光学 | 株式会社フィブラフュージョン

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

193 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

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。

ここでは、より単純な光リファレンスレス光周波数カウンターを示します。私たちの方法では、基準光源に依存せずに周波数未知のレーザーを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ます。さらに、我々の手法で周波数安定性の高い光源を使用することにより、光周波数領域でのSGの位相ノイズを拡大することで、従来の広く使用されている信号発生器（SG）の100倍の位相ノイズ低減を同時に達成できます。電気光学変調 (EOM) コムを生成し、それを SG にフィードバックします。これは、シャノン・ハートレーの定理より、無線通信の伝送速度を約7倍に高速化できることを意味します。

EOM コムの位相ノイズ 29、30、31 は主に、位相/強度変調器の駆動に使用される SG の位相ノイズに由来します。 EOM コムのモード数は、シード光源の中心周波数 (モード番号 0) からのコムモードの数として定義されます。 SG の位相ノイズと EOM コムモードの線幅は、コムモード番号が増加するにつれて拡大します 32。

したがって、高次コムモード間のビートノートである CEO 信号には、ブーストされた SG の位相ノイズ情報が含まれます。図 1a は、PLL フィードバック回路を備えた市販の SG (SG 1) の位相ノイズを低減するための実験設定を示しています (詳細は「方法」を参照)。 SG 1 は、全地球測位システム (GPS) で制御された BVA オーブン制御水晶発振器 (OCXO) からの基準信号と同期されます (周波数の不安定性: < 3 × 10–13 @ 1 s)。 25 GHz の光パルス列は、中心波長 1,542 nm、線幅 1 Hz の超安定レーザー (周波数不安定性: 1 × 10–15 @ 1 s) を位相変調することによって生成されます。光ゲートを使用して繰り返し周波数を 1.25 GHz に下げた後、レーザー光を EDFA で最大 1 W まで増幅します。長い高非線形ファイバー。図 1b は、光学基準に依存しない低位相ノイズのマイクロ波生成の概念を示しています。共線的な 2f から 3f への自己参照干渉計 (SRI) からの出力を光検出器に注入することにより、CEO ビート信号を検出します。 EOM コムモード番号は、超安定レーザー (モード番号 0) からのコムモードの数として定義されます。 CEO 信号には、SG 1 の位相ノイズを最大 (2 × 1,975) + (3 × 1,111) = 7,283 倍ブーストするための情報が含まれています。これは、これが + 1,975 番目と -1,111 番目のコムモードの間のビートノートであるためです。 2fから3fまでのSRI。 CEO 信号は高次コムモード間のビート信号から生成されるため、位相変動が大きくなります。 CEO 周波数を 32 で分周した後、CEO 信号と、GPS 制御 BVA OCXO からの基準信号と同期している SG 2 からの外部基準 RF 信号との間の位相差を検出します。次に、低周波成分がローパスフィルターで選択されます。 SG 1 内の YIG 発振器ベースの VCO は、位相差がゼロになるように電圧を調整します (詳細は「補足情報」を参照)。最後に、SG 1 の位相ノイズを大幅に低減できます。以前の研究 33 では、SG 位相ノイズを低減するには、光基準としてモードロックレーザーが必要でした。 CEO 信号を使用した本手法は、光リファレンスに依存せずに SG 位相ノイズを大幅に低減できます。

(a) 光リファレンスレス AOF カウンターの実験セットアップ。 SG: 信号発生器。 3 つの SG と FC はすべて、共通の GPS 規律のある RF ソースを参照します。 UL: 周波数不明のレーザー。 IM: 強度変調器。 PM: 位相変調器。 SP: スプリッター。 PS: 位相シフター。 FD: 周波数分周器。 FL: フィルターキャビティ。 IG: インパルス発生器。 OG: 光ゲート。 DC: 分散コントローラー。 EDFA: Er 添加ファイバー増幅器。 GB: ガラスブロック。 AL：非球面レンズ。 HNLF: 非線形性の高いファイバー。 DP-PPLN: デュアルピッチ周期分極反転ニオブ酸リチウムリッジ導波路。 PD: 光検出器。 PHD: 位相検出器。 FM: 周波数ミキサー。 FC: 周波数カウンター。 (b) CEO 信号による低位相ノイズのマイクロ波生成のコンセプト。

我々は、約25 GHzにおけるSG 1の位相ノイズφ (t) がCEO信号によるPLLフィードバックによって低減できることを初めて実験的に実証しました（図2aを参照）。フィードバックループ帯域幅が 300 kHz に設定されているため、300 kHz 未満のオフセット周波数で φ (t) を低減できます。私たちの実験条件下では、低いノイズフロアと相互相関測定 (E5052B + E5053A、Keysight Technology) による位相ノイズ検出の限界まで φ (t) を大幅に減らすことができ、最小の φ (t) 値は次のようになります。 10 kHz のオフセット周波数で -130 dBc/Hz。 SG 1 で達成した位相ノイズは、GPS 規律のある BVA OCXO からの基準信号を使用した市販の SG について報告されている最低位相ノイズよりもはるかに低いです。図2bでは、EOMコムと、中心波長1,397nm、線幅1Hz、周波数不安定性1×10–15@1sの超安定レーザーとの間のビート信号を示しています。我々の方法で SG 1 の位相ノイズを低減することにより、811 番目のコムモード番号での EOM コム線幅が約 300 Hz まで狭くなっていることがわかります。これらの結果は、私たちの方法が低ノイズのマイクロ波生成と 25 GHz モード間隔の狭い線幅 EOM コムの両方を達成できることを示しています。

(a) CEO 信号を使用したフィードバックありとなしの SG 1 の位相ノイズの測定。 (b) CEO 信号を使用した制御を使用した場合と使用しない場合の、EOM コムの 811 番目のモードと 1,397 nm の超安定レーザーの間のビート音。

OFC は光周波数計測の分野に革命をもたらしました。ここでは、基準光源に依存せずに、周波数不明のレーザーによってシードされた EOM コムを使用した AOF 測定を実証しました。図 3 に、光リファレンスレス光周波数カウンタの概念を示します。前のセクションで述べたように、\({f}_{rep}\) は SG 1 の出力周波数によって決定でき、\({f}_{ceo}\) は SRI で測定できます。さらに、EOM コムは、10 GHz を超える可変モード間隔の OFC を簡単に生成できます。したがって、EOM コムは、高精度の波長計や基準光源を使用せずにモード数 \(N\) を決定するためのシンプルで使いやすいツールになります。方法の詳細は以下の通り。

光リファレンスレス光周波数カウンタの概念。この光リファレンスレス方式では、RF 周波数カウンターを使用して、周波数不明レーザーの AOF を 12 桁の精度で直接測定できます。

この実験（図1aのセットアップを参照）では、線幅1 Hzの超安定レーザーのAOF \({f}_{s}\)を測定しました。このレーザーは、シードレーザー光源として使用されました。 EOMコーム。前のセクションで示したように、EOM コムが生成され、光ゲートの後に CEO 信号 \({f^{\prime}}_{ceo}\) が生成されます (プライム記号は光ゲート後の周波数を示します)。測定することができます。 CEO 信号 \({f^{\prime}}_{ceo}\) と SG 2 の信号の位相差を検出し、SG 1 にフィードバックすることで、SG 1 の出力周波数を安定させることができます。繰り返し周波数を測定するには\({f^{\prime}}_{rep}\) 桁数の多い光ゲートを周波数カウンタで通過させた後、分周した信号の差周波数を測定しました（図1の紫色の正弦波を参照）。光ゲートを駆動する SG 1 の 1a)、および SG 3 の出力周波数 \({f}_{ex}\) (\(1.249 999 \mathrm{GHz}\) に設定)。 SG 1、SG 2、および SG 3 は、GPS 対応 BVA OCXO からの基準信号と同期されました。

フィードバック回路を用いて、SG2の信号と測定したCEO信号の位相差がゼロになるようにSG1を制御しました。 SG 2 の出力周波数を \({f^{\prime}}_{ceoA}\) と設定すると、SG 1 の分周信号と \({f}_{ex} の間の測定された差周波数) になります。 \) は \({\Delta f^{\prime}}_{repA}\) です。同様に、SG 2 の出力周波数を \({f^{\prime}}_{ceoB}\) と設定すると、測定された差分周波数は \({\Delta f^{\prime}}_{repB} \)。シードレーザー光源の光周波数のドリフト \({f}_{s}\) が測定中に十分小さい場合、

(1)と(2)を両方使用すると、光ゲート後のモード番号 \(N^{\prime}\) は次のように求めることができます (図 3 を参照)。

実験では、\({f^{\prime}}_{ceoA}\) を + 130 MHz にロックしたとき、\(\Delta {f}_{repA}^{\prime}\) は \ と測定されました。 (970.029 969 118 \mathrm{Hz}\)、\({f^{\prime}}_{ceoB}\) を -120 MHz にロックすると、\(\Delta {f}_{repB}^{ \prime}\) は \(2577.984 362 83 \mathrm{Hz}\) として測定されました。したがって、光ゲート後のモード番号 \({N}^{\prime}\) は 155 477 と決定できます。次に、シードレーザー光源 (= 超安定レーザー) の光周波数、\({ f}_{sA}\) と \({f}_{sB}\)、(\({N}^{\prime}\)、\({f^{\prime}}_ の 2 つのセットを使用) {ceoA}\)、\(\Delta {f}_{repA}^{\prime}\))、および (\({N}^{\prime}, {f^{\prime}}_{ceoB) }\)、および \(\Delta {f}_{repB}^{\prime}\))。 \({\Delta {f}^{\prime}}_{repA}\) と \({\Delta {f}^{\prime}}_{repB}\) の出力に正の符号があることが確認されました。外部 RF 基準 SG 3 の周波数 \({f}_{ex}(=1.249 999 \mathrm{GHz})\)。さらに、測定用の CEO 信号が \({{f}^ {\prime}}_{rep}-{{f}^{\prime}}_{ceo}\) でも \({{f}^{\prime}}_{ceo}\)。したがって、\({f}_{sA}\) と \({f}_{sB}\) は次のように計算されます。

このようにして、シードレーザーの AOF \({f}_{s},\) を \(194.346 375 340(1) \mathrm{THz}\) として 12 桁の精度で決定できます。

測定中に周波数未知のレーザーの大きな光周波数変動が発生した場合、この方法ではモード数を求めることができません。この方法の使用は、光ゲート後、コムモード数が継続する限り、周波数変動が \({{f}^{\prime}}_{rep}/2\) 未満である場合に限定されます。測定時間中も同様です。このような場合、EOMコムのシードレーザーには光周波数の変動が少なく安定したレーザーを使用する必要があります。上記の方法で安定したレーザー \({f}_{s}\) の AOF を決定した後、周波数未知のレーザーと EOM コムの間のビート周波数 \({f}_{b}\) を観測します。光ゲート前のワイドモード間隔 (25 GHz)。その結果、周波数未知のレーザーの AOF \(f\) は次のように記述されます。

\({f}_{b}\) の前の符号は、シードレーザー周波数 \({f}_{s}\) をわずかにシフトすることで簡単に決定できます。モード番号 \(M\) は、波長精度が 25 GHz 未満の従来の波長計を使用して簡単に決定できます。

最近報告された技術では、Si3N4 ワイヤ導波路を使用して超低レーザーパルスエネルギーで CEO 信号を検出します 34,35,36。この技術を使用すると、光ゲートの分周比を下げることができ、より広いモード間隔を持つ CEO ロック EOM コムを実現できます。この場合、低精度の波長計を使用するだけでモード番号 \(N^{\prime}\) を決定できるようになり、周波数不明のレーザーの AOF を 12 桁の精度で求めることができます。簡単に計算できました。

高周波数安定性と高いコヒーレンシーを備えた CEO ロック周波数コムは、将来のフォトニックネットワークシステムやデュアルコム分光法にとって非常に魅力的です 37, 38。最近の光ファイバー伝送技術の研究開発は、単純な強度変調からマルチレベル強度変調に移行しており、高いスペクトル利用効率を達成するための位相変調39。このため、高周波数安定性とコヒーレンスを備えた光学光源の必要性が生じています。光搬送波光源は周波数グリッドに割り当てられます。この周波数グリッドは、アンカー周波数 193.1 THz40 で 12.5、25、50、および 100 GHz の整数倍として ITU-T で標準化されています。光は、高密度波長分割多重 (DWDM) 技術を使用して光ファイバーを介して伝送されます。したがって、将来のフォトニックネットワークシステムでは、ITU-T周波数グリッドを示すOFCが必要になります。ただし、繰り返し率が増加するとレーザーパルスエネルギーが減少するため、モード間隔が 10 GHz を超える通信波長で CEO ロック周波数コムを実現することは困難です。現在、通信波長におけるモードロックレーザーを備えた CEO ロック周波数コムの報告されている最も広いモード間隔は 750 MHz です41。最近報告された CEO ロック EOM コムは、高フィネスかつ低膨張のファブリペローキャビティで安定化された連続波 (CW) レーザーを使用して 10 GHz のモード間隔を達成しました42。我々は、モード間隔 25 GHz の CEO ロック周波数コムを実現するための簡略化された方法を実験的に実証しました。この方法では、超安定レーザーの代わりに自走 CW レーザーダイオード (LD) を安定化せずにシード光源として使用します。外部基準ファブリペローキャビティ (図 1a を参照)。我々は、デュアルピッチ (DP) 周期分極反転ニオブ酸リチウム (PPLN) リッジ導波路を備えたコリニア 2f ～ 3f SRI を使用して CEO ビート信号を測定しました43。分解能 100 kHz の帯域幅に設定された RF スペクトラムアナライザで、信号対雑音比 (SNR) が約 24 dB の信号を観測しました。 CEO 信号の半値全幅は 1 MHz であり、CEO 信号の位相変動が大きいことがわかります。したがって、CEO 信号を分周することで位相変動が減少し、SNR をさらに向上させることができます。図 4a は、RF スペクトルアナライザで測定された CEO スペクトルを示しています。これは、それぞれ 1 (黒)、8 (青)、および 16 (赤) で周波数分割されています。 CEO 信号を 16 で周波数分割した結果、CEO 信号の SNR は 30 dB 以上に増加し、線幅は 100 kHz 未満に減少しました。分周された CEO 信号は、フィードバック回路と外部 RF 基準信号で LD の中心周波数を制御することにより、20 MHz の基準周波数にロックされました。 ITU-Tで標準化された通信波長領域において、モード間隔25GHzのCEOロックEOMコムを実現することができました。図4bは、低ノイズフロアと相互相関測定を備えた信号源アナライザ(E5052B + E5053A、Keysight Technology)で測定されたCEO位相ノイズを示しています。 CEO ロックがないと、キャリア周波数の変動により、低いオフセット周波数で位相雑音を測定することが困難でした。 CEO ロックにより、3 kHz 未満のオフセット周波数での位相ノイズが抑制されます。これは、フィードバックループの帯域幅が約 3 kHz に相当することを意味します。次に、EOM コムと市販のモードロック Er ドープファイバーレーザー間の CEO ロックによる位相ノイズを比較しました。 EOM コムによる位相ノイズのレベルは、3 kHz 未満のオフセット周波数ではモードロック Er ドープファイバーレーザーによるものと同じであることがわかりました。また、CEO 信号のアラン偏差とそれらの間の CEO ロックを比較したところ、EOM コムによるアラン偏差がモードロック Er ドープファイバーレーザーのアラン偏差とほぼ同じであることがわかりました (図 4c を参照)。赤い円と点線は、32 で割った CEO 周波数の測定されたアラン偏差と、EOM コムによる CEO 周波数の校正されたアラン偏差を示しています。この実験設定では、CEO 信号の SNR が十分に高くないため、32 で分周した CEO 信号を使用してアラン偏差を測定しました。CEO 信号の SNR を増加できれば、分周せずに EOM コムを安定させることができます。。

(a) 左のグラフは、RF スペクトルアナライザで測定した CEO スペクトルを示し、それぞれ 1 (黒)、8 (青)、16 (赤) で周波数分割されています。右のグラフは、CEO 信号の SNR の分周依存性を示しています。 (b) EOM コムを使用して CEO をロックした場合 (赤) とロックしない場合 (青) で測定した CEO 位相ノイズ。市販のモードロックファイバーレーザー（緑色）を使用してCEOロックと位相雑音を比較しました。 (c) 市販のモードロックファイバーレーザー (緑色) の CEO ロックによる CEO 信号のアラン偏差の測定。赤い円と点線は、CEO 周波数の測定されたアラン偏差を 32 で割った値と、EOM コームを使用して周波数を 1 で割った CEO 周波数の校正されたアラン偏差を示します [(a) の黒い線を参照]。 CEO 信号のアラン偏差が縦軸に示されており、中心光周波数 (モード番号 0) で割られています。ゲート時間は、周波数カウンタが信号をカウントする時間の長さであり、横軸に示されています。

私たちは、広く使用されている商用マイクロ波 SG における記録的な位相ノイズ低減により 12 桁の精度を達成する光リファレンスレス AOF カウンタを実証しました。この前例のない方法では、基準光源に依存することなく、周波数不明のレーザーを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ます。標準 RF 信号と RF 周波数カウンターがあれば、いつでも AOF を高精度で測定できます。 SG の光周波数領域の位相ノイズを EOM コムで拡大し、SG にフィードバックすることで、SG の位相ノイズを大幅に低減できます。近い将来、光格子時計を親時計とし、光ファイバー網を利用して、より高精度な時刻を配信する時刻配信サービスが開始されます。本手法は、光時計に刻まれた時刻・位相同期情報を、より高精度にマイクロ波周波数に簡単かつ直接変換することができ、高精度な時刻・位相同期技術はレーダーの応用分野に極めて大きな影響を与えると考えられます。システム1、2、無線通信、高周波トランザクション5、スマートグリッドなどの電力システム9。

当社のレーザーシステムは 25 GHz のパルス列を生成します。 2種類のシードレーザー光源を使用しています。 1 つは、中心波長 1,542 nm、線幅 1 Hz の狭線幅レーザー (「概要」のセクションを参照) で、基準共振器で安定化されています。もう 1 つはフリーランニング CW LD です (セクション「光学リファレンスを使用しない AOF 測定」を参照)。狭線幅レーザーからの光の位相と強度は、レーザーからの正弦波 RF 信号によって駆動される 8 つの従来の位相変調器で変調されます。変調周波数 25 GHz の外部 RF シンセサイザー (YIG 発振器) (図 1a のオレンジ色の正弦波を参照)。ダウンチャーピングの線形部分は、分散媒中で伝播することによって短いパルス列に圧縮されます。位相変調器で得られる適用変調指数は 32 π です。スペクトル帯域幅は約 39 nm です。次に、レーザーパルスエネルギーを高める必要があります。私たちは、フィルタキャビティ 44 を使用して ASE ノイズを低減します。このフィルタキャビティは、広い周波数帯域幅にわたって光を透過できるように、低フィネス (~ 1000) ファブリペローキャビティを備えています。また、EDFA の平均出力パワーは制限されているため、光ゲートを使用して増幅パルスのピーク強度を高めます。次に、光パルスを 1.25 GHz の繰り返し速度で 1 W まで増幅します。最後に、チャープされたパルスは自由空間内のガラスブロックによって圧縮できます。ガラスブロック後のパルス幅は、1.25 GHz で 142 fs と推定されました。

0.8 nJ のレーザーパルスエネルギーを備えた長さ 40 cm の高非線形ファイバーを使用して、2/3 オクターブ以上の幅の SC スペクトルを生成します。したがって、CEO 信号は、波長 600 nm の第 2 高調波光と第 3 高調波光を干渉させることで測定できます。 2f から 3f の SRI は、SC スペクトルの 2/3 オクターブ帯域幅しかない CEO 周波数を安定させるのに役立ちます。 2f-3f SRI の CEO 信号を高効率で検出するために、異なる疑似位相整合 (QPM) ピッチサイズを持つ 2 つのモノリシック集積セグメントで構成される DP-PPLN リッジ導波路 43 を作製しました。この導波路を利用することでフレネル反射や結合損失を低減できるため、高効率でCEO信号を検出することができます。 100 kHz の分解能帯域幅に設定された RF スペクトラムアナライザで、約 24 dB の SNR でそれを観測しました。 CEO 信号の線幅は 1 MHz です。この CEO 信号は、32 分周することで SNR が向上し、線幅が狭くなるため、位相変動が大きいことがわかりました。一方、SG 2 は 130 MHz の基準信号を生成します。 CEO 信号と SG 2 信号は両方とも 32 で除算されます。CEO 信号と SG 2 信号間の位相差は、SG 1 内の位相検出器で測定されます。SG 1 内の YIG 発振器ベースの VCO の電圧は次のように調整されます。位相差ゼロ。最終的に CEO は 130 MHz で安定し、繰り返しレートは \(\frac{{f}_{s}-{f}_{ceo}}{{N}^{\prime}} で表される周波数になります。 \times \frac{25 GHz}{1.25 GHz}\) (本文、図 3 を参照)。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

ゲルフィ、P. et al. 完全にフォトニクスベースのコヒーレントレーダーシステム。自然 507、341–345。 https://doi.org/10.1038/nature13078 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

シェアー、JA コヒーレントレーダーシステムのパフォーマンス推定。 IEEE国際レーダー会議にて。 IEEE ニューヨーク、ニューヨーク州、米国、125–128。 https://doi.org/10.1109/RADAR.1990.201149 (1990)。

ワン、B.ら。 5x10-19 精度レベルでの正確かつ連続的な時間と周波数の同期。科学。議員 2、556。https://doi.org/10.1038/srep00556 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Krehlik, P.、Śliwczyński, Ł、Buczek, Ł & Lipiński, M. 伝播遅延のアクティブな安定化を伴う光ファイバー結合時間および周波数転送。 IEEEトランス。楽器。測定。 61、2844–2851。 https://doi.org/10.1109/tim.2012.2196396 (2012)。

記事 ADS Google Scholar

デシェーヌ、JD et al. 遠く離れた光時計をフェムト秒レベルで同期。物理学。 Rev. X 6、021016。https://doi.org/10.1103/PhysRevX.6.021016 (2016)。

記事 Google Scholar

Valley、GC フォトニックアナログ - デジタルコンバーター。オプション。エクスプレス 15、1955 ～ 1982 年。 https://doi.org/10.1364/oe.15.001955 (2007)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Kim、J.、Park、MJ、Perrott、MH、Kärtner、FX 7-ENOB 分解能を超える 40 GHz のマイクロ波信号のアナログ/デジタル変換を行うフォトニックサブサンプリング。オプション。急行 16 号、16509 ～ 16515。 https://doi.org/10.1364/oe.16.016509 (2008)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Capmany, J. & Novak, D. マイクロ波フォトニクスは 2 つの世界を組み合わせます。ナット。光子。 1、319–330。 https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.89 (2007)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Motter, AE、Myers, SA、Anghel, M. & にしかわ, T. 電力網ネットワークにおける自発的同期。ナット。物理学。 9、191–197。 https://doi.org/10.1038/nphys2535 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

高野哲ほか同期的にリンクされた光格子時計による地電位測定。ナット。光子。 10、662–666。 https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.159 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

デルバ、P. et al. 光時計のファイバーネットワークを使用した特殊相対性理論のテスト。物理学。レット牧師。 118、221102。https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.221102 (2017)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ITU-T 勧告 G.8272.1/Y.1367.1。 https://www.itu.int/rec/T-REC-G.8272.1/ja。

ITU-T 勧告 G.707/Y.1322。 https://www.itu.int/rec/T-REC-G.707-200701-I/ja。

Savchenkov, AA、Rubiola, E.、Matsko, AB、Ilchenko, VS & Maleki, L. ささやきギャラリーフォトニックハイパーパラメトリックマイクロ波発振器の位相ノイズ。オプション。エクスプレス 16、4130 ～ 4144 (2008)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

フォーティア、TM et al. 光周波数分割による超安定マイクロ波の発生。ナット。光子。 5、425–429。 https://doi.org/10.1038/nphoton.2011.121 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Bartels、A. et al. 光周波数基準からの超安定マイクロ波信号のフェムト秒レーザーベースの合成。オプション。レット。 30、667–669 (2005)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Li、J.、Xu、Y.、Hansuek、L.、Didams、SA、Vahala、KJ 電気光学周波数分割と安定したマイクロ波合成。サイエンス 345、309–313。 https://doi.org/10.1126/science.1252909 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Maleki, L. 光電子発振器。ナット。光子。 5、728–730 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Li, J.、Lee, H. & Vahala, KJ オンチップブリルアン発振器を使用したマイクロ波シンセサイザー。ナット。共通。 4、2097。https://doi.org/10.1038/ncomms3097 (2013)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Xiao, S.、Hollberg, L.、および Diddams, SA 光周波数コム発生器を使用したマイクロ波およびミリ波信号の低ノイズ合成。電子。レット。 45、170–171。 https://doi.org/10.1049/el:20093593 (2009)。

記事 ADS Google Scholar

Xie、X.ら。ゼプト秒レベルの絶対タイミングノイズを伴うフォトニックマイクロ波信号。ナット。光子。 11、44–47。 https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.215 (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Evenson、KM、Wells、JS、Petersen、FR、Danielson、BL & Day、GW レーザー安定化に使用される分子遷移の正確な周波数: CH4 の 3.39 μm 遷移と CO2 の 9.33 μm および 10.18 μm 遷移。応用物理学。レット。 22、192–195。 https://doi.org/10.1063/1.1654607 (1973)。

記事 ADS CAS Google Scholar

miki, Y.、Onae, A.、Kurosawa, T.、Akimoto, Y. & Sakuma, E. 高調波ミキサーとしてジョセフソン点接触を使用した 3.39 µm CH4 安定化 He-ne レーザーへの周波数連鎖。日本Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 33、1655 ～ 1658 年。 https://doi.org/10.1143/jjap.33.1655 (1994)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Schnatz, H.、Lipphardt, B.、Helmcke, J.、Riehle, F.、Zinner, G. 可視光線の最初の位相コヒーレント周波数測定。物理学。レット牧師。 76、18-21。 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.18 (1996)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Udem, T.、Holzwarth, R. & Hänsch, TW 光周波数計測学。自然 416、233–237。 https://doi.org/10.1038/416233a (2002)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ジョーンズ、DJ 他フェムト秒モードロックレーザーのキャリアエンベロープ位相制御と直接光周波数合成。サイエンス 288、635–639。 https://doi.org/10.1126/science.288.5466.635 (2000)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ホルツワース、R. et al. 高精度分光分析用の光周波数シンセサイザー。物理学。レット牧師。 85、2264–2267。 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.2264 (2000)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Udem, T.、Reichert, J.、Holzwarth, R. & Hänsch, TW モードロックレーザーによるセシウム D1 線の絶対光周波数測定。物理学。レット牧師。 82、3568–3571。 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.3568 (1999)。

記事 ADS CAS Google Scholar

小林達也ほか高周波電気光学位相変調を使用した光パルス圧縮。 IEEE J. 量子電子。 24、382–387。 https://doi.org/10.1109/3.135 (1988)。

記事 ADS Google Scholar

Otsuji, T.、Yaita, M.、Nagatsuma, T.、Sano, E. 10 ～ 80 Gb/s の消光性の高い電気光学パルスパターンの生成。 IEEE J. Sel. 上。量子電子。 2、643–649。 https://doi.org/10.1109/2944.571763 (1996)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Jiang, Z.、Huang, C.-B.、Leaird, DE、Weiner, AM 100 を超えるスペクトルコムラインの光任意波形処理。ナット。光子。 1、463–467。 https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.139 (2007)。

記事 ADS CAS Google Scholar

石澤明ほか位相および強度変調されたレーザーに基づく 25 GHz 間隔の光周波数コムの位相ノイズ特性。オプション。エクスプレス 21、29186 ～ 29194。 https://doi.org/10.1364/OE.21.029186 (2013)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

石澤明ほか電気光学変調器ベースの光周波数コムを利用した超低位相ノイズのミリ波信号発生器。科学。議員 6、24621。https://doi.org/10.1038/srep24621 (2016)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

カールソン、DR 他。高効率の窒化ケイ素導波路を使用した自己参照周波数コム。オプション。レット。 42、2314–2317。 https://doi.org/10.1364/ol.42.002314 (2017)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

石澤明ほか統合された窒化シリコン導波路を使用した直接 f -3f 自己参照。オプション。エクスプレス 30、5265 ～ 5273。 https://doi.org/10.1364/OE.449575 (2022)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Kou, R. 他空間分解されたマルチモード励起により、SiN 導波路内でスムーズなスーパーコンティニュームを生成します。オプション。エクスプレス 31、6088 ～ 6098。 https://doi.org/10.1364/OE.478481 (2023)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

西川達也ほかカスケード電気光学変調器ベースの周波数コムを使用した広帯域デュアルコム分光法。 2015 年レーザーと電気光学会議 (CLEO)。議事録、SW3G.2 (2015)。

石澤明ほかリアルタイムマルチヘテロダイン分光法のためのマルチ GHz ライン間隔の光周波数コム。 2015 年レーザーと電気光学会議 (CLEO)。議事録、SW1G。 7 (2015)。

菊池和也コヒーレント光ファイバー通信の基礎。 J. ライトテクノロジー。 34、157–179 (2016)。

記事 ADS Google Scholar

ITU-T 勧告 G.694.1。 https://www.itu.int/rec/T-REC-G.694.1/ja。

Xu、B.ら。完全に安定化された 750 MHz Yb: ファイバー周波数コム。オプション。急行 25 号、11910 ～ 11918。 https://doi.org/10.1364/oe.25.011910 (2017)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Beha, K. et al. 光の電子合成。 Optica 4、406–411。 https://doi.org/10.1364/optica.4.000406 (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

日立和人ほかデュアルピッチ周期分極反転ニオブ酸リチウムリッジ導波路による周波数コムオフセット安定化のためのパルスエネルギーの低減。応用物理学。レット。 110、241107。https://doi.org/10.1063/1.4986444 (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

スタインメッツ、T. et al. 大きなスペクトル帯域幅を備えた広い間隔の周波数コム用のファブリペローフィルターキャビティ。応用物理学。 B 96、251–256。 https://doi.org/10.1007/s00340-009-3374-6 (2009)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

TW Hônsch 教授と Th 博士に感謝します。マックス・プランク量子光学研究所の Udem に、リングバーグ・セミナーでの役立つ議論を提供していただきました。この研究は、JSPS 科研費ガント番号 JP17H02803 および JP16H04379 の支援を受けました。

Atsushi Ishizawa

現住所：〒275-8575 千葉県習志野市泉町1-2-1 日本大学生産技術学部

〒243-0198 神奈川県厚木市森の里若宮 3-1 日本電信電話株式会社 NTT 基礎研究所

Atsushi Ishizawa, Kenichi Hitachi, Tomoya Akatsuka & Katsuya Oguri

Department of Electronic Engineering, Tokyo Denki University, 5 Senjyu-Asahi-cho, Adachi-ku, Tokyo, 120-8551, Japan

Tadashi Nishikawa

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

AI、TN、KH、TA が実験を行い、結果を分析しました。 KO はプロジェクトを計画し、調整しました。 AI と TN は、すべての著者からの寄稿を受けて原稿を執筆しました。

Correspondence to Atsushi Ishizawa.

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

石澤明、西川哲、日立和也他 12 桁の絶対精度を備えた光リファレンスレス光周波数カウンター。 Sci Rep 13、8750 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35674-8

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 12 月 30 日

受理日: 2023 年 5 月 18 日

公開日: 2023 年 5 月 30 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35674-8

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。

ニュース

光学