光学频率梳锁定系统技术方案

本文一般而言讨论了用于锁定光学频率梳的系统、设备和方法。一种设备可以包括梳误差测量和控制电路系统，以接收光学频率梳的差拍音调和载波包络偏移，并提供快速和慢速重复率控制以及快速和慢速载波包络偏移控制。重复率控制和载波包络偏移控制用于控制光学频率梳生成器的致动器。

Optical frequency comb locking system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学频率梳锁定系统相关申请的交叉引用本专利申请要求于2017年6月13日提交的序列号为No.15/621,569的美国申请的优先权权益，该美国申请要求于2017年6月7日提交的标题为“OPTICALFREQUENCYCOMBLOCKINGSYSTEM”的美国临时专利申请No.62/516,188的优先权，所述申请通过引用整体并入本文。
本文讨论的实施例涉及用于控制光学频率梳的设备、系统和方法。
技术介绍
光学频率梳已经至少部分地用作精密测量工具，因为光学频率梳可以用于准确地测量高频光波的漂移和/或频率。光学频率梳已经用于生成超低相位噪声微波，其需要将光学频率梳锁定到光学频率参考。通常，这是使用大型实验室系统完成的。附图说明在不一定按比例绘制的附图中，相同的标号可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相同标号可以表示相似部件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文档中讨论的各种实施例或示例。图1通过示例的方式图示了用于光学频率梳生成和控制的系统的实施例的框图。图2通过示例的方式图示了梳误差测量电路系统的实施例的图。图3通过示例的方式图示了控制电路系统的实施例的逻辑框图。图4通过示例的方式图示了差拍(beat)生成电路系统的实施例的图。图5通过示例的方式图示了用于控制光学频率梳生成器的方法的实施例的流程图。图6通过示例的方式图示了可以在其上实现如本文所讨论的方法中的一个或多个方法的机器的实施例的框图。具体实施方式本公开中的实施例一般而言涉及光学频率梳的生成。光学频率梳可以用于生成超低相位噪声微波信号，但是，为了这样做，光学频率梳需要被精细控制或锁定。光学频率梳可以具有两个自由度。第一自由度可以是重复频率或重复率。重复率控制梳齿之间的间距以及梳的宽度。第二自由度可以是载波包络偏移。载波包络偏移使光学频率梳齿的频率移位。为了保持光学频率梳锁定到连续波稳定光学参考，控制系统可以通过调节从光学频率梳生成的两个信号，差拍音调和载波包络偏移频率，来控制两个自由度。差拍音调与重复率对应，载波包络偏移频率与相对于标称频率(例如，零)的偏移对应。通常使用占用大量空间并使用大量功率的大型实验室系统来完成这种控制。一个或多个实施例允许以比这些大型实验室系统小得多的方式并且使用更少的功率实现该控制。在一些实施例中，本文讨论的控制系统可以在单个现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)芯片、片上系统(SoC)等上实现，诸如可以安装在印刷电路板(PCB)上。图1通过示例的方式图示了系统100的实施例的框图。在一个或多个实施例中，系统100可以用于生成和控制光学频率梳。如图所示，系统100包括光学频率梳生成器110，该光学频率梳生成器110通信地耦合到差拍生成器电路系统120以及误差测量和控制电路系统130。光学频率梳生成器110可以被配置为提供光学频率梳。光学频率梳是一系列离散的、几乎相等间隔的光学频率音调。可以通过波调制或脉冲串的稳定化或其它技术来生成光学频率梳。差拍生成器电路系统120可以被配置为从由光学频率梳生成器110提供的光学频率梳中提取差拍音调。然后，误差测量和控制电路系统130可以使用该差拍音调。误差测量和控制电路系统130可以被配置为接收光学频率梳的差拍音调和载波包络偏移(CEO)、基于参考信号确定误差，和/或为光学频率梳生成器110的致动器提供控制信号的集合。控制信号可以约束光学频率梳生成器110以在指定的偏移处并且在指定的可接受误差范围内产生具有指定差拍数的频率梳。被称为“电路系统”的项包括电气和/或电子部件(例如，一个或多个晶体管、电阻器、电感器、电容器、二极管、振荡器、多路复用器、调节器、电源、整流器、模数转换器、数模转换器、无线电设备、天线、逻辑门(例如，AND、NANI、OR、NOR、NEGATE等)、FPGA的部分、ASIC等)或其它硬件。例如，误差测量和控制电路系统130可以包括一个或多个晶体管、电阻器、电感器、电容器、二极管、振荡器、多路复用器、调节器、电源、整流器、模数转换器、数模转换器、无线电设备、天线、逻辑门(例如，AND、NAND、OR、NOR、NEGATE等)、FPGA的部分、ASIC、耦合到处理器的计算机可读介质等，它们被配置为执行误差测量和控制电路系统130的操作。本文讨论的其它电路系统可以类似地配置。差拍生成器电路系统120可以被配置为从光学频率梳生成器110接收光学频率梳。光学频率梳可以由差拍生成器电路系统120的光学环行器121接收。光学环行器121可以被配置为向光纤Bragg光栅122提供光学频率梳。光纤Bragg光栅122可以被配置为将光学频率梳的梳齿的有限集合反射回到光学环行器121中。光学环行器121可以被配置为将这个梳齿集合提供给耦合器123。耦合器123可以被配置为将单个梳齿和频率稳定激光器相加，以提供与载波包络偏移相结合的差拍音调。误差测量和控制电路系统130可以被配置为接收第一信号和第二信号。第一信号可以包括与由差拍生成器120的耦合器123提供的载波包络偏移相结合的差拍音调。第二信号可以包括载波包络偏移。第一和第二信号可以由误差测量和控制电路系统130的梳误差测量电路系统140接收。可以使用f至2f干涉仪从光学频率梳提供载波包络偏移，该f至2f干涉仪诸如可以是差拍生成器电路系统120的一部分。如图所示，梳误差测量电路系统140包括混合器电路系统141。混合器电路系统141可以混合第一信号和第二信号。在混合第一信号和第二信号时，可以将载波包络偏移与差拍音调分开。分开的差拍音调信号和载波包络偏移信号可以由混合器电路系统141提供。差拍信号可以被提供给差拍音调数字相位检测器142。载波包络偏移可以被提供给载波包络偏移数字相位检测器143。差拍音调数字相位检测器142可以被配置为接收差拍音调并基于接收到的差拍音调来提供差拍音调误差信号。在一些实施例中，差拍音调数字相位检测器142可以使用正交解调来提供差拍音调误差信号。载波包络偏移音调数字相位检测器143可以被配置为接收载波包络偏移音调，并基于接收到的载波包络偏移音调提供载波包络偏移误差信号。在一些实施例中，载波包络偏移音调数字相位检测器143可以使用正交解调来提供载波包络偏移误差信号。差拍音调误差信号和载波包络偏移误差信号可以分别提供给重复率控制电路系统150和载波包络控制电路系统160。如图所示，重复率控制电路系统150包括慢速控制电路系统151和快速控制电路系统152。重复率控制电路系统150可以被配置为接收差拍音调误差信号。慢速控制电路系统151可以基于差拍音调误差信号提供慢速差拍音调控制信号。快速控制电路系统152可以基于差拍音调误差信号提供快速差拍音调控制信号。在一些实施例中，重复率控制电路系统150可以被配置为使用反馈控制电路系统来提供慢速和快速差拍音调控制信号。反馈控制电路系统可以包括积分超前控制、比例积分微分控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，包括：/n误差测量和控制电路系统，被配置为接收包括差拍音调和与光学频率梳对应的载波包络偏移的第一信号以及包括载波包络偏移的第二信号，并提供用于锁定光学频率梳的快速重复率控制、慢速重复率控制、快速载波包络控制和慢速载波包络控制，其中误差测量和控制电路包括：/n梳误差测量电路系统，被配置为接收第一信号和第二信号，并提供差拍音调误差和载波包络偏移误差；/n重复率控制电路系统，被配置为接收差拍音调误差信号并提供用于锁定光学频率梳的差拍音调的快速重复率控制和慢速重复率控制；以及/n载波包络偏移控制电路系统，被配置为接收载波包络偏移误差并提供用于锁定光学频率梳的载波包络偏移的快速包络偏移控制和慢速包络偏移控制。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170607 US 62/516,188;20170613 US 15/621,5691.一种系统，包括：
误差测量和控制电路系统，被配置为接收包括差拍音调和与光学频率梳对应的载波包络偏移的第一信号以及包括载波包络偏移的第二信号，并提供用于锁定光学频率梳的快速重复率控制、慢速重复率控制、快速载波包络控制和慢速载波包络控制，其中误差测量和控制电路包括：
梳误差测量电路系统，被配置为接收第一信号和第二信号，并提供差拍音调误差和载波包络偏移误差；
重复率控制电路系统，被配置为接收差拍音调误差信号并提供用于锁定光学频率梳的差拍音调的快速重复率控制和慢速重复率控制；以及
载波包络偏移控制电路系统，被配置为接收载波包络偏移误差并提供用于锁定光学频率梳的载波包络偏移的快速包络偏移控制和慢速包络偏移控制。


2.如权利要求1所述的系统，其中梳误差测量电路系统包括：
混合器电路系统，被配置为使用第一信号和第二信号将载波包络偏移混合出第一信号之外，并提供差拍音调和载波包络偏移；
差拍音调数字相位检测器电路系统，被配置为接收差拍音调、使用正交解调来检测参考信号和差拍音调与由本地振荡器生成的参考信号之间的相位差，并提供差拍音调误差；
载波包络偏移数字相位检测器电路系统，被配置为接收载波包络偏移、使用正交解调来检测载波包络偏移与由本地振荡器生成的参考信号之间的相位差，并提供载波包络偏移误差。


3.如权利要求2所述的系统，其中差拍音调数字相位检测器电路系统包括：
混合电路，将差拍音调与从本地振荡器生成的第一参考信号和第二参考信号混合，以产生第一混合信号和第二混合信号；
模数转换器，对第一混合信号和第二混合信号进行采样以提供第一混合数字信号和第二混合数字信号；以及
反正切2电路系统，被配置为接收第一混合数字信号和第二混合数字信号，以对第一混合信号和第二混合信号执行反正切2运算，并提供反正切2运算的结果作为差拍音调误差。


4.如权利要求1所述的系统，其中重复率控制电路包括：
积分超前控制电路系统，被配置为对差拍音调误差施加积分超前控制并提供积分超前重复率控制；
快速重复率控制电路系统，被配置为将比例增益控制和频率-电压转换应用于积分超前重复率控制，以提供快速重复率控制；以及
慢速重复率控制电路系统，被配置为将比例增益控制、积分控制和频率-电压转换应用于积分超前重复率控制，以提供慢速重复率控制。


5.如权利要求1所述的系统，其中载波包络偏移控制电路包括：
积分超前控制电路系统，被配置为对差拍音调误差施加积分超前控制并提供积分超前载波包络偏移控制；
快速载波包络偏移控制电路系统，被配置为将比例增益控制和频率-电压转换应用于积分超前载波包络偏移控制，以提供快速载波包络偏移控制；以及
慢速载波包络偏移控制电路系统，被配置为将比例增益控制、积分控制和频率-电压转换应用于积分超前载波包络偏移控制，以提供慢速载波包络偏移控制。


6.如权利要求1所述的系统，还包括光学频率梳生成器，以使用快速重复率控制、慢速重复率控制、快速载波包络偏移控制和慢速载波包络偏移控制来提供锁定的光学频率梳。


7.如权利要求6所述的系统，还包括差拍生成器，以使用光学频率梳的单个梳齿和频率稳定激光器来提供第一信号。


8.如权利要求1所述的系统，其中梳误差测量电路系统、重复率控制电路系统和载波包络偏移控制电路系统在单个现场可编程门阵列中实现。


9.一种用于锁定光学频率梳的方法，包括：
使用误差测量和控制电路系统来接收包括差拍音调和与光学频率梳对应的载波包络偏移的第一信号以及包括载波包络偏移的第二信号；
使用梳误差测量电路系统以及第一信号和第二信号来确定差拍音调误差和载波包络偏移误差；
使用重复率控制电路系统和差拍音调误差来提供用于锁定光学频率梳的差拍音调的快速重复率控制和慢速重复率控制；以及
使用载波包络偏移控制电路系统和载波包络偏移误差来提供用于锁定光学频率梳的载波包络偏移的快速重复率控制和慢速重复率控制。


10.如权利要求9所述的方法，其中确定差拍音调误差和载波包络偏移误差包括：
使用混合电路系统、第一信号和第二信号将载波包络偏移混合出第一信号之外；
使用差拍音调数字相位检测器电路系统、正交解调和差拍音调来确定差拍音调误差；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·H·费尔南德斯，T·O·克拉特巴克，A·N·丹妮埃勒，M·S·拉奇，D·比博，C·泰，
申请(专利权)人：雷斯昂公司，
类型：发明
国别省市：美国;US