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▶ クオンタム ヴァリー アイデアズ ラボラトリーズの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-02-13
(45)【発行日】2025-02-21
(54)【発明の名称】フォトニック結晶メーザを使用した情報の通信
(51)【国際特許分類】
H01S 1/06 20060101AFI20250214BHJP
【ＦＩ】
H01S1/06
【請求項の数】
30
(21)【出願番号】P 2024544761
(86)(22)【出願日】2022-03-03
(86)【国際出願番号】 CA2022050303
(87)【国際公開番号】W WO2023150862
(87)【国際公開日】2023-08-17
【審査請求日】2024-09-19
(31)【優先権主張番号】17/667,281
(32)【優先日】2022-02-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【早期審査対象出願】
(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】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】100119013
【弁理士】
【氏名又は名称】山崎 一夫
(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】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】100141553
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 信彦
(74)【代理人】
【識別番号】100210239
【弁理士】
【氏名又は名称】富永 真太郎
(72)【発明者】
【氏名】ペセン マーク
(72)【発明者】
【氏名】アマルロー ハーディ
(72)【発明者】
【氏名】シェーファー ジェームズ ピー
【審査官】大西 孝宣
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２８６０６３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２８５９９２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２８５９９３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０３０１０７５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２００７－５０８５８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０２４７２４１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ １／００ － １／０６
Ｈ０４Ｂ １０／００ － １０／９０
Ｈ０４Ｊ １４／００ － １４／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
通信システムであって、第１の局であり、
フォトニック結晶メーザで、
誘電体材料から形成されており、キャビティのアレイと、前記キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている細長いスロットとを有する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ており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気を備え、
前記キャビティのアレイおよび前記細長いスロットは、放出されると、前記目標ＲＦ電磁放射をビームに成形するように構成されている導波路を画定し、前記目標ＲＦ電磁放射のビームは、前記通信システムの第２の局に送信される情報を表す、
フォトニック結晶メーザ、
レーザサブシステムで、
前記細長いスロットに光学的に結合されており、前記光信号を生成するように構成されているポンプレーザ、および
前記ポンプレーザと通信し、前記光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている信号処理電子機器で、前記光信号の前記１つまたは複数の特性は、前記光信号の強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、信号処理電子機器
を備える、レーザサブシステム、ならびに
前記フォトニック結晶メーザの向きを制御し、以て、前記目標ＲＦ電磁放射のビームを目標ロケーションに向けるように構成されているトラッキングサブシステム
を備える、第１の局と、
前記目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを備える前記第２の局と
を備える、通信システム。
【請求項2】
前記目標ロケーションは、第１の目標ロケーションであり、前記第２の局は、前記レシーバの向きを制御し、以て、前記レシーバを第２の目標ロケーションに向けるように構成されている第２のトラッキングサブシステムを備える、請求項１に記載の通信システム。
【請求項3】
前記第１の局および前記第２の局は、それぞれ、前記第２の目標ロケーションおよび前記第１の目標ロケーションに配置されている、請求項２に記載の通信システム。
【請求項4】
中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されている中継局を備え、前記第１の目標ロケーションおよび前記第２の目標ロケーションのうちの一方または両方は、前記中継ロケーションに対応する、請求項２に記載の通信システム。
【請求項5】
前記導波路は、前記細長いスロットの軸に平行な方向に沿った前記目標ＲＦ電磁放射の群速度を低減するように構成されている、請求項１に記載の通信システム。
【請求項6】
前記フォトニック結晶メーザは、前記目標ＲＦ電磁放射のビームを前記フォトニック結晶メーザの周囲環境にインピーダンス整合させるように構成されている出力結合器を備える、請求項１に記載の通信システム。
【請求項7】
前記出力結合器は前記フォトニック結晶構造の一体部分である、請求項６に記載の通信システム。
【請求項8】
前記出力結合器は、テーパ状端部において終端し、前記テーパ状端部と位置整合されている狭窄部分と、
前記狭窄部分から外向きに延在し、それに沿って周期的な間隔を有する共平面セグメントのアレイであって、前記共平面セグメントのアレイは、前記目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光をフィルタリングするように構成されている、共平面セグメントのアレイと
を備える、請求項６に記載の通信システム。
【請求項9】
前記第１の局は、制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準ＲＦサブシステムを備え、前記フォトニック結晶メーザは、前記基準ＲＦ電磁放射を前記導波路に結合するように構成されている入力結合器を備える、請求項１に記載の通信システム。
【請求項10】
前記入力結合器は前記フォトニック結晶構造の一体部分である、請求項９に記載の通信システム。
【請求項11】
前記レシーバは、フォトニック結晶レシーバであり、前記フォトニック結晶レシーバは、誘電体材料から形成されており、キャビティの第２のアレイと第２の細長いスロットとを有する第２のフォトニック結晶構造であって、前記第２の細長いスロットは、前記キャビティの第２のアレイの欠陥領域内に配置されている、第２のフォトニック結晶構造と、
前記目標ＲＦ電磁放射のビームを、前記キャビティの第２のアレイおよび前記第２の細長いスロットによって画定される第２の導波路に結合するように構成されているアンテナ構造であって、前記第２の導波路は、結合された前記ビームを前記第２の細長いスロット内に集中させるように構成されている、アンテナ構造と、
前記第２の細長いスロット内に配置されている第２の蒸気と
を備え、
前記第２の局は、
第２のレーザサブシステムを備え、前記第２のレーザサブシステムは、
前記第２の細長いスロットに光学的に結合されており、入力光信号をそれに提供するように構成されている１つまたは複数の入力レーザであって、前記入力光信号は、前記第２の蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用するように適合されている、１つまたは複数の入力レーザと、
前記第２の蒸気からの出力光信号に基づいて分光分析データを生成するように構成されている光学サブシステムであって、前記分光分析データは、前記目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性を表す、光学サブシステムと、
経時的な前記分光分析データに基づいて時系列データを生成するように構成されているデータ処理サブシステムであって、前記時系列データは、前記第１の局から送信される前記情報を表す、データ処理サブシステムと
を備える、請求項１に記載の通信システム。
【請求項12】
前記アンテナ構造は、前記第２のフォトニック結晶構造の一体部分である、請求項１１に記載の通信システム。
【請求項13】
前記第２の導波路は、前記第２の細長いスロットの軸に平行な方向に沿った結合されている目標ＲＦ電磁放射のビーム群速度を低減するように構成されている、請求項１１に記載の通信システム。
【請求項14】
前記目標ＲＦ電磁放射のビームの前記１つまたは複数の特性は、前記ビームの強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の通信システム。
【請求項15】
前記アンテナ構造は、前記目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光をフィルタリングするように構成されている偏光子を備え、前記目標ＲＦ電磁放射のビームの前記１つまたは複数の特性は、前記目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光を含む、請求項１１に記載の通信システム。
【請求項16】
前記第２の局は、第２の基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準アンテナを備え、前記第２のＲＦ電磁放射は、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有し、前記基準アンテナは、前記フォトニック結晶レシーバの前記アンテナ構造に電磁的に結合されている、請求項１１に記載の通信システム。
【請求項17】
無線周波数（ＲＦ）電磁放射を使用して情報を通信する方法であって、第１の局において、第２の局に送信される情報を表す目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することであり、前記第１の局は、
フォトニック結晶メーザを備え、前記フォトニック結晶メーザは、
誘電体材料から形成されており、キャビティのアレイと細長いスロットとを有するフォトニック結晶構造で、前記細長いスロットは、前記キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている、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ており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気を備え、
前記キャビティのアレイおよび前記細長いスロットは、放出されると、前記目標ＲＦ電磁放射を前記目標ＲＦ電磁放射のビームに成形するように構成されている導波路を画定する、
生成することと、
前記第２の局において前記目標ＲＦ電磁放射のビームを受信することであり、前記第２の局は、前記目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを備える、受信することと
を含む、方法。
【請求項18】
前記第１の局は、前記細長いスロットに光学的に結合されているポンプレーザを有するレーザサブシステムを備え、前記目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、前記ポンプレーザの動作によって前記光信号を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記レーザサブシステムは、前記ポンプレーザと通信する信号処理電子機器を備え、前記光信号を生成することは、前記信号処理電子機器の動作によって、前記光信号の１つまたは複数の特性を制御することを含み、前記光信号の前記１つまたは複数の特性は、前記光信号の強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記第１の局のトラッキングサブシステムの動作によって、前記目標ＲＦ電磁放射のビームを目標ロケーションに向けるように前記フォトニック結晶メーザの向きを改変することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項21】
前記目標ロケーションは、第１の目標ロケーションであり、前記方法は、前記第２の局のトラッキングサブシステムの動作によって、前記レシーバを第２の目標ロケーションに向けるように前記レシーバの向きを改変することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記第１の局および前記第２の局は、それぞれ、前記第２の目標ロケーションおよび前記第１の目標ロケーションに配置されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記第１の目標ロケーションおよび前記第２の目標ロケーションは、中継局のロケーションに対応し、前記方法は、前記中継局の動作によって、前記第１の局からの前記目標ＲＦ電磁放射のビームの前記中継局における受信に応答して、目標ＲＦ電磁放射の第２のビームを前記第２の局に送信することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項24】
前記目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、前記細長いスロットの軸に平行な方向に沿った目標ＲＦ電磁放射の群速度を低減することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項25】
前記フォトニック結晶メーザは、出力結合器を備え、前記目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、前記出力結合器の動作によって、前記目標ＲＦ電磁放射のビームを前記フォトニック結晶メーザの周囲環境にインピーダンス整合させることを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項26】
前記フォトニック結晶メーザは、入力結合器を備え、前記方法は、
制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成することと、
前記入力結合器の動作によって、前記基準ＲＦ電磁放射を前記導波路に結合することと
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項27】
前記レシーバは、フォトニック結晶レシーバであり、前記フォトニック結晶レシーバは、誘電体材料から形成されており、キャビティの第２のアレイと第２の細長いスロットとを有する第２のフォトニック結晶構造であって、前記第２の細長いスロットは、前記キャビティの第２のアレイの欠陥領域内に配置されている、第２のフォトニック結晶構造と、
前記細長いスロットと位置整合されているアンテナ構造と、
前記第２の細長いスロット内に配置されている第２の蒸気と
を備え、
前記目標ＲＦ電磁放射のビームを受信することは、前記アンテナ構造の動作によって、前記目標ＲＦ電磁放射のビームを、前記キャビティの第２のアレイおよび前記第２の細長いスロットによって画定される第２の導波路に結合することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項28】
前記ＲＦ電磁放射のビームを受信することは、前記第２の導波路の動作によって、結合された前記ビームを前記第２の細長いスロット内に集中させることを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項29】
前記第２の局は、第２のレーザサブシステムを備え、前記第２のレーザサブシステムは、
前記第２の細長いスロットに光学的に結合されている１つまたは複数の入力レーザと、
前記第２の細長いスロットに光学的に結合されている光学サブシステムと
を備え、
前記方法は、
前記１つまたは複数のポンプレーザの動作によって前記第２の蒸気の入力光信号を生成することであって、前記入力光信号は、前記第２の蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用するように適合されている、入力光信号を生成することと、
前記光学サブシステムの動作によって、前記第２の蒸気からの出力光信号に基づいて分光分析データを生成することであって、前記分光分析データは、前記目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性を表す、分光分析データを生成することと
を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項30】
前記第２のレーザサブシステムは、前記光学サブシステムと通信するデータ処理サブシステムを備え、前記方法は、
前記データ処理サブシステムの動作によって、経時的に前記光学サブシステムから受信される分光分析データに基づいて時系列データを生成することであって、前記時系列データは、前記第１の局から送信される前記情報を表す、時系列データを生成することを含む、請求項２９に記載の方法。
【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、参照によりその開示が本明細書に組み込まれる、２０２２年２月８日に提出された米国特許出願第１７／６６７，２８１号に対する優先権を主張する。
本出願は、参照によりその開示が本明細書に組み込まれる、２０２２年２月８日に提出された米国特許出願第１７／６６７，２８１号に対する優先権を主張する。
【0002】
以下の説明は、フォトニック結晶メーザを使用した情報の通信に関する。
【背景技術】
【0003】
通信システムは、情報を局間で移動させるためにワイヤレス信号を送受信する局を含み得る。伝搬中、ワイヤレス信号は、外向きに放射され得るか、または、代替的に、経路に沿ってビームに収束され得る。ビームは、通信システムの２つ以上の局がポイントツーポイントモードにおいて通信することを可能にし得る。ビームは傍受される傾向がより低いため、そのようなポイントツーポイント通信は、情報の安全な送信を可能にし得る。ビームはまた、広い球状放出よりも、２つの局間でのその伝搬に必要とする電力をより少なくすることができる。ポイントツーポイント通信には、ビーム様放出に起因して、従来、レーザが利用されてきた。しかしながら、レーザビームは、雲、雨、霧、雪、粉塵などのような一般的な大気現象による散乱の影響を受けやすい。この散乱は、レーザビームの強度を減衰させ、レーザビームが２つの局の間で信号を送達する能力を低減する可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【図1A】衛星および水塊中に部分的に潜水した潜水艦を含む例示的な通信システムの概略図である。
【図1B】衛星および水塊上に展開した複数の船舶を含む例示的な通信システムの概略図である。
【図1C】一対の衛星を含む例示的な通信システムの概略図である。
【図2A】第１の局および第２の局を含む例示的な通信システムの概略図である。
【図3A】２つの光学窓に接合されている誘電体ボディを含む例示的なフォトニック結晶メーザの概略斜視図である。
【図3B】無線周波数（ＲＦ）電磁放射のビームを検知するための例示的なフォトニック結晶レシーバの概略斜視図である。
【図4】ポイントツーポイント通信システムの例示的な局のブロック図である。
【図6】例示的な同期、信号、およびトラフィックパケットを含む例示的なメッセージフォーマットの概略図である。
【図7】ＲＦ電磁放射の入力ビームを時系列データに変換するための例示的なプロセスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0005】
一般的な態様において、通信システムは、第１の局および第２の局を備える。第１の局は、フォトニック結晶メーザ、レーザサブシステム、およびトラッキングサブシステムを含む。フォトニック結晶メーザは、誘電体材料から形成され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、キャビティのアレイと、キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている細長いスロットとを有する。フォトニック結晶メーザはまた、細長いスロット内に配置されており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気も含む。キャビティのアレイおよび細長いスロットは、放出されると、目標ＲＦ電磁放射をビームに成形するように構成されている導波路を画定する。目標ＲＦ電磁放射のビームは、通信システムの第２の局に送信される情報を表す。レーザサブシステムは、細長いスロットに光学的に結合されており、光信号を生成するように構成されているポンプレーザを含む。レーザサブシステムは、ポンプレーザと通信し、光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている信号処理電子機器も含む。光信号の１つまたは複数の特性は、光信号の強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む。トラッキングサブシステムは、フォトニック結晶メーザの向きを制御し、以て、目標ＲＦ電磁放射のビームを目標ロケーションに向けるように構成されている。
【0006】
通信システムの第２の局は、目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを含む。いくつかの変形例において、レシーバは、誘電体材料から形成される第２のフォトニック結晶構造を含むフォトニック結晶レシーバである。第２のフォトニック結晶構造は、キャビティの第２のアレイと、キャビティの第２のアレイの欠陥領域内に配置されている第２の細長いスロットとを有する。フォトニック結晶レシーバは、目標ＲＦ電磁放射のビームを、キャビティの第２のアレイおよび第２の細長いスロットによって画定される第２の導波路に結合するように構成されているアンテナ構造を含む。第２の導波路は、結合されたビームを第２の細長いスロット内に集中させるように構成されている。フォトニック結晶レシーバは、第２の細長いスロット内に配置されている第２の蒸気を付加的に含む。これらの変形例において、第２の局は、第２の細長いスロットに光学的に結合されており、入力光信号をそれに提供するように構成されている１つまたは複数の入力レーザを有する第２のレーザサブシステムを含む。入力光信号は、第２の蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用するように適合されている。第２の局は、第２の蒸気からの出力光信号に基づいて分光分析データを生成するように構成されている光学サブシステムも含む。分光分析データは、目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性を表す。第２の局は、経時的な分光分析データに基づいて時系列データを生成するように構成されているデータ処理サブシステムを付加的に含む。時系列データは、第１の局から送信される情報を表す。
【0007】
いくつかの実施態様において、通信システムは、ポイントツーポイント通信システムである。これらの実施態様において、通信システムは、ＲＦ電磁放射のビームを、第１の局から第２の局へ（またはその逆に）情報を通信するための指向性手段として使用し得る。狭い帯域幅を使用したポイントツーポイント通信は、いくつかの理由から有用であり得る。例えば、ポイントツーポイント指向性通信は、妨害耐性通信を可能にすることができる。ポイントツーポイント通信はまた、敵対者がメッセージをリスンするためにビームを傍受する必要があるため、安全であり得る。その上、ポイントツーポイント通信は、指向性ビームが従来の無線周波数（ＲＦ）システムほど多くの干渉を生成しないため、周波数スペクトルのより良好な利用を可能にすることができる。
【0008】
特定の事例において、通信システムによって使用されるＲＦ電磁放射のビームは、レーザによって放出される光ビームを使用するシステムにまさる利点を提供することができる。可視および近赤外線周波数範囲内のレーザは、レーザが、指向性の高い放出を生成し、標準的なＲＦシステムと比較したときに相対的に小型にすることができるため、ポイントツーポイント通信の主な主力製品であった。しかしながら、レーザベースのシステムの主な欠点は、雨、雪、粉塵、煙、霧、および雲翳（雲を通じた送信が必要とされる場合）などの、一般的な大気条件において良好に機能しないことである。特に、大気粒子（例えば、雨粒）は、レーザ波長よりも大きく、したがって、可視光および近赤外光のビームを散乱させる可能性がある。
【0009】
他方、無線周波数（ＲＦ）電磁放射は、雨、雪、粉塵、霧、および雲翳を貫通することができる。ＲＦ電磁放射は、対応するＲＦトランスミッタが指向性に乏しいため、ポイントツーポイント通信には一般的に使用されていない。例えば、ＲＦアンテナは、典型的には、数度を超える角拡散を有するビームを放出する。対照的に、ＲＦメーザは、高い指向性をもって放出することができる。しかしながら、これらのメーザは、かさばり、メーザ動作に関して伝導性である分子遷移と関連付けられるもの（例えば、アンモニア）などの、少数の周波数においてのみ機能する。ＲＦポイントツーポイント指向性通信システムを作成するためには、関連する周波数において機能する小型メーザが必要とされる。通信システムのフォトニック結晶メーザは、そのようなデバイスである。リュードベリ原子メーザであってもよいフォトニック結晶メーザは、フォトニック結晶レシーバ（または、例えばリュードベリ原子レシーバ）と対にして、同じ技術に基づくトランシーバを形成することができる。フォトニック結晶メーザは、トランシーバの送信構成要素（Ｔｘ）としての役割を果たすことができ、一方、フォトニック結晶レシーバは、受信構成要素（Ｒｘ）としての役割を果たすことができる。多くの実施態様において、フォトニック結晶メーザとフォトニック結晶レシーバの両方は、制御のための信号処理およびレーザシステムに結合されている全誘電体デバイスである。しかしながら、いくつかの実施態様において、レシーバ構成要素（Ｒｘ）は、従来のレシーバ（例えば、アンテナ）であってもよい。
【0010】
フォトニック結晶メーザをトランシーバから第２の局上のレシーバに向けることは、第１の局および第２の局のうちの一方または両方上のトラッキングシステムによって容易にすることができる。例えば、第１の局は衛星局であってもよく、第２の局は地上局であってもよい。第１の局上のトラッキングシステムは、フォトニック結晶メーザを地上局に向けるように動作し得る。別の例として、第１の局は月局であってもよく、第２の局は地球局であってもよい。この例において、第１の局および第２の局は、トランシーバを規定する１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを各々含んでもよい。第１の局および第２の局のトラッキングシステムは、第１の局のトランシーバを第２の局に向け、および、その逆を行うように動作可能であり得る。
【0011】
第１の局と第２の局との間の通信を符号化するための多くの異なるシステムが可能である。例えば、ＲＦ電磁放射のビームの強度を、第１の局、第２の局、または両方において変調することができる。オンオフキーイングおよびパルス位置変調が、使用することができる強度変調の２つの可能性のある方式である。位相シフトキーイング、差動位相シフトキーイング、周波数シフトキーイング、または偏光シフトキーイングを使用することもできる。これらの後者の方式は、フォトニック結晶メーザが基準ＲＦ発振器からのものなどの、安定したＲＦ信号によってインジェクションシーディングされる場合に実施され得る。インジェクションシーディング（またはロック）は、メーザ出力の位相および周波数を固定し、いくつかの変形例において、それを安定したクロック信号にリンクさせる。偏光シフトキーイングを使用するために、異なる偏光を有する２つの直交するフォトニック結晶メーザを、偏光感度の高い２つのレシーバ（例えば、２つの直交するフォトニック結晶レシーバ）とともに使用することができる。各トランシーバにおいて同期されたフォトニック結晶メーザを使用するヘテロダイン式測定によって、位相および周波数（または一般的に、位相または角度）を決定することができる。
【0012】
第１の局および第２の局は、ポイントツーポイント通信システムの一部であってもよく、または、ポイントツーポイント通信システムを規定してもよい。ポイントツーポイント通信は、従来の通信システムよりも本質的に安全であり得、引き起こす干渉がより少ないものであり得る。なりすましているトランスミッタから、目標トランスミッタに向けられているレシーバへと放射を方向付けることがより困難であるため、ポイントツーポイント通信システムでは、なりすましもより困難である。ポイントツーポイント通信はまた、ステルスアプリケーションも可能にし得る。ステルスアプリケーションについて、ＲＦ電磁放射のビームの電力レベルは、無指向性放射（例えば、球状ブロードキャスト放射）に必要とされる電力レベルよりも低くすることができる。従来のＲＦシステムと比較して、サイズ、重量、および電力（ＳＷａＰ）を低減することもできる。ポイントツーポイント通信システムのアンテナは、相対的に小さくすることができ、通信チャネルは、広範囲の周波数にわたって位置することができる。その上、ポイントツーポイント通信システムは、複数の周波数において動作することができる。
【0013】
レーザが、それらの可用性のために、衛星通信および他のポイントツーポイントシステムに従来利用されてきた。レーザは、指向性が高く、相対的に小型にすることができる。しかしながら、光と比較すると、無線周波数放射（例えば、１ＭＨｚ～３００ＧＨｚ）が、通信には有利である。これは、無線周波数放射が、特に一部の無線周波数帯域において、雨、雪、粉塵、雲翳、および霧をより良好に貫通することができるためである。しかし、無線周波数システムは指向性に乏しい傾向があるため、無線周波数システムは一般的にポイントツーポイント通信に使用されない。多くの事例において、無線周波数アンテナは、数度以上の拡散にわたって放出する。無線周波数メーザは、その放出の高度の指向性に起因して、この拡散を低減するために使用することができる。しかしながら、今日、無線周波数メーザは、かさばり、極端に限られた数の周波数においてのみ機能し得る。したがって、実際的であり、レーザと同様の指向性を有する無線周波数ポイントツーポイント通信システムを作成するために、関連する周波数において動作する小型メーザをレシーバと対にして、指向性無線周波数トランシーバを構築することができる。
【0014】
多くの実施態様において、本明細書に記載されているフォトニック結晶メーザは、例えば、ＲＦ電磁放射のビームなどの、指向性ＲＦ電磁放射を放出するように構成されている。そのようなメーザは、ポイントツーポイント通信システムの局において使用することができる。フォトニック結晶メーザは、リュードベリ原子ベースの検知技術を使用して動作し得る。リュードベリ原子ベースの検知技術は、原子のリュードベリ状態を含む内部エネルギー状態の量子干渉を使用して電磁放射を検出する。この動作プロセスは、自己較正し、感度が高く、電磁的に透明であり、サブ波長のものである。他の利点が可能である。リュードベリ原子ベースの検知技術は、ＭＨｚ～ＴＨｚの周波数範囲にわたって機能することができ、実際的に任意のリュードベリ原子遷移に対して機能するメーザを生成するために使用することもできる。そうするために、メーザは、フォトニック結晶キャビティを使用して、遷移に対するメージングを促進することができる。フォトニック結晶キャビティは、超高感度レシーバ（またはフォトニック結晶レシーバ）を作成するために使用することもできる。このレシーバは、偏光とＲＦ電場の両方に対して超高感度であり得る。フォトニック結晶レシーバは、自己較正かつ全誘電体でもあり得る。
【0015】
フォトニック結晶メーザは、レシーバ（例えば、従来のレシーバまたはフォトニック結晶レシーバ）と組み合わせて、リュードベリ原子ベースのトランシーバを構築することができる。トランシーバは、通信システムの局間のポイントツーポイント通信に使用することができる。複数のトランシーバ、または複数のレシーバおよび複数のフォトニック結晶メーザをともにグループ化して、マルチ周波数および／またはマルチ偏光および／またはマルチチャネル通信システムを形成することができる。トランシーバ内のフォトニック結晶メーザは、フォトニック結晶メーザの位相および周波数を固定するように、位相および周波数安定ＲＦ波によってインジェクションシーディングすることができる。インジェクションシードは、信号を符号化するために、位相または周波数変調して、フォトニック結晶メーザの出力を周波数または位相変調させることができる。位相および周波数符号化は、差動位相シフトキーイング、位相シフトキーイング、または周波数シフトキーイングなどの方式を可能にすることができる。１つまたは複数のポンプレーザを使用して、フォトニック結晶メーザの強度を変調することができる。ポンプレーザの変調は、オンオフキーシフティングおよびパルス位置変調などの、強度変調符号化方式を実施するための１つの方法であり得る。インジェクションロックフォトニック結晶メーザまたは第２のインジェクションロックフォトニック結晶メーザを、ヘテロダインまたはホモダイン検出手法のためにレシーバとともに使用することができる。そのような手法は、通信システムの周波数または位相符号化を可能にすることができる。クロックに対して参照されるＲＦ場も、ヘテロおよびホモダイン測定に使用することができる。
【0016】
いくつかの実施態様において、通信システムは、防衛または軍事用途向けに構成することができる。通信システムは、情報を送信するために、フォトニック結晶メーザからの非常に狭いコヒーレントなビームを使用するため、そのような送信は、通信システムの局（例えば、第１の局および第２の局）間のポイントツーポイント通信を可能にすることができる。送信および受信機能の高い指向性は、そのような通信を妨害耐性にし、安全にすることができる。通信リンクの指向性はまた、干渉も低減する。その上、無線周波数の使用は、霧、雲翳および他の形態の降水の、レーザによって生成される光よりも良好な貫通を可能にする。レーザ光システムは、地上とスペースボーンの両方のシステムについて実証されている。しかし、フォトニック結晶メーザの増幅によって、リュードベリ技術スペースボーン通信システムを作成することが可能であり得る。
【0017】
通信システムの指向性トランシーバはまた、ＧＰＳオープン領域とＧＰＳ拒絶領域との間で測位、ナビゲーション、およびタイミング（ＰＮＴ）＋情報を安全に送信または中継するために使用することもできるほか、ＧＰＳ拒絶ＰＮＴ用のビーコンシステムのバックボーンとしても役割を果たすことができる。トランシーバの利用の別の例は、特にトランスミッタの安全性および検出の低減が不可欠である軍事用途のための、悪天候における船舶間の通信である。例えば、通信システムは、空母群を形成する船舶間の内密の安全な通信を作成するために使用することができる。内域防御幕は約１９ｋｍであり、これは、ズムウォルト級駆逐艦の水平線（例えば、約２２ｋｍ）以内である。２２～４５ｋｍの外域防御幕は、内域防御幕によるポイントツーポイント容量以内である。結果として、内域および外域防御幕は、空母群の主要部分を有する安全な通信システムを設定することができる。外側哨戒領域は、約３７０ｋｍに位置付けられるため、ポイントツーポイント範囲外である。
【0018】
いくつかの変形例において、衛星通信を、防御幕、特に哨戒線に通信を中継するために使用することができる。図１Ａ～図１Ｃは、様々な環境に配備されるそれぞれの例示的な通信システムの概略図を提示する。図１Ａ～図１Ｂにおいて、例えば、悪天候に起因して通信チャネルを喪失する結果が許容不可能である状況において、無線周波数が光にまさる多くの利点を有することが容易に分かる。信号灯は、依然として海軍によって使用されることに留意されたい。通信システムは、悪天候をより良好に貫通し、はるかにより大きいデータレートを有するものによって、信号灯を確実に置き換えることができる。
【0019】
図１Ａは、衛星および水塊中に部分的に潜水した潜水艦を含む例示的な通信システムの概略図を提示する。衛星および潜水艦は、それぞれ、例示的な通信システムの第１の局および第２の局としての役割を果たすことができる。しかしながら、衛星はまた、例示的な通信システムの中継局であってもよい。例示的な通信システムの周囲環境は、雲、降水（例えば、雨）、および潜水艦が部分的に潜水する水塊を含む。その上、衛星および潜水艦は、双方向ポイントツーポイント通信に参加し得る。図１Ｂは、衛星および水塊上に展開した複数の船舶を含む例示的な通信システムの概略図を提示する。衛星および船舶は、例示的な通信システムのそれぞれの局としての役割を果たすことができる。図１Ａと同様に、図１Ｂの通信システムの周囲環境は、雲および降水（例えば、雨）を含む。衛星および艦隊の船舶は、互いとの双方向ポイントツーポイント通信に参加し得る。図１Ｃは、一対の衛星を含む例示的な通信システムの概略図を提示する。衛星対は、例示的な通信システムの第１の局および第２の局としての役割を果たすことができ、これは、例示的な通信システムの中継チェーンの一部であることを含んでもよい（例えば、第１の局および第２の局が各々、中継局である）。しかしながら、他のタイプの空中局が可能である。例えば、ドローンは、通信システムの衛星間のポイントツーポイント通信が有用であり得る、もう１つの分野である。いくつかの事例において、通信システムは、他の安全通信用途の中でも、ドローン制御、海軍通信、衛星通信、および一般的に軍事通信に用途があり得る。
【0020】
ポイントツーポイント通信システムは、複数の利点をもたらすことができる。上述したように、ポイントツーポイント通信は、従来の通信よりも傍受が困難であるため、本質的により安全である。ポイントツーポイント通信を使用することができるとき、そのような通信は、内密でステルス性のものとすることができる。ポイントツーポイント通信は、干渉を低減し、利用可能な電磁スペクトル（例えば、ＲＦスペクトル）のより効率的な使用を可能にすることもできる。しかしながら、ＲＦドメインにおいてポイントツーポイント通信を使用することに対する主なハードルは、指向性の高いＲＦトランスミッタを欠くことである。アンテナ、さらにはほとんどの多素子アンテナは、広い空間放出を有する。その上、従来のメーザを使用して、指向性の高いＲＦビームを生成することはできるが、これは限定された周波数向けにしか存在しない。加えて、既知のメーザシステムは、生成することができる周波数が限られている。他方、光は、レーザの可用性に起因して、ポイントツーポイント通信に大規模に使用されてきた。光を使用した安全で内密な用途のためのポイントツーポイント通信の広い導入は、降水、粉塵、および雲が光を効率的に散乱させ、これらの条件下での動作を実行不可能にするという事実によって妨げられている。しかしながら、ＲＦ電磁放射は、降水、粉塵および雲を光よりも良好に貫通することができる。その上、ポイントツーポイント通信に関するＲＦ電磁放射の信頼性は、指向性レーザ源を使用することができる場合、光よりも優れ得る。
【0021】
晴天では、約１ｃｍ以下の波長の大気透過率は、近赤外線大気透過帯域に概ね等しい。ポイントツーポイント通信について、これらの波長の放射の選択において差はほとんどない。しかしながら、約０．２５ｍｍ／時の降雨において、赤外線周波数の減衰は、無線周波数波長のそれを１桁超える。デシベル毎キロメートル単位で測定される減衰について、無線周波数波長は、約０．０２ｄＢ／ｋｍの損失を被り、一方、赤外線は約０．７ｄＢ／ｋｍの損失を被る。０．１ｇ／ｍ3の霧について、この効果はさらにより劇的になり得る。無線周波数波長について、霧は減衰には無関係であるが、赤外線の減衰は、約２００ｄＢ／ｋｍまで４桁増大する。２５ｍｍ／時の激しい雨について、無線周波数波長は、約１ｄＢ／ｋｍ程度減衰され得、しかし、赤外線は、約１０ｄＢ／ｋｍとより大幅に減衰される。共通の天候条件における減衰のこれらの劇的な差は、リュードベリ原子メーザを中心として構築されるポイントツーポイント通信システムが、高忠実度通信が所望されるときに有用であることを示している。
【0022】
図２Ａは、第１の局２０２および第２の局２０４を含む例示的な通信システム２００の概略図を提示する。第１の局２０２は、フォトニック結晶メーザ２０２ａを含み、図２Ａに示すようないくつかの変形例においては、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂも含む。フォトニック結晶メーザ２０２ａおよびフォトニック結晶レシーバ２０２ｂは、第１の局２０２のトランシーバの一部であってもよく、または、当該トランシーバを規定してもよい。第２の局２０４は、目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを含んでもよい。レシーバは、従来のレシーバであってもよく、または、図２Ａに示すように、フォトニック結晶レシーバ２０４ｂであってもよい。いくつかの変形例において、第２の局２０４は、フォトニック結晶メーザ２０４ａも含む。これらの変形例において、フォトニック結晶メーザ２０４ａおよびフォトニック結晶レシーバ２０４ｂは、第２の局２０４のトランシーバの一部であってもよく、または、当該トランシーバを規定してもよい。いくつかの変形例において、フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａおよびレシーバ２０２ｂ、２０４ｂは、それぞれ、リュードベリ原子メーザおよびレシーバである。これらの変形例において、フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａおよびレシーバ２０２ｂ、２０４ｂは、それぞれ、気体リュードベリ原子（例えば、ＲｂおよびＣｓなどのＩＡ族原子）によって規定されるそれぞれの蒸気を含んでもよい。
【0023】
これらの実施態様において、フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａは、誘電体材料から形成されるフォトニック結晶構造を各々含む。フォトニック結晶構造は、キャビティのアレイと、キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている細長いスロットとを有する。フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａは、細長いスロット内に配置されており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気も各々含む。キャビティのアレイおよび細長いスロットは、放出されると、目標ＲＦ電磁放射をビームに成形するように構成されている導波路を画定する。目標ＲＦ電磁放射のビームは、通信システムの別の局（例えば、フォトニック結晶メーザ２０２ａの場合は第２の局２０４、フォトニック結晶メーザ２０４ａの場合は第１の局など）に送信される情報を表す。フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａの特徴は、図３Ａに関連してさらに説明する。
【0024】
フォトニック結晶レシーバ（例えば、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂまたは２０４ｂ）を有する実施態様において、フォトニック結晶レシーバは、誘電体材料から形成され、第２のキャビティのアレイおよび第２の細長いスロットを有する第２のフォトニック結晶構造を含む。第２の細長いスロットは、キャビティの第２のアレイの欠陥領域内に配置されている。フォトニック結晶レシーバは、目標ＲＦ電磁放射のビームを、キャビティの第２のアレイおよび第２の細長いスロットによって画定される第２の導波路に結合するように構成されているアンテナ構造も含む。アンテナ構造は、第２のフォトニック結晶構造の一体部分であってもよい。第２の導波路は、結合されたビームを第２の細長いスロット内に集中させるように構成されている。フォトニック結晶レシーバは、第２の細長いスロット内に配置されている第２の蒸気を付加的に含む。いくつかの変形例において、アンテナ構造は、目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光をフィルタリングするように構成されている偏光子を含む。フォトニック結晶レシーバの特徴は、図３Ｂに関連してさらに説明する。
【0025】
いくつかの実施態様において、フォトニック結晶メーザ２０２ａは、第１の局２０２のトランシーバのトランスミッタ（またはＴｘ構成要素）としての役割を果たすことができる。同様に、フォトニック結晶メーザ２０４ａは、第２の局２０４のトランシーバのトランスミッタ（またはＴｘ構成要素）としての役割を果たすことができる。いくつかの実施態様において、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂは、第１の局２０２のトランシーバのレシーバ（またはＲｘ構成要素）としての役割を果たすことができる。同様に、フォトニック結晶レシーバ２０４ｂは、第２の局２０４のトランシーバのレシーバ（またはＲｘ構成要素）としての役割を果たすことができる。動作中、フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａおよびフォトニック結晶レシーバ２０２ｂ、２０４ｂは、第１の局２０２および第２の局２０４が、ＲＦ電磁放射のビームを使用してポイントツーポイント通信モードにおいて動作することを可能にすることができる。例えば、第１の局２０２のフォトニック結晶メーザ２０２ａは、ＲＦ電磁放射のビームを第２の局２０４に送信することができる。第２の局２０４のフォトニック結晶レシーバ２０４ｂは、そのアンテナ構造をＲＦ電磁放射のビームに結合することによって、ＲＦ電磁放射のビームを受信することができる。
【0026】
多くの実施態様において、フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａは、リュードベリ原子メーザである。リュードベリ原子メーザは、ＭＨｚ～ＴＨｚに及ぶ実質的に任意の周波数において動作することができる。例えば、リュードベリ原子メーザは、Ｒｙｂｅｒｇ原子メーザのフォトニック結晶構造によって画定される導波路の導波路モードと共振することができる。この共振は、リュードベリ原子メーザが、特定の選択された周波数において機能することを可能にすることができ、誘電体ボディ内の蒸気セル構造は、リュードベリ原子メーザがこの範囲内のほぼあらゆる周波数において動作することを可能にするように変化させることができる。いくつかの実施態様において、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂ、２０４ｂは、リュードベリ原子レシーバである。これらの実施態様において、トランシーバのＴｘおよびＲｘ構成要素を作動させるために、単一のレーザシステムが使用されてもよい。例えば、複数の周波数に切り替えることができ、または、複数の周波数において動作することができるアジャイルレーザシステムを使用して、通信システムの局内の複数のトランシーバをサポートすることができる。また、複数のレーザを使用して、複数のトランシーバを動作させることもできる。リュードベリ原子レシーバは、誘電体であること（そのため、レシーバを最小限の干渉でグループ化することができる）、感度が高いこと、および、トランシーバ内のリュードベリ原子メーザと同じレーザ、制御、および信号処理パッケージによって駆動されることなどの特性から受益することができる。いくつかの変形例において、リュードベリ原子メーザは、リュードベリ原子レシーバと同様の構造などのフォトニック結晶導波路蒸気セルまたは蒸気セル内で増幅することができる。
【0027】
いくつかの実施態様において、第１の局２０２は、ポンプレーザおよび信号処理電子機器を有するレーザサブシステム２０２ｃを含む。ポンプレーザは、（例えば、光ファイバを介して）フォトニック結晶メーザ２０４ａの細長いスロットに光学的に結合されており、光信号を生成するように構成されている。いくつかの事例において、複数のポンプレーザが存在してもよい。信号処理電子機器は、ポンプレーザと通信し、光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている。光信号の１つまたは複数の特性は、光信号の強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む。さらなる事例において、光信号の１つまたは複数の特性は、光信号の偏光を含む。
【0028】
いくつかの実施態様において、レーザサブシステム２０２ｃは、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂの第２の細長いスロットに光学的に結合されており、入力光信号をそれに提供するように構成されている１つまたは複数の入力レーザを含む。いくつかの事例において、１つまたは複数の入力レーザは、ポンプレーザを含む。入力光信号は、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂの第２の蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用するように適合されている。レーザサブシステム２０２ｃは、第２の蒸気からの出力光信号に基づいて分光分析データを生成するように構成されている光学サブシステムも含む。分光分析データは、通信システム２００の別の局（例えば、第２の局２０４）からの目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性を表す。いくつかの変形例において、目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性は、ビームの強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む。フォトニック結晶レシーバのアンテナ構造が偏光子（例えば、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂまたは２０４ｂ）を含む変形例について、１つまたは複数の特性は、ビームの偏光を含み得る。図２Ａに示すものなどの多くの変形例において、第２の局２０４は、第１の局２０２に関連して説明したものに類似するレーザサブシステム２０４ｃを含む。
【0029】
いくつかの実施態様において、第１の局２０２は、経時的な分光分析データに基づいて時系列データを生成するように構成されているデータ処理サブシステム２０２ｄ（またはアプリケーションサブシステム）を付加的に含む。時系列データは、通信システム２００の別の局（例えば、第２の局２０４）から送信される情報を表す。いくつかの事例において、データ処理サブシステム２０２ｄは、レーザサブシステム２０２ｃの一部であってもよい。図２Ａに示すものなどの多くの変形例において、第２の局２０４は、第１の局２０２に関連して説明したものに類似するデータ処理サブシステム２０４ｄを含む。
【0030】
いくつかの実施態様において、第１の局２０２および第２の局２０４のうちの一方または両方は、それぞれのトラッキングサブシステム２０２ｅ、２０４ｅを含む。トラッキングサブシステム２０２ｅ、２０４ｅは、慣性航法ユニット（ＩＮＵ）を含んでもよい。各トラッキングサブシステム２０２ｅ、２０４ｅは、第１の局２０２または第２の局２０４と関連付けられるトランシーバの向きを制御するように構成されている。例えば、トラッキングサブシステム２０２ｅは、第１の局２０２のトランシーバの向きを制御し、以て、フォトニック結晶メーザ２０２ａの向きを、そこから放出される目標ＲＦ電磁放射のビームを目標ロケーションに向けるように制御することができる。いくつかの変形例において、目標ロケーションは、第１の目標ロケーションであり、第２の局２０４のトラッキングサブシステム２０４ｅは、そのトランシーバを第２の目標ロケーションに向ける。これらの変形例において、第１の局２０２および第２の局２０４は、それぞれ、第２のロケーションおよび第１のロケーションに配置されてもよい。したがって、第１の局２０２のトランシーバは第２の局に向き、および、その逆が行われる。しかしながら、他の向きが可能である。
【0031】
例えば、通信システム２００は、中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されている中継局（例えば、衛星、ドローン、航空機、船舶、塔など）を含み得る。第１の目標ロケーションおよび第２の目標ロケーションのうちの一方または両方は、中継ロケーションに対応し得る。図２Ｂは、図２Ａの例示的な通信システム２００であるが、衛星２０６が例示的な通信システムの中継局としての役割を果たす、例示的な通信システムの概略図を提示する。第１の局２０２および第２の局２０４のトランシーバは、衛星２０６に向くように方向付けられる。その上、第１の局２０２および第２の局２０４は、衛星２０６との双方向ポイントツーポイント通信に参加する。したがって、衛星２０６は、第１の局２０２および第２の局２０４に類似して構成することができる（例えば、通信システム２００の第３の局としての役割を果たす）。図２Ｂは中継局を示すが、衛星２０６は、ターミナルエンドなどの、中継局のチェーンの一部であってもよい。この場合、第１の局２０２は、衛星２０６に向いてもよく、第２の局２０４はチェーンの別の中継局に向いてもよい。
【0032】
トラッキングサブシステム２０２ｅ、２０４ｅは、通信チャネルを固定するために第１の局２０２および第２の局２０４の方向付けを能動的にロックするように構成することができ、これは、目標ロケーション（例えば、飛行機、ドローンなど）を移動させることを含んでもよい。トラッキングサブシステム２０２ｅ、２０４ｅは、方向付けを微調整するためにレシーバおよびトランスミッタならびに可動光学素子（例えば、３軸傾斜ステージ上のミラー）を独立して方向付けるためのジンバルマウントを含んでもよい。慣性航法ユニットが、トランシーバの方向付けを支援することができる。しかしながら、いくつかの変形例において、ビーコン、または一連のビーコンを使用して、通信リンクが確立され得るまでに方向付けを改善することができる。リンクが確立されると、方向付けおよびトラッキングを能動的にロックして、チャネルを維持することができる。
【0033】
フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａは、信号を符号化するために、周波数変調、位相変調、または振幅変調することができる。レシーバ信号は、ホモダインまたはヘテロダイン検出などの技法を使用したローカルメーザ放射を使用して復調することができる。異なる局におけるフォトニック結晶メーザは、原子時計またはＧＰＳタイミング信号であってもよい、慣性航法ユニットからのクロック信号を使用することによって、互いにコヒーレントにすることができる。図２Ａは、衛星が、タイミングおよび位置情報を含むＧＰＳ信号を提供するように動作可能である事例を示す。
【0034】
いくつかの実施態様において、第１の局２０２および第２の局２０４のうちの一方または両方は、制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準ＲＦサブシステムを含む。いくつかの変形例において、基準ＲＦサブシステムは、基準ＲＦ発振器（例えば、原子時計）を含み、第１の局２０２または第２の局２０４のクロックおよびタイミングサブシステム（例えば、クロックおよびタイミングサブシステム２０２ｆ、２０４ｆ）の一部であってもよい。クロックおよびタイミングサブシステムは、通信システム２００のその局と他の局との間で通信信号を同期させるように構成されている。クロックおよびタイミングサブシステムはまた、（例えば、インジェクションロックを通じて）その局のフォトニック結晶メーザの安定した基準としての役割を果たすように構成されている。クロックおよびタイミングサブシステムは、通信システム２００のその局と他の局との間に通信チャネルを確立するなどのために、その局のトラッキングサブシステムを支援するように構成することもできる。
【0035】
第１の局２０２が基準ＲＦサブシステムを含む事例において、フォトニック結晶メーザ２０２ａは、基準ＲＦ電磁放射をその導波路に結合するように構成されている入力結合器を含んでもよい。同様に、第２の局２０４が基準ＲＦサブシステムを含む事例において、フォトニック結晶メーザ２０４ａは、類似の入力結合器を含んでもよい。フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａの入力結合器は、それらのそれぞれのフォトニック結晶構造の一体部分であってもよい。基準ＲＦサブシステムは、存在する場合、フォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａがインジェクションロックされることを可能にすることができる。例えば、メーザは、クロックおよびタイミングサブシステムからのクロック信号に対して参照される小ＲＦ発振器信号によってインジェクションロックすることができる。いくつかの変形例において、約１千億分率（１ ｐａｒｔ ｉｎ １０11）のタイミング正確度が可能である。しかしながら、さらなる変形例において、約１十兆分率（１ ｐａｒｔ ｉｎ １０13）のタイミング正確度が可能である（例えば、ポータブルシステムの場合）。
【0036】
例えば、２つの直交偏光フォトニック結晶メーザおよび直交偏光を受信するように向けられている２つのフォトニック結晶レシーバを使用することによって、偏光変調も可能である。冗長性に加えて、第１の局２０２および第２の局２０４内で複数のトランシーバを使用して、通信システム２００の帯域幅を増大させることができる。例えば、単一のフォトニック結晶メーザとレシーバとの対の帯域幅は、約２０ＭＢ／秒であり得る。周波数コムに基づくものなどの単一のレーザシステムによって、そのようなシステムを駆動することが可能である。
【0037】
いくつかの実施態様において、第１の局２０２および第２の局２０４のうちの一方または両方は、第２の基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準アンテナを含む。第２の基準ＲＦ電磁放射は、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有する。基準アンテナは、レシーバ（例えば、従来のレシーバ、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂ、２０４ｂのアンテナ構造など）に電磁的に結合されている。動作中、基準アンテナは、第２の基準ＲＦ電磁放射を、レシーバによって受信されるＲＦ電磁放射の入力ビームに重ね合わせることができる。そのような重ね合わせは、第２の基準ＲＦ電磁放射とＲＦ電磁放射の入力ビームとの間の干渉を引き起こすことができ、したがって、ＲＦ電磁放射の入力ビームの位相および周波数が、基準場に対して決定されることを可能にする。
【0038】
いくつかの実施態様において、第１の局２０２および第２の局２０４は、通信インターフェース（例えば、通信インターフェース２０２ｇ、２０４ｇ）を各々含む。これらの実施態様において、データ処理サブシステム２０２ｄ、２０４ｄは、それぞれの通信インターフェース２０２ｇ、２０４ｇから信号（音声、ビデオ、コーデックなど）を取り込み、それを送信のためにフォーマット化し、レーザサブシステムの信号処理電子機器に送る。そのような動作を補助するために、信号処理電子機器は、変調電子機器を含むことができる。データ処理サブシステム２０２ｄ、２０４ｄ、は、同期を制御し、接続を維持し、これは、シグナリングパケットのハンドリングを含む。同様に、データ処理サブシステム２０２ｄ、２０４ｄは、フォトニック結晶レシーバから生データを取り込み、生データを信号処理して、それぞれの通信インターフェース２０２ｇ、２０４ｇ向けに信号をフォーマット化することができる。いくつかの形態の復調は、部分的に、信号のヘテロダイン検出またはホモダイン検出など、フォトニック結晶レシーバ２０２ｂ、２０４ｂにおいて行われ得る。受信信号は、処理されると、それぞれの通信インターフェース２０２ｇ、２０４ｇ．への出力のためにフォーマット化される。
【0039】
ここで、図３Ａを参照すると、２つの光学窓３０４、３０６に接合されている誘電体ボディ３０２を含む例示的なフォトニック結晶メーザ３００の概略図が、斜視において提示されている。例示的なフォトニック結晶メーザ３００は、図２Ａおよび図２Ｂに関連して説明したフォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａに類似し得る。誘電体ボディ３０２は、誘電体ボディ３０２内にフォトニック結晶構造３１０を画定するように周期的に順序付けされたキャビティ３０８のアレイを含む。例えば、アレイのキャビティ３０８は、斜方格子、正方格子、矩形格子、六角格子、菱形格子などのような、二次元格子のそれぞれの部位に配置されてもよい。図３Ａにおいて、各キャビティ３０８は、貫通孔によって画定される。しかしながら、複数の形状の組み合わせを含む、キャビティ３０８の他の形状（例えば、止まり穴、内部空隙など）が可能である。誘電体ボディ３０２はまた、フォトニック結晶構造３１０内の欠陥を画定する、キャビティ３０８のアレイ内の領域３１２（または欠陥領域）も含む。この領域は、二次元格子の２つ以上の連続する部位にキャビティ３０８を欠くことによって画定することができる。図３Ａにおいて、領域３１２は、一行分のキャビティ３０８がない線形領域である。しかしながら、湾曲、円形、楕円形、蛇行、正方形、矩形、六角形などを含む、他の幾何形状が可能である。
【0040】
誘電体ボディ３０２は、ＲＦ電磁放射に対して実質的に透明な材料から形成され得る。材料は、例えば、ρ＞１０３Ω・ｃｍの高い抵抗率を有する絶縁材料であってもよく、また、単結晶材料、多結晶材料、または非晶質（またはガラス）材料に対応してもよい。例えば、誘電体ボディ３０２は、シリコンから形成されてもよい。別の例において、誘電体ボディ３０２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、二酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯxなど）を含むガラスから形成されてもよい。いくつかの事例において、誘電体ボディ３０２の材料は、酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3）、二酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ2）、二酸化チタン（例えば、ＴｉＯ2）、二酸化ジルコニウム（例えば、ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（例えば、Ｙ2Ｏ3）、酸化ランタン（例えば、Ｌａ2Ｏ3）などのような酸化物材料である。酸化物材料は、不定比であってもよく（例えば、ＳｉＯx）、また、１つまたは複数の二元酸化物の組み合わせ（例えば、Ｙ：ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3など）であってもよい。特定の変形例において、組み合わせは、ＢａＬｎ2Ｔｉ4Ｏ12に対応してもよく、Ｌｎは、元素周期表のランタニド族からの１つまたは複数の元素を指す。他の事例において、誘電体ボディ３０２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）などのような非酸化物材料である。
【0041】
誘電体ボディ３０２は、誘電体ボディ３０２の表面内のスロット開口部から誘電体ボディを少なくとも部分的に通って延在する、領域３１２を通る細長いスロット３１４を付加的に含む。図３Ａにおいて、細長いスロット３１４は、誘電体ボディ３０２を完全に貫通して第２のスロット開口部へと延在する。キャビティ３０８のアレイおよび細長いスロット３１４は、導波路モードを有する導波路を画定する。動作中、導波路は、無線周波数（ＲＦ）電磁放射（またはその波）を、領域３１２の軸に沿って、誘電体ボディ３０２の端部などに向けて誘導することができる。
【0042】
例示的なフォトニック結晶メーザ３００はまた、細長いスロット３１４内の蒸気（または蒸気源）も含む。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んでもよい。例えば、蒸気は、アルカリ金属原子（例えば、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓなど）のガス、希ガス（例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒなど）、または両方を含んでもよい。別の例において、蒸気は、二原子ハロゲン分子（例えば、Ｆ2、Ｃｌ2、Ｂｒ2など）のガス、希ガス、または両方を含んでもよい。さらに別の例において、蒸気は、有機分子（例えば、アセチレン）のガス、希ガス、または両方を含んでもよい。他の成分を含む、蒸気の他の組み合わせが可能である。蒸気源は、熱、紫外線放射への曝露、レーザ光による照射などのような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。例えば、蒸気は、アルカリ金属原子のガスに対応してもよく、蒸気源は、細長いスロット３１４内に配置さ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質量に対応してもよい。
【0043】
多くの実施態様において、蒸気は、電子エネルギー準位の対の間で規定される電子遷移（例えば、リュードベリ遷移、原子遷移、分子遷移など）を有する。特に、蒸気は、１つまたは複数の入力電子遷移および１つまたは複数の入力電子遷移に結合される出力電子遷移を含む。出力電子遷移は、目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能であり、導波路の１つまたは複数の導波路モードと共振する。いくつかの実施態様において、例示的なフォトニック結晶メーザ３００は、蒸気の１つまたは複数の入力電子遷移を励起することが可能な光信号を生成するように構成されているレーザ（例えば、レーザサブシステムのポンプレーザ）を含む。いくつかの実施態様において、出力電子遷移は、１００ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数を有する目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能である。
【0044】
フォトニック結晶構造３１０は、導波路内の目標ＲＦ電磁放射のフォトニックバンドギャップを規定し得る。フォトニックバンドギャップは、導波路内の目標ＲＦ電磁放射の横磁場（ＴＭ）モード、横電場（ＴＥ）モード、または両方に関するものであり得る。フォトニックバンドギャップは、フォトニック結晶構造３１０が、目標ＲＦ電磁放射の特性に影響を及ぼすことを可能にし得る。例えば、フォトニック結晶構造３１０は、目標ＲＦ電磁放射を細長いスロット３１４内に集中させるように構成することができる。フォトニック結晶構造３１０は、細長いスロット３１４の方向に沿った（例えば、細長いスロット３１４の軸に沿った）目標ＲＦ電磁放射（またはその波）の群速度を低減するように構成することもできる。そのような影響は、フォトニック結晶構造３１０が、蒸気による光子の吸収および放出を制御するように構成することができる。
【0045】
いくつかの実施態様において、細長いスロット３１４は、部分的に誘電体ボディ３０２を通じて延在し、誘電体ボディ３０２は、細長いスロット３１４のスロット開口部を画定する表面を含む。これらの実施態様において、例示的なフォトニック結晶メーザ３００は、細長いスロット３１４を被覆し、スロット開口部の周りにシールを形成するために表面に接合されている窓表面を有する光学窓（例えば、光学窓３０４）を含む。そのようなシールは、光学窓および誘電体ボディ３０２が、細長いスロット３１４内の蒸気（または蒸気源）をシールし、以て、領域３１２内に蒸気セルを画定するのを支援することができる。光学窓は、圧着、陽極接合、ガラスフリット接合などを使用して誘電体ボディ３０２に接合することができる。そのような接合は、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれる「Ｖａｐｏｒ Ｃｅｌｌｓ Ｈａｖｉｎｇ Ｏｎｅ ｏｒ Ｍｏｒｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｂｏｎｄｅｄ ｔｏ ａ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｏｄｙ」と題する米国特許第１０，８５９，９８１号に記載されている技法を使用して形成されてもよい。
【0046】
光学窓は、目標ＲＦ電磁放射を放出するために蒸気を刺激するために使用される電磁放射（例えば、レーザ光）に対して透明である材料から形成されてもよい。例えば、光学窓は、電磁放射の赤外線波長（例えば、７００～５０００ｎｍ）、電磁放射の可視波長（例えば、４００～７００ｎｍ）、または電磁放射の紫外線波長（例えば、１０～４００ｎｍ）に対して透明であってもよい。その上、光学窓の材料は、例えば、ρ＞１０３Ω・ｃｍの高い抵抗率を有する絶縁材料であってもよく、また、単結晶材料、多結晶材料、または非晶質（またはガラス）材料に対応してもよい。例えば、光学窓の材料は、石英、石英ガラス、またはホウケイ酸ガラス中に見出されるものなどの、二酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯxなど）を含んでもよい。別の例において、光学窓の材料は、サファイアまたはアルミノケイ酸ガラス中に見出されるものなどの、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌxＯyなど）を含んでもよい。いくつかの事例において、光学窓の材料は、酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3）、二酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ2）、二酸化チタン（例えば、ＴｉＯ2）、二酸化ジルコニウム（例えば、ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（例えば、Ｙ2Ｏ3）、酸化ランタン（例えば、Ｌａ2Ｏ3）などのような酸化物材料である。酸化物材料は、不定比であってもよく（例えば、ＳｉＯx）、また、１つまたは複数の二元酸化物の組み合わせであってもよい（例えば、Ｙ：ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3、ＢａＬｎ2Ｔｉ4Ｏ12など）であってもよい。他の事例において、光学窓の材料は、ダイヤモンド（Ｃ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）などのような非酸化物材料である。
【0047】
いくつかの実施態様において、誘電体ボディ３０２の表面は、キャビティ３０８のアレイの各々のキャビティ開口部を画定する。光学窓は、キャビティ開口部の各々を被覆してもよく、または被覆しなくてもよい。光学窓がキャビティ開口部の各々を被覆する実施態様において、光学窓の窓表面は、キャビティ開口部の各々の周りにシールを形成することができる。
【0048】
いくつかの実施態様において、細長いスロット３１４は、誘電体ボディ３０２を完全に貫通して延在する。例えば、図３Ａに示すように、誘電体ボディ３０２は、第２の表面３１８の反対の第１の表面３１６を含むことができ、細長いスロット３１４は、第１の表面３１６から誘電体ボディ３０２を通じて第２の表面３１８へと延在する。第１の表面３１６は、細長いスロット３１４の第１のスロット開口部３２０を画定することができ、第２の表面３１８は、細長いスロット３１４の第２のスロット開口部（図示せず）を画定することができる。これらの実施態様において、例示的なフォトニック結晶メーザ３００は、それぞれ細長いスロット３１４の第１のスロット開口部および第２のスロット開口部を被覆する第１の光学窓３０４および第２の光学窓３０６を含む。第１の光学窓３０４および第２の光学窓３０６は、誘電体ボディ３０２の表面に接合されている窓表面を各々有し、細長いスロット３１４内の蒸気（または蒸気源）をシールして蒸気セルを画定することができる。そのような事例において、第１の光学窓３０４は、第１のスロット開口部３２０を被覆することができ、誘電体ボディ３０２の第１の表面３１６に接合されて第１のスロット開口部３２０の周りにシールを形成する第１の窓表面３２２を有することができる。同様に、第２の光学窓３０６は、第２のスロット開口部を被覆することができ、誘電体ボディ３０２の第２の表面３１８に接合されて第２のスロット開口部の周りにシールを形成する第２の窓表面３２４を有することができる。
【0049】
例示的なフォトニック結晶メーザ３００が第１の光学窓３０４および第２の光学窓３０６を含む実施態様において、誘電体ボディ３０２の第１の表面３１６および第２の表面３１８は、それぞれ、キャビティ３０８のアレイの各々の第１のキャビティ開口部および第２のキャビティ開口部を画定することができる。これらの実施態様において、第１の光学窓３０４および第２の光学窓３０６は、それぞれ第１のキャビティ開口部および第２のキャビティ開口部の各々を被覆してもよく、または、被覆しなくてもよい。光学窓がキャビティ開口部の各々を被覆する実施態様において、第１の光学窓３２２は、第１のキャビティ開口部の各々の周りにシールを形成することができ、第２の光学窓３２４は、第２のキャビティ開口部の各々の周りにシールを形成することができる。
【0050】
いくつかの実施態様において、例示的なフォトニック結晶メーザ３００は、目標ＲＦ電磁放射をフォトニック結晶メーザ３００の周囲環境にインピーダンス整合させるように構成されている出力結合器３２６を含む。出力結合器３２６は、導波路が、放出時に目標ＲＦ電磁放射をビームに成形するのを支援することができる。これらの実施態様において、キャビティ３０８のアレイ内の領域３１２は、軸３２８に沿って延在することができ、細長いスロット３１４は、軸３２８に平行に位置整合する（例えば、軸３２８と一致する）ことができる。誘電体ボディ３０２は、このとき、誘電体ボディ３０２の端部３３０から延在し、軸３２８と位置整合することができる、出力結合器３２６を含む。出力結合器３２６は、誘電体ボディ３０２（またはフォトニック結晶構造３１０）の一体部分であってもよいが、また、別個のボディであってもよい。別個である場合、出力結合器３２６は、誘電体材料から形成されてもよい。しかしながら、出力結合器３２６はまた、金属から形成される従来の結合器であってもよい。図３Ａは、テーパにおいて終端する、誘電体ボディ３０２からの突出部としての出力結合器３２６を示す。しかしながら、出力結合器３２６の他の幾何形状が可能である。
【0051】
いくつかの実施態様において、出力結合器３２６は、出力ビームを、出力ビームが伝搬するように意図されている媒質（例えば、空気）にインピーダンス整合させるための、フォトニック結晶ミラー３３２などの出力ミラーに電磁的に結合されている。フォトニック結晶ミラー３３２は、アレイ内の理想的な周期的位置から空間的にオフセットされている１つまたは複数のオフセットキャビティによって規定することができる。１つまたは複数のオフセットキャビティは、細長いスロット３１４の端部（例えば、端部３３０）の最も近くに存在することができ、細長いスロット３１４の端部から外方へのそれぞれの空間オフセットを有することができる。１つまたは複数のオフセットキャビティはまた、細長いスロット３１４の側部の最も近くに存在することができ、細長いスロット３１４の側部から外方へのそれぞれの空間オフセットを有することができる。他のロケーションが可能である。出力ビームをコリメートするためのレンズを追加することもできる。いくつかの変形例において、細長いスロット３１４は、（例えば、その軸に沿った幅において）テーパ状にされてもよい。そのようなテーパリングは、フォトニック結晶ミラー３３２の形成を支援することができる。
【0052】
いくつかの実施態様において、出力ビームの偏光をフィルタリングするための偏光子を出力結合器３２６に追加することができる。例えば、出力結合器３２６は、テーパ状端部において終端することができ、テーパ状端部と位置整合されている狭窄部分を含むことができる。共平面セグメントのアレイは、狭窄部分から外向きに延在することができ、それに沿って周期的な間隔を有することができる。共平面セグメントのアレイは、目標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ている。
【0053】
いくつかの実施態様において、フォトニック結晶ミラー３３２は、細長いスロット３１４の一端または両端に配置される。図３Ａは、フォトニック結晶ミラー３３２が細長いスロット３１４の両端に存在する事例を示す。フォトニック結晶ミラー３３２が存在することによって、出力電力を増大させることができ、メーザの利得閾値を低下させることができ、またはその両方が可能である。例えば、フォトニック結晶ミラー３３２は、動作中に領域３１２をトラバースする電磁放射（例えば、例示的なフォトニック結晶メーザ３００の動作中に蒸気によって放出される目標ＲＦ電磁放射）を反射することができる。この容量において、領域３１２は、メーザキャビティの内部などの、メーザキャビティの一部としての役割を果たすことができる。その上、フォトニック結晶ミラー３３２は、キャビティ３０８のアレイおよび細長いスロット３１４が、蒸気によって放出される電磁放射のためのキャビティ構造（例えば、スロット導波路）を画定するのを支援することができる。存在する場合、細長いスロット３１４のテーパも、フォトニック結晶ミラー３３２が、蒸気によって放出される電磁放射のためのキャビティ構造を画定するのを支援することができる。
【0054】
多くの変形例において、フォトニック結晶ミラー３３２は、細長いスロット３１４の端部付近のフォトニック結晶構造３１０の寸法特性の改変に対応する。例えば、細長いスロット３１４の端部におけるフォトニック結晶構造３１０を通じた目標ＲＦ電磁放射の伝送は、アレイ内のキャビティ３０８の間隔、誘電体ボディ３０２の厚さ、アレイ内のキャビティ３０８の直径などを変化させることによって改変することができる。誘電体ボディ３０２内で、目標ＲＦ電磁放射（または共振波）に対する完璧なフォトニック結晶幾何形状は、完璧な反射体として作用することができ、一方、フォトニック結晶の不在は、完璧なトランスミッタとして作用することができる。
【0055】
いくつかの実施態様において、フォトニック結晶ミラー３３２は、フォトニック結晶構造３１０のキャビティ共振周波数ωcにおける、または、その付近における電磁放射の周波数に対して８０％を超える反射率を有して構成される。この反射率は、フォトニック結晶構造３１０（またはその中の領域３１２）と関連付けられるキャビティ品質計数Ｑを増大させ、以て、メージングを行うための閾条件を低下させることができる。いくつかの変形例において、反射率は８５％よりも大きい。いくつかの変形例において、反射率は９０％よりも大きい。いくつかの変形例において、反射率は９２％よりも大きい。いくつかの変形例において、反射率は９４％よりも大きい。いくつかの変形例において、反射率は９６％よりも大きい。
【0056】
いくつかの実施態様において、光学ミラー３３４が、細長いスロット３１４の一端または両端に配置される。光学ミラー３３４は、細長いスロット３１４によって画定される光路に対して角度付けされてもよく、または、光路に垂直に角度付けされてもよい。光学ミラー３３４は、軸３２８などの細長いスロットの長手方向軸に沿って光信号を案内する役割を果たすことができる。そうするために、光学ミラー３３４は、そのような光信号を反射するように構成されている表面を含むことができる。光信号は、レーザ（例えば、ポンプレーザ）から細長いスロット３１４内へと受信される光を含むことができる。
【0057】
いくつかの実施態様において、蒸気は、原子（例えば、リュードベリ原子）の蒸気であり、各原子が放出器として機能することができる。動作中、細長いスロット３１４を取り囲むフォトニック結晶構造３１０は、原子の原子遷移周波数における電磁波を減速させ、集中させることができる。原子は、レーザによってポンピングされ、結果、導波路の共振モード（または導波路モード）と共振する、原子遷移における反転分布が確立される。導波路の共振モードへの放射の放出は、電場がより強く、好都合な放出であるため、増強され得る。刺激された放出が優勢であり、自由空間伝搬のためにインピーダンス整合および成形することができる導波路に沿ったコヒーレントな指向性メーザビームを作成する。フォトニック結晶ミラーは、細長いスロット３１４の端部に実装することができ、そのため、放射は、細長いスロット３１４内で前後に伝搬することができ、さらに増幅することができる。細長いスロット３１４は、反転分布において蓄積されているエネルギーを取り込み、そのエネルギーが導波路の導波路モードに放出されるようにし、結果、コヒーレントな指向性放射ビームがもたらされる。類似の動作が、蒸気が分子の蒸気である例示的なフォトニック結晶メーザ３００の実施態様について可能である。
【0058】
例示的なフォトニック結晶メーザ３００は、大量生産に適するように構築することができる。例示的なフォトニック結晶メーザ３００によって出力される電力の量は、レーザによって提供される光信号の強度を変化させることによって、非常に低いレベルまで制御することができる。その上、スイッチング時間は数ナノ秒であり得、これは、キャビティ寿命がこの程度であり得るためである。寿命がナノ秒単位であり、レーザをＧＨｚ帯域幅において変調することができるため、レーザは、ベースバンド変調を同じ周波数スケール（例えば、ＧＨｚ）のキャリア周波数にインプリントすることができる。
【0059】
例示的なフォトニック結晶メーザ３００は、リュードベリ原子レシーバ、リュードベリ原子蒸気セルセンサ、またはリュードベリ原子蒸気セルセンサと組み合わせて、ＲＦ電磁放射を受信および送信することができるデバイスを作成することもできる。例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、フォトニック結晶メーザは、フォトニック結晶レシーバと対にされて、トランシーバの一部または全部が規定される。
【0060】
ここで、図３Ｂを参照すると、無線周波数（ＲＦ）電磁放射のビームを検知するための例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０の概略図が、斜視において提示される。例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、図２Ａおよび図２Ｂに関連して説明したフォトニック結晶レシーバ２０２ｂ、２０４ｂに類似し得る。例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、誘電体ボディ３５２を含み、誘電体ボディ３５２は、例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０によって測定されるＲＦ電場（またはＲＦ電磁放射）に対して実質的に透明な材料から形成され得る。材料は、例えば、ρ＞１０３Ω・ｃｍの高い抵抗率を有する絶縁材料であってもよく、また、単結晶材料、多結晶材料、または非晶質（またはガラス）材料に対応してもよい。例えば、誘電体ボディ３５２は、シリコンから形成されてもよい。別の例において、誘電体ボディ３５２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、二酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯxなど）を含むガラスから形成されてもよい。いくつかの事例において、誘電体ボディ３５２の材料は、酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3）、二酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ2）、二酸化チタン（例えば、ＴｉＯ2）、二酸化ジルコニウム（例えば、ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（例えば、Ｙ2Ｏ3）、酸化ランタン（例えば、Ｌａ2Ｏ3）などのような酸化物材料である。酸化物材料は、不定比であってもよく（例えば、ＳｉＯx）、また、１つまたは複数の二元酸化物の組み合わせであってもよい（例えば、Ｙ：ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3など）であってもよい。特定の変形例において、組み合わせは、ＢａＬｎ2Ｔｉ4Ｏ12に対応してもよく、Ｌｎは、元素周期表のランタニド族からの１つまたは複数の元素を指す。他の事例において、誘電体ボディ３５２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）などのような非酸化物材料である。
【0061】
誘電体ボディ３５２は、誘電体ボディ３５２内にフォトニック結晶構造３５６を画定するように周期的に順序付けされたキャビティ３５４のアレイを含む（例えば、フォトニック結晶構造３５６は、誘電体材料から形成され、キャビティ３５４のアレイを含む）。キャビティ３５４のアレイは、誘電体ボディ３５２を通じて部分的にまたは完全に延在し得る。例えば、キャビティ３５４のアレイは、止まり穴のアレイであってもよく、または、図３Ｂに示すように、貫通孔のアレイであってもよい。キャビティ３５４のアレイはまた、誘電体ボディ３５２を通じて部分的にまたは完全に延在する部分に分割されてもよい。例えば、キャビティ３５４のアレイは、誘電体ボディ３５２を通じて部分的に延在する第１の部分（例えば、止まり穴）、および、誘電体ボディ３５２を通じて完全に延在する第２の部分（例えば、貫通孔）を含んでもよい。図３Ｂは、キャビティ３５４のアレイを、円形貫通孔のアレイであるものとして描写しているが、キャビティ３５４のアレイの他の形状が可能である（例えば、六角形、長円形など）。いくつかの変形例において、キャビティ３５４のアレイの各々は、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。最大寸法は、各キャビティについて同じであってもよい。いくつかの変形例において、キャビティ３５４のアレイは、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。いくつかの変形例において、誘電体ボディ３５２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プレートである。
【0062】
誘電体ボディ３５２は、フォトニック結晶構造３５６内の欠陥を画定する、キャビティ３５４のアレイ内の領域３５８も含む。多くの変形例において、領域３５８は、キャビティの不在によって画定されるキャビティ３５４のアレイ内の中実領域である。キャビティの不在は、フォトニック結晶構造３５６内の欠陥に対応し得る。例えば、欠陥は、「充填された」キャビティの行または列であってもよい。しかしながら、「充填された」キャビティの他のパターンが可能である。いくつかの変形例において、図３Ｂに示すように、領域３５８は、誘電体ボディ３５２の中心に配置されてもよい。誘電体ボディ３５２は、誘電体ボディ３５２の表面３６４内のスロット開口部３６２から誘電体ボディ３５２を少なくとも部分的に通って延在する、領域３５８を通る細長いスロット３６０を付加的に含む。細長いスロット３６０は、フォトニック結晶構造３５６の一部であってもよい。いくつかの変形例において、図３Ｂに示すように、細長いスロット３６０は、この領域の中心に配置され、誘電体ボディ３５２の長手方向軸に沿って位置整合される。例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０の動作中、キャビティのアレイおよび細長いスロット３６０は、協働してＲＦ電磁放射の導波路として機能することができることが諒解されよう。
【0063】
いくつかの実施態様において、フォトニック結晶構造３５６は、例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０のフォトニックバンドギャップを規定し得る。例えば、フォトニック結晶構造３５６は、ＲＦ電磁放射の横磁場（ＴＭ）モードと関連付けられるフォトニックバンドギャップを規定し得る。別の例において、フォトニック結晶構造３５６は、ＲＦ電磁放射の横電場（ＴＥ）モードと関連付けられるフォトニックバンドギャップを規定し得る。ＲＦ電磁放射のＴＭモードとＴＥモードとの組み合わせも可能である。
【0064】
いくつかの実施態様において、フォトニック結晶構造３５６は、目標ＲＦ電磁放射（例えば、１００ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数を有する目標ＲＦ電磁放射）の群速度を低減するように構成されている。そのような構成は、キャビティ３５４のアレイ内の１つまたは複数のキャビティのサイズを選択すること、キャビティ３５４のアレイ内の１つまたは複数のキャビティの間隔を選択すること、キャビティ３５４のアレイの順序付けを選択すること、および／または、誘電体ボディ３５２の厚さを選択することを伴い得る。他の特性が可能である（例えば、誘電体ボディ３５２の材料を選択すること）。いくつかの事例において、フォトニック結晶構造３５６の構成は、数値モデリングを通じて決定されてもよい。
【0065】
いくつかの実施態様において、フォトニック結晶構造３５６は、目標ＲＦ電磁放射を細長いスロット３６０内に集中させるように構成されている。目標ＲＦ電磁放射は、１００ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数を有してもよい。そのような構成は、キャビティ３５４のアレイ内の１つまたは複数のキャビティのサイズを選択すること、キャビティ３５４のアレイ内の１つまたは複数のキャビティの間隔を選択すること、キャビティ３５４のアレイの順序付けを選択すること、および／または、誘電体ボディ３５２の厚さを選択することを伴い得る。他の特性が可能である（例えば、誘電体ボディ３５２の材料を選択すること）。いくつかの事例において、フォトニック結晶構造３５６の構成は、数値モデリングを通じて決定されてもよい。
【0066】
いくつかの実施態様において、フォトニック結晶構造３５６は、目標ＲＦ電磁放射を方向転換（例えば、反射）するように構成されているフォトニック結晶ミラーを含んでもよい。例えば、キャビティ３５４のアレイは、アレイ３５４内の理想的な周期的位置から空間的にオフセットされている１つまたは複数のオフセットキャビティを含んでもよい。１つまたは複数のオフセットキャビティが、フォトニック結晶ミラーを画定することができる。いくつかの変形例において、１つまたは複数のオフセットキャビティは、細長いスロット３６０の端部の最も近くに存在し、細長いスロット３６０の端部から外方へのそれぞれの空間オフセットを有することができる。いくつかの変形例において、１つまたは複数のオフセットキャビティは、細長いスロット３６０の側部の最も近くに存在し、細長いスロット３６０の側部から外方へのそれぞれの空間オフセットを有する。
【0067】
例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、細長いスロット３６０内の蒸気または蒸気源も含むことができる。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んでもよい。例えば、蒸気は、アルカリ金属原子（例えば、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓなど）のガス、希ガス（例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒなど）、または両方を含んでもよい。別の例において、蒸気は、二原子ハロゲン分子（例えば、Ｆ2、Ｃｌ2、Ｂｒ2など）のガス、希ガス、または両方を含んでもよい。さらに別の例において、蒸気は、有機分子（例えば、アセチレン）のガス、希ガス、または両方を含んでもよい。他の成分を含む、蒸気の他の組み合わせが可能である。蒸気源は、熱、紫外線放射への曝露、レーザ光による照射などのような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。例えば、蒸気は、アルカリ金属原子のガスに対応してもよく、蒸気源は、細長いスロット３６０内に配置さ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質量に対応してもよい。
【0068】
例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、細長いスロット３６０を被覆し、スロット開口部３６２の周りにシールを形成するために誘電体ボディ３５２の表面３６４に接合されている窓表面を有する光学窓３６６を付加的に含むことができる。光学窓３６６は、圧着、陽極接合、ガラスフリット接合などを使用して誘電体ボディ３５２に接合することができる。そのような接合は、「Ｖａｐｏｒ Ｃｅｌｌｓ Ｈａｖｉｎｇ Ｏｎｅ ｏｒ Ｍｏｒｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｂｏｎｄｅｄ ｔｏ ａ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｏｄｙ」と題する以前に参照した米国特許第１０，８５９，９８１号に記載されている技法を使用して形成されてもよい。光学窓３６６は、蒸気を探査するために使用される電磁放射（例えば、レーザ光）に対して透明である材料から形成されてもよい。例えば、光学窓３６６は、電磁放射の赤外線波長（例えば、７００～５０００ｎｍ）、電磁放射の可視波長（例えば、４００～７００ｎｍ）、または電磁放射の紫外線波長（例えば、１０～４００ｎｍ）に対して透明であってもよい。その上、光学窓３６６の材料は、例えば、ρ＞１０３Ω・ｃｍの高い抵抗率を有する絶縁材料であってもよく、また、単結晶材料、多結晶材料、または非晶質（またはガラス）材料に対応してもよい。例えば、光学窓３６６の材料は、石英、石英ガラス、またはホウケイ酸ガラス中に見出されるものなどの、二酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯxなど）を含んでもよい。別の例において、光学窓３６６の材料は、サファイアまたはアルミノケイ酸ガラス中に見出されるものなどの、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌxＯyなど）を含んでもよい。いくつかの事例において、光学窓３６６の材料は、酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3）、二酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ2）、二酸化チタン（例えば、ＴｉＯ2）、二酸化ジルコニウム（例えば、ＺｒＯ2）、酸化イットリウム（例えば、Ｙ2Ｏ3）、酸化ランタン（例えば、Ｌａ2Ｏ3）などのような酸化物材料である。酸化物材料は、不定比であってもよく（例えば、ＳｉＯx）、また、１つまたは複数の二元酸化物の組み合わせであってもよい（例えば、Ｙ：ＺｒＯ2、ＬａＡｌＯ3、ＢａＬｎ2Ｔｉ4Ｏ12など）であってもよい。他の事例において、光学窓３６６の材料は、ダイヤモンド（Ｃ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）などのような非酸化物材料である。
【0069】
いくつかの実施態様において、光学窓３６６は、細長いスロット３６０、および、細長いスロット３６０に直に隣接する誘電体ボディ３５２の表面３６４のみを被覆する（例えば、領域３５８またはその一部分）。しかしながら、いくつかの実施態様において、光学窓３６６はまた、フォトニック結晶構造３５６と関連付けられる誘電体ボディ３５２の表面３６４も被覆する。これらの実施態様において、図３Ｂに示すように、誘電体ボディ３５２の表面３６４は、キャビティ３５４のアレイの各々のキャビティ開口部を画定する。光学窓３６６は、キャビティ開口部の各々を被覆してもよい。その上、光学窓３６６の窓表面は、キャビティ開口部の各々の周りにシールを形成することができる。
【0070】
細長いスロット３６０が誘電体ボディ３５２を通じて部分的にのみ延在する実施態様においては、単一の光学窓が、細長いスロット３６０内の蒸気または蒸気源をシールするために誘電体ボディ３５２に接合されてもよい。しかしながら、いくつかの実施態様において、細長いスロット３６０は、誘電体ボディ３５２を通じて延在してもよい。これらの実施態様においては、２つの光学窓が、細長いスロット３６０内の蒸気または蒸気源をシールするために誘電体ボディ３５２に接合されてもよい。例えば、誘電体ボディ３５２の表面３６４は、第１の表面であってもよく、誘電体ボディ３５２は、第１の表面の反対の第２の表面を含んでもよい。このとき、細長いスロット３６０は、第１の表面から誘電体ボディ３５２を通じて第２の表面へと延在することができる。この事例において、スロット開口部３６２は、第１のスロット開口部であってもよく、誘電体ボディ３５２の第２の表面は、細長いスロット３６０の第２のスロット開口部を画定することができる。例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、図３Ｂに示すように、第２のスロット開口部を被覆する第２の光学窓３６８を含むことができる。第２の光学窓３６８は、誘電体ボディ３５２の第２の表面に接合されて第２のスロット開口部の周りにシールを形成する第２の窓表面を有する。
【0071】
いくつかの実施態様において、第２の光学窓３６８は、細長いスロット３６０、および、細長いスロット３６０に直に隣接する誘電体ボディ３５２の第２の表面のみを被覆する（例えば、領域３５８またはその一部分）。しかしながら、いくつかの実施態様において、第２の光学窓３６８はまた、フォトニック結晶構造３５６と関連付けられる誘電体ボディ３５２の第２の表面も被覆する。例えば、誘電体ボディ３５２の第１の表面および第２の表面は、それぞれ、キャビティ３５４のアレイの各々の第１のキャビティ開口部および第２のキャビティ開口部を画定することができる。この事例において、キャビティ３５４のアレイは、第１の表面から誘電体ボディ３５２を通じて第２の表面へと延在する。このとき、第２の光学窓３６８は、図３Ｂに示すように、第２のスロット開口部の各々をそれぞれ被覆することができる。その上、第２の窓表面は、第２のキャビティ開口部の各々の周りにシールを形成することができる。
【0072】
いくつかの実施態様において、誘電体ボディ３５２は、誘電体ボディ３５２の端部３７２から延在し、細長いスロット３６０と位置整合されるアンテナ構造３７０を含む。例えば、アンテナ構造３７０は、誘電体ボディ３５２の端部３７２から延在し、テーパにおいて終端する突出部であってもよい。アンテナ構造３７０は、目標ＲＦ電磁放射のビーム（例えば、１００ＭＨｚ～１ＴＨｚの範囲内の周波数を有する目標ＲＦ電磁放射のビーム）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、目標ＲＦ電磁放射の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３７０の長さを選択することを伴い得る。例えば、厚さ、幅などの寸法の比、長さ対幅比、長さ対厚さ比などを含む、他の寸法も伴い得る。目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するためのアンテナ構造３７０の構成は、アンテナ構造３７０の形状またはアンテナ構造３７０の湾曲の度合いを選択することも伴い得る。形状、湾曲の度合い、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。
【0073】
いくつかの変形例において、アンテナ構造３７０は、アンテナ構造３７０と一体であってもよい偏光子を含む。例えば、アンテナ構造３７０は、細長いスロット３６０と位置整合されている狭窄部分を含むことができる。アンテナ構造３７０はまた、狭窄部分から外向きに延在することができ、それに沿って周期的な間隔を有する共平面セグメントのアレイも含むことができる。共平面セグメントのアレイは、目標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ている。
【0074】
いくつかの変形例において、アンテナ構造３７０は、アンテナ構造３７０の内部にテーパ３７６を画定する１つまたは複数のチャネル３７４を含む。テーパ３７６は、例えば、目標ＲＦ電磁放射のビームなどの、アンテナ構造３７０によって受信される電磁放射を、例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０の導波路（例えば、細長いスロット３６０）に結合するように構成されている。そうするために、テーパ３７６は、細長いスロット３６０と位置整合されている頂点３７８を有することができる。例えば、アンテナ構造３７０は、誘電体ボディ３５２の端部３７２から延在する突出部であってもよい。この事例において、アンテナ構造３７０は、突出部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。テーパは、それと位置整合されている細長いスロット３６０の端部からオフセットされている先端（または頂点）を有することができる。代替の事例において、図３Ｂに示すように、アンテナ構造３７０は、突出部内に、基部３７４ａおよび２つの分岐部分３７４ｂを含むＹ字状チャネルを含んでもよい。基部３７４ａは、細長いスロット３６０と位置整合され、細長いスロット３６０の端部からオフセットされている端部において終端する。２つの分岐部分３７４ｂは、基部３７４ａから分かれて、突出部の内部にテーパ（例えば、テーパ３７６）を画定する。テーパ３７６の他の構成が可能である。
【0075】
動作時、例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、誘電体ボディ３５２のアンテナ構造３７０においてＲＦ電磁放射を受信する。いくつかの事例において例示的なレシーバ３５０は、アンテナ構造の内部のテーパ３７６を使用して、受信ＲＦ電磁放射を細長いスロット３６０に結合する。例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０はまた、受信ＲＦ電磁放射をフォトニック結晶構造３５６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３５６は、細長いスロット３６０（例えば、細長いスロット３６０の軸）に平行な方向に沿った受信ＲＦ電磁放射の群速度を低減するように構成することができる。フォトニック結晶構造３５６は、受信ＲＦ電磁放射を細長いスロット３６０内に集中させることもできる。例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、付加的に、入力光信号を細長いスロット３６０内の蒸気に通過させて、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つまたは複数の入力レーザ（例えば、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。いくつかの変形例において、例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、ＲＦ電磁放射に対する例示的なレシーバ３５０の感度を改善するためのパラボラアンテナとともに使用することができる。
【0076】
いくつかの実施態様において、入力光信号を通過させることは、細長いスロット３６０によって画定される光路に沿って入力光信号を伝搬することを含む。いくつかの実施態様において、入力光信号を通過させることは、細長いスロットの端部に配置されているミラーから入力光信号を反射させることを含む。例えば、例示的なレシーバ３５０は、細長いスロット３６０の端部に配置されているミラー３８０を含んでもよい。ミラー３８０は、光路に対して角度付け（例えば、４５°に角度付け）されてもよく、または、図３Ｂに示すように、光路に垂直であってもよい。そのような方向付けは、ミラー３８０が、光を細長いスロット３６０内に誘導し、光を細長いスロット３６０に沿って蒸気を通じて誘導し、および／または、光を細長いスロット３６０から外方に誘導することを可能にすることができる。
【0077】
いくつかの実施態様において、例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、裸の蒸気セルと比較して大幅な係数（例えば、約１０００の係数、または別の係数）だけ増強される電場感度を有するリュードベリ原子ベースのレーダレシーバとして機能する。例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０は、少なくとも従来のレシーバと同等の感度を有することができ、熱ノイズフロアに達することが可能であり得る。フォトニック結晶レシーバを作製する方法は、シリコンおよびガラスをレーザによって機械加工することを含み、以て、これらの材料内にμｍの精度および１０μｍ未満の特徴サイズを有する微細構造を形成することが可能になる。そのような精度および特徴スケールは、無線周波数場の波長が１０μｍよりもはるかに大きいため、無線周波数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。目標放射の波長に関連する機械加工プロセスの高い正確度は、デバイスにおける損失を低減することもできる。
【0078】
ここで、図２Ａおよび図２Ｂに戻って参照すると、通信システム２００は、一方向通信チャネルを含むように構成されてもよい。例えば、第１の局２０２は、フォトニック結晶メーザ（例えば、フォトニック結晶メーザ２０２ａ）を含んでもよく、第２の局２０４は、レシーバ（例えば、金属アンテナまたはフォトニック結晶レシーバ２０４ｂ）を含んでもよい。しかしながら、第１の局２０２および第２の局２０４のうちの一方または両方が、２つの主要構成要素を有するトランシーバを含んでもよい。これらの変形例において、第１の構成要素は、受信側デバイス（Ｒｘ構成要素）であり、第２の構成要素は、フォトニック結晶メーザに基づく送信側デバイス（Ｔｘ構成要素）である。例えば、トランシーバは、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを含むことができる。トランシーバは、通信システム２００の第１の局２０２および第２の局２０４が、双方向通信チャネルを確立することを可能にすることができる。
【0079】
通信システムにおいて、および、時としてレーダシステムにおいて、受信構成要素と送信構成要素とを分離することが有利であり得る。この分離は、典型的には金属から形成される受信構成要素と送信構成要素との間の信号クロストークを軽減することができ、したがって、他の様態で達成することができるものよりも高いデータレートを可能にすることができる。分離は、各構成要素が、その特定の動作に対して最適化されることを可能にすることができる。しかしながら、全誘電体構築に起因して、通信システム２００は、フォトニック結晶メーザとフォトニック結晶レシーバとを近接近して組み合わせることができるが、同時に、送信構成要素を受け入れる従来の金属によって達成されるよりも高い性能を可能にする。その上、フォトニック結晶メーザは、通信システム２００がポイントツーポイント通信システムとして動作することを可能にすることができる、レーザのような指向性出力を生成する。局のトランシーバがフォトニック結晶メーザおよびフォトニック結晶レシーバを含む変形例において、これらの構成要素は、同じレーザシステムを使用して、部分的にリュードベリ状態にある原子を使用して無線周波数信号を生成または受信することができる。レーザサブシステムを共有することによって、局は、よりコンパクトにすることができる。他の利点が可能である。
【0080】
フォトニックレシーバは、蒸気が存在する領域において相互作用時間および局所電場強度を増大させるという着想に基づく。フォトニック結晶レシーバは、入射ＲＦ電磁放射を導波路へと結合するフォトニック結晶構造を含む。導波路は、入射ＲＦ電磁放射を集中させるためのスロットを含み、入射ＲＦ電磁放射を減速させて蒸気との相互作用時間を増大させるように構成されている。いくつかの事例において、入射ＲＦ電磁放射の場は、およそ千倍増強することができる。この増強は、熱ノイズフロアに対するフォトニック結晶レシーバの感度を増大させることができる。２光子または３光子準備および読み取り方法を、共線配置において実施することができる。しかしながら、より高次の光子プロセスが可能である。いくつかの変形例において、３光子プロセスが使用される。３光子プロセスは、レーザ場と相互作用する蒸気中の原子または分子の数を増大させることができるが、２つの代わりに、３つのレーザを必要とする。この理由から、いくつかの変形例は、リュードベリ原子ベースの検知に使用されるものなどの、２光子プロセスを使用するフォトニック結晶レシーバに依拠し得る。フォトニック結晶レシーバのための多光子プロセスは、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれる「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ」と題する米国特許第１１，１３７，４３２号にさらに記載されている。
【0081】
フォトニック結晶レシーバと同様に、フォトニック結晶メーザは、フォトニック結晶構造およびその中の細長い蒸気セルを含む。反射性の高いキャビティ中のリュードベリ原子（例えば、原子の蒸気）は、原子蒸気圧が非常に低くても、極度に低い閾値においてメージングを生成することができる。その上、進行波導波路内の原子または分子もまた、メージングを呈するようにすることができる。フォトニック結晶メーザは、フォトニック結晶構造（例えば、キャビティのアレイおよびその中の細長いスロット）によって画定される導波路などを通じて、蒸気との相互作用を増大させるように、目標ＲＦ電磁放射の場を操作することができる。したがって、蒸気は、それらが導波路の共振モードへと放出することを選好する改変された電磁環境を経験する。増強された放出が十分に大きい場合、蒸気はメージング閾値に達し、フォトニック結晶メーザは、放射をコヒーレントに放出する。増強がより低い場合、フォトニック結晶メーザは、光子結晶レシーバの動作レジームに達し得る。例えば、メージング遷移における蒸気の放出率Ａに導波路またはキャビティの品質係数Ｑを乗算し、メージング周波数ｗで除算した値が１よりも大きい（すなわち、ＡＱ／ｗ＞１）場合、メージングが発生し得る。ＡＱ／ｗが１未満である場合、フォトニック結晶メーザは、フォトニック結晶レシーバとして動作し得る。フォトニック結晶メーザの動作特性は、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれる「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｓｅｒｓ」と題する米国特許出願第１７／５１４，８１９号にさらに記載されている。
【0082】
メーザとしての動作を保証するために、フォトニック結晶メーザのフォトニック結晶構造は、例えば、Ｑを増大させるように構成することができる。いくつかの変形例において、フォトニック結晶構造は、フォトニック結晶ミラーを含むように構成されている。これらのミラーは、最大９８％の反射率を可能にすることができ、これは、閾値が低いため、メージングを達成するのに十分である。その上、１０ナノワットを上回る出力電力を達成することができる。これらの電力は、地上ポイントツーポイント通信システムには十分であるが、スペースボーンシステムには小さい。電力を増大させるために、フォトニック結晶メーザは、導波路結合器によって効率的に結合することができる、フォトニック結晶メーザと同じ状態にポンピングされている蒸気セルまたは同じ状態にポンピングされている原子を有する別の導波路構造を使用して増幅することができる。多くの事例において、ミリワット単位の出力電力が可能である。
【0083】
いくつかの実施態様において、通信システム２００は、ポイントツーポイント通信システムとして構成されている。ポイントツーポイント通信システムの範囲は、いくつかの要因によって影響を及ぼされ得る。例えば、目標ＲＦ電磁放射のビームは、その経路に沿って減衰され得る。目標ＲＦ電磁放射のビームは、経路に沿って拡散もされ得る（または、集束が低くなり得る）。しかしながら、フォトニック結晶レシーバは、ＲＦ電磁放射のビームの減衰が通信を中断しない十分な感度を有する。例えば、リュードベリ原子レシーバとして構成されているとき、フォトニック結晶レシーバは、２０ＭＨｚの帯域幅において約－１１０ｄＢｍの信号を検出することができる。比較すると、多めに見積もってほとんどの用途について約３０ｋｍである水平線に対する減衰は、３ｄＢｍ未満である。その上、－６０ｄＢｍにおいて動作する増幅されていないフォトニック結晶メーザは、依然として、大きい信号対雑音比で動作する大きなリンクマージンを有する。大気のほとんどは約３０ｋｍにおいて終端する成層圏内に包含されるため、同様の分析が、衛星から大気を通じた伝送に適用される。
【0084】
しかしながら、目標ＲＦ電磁放射のビームの拡散は、通信チャネルの安定性に対してより強い影響を及ぼし得る。例えば、フォトニック結晶が８０ＧＨｚにおいて約１０ナノワットの電力を生成し、結果としてもたらされるビームが７５ｃｍの直径にコリメートされる場合、ビームの角拡散は約０．５度である。３０ｋｍの距離において、ビーム直径は、光学素子のみに基づいて約１００ｍまで増大している（例えば、スポットサイズ内の電力の８６％を仮定してガウスビーム）。同様であるフォトニック結晶レシーバの入口開口を仮定すると、フォトニック結晶レシーバにおける信号レベルは、２０ＭＨｚの帯域幅を仮定して約－９３ｄＢｍであると推定することができ、これは、レシーバの雑音レベルを１７ｄＢｍ上回る。
【0085】
いくつかの変形例において、フォトニック結晶メーザの出力は、ビーム拡散の悪影響を中和するまで（例えば、約１ミリワットまで）増大することができる。例えば、１ミリワットの出力電力において、局の開口は、用途に応じて大幅に低減することができる。局が約２０００ｋｍの地球低軌道（ＬＥＯ）内に配置された（例えば、局が衛星である）場合、局によって送信されるものとしての地球上のスポットサイズは、６ｋｍのサイズになる。同じ信号マージンを得るためには、軌道内の現行のＲＦシステムよりも大幅に低い、約１００μｍの電力が必要となる。しかしながら、２０００ｋｍの距離は、ＬＥＯの外側限界である。ＬＥＯ内のほとんどの衛星は１０００ｋｍよりも下方にあり、一部の衛星は１６０ｋｍ程度の低さにある。これらの距離において、局から通信は、フォトニック結晶メーザの増幅なしに確実に行うことができる。約３５，０００ｋｍの対地同期軌道（ＧＥＯ）において、数十ミリワットが必要とされるが、この事例においては、フォトニック結晶メーザは増幅され得る。レーザ通信と比較したときに、より大きいビームサイズはまた、ポイントツーポイント通信の利点の多くを依然として維持しながら、トラッキングサブシステムに対する正確度要件も低減し得ることが諒解されよう。
【0086】
ここで図４を参照すると、ポイントツーポイント通信システムの例示的な局のブロック図が提示される。例示的な局は、図２Ａおよび図２Ｂに関連して説明した第１の局２０２および第２の局２０４に類似し得る。トランスミッタはフォトニック結晶メーザであり、レシーバは、従来のレシーバ（例えば、金属アンテナ）またはフォトニック結晶レシーバであってもよい。レシーバがフォトニック結晶レシーバである変形例において、トランスミッタおよびレシーバは、同じまたは異なるレーザサブシステムから作動させることができる。メーザ信号の変調および受信信号の復調は、部分的に物理層において、および、部分的にアプリケーション層において行うことができる。例えば、メーザ信号の一部を受信信号とビートすることによって、ヘテロダイン検出をレシーバ自体において行うことができる。受信信号が、検出器によってレシーバを通じて伝送される光を使用して電気信号に変換されると、データ処理サブシステムなどによって、さらなる処理をデジタルに行うことができる。
【0087】
いくつかの実施態様において、トランスミッタは、フォトニック結晶メーザ（例えば、リュードベリ原子メーザ）である。ポンプレーザをオンおよびオフに切り替えることによって、フォトニック結晶メーザの振幅を変調することができる。位相および周波数変調は、フォトニック結晶メーザを安定したＲＦ源（例えば、基準ＲＦサブシステムの基準ＲＦ発振器）にインジェクションロックすることによって達成することができる。インジェクションロックは、フォトニック結晶メーザの一方の側の出力結合器を使用することによって行うことができ、いくつかの変形例においては、出力結合器をアンテナまたは導波路に挿入することを含む。フォトニック結晶をインジェクションロックするために必要な電力は、少量のみであり得る。インジェクションロック信号に必要な大きさは、メージングを注入される波の位相および周波数にバイアスするのに十分な程度のみである。インジェクションロックの位相または周波数変調は、して、フォトニック結晶メーザの出力を周波数または位相変調させることができる。フォトニック結晶メーザは、別の局におけるフォトニック結晶メーザと、それら２つが同期される場合に、コヒーレントにすることができる。同期は、場合によっては慣性航法ユニットの一部である同期されたクロックに、注入されるＲＦ波をロックすることによって、行うことができる。
【0088】
いくつかの実施態様において、レシーバは、フォトニック結晶レシーバ（例えば、リュードベリ原子レシーバ）である。フォトニック結晶レシーバのアンテナ構造は、偏光子を実装することができ、結果、それは、ＲＦ電磁放射の入力（または入射）ビームの偏光に対して感受性になる。２つのフォトニック結晶レシーバは、偏光変調信号を検出するために使用することができる。その上、複数のフォトニック結晶レシーバは、複数の周波数および偏光において入力ビームを受信するために、ともにグループ化することができる。フォトニック結晶レシーバは、入射ＲＦ電磁放射ビームの強度を増大させるためのパラボラアンテナを含むことができる。フォトニック結晶レシーバは、トラッキングサブシステム（例えば、３軸モータ駆動機械式ドライブおよびジンバルマウント）を使用して方向付けることができる。その上、ミラーなどの光学素子の３軸制御によって微調整を行うことができる。フォトニック結晶レシーバの蒸気セル内の蒸気は、（例えば、プローブレーザ、結合レーザなどによって）光学的に準備および読み取りすることができる。光信号は、光ファイバケーブルを介して蒸気セルに輸送されてもよい。また、感度がより低いブロードバンドリュードベリ原子レシーバおよび蒸気セルのアレイも、例示的な局に使用することが可能である。蒸気セルのアレイは、より大きい目標を提示し、これによって方向付けおよびトラッキングを容易にするため、有利であり得る。
【0089】
いくつかの変形例において、例示的な局は、位相および周波数を決定するためのアンテナまたはリュードベリ原子メーザなどの、基準構成要素を含むことができる。基準構成要素は、ＲＦ電磁放射の入力ビーム（例えば、フォトニック結晶レシーバに入射するビーム）に重ね合わせるための基準ＲＦ電磁放射を生成することができる。決定された位相および周波数は、例えば、送信メーザまたはインジェクションシーディング源を使用したヘテロダイン測定を介して使用することができる。リュードベリ原子メーザは、入射ビームに対する増幅器として使用することもでき、または、基準信号を提供するために使用することができる。リュードベリ原子メーザはまた、誘電体であり、フォトニック結晶レシーバの読み取りおよび準備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ポンピングすることができる。フォトニック結晶レシーバは自己較正することができるため、方向付け安定性を改善するために、絶対振幅情報を、例示的な局によって使用することができる。
【0090】
いくつかの実施態様において、例示的な局は、準備および読み取り信号を生成するための入力レーザを有するレーザサブシステムを含む。レーザサブシステムは、レーザ安定化デバイス（例えば、レーザロックおよびチューニング基準）および（単一のレーザ源を使用するマルチ周波数システムのために）レーザ周波数を切り替えるための電子機器も含むことができる。例示的な局は、光検出器などを介した信号取得のために構成されている光学サブシステムも含む。例示的な局は、レーザおよび光学サブシステムを制御するために必要とされる低レベル電子機器を付加的に含むことができる。複数のフォトニック結晶レシーバを有する例示的な局について、この例は、複数の入力レーザまたはスイッチを含むことができ、結果、低減された数の入力レーザが例示的な局を駆動することが可能である。電子機器は、ファブリペローキャビティ、基準蒸気セル、または波長計などの基準に対して入力レーザを周波数安定化させるための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も含む。また、例示的な局は、フォトニック結晶メーザをインジェクションロックするための基準ＲＦ発振器（例えば、マイクロ波発振器）を有する基準ＲＦサブシステムも含むことができる。この基準ＲＦ発振器は、慣性航法クロックまたはタイミングサブシステム（例えば、ＧＰＳ）に対して参照することができる。いくつかの変形例において、基準ＲＦ発振器は、導波路またはアンテナを介してフォトニック結晶メーザに結合される。
【0091】
いくつかの実施態様において、例示的な局は、慣性航法ユニットを含む。クロック信号は、信号検出の時間および位相を同期させるために使用することができるとともに、局を位置付けるための慣性航法ユニットの同期信号としての役割を果たすこともできる。クロック信号は、衛星通信が利用可能である場合（非ＧＰＳ拒絶領域における動作）、ＧＰＳ信号に由来し得る。しかしながら、いくつかの変形例において、例示的な局は、原子時計（例えば、ＣｓまたはＲｂに基づく）、メーザ、または水晶振動子などのバックアップクロックを含む。チップスケール原子時計を使用することができる。これらのデバイスは、信号を再同期するためにＧＰＳと組み合わせることができ、例えば、クロックはＧＰＳステアリングすることができる。メーザクロックは、別の遠隔ロケーションに位置することができ、その同期化信号は、通信チャネルを介して例示的な局に送信することができる。同期信号は、図１および図２Ａに示すように、クロックを同期させるために局間で送信することができる。クロック信号は、各局においてインジェクションシード周波数および位相を同期させることによって、各局においてフォトニック結晶メーザを同期させるために使用することもできる。
【0092】
慣性航法ユニットは、例示的な局とともに、その位置を決定するように位置することができる。いくつかの事例において、慣性航法ユニットおよびＧＰＳは、ポイントツーポイント通信システム内の各局においてＴｘ構成要素とＲｘ構成要素との間のリンクを確立するための粗い方向付けに使用することができる。慣性航法ユニットは、タイミングのために使用されるクロック（またはいくつかのクロックおよびＧＰＳ）、加速度計、ＧＰＳレシーバ、およびジャイロスコープ、またはそれらの何らかの組み合わせを含んでもよい。いくつかの変形例において、例示的な局は、衛星との通信を維持する。これらの変形例において、ＧＰＳ測位が使用されてもよい。衛星通信がある時間期間にわって拒絶される場合、慣性航法ユニットは、運動している場合に位置をトラッキングすることができる。慣性航法ユニットは、その後、ＧＰＳ通信が回復したときに、それ自体を再初期化することができる。別の局との通信を使用して、タイミング情報を送信することによって他の局におけるクロックを更新することができることが可能である。フォトニック結晶レシーバは自己較正することができるため、ポイントツーポイント通信システムの局間でＲＦ測距を使用して、位置を得ることができることも可能である。基地局のうちの１つがＧＰＳ拒絶環境内で動作しており、他方がそうでない（または、ポイントツーポイント通信システムのいくつかの局がＧＰＳ拒絶であり、他がそうでない）場合に、後者の点は特に有用である。
【0093】
いくつかの実施態様において、例示的な局は、トラッキングサブシステムを含む。トラッキングサブシステムは、１つの局上のＴｘが他方の局上のＲｘと位置整合されるように、ＲｘおよびＴｘ構成要素を方向付けおよびトラッキングするように動作可能である。衛星通信が含まれる事例において、トラッキングサブシステムは、信号取得の複数の層をハンドリングすることができる。トラッキングサブシステムは、デバイス（例えば、トランスミッタ、レシーバ、トランシーバ）を方向付けるかまたはミラーの向きを制御するジンバルマウントを制御するためのアクチュエータを含むことができる。例えば、コースアクチュエータおよび制御システムは、広い視野を有することができ、結果、ＲｘおよびＴｘのレベルにおいて通信チャネルがロックされるまで、ＲＦ電磁放射の入力ビームを、後続の改良を伴ってより容易に捕捉することができる。ＧＰＳ測位を、慣性航法ユニットとともに、システムの最も粗いレベルにおいて使用することができる。その後、より広い視野を有するＲＦビーコンを使用することができる。ＲＦアンテナまたは拡大メーザビームを使用して、通信リンクを確立するために使用することができる。位置決めは、移動している目標の位置を予測するために慣性航法システムを使用して調整することもできる。チャネルが確立されると、通信チャネルのアクティブロッキングを使用することができる。
【0094】
いくつかの実施態様において、例示的な局は、変調電子機器を含む。変調電子機器は、フォトニック結晶メーザによって生成されるＲＦ電磁放射のビーム（またはＴｘ信号）（例えば、出射ビーム）の特性を制御する役割を果たすことができる。Ｔｘ信号の変調は、いくつかの異なる様式で達成することができる。例えば、Ｔｘ信号の振幅を変調するために、ポンプレーザをオンおよびオフにすることができる。パルス位置変調およびオンオフキーイングなどの通信方式を使用することができる。位相および周波数変調は、メーザを別のＲＦ波によってインジェクションシーディングすることによって達成することができる。インジェクションシードは、メーザを、同相で、かつシードの周波数においてメージングするようにバイアスする。シードがポイントツーポイント通信システムの２つ以上の局においてクロックに対して位相ロックされる場合、コヒーレント検出戦略を使用することができる。これらの符号化メッセージ方式は、位相シフトキーイング、差動位相シフトキーイング、周波数シフトキーイングおよび偏光シフトキーイングなどの方法を可能にする。偏光シフトキーイングも可能であるが、異なるそれぞれの偏光を放出する２つのメーザが必要である。
【0095】
いくつかの実施態様において、例示的な局は、復調電子機器を含む。復調電子機器は、フォトニック結晶レシーバによって受信されるＲＦ電磁放射の入力ビーム（またはＲｘ信号）（例えば、入来ビーム）の時変特性を決定する役割を果たすことができる。リュードベリ原子ベースの検知において、入射するＲｘ信号が光学的に読み取られる。結果生じる光信号は、例えば、二乗検波器上で検出することができる。結果として、振幅検出が単純になるが、位相および周波数検出は、基準ＲＦ電磁放射（例えば、基準構成要素によって生成される）が入来信号と重なり合うことを伴い得る。基準ＲＦ電磁放射およびＲＦ電磁放射の入力ビームの干渉を使用して、基準場に対する入射場の位相および周波数を決定することができる。これらの方法は、信号の「いわゆる」ホモダインまたはヘテロダイン検出を使用して実現することができる。いくつかの変形例において、Ｒｘ信号の復調は、インジェクションロックされたフォトニック結晶メーザからの信号の一部または全部を使用することによって達成することができる。信号は、部分的にまたは全体的に、基準ＲＦ電磁放射を提供することができる。アンテナからのシステムクロックに対して参照される信号を生成し、それを基準として使用することも可能である。レシーバが従来のアンテナである（ただし、インジェクションロックされたフォトニック結晶メーザにＲＦ結合されている）場合、高速検出器およびスペクトル分析器を使用して、クロックに対する位相および周波数を得ることができる。
【0096】
いくつかの実施態様において、例示的な局は、信号処理電子機器を含む。信号処理電子機器は、レーザサブシステムと通信して、ポンプレーザによってフォトニック結晶メーザに提供される光信号の特性を制御することができる。信号処理電子機器は、フォトニック結晶メーザに対する入力レーザによって提供される入力光信号の特性を制御することもできる。信号処理電子機器は、光学サブシステムと協働して、分光分析データを生成することができる。例えば、信号処理電子機器および光学サブシステムは、受信光信号（または出力光信号）を取り込み、分光分析データを生成する前に、信号から雑音を排除することができる。分光分析データは、その後、さらなる処理（例えば、図７に示すようなフォーマット化動作）のためにデータ処理サブシステムに送信することができる。信号処理サブシステムおよび光学サブシステムは、整合フィルタリングなどの方法を利用して、パルスまたは他の通信波形を抽出することができる。それらは、復調電子機器からビート信号を取り込み、ビート信号を周波数および位相データに変換することもできる。いくつかの事例において、信号処理電子機器は、特定の信号プロトコル向けに設計されたＦＰＧＡ回路を含む。信号プロトコルが、例えば、振幅変調のための位相シフトキーイングを変化させる場合、ＦＰＧＡは、オンザフライで再プログラムすることができる。
【0097】
いくつかの実施態様において、例示的な局は、データ処理サブシステムを含む。データ処理サブシステムは、強度、位相または周波数（またはそれらの組み合わせ）を得、それを時系列データに変えるために光学サブシステムによって取得されるスペクトルを処理するアプリケーション層を確立するように動作することができる。図５は、図４の例示的な局へのＲｘデータフローおよび当該局からのＴｘデータフローをハンドリングするためにデータ処理サブシステムによって利用される例示的なアプリケーション層の概略図を提示する。時系列データは、情報を受信するためにタイミングシステムに相関付けることができる。情報を送信するために、データ処理サブシステムは、情報をパッケージングし、それを変調電子機器向けに準備する。変調電子機器は、情報を送信するために、フォトニック結晶メーザの出力（例えば、ＲＦ電磁放射のビーム）を変調する。データ処理サブシステムはまた、入来信号から振幅、周波数および位相情報を取り込み、それをパッケージングし、通信インターフェース向けに準備する。同様に、データ処理サブシステムは、通信インターフェースによって生成される信号を取り込み、それらをフォトニック結晶メーザを介して送出するために、変調電子機器向けに準備する。
【0098】
いくつかの変形例において、データ処理サブシステムは、システムオンチップ（ＳｏＣ）から成る。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ＣＰＵとすることができる。データ処理サブシステムは、時系列データを、通信インターフェースに送信される前に操作することができる。オンオフキーイングおよびパルス位置変調が、使用することができる２つの可能性のある強度変調方式である。位相シフトキーイング、差動位相シフトキーイング、周波数シフトキーイング、または偏光シフトキーイングもまた、すべて使用することができる。これらの後者の方式は、フォトニック結晶メーザが基準ＲＦ信号（または電磁放射）によってインジェクションシーディングされる場合に実施され得る。インジェクションロックは、位相および周波数を固定し、それを安定したクロック信号にリンクさせる。偏光シフトキーイングを使用するために、異なる偏光を有する２つの直交するフォトニック結晶メーザを、偏光感度の高い２つのレシーバ（例えば、２つの直交するフォトニック結晶レシーバ）とともに使用することができる。各トランシーバにおいて同期されたメーザを使用するヘテロダイン式測定によって、位相および周波数（一般的には位相または角度）を決定することができる。図６は、例示的な同期、信号、およびトラフィックパケットを含む例示的なメッセージフォーマットの概略図を提示する。例示的なメッセージフォーマットは、データ処理サブシステムによって、通信インターフェースに渡される前に生成されてもよく、または、代替的に、通信インターフェースからデータ処理サブシステムによって受信されてもよい。
【0099】
いくつかの実施態様において、例示的な局は、通信インターフェースを含む。通信インターフェースは、データ処理サブシステムとデータを交換する。データは、アプリケーション層内で作動されるコンピュータプロセスの結果であってもよい。通信インターフェースもまた、ＳｏＣ、または、一連の特化されたＳｏＣとすることができる。ＳｏＣの構成は、通信チャネルの数およびそれらの性質に依存する。通信インターフェースは、有線、ワイヤレス、または光ファイバ通信手段およびこれらの何らかの組み合わせを介してデータ処理サブシステムに接続することができる。通信インターフェースのプロトコルは、チャネル、必要なデータレート、および必要なタイミングに特有のものであり得る。例えば、コーデック、音声、およびビデオを使用することができる。通信インターフェースは、例示的な局をチューニングするかまたはそのメンテナンスを行うとともに、データを入力および抽出するために使用することもできる。いくつかの事例において、例えば、音声からデジタルへのトランスデューサを伴うコンピュータが存在し得る。データは、キーボード、音声、または他のそのような媒体を介して入力することができる。データストレージもまた、通信インターフェースと関連付けられてもよい。
【0100】
ここで図７を参照すると、ＲＦ電磁放射の入力ビームを時系列データに変換するための例示的なプロセスの概略図が提示される。ＲＦ電磁放射の入力ビームは、例示的な局のフォトニック結晶レシーバによって受信される。特に、概略図は、フォトニック結晶レシーバの蒸気からの出力光信号が、どのように処理され、音声データ、コーデックデータ、ビデオデータなどを表すことができる時系列データに変換されるかを示す。データ処理サブシステムのアプリケーション層は、トラッキングシステムの慣性航法ユニットと通信して、通信チャネルがオープンであるか否かをスケジューリングし、判定することができる。これらのサブシステムはまた、協働して、通信チャネルを維持することもでき、そうする際に、慣性航法ユニットを通じて動作することができる。ローカルクロックのタイミング電子機器が、例示的な局のためのクロック信号を提供することができる。クロック信号は、例示的な局およびキュー管理のための同期信号をフォーマット化するために使用することができる。
【0101】
いくつかの実施態様において、通信システムは、複数のフォトニック結晶メーザおよびレシーバを含むそれぞれのトランシーバを有する第１の局および第２の局を含む。通信システムはポイントツーポイント通信システムであってもよい。その上、フォトニック結晶メーザは、図２Ａおよび図２Ｂに関連して説明したフォトニック結晶メーザ２０２ａ、２０４ａならびに図３Ａに関連して説明した例示的なフォトニック結晶メーザ３００に類似し得る。フォトニック結晶レシーバは、図２Ａおよび図２Ｂに関連して説明したフォトニック結晶レシーバ２０２ｂ、２０４ｂならびに図３Ｂに関連して説明した例示的なフォトニック結晶レシーバ３５０に類似し得る。
【0102】
通信システムの各局は、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを有するトランシーバを含む。特に、各フォトニック結晶メーザは、第１の入力光信号の受信に応答してＲＦ電磁放射の出力ビームを生成するように構成されている。出力ビームは、通信システムの別の局に送信される情報を表す。その上、各フォトニック結晶レシーバは、ＲＦ電磁放射の入力ビームおよび第２の入力光信号の受信に応答して出力光信号を生成するように構成されている。入力ビームは、通信システムの別の局から受信される情報を表す。いくつかの変形例において、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザは、互いに直交する偏光を有するそれぞれのＲＦ電磁放射の出力ビームを生成するように構成されている一対のフォトニック結晶メーザを含む。いくつかの変形例において、１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバは、互いに直交する偏光にあるそれぞれの入力ＲＦ電磁ビームを処理するように構成されている一対のフォトニック結晶レシーバを含む。
【0103】
第１の局および第２の局は、部分的にレーザ制御サブシステムとしての役割を果たすことができる制御サブシステムも各々含む。制御サブシステムは、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されている１つまたは複数のレーザを有する。１つまたは複数のレーザは、第１の入力光信号および第２の入力光信号を生成するように構成されている。制御サブシステムは、１つまたは複数のレーザと通信する変調電子機器も有する。変調電子機器は、第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている。第１の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第１の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む。制御サブシステムは、１つまたは複数のレーザと通信する復調電子機器を付加的に含む。復調電子機器は、第２の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている。第２の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第２の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む。
【0104】
いくつかの実施態様において、第１の局および第２の局は、トランシーバの向きを制御し、以て、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを目標ロケーションに向けるように構成されているトラッキングサブシステムを付加的に各々含む。いくつかの変形例において、第１の局は、第２の局の目標ロケーションに配置され、第２の局は、第１の局の目標ロケーションに配置される。いくつかの変形例において、通信局は、中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されている中継局を含む。中継ロケーションは、第１の局および第２の局のうちの一方または両方のトラッキングサブシステムの目標ロケーションとしての役割を果たす。
【0105】
いくつかの実施態様において、第１の通信システムおよび第２の通信システムは、制御サブシステムおよびトラッキングサブシステムと通信する航法サブシステムを含む。航法サブシステムは、第１の局または第２の局の位置を決定するように構成されている測位電子機器と、第１の局または第２の局のローカル基準パラメータを設定するように構成されているタイミング電子機器とを含むことができる。位置およびタイミング電子機器のうちの一方または両方は、慣性航法ユニットの一部または全部を規定することができる。ローカル基準パラメータは、ローカル基準時間、ローカル基準周波数、およびローカル基準位相などのパラメータを含んでもよい。さらなる実施態様において、通信システムは、少なくとも第１の局および第２の局の航法サブシステムと同期信号を交換するように構成されているグローバル基準局を含む。同期信号は、グローバル基準時間を含む通信システムのグローバル基準パラメータを表す。グローバル基準パラメータは、グローバル基準周波数およびグローバル基準位相のうちの一方または両方も含んでもよい。
【0106】
いくつかの実施態様において、第１の局および第２の局の制御サブシステムは、１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されており、各フォトニック結晶レシーバの分光分析データのセットを生成するように構成されている光学検出器を含む。分光分析データのセットは、フォトニック結晶レシーバからの出力光信号に基づき、ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性を表す。ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性は、ＲＦ電磁放射の入力ビームの強度、位相、周波数、または偏光のうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【0107】
制御システムが光学サブシステムを含む実施態様において、第１の局および第２の局は各々、制御サブシステムと通信するデータ処理サブシステムを含んでもよい。データ処理サブシステムは、経時的に光学検出器から受信される分光分析データのセットに基づいて第１の時系列のデータを生成することを含む動作を実施するように構成されている。第１の時系列のデータは、通信システムの別の局から送信される情報を表す。動作は、第１の局または第２の局の通信インターフェースから受信される第２の時系列のデータに基づいて変調電子機器のための制御信号を生成することも含む。制御信号は、経時的な第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を表す。第２の時系列のデータは、通信システムの別の局に送信される情報を表す。
【0108】
いくつかの実施態様において、第１の局および第２の局の制御サブシステムは、トランシーバの少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバに電磁的に結合されている基準アンテナを含む。基準アンテナは、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている。動作中、基準アンテナは、基準ＲＦ電磁放射を、フォトニック結晶レシーバによって受信されるＲＦ電磁放射の入力ビームに重ね合わせることができる。そのような重ね合わせは、基準ＲＦ電磁放射とＲＦ電磁放射の入力ビームとの間の干渉を引き起こすことができ、したがって、ＲＦ電磁放射の入力ビームの位相および周波数が、基準ＲＦ電磁放射の基準場に対して決定されることを可能にする。
【0109】
記載されているもののいくつかの態様において、通信システムは、以下の実施例によって説明することができる。
実施例１．通信システムであって、
第１の局であり、
フォトニック結晶メーザで、
誘電体材料から形成されており、キャビティのアレイと、キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている細長いスロットとを有する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ており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気を備え、
キャビティのアレイおよび細長いスロットは、放出されると、目標ＲＦ電磁放射をビームに成形するように構成されている導波路を画定し、目標ＲＦ電磁放射のビームは、通信システムの第２の局に送信される情報を表す、
フォトニック結晶メーザ、
レーザサブシステムで、
細長いスロットに光学的に結合されており、光信号を生成するように構成されているポンプレーザ、および
ポンプレーザと通信し、光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている信号処理電子機器で、光信号の１つまたは複数の特性は、光信号の強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、信号処理電子機器
を備える、レーザサブシステム、ならびに
フォトニック結晶メーザの向きを制御し、以て、目標ＲＦ電磁放射のビームを目標ロケーションに向けるように構成されているトラッキングサブシステム
を備える、第１の局と、
目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを備える第２の局と
を備える、通信システム。
実施例２．
目標ロケーションは、第１の目標ロケーションであり、
第２の局は、レシーバの向きを制御し、以て、レシーバを第２の目標ロケーションに向けるように構成されている第２のトラッキングサブシステムを備える、実施例１に記載の通信システム。
実施例３．第１の局および第２の局は、それぞれ、第２の目標ロケーションおよび第１の目標ロケーションに配置されている、実施例２に記載の通信システム。
実施例４．
中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されている中継局を備え、
第１の目標ロケーションおよび第２の目標ロケーションのうちの一方または両方は、中継ロケーションに対応する、実施例２に記載の通信システム。
実施例５．導波路は、細長いスロットの軸に平行な方向に沿った目標ＲＦ電磁放射の群速度を低減するように構成されている、実施例１または実施例２～４のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例６．フォトニック結晶メーザは、目標ＲＦ電磁放射のビームをフォトニック結晶メーザの周囲環境にインピーダンス整合させるように構成されている出力結合器を備える、実施例１または実施例２～５のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例７．出力結合器はフォトニック結晶構造の一体部分である、実施例６に記載の通信システム。
実施例８．出力結合器は、テーパ状端部において終端し、
テーパ状端部と位置整合されている狭窄部分と、
狭窄部分から外向きに延在し、それに沿って周期的な間隔を有する共平面セグメントのアレイであって、共平面セグメントのアレイは、目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光をフィルタリングするように構成されている、共平面セグメントのアレイと
を備える、実施例６または７に記載の通信システム。
実施例９．
第１の局は、制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準ＲＦサブシステムを備え、
フォトニック結晶メーザは、基準ＲＦ電磁放射を導波路に結合するように構成されている入力結合器を備える、実施例１または実施例２～８のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１０．入力結合器はフォトニック結晶構造の一体部分である、実施例９に記載の通信システム。
実施例１１．
レシーバは、フォトニック結晶レシーバであり、フォトニック結晶レシーバは、
誘電体材料から形成されており、キャビティの第２のアレイと第２の細長いスロットとを有する第２のフォトニック結晶構造であって、前記第２の細長いスロットは、キャビティの第２のアレイの欠陥領域内に配置されている、第２のフォトニック結晶構造と、
目標ＲＦ電磁放射のビームを、キャビティの第２のアレイおよび第２の細長いスロットによって画定される第２の導波路に結合するように構成されているアンテナ構造であって、第２の導波路は、結合されたビームを第２の細長いスロット内に集中させるように構成されている、アンテナ構造と、
第２の細長いスロット内に配置されている第２の蒸気と
を備え、
第２の局は、
第２のレーザサブシステムを備え、第２のレーザサブシステムは、
第２の細長いスロットに光学的に結合されており、入力光信号をそれに提供するように構成されている１つまたは複数の入力レーザであって、入力光信号は、第２の蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用するように適合されている、１つまたは複数の入力レーザと、
第２の蒸気からの出力光信号に基づいて分光分析データを生成するように構成されている光学サブシステムであって、分光分析データは、目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性を表す、光学サブシステムと、
経時的な分光分析データに基づいて時系列データを生成するように構成されているデータ処理サブシステムであって、時系列データは、第１の局から送信される情報を表す、データ処理サブシステムと
を備える、実施例１または実施例２～１０のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１２．アンテナ構造は、第２のフォトニック結晶構造の一体部分である、実施例１１に記載の通信システム。
実施例１３．第２の導波路は、第２の細長いスロットの軸に平行な方向に沿った結合されている目標ＲＦ電磁放射のビーム群速度を低減するように構成されている、実施例１１または１２に記載の通信システム。
実施例１４．目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性は、ビームの強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、実施例１１または実施例１２～１３のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１５．
アンテナ構造は、目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光をフィルタリングするように構成されている偏光子を備え、
目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性は、目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光を含む、実施例１１または実施例１２～１４のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１６．
第２の局は、第２の基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準アンテナを備え、第２のＲＦ電磁放射は、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有し、
基準アンテナは、フォトニック結晶レシーバのアンテナ構造に電磁的に結合されている、実施例１１または実施例１２～１５のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１．通信システムであって、
第１の局であり、
フォトニック結晶メーザで、
誘電体材料から形成されており、キャビティのアレイと、キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている細長いスロットとを有する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ており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気を備え、
キャビティのアレイおよび細長いスロットは、放出されると、目標ＲＦ電磁放射をビームに成形するように構成されている導波路を画定し、目標ＲＦ電磁放射のビームは、通信システムの第２の局に送信される情報を表す、
フォトニック結晶メーザ、
レーザサブシステムで、
細長いスロットに光学的に結合されており、光信号を生成するように構成されているポンプレーザ、および
ポンプレーザと通信し、光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている信号処理電子機器で、光信号の１つまたは複数の特性は、光信号の強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、信号処理電子機器
を備える、レーザサブシステム、ならびに
フォトニック結晶メーザの向きを制御し、以て、目標ＲＦ電磁放射のビームを目標ロケーションに向けるように構成されているトラッキングサブシステム
を備える、第１の局と、
目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを備える第２の局と
を備える、通信システム。
実施例２．
目標ロケーションは、第１の目標ロケーションであり、
第２の局は、レシーバの向きを制御し、以て、レシーバを第２の目標ロケーションに向けるように構成されている第２のトラッキングサブシステムを備える、実施例１に記載の通信システム。
実施例３．第１の局および第２の局は、それぞれ、第２の目標ロケーションおよび第１の目標ロケーションに配置されている、実施例２に記載の通信システム。
実施例４．
中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されている中継局を備え、
第１の目標ロケーションおよび第２の目標ロケーションのうちの一方または両方は、中継ロケーションに対応する、実施例２に記載の通信システム。
実施例５．導波路は、細長いスロットの軸に平行な方向に沿った目標ＲＦ電磁放射の群速度を低減するように構成されている、実施例１または実施例２～４のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例６．フォトニック結晶メーザは、目標ＲＦ電磁放射のビームをフォトニック結晶メーザの周囲環境にインピーダンス整合させるように構成されている出力結合器を備える、実施例１または実施例２～５のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例７．出力結合器はフォトニック結晶構造の一体部分である、実施例６に記載の通信システム。
実施例８．出力結合器は、テーパ状端部において終端し、
テーパ状端部と位置整合されている狭窄部分と、
狭窄部分から外向きに延在し、それに沿って周期的な間隔を有する共平面セグメントのアレイであって、共平面セグメントのアレイは、目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光をフィルタリングするように構成されている、共平面セグメントのアレイと
を備える、実施例６または７に記載の通信システム。
実施例９．
第１の局は、制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準ＲＦサブシステムを備え、
フォトニック結晶メーザは、基準ＲＦ電磁放射を導波路に結合するように構成されている入力結合器を備える、実施例１または実施例２～８のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１０．入力結合器はフォトニック結晶構造の一体部分である、実施例９に記載の通信システム。
実施例１１．
レシーバは、フォトニック結晶レシーバであり、フォトニック結晶レシーバは、
誘電体材料から形成されており、キャビティの第２のアレイと第２の細長いスロットとを有する第２のフォトニック結晶構造であって、前記第２の細長いスロットは、キャビティの第２のアレイの欠陥領域内に配置されている、第２のフォトニック結晶構造と、
目標ＲＦ電磁放射のビームを、キャビティの第２のアレイおよび第２の細長いスロットによって画定される第２の導波路に結合するように構成されているアンテナ構造であって、第２の導波路は、結合されたビームを第２の細長いスロット内に集中させるように構成されている、アンテナ構造と、
第２の細長いスロット内に配置されている第２の蒸気と
を備え、
第２の局は、
第２のレーザサブシステムを備え、第２のレーザサブシステムは、
第２の細長いスロットに光学的に結合されており、入力光信号をそれに提供するように構成されている１つまたは複数の入力レーザであって、入力光信号は、第２の蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用するように適合されている、１つまたは複数の入力レーザと、
第２の蒸気からの出力光信号に基づいて分光分析データを生成するように構成されている光学サブシステムであって、分光分析データは、目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性を表す、光学サブシステムと、
経時的な分光分析データに基づいて時系列データを生成するように構成されているデータ処理サブシステムであって、時系列データは、第１の局から送信される情報を表す、データ処理サブシステムと
を備える、実施例１または実施例２～１０のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１２．アンテナ構造は、第２のフォトニック結晶構造の一体部分である、実施例１１に記載の通信システム。
実施例１３．第２の導波路は、第２の細長いスロットの軸に平行な方向に沿った結合されている目標ＲＦ電磁放射のビーム群速度を低減するように構成されている、実施例１１または１２に記載の通信システム。
実施例１４．目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性は、ビームの強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、実施例１１または実施例１２～１３のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１５．
アンテナ構造は、目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光をフィルタリングするように構成されている偏光子を備え、
目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性は、目標ＲＦ電磁放射のビームの偏光を含む、実施例１１または実施例１２～１４のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例１６．
第２の局は、第２の基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準アンテナを備え、第２のＲＦ電磁放射は、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有し、
基準アンテナは、フォトニック結晶レシーバのアンテナ構造に電磁的に結合されている、実施例１１または実施例１２～１５のいずれか１つに記載の通信システム。
【0110】
記載されているもののいくつかの態様において、無線周波数（ＲＦ）電磁放射を使用して情報を通信する方法は、以下の実施例によって説明することができる。
実施例１７．無線周波数（ＲＦ）電磁放射を使用して情報を通信する方法であって、
第１の局において、第２の局に送信される情報を表す目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することであり、第１の局は、
フォトニック結晶メーザを備え、フォトニック結晶メーザは、
誘電体材料から形成されており、キャビティのアレイと細長いスロットとを有するフォトニック結晶構造で、前記細長いスロットは、キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている、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ており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気を備え、
キャビティのアレイおよび細長いスロットは、放出されると、目標ＲＦ電磁放射を目標ＲＦ電磁放射のビームに成形するように構成されている導波路を画定する、
生成することと、
第２の局において目標ＲＦ電磁放射のビームを受信することであり、第２の局は、目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを備える、受信することと
を含む、方法。
実施例１８．
第１の局は、細長いスロットに光学的に結合されているポンプレーザを有するレーザサブシステムを備え、
目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、ポンプレーザの動作によって光信号を生成することを含む、実施例１７に記載の方法。
実施例１９．
レーザサブシステムは、ポンプレーザと通信する信号処理電子機器を備え、
光信号を生成することは、信号処理電子機器の動作によって、光信号の１つまたは複数の特性を制御することを含み、光信号の１つまたは複数の特性は、光信号の強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、実施例１８に記載の方法。
実施例２０．
第１の局のトラッキングサブシステムの動作によって、目標ＲＦ電磁放射のビームを目標ロケーションに向けるようにフォトニック結晶メーザの向きを改変することを含む、実施例１７または実施例１８～１９のいずれか１つに記載の方法。
実施例２１．
目標ロケーションは、第１の目標ロケーションであり、
方法は、第２の局のトラッキングサブシステムの動作によって、レシーバを第２の目標ロケーションに向けるようにレシーバの向きを改変することを含む、実施例２０に記載の方法。
実施例２２．第１の局および第２の局は、それぞれ、第２の目標ロケーションおよび第１の目標ロケーションに配置されている、実施例２１に記載の方法。
実施例２３．
第１の目標ロケーションおよび第２の目標ロケーションは、中継局のロケーションに対応し、
方法は、中継局の動作によって、第１の局からの目標ＲＦ電磁放射のビームの中継局における受信に応答して、目標ＲＦ電磁放射の第２のビームを第２の局に送信することを含む、実施例２１に記載の方法。
実施例２４．目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、細長いスロットの軸に平行な方向に沿った目標ＲＦ電磁放射の群速度を低減することを含む、実施例１７または実施例１８～２３のいずれか１つに記載の方法。
実施例２５．
フォトニック結晶メーザは、出力結合器を備え、
目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、出力結合器の動作によって、目標ＲＦ電磁放射のビームをフォトニック結晶メーザの周囲環境にインピーダンス整合させることを含む、実施例１７または実施例１８～２４のいずれか１つに記載の方法。
実施例２６．
フォトニック結晶メーザは、入力結合器を備え、
方法は、
制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成することと、
入力結合器の動作によって、基準ＲＦ電磁放射を導波路に結合することと
を含む、実施例１７または実施例１８～２５のいずれか１つに記載の方法。
実施例２７．
レシーバは、フォトニック結晶レシーバであり、フォトニック結晶レシーバは、
誘電体材料から形成されており、キャビティの第２のアレイと第２の細長いスロットとを有する第２のフォトニック結晶構造であって、第２の細長いスロットは、キャビティの第２のアレイの欠陥領域内に配置されている、第２のフォトニック結晶構造と、
細長いスロットと位置整合されているアンテナ構造と、
第２の細長いスロット内に配置されている第２の蒸気と
を備え、
目標ＲＦ電磁放射のビームを受信することは、アンテナ構造の動作によって、目標ＲＦ電磁放射のビームを、キャビティの第２のアレイおよび第２の細長いスロットによって画定される第２の導波路に結合することを含む、実施例１７または実施例１８～２６のいずれか１つに記載の方法。
実施例２８．ＲＦ電磁放射のビームを受信することは、第２の導波路の動作によって、結合されたビームを第２の細長いスロット内に集中させることを含む、実施例２７に記載の方法。
実施例２９．
第２の局は、
第２のレーザサブシステムを備え、第２のレーザサブシステムは、
第２の細長いスロットに光学的に結合されている１つまたは複数の入力レーザと、
第２の細長いスロットに光学的に結合されている光学サブシステムと
を備え、
方法は、
１つまたは複数のポンプレーザの動作によって第２の蒸気の入力光信号を生成することであって、入力光信号は、第２の蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用するように適合されている、入力光信号を生成することと、
光学サブシステムの動作によって、第２の蒸気からの出力光信号に基づいて分光分析データを生成することであって、分光分析データは、目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性を表す、分光分析データを生成することと
を含む、実施例２７または２８に記載の方法。
実施例３０．
第２のレーザサブシステムは、光学サブシステムと通信するデータ処理サブシステムを備え、
方法は、
データ処理サブシステムの動作によって、経時的に光学サブシステムから受信される分光分析データに基づいて時系列データを生成することであって、時系列データは、第１の局から送信される情報を表す、時系列データを生成することを含む、実施例２９に記載の方法。
実施例１７．無線周波数（ＲＦ）電磁放射を使用して情報を通信する方法であって、
第１の局において、第２の局に送信される情報を表す目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することであり、第１の局は、
フォトニック結晶メーザを備え、フォトニック結晶メーザは、
誘電体材料から形成されており、キャビティのアレイと細長いスロットとを有するフォトニック結晶構造で、前記細長いスロットは、キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている、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ており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気を備え、
キャビティのアレイおよび細長いスロットは、放出されると、目標ＲＦ電磁放射を目標ＲＦ電磁放射のビームに成形するように構成されている導波路を画定する、
生成することと、
第２の局において目標ＲＦ電磁放射のビームを受信することであり、第２の局は、目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを備える、受信することと
を含む、方法。
実施例１８．
第１の局は、細長いスロットに光学的に結合されているポンプレーザを有するレーザサブシステムを備え、
目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、ポンプレーザの動作によって光信号を生成することを含む、実施例１７に記載の方法。
実施例１９．
レーザサブシステムは、ポンプレーザと通信する信号処理電子機器を備え、
光信号を生成することは、信号処理電子機器の動作によって、光信号の１つまたは複数の特性を制御することを含み、光信号の１つまたは複数の特性は、光信号の強度、位相、または周波数のうちの少なくとも１つを含む、実施例１８に記載の方法。
実施例２０．
第１の局のトラッキングサブシステムの動作によって、目標ＲＦ電磁放射のビームを目標ロケーションに向けるようにフォトニック結晶メーザの向きを改変することを含む、実施例１７または実施例１８～１９のいずれか１つに記載の方法。
実施例２１．
目標ロケーションは、第１の目標ロケーションであり、
方法は、第２の局のトラッキングサブシステムの動作によって、レシーバを第２の目標ロケーションに向けるようにレシーバの向きを改変することを含む、実施例２０に記載の方法。
実施例２２．第１の局および第２の局は、それぞれ、第２の目標ロケーションおよび第１の目標ロケーションに配置されている、実施例２１に記載の方法。
実施例２３．
第１の目標ロケーションおよび第２の目標ロケーションは、中継局のロケーションに対応し、
方法は、中継局の動作によって、第１の局からの目標ＲＦ電磁放射のビームの中継局における受信に応答して、目標ＲＦ電磁放射の第２のビームを第２の局に送信することを含む、実施例２１に記載の方法。
実施例２４．目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、細長いスロットの軸に平行な方向に沿った目標ＲＦ電磁放射の群速度を低減することを含む、実施例１７または実施例１８～２３のいずれか１つに記載の方法。
実施例２５．
フォトニック結晶メーザは、出力結合器を備え、
目標ＲＦ電磁放射のビームを生成することは、出力結合器の動作によって、目標ＲＦ電磁放射のビームをフォトニック結晶メーザの周囲環境にインピーダンス整合させることを含む、実施例１７または実施例１８～２４のいずれか１つに記載の方法。
実施例２６．
フォトニック結晶メーザは、入力結合器を備え、
方法は、
制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成することと、
入力結合器の動作によって、基準ＲＦ電磁放射を導波路に結合することと
を含む、実施例１７または実施例１８～２５のいずれか１つに記載の方法。
実施例２７．
レシーバは、フォトニック結晶レシーバであり、フォトニック結晶レシーバは、
誘電体材料から形成されており、キャビティの第２のアレイと第２の細長いスロットとを有する第２のフォトニック結晶構造であって、第２の細長いスロットは、キャビティの第２のアレイの欠陥領域内に配置されている、第２のフォトニック結晶構造と、
細長いスロットと位置整合されているアンテナ構造と、
第２の細長いスロット内に配置されている第２の蒸気と
を備え、
目標ＲＦ電磁放射のビームを受信することは、アンテナ構造の動作によって、目標ＲＦ電磁放射のビームを、キャビティの第２のアレイおよび第２の細長いスロットによって画定される第２の導波路に結合することを含む、実施例１７または実施例１８～２６のいずれか１つに記載の方法。
実施例２８．ＲＦ電磁放射のビームを受信することは、第２の導波路の動作によって、結合されたビームを第２の細長いスロット内に集中させることを含む、実施例２７に記載の方法。
実施例２９．
第２の局は、
第２のレーザサブシステムを備え、第２のレーザサブシステムは、
第２の細長いスロットに光学的に結合されている１つまたは複数の入力レーザと、
第２の細長いスロットに光学的に結合されている光学サブシステムと
を備え、
方法は、
１つまたは複数のポンプレーザの動作によって第２の蒸気の入力光信号を生成することであって、入力光信号は、第２の蒸気の１つまたは複数の電子遷移と相互作用するように適合されている、入力光信号を生成することと、
光学サブシステムの動作によって、第２の蒸気からの出力光信号に基づいて分光分析データを生成することであって、分光分析データは、目標ＲＦ電磁放射のビームの１つまたは複数の特性を表す、分光分析データを生成することと
を含む、実施例２７または２８に記載の方法。
実施例３０．
第２のレーザサブシステムは、光学サブシステムと通信するデータ処理サブシステムを備え、
方法は、
データ処理サブシステムの動作によって、経時的に光学サブシステムから受信される分光分析データに基づいて時系列データを生成することであって、時系列データは、第１の局から送信される情報を表す、時系列データを生成することを含む、実施例２９に記載の方法。
【0111】
記載されているもののいくつかの態様において、通信システムは、以下の実施例によって説明することができる。
実施例３１．通信システムであって、
第１の局および第２の局を備え、第１の局および第２の局が、
１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを有するトランシーバで、
各フォトニック結晶メーザが、第１の入力光信号の受信に応答してＲＦ電磁放射の出力ビームを生成するように構成されており、出力ビームは、通信システムの別の局に送信される情報を表し、
各フォトニック結晶レシーバは、ＲＦ電磁放射の入力ビームおよび第２の入力光信号の受信に応答して出力光信号を生成するように構成されており、入力ビームは、通信システムの別の局から受信される情報を表す、
トランシーバと、
制御サブシステムで、
１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されており、第１の入力光信号および第２の入力光信号を生成するように構成されている１つまたは複数のレーザ、
１つまたは複数のレーザと通信し、第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている変調電子機器で、第１の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第１の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む、変調電子機器、ならびに
１つまたは複数のレーザと通信し、第２の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている復調電子機器で、第２の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第２の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む、復調電子機器
を備える、制御サブシステムと、
トランシーバの向きを制御し、以て、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを目標ロケーションに向けるように構成されているトラッキングサブシステムと
各々を備える、通信システム。
実施例３２．第１の局および第２の局は、
制御サブシステムおよびトラッキングサブシステムと通信する航法サブシステムを各々備え、航法サブシステムは、
第１の局または第２の局の位置を決定するように構成されている測位電子機器と、
第１の局または第２の局のローカル基準パラメータを設定するように構成されているタイミング電子機器であって、ローカル基準パラメータはローカル基準時間を含む、タイミング電子機器と
を備える、実施例３１に記載の通信システム。
実施例３３．ローカル基準パラメータは、ローカル基準周波数およびローカル基準位相のうちの一方または両方を含む、実施例３２に記載の通信システム。
実施例３４．
少なくとも第１の局および第２の局の航法サブシステムと同期信号を交換するように構成されているグローバル基準局を備え、同期信号は、グローバル基準時間を含む通信システムのグローバル基準パラメータを表す、実施例３２または３３に記載の通信システム。
実施例３５．グローバル基準パラメータは、グローバル基準周波数およびグローバル基準位相のうちの一方または両方を含む、実施例３４に記載の通信システム。
実施例３６．制御サブシステムは、
１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されており、各フォトニック結晶レシーバの分光分析データのセットを生成するように構成されている光学検出器を備え、分光分析データのセットは、フォトニック結晶レシーバからの出力光信号に基づき、ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性を表す、実施例３１または実施例３２～３５のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例３７．ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性は、ＲＦ電磁放射の入力ビームの強度、位相、周波数、または偏光のうちの少なくとも１つを含む、実施例３６に記載の通信システム。
実施例３８．第１の局および第２の局は、
制御サブシステムと通信するデータ処理サブシステムを各々備え、データ処理サブシステムは、
経時的に光学検出器から受信される分光分析データのセットに基づいて第１の時系列のデータを生成することであって、第１の時系列のデータは、通信システムの別の局から送信される情報を表す、第１の時系列のデータを生成することと、
第１の局または第２の局の通信インターフェースから受信される第２の時系列のデータに基づいて変調電子機器のための制御信号を生成することであって、制御信号は、経時的な第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を表し、第２の時系列のデータは、通信システムの別の局に送信される情報を表す、制御信号を生成することと
を含む動作を実施するように構成されている、実施例３６または３７に記載の通信システム。
実施例３９．制御サブシステムは、
少なくとも１つのフォトニック結晶メーザに電磁的に結合されており、制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準ＲＦ発振器を備える、実施例３１または実施例３２～３８のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４０．制御サブシステムは、
トランシーバの少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバに電磁的に結合されており、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準アンテナを備える、実施例３１または実施例３２～３９のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４１．１つまたは複数のフォトニック結晶メーザは、互いに直交する偏光を有するそれぞれのＲＦ電磁放射の出力ビームを生成するように構成されている一対のフォトニック結晶メーザを含む、実施例３１または実施例３２～４０のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４２．１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバは、互いに直交する偏光にあるそれぞれの入力ＲＦ電磁ビームを処理するように構成されている一対のフォトニック結晶レシーバを含む、実施例３１または実施例３２～４１のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４３．第１の局は、第２の局の目標ロケーションに配置されており、第２の局は、第１の局の目標ロケーションに配置されている、実施例３１または実施例３２～４２のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４４．
中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されている中継局を備え、
中継ロケーションは、第１の局および第２の局のうちの一方または両方のトラッキングサブシステムの目標ロケーションとしての役割を果たす、実施例１または実施例３２～４３のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例３１．通信システムであって、
第１の局および第２の局を備え、第１の局および第２の局が、
１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを有するトランシーバで、
各フォトニック結晶メーザが、第１の入力光信号の受信に応答してＲＦ電磁放射の出力ビームを生成するように構成されており、出力ビームは、通信システムの別の局に送信される情報を表し、
各フォトニック結晶レシーバは、ＲＦ電磁放射の入力ビームおよび第２の入力光信号の受信に応答して出力光信号を生成するように構成されており、入力ビームは、通信システムの別の局から受信される情報を表す、
トランシーバと、
制御サブシステムで、
１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されており、第１の入力光信号および第２の入力光信号を生成するように構成されている１つまたは複数のレーザ、
１つまたは複数のレーザと通信し、第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている変調電子機器で、第１の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第１の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む、変調電子機器、ならびに
１つまたは複数のレーザと通信し、第２の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御するように構成されている復調電子機器で、第２の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第２の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む、復調電子機器
を備える、制御サブシステムと、
トランシーバの向きを制御し、以て、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを目標ロケーションに向けるように構成されているトラッキングサブシステムと
各々を備える、通信システム。
実施例３２．第１の局および第２の局は、
制御サブシステムおよびトラッキングサブシステムと通信する航法サブシステムを各々備え、航法サブシステムは、
第１の局または第２の局の位置を決定するように構成されている測位電子機器と、
第１の局または第２の局のローカル基準パラメータを設定するように構成されているタイミング電子機器であって、ローカル基準パラメータはローカル基準時間を含む、タイミング電子機器と
を備える、実施例３１に記載の通信システム。
実施例３３．ローカル基準パラメータは、ローカル基準周波数およびローカル基準位相のうちの一方または両方を含む、実施例３２に記載の通信システム。
実施例３４．
少なくとも第１の局および第２の局の航法サブシステムと同期信号を交換するように構成されているグローバル基準局を備え、同期信号は、グローバル基準時間を含む通信システムのグローバル基準パラメータを表す、実施例３２または３３に記載の通信システム。
実施例３５．グローバル基準パラメータは、グローバル基準周波数およびグローバル基準位相のうちの一方または両方を含む、実施例３４に記載の通信システム。
実施例３６．制御サブシステムは、
１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されており、各フォトニック結晶レシーバの分光分析データのセットを生成するように構成されている光学検出器を備え、分光分析データのセットは、フォトニック結晶レシーバからの出力光信号に基づき、ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性を表す、実施例３１または実施例３２～３５のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例３７．ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性は、ＲＦ電磁放射の入力ビームの強度、位相、周波数、または偏光のうちの少なくとも１つを含む、実施例３６に記載の通信システム。
実施例３８．第１の局および第２の局は、
制御サブシステムと通信するデータ処理サブシステムを各々備え、データ処理サブシステムは、
経時的に光学検出器から受信される分光分析データのセットに基づいて第１の時系列のデータを生成することであって、第１の時系列のデータは、通信システムの別の局から送信される情報を表す、第１の時系列のデータを生成することと、
第１の局または第２の局の通信インターフェースから受信される第２の時系列のデータに基づいて変調電子機器のための制御信号を生成することであって、制御信号は、経時的な第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を表し、第２の時系列のデータは、通信システムの別の局に送信される情報を表す、制御信号を生成することと
を含む動作を実施するように構成されている、実施例３６または３７に記載の通信システム。
実施例３９．制御サブシステムは、
少なくとも１つのフォトニック結晶メーザに電磁的に結合されており、制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準ＲＦ発振器を備える、実施例３１または実施例３２～３８のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４０．制御サブシステムは、
トランシーバの少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバに電磁的に結合されており、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有する基準ＲＦ電磁放射を生成するように構成されている基準アンテナを備える、実施例３１または実施例３２～３９のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４１．１つまたは複数のフォトニック結晶メーザは、互いに直交する偏光を有するそれぞれのＲＦ電磁放射の出力ビームを生成するように構成されている一対のフォトニック結晶メーザを含む、実施例３１または実施例３２～４０のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４２．１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバは、互いに直交する偏光にあるそれぞれの入力ＲＦ電磁ビームを処理するように構成されている一対のフォトニック結晶レシーバを含む、実施例３１または実施例３２～４１のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４３．第１の局は、第２の局の目標ロケーションに配置されており、第２の局は、第１の局の目標ロケーションに配置されている、実施例３１または実施例３２～４２のいずれか１つに記載の通信システム。
実施例４４．
中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されている中継局を備え、
中継ロケーションは、第１の局および第２の局のうちの一方または両方のトラッキングサブシステムの目標ロケーションとしての役割を果たす、実施例１または実施例３２～４３のいずれか１つに記載の通信システム。
【0112】
記載されているもののいくつかの態様において、無線周波数（ＲＦ）電磁放射を使用して情報を通信する方法は、以下の実施例によって説明することができる。
実施例４５．無線周波数（ＲＦ）電磁放射を使用して情報を通信する方法であって、
通信システムの第１の局と第２の局との間でＲＦ電磁放射のビームを送信することを含み、第１の局および第２の局は、
１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを有するトランシーバであり、
各フォトニック結晶メーザが、第１の入力光信号の受信に応答してＲＦ電磁放射の出力ビームを生成するように構成されており、出力ビームは、通信システムの別の局に送信される情報を表し、
各フォトニック結晶レシーバは、ＲＦ電磁放射の入力ビームおよび第２の入力光信号の受信に応答して出力光信号を生成するように構成されており、入力ビームは、通信システムの別の局から受信される情報を表す、
トランシーバと、
１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されており、第１の入力光信号および第２の入力光信号を生成するように構成されている１つまたは複数のレーザを備える制御サブシステムと、
トランシーバの向きを制御し、以て、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを目標ロケーションに向けるように構成されているトラッキングサブシステムと
を各々備える、方法。
実施例４６．
第１の局または第２の局は、ＲＦ電磁放射のビームの発信局であり、
ＲＦ電磁放射のビームを送信することは、発信局における１つまたは複数のフォトニック結晶メーザの動作によって、１つまたは複数のそれぞれのＲＦ電磁放射の出力ビームを生成することを含む、実施例４５に記載の方法。
実施例４７．ＲＦ電磁放射のビームを送信することは、
ＲＦ電磁放射の第１のビームを第１の局から第２の局に送信することと、
ＲＦ電磁放射の第２のビームを第２の局から第１の局に送信することであって、第２のビームは、少なくとも部分的に、第１のビームと同時に送信される、第２のビームを送信することと
を含む、実施例４５または４６に記載の方法。
実施例４８．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、１つまたは複数のレーザと通信する変調電子機器を備え、
第１の局または第２の局は、ＲＦ電磁放射のビームの発信局であり、
方法は、発信局の変調電子機器の動作によって、１つまたは複数のレーザによって生成される第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御することを含み、第１の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第１の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む、実施例４５または実施例４６～４７のいずれか１つに記載の方法。
実施例４９．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、１つまたは複数のレーザと通信する復調電子機器を備え、
第１の局または第２の局は、ＲＦ電磁放射のビームの宛先局であり、
方法は、宛先局の復調電子機器の動作によって、１つまたは複数のレーザによって生成される第２の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御することを含み、第２の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第２の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む、実施例４５または実施例４６～４８のいずれか１つに記載の方法。
実施例５０．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されている光学検出器を備え、
第１の局または第２の局は、ＲＦ電磁放射のビームの宛先局であり、
方法は、宛先局の光学検出器の動作によって、宛先局の各フォトニック結晶レシーバの分光分析データのセットを生成することを含み、分光分析データのセットは、フォトニック結晶レシーバからの出力光信号に基づき、ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性を表す、実施例４５または実施例４６～４９のいずれか１つに記載の方法。
実施例５１．ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性は、ＲＦ電磁放射の入力ビームの強度、位相、周波数、または偏光のうちの少なくとも１つを含む、実施例５０に記載の方法。
実施例５２．
第１の局および第２の局は、制御サブシステムと通信するデータ処理サブシステムを各々備え、
方法は、宛先局のデータ処理サブシステムの動作によって、経時的に光学検出器から受信される分光分析データのセットに基づいて第１の時系列のデータを生成することを含み、第１の時系列のデータは、通信システムの別の局から送信される情報を表す、実施例５０または５１に記載の方法。
実施例５３．
第１の局および第２の局は、
制御サブシステムと通信するデータ処理サブシステムと、
通信インターフェースとを各々備え、
方法は、宛先局のデータ処理サブシステムの動作によって、通信インターフェースから受信される第２の時系列のデータに基づいて制御サブシステムの変調電子機器のための制御信号を生成することを含み、制御信号は、経時的な第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を表し、第２の時系列のデータは、通信システムの別の局に送信される情報を表す、実施例５０または実施例５１～５２のいずれか１つに記載の方法。
実施例５４．
第１の局および第２の局は、制御サブシステムおよびトラッキングサブシステムと通信する航法サブシステムを各々備え、航法サブシステムは、測位電子機器およびタイミング電子機器を有し、
方法は、
それぞれ第１の局または第２の局の測位電子機器の動作によって、第１の局または第２の局の位置を決定することと、
それぞれ第１の局または第２の局のタイミング電子機器の動作によって、第１の局または第２の局のローカル基準パラメータを設定することであって、ローカル基準パラメータは、ローカル基準時間を含む、設定することと
を含む、実施例４５または実施例４６～５３のいずれか１つに記載の方法。
実施例５５．ローカル基準パラメータは、ローカル基準周波数およびローカル基準位相のうちの一方または両方を含む、実施例５４に記載の方法。
実施例５６．
グローバル基準局と、少なくとも第１の局および第２の局の航法サブシステムとの間で同期信号を交換することを含み、同期信号は、グローバル基準時間を含む通信システムのグローバル基準パラメータを表す、実施例５４または５５に記載の方法。
実施例５７．グローバル基準パラメータは、グローバル基準周波数およびグローバル基準位相のうちの一方または両方を含む、実施例５６に記載の方法。
実施例５８．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、少なくとも１つのフォトニック結晶メーザに電磁的に結合されている基準ＲＦ発振器を備え、
方法は、
基準ＲＦ発振器の動作によって、制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成することと、
少なくとも１つのフォトニック結晶メーザの入力結合器の動作によって、基準ＲＦ電磁放射を少なくとも１つのフォトニック結晶メーザの導波路に結合することと
を含む、実施例４５または実施例４６～５７のいずれか１つに記載の方法。
実施例５９．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、トランシーバの少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバに電磁的に結合されている基準アンテナを備え、
方法は、
基準アンテナの動作によって、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有する基準ＲＦ電磁放射を生成することと、
少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバの入力結合器の動作によって、基準ＲＦ電磁放射を少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバの導波路に結合することと
を含む、実施例４５または実施例４６～５８のいずれか１つに記載の方法。
実施例６０．
中継局が、中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されており、
方法は、第１の局または第２の局のトラッキングサブシステムの動作によって、それぞれのトランシーバの１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを中継ロケーションに向けるようにそれぞれのトランシーバの向きを改変することを含む、実施例４５または実施例４６～５９のいずれか１つに記載の方法。
実施例４５．無線周波数（ＲＦ）電磁放射を使用して情報を通信する方法であって、
通信システムの第１の局と第２の局との間でＲＦ電磁放射のビームを送信することを含み、第１の局および第２の局は、
１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを有するトランシーバであり、
各フォトニック結晶メーザが、第１の入力光信号の受信に応答してＲＦ電磁放射の出力ビームを生成するように構成されており、出力ビームは、通信システムの別の局に送信される情報を表し、
各フォトニック結晶レシーバは、ＲＦ電磁放射の入力ビームおよび第２の入力光信号の受信に応答して出力光信号を生成するように構成されており、入力ビームは、通信システムの別の局から受信される情報を表す、
トランシーバと、
１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されており、第１の入力光信号および第２の入力光信号を生成するように構成されている１つまたは複数のレーザを備える制御サブシステムと、
トランシーバの向きを制御し、以て、１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを目標ロケーションに向けるように構成されているトラッキングサブシステムと
を各々備える、方法。
実施例４６．
第１の局または第２の局は、ＲＦ電磁放射のビームの発信局であり、
ＲＦ電磁放射のビームを送信することは、発信局における１つまたは複数のフォトニック結晶メーザの動作によって、１つまたは複数のそれぞれのＲＦ電磁放射の出力ビームを生成することを含む、実施例４５に記載の方法。
実施例４７．ＲＦ電磁放射のビームを送信することは、
ＲＦ電磁放射の第１のビームを第１の局から第２の局に送信することと、
ＲＦ電磁放射の第２のビームを第２の局から第１の局に送信することであって、第２のビームは、少なくとも部分的に、第１のビームと同時に送信される、第２のビームを送信することと
を含む、実施例４５または４６に記載の方法。
実施例４８．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、１つまたは複数のレーザと通信する変調電子機器を備え、
第１の局または第２の局は、ＲＦ電磁放射のビームの発信局であり、
方法は、発信局の変調電子機器の動作によって、１つまたは複数のレーザによって生成される第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御することを含み、第１の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第１の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む、実施例４５または実施例４６～４７のいずれか１つに記載の方法。
実施例４９．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、１つまたは複数のレーザと通信する復調電子機器を備え、
第１の局または第２の局は、ＲＦ電磁放射のビームの宛先局であり、
方法は、宛先局の復調電子機器の動作によって、１つまたは複数のレーザによって生成される第２の入力光信号の１つまたは複数の特性を制御することを含み、第２の入力光信号の１つまたは複数の特性は、第２の入力光信号の強度、周波数、または位相を含む、実施例４５または実施例４６～４８のいずれか１つに記載の方法。
実施例５０．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバに光学的に結合されている光学検出器を備え、
第１の局または第２の局は、ＲＦ電磁放射のビームの宛先局であり、
方法は、宛先局の光学検出器の動作によって、宛先局の各フォトニック結晶レシーバの分光分析データのセットを生成することを含み、分光分析データのセットは、フォトニック結晶レシーバからの出力光信号に基づき、ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性を表す、実施例４５または実施例４６～４９のいずれか１つに記載の方法。
実施例５１．ＲＦ電磁放射の入力ビームの１つまたは複数の特性は、ＲＦ電磁放射の入力ビームの強度、位相、周波数、または偏光のうちの少なくとも１つを含む、実施例５０に記載の方法。
実施例５２．
第１の局および第２の局は、制御サブシステムと通信するデータ処理サブシステムを各々備え、
方法は、宛先局のデータ処理サブシステムの動作によって、経時的に光学検出器から受信される分光分析データのセットに基づいて第１の時系列のデータを生成することを含み、第１の時系列のデータは、通信システムの別の局から送信される情報を表す、実施例５０または５１に記載の方法。
実施例５３．
第１の局および第２の局は、
制御サブシステムと通信するデータ処理サブシステムと、
通信インターフェースとを各々備え、
方法は、宛先局のデータ処理サブシステムの動作によって、通信インターフェースから受信される第２の時系列のデータに基づいて制御サブシステムの変調電子機器のための制御信号を生成することを含み、制御信号は、経時的な第１の入力光信号の１つまたは複数の特性を表し、第２の時系列のデータは、通信システムの別の局に送信される情報を表す、実施例５０または実施例５１～５２のいずれか１つに記載の方法。
実施例５４．
第１の局および第２の局は、制御サブシステムおよびトラッキングサブシステムと通信する航法サブシステムを各々備え、航法サブシステムは、測位電子機器およびタイミング電子機器を有し、
方法は、
それぞれ第１の局または第２の局の測位電子機器の動作によって、第１の局または第２の局の位置を決定することと、
それぞれ第１の局または第２の局のタイミング電子機器の動作によって、第１の局または第２の局のローカル基準パラメータを設定することであって、ローカル基準パラメータは、ローカル基準時間を含む、設定することと
を含む、実施例４５または実施例４６～５３のいずれか１つに記載の方法。
実施例５５．ローカル基準パラメータは、ローカル基準周波数およびローカル基準位相のうちの一方または両方を含む、実施例５４に記載の方法。
実施例５６．
グローバル基準局と、少なくとも第１の局および第２の局の航法サブシステムとの間で同期信号を交換することを含み、同期信号は、グローバル基準時間を含む通信システムのグローバル基準パラメータを表す、実施例５４または５５に記載の方法。
実施例５７．グローバル基準パラメータは、グローバル基準周波数およびグローバル基準位相のうちの一方または両方を含む、実施例５６に記載の方法。
実施例５８．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、少なくとも１つのフォトニック結晶メーザに電磁的に結合されている基準ＲＦ発振器を備え、
方法は、
基準ＲＦ発振器の動作によって、制御された周波数および制御された位相のうちの一方または両方を有する基準ＲＦ電磁放射を生成することと、
少なくとも１つのフォトニック結晶メーザの入力結合器の動作によって、基準ＲＦ電磁放射を少なくとも１つのフォトニック結晶メーザの導波路に結合することと
を含む、実施例４５または実施例４６～５７のいずれか１つに記載の方法。
実施例５９．
第１の局および第２の局の各々の制御サブシステムは、トランシーバの少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバに電磁的に結合されている基準アンテナを備え、
方法は、
基準アンテナの動作によって、制御された振幅、制御された周波数、または制御された位相のうちの少なくとも１つを含む１つまたは複数の制御された特性を有する基準ＲＦ電磁放射を生成することと、
少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバの入力結合器の動作によって、基準ＲＦ電磁放射を少なくとも１つのフォトニック結晶レシーバの導波路に結合することと
を含む、実施例４５または実施例４６～５８のいずれか１つに記載の方法。
実施例６０．
中継局が、中継ロケーションに配置されており、目標ＲＦ電磁放射のビームを受信および送信するように構成されており、
方法は、第１の局または第２の局のトラッキングサブシステムの動作によって、それぞれのトランシーバの１つまたは複数のフォトニック結晶メーザおよび１つまたは複数のフォトニック結晶レシーバを中継ロケーションに向けるようにそれぞれのトランシーバの向きを改変することを含む、実施例４５または実施例４６～５９のいずれか１つに記載の方法。
【0113】
本明細書は多くの詳細を含むが、これらは、特許請求され得るものの範囲に対する限定として解釈されるべきではなく、むしろ、特定の実施例に特異的である特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実施態様の文脈において本明細書に記載されているかまたは図面に示されている特定の特徴は、組み合わせることもできる。逆に、単一の実施態様の文脈において記載または図示されている様々な特徴はまた、複数の実施形態において別個にまたは任意の適切な部分組み合わせにおいて実装されてもよい。
【0114】
同様に、動作は特定の順序において図面に描写されているが、これは、そのような動作が図示されている特定の順序もしくは順次的な順序において実施されること、または、望ましい結果を達成するためにすべての例示されている動作が実施されることを要求するものとして理解されるべきではない。一定の環境状況において、マルチタスク処理および並列処理が有利である場合がある。さらに、上述した実施態様における様々なシステム構成要素の分離は、すべての実施態様においてかかる分離を必要とするものとして理解されるべきではなく、記載された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されてもよく、または複数の製品にパッケージ化されてもよい。
【0115】
いくつかの実施形態を説明した。それにもかかわらず、様々な修正を行うことができることが理解されよう。したがって、他の実施形態は添付の特許請求項の範囲内に入る。
【要約】
一般的な態様において、通信システムは、第１の局および第２の局を備える。第１の局は、フォトニック結晶メーザ、レーザサブシステム、およびトラッキングサブシステムを含む。フォトニック結晶メーザのフォトニック結晶構造は、誘電体材料から形成され、キャビティのアレイと、細長いスロットとを有する。細長いスロットは、キャビティのアレイの欠陥領域内に配置されている。フォトニック結晶メーザは、細長いスロット内に配置されており、光信号の受信に応答して目標ＲＦ電磁放射を放出するように動作可能な蒸気も含む。キャビティのアレイおよび細長いスロットは、放出されると、目標ＲＦ電磁放射をビームに成形するように構成されている導波路を画定する。第２の局は、目標ＲＦ電磁放射のビームに結合するように構成されているレシーバを含む。
【選択図】図２Ａ
【選択図】図２Ａ
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
