特表2023-521427超低位相ノイズミリ波発振器およびそれを特徴付ける方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-05-24
(54)【発明の名称】超低位相ノイズミリ波発振器およびそれを特徴付ける方法
(51)【国際特許分類】
H04B 10/50 20130101AFI20230517BHJP
G02F 1/01 20060101ALI20230517BHJP
G02F 2/00 20060101ALI20230517BHJP
H04B 10/80 20130101ALI20230517BHJP
【ＦＩ】
H04B10/50
G02F1/01 B
G02F2/00
H04B10/80
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022562259
(86)(22)【出願日】2021-04-09
(85)【翻訳文提出日】2022-12-06
(86)【国際出願番号】 US2021026568
(87)【国際公開番号】W WO2021211373
(87)【国際公開日】2021-10-21
(31)【優先権主張番号】63/009,291
(32)【優先日】2020-04-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】593185670
【氏名又は名称】イムラ アメリカ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100094112
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 讓
(74)【代理人】
【識別番号】100106183
【弁理士】
【氏名又は名称】吉澤 弘司
(74)【代理人】
【識別番号】100114915
【弁理士】
【氏名又は名称】三村 治彦
(74)【代理人】
【識別番号】100125139
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100209808
【弁理士】
【氏名又は名称】三宅 高志
(72)【発明者】
【氏名】ローランド，アントワーヌ，ジーン，ギルバート
(72)【発明者】
【氏名】ヨー，エン，ヒアン，マーク
(72)【発明者】
【氏名】テツモト，トモヒロ
【テーマコード（参考）】
2K102
5K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA21
2K102AA36
2K102AA40
2K102BA01
2K102BA19
2K102BA40
2K102BB03
2K102BB04
2K102BC04
2K102DB01
2K102DB04
2K102DC07
2K102EB06
2K102EB20
2K102EB22
5K102AA01
5K102AA51
5K102AH02
5K102AH26
5K102AH27
5K102AK06
5K102KA20
5K102KA42
5K102MA01
5K102MB06
5K102MC06
5K102MD01
5K102MD03
5K102MH02
5K102MH11
5K102MH27
5K102PB12
5K102PB13
5K102PC12
5K102PH01
5K102PH13
5K102PH31
5K102PH49
5K102PH50
5K102RB01
(57)【要約】
本発明におけるミリ波光信号を生成する方法は、二光ポンプソースの２つの周波数成分を位相ロックするステップと、前記２つの周波数成分をファイバリングキャビティに入力し、前記ファイバリングキャビティから二光出力を生成するステップと、前記ファイバリングキャビティの前記二光出力をフォトミキシングするステップとを備える。
【選択図】 図２Ａ
【選択図】 図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ミリ波光信号を生成する方法であって、二光ポンプソースの２つの周波数成分を位相ロックするステップと、
前記２つの周波数成分をファイバリングキャビティに入力し、前記ファイバリングキャビティから二光出力を生成するステップと、
前記ファイバリングキャビティの前記二光出力をフォトミキシングするステップとを備える方法。
【請求項2】
前記二光ポンプソースは、単一のレーザと、電気光学コムと、少なくとも１つの光学バンドパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記ファイバリングキャビティは、マイクロ波基準周波数に位相ロックされるモードスペクトルを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記ファイバリングキャビティは、前記二光ポンプソースの前記２つの周波数成分によってポンピングされ、前記２つの周波数成分は、第１周波数と、前記マイクロ波基準周波数または前記マイクロ波基準周波数の整数倍だけ前記第１周波数から分離される第２周波数とを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記２つの周波数成分間のヘテロダインビートの位相および前記２つの周波数成分間の前記ヘテロダインビートの位相を比較するステップをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項6】
前記２つの周波数成分は、機械的ファイバストレッチャを用いて前記ファイバ長さを調節すること、ファイバ温度を調節すること、および／または前記ポンプ光の周波数を調節することによって位相ロックされることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項7】
偏光分離を用いて前記２つの周波数成分を分離するステップをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項8】
前記２つの周波数成分は、直交する偏光軸を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項9】
ミリ波放射の位相のノイズを測定する位相ノイズ分析器であって、光干渉計であって、
ミリ波周波数だけ互いに周波数が分離される２つの第１光信号を伝搬する第１アームと、
前記ミリ波周波数および無線周波数の和または差だけ互いに分離される２つの第２光信号を伝搬する第２アームとを備える光干渉計と、
前記２つの第１光信号および前記２つの第２光信号の周波数差を示す遅延ヘテロダイン信号を伝搬する光路とを備えることを特徴とする位相ノイズ分析器。
【請求項10】
前記遅延ヘテロダイン信号を生成および検出する感光素子およびミリ波振幅検出器をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の位相ノイズ分析器。
【請求項11】
２つの感光素子と、前記遅延ヘテロダイン信号を生成および検出する２つの感光素子およびミリ波振幅基本ミキサをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の位相ノイズ分析器。
【請求項12】
前記遅延ヘテロダイン信号を生成する感光素子およびヘテロダインテラヘルツ検出器をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の位相ノイズ分析器。
【請求項13】
ミリ波放射の位相ノイズを測定する位相ノイズ分析器であって、前記ミリ波放射によって駆動され、連続波レーザ信号を受信し、前記連続波レーザ信号に光側波帯を生成する光周波数変調器であって、前記光側波帯は、等しく離間している前記ミリ波放射だけ前記連続波レーザ信号から離間される光周波数変調器と、
光遅延線と、
前記光側波帯および前記ミリ波放射の間の周波数差間のヘテロダインビートを導出する感光素子およびミキサとを備える位相ノイズ分析器。
【請求項14】
ミリ波放射位相ノイズを分析するデュアルモードスペクトル分析器であって、前記ミリ波放射のミリ波周波数で変調される二光放射またはＣＷレーザ放射のいずれかから光入力を選択する光スイッチと、
請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の位相ノイズ分析器と、
周波数検出器と、
前記二光放射をフォトミキシングする感光素子と、
ミリ波電力検出器と、
ミリ波電圧検出器とを備えることを特徴とするデュアルモードスペクトル分析器。
【請求項15】
２つの光周波数のフォトミキシングから生成されるミリ波周波数およびテラヘルツ周波数をリアルタイムでカウントする方法であって、周波数および振幅変調器を使用して、前記２つの光周波数のそれぞれから空間的に重複するインターリービング電気光学コムを生成するステップと、
電子的にカウント可能な無線周波数で前記２つのインターリービングされたコム間の最低差周波数を分離するために、前記２つのインターリーブされたコムを光学的および電子的にフィルタリングするステップとを備える方法。
【請求項16】
位相ノイズが低減されたチップスケールミリ波ソースであって、前記ミリ波周波数に可変である繰り返し周波数または前記繰り返し周波数の整数倍を有するフォトニック集積周波数コムと、
前記繰り返し周波数および前記周波数コムのキャリアオフセット周波数を調整することによって、前記２つの光周波数の２つのコム歯を位相ロックする手段と、
前記２つの光周波数の位相ノイズに対して、結果として生じる前記ミリ波の位相ノイズを低減する手段とを備えることを特徴とするソース。
【請求項17】
前記２つの光周波数は、前記同じ安定周波数弁別器にロックされることを特徴とする請求項１６に記載のチップスケールミリ波ソース。
【請求項18】
前記ポンプの前記位相ノイズをフォトニック集積コムに低減する方法。
【請求項19】
前記ポンプの前記位相および前記コム形成によって誘発される追加のノイズを低減する方法。
【請求項20】
フォトニック集積コムの前記モードを基準共振器に位相ロックする方法。
【請求項21】
ソリトンレジームで動作するマイクロ共振器の前記繰り返し率に誘電体共振発振器の前記スペクトル純度を移す方法。
【請求項22】
ニオブ酸リチウム光共振器における誘導ブリルアン散乱によってチップスケールミリ波ソースに対して連続レーザの前記周波数ノイズを低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［優先権主張］
本出願は、２０２０年４月１３日に出願された米国仮出願第６３／００９，２９１号に対する優先権を主張し、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、概して、約３００ＧＨｚ～約１ＴＨｚの周波数範囲における可変ミリ波発振器に関し、より具体的には、マイクロ波クロックで使用するための位相ノイズ電力スペクトル密度の長期安定性を特徴付けるチップスケール実装および方法に関する。
本出願は、２０２０年４月１３日に出願された米国仮出願第６３／００９，２９１号に対する優先権を主張し、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、概して、約３００ＧＨｚ～約１ＴＨｚの周波数範囲における可変ミリ波発振器に関し、より具体的には、マイクロ波クロックで使用するための位相ノイズ電力スペクトル密度の長期安定性を特徴付けるチップスケール実装および方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ミリ波発振器を実装するための様々な手法が多くの研究によって提案されている。例えば、直接生成の最も一般的な技術は、ガンダイオード（Ｇｕｎｎ ｄｉｏｄｅ）発振器に依存する。ガンダイオード発振器は、２つの負にドープされた領域と、２つの負にドープされた領域の間にわずかに低い負にドープされた領域とを使用するタイプのダイオードであるガンダイオードの周囲に構築された発振器である。このダイオード構成は、ある閾値電圧を超える負性抵抗を提供し、転送電子デバイスとして振る舞う。負性抵抗では、不安定性および振動が容易に起こり得る。ガンダイオードは、非常に高い電子移動度および周波数応答を有する半導体材料を使用して作製することができ、テラヘルツ発振器は、この技術を使用して構築されている。例えば、ガリウムヒ素及び窒化ガリウム半導体材料は、ギガヘルツからテラヘルツの周波数範囲で動作するガンダイオードを作製するために一般に使用される。ガンダイオード発振器は、高周波で極めて高いエネルギー準位を生成できることが知られており、マイクロ波系、ミリ波系、テラヘルツ系に広く用いられている。
【0003】
マイクロ波増倍は、ミリ波発振器を実装するための他の例示的な手法であって、マイクロ波発振器の周波数は増倍され、約１０ＧＨｚまでの周波数を有する信号を放出する。概して、ステップリカバリダイオードおよび電気コム発生器に基づいて、マイクロ波信号は、高電力で増幅されることができ、ダイオードを飽和させ、ミリ波範囲までの周波数を伴う電気コムを生成することができる。しかし、マイクロ波発振器の位相雑音も増倍され、したがって、Ｎを周波数増倍指数としたとき、位相雑音は２０×ｌｏｇ（Ｎ）だけ増加する。
【0004】
ミリ波発振器を実現するための他の例示的な手法は、フォトミキシング（ｐｈｏｔｏｍｉｘｉｎｇ）（光整流としても知られている）であって、非線形光学媒体は、光が衝突され（例えば、フォトダイオードおよび／または光伝導体を使用して）、光は、所望のミリ波周波数（例えば、５ＴＨｚなどの数ＴＨｚまで）まで相互に分離される、少なくとも２つの光学周波数を有する。しかしながら、スペクトル的に純粋で安定した信号（例えばは、上述の２つの例示的アプローチを使用して得られるものに匹敵する）を生成するために、２つの光学線の位相ノイズは、望ましくは強く相関する。レーザ線ノイズは低い必要はないが、光検出器において一次に打ち消すためには、２つの光学線上の共通ノイズが部分的に同じであれば足りる。単一走行フォトダイオードは、１５５０ｎｍの光を用いて２ＴＨｚまでのテラヘルツ波を放射できるという意味で使用するのに有用である。このフォトミキシングアプローチの欠点は、低い放出電力であり、（例えば、８００ｎｍの光に対して）数ｍＷを直接生成することができる光伝導体とは対照的である。
【発明の概要】
【0005】
本明細書に記載のある実施形態は、ミリ波光信号を生成する方法を提供する。本方法は、二光ポンプソースの２つの周波数成分を位相ロックするステップを含む。本方法は、２つの周波数成分をファイバリングキャビティに入力し、ファイバリングキャビティから二光出力を生成するステップをさらに含む。本方法はさらに、ファイバリングキャビティの二光出力をフォトミキシングするステップを含む。
【0006】
本明細書に記載のある実施形態は、ミリ波放射の位相ノイズを測定するように構成された位相ノイズ分析器を提供する。位相ノイズ分析器は、第１アームおよび第２アームを備える光干渉計を備える。第１アームは、ミリ波周波数によって互いに周波数が分離された２つの第１光信号を伝搬するように構成される。第２アームは、ミリ波周波数と無線周波数との和または差によって周波数が互いに分離された２つの第２光信号を伝搬するように構成される。位相ノイズ分析器は、２つの第１光信号と２つの第２光信号の周波数差を示す遅延ヘテロダイン信号を伝搬するように構成された光路をさらに備える。
【0007】
本明細書に記載のある実施形態は、ミリ波放射の位相ノイズを測定するように構成された位相ノイズ分析器を提供する。位相ノイズ分析器は、ミリ波放射によって駆動され、連続波レーザ信号を受信し、連続波レーザ信号上に光側波帯を生成するように構成された光周波数変調器を備える。光側波帯は、ミリ波放射に等しい間隔だけ連続波レーザ信号から離間される。位相ノイズ分析器は、光遅延線をさらに備える。位相ノイズアナライザは、光伝導素子と、光側波帯とミリ波放射との間の周波数差間のホモダインビートを導出するように構成されたミキサとをさらに備える。
【0008】
本明細書に記載のある実施形態は、ミリ波放射位相ノイズを分析するように構成されたデュアルモードスペクトル分析器を提供する。デュアルモードスペクトル分析器は、ミリ波放射のミリ波周波数で変調される二光放射またはＣＷレーザ放射のいずれかから光入力を選択するように構成された光スイッチを備える。デュアルモードスペクトル分析器は、第１アームおよび第２アームを備える光干渉計を備える位相ノイズ分析器をさらに備える。第１アームは、ミリ波周波数によって互いに周波数が分離された２つの第１光信号を伝搬するように構成される。第２アームは、ミリ波周波数と無線周波数との和または差によって周波数が互いに分離された２つの第２光信号を伝搬するように構成される。位相ノイズ分析器は、２つの第１光信号と２つの第２光信号の周波数差を示す遅延ヘテロダイン信号を伝搬するように構成された光路をさらに備える。デュアルモードスペクトル分析器は、周波数検出器と、二光放射をフォトミキシングするように構成された感光性素子と、ミリ波電力検出器と、ミリ波電圧検出器とをさらに備える。
【0009】
本明細書に記載のある実施形態は、ミリ波放射位相ノイズを分析するように構成されたデュアルモードスペクトル分析器を提供する。デュアルモードスペクトル分析器は、ミリ波放射によって駆動され、連続波レーザ信号を受信し、連続波レーザ信号上に光側波帯を生成するように構成された光周波数変調器を備える。光側波帯は、ミリ波放射に等しい間隔だけ連続波レーザ信号から離間される。位相ノイズ分析器は、光遅延線をさらに備える。位相ノイズ分析器は、光伝導素子と、光側波帯とミリ波放射との間の周波数差間のホモダインビートを導出するように構成されたミキサとをさらに備える。デュアルモードスペクトルアナライザは、周波数検出器と、二光放射をフォトミキシングするように構成された感光性素子と、ミリ波電力検出器と、ミリ波電圧検出器とをさらに備える。
【0010】
本明細書に記載されるある実施形態は、２つの光周波数のフォトミキシングから生成されるミリ波周波数およびテラヘルツ周波数をリアルタイムで周波数カウントするための方法を提供する。本方法は、周波数および振幅変調器を使用して、２つの光周波数のそれぞれから空間的に重複するインターリービング電気光学コムを生成するステップを含む。本方法はさらに、電子的にカウント可能な無線周波数で２つのインターリーブされたコム間の最低周波数差を隔離するために、２つのインターリーブされたコムの光学的および電子的フィルタリングを含む。
【0011】
本明細書に記載のある実施形態は、位相ノイズが低減されたチップスケールミリ波ソースを提供する。ソースは、ミリ波周波数で可変な繰返し周波数または繰返し周波数の倍数を有するフォトニック集積周波数コムを含む。ソースは、周波数コムの繰り返し周波数およびキャリアオフセット周波数を調整することによって、２つのコム歯を２つの光周波数に位相ロックするための手段をさらに備える。ソースは、２つの光周波数の位相ノイズに対して、結果として生じるミリ波の位相ノイズを低減するための手段をさらに備える。
【0012】
本明細書に記載されるある実施形態は、数百ＧＨｚの周波数差を有する２つの位相ロック連続波レーザと、誘導ブリルアン散乱を有するファイバリングキャビティを含むゲイン要素と、ファイバリングキャビティのモードホッピングを排除するように構成される２つの光位相ロックループと、２つの光線路を周波数分離して受光し、ミリ波アンテナを介して導波または放射される２つの光線路の周波数差に等しい周波数を有するミリ波信号を生成するように構成される感光素子とを備えるミリ波信号発生器を提供する。
【0013】
本明細書に記載のある実施形態は、光ファイバ遅延線および光学的に生成されるミリ波周波数シフタに基づく音響光学変調器に基づく干渉計と、ミリ波アンテナを介して導波または放射される２つの光学線の周波数差に等しい周波数を有するミリ波信号を生成する２つの光線路を周波数分離して受信するように構成された２つの感光素子と、非ゼロ周波数差を有する２つのミリ波信号からＲＦ領域における中間周波数を生成するように構成されたミリ波基本周波数ミキサとを備えるミリ波位相ノイズ分析器を提供する。
【0014】
本明細書に記載のある実施形態は、光ファイバ遅延線および光学的に生成されるミリ波周波数シフタに基づく音響光学変調器に基づく干渉計と、ミリ波アンテナを介して導波または放射される２つの光路線間の周波数差に等しい周波数を有するミリ波信号を生成するために、周波数分離を有する２つの光線路を受信するように構成される１つの感光素子と、ミリ波振幅検出器とを備えるミリ波位相ノイズ分析器を提供する。
【0015】
本明細書に記載のある実施形態は、カスケード接続された電気光学位相および／または振幅変調器をダイビングするマイクロ波電圧制御発振器と、光学バンドパスフィルタと、光電子位相ロックループとを備えるミリ波周波数カウンタを提供する。
【0016】
本明細書に記載のある実施形態は、連続波ポンプレーザと、音響光学ベース光干渉計と、ファイバリングキャビティと、ファイバリングキャビティの安定性を搬送するヘテロダイン信号を生成するように構成される感光素子と、位相ロックループとを備えるファイバリングキャビティへのマイクロ波源の安定性伝達のための位相ロックアーキテクチャを提供する；
【0017】
本明細書に記載されるある実施形態は、ミリ波周波数カウンタと、ミリ波振幅検出器と、ミリ波電力計と、ミリ波位相ノイズ分析器と、データ処理ユニットとを備えるミリ波電気スペクトル分析器を提供する。
【0018】
本明細書に記載されるある実施形態は、２つの連続波レーザと、連続波レーザの安定化のための光学基準となるように構成された１つの高品質係数（ｈｉｇｈＱ）微小共振器と、２つのＰＤＨ（Ｐｏｕｎｄ－Ｄｒｅｖｅｒ－Ｈａｌｌ）ロッキングスキームと、１つの組合せ光学変調器と、高繰返し率（例えば、数ＧＨｚ）を有する１つのマイクロ共振器ベースの光周波数コムと、光パルス列をミリ波信号に変換するように構成された感光素子とを備えるミリ波発振器のチップスケール実装を提供する。
【0019】
本明細書に記載されるある実施形態は、微小共振器ベースのソリトン（Ｓｏｌｉｔｏｎ）光周波数コム、カー（Ｋｅｒｒ）光周波数コム、または変調不安定光周波数コムの光線幅低減のための機構を提供する。ポンプレーザ周波数ノイズは、セルフヘテロダイン干渉計を用いて補償される。
【0020】
本明細書で説明されるある実施形態は、光周波数マイクロコムを生成するために共振器内の高電力によって誘発される熱ノイズを克服する、非常に低い光電力での低温条件において利用されるマイクロ共振器の共振に対して光周波数マイクロコムのコムモードを安定させるように構成される物理的機構を提供する。
【0021】
本明細書で説明されるある実施形態は、ソリトンレジームで動作して、微小共振器の繰り返し率を光検出することによってミリ波信号を生成する微小共振器を提供する。繰返し率は、ソリトンマイクロコームからの２つの光路線から生成される２つの電気光学周波数コムの交互配置間の光検出に基づく光電子ダウンコンバージョン方式によって誘電体共振発振器に安定化される。
【0022】
本明細書に記載のある実施形態は、ｈｉｇｈ－Ｑニオブ酸リチウム（ＬＮ）光共振器における誘導ブリルアン散乱による連続波レーザの光線幅低減（例えば、周波数ノイズ低減）のメカニズムを提供する。共振器は、シリカまたは空気上部および下部クラッドを有するリブ導波路またはストライプ導波路に基づく。
【0023】
前述の概要ならびに以下の図面および詳細な説明は、非限定的な例を説明することを意図しており、本開示を限定することを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】図１は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、ブリルアンファイバリングキャビティ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｉｂｅｒ－ｒｉｎｇ ｃａｖｉｔｙ）のコヒーレントポンピングおよび２つのストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）波のミリ波信号生成を概略的に示す。
【図2A】図２Ａは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、感光素子に衝突する２つのストークス波の単一モード発振のための、ファイバリングキャビティのコヒーレントポンピングおよびそれと関連付けられるモードホッピング抑制に基づく、例示的ミリ波発振器を概略的に示す。
【図2B】以前に開示されたミリ波発振器のＰＳＤと比較した、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、図２Ａの例示的ミリ波発振器（ＩＭＲＡ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ（２０１９）とラベルされる）の位相雑音（ｄＢｃ／Ｈｚ）の測定された電力スペクトル密度（ＰＳＤ）対フーリエ周波数（Ｈｚ）のプロットである。
【図2C】図２Ｃは、標準温度および圧力で動作する以前に開示された小型ミリ波発振器と比較した、本明細書に説明されるいくつかの実施形態による、図２Ａの例示的ミリ波発振器（ＩＭＲＡ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ（３００ＧＨｚ）とラベルされる）の部分周波数不安定性対平均時間（ｓ）のプロットである。
【図3A】図３Ａは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、感光要素に衝突する２つのストークス波を生成するブリルアンベースのファイバリングキャビティによってスペクトル的に精製されるマイクロ波ソースの電気光学乗算に基づく、例示的ミリ波発振器を概略的に示す。
【図3B】図３Ｂは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、スペクトルフィルタリングおよび増幅の前後の、図３Ａの例示的なミリ波発振器によって生成される電気光学周波数コムの光電力（ｄＢ）対波長（ｎｍ）のプロットである。
【図4B】図４Ｂは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、位相ロックを伴わない例示的ミリ波発振器（ＩＭＲＡ２０１９とラベルされる）および本明細書で説明されるある実施形態による、ブリルアン発振器をルビジウム（Ｒｂ）クロックに位相ロックする例示的ミリ波発振器（Ｒｂクロックにロックされるとラベルされる）のフーリエ周波数（Ｈｚ）に対する位相ノイズの電力スペクトル密度（ＰＳＤ）（ｄＢｃ／Ｈｚ）のプロットである。
【図5A】図５Ａは、マイクロ波基準に対するファイバリングキャビティの安定化と、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、単一周波数レーザ発生器を実装するための偏波ハンドリングのための例示的構成を概略的に示す。
【図5B】図５Ｂは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態によって使用される単一のループ外連続波レーザとして動作する図５Ａの例示的な構成のフーリエ周波数（Ｈｚ）に対する位相ノイズ（ｄＢｃ／Ｈｚ）の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）のプロットである。
【図6A】図６Ａは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、セルフヘテロダイン干渉計に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器と、ミリ波振幅検出器に結合された感光素子に基づくダウンコンバージョン機構とを概略的に示す。
【図7A】図７Ａは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、セルフヘテロダイン干渉計に基づく例示的なミリメートル波位相ノイズ分析器と、ミリメートル波基本周波数ミキサに結合された２つの感光素子に基づくダウンコンバージョン機構とを概略的に示す。
【図8】図８は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、ミリ波光変換器、セルフヘテロダイン干渉計、およびミリメートル波基本周波数ミキサに結合された２つの感光要素に基づくダウンコンバージョン機構に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器を概略的に示す。
【図9】図９は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、ミリ波光変換器、セルフホモダイン干渉計、およびミリ波基本周波数ミキサに結合された１つの感光要素に基づくダウンコンバージョン機構に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器を概略的に示す。
【図10】図１０は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、セルフホモダイン干渉計に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器と、ミリ波ヘテロダイン検出器に結合される１つの感光素子に基づくダウンコンバージョン機構とを概略的に示す。
【図13】図１３は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、感光素子に衝突するパルス列を有する光周波数マイクロコムによるミリ波信号への２つの連続波レーザの周波数差の光周波数分割に基づく超低ノイズミリ波発振器の例示的なチップスケール実装を概略的に示す。
【図14B】図１４Ｂは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、補償セットアップがオンおよびオフであるときの図１４Ａの例示的な実装についてのループ内信号の周波数ノイズ（Ｈｚ２／Ｈｚ）対オフセット周波数（Ｈｚ）のプロットである。
【図14C】図１４Ｃは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、補償セットアップがオンおよびオフであるときの図１４Ａの例示的な実装についてのループ外信号の周波数ノイズ（Ｈｚ２／Ｈｚ）対オフセット周波数（Ｈｚ）のプロットである。
【図14D】図１４Ｄは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、光周波数マイクロコムのいくつかのモード番号について補償セットアップがオンであるときの、図１４Ａの例示的な実装についてのループ外信号の周波数（ＴＨｚ）に対する周波数ノイズ（Ｈｚ２／Ｈｚ）のプロットである。
【図15A】図１５Ａは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、内部セルフヘテロダイン干渉計を通じたポンプレーザのノイズ補償に基づく光周波数マイクロコムのノイズ低減の例示的なチップスケール実装を概略的に示す。
【0025】
【図17】図１７は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、コールドマイクロ共振器の共振に対する２つのマイクロコムモードの安定化に基づく光周波数マイクロコムのノイズ低減の例示的なチップスケール実装を概略的に示す。
【図18A】図１８Ａは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、ソリトンレジームにおいて誘電体共振発振器のスペクトル純度をマイクロ共振器の繰り返し率に忠実に移すための例示的な安定化スキームを使用する例示的なミリ波発振器（例えば、チップスケール）を概略的に示す。
【図18B】図１８Ｂは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、３００ＧＨｚでマイクロコンを用いて生成された図１８Ａの例示的なミリ波発振器の位相ノイズ（ｄＢｃ／Ｈｚ）の測定された電力スペクトル密度（ＰＳＤ）対フーリエ周波数（Ｈｚ）のプロットである。
【0026】
図面は、例示の目的で本開示の様々な実施形態を示し、限定することを意図しない。実施可能な場合はいつでも、同様のまたは類似の参照番号または参照ラベルが図面で使用されてもよく、同様のまたは類似の機能を示し得る。
【発明を実施するための形態】
【0027】
図１は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、ファイバリングキャビティ（例えば、ブリルアンファイバリングキャビティ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｉｂｅｒ－ｒｉｎｇ ｃａｖｉｔｙ）のコヒーレントポンピングおよび２つのストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）波のミリ波信号生成を概略的に示す。例えば、ポンプソース（例えば二光ポンプソース）は、第１周波数を有する第１非共振ポンプ信号１１０と、第１周波数とは異なる（例えば、第１周波数から数ＧＨｚだけ離れた）第２周波数を有する第２非共振ポンプ信号１２０とを生成するように構成され得る。フリースペクトル範囲（ＦＳＲ）によって互いに間隔をあけられた複数のコムラインを備えるダウンコンバータとして機能する電気光学コム１３０を使用して、第１および第２ポンプ信号１１０、１２０を周波数１ＧＨｚ未満のマイクロ波信号にオフセットロックすることができる。ファイバリングキャビティ（不図示）は、ファイバリングキャビティと共振しないが、対応する位相コヒーレントポンプ信号１１０、１２０から（例えば、約１１ＧＨｚだけ）スペクトル的に分離される対応するブリルアン散乱ゲイン信号１１２、１２２を生成するように構成される、２つの位相コヒーレントポンプ信号１１０、１２０を受信するように構成されることができる。２つのストークス波１１２、１２２は、ファイバリングキャビティ内で共振することができ、２つのストークス波１１２、１２２は、互いにスペクトル的に分離される（例えば、２つのポンプ信号１１０、１２０が互いに分離されるのと同じ量だけ）。
【0028】
いくつかの実施形態では、ファイバリングキャビティは、品質係数が１０６を超えるように充分に長い。いくつかの実施形態では、ファイバリングキャビティの長さは、ファイバリングキャビティと共振せず、ファイバリングキャビティ内でブリルアン散乱を生成する、ポンプ波の光電力が、縮退４波混合（例えば、光電力は３００ｍＷ未満である）を回避するように充分に低くなるように充分に長い。特定の実施形態では、ファイバリングキャビティの長さは、ファイバリングキャビティのフリースペクトル範囲が１ＭＨｚを超えるように充分に短い。例えば、ファイバリングキャビティの光ファイバは、５０メートルから１５０メートルの範囲の長さを有することができる。加えて、ストークス波１１２、１２２の位相ノイズは、音響減衰とキャビティフィードバックとの組み合わせの影響下で強く低減され得る。ブリルアンレージングプロセスにおける反転分布はなく、自発的な散乱は、自発的な放射ではなく、ストークス放射の単光性の程度を制限する。ストークス波のモノモード振動の場合、いくつかの実施形態は、ファイバリングキャビティの１つのモードのみでファイバリングキャビティを振動させるように構成された追加の位相ロックループ（ＰＬＬ）を含む。ストークス波とそのそれぞれのポンプ信号との間の周波数差（いわゆるブリルアンシフトに対応する）は、ブリルアンシフトに等しい周波数を有するマイクロ波発振器に位相ロックされる。特定の実施形態では、エラー信号は、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを通して、ポンプソースの周波数変調（例えば、レーザ電流を変調することによるか、または外部音響光学変調器を使用することによって）に印加される。
【0029】
図２Ａは、本明細書で説明される特定の実施形態による、感光素子に衝突する２つのストークス波の単一モード発振のための、ファイバリングキャビティ２１０のコヒーレントポンピングおよびそれと関連付けられるモードホッピング抑制に基づく、例示的なミリ波発振器２００を概略的に示す。特定の実施形態では、例示的なミリ波発振器２００は、ファイバ増幅器２０２（例えば、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ））と、その中に誘導ブリルアン散乱を有するように構成された偏光維持ファイバ２１２（例えば、７５ｍの長さを有する）を備えるファイバリングキャビティ２１０（ファイバリングキャビティとラベルされる）とを備える。ポンプレーザはファイバリングキャビティ２１０に対して共振しないが、後方散乱光（例えば、ストークス波）はファイバリングキャビティ２１０に対して共振し、ミリ波発振器２００の動作状態にかかわらず、光は常に出力に存在する。
【0030】
いくつかの実施形態では、図２Ａによって概略的に示されるように、例示的なミリ波発振器２００は、デュアルポンプソース２２０（デュアルポンプとラベルされる）を備える。デュアルポンプソース２２０が固定方式に基づく特定の実施形態では、デュアルポンプソース２２０は、図２Ａに概略的に示すように、２相コヒーレント連続波（ＣＷ）レーザ２２２ａ、ｂ（例えば、Ｒｅｄｆｅｒｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ（カリフォルニア州サンタクララ））から入手可能）を備えることができ、２つのレーザ２２２ａ、ｂは、周波数が互いに（例えば、３００ＧＨｚだけ）隔てられている。他のいくつかの実施形態では、デュアルポンプソース２２０は、１つの波長固定レーザおよび１つの可変レーザを備えることができる。いくつかの実施形態では、デュアルポンプソース２２０の２つのレーザ２２２ａ、ｂの出力は、ファイバカプラと一緒に結合される。
【0031】
いくつかの実施形態では、図２Ａによって概略的に示されるように、例示的なミリ波発振器２００は、デュアルポンプソースから出力の一部を受信するように構成されるファイバ増幅器２３２（例えば、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ））と、位相シフタ（φ）２３６の対応するペアおよび誘電体共振発振器（ＤＲＯ）２３８（例えば、約１０ＧＨｚ）によって制御される２つのカスケード光位相変調器（ＰＭ）２３４と、ファイバ増幅器２３２からの出力を受信するように構成された２つの位相変調器２３４と、位相変調器２３４からの位相変調出力を受信するように構成された光バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ）２４２と、フィルタリングされた信号を受信し、デュアルポンプソース２２０に信号を提供するように構成される比例積分微分コントローラ（ＰＩＤ）２４４とを備える光電子位相ロックループ２３０（コヒーレントポンピングのためのＯＥＰＥＬＬとラベルされる）をさらに備える。いくつかの実施形態では、ポンプ信号は、図２Ａに示されるように、ＯＥＰＬＬ２３０を通して振動するストークス波を生成する。デュアルレーザソース２２０の２つのレーザ２２２ａ、ｂのノイズを相関させるいくつかの実施形態では、光電子位相ロックループ２３０は、ダウンコンバージョンを使用して、ＯＥＰＬＬ２３０のフィードバック帯域幅内で２つのポンプレーザ２２２ａ、ｂのノイズを相関させるように構成される（例えば、Ａ．Ｒｏｌｌａｎｄ、Ｇ．Ｌｏａｓ、Ｍ．Ｂｒｕｎｅｌ、Ｌ．Ｆｒｅｉｎ、Ｍ Ｖａｌｌｅｔ、Ｍ．Ａｌｏｕｉｎｉの「Ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｆｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｏ－ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅｓ： ｔｏｗａｒｄｓ ａ ｎａｒｒｏｗ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ ＴＨｚ ｓｏｕｒｃｅ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， １９， １７９４４－１７９５０ （２０１２）参照」）。
【0032】
いくつかの実施形態では、図２Ａによって概略的に示されるように、例示的なミリ波発振器２００は、ファイバリングキャビティ２１０の長さに起因するモードホッピングを抑制するように構成されるモードホッピング抑制光学回路２５０（モードホッピング抑制とラベルされる）をさらに備える。いくつかの実施形態では、モードホッピング抑制光学回路２５０は、ペアの音響光学（ＡＯ）変調器２５２ａ、ｂを備え、それぞれの変調器は、デュアルポンプソース２２０のそれぞれのレーザから出力信号の一部を受信し、出力信号をファイバリングキャビティ２１０に提供するように構成される。モードホッピング抑制回路の周波数は、ＡＯ変調器２５２ａ、ｂの周波数シフトされた光出力のピックオフを、フォトダイオード２５４ａ、ｂ上のファイバリングキャビティ２１０の光出力からのピックオフと混合する。ＡＯ変調器２５２ａ、ｂの光出力とその生成されたブリルアン放射との間の周波数差は、ｆＢ±ＦＳＲの値に及ぶことができ、ここでｆＢはブリルアンシフトであり、ＦＳＲはファイバリングキャビティ２１０のフリースペクトル範囲である。周波数差がｆＢ＋ＦＳＲまたはｆＢ－ＦＳＲのいずれかに近づくと、ブリルアン出力はモードホップする傾向があり、逆に、周波数差がｆＢに近い場合、ブリルアン出力はモードホップしない。したがって、光周波数差は、ＰＩＤ回路２５６ａ、ｂを使用してｆＢに対応する外部ｒｆ周波数ソースにロックされ、ＰＩＤ回路２５６ａ、ｂは、ＡＯ変調器２５２ａ、ｂによって誘起される周波数シフトを調整して、所望の周波数差を維持する。
【0033】
いくつかの実施形態では、図２Ａによって概略的に示されるように、例示的なミリ波発振器２００はさらに、２つのストークス波１１２、１２２（例えば、２５０～４００ＧＨｚで可変である）をミリ波領域にダウンコンバートするように構成されるフォトダイオード２６０（例えば、ＵＴＣフォトダイオード）（光検出ｍｍＷ生成とラベルされる）を備える。フォトダイオード２６０は、ダウンコンバートされた信号を導波路（例えば、自由空間においてダウンコンバートされた信号を放射するアンテナがない）に放射するように構成される。
【0034】
図２Ｂは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、図２Ａの例示的なミリ波発振器（ＩＭＲＡブリルアン（２０１９）とラベルされる）の位相ノイズ（ｄＢｃ／Ｈｚ）の測定された電力スペクトル密度（ＰＳＤ）対フーリエ周波数（Ｈｚ）のプロットである。位相ノイズの測定されたＰＳＤは、１００Ｈｚフーリエ周波数で－６５ｄＢｃ／Ｈｚであり、１ＭＨｚで－１４０ｄＢｃ／Ｈｚまで低下する。図２Ｂは、米国特許出願公開第２０１９／０２３５４４５号Ａ１（ＭＩＴ ＣＭＯＳソースとラベルされる）、ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３６４／ＯＥ．２７．０３５２５７（ＮＰＬマイクロコームソースとラベルされる）、Ｎ５１９４Ａ ＵＸＧ Ｘ－Ｓｅｒｉｅｓ Ａｇｉｌｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ａｄａｐｔｅｒ（Ｋｅｙｓｉｇｈｔシンセサイザーとラベルされる）、ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３６４／ＯＬ．４４．０００３５９（ＩＭＲＡブリルアン（２０１８）とラベルされる）によって以前に開示された様々な他のミリ波発振器について報告された位相ノイズのＰＳＤを示す。図２Ｂは、図２Ａの例示的なミリ波発振器の位相ノイズの測定値ＰＳＤが、先に開示されたミリ波発振器のものよりもほぼ４桁低いことを示す。
【0035】
図２Ｃは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、図２Ａの例示的なミリ波発振器（ＩＭＲＡブリルアン（３００ＧＨｚ）とラベルされる）の平均化時間（ｓ）に対する分数周波数不安定性のプロットである。アクリルチャンバー内の粗真空下であって、３００ＧＨｚにおける図２Ａの例示的なミリ波発振器は、１秒の平均化時間で６×１０－１４に達し、ドリフトに起因して、より高い平均化時間で約１×１０－１３に平均化する。図２Ｃはまた、Ｂｒａｎｄｙｗｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｔｕｓｔｉｎ ＣＡから入手可能なＯＳＡ－８６０７ Ｂｏｉｔｉｅｒ Ｖｉｅｉｌｌｉｓｓｅｍｅｎｔ Ａｍｅｌｉｏｒｅ（ＢＶＡ）発振器とラベルされる）、オースチンＴＸのＷｅｎｚｅｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＨＦ－ＵＬＮオーブン制御水晶発振器（ＯＣＸＯとラベルされる）、ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０６３／１．２０３９３８７によって開示されるウィスパリングギャラリー（ＷＧ）発振器（ＷＧサファイアとラベルされる）の様々な他のミリ波発振器（標準温度および標準圧力で動作する）について報告された部分周波数不安定性を示す。図２Ｃは、図２Ａの例示的ミリ波発振器の不安定性のレベルが、標準温度および圧力で動作する他の小型発振器の不安定性と競合することを示す。
【0036】
図３Ａは、本明細書で説明されるある実施形態による、感光性素子３６０に衝突する２つのストークス波を生成する、ファイバリングキャビティ３１０（例えば、ブリルアンベースのファイバリングキャビティ）によってスペクトル的に精製されるマイクロ波ソースの電気光学乗算に基づく、例示的なミリ波発振器３００を概略的に示す。図３Ａの例示的なミリ波発振器３００は、２つの位相シフタ３３２（φ）によって駆動される２つのカスケード式電気光学位相変調器３３０（ＰＭ）によって位相変調される単一のＣＷポンプレーザ３２０（例えば、Ｒｅｄｆｅｒｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ｏｆ カリフォルニア州サンタクララから入手可能である）と、誘電体共振発振器３３４（ＤＲＯ）（例えば、約１０ＧＨｚ）とを備える。ある実施形態では、図３Ａの例示的なミリ波発振器３００は、ポンプ信号の両側に光学側波帯を生成するように構成される。図３Ａに概略的に示すように、例示的なミリ波発振器３００は、２つの側波帯をスペクトル的にフィルタリングし、スペクトル的にフィルタリングされた側波帯ポンプ信号をファイバリングキャビティ３１０に提供するように構成された２つの別個の光バンドパスフィルタ３４０（ＯＢＰＦ）をさらに備える。ＯＢＰＦ３４０の周波数差は、ユーザによって選択され得る。ファイバリングキャビティ３１０は、側波帯ポンプ信号に応答してストークス波を生成するように構成される。ある実施形態の例示的なミリ波発振器３００は、ＤＲＯ３３４を、ファイバリングキャビティ３１０によってスペクトル的に精製されたミリ波領域に乗算するように構成される。
【0037】
図３Ｂは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、スペクトルフィルタリングおよび増幅の前および後の、図３Ａの例示的なミリ波発振器３００によって生成された電気光学周波数コムの光電力（ｄＢ）対波長（ｎｍ）のプロットである。スペクトルフィルタリングおよび増幅前の光電力は、図３Ａにおいて、明線によって示され、ほぼ５ｎｍにわたり、スペクトルフィルタリングおよび増幅後の光電力スペクトルは、図３Ｂにおいて、暗線によって示され、２つのＯＢＰＦ３４０OおよびＥＤＦＡを通して選択される２つの光モードを示す。２つの光学モードの信号対ノイズ比は、５０ｄＢよりも大きく、これらの２つの光学モードは、本質的に位相コヒーレントであり、図３Ａに示されるように、ファイバリングキャビティを励起するために使用することができる。
【0038】
図４Ａは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、マイクロ波基準に対するファイバリングキャビティ４１０の安定化（例えば、位相ロック）のための例示的な構成４００を概略的に示す。図４Ａの構成４００は、標準圧力および温度動作においてロバストなブリルアンソースとして有用であり得る。図４Ａによって概略的に図示されるように、レーザポンプ４２０は、音響光学（ＡＯ）変調器４３４を備える第１アーム４３２と、第２アーム４３６とを備える干渉計４３０を通してポンプ信号を送る。干渉計４３０の出力は、ＡＯ変調器４３４を駆動する周波数によって分離された２つの光波長を含む光信号を含み、本質的にファイバリングキャビティ４１０のコヒーレントポンピングである。２つのストークス生成信号間のビートノートは、ファイバリングキャビティ４１０のノイズを搬送し、２つの振動モードは、数十ＭＨｚだけ互いに周波数が分離される。ある実施形態では、ビートノートは、ＡＯ変調器４３４を駆動する同じ信号にキャビティ共振に対応する周波数オフセットを加えたものを用いてＤＣにダウンコンバートすることができ、エラー信号を生成することができる。ＰＩＤコントローラ４５０を通して、このエラー信号をポンプレーザ４２０のポンプ電流（例えば、サーモロッキング効果による）に適用することができる。図４の例示的な構成４００は、ファイバリングキャビティ４１０を安定させるために使用することができるが、例示的な構成４００から単一のレーザを抽出することは困難であり得る。
【0039】
図４Ｂは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、位相ロックなし（ＩＭＲＡ２０１９とラベルされる）およびルビジウム（Ｒｂ）クロックへのブリルアン発振器の位相ロックあり（Ｒｂクロックへのロックとラベルされる）の例示的なミリ波発振器の位相ノイズ（ｄＢｃ／Ｈｚ）（例えば、ループ内位相ロックエラー）の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）対フーリエ周波数（Ｈｚ）のプロットである。エラー信号をポンプＣＷレーザにフィードバックすることによって、サーモロック効果によるファイバリングキャビティのループ内位相ロックがＲｂクロックに安定する。ある実施形態では、約６００Ｈｚのフィードバックループ帯域幅が、ブリルアン振動の高いスペクトル純度を妨害しないように使用されることができる。
【0040】
図５Ａは、マイクロ波基準に対するファイバリングキャビティ５１０の安定化のための例示的な構成５００と、本明細書に記載される特定の実施形態による単一周波数レーザ発生器を実装するための偏波処理とを概略的に示している。図５Ａの左上の楕円５２０では、（例えば、ソース５０２からの）単一光のＣＷ光は、６０／４０ビームスプリッタ５２２を介して分割され、下部アームの周波数上の成分は、（例えば、ＡＯ変調器５２４によって）ｒｆ周波数だけシフトされ、上部アームでは、チェインされないままである。２つの周波数成分は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５２６を介して再結合され、２つの周波数成分は、ファイバ内で直交する偏光軸上で伝送される。図５Ａの右上の楕円５３０において、２つの直交偏光光周波数は、ＡＯＭ周波数によって分離された直交偏光ストークス放射を生成するために、ファイバリングキャビティ５１０をポンピングする。ジルコン酸タンタル酸鉛（ＰＺＴ）トランスデューサ５３２は、ファイバキャビティ５１０の長さを調整する。９５／５ビームスプリッタ５３４は、反時計回りに伝搬するブリルアン光を外部結合する。図５Ａの下の楕円５４０において、ＰＢＳ５４２は、２つのストークス周波数を分離するために使用される。図５Ａの残りの楕円５５０では、ＰＢＳ５５２を使用して２つのストークス成分を単一の偏光成分に折り畳み、周波数差のヘテロダイン検出を可能にする。次いで、この周波数差は、ＰＺＴトランスデューサ５３２の作動を介してファイバリングキャビティ５１０の長さを変更することによって、またはソースレーザ（ＲＩＯ）周波数を変更することによって、ＡＯＭのｒｆ駆動にロックされる。ある実施形態では、２つのポンプ信号は、直交偏光され、２つのストークス波は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）によって、相互から分離され、空間的に分割される。ファイバの複屈折は、追加のノイズ脱相関をもたらし得る。ある実施形態では、単一波長は、ファイバリングキャビティ５１０の品質係数に依存するスペクトル純度および安定化に使用されるマイクロ波基準の安定性に匹敵する長期安定性を有する単一波長発生器として使用することができ、図５Ａの例示的構成５００から抽出することができる。
【0041】
図５Ｂは、本明細書に記載のある実施形態に従って使用される単一のループ外連続波レーザとして動作する図５Ａの例示的な構成５００の位相ノイズの電力スペクトル密度（ＰＳＤ）（ｄＢｃ／Ｈｚ）対フーリエ周波数（Ｈｚ）のプロットである。２５メートル長のファイバリングキャビティを有するループ外ｃｗレーザ（２５ｍ ＳＰＴとラベルされる）の光位相ノイズは、７５メートル長のファイバリングキャビティを有するループ外ｃｗレーザ（７５ｍ ５０ｍＴｏｒｒ，温度安定化とラベルされる）の光位相ノイズよりも高い。しかし、ホワイト位相ノイズフロアは－１２０ｄＢｃ／Ｈｚである。
【0042】
図６Ａは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、セルフヘテロダイン干渉計６１０に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器６００と、ミリ波振幅検出器に結合された感光性素子に基づくダウンコンバージョン機構とを概略的に示している。ある実施形態では、図６Ａの例示的な位相ノイズ分析器６００は、フォトニック生成ミリ波信号の位相ノイズの電力スペクトル密度（ＰＳＤ）を検出、測定、および較正するように構成される。例示的な位相ノイズ分析器６００は、ミリ波周波数に対応する周波数差によって互いに周波数が分離された２つの光波長を有する入力光信号６０２を受信するように構成されたセルフヘテロダイン干渉計６１０を備える。干渉計６１０の第１アーム６１２ａ（例えば、図６Ａの上側のアーム）は、光信号を２つのサブアームに分割することによって入力周波数差を周波数シフトするように構成される。第１サブアーム６１４ａ（例えば、図６Ａの下部のサブアーム）は、１つの波長をスペクトル的にフィルタリングし、第２サブアーム６１４ｂ（例えば、図６Ａの上部のサブアーム）は、ｆＡＯ１で駆動される音響光学変調器（ＡＯ１）６１６を通して他の波長をスペクトル的にフィルタリングし、周波数シフトする。両方の波長は、次いで、ｆＡＯ１だけシフトされたそれらの周波数差で再結合される。干渉計６１０の第２アーム６１２ｂ（例えば、図６Ａの下部のアーム）は、第１アーム６１２ａの波長と干渉しないようにｆＡＯ２で駆動される音響光学変調器（ＡＯ２）６１８で入力光信号６０２を周波数シフトするように構成され、周波数シフトされた２つの波長光信号を遅延τだけ遅延させるように構成されたファイバ遅延線６２２を備える。
【0043】
例示的な位相ノイズ分析器６００は、第１および第２アーム６１２ａ、ｂから４つの光線を受け取るように構成された感光性素子６３０（例えば、ＵＴＣ－ＰＤ）をさらに備える。
ここで、４つのミリ波信号を生成する。
【数1】
【数2】
【0044】
例示的な位相ノイズ分析器６００は、４つのミリ波信号を受信するように構成されたミリ波振幅検出器６４０（例えば、シングルバリアダイオード（ＳＢＤ）またはＳｃｈｏｔｔｋｙダイオード）をさらに備える。ローパスフィルタとして作用すると、検出された関心ビートノートは、以下のようになる：
そして、ｆＡＯ１が搬送する位相ノイズは、次式によって変調される。
これは、関心のある位相ノイズである。したがって、ミリ波振幅検出器６００の出力で検出される無線周波数は、被測定ミリ波発振器の位相ノイズを含む。
【数3】
【数4】
【0045】
図６Ｂは、図６Ａの例示的なミリ波位相ノイズ分析器６００を使用して３００ＧＨｚで測定されたミリ波位相ノイズの電力スペクトル密度（ＰＳＤ）（ｄＢｃ／Ｈｚ）フーリエ周波数（Ｈｚ）のプロットである。図６Ｂは、図６Ａの例示的な位相ノイズ分析器の基本的な限界を示す。ミリ波振幅検出器におけるノイズ等価電力は０／ｆ２ｄＢｃ／Ｈｚの限界がある。
【0046】
図７Ａは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、セルフヘテロダイン干渉計７１０に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器７００と、ミリ波基本周波数ミキサ７５０に結合された２つの感光素子７４０ａ、ｂに基づくダウンコンバージョン機構とを概略的に示している。セルフヘテロダイン干渉計７１０は、ミリ波周波数に対応する周波数差によって互いに周波数が分離された２つの光波長を有する入力光信号７０２を受信し、第１アーム７１２ａ（例えば、図７Ａの上部）に周波数シフト干渉計７２０を備え、第２アーム７１２（例えば、図７Ａの下部のアーム）にファイバ遅延線７３０を備える。図７Ａの例示的な位相ノイズ分析器７００は、第１アーム７１２ａの周波数シフト干渉計の出力を受信するように構成された第１感光素子７４０ａと、第２アーム７１２ｂのファイバ遅延線７３０の出力を受信するように構成された第２感光素子７４０ｂと、第１および第２の感光素子７４０ａ、ｂの出力を受信するように構成された基本ミリ波周波数ミキサ７５０とをさらに備える。第１および第２感光素子７４０ａ、ｂならびに基本ミリ波周波数ミキサ７５０は、光信号をベースバンドにダウンコンバートするように構成される。
【0047】
図７Ｂは、図７Ａの例示的なミリ波位相ノイズ分析器７００を使用して３００ＧＨｚで測定された、図２Ａの例示的なミリ波発振器２００のミリ波位相ノイズ（ｄＢｃ／Ｈｚ）対フーリエ周波数（Ｈｚ）の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）のプロットである。位相ノイズ（３００ＧＨｚ位相ノイズとラベルされる）は、高フーリエ周波数において、図２Ａの例示的なミリ波発振器２００がブリルアンレーザの光位相ノイズ（ブリルアン光位相ノイズとラベルされる）に従うことを示す。
【0048】
図８は、ミリ波－光学変換器に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器８００と、セルフヘテロダイン干渉計７１０と、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、ミリ波基本周波数ミキサ７５０に結合された２つの感光素子７４０ａ、ｂに基づくダウンコンバージョン機構とを概略的に示している。図６Ａおよび図７Ａの例示的なミリ波位相ノイズ分析器６００、７００は、例示的なミリ波発振器がフォトニックに生成され、２つの光波長を含むときに使用するために構成される。例示的なミリ波発振器８０２が電気信号のみを提供するある実施形態では、図８に概略的に示すように、電気光変換素子を使用することができる。例えば、シリコンプラズモン電気光学変調器８０４は、図８の例示的な位相ノイズ分析器８００で使用されるのに充分な超高帯域幅を有することができる。ミリ波信号によって駆動される光変調器８０４によって変調される光信号については、光側波帯８１０ａ、ｂが生成され、光側波帯８１０ａ、ｂ間の周波数差は、試験中の発振器８０２のミリ波周波数に対応する。さらに、この周波数差は、発振器８０２の位相ノイズも含む。したがって、本明細書で説明するセルフヘテロダイン干渉計を使用して、試験中の発振器８０２の位相ノイズを測定することができる。
【0049】
図９は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、ミリ波光変換器、セルフホモダイン干渉計、およびミリ波基本周波数ミキサに結合された１つの感光素子に基づくダウンコンバージョン機構に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器９００を概略的に示す。図９に概略的に示されるように、試験中の発振器９０２の出力は、２つの経路に分割され、第１経路は、ミリ波電気信号をシリコンプラズモニック変調器９０４を通して光信号に変換し、光ファイバ９３０を通して遅延を経験する。光領域における遅延を経験した後、ミリ波信号は、感光素子９４０を使用してミリ波領域において戻される。周波数ミキサ９５０が直流結合された出力を有するある実施形態では、位相ノイズは、周波数ミキサ９５０の出力で取り出すことができる。
【0050】
図１０は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、セルフホモダイン干渉計１０２０に基づく例示的なミリ波位相ノイズ分析器１０００と、ミリ波ヘテロダイン検出器に結合された１つの感光素子１０４０に基づくダウンコンバージョン機構とを概略的に示している。近量子限界ヘテロダインテラヘルツ検出は、周波数ダウンコンバータとして極低温冷却超伝導ミキサの使用を通してのみこれまで可能であったが、図１０の例示的なミリ波位相ノイズ分析器１０００は、近量子限界感度を伴う室温ヘテロダインテラヘルツ検出器の最近の進歩を利用することができる。このタイプのヘテロダイン検出器は２つの入力を有する。第１入力は、ミリ波またはテラヘルツ信号を受信することができ、第２入力は、ミリ波またはテラヘルツ領域内の周波数差を伴う２つの光波長を備える光信号１００２を受信することができる。次いで、ヘテロダイン検出器１０００は、第１アーム（例えば、図１０の上部のアーム１０１２ａ）において、光領域において実現される周波数シフト要素を使用することによって、第１入力と第２入力との間の周波数差を出力することができる。ヘテロダイン検出器１０００の出力は、被測定ミリ波発振器の位相ノイズを直接伝えるベースバンドの中間周波数である。
【0051】
図１１Ａは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、２つの光波長の周波数差の電気光学ダウンコンバージョンに基づく例示的なミリ波周波数カウンタ１１００を概略的に示す。ほとんどの周波数カウンタは、特定の期間内に発生するイベントの数を累積するカウンタを使用することによって機能する。ゲート時間（例えば、１秒）として知られる予め設定された期間の後、カウンタの値はディスプレイに転送され、カウンタはゼロにリセットされる。測定されるイベントが充分な安定性で繰り返され、周波数が使用されるクロック発振器の周波数よりもかなり低い場合、測定の分解能は、事前設定された持続時間にわたって観察される全サイクルの数をカウントするのではなく、全サイクル数にわたって時間を測定することによって大幅に改善され得る（例えば、逆数技法と称される場合がある）。時間信号を提供する内部発振器は、タイムベースと呼ぶことができ、正確に較正されるべきである。マイクロ波周波数カウンタは、現在、ほぼ５６GHzまでの周波数を測定することができるが、ミリ波周波数で直接使用することはできない。ある実施形態では、高周波数は、周波数ミキサおよび試験中の発振器に近い周波数のローカル発振器を用いてダウンコンバートされる。安定なローカル発振器は、一般にミリ波周波数では利用できず、サブハーモニックミキサは、信号対ノイズ比を強く制限する著しい変換損失を有する。
【0052】
ある実施形態では、図１１Ａの例示的なミリ波周波数カウンタ１１００は、ミリ波周波数をカウントするために光電子ダウンコンバージョンを実装するために使用され得る。例えば、２つの光線１１０２（例えば、数百ＧＨｚだけ分離される）は、マイクロ波基準（例えば、１０ＧＨｚ）によって駆動される位相変調器１１０４によって位相変調されることができ、２つの光周波数コム１１１０ａ、ｂは、次いで、それぞれ、２つの光線から生成されることができる。ある実施形態では、低周波数検出は、２つの光周波数コム１１１０ａ、ｂの間のビートノートのフォトダイオードを用いて実行することができる。このビートノートはミリ波信号の不安定性を伝える。ある実施形態では、位相ロックループが、マイクロ波基準を安定させるために使用され、周波数は、周波数基準に対して以下のように算出される。
【数5】
【0053】
図１１Ｂは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、例示的な周波数カウントミリ波発振器２００（例えば、図２Ａに示すように）のミリ波周波数（ＧＨｚ）対時間（ｍｓ）のプロットである。瞬間的な周波数は、図１１Ａの例示的な周波数カウンタ１１００を使用して測定された。図１１Ｃは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、図１１Ａの例示的な周波数カウンタ１１００を使用した図２Ａの例示的なミリ波発振器２００の内部カウントのための位相ロックの相対電力（ｄＢ）対相対周波数（ｋＨｚ）のプロットである。図１１Ｃは、図１１Ａの例示的な周波数カウンタ１１００を使用することによって、図２Ａの例示的なミリ波発振器２００を、マイクロ波基準、マイクロ波原子時計、または全地球測位システム（ＧＰＳ）で統制されたマイクロ波発振器（例えば数十ｋＨｚのロック帯域幅を有する）に位相ロックすることが実現可能であることを示す。
【0054】
図１１Ｄは、図１１Ａの例示的なミリ波周波数カウンタの感度および分解能を示す、分数周波数不安定性対平均時間（ｓ）のプロットである。図１１Ｄは、図１１Ａの例示的なミリ波周波数カウンタ１１００の絶対限界を示す。３００ＧＨｚにおいて、図１１Ａの例示的な周波数カウンタ１１００は、アラン偏差（Ｌｏｃｋｅｄ ｍａｋｅｖ ａｔ ３００ＧＨｚとラベルされる）に関して２×１０－１５／τの分数周波数不安定性と、修正アラン偏差（Ｌｏｃｋｅｄ ａｄｅｖ ａｔ ３００ＧＨｚとラベルされる）に関して１秒の平均化時間で１×１０－１６の不安定性レベルとを有し、図２Ａの例示的なミリ波発振器は、光格子クロックの安定性とともにロックされ得るか、またはカウントされ得ることを示唆する。
【0055】
図１２は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による超高感度を有する例示的なミリ波スペクトル分析器１２００を概略的に示す。ある実施形態では、電磁波ｖ（ｔ）の電気スペクトルをプロットするために、３つの量のデータセットを使用することができる（例えば、リアルタイムで測定される）：瞬間的な周波数ｆ（ｔ）、位相変調φ（ｔ）および振幅変調α（ｔ）は下記を用いる。
【数6】
【0056】
ある実施形態では、図１２によって概略的に示されるように、スペクトル分析器１２００は、２つの代替入力を受信するように構成される。例示的なスペクトルアナライザ１２００は、ミリ波領域にある周波数差を有する異なる周波数を有する２つの光信号を含む第１入力１２０２ａおよび／または直接生成されたミリ波信号を含む第２入力１２０２ｂを受信することができる。いくつかのそのような実施形態では、例示的なスペクトル分析器１２００は、第１入力１２０２ａまたは第２入力１２０２ｂのいずれかを選択するように構成された光スイッチ１２１０を備えることができる。測定された量が光領域にあるので、例示的なスペクトルアナライザ１２００は、ミリ波信号を受信して光領域に変換し、変換された信号を光スイッチ１２１０に提供するように構成されたシリコンプラズモニック変調器１２２０を備えることができる。
【0057】
図１２に概略的に示すように、例示的なスペクトルアナライザ１２００は、光スイッチ１２１０からの光信号を３つのアームに分割するように構成される。第１アーム１２３２ａ（例えば、図１２の上部のアーム）は、瞬間的な周波数ｆ（ｔ）を測定する、第２アーム１２３２ｂ（例えば、図１２の中央部のアーム）は、振幅変調α（ｔ）を測定する（例えば、Ｓｃｈｏｔｔｋｙダイオード等の振幅検出器と、それに続く、電圧ｖ（ｔ）を測定するための高感度を有する電圧計と、絶対電力Ｐ（ｔ）を測定するためのミリ波電力計とを使用して）。第３アーム１２３２ｃ（例えば、図１２の下部のアーム）は、位相雑音φ（ｔ）をリアルタイムで測定する（例えば、本明細書で説明するいくつかの実施形態によるセルフヘテロダイン干渉計を使用して）。ある実施形態では、第１、第２、および第３アーム１２３２ａ、ｂ、ｃによって測定される量は、コンピュータ（例えば、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ集積回路）によって処理される。
【0058】
図１３は、本明細書で説明するいくつかの実施形態によるミリ波発振器１３００の例示的なチップスケール実装形態を概略的に示す。図１３の例示的な発振器１３００は、数ＴＨｚだけ分離された周波数ν１およびν２における第１および第２ＣＷレーザ１３０２ａ、ｂからの２つの光波の差動位相ノイズの光周波数分割を利用するように構成される。第１および第２ＣＷレーザ１３０２ａ、ｂは、高い品質係数を有する共通共振器に対して安定化（例えば、Ｐｏｕｎｄ－Ｄｒｅｖｅｒ－Ｈａｌｌ安定化を使用する）することができる。ある実施形態では、第１および第２ＣＷレーザ１３０２ａ、ｂは、共通共振器の変動に断片的に追従し、これは、一次への共通ノイズ除去につながり得る。２つの後方散乱ストークス振動は、より良好なスペクトル純度のために抽出することができる。ある実施形態では、Ｄｕａｌ－Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ変調器（ＤＭＺＭ）１３１０は、繰り返し率周波数ｆｒｅｐおよびキャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏを制御し、モード共振ｎで第１ＣＷレーザ１３０２ａによってポンピングされている光周波数マイクロコムを生成するように構成される（例えば、２つのアクチュエータとして作用する）。各光コムモード周波数ノイズは、第１ＣＷレーザ１３０２ａの周波数ノイズから導出することができる。ある実施形態では、第２ＣＷレーザ１３０２ｂと隣接するコムモードｍとの間のビートノートは、ベースバンド内の安定ＲＦ信号と比較される。周波数比較は、ＤＭＺＭ１３１０変調繰返しレート周波数ｆｒｅｐまたはキャリアエンベロープオフセット周波数ｆｃｅｏにフィードバックされるエラー信号を生成するために使用され得る。
【0059】
特定の実施形態では、光周波数マイクロコム位相ノイズは、２つの方程式を使用して決定される。
２つの方程式から次式を導く。
ある実施形態では、差動位相ノイズは、数ＧＨｚ（例えば、ミリ波）であり得る反復率でソリトンマイクロコームを通して分割される。ある実施形態では、図１３に概略的に示される全ての構成要素は、チップスケールである。位相ノイズ性能の予測は困難である場合があり、チップスケール要因におけるＣＷレーザは、バルキー（ｂｕｌｋｙ）なブリルアンソースほど低いノイズではない場合がある。しかしながら、３００ＧＨｚまでの８ＴＨｚ周波数分離を使用すると、本明細書に記載のある実施形態は、ほぼ３０ｄＢの位相ノイズ低減につながると予想される。
【数7】
【数8】
【0060】
図１４Ａは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、ポンプレーザのノイズ補償に基づく光周波数マイクロコムのノイズ低減の例示的なチップスケール実装形態１４００を概略的に示す。図１４Ａによって概略的に示されるように、連続波レーザ１４０２からのポンプ光は、増幅され、別個の経路内で伝搬する２つの部分に分割される。ポンプ光の第１部分（例えば、ポンプ光の１％）は、第１ブランチ上の光学遅延（例えば、遅延長は、数センチメートルと短くすることができる）を伴うセルフヘテロダイン干渉計と、光周波数シフタ（例えば、単一の側波帯変調器または音響光学変調器）とを備える、第１アーム１４１２ａによって受光される）そして、第１および第２ブランチからの合成出力を含む出力信号は、フォトダイオード（ＰＤ）１４２０で検出される。ある実施形態では、エラー信号は、ＰＤ１４２０からの信号と、システム内の全ての光周波数シフタのための駆動信号を提供することができる、信号発生器（ＳＧ２）および分周器によって生成される８０ＭＨｚ信号とを混合することによって生成される。図１４Ａによって概略的に示されるように、エラー信号は、（例えば、ポンプの周波数ノイズを補償するために）ＰＩＤロックボックスによって受信されることができ、その出力制御信号は、電圧加算器、電圧制御発振器（ＶＣＯ）、ＲＦ増幅器および９０度ハイブリッドスプリッタを通してレーザノイズを補償するように、単一側波帯変調器（ＳＳＢＭ）１４３０に印加されることができる。
【0061】
図１４Ａのポンプ光（例えば、ポンプ光の９９％）の第２部分は、コム生成および位相ノイズループ外特性評価のために使用されるリング共振器１４４０を備える第２アーム１４１２ｂによって受け取られる。ソリトンコムは、ＳＳＢＭ１４３０によるポンプ周波数の高速掃引によって開始することができ、掃引は、信号発生器（ＳＧ１）からのステップ波形によって開始される。例えば、共振器１４４０は、窒化シリコンで作ることができ、約３００ＧＨｚのフリースペクトル範囲を有することができる。ある実施形態では、ループ外測定を実証するために、ソリトンコムの強いポンプ光は、クロストークを回避するためにバンドストップフィルタ（ＢＳＦ）で抑制され、コムラインの１つは、周波数ノイズを測定するためにバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）で選択される。選択されたコムラインは増幅することができ、そのノイズはセルフヘテロダイン干渉計周波数ノイズ測定によって特徴付けられる。
【0062】
図１４Ｂは、図１４Ａの例示的なチップスケール実装形態１４００のループ内周波数ノイズのプロットである。図１４Ｂに示すように、ＳＳＢＭ１４３０のＰＩＤ制御をオンにすることによって、観測されたノイズの大部分が抑制され、１００ｋＨｚより高いオフセット周波数では、制限されたフィードバック帯域幅のためにノイズ抑制は観測されない。図１４Ｃは、図１４Ａの例示的なチップスケール実装形態１４００のループ外測定を通して得られたコムライン周波数ノイズのプロットである。図１４Ｃに示すように、ＰＩＤ制御により、１ｋＨｚと５０ｋＨｚとの間のフーリエ周波数において、大きな周波数ノイズ低減（例えば、ほぼ２桁の大きさ）が達成される。図１４Ｄは、１５４２ｎｍ～１５６８ｎｍ（１９１．３～１９４．５ＴＨｚ）の異なるコムラインについて繰り返されるそのような測定と、１０ｋＨｚフーリエ周波数で記録された周波数ノイズレベルとのプロットである。図１４Ｄは、フリーランニング（ｆｒｅｅ ｒｕｎｎｉｎｇ）条件に対して周波数が増加するにつれてコムラインノイズが中程度に増加することを示している。局所的な最小値は、１００ｍ遅延でのＰＩＤ制御のためのポンプ周波数で示されていることであって、ポンプ位相ノイズは抑制され、これは、ポンプの低ノイズが、ポンプノイズと比較して反復率ノイズが大きいとき、全てのコムラインに伝達されないことを意味する。
【0063】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態によるレーザノイズ補償（たとえば、図１４Ａの例示的な実装において使用される）のための２つの例示的な干渉計１５００を概略的に示す。図１５Ａおよび図１５Ｂの各々において、マイクロコムは、リング共振器１５４０と結合されるＳＳＢＭ１５３０によるポンプレーザの周波数の高速掃引によって開始される。ポンプ光は、ＳＳＢＭの後に２つのアームに分割される。図１５Ａによって概略的に示される内部干渉計構成では、第１アーム１５１２ａは、マイクロコムを生成するように構成され、第２アーム１５１２ｂは、音響光学変調器（ＡＯＭ）１５１４によって、受信される光を変調するように構成される。第１アーム１５１２ａにおいて生成されるマイクロコムは、２つのサブアーム、すなわち、ループ外測定のために構成される第１サブアーム１５２０ａと、その光を第２アーム１５１２ｂの変調される光と結合するために構成される第２サブアーム１５２０ｂとに分割される。結合された光は、共振器ノイズとレーザノイズの両方を測定するためにフォトダイオード（ＰＤ）１５５０で検出される。
【0064】
図１５Ｂによって概略的に示される外部干渉計構成では、第１アーム１５１２ａは、マイクロコムを生成し、ループ外測定のために構成され、第２アーム１５１２ｂは、レーザノイズのみがＰＤ１５５０において検出される、外部干渉計構成におけるセルフヘテロダイン周波数ノイズ測定システムに直接接続される。検出されたノイズは、エラー信号を生成するために使用することができ、ノイズは、ＳＳＢＭ１５３０へのＰＩＤ制御を通して補償することができる。
【0065】
図１６は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、マイクロ共振器１６１０の共振に対する１つのマイクロコムモードの安定化に基づく光周波数マイクロコムのノイズ低減の例示的なチップスケール実装１６００を概略的に示す。図１６によって概略的に示されるように、マイクロコムは、ポンプ光の低ノイズソース１６０２を使用して生成される。ポンプの周波数から遠く離れた周波数を有するコムラインの１つは、光カプラおよび光バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ）１６２０でフィルタリングされる。フィルタリングされたコムラインは基準共振器１６３０と結合され、透過率は光検出器（ＰＤ）１６４０で測定される。コムラインの波長と共振器の共振との間の差は、共振器の透過率によって測定され、名目上、高い透過率対波長勾配の点に設定することができる。透過率は、（例えば、ヒータを用いて）マイクロコム共振器の周波数またはポンプ振幅または周波数のいずれかを制御することによって一定に保つことができる。いくつかのこのような実施形態では、大きな周波数差を有するマイクロコムの２つの周波数が安定化され、マイクロコム繰り返し率の安定化をもたらす。
【0066】
図１７は、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、マイクロ共振器の共振に対する２つのマイクロコムモードの安定化に基づく光周波数マイクロコムのノイズ低減の例示的なチップスケール実装１７００を概略的に示す。図１７によって概略的に示されるように、マイクロコムは、ＣＷポンプ光のソース１７０２を使用して生成され、２つのコムラインは、光カプラおよび光バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ）１７２０を用いてフィルタ除去される。フィルタリングされたコムラインは、電気光学変調器（ＥＯＭ）１７３０によって異なる周波数で変調され、基準共振器１７４０と結合され、コムラインの波長は、共振の急勾配に設定することができる。透過率は、光検出器（ＰＤ）１７５０で検出され、ダイプレクサ１７６０は、２つの異なる周波数を有するＲＦ信号を分離する。各ＲＦ信号強度は、ポンプ振幅または周波数のいずれかを制御することによって一定に保つことができる。特定のこのような実施形態では、大きな周波数差を有するマイクロコムの２つの周波数が安定化され、マイクロコム繰り返し率の安定化をもたらす。
【0067】
図１８Ａは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、ソリトンレジーム（ｒｅｇｉｍｅ）におけるマイクロ共振器の繰り返し率に誘電体共振発振器のスペクトル純度を忠実に移すための例示的な安定化方式を使用する例示的なミリ波発振器１８００（例えば、チップスケール）を概略的に示す。可変連続波レーザ１８０２（例えば、ポンプレーザ）は、光単一側波帯変調器１８２０（例えば、Ｄｕａｌ Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ変調器またはＤＭＺＭ）および光増幅器１８２２（例えば、エルビウムドープファイバ増幅器またはＥＤＦＡ）を通して窒化ケイ素（ＳｉＮ４）マイクロ共振器１８１０をポンピングするように構成される。光増幅器１８２２からの出力は、第１アーム１８２４ａと第アーム１８２４ｂとに分割される。第１アーム１８２４ａは、繰返し率を光検出するように構成された感光素子１８３０を備える。第２アーム１８２４ｂは、ソリトンコム（例えば、ダブルバンドパスフィルタとして作用する）の２つの光学線を選択するように構成された波形整形器１８４０を備える。２つの選択された光線路は、繰返し率（例えば、ミリ波およびテラヘルツ範囲にある）によって周波数が分離され、両方とも、高電力増幅器（ＨＰＡ）１８５４で増幅された誘電体共振発振器（ＤＲＯ）１８５２によって駆動される２つのカスケード位相変調器（ＰＭ）１８５０によって変調される。ＤＲＯ１８５２は、１０ＭＨｚ導出信号（例えば、原子時計またはＧＰＳによる）に同期させることができる。次いで、２つの電気光学周波数コムが、２つの選択された光線から生成される。２つの電気光学周波数コムが重なるスペクトル領域を検出することによって、ＲＦ周波数（例えば、ＤＲＯ周波数が１０ＧＨｚである場合、５ＧＨｚより大きい）を検出することができる。このＲＦ周波数は、繰返し率ノイズ、ならびにｆｒｅｐ／ｆＤＲＯによって乗算されたＤＲＯ１８５２の位相ノイズを搬送する。低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）による信号のＲＦ増幅後、エラー信号が位相検出器で生成され、ここでＲＦ周波数は、ＤＲＯ１８５２を同期している同じ１０ＭＨｚ信号と混合される。エラー信号は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１８６２を駆動するＰＩＤフィルタ１８６０を介してＤＭＺＭ１８２０に印加される。繰り返し率の位相ノイズは、ｆｒｅｐ／ｆＤＲＯを乗算したＤＲＯの位相ノイズのコピーである。
【0068】
図１８Ｂは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、３００ＧＨｚでマイクロコムを用いて生成された図１８Ａの例示的なミリ波発振器１８００の位相ノイズの測定された電力スペクトル密度（ＰＳＤ）（ｄＢｃ／Ｈｚ）対フーリエ周波数（Ｈｚ）のプロットである。ミリ波信号によってマイクロコムで生成された位相ノイズのループ外測定を行うために、３００ＧＨｚのブリルアンソースを基準として使用した。３００ＧＨｚのブリルアンソースは、マイクロコムのノイズの確実性であると予備的に大きな注意を払って以前に特徴付けられていた。２つのミリ波源間のビートノートを検出するためにミリ波基本周波数ミキサが使用された。図１８Ｂに示すように、測定された位相ノイズは、微小共振器により発生した３００ＧＨｚにおけるレコード位相ノイズである１０ｋＨｚフーリエ周波数で－８８ｄＢｃ／Ｈｚに達した。
【0069】
図１９Ａは、本明細書で説明するいくつかの実施形態による、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）光共振器１９１０に基づく例示的なオンチップブリルアンレーザ１９００を概略的に示す。連続波光は、ＬＮ共振器１９１０と結合され、光は、ブリルアン散乱を通して後方散乱される。後方散乱光の線幅は、共振器１９１０の光学的高Ｑおよび音響減衰により低減される。共振器１９１０の内側の強いポンプ光では、音響波は、電歪効果によって、または材料内の放射圧力によって誘起されることができ、ポンプ光は、音響波によって（例えば、反対方向に）散乱されるストークス光信号を生成することができる。この現象は、誘導ブリルアン散乱として知られている。共振器１９１０のフリースペクトル範囲が、ある線幅を有するＬＮのブリルアンシフト周波数内にあるとき（例えば、１０～１００ＭＨｚの線幅を有する１７．８ＧＨｚ）、ポンプ光とストークス光の両方が共振器１９１０と共振し、システムが、あるブリルアンレーザ発振閾値を有する３レベルシステムと見なされ得るようにすることができる。共振器１９１０の高Ｑにより、ポンプおよびストークス光は音響波を強力に増強することができ、ブリルアンレーザ発振閾値を劇的に低減することができる（例えば、ＬＮ共振器の推定閾値は約２０ｍＷであり、Ｑは４×１０６である）。加えて、ストークス波の線幅は、光学的に高いＱおよび音響減衰効果（例えば、４×１０６のＱを有するＬＮ共振器の約３０倍の低減）に起因して低減され得る（例えば、周波数ノイズが低減される）。
【0070】
いくつかの実施形態において、ＬＮは、その適度に高い光弾性係数のために使用される。一方、ＬＮは、三角結晶系の異方性材料であり、伝搬方向によってブリルアンシフト周波数が異なる。いくつかの実施形態では、図１９Ａに概略的に示されるように、共振器構造は、湾曲導波管部分および直線導波管部分を備えるレーストラックの形態を有する。いくつかの実施形態では、直線部分は、湾曲部分よりも長く、直線部分は、より高い光弾性係数を伴う結晶配向に整列され、ブリルアン利得を最大にする。ある実施形態において、例示的なブリルアンレーザは、チップスケールミリ波源のための連続波レーザの周波数ノイズを抑制するために使用されることができる。
【0071】
いくつかの実施形態において、ブリルアンレーザの特性は、ＬＮの異方性構造に起因して、ＬＮの結晶配向に依存する。特性は、導波路内で励起される光および音響モードをシミュレートすることによって推定することができる。例えば、ブリルアン利得およびシフト周波数は、Ｗｅｎｊｕｎ Ｑｉｕ，Ｐｅｔｅｒ Ｔ． Ｒａｋｉｃｈ， Ｈｅｅｄｅｕｋ Ｓｈｉｎ， Ｈｕｉ Ｄｏｎｇ， Ｍａｒｉｎ Ｓｏｌｊａ Ｑｉｃｈ， ａｎｄ Ｚｈｅｎｇ Ｗａｎｇ， “Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｔｅｐ－ｉｎｄｅｘ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ：ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ＳＢＳ ｇａｉｎ，”Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２１， ３１４０２－４１９ （２０１３）に記載されている手順に従って計算することができる。
【0072】
図１９Ｂは、本明細書で説明されるある実施形態による、図１９Ａのブリルアンレーザ発振のための例示的なＬＮリブ導波管構造の断面を概略的に示す。ｘカット（ｘ－ｃｕｔ）ＬＮを使用することができ、構造全体をシリカで被覆することができる。例えば、図１９Ｂに概略的に示されるように、ＬＮリブ導波管構造は、０．３ミクロンのスラブ厚さｔｓｌａｂ、１．６ミクロンの導波管幅ｗｗｇ、０．３ミクロンの導波管厚さｔｗｇ、および６２度の導波管壁角度θｗａｌｌを有することができる。
【0073】
図１９Ｃは、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、図１９Ｂに概略的に示される断面を伴う例示的なＬＮ導波管の例示的なシミュレートされた光学モード（図１９Ｃの上部）および音響モード（図１９Ｃの下部）を示す。シミュレーションは、有限要素法によって行った。
【0074】
図１９Ｄは、本明細書に説明されるいくつかの実施形態による、例示的なｘカットＬＮ導波管におけるブリルアンシフト周波数対計算されたブリルアン利得のプロットである。図１９Ｄに示すように、波長１．５５ミクロンのポンプ光について得られた最大利得およびそのブリルアンシフト周波数は、それぞれ約１．９（ｍ＊Ｗ）－１および１７．７ＧＨｚであった。同じ計算が、異なる結晶配向を有するＬＮ導波路に対して行われ、約０．４５（ｍ＊Ｗ）－１の最大利得および１７．７ＧＨｚのブリルアンシフト周波数が、ｚカット（ｚ－ｃｕｔ）ＬＮ（例えば、ｙ軸は、導波路断面における水平軸に対応する）に対して得られ、約０．４８（ｍ＊Ｗ）－１の最大利得および１９．７ＧＨｚのブリルアンシフト周波数が、ｙカット（ｙ－ｃｕｔ）ＬＮ（例えば、ｘ軸は導波路断面における水平軸に対応する）についてそれぞれ得られた。
【0075】
したがって、本発明をいくつかの実施形態で説明してきた。実施形態は相互に排他的ではなく、ある実施形態に関連して説明される要素は、所望の設計目的を達成するために、好適な方法で他の実施形態と組み合わせられ、再配列され、または排除されてもよいことを理解されたい。単一の特徴または特徴のグループは、各実施形態に必要または必要とされない。
【0076】
本発明を要約する目的で、本発明のいくつかの態様、利点および新規の特徴を本明細書に記載する。しかしながら、必ずしもすべてのそのような利点が任意の特定の実施形態に従って達成されるわけではないことを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書で教示または示唆され得る他の利点を必ずしも達成することなく、１つまたは複数の利点を達成するように具体化または実行され得る。
【0077】
本明細書で使用されるように、「一実施形態」または「いくつかの実施形態」または「ある実施形態」は、実施形態に関連して説明される特定の要素、特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。明細書の様々な箇所における「一実施形態では」は、必ずしもすべてが同じ実施形態に言及しているわけではない。とりわけ、「ｃａｎ」、「ｃｏｕｌｄ」、「ｍｉｇｈｔ」、「ｍａｙ」、「ｅ．ｇ．」などの本明細書で使用される条件付き言語は、別段に具体的に述べられない限り、または使用される文脈内で別様に理解されない限り、概して、ある実施形態が、ある特徴、要素、および／またはステップを含むが、他の実施形態は、含まないことを伝えることが意図される。さらに、本出願および添付の特許請求の範囲で使用される冠詞「ａ」または「ａｎ」または「ｔｈｅ」は、別段の指定がない限り、「１つまたは複数」または「少なくとも１つ」を意味すると解釈されるべきである。
【0078】
本明細書で使用される場合、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｈａｓ」、「ｈａｖｉｎｇ」、またはそれらの任意の他の変形は、非限定的な用語であり、非排他的な包含を包含することが意図される。例えば、要素のリストを含むプロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素のみに限定されず、明示的に列挙されていない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含んでもよい。さらに、反対のことが明示的に述べられていない限り、「または」は、包括的または排他的ではないことを指す。例えば、条件Ａまたは条件Ｂは、以下のいずれかによって満たされる。Ａは真（または存在する）であり、Ｂは偽（または存在しない）であるか、Ａは偽（または存在しない）であり、Ｂは真（または存在する）であるか、またはＡとＢの両方が真（または存在する）である。本明細書で使用される場合、項目のリストの「～のうちの少なくとも１つ」は、単一のメンバーを含む、それらの項目の任意の組み合わせを指す。一例として、「Ａ、Ｂ、Ｃの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡおよびＢ、ＢおよびＣ、ＡおよびＣ、ＡおよびＢおよびＣを包含することが意図される。「Ｘ、ＹおよびＺの少なくとも１つ」などの接続言語は、特に明記しない限り、項目、用語などがＸの少なくとも１つであり得ることを伝えるために一般に使用される文脈で別段理解される。したがって、そのような語句は、概して、ある実施形態が、Ｘのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、およびＺのうちの少なくとも１つがそれぞれ存在することを必要とすることを暗示することを意図しない。
【0079】
したがって、特定の実施形態のみを本明細書に具体的に記載してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多数の修正がなされ得ることは明らかであろう。さらに、頭字語は、単に明細書および特許請求の範囲の読みやすさを高めるために使用される。これらの頭字語は、使用される用語の一般性を減少させることを意図するものではなく、特許請求の範囲を本明細書に記載される実施形態に限定すると解釈されるべきではないことに留意されたい。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図19C】
【図19D】
【国際調査報告】