光およびRFアプリケーションにおいて、マイクロ波周波数は、情報伝送そのものから光ビームの変調まで、非常に多様な用途で利用されています。これらのアプリケーションでは、周波数可変性と高いスペクトル純度の両方が求められます。市販のマイクロ波光源は、多くの場合、この2つのどちらかを妥協しなければなりません。これに対し、レーザーなどの光源は位相ノイズが非常に低く、この光学的純度をマイクロ波領域にまで拡張する試みが数多く行われてきました。そのような新たな技術の一つが、電気光学周波数分割（eOFD）です。
IMRA Americaの研究者たちは、彼らの斬新なeOFD計画を支援するために、 モクLiquid Instruments社のFPGAベースのデバイスは、高速で柔軟な信号処理と解析のための再構成可能なテストおよび計測機器スイートを提供します。 レーザーロックボックスその結果、グループはeOFDの設定が長期間にわたって原子基準に安定的にロックされた状態を維持できることを保証できた。彼らの結果は 最近公開された in ネイチャー·コミュニケーションズ [1]。
課題
光周波数分割（OFD）は、レーザーなどの低ノイズ光源を用い、周波数分割によってそのスペクトル純度をマイクロ波領域に伝達しようとする技術です。これは、複数の競合するアーキテクチャが存在する、十分に研究された技術です。しかし、これらの方式にはそれぞれ、周波数調整の難しさや過剰なノイズなど、重大な欠点があります。これは、OFDが解決しようとしているのと同じ問題、すなわちマイクロ波合成における周波数調整性と位相ノイズのトレードオフという問題につながります。
有望なOFD候補であるeOFDは、マイクロ波源を用いて電気光学変調器（EOM）を駆動し、2つのトーンからなる光基準信号を変調します。マイクロ波源を用いることで、ユーザーは周波数を選択できます。ある特定の構成では、eOFD信号はフォトディテクタで測定され、その出力はマイクロ波源へのフィードバックとして使用され、マイクロ波源を光源に同期させます。しかし、このフィードバック構成ではチューニング範囲が制限され、大きなループ帯域幅が必要となります。IMRAの場合、フィードバックの代わりにフィードフォワードノイズキャンセレーションを用いた斬新な構成を試みました。
ソリューション
図1に示すように、研究チームはeOFD構成においてフィードフォワードノイズキャンセレーションを実装しました。まず、マイクロ波源からの信号は2つの経路に分割されます。一方の経路では、EOMを介して2つの光基準トーンを変調し、その後光フィルタを通過します。この変調により、マイクロ波周波数は実質的に光領域に逓倍され、基準間隔（いずれも約300GHz）と比較されます。逓倍器、基準間隔、およびフィルタを慎重に選択することで、フォトダイオードは光基準とマイクロ波シンセサイザの位相情報を含む単一のビート信号を受け取ります。その結果は、同じ係数で周波数が割られ、マイクロ波領域に戻されます。ただし、元のソースの位相ノイズは依然として含まれています。
研究チームは、得られたビート信号を、位相補償された元のマイクロ波信号と混合した。これにより、元の光源の位相ノイズが打ち消され、レーザー光源のノイズのみが残る。この方法により、マイクロ波光源の波長可変性を維持しつつ、位相ノイズを補償・打ち消すことができる。
図1. 固定周波数マイクロ波源を用いたeOFDの構成。フィードフォワードノイズキャンセレーションを実証している。[1]より転載。
結果
発表された結果では、研究チームはまず固定された10GHz光源でこの方式をテストし、極めて低い位相ノイズを実証しました。次に、固定光源の代わりに市販のマイクロ波シンセサイザを使用することで、周波数可変性を示しました。測定範囲は8GHzから16GHzの1オクターブです。その結果、1kHz以上のオフセットにおける光源の位相ノイズが抑制され、オフセットが大きいほど位相ノイズフロアが-145dBc/Hz未満に低下しました。この場合、遅延補償と乗算器は固定されているため、チューニング中に調整する必要はありませんでした。ただし、目的の周波数トーンに合わせて、周波数分周器と基準レーザー間のオフセットを調整することで、ノイズフロアをさらに低減できる可能性があります。
図2. 位相同期ループの実装。eOFDセットアップにMokuレーザーロックボックスとアトミック参照を追加。[1]より転載。
マイクロ波シンセサイザは、チューニング性と低ノイズ性だけでなく、長期間にわたって安定している必要があります。市販されているマイクロ波光源のほとんどは、ルビジウム原子時計などの超安定光源から供給される外部10 MHz基準に同期させることができます。研究チームは、図2に示すように、このアプローチを採用しました。彼らは、ソフトウェア定義レーザーロックモジュールであるMoku Laser Lock Boxを使用してフィードバックループを実装しました。Laser Lock Boxには、基準として機能する内部発振器が組み込まれています。研究チームは、周波数分周器の出力をLaser Lock Boxに入力し、そこで基準発振器と混合しました。結果として生じる誤差信号は、Laser Lock BoxのPIDコントローラに渡され、レーザーにフィードバックされます。この位相同期ループ（PLL）は、2つの光光源の周波数間隔を制御し、それらを安定させます。
長期間にわたる周波数安定性を確保するため、研究グループは原子基準信号を追加し、これをマイクロ波源とMokuの両方に供給した。図3に示すように、位相同期ループと原子基準信号を実装した結果、数百秒のオーダーで周波数安定性が向上した。
図3．残留周波数不安定性と平均化時間の関係。Mokuと原子基準を用いた位相同期ループを実装した後、安定性は数桁向上した。[1]より転載。
Mokuの協力を得て、チームは調整可能で低ノイズかつ長期間安定したハイブリッド型フィードバック／フィードフォワードeOFDアーキテクチャを実装した。将来的には、超低ジッターのマイクロ波源によって、エレクトロニクス分野における新たな応用が可能になるかもしれない。
参考情報
[1] グリーンバーグ、J.、エグバート、SC、マクグルー、WF ら 光学的に得られたスペクトル純度を用いた、波長可変マイクロ波周波数合成。 国立通信. 17、8027（2026） https://doi.org/10.1038/s41467-026-74912-1