光学

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8750 (2023) この記事を引用

絶対光周波数 (AOF) のより簡単かつ正確な測定は、光通信およびナビゲーション システムにとって非常に重要です。 現在まで、AOF を直接測定するのは難しいため、12 桁の精度で AOF を測定するには光学基準が必要でした。 ここでは、フォトニクスとエレクトロニクスの間の広大な周波数ギャップを埋めることができる電気光学変調コムに焦点を当てます。 私たちは、周波数不明のレーザーを光位相変調器に送り込むだけで、RF 周波数カウンターを使用して AOF を 12 桁の精度で直接測定できる前例のない方法を実証します。 これにより、光リファレンスレス光周波数計測の新たな地平が開かれる可能性があります。 私たちの方法は、従来の信号発生器の 100 倍の位相ノイズの低減も同時に達成できます。 これは無線通信の通信速度が約7倍に高速化することに相当します。

コヒーレントレーダーシステム1、2、位相/クロック同期3、8、5、および高速アナログデジタル変換1、6、7における前例のないレベルでの低位相ノイズマイクロ波生成に対する需要の高まりにより、マイクロ波における課題が生じています。 -フォトニクス技術8. レーダー システムでは、ドローンなどの小型物体を追跡するには、10 kHz のオフセット周波数で -170 dBc/Hz の超低位相ノイズを備えた 10 GHz のマイクロ波が必要です。 位相/クロック同期において、低位相ノイズのマイクロ波信号は、高頻度取引や信頼できるタイムスタンプ5、スマートグリッド9などの電力システム、データセンターでの分散処理などの電子商取引にとってますます重要になっています。 より正確な位相/クロック同期10、11のために、光格子クロックやイオンクロックなどの光クロックが将来のマスタークロックとしてITU-Tで議論されています12。 SDH (Synchronous Digital Hierarchy) および SONET (Synchronous Optical Network) は、光ファイバーを使用するデジタル通信ネットワークの標準プロトコルです。 SDH/SONET の基本フレーム サイズは、1 フレームあたり 125 μs と定義されています13。 現在のセシウムマスタークロックの周波数精度は10～11です。 異なるセシウムマスタークロックに同期した2台の通信機器がデータの読み書きを行う場合、デジタル信号を読み出す電流スリップ間隔は72日ごとに発生します。 これに対し、光格子時計（周波数精度：10～18）はずれ間隔を200万年とすることができるため、メンテナンスフリーのマスタークロックとなります。 電気通信システムはギガヘルツからキロヘルツまでの周波数で動作するため、マスター クロックの光クロック周波数 (サブペタヘルツ) を正確にダウンコンバートする必要があります。 ささやきギャラリーモードパラメトリック発振器14、光周波数分割15、19、17、光電気発振器18、オンチップブリルアン発振器19、光基準空洞20などのフォトニック技術に基づくいくつかのマイクロ波発生方法が報告されている。 最近の研究では、超低ノイズ モードロック ファイバー レーザーに基づく周波数コムを使用して超低ノイズ マイクロ波を生成できることが示されました 21。 この方法は、12 GHz での優れた低ノイズ マイクロ波の生成を実現しますが、多くのセットの大型の低ノイズ ファイバー レーザー ベースの周波数コムで構成される複雑な装置をエンド ユーザーに提供することは困難です。

光周波数計測の分野では、光周波数はマイクロ波周波数よりも数万倍も高いため、RF周波数カウンターを使用してAOFを直接測定することは不可能でした。 1999 年以前は、AOF カウンターは光周波数チェーン 22、26、24 を使用しており、低周波数を順次乗算および混合することで高周波数を測定していました。 測定には、制御回路や測定ツールに加えて、多数の安定したレーザー、マイクロ波発振器、波長変換素子が必要でした。 1999 年に、光周波数コム (OFC)25、26、27、28 が登場し、複雑な光周波数チェーンから劇的に注意が移りました。 N 番目の櫛の歯の周波数 fN は、\({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\) として表すことができます。ここで、N、frep、fceo は櫛モード番号です。それぞれ、繰り返し周波数とキャリアエンベロープオフセット（CEO）周波数です。 OFC を使用して周波数不明レーザーの AOF を測定するには、N 番目の櫛歯と周波数不明レーザーの間のビート周波数 \({f}_{b}\) を測定します。 したがって、\(f\) は \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\pm {f}_{b}\) と記述されます。 実際には、コムモード数 N は、未知のレーザー光源に最も近いコムモード数を測定することによって決定できます。 これは、frep/2 以内で OFC を測定するのに十分な精度と精度を備えた波長計を使用するか、または frep と fb を測定し、通常は 1 秒間で frep を大幅に変化させながらコムモード数の変化をカウントすることによって行うことができます。 MHzのオーダー。 前者の方法では高精度の波長計と基準光源として光周波数コムが必要ですが、後者の方法では基準光源として光周波数コムのみが必要です。 ただし、後者の方法は、frep を大幅に変化させながらコムモード数の変化を正確にカウントする必要があるため、複雑になる可能性があります。