[論文レビュー] Photonic Generation of Ultrastable Microwave Signals

Tara M. Fortier, Matthew S. Kirchner+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2011

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、高Q値の光共振器と光周波数コンブを用いた光子的マイクロ波発信源を提案し、1秒間の積分時間で分数周波数不安定度が8×10⁻¹⁶未満の超安定な10 GHzマイクロ波信号を達成した。この手法は光からマイクロ波への周波数分割を活用しており、冷却を要しない運用が可能であり、最高水準のマイクロ波発信源と同等の性能を発揮する。

ABSTRACT

There has been increased interest in the use and manipulation of optical fields to address challenging problems that have traditionally been approached with microwave electronics. Some examples that benefit from the low transmission loss, agile modulation and large bandwidths accessible with coherent optical systems include signal distribution, arbitrary waveform generation, and novel imaging. We extend these advantages to demonstrate a microwave generator based on a high-Q optical resonator and a frequency comb functioning as an optical-to-microwave divider. This provides a 10 GHz electrical signal with fractional frequency instability <8e-16 at 1 s, a value comparable to that produced by the best microwave oscillators, but without the need for cryogenic temperatures. Such a low-noise source can benefit radar systems, improve the bandwidth and resolution of communications and digital sampling systems, and be valuable for large baseline interferometry, precision spectroscopy and the realization of atomic time.

研究の動機と目的

• 冷却を要しないが、最高水準の冷却マイクロ波発信源と同等の安定性を有するマイクロ波源の開発を目的とする。
• 共鳴的光システムの低位相雑音および広帯域特性を活用し、マイクロ波信号を生成することを目的とする。
• 光周波数コンブを光からマイクロ波への周波数分割器として用いる光子的アプローチを提示し、超安定な信号合成を実現することを目的とする。
• レーダー、通信、高精度測定システムに求められる高スペクトル純度および長期安定性を備えた応用を可能とすることを目的とする。

提案手法

• 高Q値の光マイクロ共振器を用いて広帯域の光周波数コンブを生成する。
• 光周波数コンブを周波数分割器として用い、光トーンをマイクロ波周波数にダウンコンバートする。
• コンブのライン間隔を精密に制御し、ロックすることで、光ドメインからマイクロ波ドメインへの位相コhereneの転送を実現する。
• 光コンブの繰返し周波数を安定化するフィードバックシステムを用い、長期的なマイクロ波安定性を確保する。
• 信号の完全性を保つために、低雑音の光増幅と低損失の光検出を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高Q値の光共振器と光周波数コンブを用いた光子的システムは、最新の冷却マイクロ波発信源と同等のマイクロ波信号安定性を達成できるか？
• RQ2 高Q値共振器を用いた光周波数分割によるマイクロ波信号の達成可能な分数周波数不安定度はどの程度か？
• RQ3 従来の電子的マイクロ波発信源と比較して、この光子的マイクロ波発信源の位相雑音および長期安定性の性能はいかがなものか？
• RQ4 冷却を要しない運用が可能でありながら、超安定なマイクロ波出力を維持できるか？
• RQ5 光コンブを用いた光子的マイクロ波生成チェーンにおける主な制限要因および雑音源は何か？

主な発見

• 本システムは、1秒間の積分時間で分数周波数不安定度が8×10⁻¹⁶未満の10 GHzマイクロ波信号を生成した。
• 達成された安定性は、最高水準のマイクロ波発信源（冷却を含むものも含む）と同等である。
• 本手法は室温で動作可能であり、高安定マイクロ波源に通常必要な冷却を不要とした。
• 光周波数コンブにより、光ドメインからマイクロ波ドメインへの正確な周波数分割が可能であり、高い位相コhereneが維持された。
• 高Q値の光共振器の使用により、位相雑音が低減され、生成されたマイクロ波信号のスペクトル純度が向上した。
• 低位相雑音および高安定性の特徴から、レーダー、高帯域幅通信、高精度分光法への応用が期待される。