(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準タイミング信号を配信するシステムであって、
クロックと、
ここで、前記クロックは、
前記基準タイミング信号に関連付けられている基準発振器と、
前記基準発振器によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを生成するように構成されているフェムト秒レーザと、
を備えている、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスを１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに分割するように構成されている、少なくとも１つのビームスプリッタと、
前記クロックから間隔を置いて配置されている１つ以上の遠隔ノードであって、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの関連付けられている分割レーザパルスシーケンスに基づいて、前記基準タイミング信号に関連付けられている複数の配信されるタイミング信号を発生するように構成されている、１つ以上の遠隔ノードと、
前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスの各々に対する雑音抑制器であって、前記遠隔ノードにおいて部分反射器により前記遠隔ノードから反射された反射バージョン分割レーザパルスシーケンスに基づいて、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの関連した１つの分割レーザパルスシーケンスの位相を安定化するように構成されている雑音抑制器と、
を具備する、システム。
【請求項２】
前記１つ以上の遠隔ノードは、マイクロ波周波数コームを発生するように構成されているマイクロ波変換器を具備する、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記基準発振器に関連付けられているフェムト秒周波数コームにロックされている周波数基準を発生するように構成されている転送レーザ、を更に具備し、
ここで、前記１つ以上の遠隔ノードは、前記転送レーザからの前記周波数基準に基づいて、前記複数の配信されるタイミング信号を発生するように構成されている、請求項１のシステム。
【請求項４】
前記転送レーザは、安定化されたキャビティである、請求項３のシステム。
【請求項５】
前記周波数基準の位相を安定化するように構成されている雑音抑制器、を更に具備する、請求項３のシステム。
【請求項６】
前記雑音抑制器は、位相ロックループと音響光学変調器とを具備する、請求項５のシステム。
【請求項７】
前記１つ以上の遠隔ノードは、遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを発生するように構成されており、
ここで、前記配信されるタイミング信号は、前記遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを前記転送レーザの前記周波数基準にロックすることによって発生される、請求項３のシステム。
【請求項８】
前記１つ以上の遠隔ノードのうちの少なくとも１つの遠隔ノードに結合された１つ以上の追加のノード、を更に具備し、
前記１つ以上の追加のノードは、前記転送レーザの前記周波数基準から直接又は間接に、前記基準タイミング信号に関連付けられている複数の追加のタイミング信号を発生するように構成されている、請求項３のシステム。
【請求項９】
前記基準発振器は、カルシウム、マグネシウム、水銀、ルビジウム、セシウム、アルミニウム、ストロンチウム、又はイッテルビウム、の原子の遷移によって安定化された光学基準発振器である、請求項１のシステム。
【請求項１０】
基準タイミング信号を配信する方法であって、
基準発振器において、前記基準タイミング信号に関連付けられている基準発振を発生することと、
フェムト秒レーザを用いて、前記基準発振によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを発生することと、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスを１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに分割することと、
前記クロックから間隔を置いて配置されており、且つ前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに関連付けられている、１つ以上の遠隔ノードにおいて、前記フェムト秒レーザパルスシーケンスに基づいて、前記基準タイミング信号に関連付けられている複数の配信されるタイミングシーケンスを発生することと、
前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスの各々に対する雑音抑制器によって、前記遠隔ノードにおいて部分反射器により前記遠隔ノードから反射された反射バージョン分割レーザパルスシーケンスに基づいて、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの関連した１つの分割レーザパルスシーケンスの位相を安定化することと、
転送レーザを用いて、前記フェムト秒レーザパルスシーケンスに関連付けられているフェムト秒周波数コームにロックされている転送レーザの周波数基準を発生することと、
ここで、前記複数の配信されるタイミングシーケンスを発生することは、前記転送レーザの周波数基準に更に基づく、
を含む、方法。
【請求項１１】
前記方法は、前記１つ以上の遠隔ノードにおいて、マイクロ波周波数コームを発生すること、を更に含み、
ここで、前記複数の配信されるタイミングシーケンスを発生することは、前記マイクロ波周波数コームに基づく、請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記転送レーザは、安定化されたキャビティである、請求項１０の方法。
【請求項１３】
位相ロックループと音響光学変調器とを具備する雑音抑制器を使用して、前記転送レーザの位相を安定化すること、を更に含む、請求項１０の方法。
【請求項１４】
前記１つ以上の遠隔ノードのうちの少なくとも１つの遠隔ノードに結合された１つ以上の追加のノードにおいて、前記転送レーザの周波数基準から直接又は間接に、前記基準タイミング信号に関連付けられている複数の追加のタイミングシーケンスを発生すること、を更に含む、請求項１０の方法。
【請求項１５】
前記方法は、前記１つ以上の遠隔ノードのうちの少なくとも１つの遠隔ノードにおいて、遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを発生すること、を更に含み、
ここで、配信されるタイミング信号を発生することは、前記遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを前記転送レーザの周波数基準にロックすることを含む、請求項１０の方法。
【請求項１６】
クロックであって、
前記クロックは、
基準発振器と、
前記基準発振器によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを生成するように構成されているフェムト秒レーザと、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスの経路におけるビームスプリッタであって、前記フェムト秒レーザパルスシーケンスの少なくとも一部分を配信システムにリダイレクトするように構成されている、前記ビームスプリッタと、
１つ以上の遠隔ノードに対する雑音抑制器と、
を具備し、
ここで、前記配信システムは、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスにロックされている周波数基準を生成するように構成されている転送レーザと、
前記転送レーザの前記周波数基準を１つ以上の遠隔ノードに配信するように構成されている１つ以上のビームスプリッタと、
を具備し、および、ここで、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスの各々に対する雑音抑制器によって、前記遠隔ノードにおいて部分反射器により前記遠隔ノードから反射された反射バージョン分割レーザパルスシーケンスに基づいて、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの関連した１つの分割レーザパルスシーケンスの位相を安定化する、クロック。
【請求項１７】
前記基準発振器は、カルシウム、マグネシウム、水銀、ルビジウム、セシウム、アルミニウム、ストロンチウム、又はイッテルビウム、の原子遷移によって安定させた光学基準発振器である、請求項１６のクロック。
【請求項１８】
前記１つ以上の遠隔ノードは、
前記クロックから間隔を置いて配置されており、
前記配信される転送レーザのビームに基づいて、複数の基準信号を発生するように構成されている、請求項１６のクロック。
【請求項１９】
基準タイミング信号を配信するシステムであって、
基準タイミング信号を発生するように構成された基準発振器と、前記基準発振器によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを生成するように構成されているフェムト秒レーザとを備えているクロックと、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスを１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに分割するように構成されている、少なくとも１つのビームスプリッタと、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスを１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに分割するように構成されている、転送レーザと、
前記クロックから間隔を置いて配置されている１つ以上の遠隔ノードであって、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの関連付けられている分割レーザパルスシーケンスに基づいて、複数の配信されるタイミング信号を発生するように構成されている、１つ以上の遠隔ノードと、
１つ以上の遠隔ノードに対する雑音抑制器と、
を具備し、ここで、
配信されるタイミング信号を発生するために、１つ以上の遠隔ノードの各々は遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを発生し、前記遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを前記転送レーザの周波数基準にロックするように構成されている、
および、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスの各々に対する雑音抑制器によって、前記遠隔ノードにおいて部分反射器により前記遠隔ノードから反射された反射バージョン分割レーザパルスシーケンスに基づいて、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの関連した１つの分割レーザパルスシーケンスの位相を安定化する、システム。
【請求項２０】
前記転送レーザは安定化されたキャビティのＣＷレーザであり、前記雑音抑制器は、位相ロックループと音響光学変調器を具備する、請求項１９のシステム。
【請求項２１】
前記遠隔ノードは、前記クロックから少なくとも１００キロメートル離れている、請求項１９のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的に、タイミング同期に関する。より具体的には、本開示は、サブピコ秒の精度（sub-picosecond precision）で遠隔クロックと同期し、遠隔デバイスとシステムとの全体にわたってこのような精度を配給する、システムと方法とに関し得る。
【背景技術】
【０００２】
初期の時計は、時間の経過を示すために、物体の一定の動きを利用していた。このような動きは、空を横切る太陽の運動（又は、それによって生成される影）、或いは比較的に一定の速さの水又は砂の流れを含むことができる。しかしながら、現代の時計は、２つのコンポーネント、即ち、発振器（oscillator）とタイムインターバルカウンタ（time interval counter）とからなる製造物（product）である。発振器は、タイムインターバルを精密に区分し、一方で、タイムインターバルカウンタは、決められた数の発振(oscillation)が完了したことに基づいて、タイムインターバルを進める。日常使用する現代の時計に利用されている水晶振動子（quartz crystal）の振動（vibration）は、１年に１分以内の正確度（accuracy）を可能にするが、更に一層より高い正確度が重要になる状況がある。
【０００３】
原子時計（atomic clock）は、マイクロ波によって精査されるときに、原子のエネルギー準位間における発振に依存する。原子時計は、過去５０年において計時(timekeeping)を大きく進歩させた。例えば、１秒の標準的な定義は、およそ９．１９２×１０９Ｈｚの周波数のマイクロ波を用いて、セシウム−１３３の発振を精査することを利用している。最初の原子時計は、熱いセシウム原子のビームを利用していた。最初の原子時計は、約１０１０分の１で安定していた。一方で、冷たいセシウム原子のファウンテン（fountain）への発達のような更なる開発は、約１０１３分の１の平均安定度を可能にした。しかしながら、セシウム原子を冷却することによって与えられるより大きな安定度は、ファウンテン中の原子間の衝突の可能性によって制限される。原子間の衝突は、原子が遷移する周波数を変えることがある。到達水準（state of the art）は、ファウンテン時計から更に一層発達した。マイクロ波と対照的に、光を利用することによって、光学時計(optical clock)は、原子の遷移を測定するために、はるかにより大きな周波数を可能にした。例えば、マイクロ波の１０１０Ｈｚの周波数の代わりに、光は１０１５Ｈｚの周波数を有し、潜在的により大きなクロック安定度を可能にした。
【０００４】
遠隔要素の通信とデータ転送とを扱う場合に、光学時計のような進歩した時計の精密なタイミング信号の配信と同期化が、増々重要になる。例えば、衛星ネットワークと、配電網（electrical grid）と、飛行機の異なるサブシステムと、世界中の科学研究所は、高度に同期したマスタクロック（master clock）、又はマスタクロックから精密なタイミングを受信する能力を必要とし得る。１つの非制限的な例として、衛星対衛星と衛星対地上との両者の状況において、衛星通信を扱う場合に、同期クロックが利用されている。軌道を描いて回る機体の速度は非常に速いので、第１のシステムにおける特定の動作が、遠隔の第２のシステムにおける動作と調和するように厳密にいつ行われるべきかを知ることがより望ましい。精密なタイミングは、ある状況では、衛星のような特定のシステムが送信機に対する通信の範囲内にいつ存在するかを知ることに関連し、一方で、他の状況では、例えば、配置又は配列された衛星間、或いは衛星と地上との間において、同期データの転送のために通信を遅延させることに関連し得る。同期誤差の影響は、全地球測位システム(global positioning system, GPS)の航法（navigation）の正確度の制限と、異なる源間の精度の劣ったデータの相関関係と、配電網における不安定性とを含む。
【０００５】
クロックシステムからの精密な信号の向上した配信と、クロックシステム間の向上した同期とを可能にするシステムと方法が、必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
実施形態によると、基準タイミング信号を配信するシステムは、クロックを具備し、クロックは、基準タイミング信号に関連付けられている基準発振器（reference oscillator）と、基準発振器によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを生成するように構成されているフェムト秒レーザと、を備えている。システムは、フェムト秒レーザパルスシーケンスを１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに分割するように構成されている、少なくとも１つのビームスプリッタを更に含む。システムは、１つ以上の遠隔ノードを更に含み、１つ以上の遠隔ノードは、クロックから間隔を置いて配置されており、１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの関連付けられている分割レーザパルスシーケンスに基づいて、基準タイミング信号に関連付けられている複数の配信されるタイミング信号を発生するように構成されている。
【０００７】
別の実施形態によると、基準タイミング信号を配信する方法は、基準発振器において、基準タイミング信号に関連付けられている基準発振を発生することを含む。この方法は、フェムト秒レーザを用いて、基準発振によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを発生することを更に含む。この方法は、フェムト秒レーザパルスシーケンスを１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに分割することを更に含む。この方法は、クロックから間隔を置いて配置されており、且つ１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに関連付けられている、１つ以上の遠隔ノードにおいて、フェムト秒レーザパルスシーケンスに基づいて、基準タイミング信号に関連付けられている複数の配信されるタイミングシーケンスを発生することを更に含む。
【０００８】
別の実施形態によると、クロックは、基準発振器と、基準発振器によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを生成するように構成されているフェムト秒レーザと、を具備する。クロックは、フェムト秒レーザパルスシーケンスの少なくとも一部分を配信システム(distribution system)にリダイレクト（redirect）するように構成されている、フェムト秒レーザパルスシーケンスの経路におけるビームスプリッタ、を更に含む。配信システムは、フェムト秒レーザパルスシーケンスにロックされている周波数基準を生成するように構成されている転送レーザ（transfer laser）と、転送レーザの周波数基準を１つ以上の遠隔ノードに配信するように構成されている１つ以上のビームスプリッタと、を具備する。
【０００９】
他の態様と実施形態は、以下の詳細な説明と、添付の図面と、請求項とから明らかになるであろう。
【００１０】
この開示の実施形態の様々な特徴は、図面に示されている。図面において、同様の参照番号は同様の要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】フェムト秒レーザを安定化する基準発振器を備えた光学時計を概略的に示している。
【図２】図１の光学時計が遠隔周波数コーム（remote frequency comb）の発振を標準化する、分散ネットワーク（distribution network）を概略的に示している。
【図３】図２の分散ネットワークにおいて基準発振器の安定化された発振を遠隔周波数コームに与えるために使用される配信システムの実施形態を概略的に示している。
【図４】図３の配信システムのマルチプレクサの実施形態を示している。
【図５】図３の配信システムの実施形態において利用され得る雑音消去システムの実施形態を示している。
【図６】分散ネットワークの実施形態の例を示している。
【図７】各分散ネットワークがそれぞれのクロックを具備し、同期システムによってクロックを同期させた、一対の分散ネットワークの実施形態を概略的に示している。
【図８】同期システムによってリンクされているクロックの別の実施形態を示している。
【図９】遠隔クロックとローカルクロックとによって発生されるフェムト秒レーザパルスの干渉を測定し、それらの間の時間遅延を決定するように構成されている、同期システムの実施形態を示している。
【図１０】時間遅延を確認するためにフェムト秒レーザパルスを干渉するように構成されているスペクトル干渉計についての規定を示すテーブルである。
【図１１】図１０のスペクトル干渉計の干渉縞（interference pattern）の出力を、周波数の関数としてプロットしている。
【図１２】線形目盛と対数目盛との両者において、干渉縞からの空間周波数の分離を確認するためにフーリエ変換の出力をプロットしている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、クロック１００についての全体的なシステムレベルの概要を表している。示されているように、クロック１００は、基準発振器１１０を含んでいる。実施形態では、基準発振器１１０は、任意の適切な構造又は構成の光学システムであり得る。実施形態では、基準発振器１１０は、原子系（atomic system）１２０の構成によって特徴付けられ得る。原子系１２０は、イオン又は格子ベースの構成を含む任意の構成を有し得るが、これに制限されない。原子系１２０がイオンベースである実施形態では、青色から紫外線(ultraviolet, UV)のレーザは、１つのイオンと相互に作用し、標準の基準発振を提供及び検出し得る。他の実施形態では、図１に示されているように、原子系１２０は中性原子ベースである。原子系１２０が中性原子ベースである実施形態では、中性原子トラップ（neutral atom trap）は、可視及び／又は短波赤外線(short wave infrared, SWIR)レーザを利用し得る。これは、原子における遷移を精査するために、磁気光学トラップ(magneto-optical trap, MOT)でレーザ冷却され得る。様々な実施形態では、原子系１２０は、任意の適切な原子の遷移を利用し得る。任意の適切な原子の遷移は、クロック１００の構成に応じて、セシウム、カルシウム、マグネシウム、水銀、ルビジウム、アルミニウム、ストロンチウム、イッテルビウム、等において見られるものを含むが、これらに制限されない。
【００１３】
例示されている実施形態に示されているように、基準発振器１１０は持続波レーザ（continuous wave laser）１３０を具備する。これは、超低膨張キャビティ１４０によって、安定化されたキャビティ（cavity stabilized）であリ得る。持続波(ＣＷ)レーザ１３０は、ファイバレーザと、ダイオードレーザと、ガスレーザと、固体レーザとを含むが、これらに制限されない、任意の適切な構造又は構成を有し得る。同様に、光学超低膨張(ultra-low expansion, ULE)キャビティ１４０は、例えば、ＣＷレーザ１３０の周波数を安定化するためにＵＬＥガラスのブロックを具備する任意の適切な構造又は構成を有し得る。検出器１５０によりレーザの出力を検出し、サーボ１６０によるフィードバックでＣＷレーザ１３０を調節することによって、ＣＷレーザ１３０は調整され得る。更に示されているように、ＣＷレーザ１３０は、原子系１２０に関係付けられ、ＣＷレーザ１３０は、サーボ１７０を通して原子系１２０によって更に調節され得る。
【００１４】
次に、ＣＷレーザ１３０の安定度は、光分岐器（optical divider）１８０に転送され得る。これは、基準発振器１１０の発振を、間隔を置いて（at intervals）カウントし得る。示されているように、フェムト秒(femtosecond, fs)レーザ１９０は、フェムト秒周波数コーム(femtosecond frequency comb)２００を発生するように構成されている。これは、共通の検出器２１０を通して、基準発振器１１０にロックされる。共通の検出器２１０は、サーボ２２０を通してフェムト秒レーザ１９０を調節し得る。更に、示されているように、ｆ−２ｆ自己参照方式（f-2f self referencing scheme）２３０をフェムト秒周波数コーム２００に適用することによって、フェムト秒レーザ１９０は更に調節される。更なる調節は、サーボ２４０によって行われ得る。実施形態では、フェムト秒レーザ１９０を更に安定化するために、ｆ−２ｆ自己参照方式２３０は、コームスペクトルの中の低い方の周波数端（frequency end）の２倍の周波数と高い方の周波数端との間におけるうなりノート（beat note）をロックすることを含み得る。
【００１５】
局部的に、クロック１００では、フェムト秒レーザ１９０は、光分岐器１８０によって調節されると、マイクロ波変換器２５０によって検出され得る。次に、マイクロ波変換器２５０は、基準発振器１１０に基づいて時間の経過を正確に示すために、タイムインターバルカウンタによって使用され得る。示されているように、マイクロ波変換器２５０は検出器２６０を含み得る。検出器２６０は、フェムト秒周波数コーム２００からの幾つかのコームラインを一緒に混ぜ、マイクロ波周波数コーム２７０を生成し得る。検出器２６０は、フェムト秒レーザ１９０によって放出されたフェムト秒周波数コーム２００を検出できる任意の適切な構造又は構成を有し得る。実施形態では、マイクロ波周波数コーム２７０の出力は、光フェムト秒周波数コーム２００を発生するフェムト秒レーザ１９０の基本繰り返し率（fundamental repetition rate）の整数倍であり得る。示されているように、実施形態では、検出器２６０は、高速低雑音検出器である。幾つかの実施形態では、検出器２６０は、インジウムガリウムひ素(Indium Gallium Arsenide, InGaAs)又はアンチモン化インジウム(Indium Antimonide, InSb)の構成を有し得る。
【００１６】
マイクロ波変換器２５０は、タイムインターバルカウンタ(示されていない)を含み得る。タイムインターバルカウンタは、光分岐器１８０を通った発振をカウントし得る。所定数の発振が通った後で、タイマは、１秒ずつインクリメントする。発振数は、フェムト秒周波数コーム２００から分けられたマイクロ波周波数コーム２７０の周波数によって決まる。実施形態では、タイムインターバルカウンタは、マイクロ波コームから得られる周波数のうちの１つが負電圧から正電圧に移るときに、そのゼロ交差を利用し得る。実施形態では、タイムインターバルカウンタによって必要とされる入力周波数を得るために、光分岐器１８０の光周波数を分けてもよい。これは、高分解能のタイムインターバルカウンタに必要なものを無くし得る。タイムインターバルカウンタによる時間のインクリメントは、任意の適切な機構又はシステムによって表示され得る。例えば、現在の時間、基準時間点からの経過時間、等を示す、アナログ又はディジタルのクロック出力によって、時間が表示され得る。表示は、コンピュータ読出し可能媒体を利用してもよく、様々な実施形態では、電波、コンピュータネットワーク、又は他の何等かの非一時記憶機構（non-transitory storage mechanism）によって配信されてもよい。幾つかの実施形態では、表示は、タイムインターバルカウンタに与えられる基準の周波数を更に出力し得る。
【００１７】
クロック１００が更に示しているように、光分岐器１８０からのフェムト秒レーザパルスのうちの幾つかを、配信システム２９０及び／又は同期システム３００にリダイレクトするために、ビームスプリッタ２８０を設けてもよく、後述でより詳しく記載する。
【００１８】
図２は、分散ネットワーク３１０の実施形態についてのシステムのアーキテクチャを示している。分散ネットワーク３１０は、配信システム２９０を利用している。実施形態では、クロック１００(基準発振器１１０のためにカルシウム標準（calcium standard）を利用するように図に示されている)は、中心のハブとして与えられ得る。ここでは、光分岐器１８０からのレーザパルスの精度が、多くのクロックに同時に配給される。実施形態では、配信システム２９０は、１つ以上のビームスプリッタ又はマルチプレクサを含み得る。１つ以上のビームスプリッタ又はマルチプレクサは、クロック１００から複数のノード３３０(個々に関連付けられているノード３３０ａ−ｈ)に達する様々な分配ビーム３２０（個々の分配ビーム３２０ａ−ｈ）を形成するように構成されている。分配ビーム３２０は、任意の適切な機構によってノード３３０に伝搬され得る。例えば、ビームの転送は、自由空間において、又は光ファイバケーブルをわたって行われ得る。実施形態では、ノード３３０の各々はマイクロ波変換器２５０を具備し得る。マイクロ波変換器２５０は、フェムト秒レーザパルスの安定したフェムト秒周波数コーム２００を検出し、マイクロ波周波数コーム２７０に分けることができる。各ノード３３０は、自身のタイムインターバルカウンタと時間の出力(即ち、ディスプレイ、電子タイミング信号、等)を更に有し得るので、基準発振器１１０からの精度が、分散ネットワーク３１０の全体に適切に配給される。実施形態では、ノード３３０のうちの１つ以上に配給される精密な周波数は、フェムト秒周波数コーム２００からの代わりに、マイクロ波周波数コーム２７０からであってもよい。変換器２５０から得られるマイクロ波周波数は、同軸ケーブル又は自由空間をわたって転送され得る。実施形態では、分散ネットワーク３１０は、基準発振器１１０とノード３３０との間における遅延オフセット、例えば分配ビーム３２０に存在し得る遅延オフセットを補うように構成され得る。実施形態では、各ノード３３０は、クロック１００とほぼ同じ僅かな周波数不安定度を有し得る。実施形態では、各ノード３３０は、ローカルタイミングシーケンスに適したマイクロ波又は無線周波数(radio frequency, RF)に分けてもよい。
【００１９】
ノード３３０のうちの幾つか、例えば、図２におけるノード３３０ｈは、ビームスプリッタ又はマルチプレクサを更に含み、フェムト秒ビームを更に細分し、追加の分配ビーム３４０から追加のノード３５０に配信することができる。例示されている実施形態では、追加の分配ビーム３４０ａ−ｃは、ノード３３０ｈから伸びており、基準発振器１１０の精度を追加のノード３５０ａ−ｃに配給する。幾つかの実施形態では、ノード３３０のうちの１つ以上から追加のノード３５０のうちの１つ以上への追加の配信は、ノード３３０における関連付けられているマイクロ波変換器２５０からであり得る。従って、追加の分配ビーム３４０によって配給される精度は、ノード３３０のうちの１つに関連付けられているマイクロ波周波数コーム２７０からである。
【００２０】
幾つかの実施形態では、光学ＵＬＥキャビティ１４０によって安定化された、基準発振器１１０から出力されたレーザは、分散ネットワーク３１０の全体にわたって送信され得る。従って、ノード３３０及び／又は追加のノード３５０のうちの１つ以上は、自身の関連付けられている光分岐器１８０を有し、これを用いて、遠隔ノード３３０又は追加のノード３５０において基準発振器１１０の安定度を分ける。配信システム２９０の１つの実施形態は、図３に示されている。ここでは、配信システム２９０は、転送レーザ３６０を利用するように構成されている。実施形態では、これは、ＣＷレーザ１３０に似た持続波レーザであってもよく、基準発振器１１０のそれに似ている安定化されたキャビティであってもよい。実施形態では、光学ＵＬＥキャビティ３７０によって安定化された転送レーザ３６０は、基準発振器１１０に関連付けられているフェムト秒周波数コームの光学ラインのうちの１つにロックされた周波数基準ビームを発生するように構成され得る。示されているように、マルチプレクサ（multiplexer）３８０は、分配ビーム３８５（即ち、示されている実施形態における分配ビーム３８５ａ−ｄ）の全体に転送するレーザビームを、複数の関連付けられている遠隔フェムト秒周波数コーム３９０ａ−ｄに分割する。ここで、各遠隔フェムト秒周波数コーム３９０は、異なる遠隔ノードに関連付けられている。４つの遠隔フェムト秒周波数コーム３９０ａ−ｄが示されているが、マルチプレクサ３８０は、ビームをＮ個のノードに分配し得る。各ノードは、自身の遠隔フェムト秒周波数コーム３９０を有する。様々な実施形態では、分配ビーム３８５は、空中を通って、光ファイバケーブルによって、又は他の何等かの送信機構によって、ビームを送信し得る。実施形態では、転送レーザ３６０によって放出された分配ビーム３８５は、図１における基準発振器１１０からのビームの役割をし得る。例えば、実施形態では、各遠隔ノード３３０又は追加のノード３５０は各々、遠隔光分岐器及び／又は遠隔マイクロ波変換器を含み得る。幾つかの実施形態では、遠隔光分岐器及び／又は遠隔マイクロ波変換器は、クロック１００の光分岐器１８０とマイクロ波変換器２５０とに似ていてもよい。このような実施形態では、各遠隔フェムト秒周波数コーム３９０は、光分岐器１８０のフェムト秒周波数コーム２００に似ていてもよく、基準発振器１１０からのビームの代わりに、転送レーザ３６０からのビームのみによって安定化される。
【００２１】
実施形態では、マルチプレクサ３８０によって分配されたレーザビームを使用して、各遠隔フェムト秒周波数コーム３９０をロックするので、コーム間隔は、主基準（primary reference）(即ち、フェムト秒周波数コーム２００)と同じ間隔を有する。実施形態では、転送レーザ３６０により送信されるフェムト秒周波数コーム２００と、遠隔フェムト秒周波数コーム３９０との、コームライン間のうなりノートにおいて、マイクロ波信号を発生させる。各遠隔フェムト秒周波数コーム３９０が、フェムト秒周波数コーム２００と同じ間隔を有すると、分散ネットワーク３１０における全てのクロックは、同じ周波数を共有し、従って、分散ネットワークのリンク全体にわたる各遠隔サイトにおいて、フェムト周波数コーム２００に対する周波数を定めるカルシウムの磁気光学トラップ（ＭＯＴ）のような異なる基準発振器１１０を必要とすることなく、関連付けられているタイムインターバルカウンタは、周波数において見出された発振をカウントし得る。実施形態では、２００に含まれている異なるコームラインにロックされた、異なる周波数における別の転送レーザ３６０を追加して、追加のビーム３８５を供給してもよい。
【００２２】
マルチプレクサ３８０の実施形態の例は、図４に示されている。示されているように、キャビティ安定化レーザ（cavity stabilized laser）(例えば、転送レーザ３６０)からのビームは、ビームスプリッタ３８１のアレイの方へ向かう。最初に、ビームは、ビームスプリッタ３８１ａに当たり得る。ビームスプリッタ３８１ａにおいて、ビームは、ビームスプリッタ３８１ｂと３８１ｃとの方へリダイレクトされる。示されているように、これらの２つのビームスプリッタの各々は、ビームを、分配ビーム３８５(特に、例示されている実施形態において、分配ビーム３８５ａ−ｄ)として、光学基準ポートの方へ更に分割する。追加の遠隔フェムト秒周波数コーム３９０が利用される場合は、追加のビームスプリッタ３８１がマルチプレクサ３８０に存在し得る。その代わりに、１つ以上の追加のマルチプレクサ３８０を配置し、１つ以上の分配ビーム３８５に関連付けてもよい。１つの実施形態では、別の転送レーザ３６０を与えてもよく、この場合も同様に、異なるコームラインにロックされる。
【００２３】
図５は、実施形態において、マルチプレクサ３８０から生じた各分配ビームが、雑音抑制システム３９５を介して、どのように雑音抑制又は消去をされ得るかを示している。雑音抑制システム３９５による雑音抑制は、マルチプレクサ３８０から分配された分配ビーム３８５のような各ビームの経路に適用され得る。例示されている実施形態では、光学基準(示されていない)からのビームの分配に続いて、マルチプレクサ３８０内で、分配ビーム３８５の各経路に対して、雑音の消去が適用され得る。フェムト秒周波数コーム２００(即ち、光学基準)にロックされている、転送レーザ３６０からのビームは、マルチプレクサ３８０を通ると、ビームスプリッタ４００に出会い得る。ビームスプリッタ４００は、ミラー４１０と、音響光学変調器（acousto-optical modulator）４２０と、検出器４３０との間で、ビームを更に分割する。ビームが検出器４３０によって分析されると、ビーム３８５が遠隔フェムト秒周波数コーム３９０の方へ向かうことを含めて、ビームが分配手段（distribution medium）を通過するときに、ビームを更に安定させるために、位相ロックループ４４０は、音響光学変調器４２０における位相のずれを調節する。
【００２４】
分散ネットワーク３１０は基準発振器１１０から安定度を得るので、分配ビーム３８５は遠隔フェムト秒周波数コーム３９０に対する基準になる。遠隔マイクロ波信号を発生するために、更なるマイクロ波変換器２５０を遠隔フェムト秒周波数コーム３９０に関連付けてもよい。このような光学的に発生させたマイクロ波信号の安定度は、光学基準(即ち、基準発振器１１０からの光学基準)と同じ安定度を有し得る。これは、現在のセシウム標準の安定度よりもかなり良いかもしれない。
【００２５】
幾つかの実施形態では、分散ネットワークのアーキテクチャは、基準発振器１１０から、およそ数百キロメートルまで離れた遠隔ノードへの、タイミング信号の送信を可能にするのに十分であり得る。幾つかのこのような実施形態では、伝搬媒体(即ち、ファイバ又は自由空間)に関わらず、遠隔コーム３９０から雑音抑制システム３９５への往復時間にわたってビームにおける位相歪みを変化なく保つために、図５に記載されている雑音抑制技術の能力によって、基準発振器１１０と遠隔ノード／コーム(即ち、３３０、３５０、３９０)との分離は制限され得る。
【００２６】
既に記載したように、幾つかの実施形態では、分散ネットワーク３１０は、何百キロメートル離れていてもよく、他の実施形態では、全体的にローカルスケール（local scale）で分散され得る。例えば、図６に示されているように、クロック１００は、多数のローカルサブシステムを含んでいるローカルシステム４５０の一部である。図において、クロック１００は、少なくとも、基準発振器１１０とフェムト秒レーザ１９０とを含み、ローカルシステム４５０を通してクロックの安定度と正確度とを配信するように構成されている。ローカルシステム４５０は、軍用プラットフォーム、他の商用ネットワーク、又は遠隔通信システムに基づいて、陸、海、大気、又は空間を含むが、これらに制限されない、任意の構造又は構成を有し得る。幾つかの実施形態では、ローカルシステム４５０は、１つの乗り物（vehicle）であってもよく、一方で、他の実施形態では、ローカルシステム４５０は、複数の乗り物又はシステムであって、同期して位相コヒーレントし、分離したローカルサブシステムの位相及び周波数整列の断続的又は連続的な更新のために光学的にリンクできる、複数の乗り物又はシステムであってもよい。例示されている実施形態では、ローカルシステム４５０は、データプロセッサ４６０と、ナビゲーションシステム４７０と、兵器システム（weapon system）４８０とを含んでいる。更に、電気光学／赤外線(electro-optical/infrared, EO/IR)システム４９０と、受動ＲＦシステム５００と、レーダシステム５１０と、通信システム５２０が示されている。このような遠隔要素は、幾つかの目的のために、基準発振器１１０からの超安定信号を利用し得る。一例として、進路を決めるために、ナビゲーションシステム４７０は、全地球測位システムと協調して、クロックの発振を利用し、ローカルシステム４５０の位置、又はローカルシステム４５０の要素を正確に決定し得る。
【００２７】
幾つかの実施形態では、クロック１００は、マイクロ波変換器２５０を通して光からマイクロ波に変換し、マイクロ波信号をローカルシステム４５０中の各サブシステムに配信し得る。他の実施形態では、クロック１００は、フェムト秒周波数コームを光学的に配信し、各サブシステムにおいてマイクロ波に変換する。各サブシステムは、ローカルマイクロ波変換器２５０を有している。幾つかの実施形態では、配信の組み合わせを行なってもよく、それによって、幾つかのサブシステム(即ち、レーダシステム５１０)はマイクロ波信号を受信し、一方で、他のサブシステム(即ち、ＥＯ／ＩＲシステム４９０)は、ＥＯシステムレーザへの光学リンクを利用し得る。ローカルシステム４５０中の、クロック１００につながれているサブシステムの各々は、別の遠隔コームを利用してもよい。別の遠隔コームは、光ベースの信号を受け入れる遠隔コーム(即ち、遠隔フェムト秒周波数コーム３９０)、又はマイクロ波ベースの信号を受け入れる別の遠隔コームである。既に記載したように、幾つかの実施形態では、ローカルシステム４５０の各サブシステムは、自身の雑音抑制システム３９５を含み得る。
【００２８】
幾つかの実施形態では、配信システム２９０を通じてリンクすることが不可能であるほど十分な距離が遠隔ノード間にある場合に、個々の遠隔ノードを利用し、個々の分散ネットワーク３１０を形成してもよい。ここでは、各遠隔ノードは、(基準発振器１１０を備えた)自身のクロック１００を有している。図７には、分散ネットワーク３１０Ａと分散ネットワーク３１０Ｂが示されており、各々は、自身のクロック１００(即ち、マスタクロック（master clock）１００Ａとスレーブクロック（salve clock）１００Ｂ)を有している（マスタ／スレーブ構成は、後述でより詳しく説明する）。クロック１００の正確な発振は、関連付けられている基準発振器１１０から複数の遠隔ノード３３０に配信される。例示されている実施形態では、分散ネットワーク３１０Ａに対する遠隔ノードは、遠隔ノード３３０Ａａ−３３０Ａｈと呼ばれ、一方で、分散ネットワーク３１０Ｂに対する遠隔ノードは、遠隔ノード３３０Ｂａ−Ｂｈと呼ばれる。分散ネットワーク３１０Ａと分散ネットワーク３１０Ｂとのノード間において整合性のある時間を保証するために、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとを同期させることが望ましいかもしれない。図７に示されているように、クロック１００は、関連付けられている同期システム３００間でリンクされ得る。後述でより詳しく説明するように、マスタクロック１００Ａに関連付けられている同期システム３００Ａと、スレーブクロック１００Ｂに関連付けられている同期システム３００Ｂは、任意の適切な距離によって離れていてもよい。
【００２９】
図８は、伝搬媒体５３０を渡した、同期システム３００Ａと同期システム３００Ｂとのリンクの概略図を示している。概略的に記載されているように、各クロック１００は、送信機５４０とタイムインターバルカウンタ５５０とに接続されている。更に、タイムインターバルカウンタ５５０は、受信機５６０に接続され、実施形態では、マイクロ波信号を受信機５６０とクロック１００とから受信し、時間のインクリメントをカウントする。送信機５４０Ａ／Ｂと受信機５６０Ａ／Ｂとの両者は、関連付けられているミキサ５７０Ａ／Ｂに接続され得る。関連付けられているミキサ５７０Ａ／Ｂは、ビームスプリッタ又は他の光学素子を含み、伝搬媒体５３０をわたってビームの送信と受信とを容易にし得る。実施形態では、伝搬媒体５３０によって送信される接続は、大気、空間、光ファイバケーブル、等のうちの１つ以上を通る光ビームであり得る。後述で更に詳しく説明するように、マスタクロック１００Ａ及びスレーブクロック１００Ｂからの出力、又はタイムインターバルカウンタ５５０Ａ及びタイムインターバルカウンタ５５０Ｂからの出力は、データケーブル又は他の何等かのデータ転送機構によって接続され、これは、マスタクロック１００Ａ及びスレーブクロック１００Ｂに関する情報を各々に与え得る。実施形態では、伝搬媒体５３０によるこのようなデータ接続が含まれ得る。
【００３０】
マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとを同期させるために、最初に、スレーブクロック１００Ｂの時間を、マスタクロック１００Ａと一致するように調節することが分かる。同期の正確度は、伝搬媒体５３０上の、同期システム３００Ａと同期システム３００Ｂとの間における転送信号の周波数帯域幅によって決まり得る。幾つかの実施形態では、どちらのクロックがマスタであり、どちらのクロックがスレーブであるかという指定は、変わってもよく、従って、割り当てられた指定を示す信号がクロック間で送信され得る。後述でより詳しく説明されるように、実施形態では、伝搬媒体５３０上の転送信号は、分光器で識別可能な超短光パルス又は近光パルスである。実施形態では、ミキサ５７０は、光学素子とビームスプリッタとを含み、光パルス(即ち、超短光パルス)を各受信機５６０に送ってもよく、その結果、各タイムインターバルカウンタ５５０は、遠隔送信機から遠隔パルスＲを受信したときと、ローカルパルスＬのそれとの時間差を測定し得る。幾つかの実施形態では、遠隔光パルスは、受信機５６０によって検出され得る。他の実施形態では、遠隔光パルス及びローカル光パルスは、制御装置(示されていない)においてデータに変換されてもよく、スレーブクロック１００Ｂに対してマスタクロック１００Ａによって定められる調節オフセットのデータは、他の手段によって通信され、それに応じて、スレーブクロック１００Ｂを調節する。
【００３１】
実施形態では、スレーブクロック１００Ｂの時間調節は、パルスの到着時間(time-of arrival)及び／又は飛行時間（time-of-flight）の測定に基づき得る。マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂが同期すると、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとの間における同期の正確さと距離計測の実行を可能にし得る。このようなクロック同期を行なうために、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとから、同時であると考えられるときに、超短光パルスが送信され得る。伝搬媒体５３０による超短光パルスのこの送信の前に、例えば、マスタクロック１００Ａからスレーブクロック１００Ｂに「現在の」時間のデータを送信することによって、クロック１００Ａと１００Ｂをおおよそ同期させ、その結果、それに応じて、スレーブタイムインターバルカウンタ５５０Ｂを調節する。
【００３２】
図９では、受信機５６０のうちの１つの実施形態の一部分が、概略的に示されている。示されているように、受信機５６０は、遠隔クロック１００からの遠隔パルスＲを安定化するように構成されている安定化ミラー５８０を含み得る。安定化ミラー５８０は、遠隔パルスＲが通過した距離に関連する幾つかの問題を修正するように構成され得る。問題は、例えば、大気中のシンチレーション（scintillation）、マスタクロック１００Ａ及び／又はスレーブクロック１００Ｂのプラットフォームにおける振動、或いは遠隔パルスＲの整列及び安定度に影響を及ぼす他の何等かの動きに起因する、空間ジッタを含む。例示されている実施形態では、遠隔パルスＲがローカルパルスＬと空間的に整列し得るように、安定化ミラー５８０が回転（pivot）することが示されている。図１に示されている実施形態では、ローカルパルスＬは、ローカルクロック１００に関する、フェムト秒レーザ１９０からの、ビームスプリッタ２８０によって分割されたビームであり得る。同様に、遠隔パルスＲは、遠隔クロック１００に関する、関連するフェムト秒レーザ１９０からの、関連するビームスプリッタ２８０によって分割されたビームであり得る。受信機５６０は、第１のビームスプリッタ５９０と第２のビームスプリッタ６００とを含んでいるように示されている。遠隔パルスＲは、安定化ミラー５８０に反射し、第１のビームスプリッタ５９０に当たるように示されている。整列アレイ６１０の方へある角度で屈折するものもあり、レンズ６２０の方へ前方に進むものもある。後述で更に詳しく説明するように、ローカルパルスＬは、第２のビームスプリッタ６００に遮断されるものもあり、第１のビームスプリッタ５９０の方へある角度で屈折するものもあり、更に、第２のビームスプリッタ６００を通り抜け、遅延ミラー６３０の方へ前方に進むものもある。第１のビームスプリッタ５９０の方へ反射したローカルパルスＬの一部分は、平面ミラー６４０の方へ向かってある角度で反射し、次に、第１のビームスプリッタ５９０を通り抜け、更に、整列アレイ（alignment array）６１０に投影される（image）。遅延ミラー６３０から反射したローカルパルスＬの一部分は、次に、第２のビームスプリッタ６００からある角度で、レンズ６２０の方へ反射する。
【００３３】
整列アレイ６１０における遠隔パルスＲとローカルパルスＬとの遮断は、パルスの粗整列を可能にする。遠隔パルスＲをローカルパルスＬのそれへの空間的に整列させるように、安定化ミラー５８０は回転し得る。例えば、安定化ミラー５８０は、遠隔パルスＲの角度をローカルパルスＬの角度に統一し得る。同様に、パルスの粗整列を可能にするために、ローカルパルスＬと遠隔パルスＲの経路に、他の光学素子が存在していてもよい。ローカルパルスＬと遠隔パルスＲとを空間的に整列させるために安定化ミラー５８０を調節するように構成された安定化制御装置に、整列アレイ６１０を接続してもよい。実施形態では、安定化制御装置は、同期システム３００に関連付けられた、プロセッサ、コンピュータ、又は他の電子機器の一部分であってもよい。例示されている実施形態では、遅延ミラー６３０は、整列アレイ６１０の方へ向かうパルスの何れかではなく、レンズ６２０の方へ向かうローカルパルスＬの位相を調節するように構成され得るが、幾つかの実施形態では、パルスのうちの何れかの少なくとも一部分は、整列アレイ６１０に反射する前に、遅延ミラー６３０、又は別の遅延ミラーに当たり、縞（fringe）が、整列アレイ６１０において遠隔パルスＲとローカルパルスＬとの間に干渉縞を形成することを可能にする。このような実施形態では、パルスのより粗い位相調節のために、整列アレイ６１０と遅延ミラー６３０とに関連付けられているプロセッサ又は制御装置が利用され得る。幾つかの実施形態では、ローカルパルスＬと遠隔パルスＲは、粗整列の像をもたらし得る。整列アレイ６１０で行われる測定と、安定化ミラー５８０、遅延ミラー６３０、及び／又は他の光学素子によって行われる調節とを通して、ローカルパルスＬと遠隔パルスＲの周波数を配列し、その結果、位相差が確認され得る。
【００３４】
例示されている実施形態では、レンズ６２０を通ったローカルパルスＬと遠隔パルスＲとの量が、干渉計６５０に向かう。干渉計６５０は、パルスを細かく整列させるように構成され得る。粗調節と微調節の概念は関連しているが、実施形態では、粗い整列は受信機５６０の外部で行なわれ、細かい整列は整列アレイ６１０で行なわれ、超微細な整列は干渉計６５０で行なわれ得る。干渉計６５０は、フィールド（field）又は線形干渉計(例えば、スペクトル干渉計、ファブリーペロー干渉計、等)を含むが、これに制限されない、任意の適切な構造又は構成を有し得る。幾つかの実施形態では、干渉計６５０は、非線形干渉計、例えば、周波数分解光ゲート(frequency resolved optical gating, FROG)を使用するものであってもよい。例示されている実施形態では、干渉計６５０は、３つのミラー「反射トリプレット（reflective triplet）」の設計形式で配置されたスペクトル干渉計である。これは、干渉計６５０によって形成される像の面（image plane）におけるスペクトル分解能を高め得る。
【００３５】
例示されている実施形態では、レンズ６２０は、パルスを干渉計６５０のピンホール６６０上に集束させる。これは像の面６７０に配置され得る。パルスは、ピンホール６６０から一次ミラー６８０に発散する。一次ミラー６８０に当たった後で、パルスは、二次ミラー６９０、次に、三次ミラー７００に反射される。パルスは、三次ミラー７００から反射すると、分散素子（dispersive element）７１０に当たる。例示されている実施形態では、分散素子７１０は、三次ミラー７００に再び向かうスペクトルに、パルスを分散させるように構成された、回析格子である。他の同様の実施形態では、分散素子７１０は、プリズムであり得る(更に、背面反射（rear surface reflection）のためにミラーに映された側（mirrored side）、又は最小偏角構成（minimum deviation configuration）で間隔が置かれているミラーと結合され得る)。分散スペクトルは、三次ミラー７００と、二次ミラー６９０と、一次ミラー６８０とによって後方に反射されると、これらは干渉計イメージャ(interferometer imager)７２０に到達し得る。例示されている実施形態では、干渉計イメージャ７２０は、ピンホール６６０から間隔を置いて、像の面６７０に置かれている。実施形態では、示されているように、干渉計イメージャ７２０は、遅延ミラー６３０に関連付けられているプロセッサに読み出され、その結果、干渉計イメージャ７２０に形成されている縞を向上させるように、位相ローカルパルスＬが調整され得る。既に記載したように、プロセッサは、同期システム３００に関連付けられている、任意のプロセッサ、コンピュータ、又は電子機器であってもよく、幾つかの実施形態では、安定化ミラー５８０を調節するように構成された安定化制御装置を含むか、安定化制御装置に関連付けられていてもよい。干渉計６５０の１つの非制限的な実施形態に対する規定は、図１０に与えられている。干渉計イメージャ７２０は、線形焦点面アレイ、電荷結合素子、相補形金属酸化膜半導体(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)、等を含むが、これらに制限されない、任意の構造又は構成を有し得る。
【００３６】
干渉計６５０の出力の分析を通して、遠隔パルスＲとローカルパルスＬとの間のタイミングの差が確認され得る。このような計算では、ローカルパルスＬと遠隔パルスＲとのスペクトル特性の知識を利用し、遠隔パルスＲとローカルパルスＬとの間の時間遅延ｔ０を求める。実施形態では、パルスは、次の式によって特徴付けられ得る。
【数１】
0005718479.tif 000002
【００３７】
ここで、ｔは、パルス幅(例えば、フェムト秒レーザ１９０から３５ｆｓｅｃのＦＷＨＭ)であり、ｆ０＝ｃ／λ(例えば、フェムト秒レーザ１９０からλ＝８４０ｎｍ)である。従って、ローカルパルスＬのスペクトルは、次のように特徴付けられ得る。
【数２】
0005718479.tif 000003
【００３８】
ここで、正の周波数のみがコサインの項から得られる。ＢＷは、次のように定義され得る。
【数３】
0005718479.tif 000004
【００３９】
次に、遠隔パルスＲのスペクトルは、次のように定義され得る。
【数４】
0005718479.tif 000005
【００４０】
ここで、定数「ｂ」は、ローカルパルスＬと遠隔パルスＲとの間における振幅の差を示すために含まれている。ここでも、ｔ０は、遅延ミラー６３０に関連付けられている余分な距離を移動する遠隔パルスＲに対する時間遅延である。
【００４１】
遠隔パルスＲとローカルパルスＬとを干渉する場合に、干渉Ｗは、次のように特徴付けられ得る。
【数５】
0005718479.tif 000006
【００４２】
例えばパルスの周波数とパルスの振幅とを含む、パルスのスペクトル特性が分かっているので、遠隔パルスＲとローカルパルスＬとの間における未知の位相成分に対応するパルス間の時間遅延ｔ０を求めることができる。干渉計６５０の出力(例えば、干渉計イメージャ７２０によって受信されるデータ)の処理は、任意の機構によって達成され得る。例えば、実施形態では、受信機５６０、クロック１００、又はタイムインターバルカウンタ５５０、のうちの１つ以上の一部分に関連付けられている制御装置によって、データが自動的に処理され得る。更に、制御装置は、補償され得る任意の既知の雑音又は誤差を補い得る。同期システム３００Ａ及び／又は同期システム３００Ｂに対する移動プラットフォームであることが原因のドップラシフトの評価（evaluation）も求められる。このような結果は、ごく僅かであると考えられる。１つの評価は、移動プラットフォームが、静止プラットフォーム又は別の移動プラットフォームの何れかと同期することであると考えられる。実施形態では、７ｋｍ／秒の２つのプラットフォーム間の相対速度は、０．０１％の変化を生じる。７ｋｍ／秒未満の速度は、更により小さな変化を生じる。従って、一般に、軌道速度まで上昇するプラットフォームは、測定における重大な誤差を生じない。しかしながら、雑音、及び遅延例えば計算時間の、これらの及び他の源が、制御装置によって考慮に入れられ得る。
【００４３】
干渉計６５０がスペクトル干渉計である場合に、干渉計イメージャ７２０における出力は、赤外線パルスの波長にわたる放射束密度（irradiance）として通常プロットされるが、受信データは周波数領域に容易に変換され得る。この出力の一例は、図１１に示されている。図１１は、およそ３３０乃至３９０ＴＨｚのパルス周波数にわたる放射束密度を示している。フーリエ変換を利用し、出力を処理し、パルスの変調周波数を測定してもよい。図１２に示されているように、パルスの式におけるコサインの項は、正と負のローブを生成し、その位置は、時間遅延ｔ０に対応している。示されている例に見られるように、パルスｔ０間の遅延を、およそ１．６ピコ秒として計算することができる。実施形態では、システムは、干渉計のスペクトル帯域幅によって制限されるパルス幅の何分の１かに下がった正確度を有する。幾つかの実施形態では、数学的解析において、更に又は代わりに他の変換を利用してもよい。他の変換は、ヒルベルト（Hilbert）又はローレンツ（Lorentzian）変換を含むが、これに制限されない。ローブの更なる分析を行なって、例えば、波形関数の実数成分と虚数成分とを比較することによって、パルスの位相差をより精密に決定できるが、時間遅延ｔ０を確認するには、ローブのピークを決定することで十分であるかもしれない。
【００４４】
実施形態では、時間遅延ｔ０を利用して、遠隔パルスＲと一致させるためにローカルパルスＬを進ませなければならない又は遅らせなければならない量、或いは、ローカルパルスＬと一致させるために遠隔パルスＲを進ませなければならない又は遅らせなければならない量を決定し得る。時間遅延ｔ０は、２つのクロックを同期させることができる正確度、分解能、又は誤差(即ち、システムによって測定される最短時間)であり得る。実施形態では、進ませる又は遅らせる量は、正確度／分解能の値ｔ０よりもかなり大きいかもしれない。遠隔パルスＲを与える遠隔クロック１００がマスタクロック１００Ａである実施形態では、スレーブクロック１００ＢからのローカルパルスＬを進ませて又は遅らせて(或いは、スレーブタイムインターバルカウンタ５５０Ｂによって、オフセット量を補償して)、その結果、マスタクロック１００Ａと一致するように、スレーブクロック１００Ｂの時間を調節する。ローカルクロックがマスタクロック１００Ａである別の実施形態では、十分な時間オフセットの測定値を遠隔のスレーブクロック１００Ｂに伝え、その結果、ローカルマスタクロック１００Ａと一致するように、遠隔クロックを進ませ又は遅らせ得る。
【００４５】
幾つかの場合、例えば双方向時刻伝送（two-way time transfer）では、時間オフセットは、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとの両者において計算され、その後で、精密なクロック同期のために、各クロックによって他方に送信され得る。図８に示されているように、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂが伝搬媒体５３０によってリンクされている場合に、マスタクロック１００Ａからスレーブクロック１００Ｂへの方向における伝搬遅延時間は、ＤＡＢとして示され、一方で、スレーブクロック１００Ｂからマスタクロック１００Ａへの方向における伝搬遅延時間は、ＤＢＡとして示され得る。マスタクロックの信号送信時間はＴＡであり、一方で、スレーブクロックの信号送信時間はＴＢである。従って、マスタクロック１００Ａにおける測定値は、Ｔｍｅａｎｓ（Ａ）＝ＴＡ−ＴＢ＋ＤＡＢである。ここでも、これは、ｔ０の正確度／分解能まで測定され得る。従って、スレーブクロック１００Ｂにおける測定値は、Ｔｍｅａｎｓ（Ｂ）＝ＴＢ−ＴＡ＋ＤＢＡである。スレーブクロック１００Ｂをマスタクロック１００Ａに同期させるために、マスタ／スレーブプロトコルに応じて、Ｔｍｅａｎｓ（Ａ）とＴｍｅａｎｓ（Ｂ）が、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとのうちの何れか又は両者に送信される。次に、マスタクロック１００Ａに合わせるためにスレーブクロック１００Ｂを操作する時間遅延は、次のように計算することができる。
【数６】
0005718479.tif 000007
【００４６】
従って、方向に関わらず（ＤＡＢ＝ＤＢＡ）、伝搬時間が同じであるとすれば、次の結果が得られる。
【数７】
0005718479.tif 000008
【００４７】
その結果、マスタクロック１００Ａと適合するように、スレーブクロック１００Ｂが操作される。
【００４８】
実施形態では、同時であると考えられるときにこのような双方向時刻伝送を行なうために、両者のクロックに分かっているパルス繰り返し周波数で動作している、各ローカルフェムト秒レーザ(即ち、フェムト秒レーザ１９０)からのパルスが、それぞれの遠隔クロックに送信される。送信時に、各ローカルタイムインターバルカウンタは、送信パルスと、遠隔クロックからのパルスの到達との間の時間を測定し始める。遠隔パルスが到達すると、タイムインターバルカウンタは、粗いタイムインターバルを測定し、システムは、遠隔クロックからの次のパルスの到達を予想するときが分かる。この情報を使って、同期システム３００は、遠隔パルスの予測される到達に対して、ローカルパルスを遅らせなければならないか又は進ませなければならないかを決定し、スペクトル干渉計６５０を使って、干渉縞を測定し始める。実施形態では、パルスが移動する距離を増やす又は減らすために、物理的に動かされ得る可変遅延線(例えば、機械的に動かすことができるミラーを含むが、これに制限されない)を使って、この微調節が達成され得る。ここで、１ミリメートルは、およそ３．３３ピコ秒の時間の変化に等しい。この機械的な調節の合計遅延は、フェムト秒レーザのパルス繰り返し周波数の逆数に相当し、ミリメートル未満の分解能を有し得る。干渉縞が検出されると、ローカル同期システム３００は、更なる調節を行って、干渉縞を最適化させ、より精密な時間測定値を取得し得る。実施形態では、タイムインターバルカウンタは粗い時間測定を行ない、可変遅延ミラー６３０を動かす結果、細かい時間測定を行ない、干渉縞（interference fringe）を計算し、精密な時間測定を行ない得る。実施形態では、合計オフセット時間は、３つの全ての組み合わせを含み得る。実施形態では、更に、可変遅延線の移動の測定及び／又は上述の計算の実行は、同期システム３００に関連付けられている、任意のプロセッサ、コンピュータ、又は電子機器によって測定され得る。
【００４９】
上述の計算の例として、マスタクロック１００Ａに関連付けられているタイムインターバルカウンタが、１００万インターバルを測定する場合であって、各インターバルが１００ピコ秒に等しく(即ち、１００万インターバルの全体で１００マイクロ秒であり)、可変遅延が２１２．１ｍｍ(７０６．９９ピコ秒又は７０６，９９０フェムト秒に相当する)ずつ進む必要があると決定され、縞の測定値が３７フェムト秒の分離を決定する場合に、マスタクロック１００Ａにおいて、測定される遅延は、１００．０００７０７０２７マイクロ秒である。パルスが１００．０３２５５０１２３マイクロ秒であり、それが送信される時と受信される時との間の差を、スレーブクロック１００Ｂが測定した場合に、クロック間における測定差は、０．０３１８４３０９６マイクロ秒又は３１．８４３０９６ナノ秒である。上述の双方向伝送の式を使用すると、２つのクロックのオフセットは、この値の２分の１であると決定され得る。従って、スレーブクロック１００Ｂは、マスタクロック１００Ａと同期するように、１５．９２１５４８ナノ秒ずつ動かされる。
【００５０】
上述の結果は、雑音を考慮していない。転送システムにおける雑音と、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとにおける基準発振器１１０と、信号の周波数が、同期を実現する積分時間を決定するが、方法は同じままである。上述のように、マスタクロック１００Ａへのスレーブクロック１００Ｂの同期は、一旦達成又は明らかにされると、基準発振器１１０の安定度によって決まる期間にわたる所定の正確度に維持され得る。
【００５１】
フェムト秒パルスの転送を利用する、ここに開示されている同期技術は、幾つかのプラットフォームにおいて統合され得る。例えば、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂは、示されているマスタ／スレーブ構成を有する１対の衛星に配置され得る。マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとの間の距離は、各々におけるフェムト秒レーザ１９０から安定度を正確に転送する距離を超えているかもしれず、一方で、パルスの干渉縞は、干渉計によって引き続き測定され、マスタクロック１００Ａとスレーブクロック１００Ｂとの間の時間遅延を計算するために使用され得る。クロック間の時間のオフセットを計算するために、各衛星において時差測定を使用してもよく、一旦クロックを同期させると、連続的なパルス交換で、衛星間の距離を決定することができる。実施形態では、この決定は、光速の数倍で、パルス幅の正確度を有し得る。例えば、１００フェムト秒のパルスを使って、衛星間の見通し線（line of sight）の距離を、３０ミクロン以内まで把握できる。このことから、スレーブ衛星は、スレーブ衛星のクロックをマスタのクロックに合わせて、そのオフセットを、光パルス幅の何分の１かの測定システムの誤差以内まで低減し得る。
【００５２】
ある特定の実施形態が示され記載されているが、請求項によって表現されている発明の概念の意図及び範囲内で変更及び修正が可能であることは明らかである。開示されている実施形態は、単に発明の概念の原理を例示するために提供されており、何らかのやり方で制限していると見なされるべきではない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
この開示は、遠隔クロックをサブピコ秒の精度で同期させ、且つこのような精度を遠隔デバイス及びシステムの全体に配給するシステムと方法とに関する、タイミング同期の分野に対して、産業上の利用可能性を有する。
以下に、本出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１]  基準タイミング信号を配信するシステムであって、
クロックと、
ここで、前記クロックは、
前記基準タイミング信号に関連付けられている基準発振器と、
前記基準発振器によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを生成するように構成されているフェムト秒レーザと、
を備えている、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスを１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに分割するように構成されている、少なくとも１つのビームスプリッタと、
前記クロックから間隔を置いて配置されている１つ以上の遠隔ノードであって、前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの関連付けられている分割レーザパルスシーケンスに基づいて、前記基準タイミング信号に関連付けられている複数の配信されるタイミング信号を発生するように構成されている、前記１つ以上の遠隔ノードと、
を具備する、システム。
[２]  前記１つ以上の遠隔ノードは、マイクロ波周波数コームを発生するように構成されているマイクロ波変換器を具備する、前記[１]のシステム。
[３]  前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスのうちの少なくとも１つの分割レーザパルスシーケンスの位相を安定化するように構成されている雑音抑制器、を更に具備する、前記[１]のシステム。
[４]  前記基準発振器に関連付けられているフェムト秒周波数コームにロックされている周波数基準を発生するように構成されている転送レーザ、を更に具備し、
ここで、前記１つ以上の遠隔ノードは、前記転送レーザからの前記周波数基準に基づいて、前記複数の配信されるタイミング信号を発生するように構成されている、前記[１]のシステム。
[５]  前記転送レーザは、安定化されたキャビティである、前記[４]のシステム。
[６]  前記周波数基準の位相を安定化するように構成されている雑音抑制器、を更に具備する、前記[４]のシステム。
[７]  前記雑音抑制器は、位相ロックループと音響光学変調器とを具備する、前記[６]のシステム。
[８]  前記１つ以上の遠隔ノードは、遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを発生するように構成されており、
ここで、前記配信されるタイミング信号は、前記遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを前記転送レーザの前記周波数基準にロックすることによって発生される、前記[４]のシステム。
[９]  前記１つ以上の遠隔ノードのうちの少なくとも１つの遠隔ノードに結合された１つ以上の追加のノード、を更に具備し、
前記１つ以上の追加のノードは、前記転送レーザの前記周波数基準から直接又は間接に、前記基準タイミング信号に関連付けられている複数の追加のタイミング信号を発生するように構成されている、前記[４]のシステム。
[１０]  前記基準発振器は、カルシウム、マグネシウム、水銀、ルビジウム、セシウム、アルミニウム、ストロンチウム、又はイッテルビウム、の原子の遷移によって安定化された光学基準発振器である、前記[１]のシステム。
[１１]  基準タイミング信号を配信する方法であって、
基準発振器において、前記基準タイミング信号に関連付けられている基準発振を発生することと、
フェムト秒レーザを用いて、前記基準発振によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを発生することと、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスを１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに分割することと、
前記クロックから間隔を置いて配置されており、且つ前記１つ以上の分割レーザパルスシーケンスに関連付けられている、１つ以上の遠隔ノードにおいて、前記フェムト秒レーザパルスシーケンスに基づいて、前記基準タイミング信号に関連付けられている複数の配信されるタイミングシーケンスを発生することと、
を含む、方法。
[１２]  前記方法は、前記１つ以上の遠隔ノードにおいて、マイクロ波周波数コームを発生すること、を更に含み、
ここで、前記複数の配信されるタイミングシーケンスを発生することは、前記マイクロ波周波数コームに基づく、前記[１１]の方法。
[１３]  前記方法は、転送レーザを用いて、前記フェムト秒レーザパルスシーケンスに関連付けられているフェムト秒周波数コームにロックされている転送レーザの周波数基準を発生すること、を更に含み、
ここで、前記複数の配信されるタイミングシーケンスを発生することは、前記転送レーザの周波数基準に更に基づく、前記[１１]の方法。
[１４]  前記転送レーザは、安定化されたキャビティである、前記[１３]の方法。
[１５]  位相ロックループと音響光学変調器とを具備する雑音抑制器を使用して、前記転送レーザの位相を安定化すること、を更に含む、前記[１３]の方法。
[１６]  前記１つ以上の遠隔ノードのうちの少なくとも１つの遠隔ノードに結合された１つ以上の追加のノードにおいて、前記転送レーザの周波数基準から直接又は間接に、前記基準タイミング信号に関連付けられている複数の追加のタイミングシーケンスを発生すること、を更に含む、前記[１３]の方法。
[１７]  前記方法は、前記１つ以上の遠隔ノードのうちの少なくとも１つの遠隔ノードにおいて、遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを発生すること、を更に含み、
ここで、配信されるタイミング信号を発生することは、前記遠隔フェムト秒レーザ周波数コームを前記転送レーザの周波数基準にロックすることを含む、前記[１３]の方法。
[１８]  クロックであって、
前記クロックは、
基準発振器と、
前記基準発振器によって安定化されたフェムト秒レーザパルスシーケンスを生成するように構成されているフェムト秒レーザと、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスの経路におけるビームスプリッタであって、前記フェムト秒レーザパルスシーケンスの少なくとも一部分を配信システムにリダイレクトするように構成されている、前記ビームスプリッタと、
を具備し、
ここで、前記配信システムは、
前記フェムト秒レーザパルスシーケンスにロックされている周波数基準を生成するように構成されている転送レーザと、
前記転送レーザの前記周波数基準を１つ以上の遠隔ノードに配信するように構成されている１つ以上のビームスプリッタと、
を具備する、クロック。
[１９]  前記基準発振器は、カルシウム、マグネシウム、水銀、ルビジウム、セシウム、アルミニウム、ストロンチウム、又はイッテルビウム、の原子遷移によって安定させた光学基準発振器である、前記[１８]のクロック。
[２０]  前記１つ以上の遠隔ノードは、
前記クロックから間隔を置いて配置されており、
前記配信される転送レーザのビームに基づいて、複数の基準信号を発生するように構成されている、前記[１８]のクロック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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