーダシステム。
例４．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の周波数を経時的に表す周波数データを含む、例１または例２～３のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例５．
アンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の偏光をフィルタリングするように構成された偏光器を備え、
時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の偏光を経時的に表す偏光データを含む、
例１または例２～４のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例６．データ処理サブシステムが、時系列の特性データに基づいて、領域内の標的物体の特性を判定するようにさらに構成されている、例１または例２～５のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例７．特性が、領域内の標的物体の場所を含む、例６に記載のレーダシステム。
例８．特性が、標的物体の速度を含む、例６または例７に記載のレーダシステム。
例９．特性が、標的物体の形状を含む、例６または例７～８のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１０．特性が、標的物体の組成を含む、例６または例７～９のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１１．
フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、
第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第１の周波数に結合するように構成され、
第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる周波数に結合するように構成されている、
例１または例２～１０のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１２．
フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、
第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第１の偏光をフィルタリングするように構成された第１の偏光器を備え、
第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる偏光をフィルタリングするように構成された第２の偏光器を備える、
例１または例２～１１のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１３．受信ステーションが、受信ステーションの位置を判定するように構成された慣性航法サブシステムを備える、例１または例２～１２のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１４．受信ステーションが、受信ステーションに対する局所的基準時間および局所的基準位相のうちの一方または両方を設定するように構成されたローカルクロックサブシステムを備える、例１または例２～１３のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１５．
それぞれのローカルクロックサブシステムを備える複数の受信ステーションと、
伝送ステーションおよび各受信ステーションのローカルクロックサブシステムと同期信号を交換するように構成されたグローバルクロックステーションとを備え、同期信号が、レーダシステムに対する大域的基準時間および大域的基準位相を表す、
例１４に記載のレーダシステム。
例１６．
複数の受信ステーションと、
伝送ステーションおよび複数の受信ステーションと通信するように構成されたデータ制御センターとを備え、データ制御センターが、
それぞれの受信ステーションからの複数の時系列の特性データに基づいて、領域内の標的物体の特性を表す処理データを生成すること、および
伝送ステーション、複数の受信ステーションのうちの１つもしくは複数、または両方へ処理データを通信することを含む動作を実行するように構成されている、
例１または例２～１５のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１７．光学システムが、蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用する入力光信号を細長いスロットに提供するように構成されたレーザサブシステムを備える、例１または例２～１６のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１８．光学システムが、細長いスロットからの出力光信号に基づいて分光データを生成するように構成された光検出サブシステムを備える、例１または例２～１７のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例１９．伝送ステーションが、制御信号に応答して、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ放出するように構成された協調型の伝送ステーションである、例１または例２～１８のいずれか１つに記載のレーダシステム。
例２０．伝送ステーションが、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ受動的に放出するように構成された非協調型の伝送ステーションである、例１または例２～１９のいずれか１つに記載のレーダシステム。
【0108】
記載するいくつかの態様では、領域内の標的物体を検出するレーダ方法について、以下の例によって説明することができる。
例２１．領域内の標的物体を検出するレーダ方法であって、
伝送ステーションの動作によって、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ伝送することと、
受信ステーションの動作によって、領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を処理することとを含み、リターン信号が、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づいており、リターン信号を処理することが、
受信ステーションのフォトニック結晶受信器で、領域からＲＦ電磁放射のリターン信号を受信することであり、フォトニック結晶受信器が、
標的ＲＦ電磁放射に結合するように構成され、ＲＦ電磁放射のリターン信号が標的ＲＦ電磁放射を含む、アンテナ構造、
細長いスロットが配置され、標的ＲＦ電磁放射を細長いスロットに集中させるように構成されたフォトニック結晶構造、および
細長いスロット内に配置された蒸気を含む、受信することと、
受信ステーションの光学システムの動作によって、フォトニック結晶受信器からの光信号に基づいて分光データを生成することであり、分光データが標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を表す、生成することと、
受信ステーションのデータ処理サブシステムの動作によって、分光データに基づいて時系列の特性データを生成することであり、時系列の特性データが標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を経時的に表す、生成することとを含む、レーダ方法。
例２２．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の振幅を経時的に表す振幅データを含む、例２１に記載のレーダ方法。
例２３．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の位相を経時的に表す位相データを含む、例２１または例２２に記載のレーダ方法。
例２４．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の周波数を経時的に表す周波数データを含む、例２１または例２２～２３のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例２５．
アンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の偏光をフィルタリングするように構成された偏光器を備え、
リターン信号を受信することが、アンテナ構造の偏光器を使用して、ＲＦ電磁放射のリターン信号の偏光をフィルタリングすることを含む、
例２１または例２２～２４のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例２６．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の偏光を経時的に表す偏光データを含む、例２５に記載のレーダ方法。
例２７．リターン信号を処理することが、
データ処理サブシステムの動作によって、時系列の特性データに基づいて領域内の標的物体の特性を判定することを含む、例２１または例２２～２６のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例２８．特性が、領域内の標的物体の場所を含む、例２７に記載のレーダ方法。
例２９．特性が、標的物体の速度を含む、例２７または例２８に記載のレーダ方法。
例３０．特性が、標的物体の形状を含む、例２７または例２８～２９のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３１．特性が、標的物体の組成を含む、例２７または例２８～３０のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３２．リターン信号を処理することが、
蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用する入力光信号を細長いスロットに通すことと、
光学サブシステムで、入力光信号に基づく細長いスロットからの出力光信号を受信することとを含み、分光データが、出力光信号に基づいて生成される、例２１または例２２～３１のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３３．
フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、
第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第１の偏光をフィルタリングするように構成された第１の偏光器を備え、
第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる偏光をフィルタリングするように構成された第２の偏光器を備え、
リターン信号を受信することが、それぞれ第１および第２のアンテナ構造の第１および第２の偏光器を使用して、ＲＦ電磁放射のリターン信号の偏光をフィルタリングすることを含む、
例２１または例２２～３２のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３４．リターン信号を処理することが、受信ステーションの慣性航法サブシステムの動作によって、受信ステーションの位置を判定することを含む、例２１または例２２～３３のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３５．リターン信号を処理することが、受信ステーションのローカルクロックサブシステムの動作によって、受信ステーションに対する局所的基準時間および局所的基準位相を設定することを含む、例２１または例２２～３４のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３６．
複数の受信ステーションが各々、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づくそれぞれのリターン信号を処理し、
レーダ方法が、
グローバルクロックステーションの動作によって、伝送ステーションおよび各受信ステーションのローカルクロックサブシステムと同期信号を交換することを含み、同期信号が、大域的基準時間および大域的基準位相を表す、
例３５に記載のレーダ方法。
例３７．
複数の受信ステーションが各々、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づくそれぞれのリターン信号を処理し、
レーダ方法が、
データ制御ステーションで、それぞれの受信ステーションからの複数の時系列の特性データを受信することと、
データ制御センターの動作によって、複数の時系列の特性データに基づいて処理データを生成することであり、処理データが、領域内の標的物体の特性を表す、生成することと、
伝送ステーション、複数の受信ステーションのうちの１つもしくは複数、または両方へ処理データを通信することとを含む、
例２１または例２２～３６のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３８．
伝送ステーションが協調型の伝送ステーションであり、
プローブ信号を伝送することが、
伝送ステーションで制御信号を受信することと、
受信した制御信号に応答して、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ伝送することとを含む、
例２１または例２２～３７のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３９．
伝送ステーションが非協調型の伝送ステーションであり、
プローブ信号を伝送することが、ＲＦ電磁放射を領域内へ受動的に放出することを含む、
例２１または例２２～３８のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例２１．領域内の標的物体を検出するレーダ方法であって、
伝送ステーションの動作によって、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ伝送することと、
受信ステーションの動作によって、領域からのＲＦ電磁放射のリターン信号を処理することとを含み、リターン信号が、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づいており、リターン信号を処理することが、
受信ステーションのフォトニック結晶受信器で、領域からＲＦ電磁放射のリターン信号を受信することであり、フォトニック結晶受信器が、
標的ＲＦ電磁放射に結合するように構成され、ＲＦ電磁放射のリターン信号が標的ＲＦ電磁放射を含む、アンテナ構造、
細長いスロットが配置され、標的ＲＦ電磁放射を細長いスロットに集中させるように構成されたフォトニック結晶構造、および
細長いスロット内に配置された蒸気を含む、受信することと、
受信ステーションの光学システムの動作によって、フォトニック結晶受信器からの光信号に基づいて分光データを生成することであり、分光データが標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を表す、生成することと、
受信ステーションのデータ処理サブシステムの動作によって、分光データに基づいて時系列の特性データを生成することであり、時系列の特性データが標的ＲＦ電磁放射の１つまたは複数の特性を経時的に表す、生成することとを含む、レーダ方法。
例２２．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の振幅を経時的に表す振幅データを含む、例２１に記載のレーダ方法。
例２３．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の位相を経時的に表す位相データを含む、例２１または例２２に記載のレーダ方法。
例２４．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の周波数を経時的に表す周波数データを含む、例２１または例２２～２３のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例２５．
アンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の偏光をフィルタリングするように構成された偏光器を備え、
リターン信号を受信することが、アンテナ構造の偏光器を使用して、ＲＦ電磁放射のリターン信号の偏光をフィルタリングすることを含む、
例２１または例２２～２４のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例２６．時系列の特性データが、標的ＲＦ電磁放射の偏光を経時的に表す偏光データを含む、例２５に記載のレーダ方法。
例２７．リターン信号を処理することが、
データ処理サブシステムの動作によって、時系列の特性データに基づいて領域内の標的物体の特性を判定することを含む、例２１または例２２～２６のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例２８．特性が、領域内の標的物体の場所を含む、例２７に記載のレーダ方法。
例２９．特性が、標的物体の速度を含む、例２７または例２８に記載のレーダ方法。
例３０．特性が、標的物体の形状を含む、例２７または例２８～２９のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３１．特性が、標的物体の組成を含む、例２７または例２８～３０のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３２．リターン信号を処理することが、
蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用する入力光信号を細長いスロットに通すことと、
光学サブシステムで、入力光信号に基づく細長いスロットからの出力光信号を受信することとを含み、分光データが、出力光信号に基づいて生成される、例２１または例２２～３１のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３３．
フォトニック結晶受信器が第１のフォトニック結晶受信器であり、受信ステーションが第２のフォトニック結晶受信器を備え、
第１のフォトニック結晶受信器の第１のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第１の偏光をフィルタリングするように構成された第１の偏光器を備え、
第２のフォトニック結晶受信器の第２のアンテナ構造が、標的ＲＦ電磁放射の第２の異なる偏光をフィルタリングするように構成された第２の偏光器を備え、
リターン信号を受信することが、それぞれ第１および第２のアンテナ構造の第１および第２の偏光器を使用して、ＲＦ電磁放射のリターン信号の偏光をフィルタリングすることを含む、
例２１または例２２～３２のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３４．リターン信号を処理することが、受信ステーションの慣性航法サブシステムの動作によって、受信ステーションの位置を判定することを含む、例２１または例２２～３３のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３５．リターン信号を処理することが、受信ステーションのローカルクロックサブシステムの動作によって、受信ステーションに対する局所的基準時間および局所的基準位相を設定することを含む、例２１または例２２～３４のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３６．
複数の受信ステーションが各々、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づくそれぞれのリターン信号を処理し、
レーダ方法が、
グローバルクロックステーションの動作によって、伝送ステーションおよび各受信ステーションのローカルクロックサブシステムと同期信号を交換することを含み、同期信号が、大域的基準時間および大域的基準位相を表す、
例３５に記載のレーダ方法。
例３７．
複数の受信ステーションが各々、領域内の１つまたは複数の物体から散乱したプローブ信号に基づくそれぞれのリターン信号を処理し、
レーダ方法が、
データ制御ステーションで、それぞれの受信ステーションからの複数の時系列の特性データを受信することと、
データ制御センターの動作によって、複数の時系列の特性データに基づいて処理データを生成することであり、処理データが、領域内の標的物体の特性を表す、生成することと、
伝送ステーション、複数の受信ステーションのうちの１つもしくは複数、または両方へ処理データを通信することとを含む、
例２１または例２２～３６のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３８．
伝送ステーションが協調型の伝送ステーションであり、
プローブ信号を伝送することが、
伝送ステーションで制御信号を受信することと、
受信した制御信号に応答して、ＲＦ電磁放射のプローブ信号を領域内へ伝送することとを含む、
例２１または例２２～３７のいずれか１つに記載のレーダ方法。
例３９．
伝送ステーションが非協調型の伝送ステーションであり、
プローブ信号を伝送することが、ＲＦ電磁放射を領域内へ受動的に放出することを含む、
例２１または例２２～３８のいずれか１つに記載のレーダ方法。
【0109】
本明細書は多くの詳細を包含するが、これらは特許請求の範囲に対する限定ではなく、特定の例に特有の特徴についての説明であると理解されたい。別個の実装例の文脈で本明細書に記載または図示する特定の特徴を組み合わせることもできる。逆に、単一の実装例の文脈で記載または図示された様々な特徴を、複数の実施形態で別個にまたは任意の好適な部分的な組合せで実装することもできる。
【0110】
同様に、図面には動作を特定の順序で示したが、これは、そのような動作が図示の特定の順序もしくは連続する順序で実行されることを必要とすると理解されるべきではなく、または望ましい結果を実現するために、示されているすべての動作を実行するべきであると理解されるべきではない。特定の状況では、マルチタスキング式の並行処理が有利となりうる。さらに、上述した実装例における様々なシステム構成要素の分離は、すべての実装例でそのような分離を必要とすると理解されるべきではなく、記載のプログラム構成要素およびシステムは概して、単一の製品内にともに一体化することができ、または複数の製品に包装することができることを理解されたい。
【0111】
複数の実施形態について説明した。それにもかかわらず、様々な修正を加えることができることが理解されよう。それに応じて、他の実施形態も以下の特許請求の範囲の範囲内である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図16】
【図17】
