(57)【要約】  光共振器及びレーザの光同期を提供する技術及びデバイス【選択図】  図１Ａ
2011514009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成するレーザと、
前記レーザ出力ビームの光路内に位置し、前記レーザ出力ビームの第１の部分を受け取る第１の光路、前記レーザ出力ビームの第２の部分を受け取る第２の光路、及び前記第１及び第２の光路が合流して終わる光結合器であって、（１）前記第１の光路からの光の一部を透過し、前記第２の光路からの光の一部を反射して、第１の結合された光出力を生成し、（２）前記第２の光路からの光の一部を透過し、前記第１の光路からの光の一部を反射して、第２の結合された光出力を生成する光結合器を有する光干渉計と、
前記第１の光路に光学的に結合され、前記第１の光路内の光をフィルタリングする光共振器と、
前記第１の結合された光出力及び前記第２の結合された光出力を検出して、前記レーザ周波数と前記光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成する検出モジュールと、
前記誤差信号を受け取り、前記誤差信号の前記周波数差に応じて、（１）前記レーザ及び（２）前記光共振器のうちの１つをチューニングして、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させるフィードバック制御メカニズムとを備えるデバイス。
【請求項２】
前記フィードバック制御メカニズムは、前記レーザをチューニングして、前記レーザを前記光共振器の共振周波数に対して同期させる請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記フィードバック制御メカニズムは、前記光共振器をチューニングして、前記光共振器の共振周波数を前記レーザに同期させる請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
前記検出モジュールは、前記第１の結合された光出力及び前記第２の結合された光出力のパワーレベルの差分信号を誤差信号として生成する差動増幅器を備える請求項１記載のデバイス。
【請求項５】
検出モジュールは、
前記第１の結合された光出力の位相をシフトして、第１の信号を生成する第１の信号処理ユニットと、
前記第２の結合された光出力の時間微分を行って、第２の信号を生成する第２の信号処理ユニットと、
前記第１の信号及び前記第２の信号を乗算して、乗算された信号を生成する信号乗算器とを備え、
前記検出モジュールは、前記乗算された信号を用いて、前記周波数差を示す誤差信号を生成する請求項１記載のデバイス。
【請求項６】
前記検出モジュールは、前記乗算された信号のＤＣ成分を用いて、前記誤差信号を生成する請求項５記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の結合された光出力の部分及び前記第２の結合された光出力の部分を受け取り、前記第１の結合された光出力のと前記第２の結合された光出力の前記受け取った部分のパワーレベルの差分信号を、前記レーザ周波数と前記光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す第２の誤差信号として生成する差動増幅器を備える第２の検出モジュールを備え、
前記フィードバック制御メカニズムは、前記誤差信号及び前記第２の誤差信号の両方を用いて、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させる請求項５記載のデバイス。
【請求項８】
前記誤差信号及び前記第２の誤差信号を受け取り、差動出力信号を生成する第２の差動増幅器を備え、前記フィードバック制御メカニズムは、前記差動出力信号に応じて、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させる請求項７記載のデバイス。
【請求項９】
前記光共振器は、狭帯域ウィスパリングギャラリーモード光共振器である請求項１記載のデバイス。
【請求項１０】
レーザ及び光共振器を互いに同期させる方法において、
レーザを動作させ、レーザビームを変調することなく、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成するステップと、
前記レーザ出力ビームのレーザ光を、交差する第１の光路及び第２の光路を含み、前記第１の光路の光と前記第２の光路の光との間に光干渉を生成する光干渉計に方向付けるステップと、
前記第１の光路内に光共振器を光学的に結合して、前記第１の光路内の光をフィルタリングするステップと、
前記光干渉計の２つの光出力を用いて、前記レーザのレーザ周波数と、前記光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成するステップと、
前記誤差信号の前記周波数差に応じて、（１）前記レーザ及び（２）前記光共振器の１つをチューニングして、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させるステップとを有する方法。
【請求項１１】
前記誤差信号として、前記光干渉計の前記２つの光出力のパワーレベルの差分信号を生成するステップを有する請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記光干渉計の前記２つの光出力の一方の位相を９０度シフトさせて、第１の信号を生成するステップと、
前記光干渉計の前記２つの光出力の他方の時間微分を行って、第２の信号を生成するステップと、
前記第１の信号及び前記第２の信号を乗算して、乗算された信号を算出し、前記周波数差を示す前記誤差信号を生成するステップとを有する請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記乗算された信号のＤＣ成分を用いて、誤差信号を生成する請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記光干渉計の前記２つの光出力のパワーレベルの差分信号を、レーザ周波数と前記光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す第２の誤差信号として生成するステップと、
前記誤差信号及び前記第２の誤差信号の両方を用いて、前記レーザ及び前記光共振器を互いに同期させるステップとを有する請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
レーザからのレーザ周波数に対して、光共振器の共振周波数を安定させるデバイスにおいて、
レーザキャリア周波数でレーザ出力ビームを生成するレーザと、
前記レーザ出力ビームの光路内に配置され、前記レーザ出力ビームの光を受け取る光共振器と、
前記光共振器を光路に結合し、前記レーザ出力ビームの光を受け取り、光出力を生成し、前記レーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数において、前記光共振器に結合された光が前記光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件下にない光結合を提供するように、前記光共振器に対して構成及び配置された光カプラと、
前記レーザ出力ビームの光路内に、前記レーザと前記光共振器との間に配置され、前記レーザ出力ビームを変調して、変調側波帯を生成する光変調器とを備え、前記光カプラによる前記変調側波帯内の光の前記光共振器への光結合は、臨界結合条件の付近にあり、前記変調側波帯内の光の光吸収によって、前記光共振器が熱的に安定し、前記変調側波帯は、前記光フィルタモード周波数とは周波数が異なるデバイス。
【請求項１６】
前記光共振器の温度を制御して、前記光共振器が変調側波帯において、臨界結合条件の付近になるようにする温度制御器を備える請求項１５記載のデバイス。
【請求項１７】
前記光共振器は、ウィスパリングギャラリーモード共振器である請求項１５記載のデバイス。
【請求項１８】
前記光フィルタモード周波数の付近のスペクトル成分を有する光信号を方向付け、前記光共振器を通過させ、前記光フィルタモード周波数における前記光共振器の共振によって、前記光信号を光学的にフィルタリングするメカニズムを備える請求項１５記載のデバイス。
【請求項１９】
光共振器フィルタを動作させる方法において、
変調側波帯を搬送するように変調されたレーザキャリア周波数の共振器制御レーザビームを光共振器に供給するステップと、
光カプラを動作させて、前記変調側波帯における光を、前記光共振器に結合された光が前記光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件の付近の前記光共振器に結合し、前記変調側波帯内の光の光吸収によって、前記光共振器を熱的に安定させるステップと、
前記光共振器が前記光共振器制御レーザビームを受信し、これによって安定化されている間、入射光信号を方向付けて前記光共振器を通過させ、前記変調側波帯及び前記共振器制御レーザビームの前記レーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数における前記光共振器の共振によって、入射光信号の光フィルタリングを行うステップとを有する方法。
【請求項２０】
前記光共振器に連結された温度制御器を用いて、前記光共振器の温度を制御し、前記光共振器が、前記変調側波帯において、前記臨界結合条件の付近になるようにする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記光共振器は、ウィスパリングギャラリーモード共振器である請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
光共振器にレーザを同期させるためのデバイスにおいて、
制御信号に応じてチューニング可能であり、レーザ周波数でレーザビームを生成する分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
前記光共振器内を循環するウィスパリングギャラリーモードをサポートするように構成され、前記ＤＦＢレーザに光学的に結合され、前記ウィスパリングギャラリーモードの前記光共振器内に前記レーザビームの一部を受け取り、前記光共振器内の前記ウィスパリングギャラリーモードのレーザ光を前記ＤＦＢレーザに戻して、前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数で前記レーザ周波数を安定させ、及び前記ＤＦＢレーザの線幅を削減する光共振器と、
前記ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングして、前記光共振器から前記ＤＦＢレーザへの前記レーザ光のフィードバックを介して、前記ＤＦＢレーザのレーザ周波数をチューニングする共振器チューニングメカニズムとを備えるデバイス。
【請求項２３】
前記光共振器は、前記光共振器に適用される電気信号に応じて屈折率を変更する電気光学材料を含み、
前記共振器チューニングメカニズムは、前記電気信号を適用及び制御して、前記ＤＦＢレーザのレーザ周波数をチューニングする請求項２２記載のデバイス。
【請求項２４】
前記共振器チューニングメカニズムは、前記光共振器の温度を制御及びチューニングして、前記ＤＦＢレーザのレーザ周波数をチューニングする請求項２２記載のデバイス。
【請求項２５】
前記共振器チューニングメカニズムは、前記光共振器に加わる圧力を印加及び制御して、前記ＤＦＢレーザのレーザ周波数をチューニングする請求項２２記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張及び関連する特許出願
本出願は、２００８年３月１１日に出願された、米国仮出願番号第６１／０３５，６０８号、発明の名称、「Tunable Narrow-Linewidth Injection-Locked Semiconductor Lasers with High-Q Whispering-Gallery Mode Resonators」、２００８年５月１５日に出願された、米国仮出願番号第６１／０５３，４１１号、発明の名称、「VERY PRECISE OPTICAL LOCK FOR BALANCED WGMR BASED FILTER」、及び２００８年７月３日に出願された、米国仮出願番号第６１／０５８，４８７号、発明の名称、「ALL OPTICAL LOCK FOR PHOTONIC APPLICATIONS」の優先権を主張する。これらの特許出願の開示全体は、引用によって、本出願の一部として援用される。
【０００２】
本発明は、光共振器に基づくデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
光共振器は、例えば、光周波数基準及び光フィルタリングデバイス等の様々な用途について、高い共振器品質係数（Ｑ値）を示すように構成できる。例えば、ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）共振器は、ウィスパリングギャラリーモードに光を閉じ込める構造を有し、光は、閉環状の光路内で全反射される。ＷＧＭ共振器内の光は、光透過によって共振器を出ることができず、この結果、ＷＧＭ共振器を用いることによって、ファブリ・ペロー共振器では達成することが困難な高い光の品質係数（Ｑ値）を有する光共振器を実現することができる。ＷＧＭ共振器内の光は、ＷＧモードのエバネッセント場を介して、ＷＧＭ共振器の閉環状の光路の外表面から「しみだす（leaks）」。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書は、光共振器及びレーザの光同期を提供するための技術及びデバイスの実施例を開示する。
【０００５】
一側面においては、本出願は、レーザを生成するレーザと、光干渉計と、光干渉計に接続された光共振器とを含むデバイスを提供する。レーザは、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成する。光干渉計は、レーザ出力ビームの光路内に位置し、レーザ出力ビームの第１の部分を受け取る第１の光路、レーザ出力ビームの第２の部分を受け取る第２の光路、及び第１及び第２の光路が合流して終わる光結合器を含む。光結合器は、第１の光路からの光の一部を透過し、第２の光路からの光の一部を反射して、第１の結合された光出力を生成する。また、光結合器は、第２の光路からの光の一部を透過し、第１の光路からの光の一部を反射して、第２の結合された光出力を生成する。光共振器は、第１の光路に光学的に結合され、第１の光路内の光をフィルタリングする。このデバイスは、第１の結合された光出力及び第２の結合された光出力を検出して、レーザ周波数と光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成する検出モジュールと、誤差信号を受け取り、誤差信号の周波数差に応じて、（１）レーザ及び（２）光共振器のうちの１つをチューニングして、レーザ及び光共振器を互いに同期させるフィードバック制御メカニズムを備える。
【０００６】
他の側面においては、レーザ及び光共振器を互いに同期させる方法は、レーザを動作させ、レーザビームを変調することなく、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成するステップと、レーザ出力ビームのレーザ光を、交差する第１の光路及び第２の光路を含み、第１の光路の光と第２の光路の光との間に光干渉を生成する光干渉計に方向付けるステップと、第１の光路内に光共振器を光学的に結合して、第１の光路内の光をフィルタリングするステップと、光干渉計の２つの光出力を用いて、レーザのレーザ周波数と、光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成するステップと、誤差信号の周波数差に応じて、（１）レーザ及び（２）光共振器の１つをチューニングして、レーザ及び光共振器を互いに同期させるステップとを有する。
【０００７】
他の側面においては、レーザからのレーザ周波数に対して、光共振器の共振周波数を安定させるデバイスを提供する。このデバイスは、レーザキャリア周波数でレーザ出力ビームを生成するレーザと、レーザ出力ビームの光路内に配置され、レーザ出力ビームの光を受け取る光共振器と、光共振器を光路に結合し、レーザ出力ビームの光を受け取り、光出力を生成する光カプラとを備える。光カプラは、レーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数において、光共振器に結合された光が光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件下にない光結合を提供するように、光共振器に対して構成及び配置されている。デバイスは、レーザ出力ビームの光路内に、レーザと光共振器との間に配置され、レーザ出力ビームを変調して、変調側波帯を生成する光変調器とを備え、光カプラによる変調側波帯内の光の光共振器への光結合は、臨界結合条件の付近にあり、変調側波帯内の光の光吸収によって、光共振器が熱的に安定する。変調側波帯は、光フィルタモード周波数とは周波数が異なる。
【０００８】
他の側面においては、光共振器フィルタを動作させる方法は、変調側波帯を搬送するように変調されたレーザキャリア周波数の共振器制御レーザビームを光共振器に供給するステップと、光カプラを動作させて、変調側波帯における光を、光共振器に結合された光が光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件の付近の光共振器に結合し、変調側波帯内の光の光吸収によって、光共振器を熱的に安定させるステップと、光共振器が光共振器制御レーザビームを受信し、これによって安定化されている間、入射光信号を方向付けて光共振器を通過させ、変調側波帯及び共振器制御レーザビームのレーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数における光共振器の共振によって、入射光信号の光フィルタリングを行うステップとを有する。
【０００９】
更に他の側面においては、光共振器にレーザを同期させるためのデバイスは、制御信号に応じてチューニング可能であり、レーザ周波数でレーザビームを生成する分布帰還（distributed feedback：ＤＦＢ）レーザと、光共振器内を循環するウィスパリングギャラリーモードをサポートするように構成され、ＤＦＢレーザに光学的に結合され、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器内にレーザビームの一部を受け取り、光共振器内のウィスパリングギャラリーモードのレーザ光をＤＦＢレーザに戻して、ウィスパリングギャラリーモードの周波数でレーザ周波数を安定させ、及びＤＦＢレーザの線幅を削減する光共振器とを備える。デバイスは、更に、ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングして、光共振器からＤＦＢレーザへのレーザ光のフィードバックを介して、ＤＦＢレーザのレーザ周波数をチューニングする共振器チューニングメカニズムを備える。
【００１０】
これら及びこの他の側面及び実施例については、図面、説明及び特許請求の範囲に詳細に開示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図１Ｂ】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図２】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図３】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図４Ａ】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図４Ｂ】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図４Ｃ】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図５】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図６】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図７】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図８】光干渉計を介して、レーザと共振器とを同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図９】変調側波帯内の光を用いる熱的安定化によって、レーザに共振器を同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図１０】変調側波帯内の光を用いる熱的安定化によって、レーザに共振器を同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図１１】変調側波帯内の光を用いる熱的安定化によって、レーザに共振器を同期させる具体例及び動作を説明する図である。
【図１２】注入同期によってレーザを共振器に同期させ、狭いレーザ線幅を達成するデバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書に開示する光同期技術及びデバイスは、高Ｑ値を有する光共振器を用いて、狭い共振器線幅を提供する。高Ｑ値を有する光共振器は、レーザのレーザ周波数に同期させることができ、又はこの逆を行うことができる。以下の具体例は、レーザ及び光共振器を互いに同期させる技術及びデバイスを提供する。具体例では、レーザを動作させ、レーザビームを変調することなく、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成する。レーザ出力ビームのレーザ光は、光干渉計に方向付けられ、光干渉計は、第１の光路及び第２の光路を含み、これらは、交差して、第１の光路の光と第２の光路の光との間に光干渉を生成する。光共振器は、第１の光路に結合され、第１の光路内の光をフィルタリングする。光干渉計の２つの光出力は、レーザのレーザ周波数と光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成するために使用される。そして、この誤差信号を用いて、レーザ及び光共振器の何れか又は両方を制御及びチューニングして、レーザ及び光共振器を互いに同期させる。
【００１３】
図１Ａ及び図１Ｂは、レーザと共振器とを互いに同期させる２つの例示的デバイスを示している。図１Ａのデバイスは、誤差信号に応じて共振器をチューニングすることによって、共振器をレーザに同期させ、一方、図１Ｂのデバイスは、誤差信号に応じてレーザをチューニングすることによって、レーザを共振器に同期させる。
【００１４】
図１Ａ及び図１Ｂでは、レーザ１０１を用いて、レーザ周波数でレーザ出力ビームを生成し、レーザ出力ビームは、光干渉計１１０に供給される。この具体例の光干渉計１１０は、マッハツェンダ干渉計（Mach-Zehnder interferometer）であり、入射光を、反射器１１４を含む第１の光路と、反射器１１６を含む第２の光路とに分離する入力ビームスプリッタ１１３を含む。第１及び第２の光路は、光結合器（optical combiner）１１５において、互いに合流し、終了する。この具体例では、光結合器１１５は、部分的な透過性を有し及び部分的な反射性を有し、第１の光路からの光の一部を透過し、第２の光路からの光の一部を反射して、第１の結合された光出力１１１（Ａ）を生成する光素子であってもよい。また、光結合器１１５は、第２の光路からの光の一部を透過し、第１の光路からの光の一部を反射して、第２の結合された光出力１１２（Ｂ）を生成する。光共振器１３０は、第２の光路に光学的に接続され、第２の光路内の光をフィルタリングする。共振器１３０としては、ＷＧＭ共振器を使用することができ、エバネッセント結合によって、ＷＧＭ共振器を第２の光路に結合することができる。検出モジュール１２０は、第１の結合された光出力１１１及び第２の結合された光出力１１２を検出して、レーザ１０１のレーザ周波数と、光共振器１３０の共振周波数との間の周波数差を表す誤差信号を生成する。フィードバック制御１４０を設け、誤差信号を受け取り、レーザ１０１及び光共振器１３０の一方をチューニングして、レーザ１０１及び光共振器１３０を互いに同期させる。幾つかの具体例では、同期を実現するために、レーザ１０１と共振器１３０の両方をチューニングしてもよい。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、検出モジュール１２０は、光検出器、例えば、低速フォトダイオードを含み、干渉計１１０のホワイトポート及びダークポート(white and dark ports)を検出し、光検出器の出力は、差動増幅器１２１において減算される。増幅器１２１の出力は、誤差信号を表す。この出力は、干渉計１１０内の２つの光路の平衡が完全に保たれていれば、レーザ１０１と共振器１３０の間の光学的な離調がゼロのとき、略々ゼロ電圧になる。共振器１３０を有する第２の光路内の光ビームの位相は、共振器１３０の共振周波数及びその帯域幅に鋭く依存する。
【００１６】
共振器１３０は、様々なメカニズムに基づいてチューニングできる。例えば、ＷＧＭ共振器は、電気光学材料（electro-optic material）から形成でき、材料に適用される電気的制御信号を変化させることによってチューニングできる。更に、共振器は、共振器の温度を制御することによって、又はＰＺＴアクチュエータ等のアクチュエータを用いて共振器を機械的に圧縮する力又は圧力を加えることによってチューニングすることもできる。
【００１７】
図２は、図１Ａ及び図１Ｂにおける信号Ａ、Ｂ、Ｃを示している。図３は、飽和状態の下で動作する増幅器１２１の出力を示している。図１Ａ及び図１Ｂの設計は、レーザからのレーザキャリア（laser carrier）の光学的変調を必要とせず、コンパクトなパッケージ内に設計することができる。フィードバックは、高い利得によって、敏感で有効な同期を提供するように設計することができる。同期は、フィードバックの平衡範囲内で自動的に開始するようにしてもよい。
【００１８】
図１Ａ及び図１Ｂの差分信号を使用することによって、同期範囲が共振器１３０の共振の線幅内に制限される。この動作範囲は、ある用途では、狭くて不十分であることがある。
【００１９】
図４Ａ〜図４Ｃ及び図５は、広帯域の同期動作を提供する検出モジュール１２０の他の具体例を示している。
【００２０】
図４Ａは、光検出器の出力の１つが、２つの信号に分離されることを示している。図４Ｂ及び図４Ｃは、図４Ａの設計についての信号及び検出の詳細を示している。１つの信号は、移相器４１０によって、位相が９０度シフトされ、他方の信号は、微分器４２０に供給され、同じ光検出器の微分された出力を生成する。そして、２つの処理済の信号は、乗算器４３０に供給され、乗算器４３０は、２つの処理済の信号を乗算する。結果は、レーザ１０１のレーザ周波数と共振器１３０の共振周波数との間の離調がゼロのとき、ゼロ出力になる誤差信号である。信号は、ゼロ離調条件から線形に大きくなり、検出モジュール１２０において使用されるＲＦ成分の帯域幅によって制限される広い帯域幅を有する。
【００２１】
図５は、第１の結合された光出力１１１の位相をシフトして、第１の信号を生成する第１の信号処理ユニット４１０と、第２の結合された光出力１１２の時間微分を実行して、第２の信号を生成する第２の信号処理ユニット４２０とを用いて、レーザ１０１と共振器１３０とを互いに同期させるデバイスを示している。信号乗算器４３０は、第１の信号と第２の信号とを乗算して、乗算された信号を生成するために使用される。検出モジュール１２０は、乗算された信号を用いて、レーザ１０１と共振器１３０との間の周波数差を示す誤差信号を生成する。
【００２２】
図６は、図１Ａ及び図１Ｂに示したフィードバック技術、並びに図４Ａ〜図４Ｃ及び図５に示したフィードバック技術の両方を用いて、レーザ１０１と共振器１３０とを互いに同期させる更なる例示的なデバイスを示している。この具体例では、デバイス４１０は、光干渉計１１０の２つの光出力の一方の位相を９０度シフトさせて第１の信号を生成するために使用され、デバイス４２０は、光干渉計１１０の２つの光出力の他方の時間微分を実行して、第２の信号を生成するために使用される。乗算器４３０は、第１の信号及び第２の信号を乗算して、乗算された信号を算出し、周波数差を示す第１の誤差信号を生成する。これに平行して、差動増幅器１２１を用いて、レーザ周波数と光共振器の共振周波数との間の周波数差を表す第２の誤差信号として、光干渉計１１０の２つの光出力のパワーレベルの差分信号を生成する。次に、フィードバック１４０は、第１及び第２の誤差信号の両方を他の差動増幅器６１０への入力として用いて、レーザ１０１と光共振器１３０とを互いに同期させるための誤差信号として、出力を生成する。
【００２３】
上述の技術をＣａＦ２高Ｑ値ウィスパリングギャラリーモード共振器フィルタに基づく実験的セットアップを用いて検査した。このセットアップでは、１５５１ｎｍのレーザを使用し、レーザ出力をファイバに結合されたフィルタに供給した。マッハツェンダ干渉計は、ファイバパッチコード及びＮｅｗｐｏｒｔ社のダイレクトファイバカプラによって組み立てた。図７は、フィルタの測定された光スペクトルを示しており、図８は、誤差信号の具体例を示している。
【００２４】
ウィスパリングギャラリーモード共振器（whispering gallery mode resonator：ｗｇｍｒ）に基づくフォトニックフィルタは、様々な用途におけるキャリア周波数と、ｗｇｍｒの共振周波数との間で、周波数差の正確なチューニングを必要とすることがある。この差は、フォトニックフィルタのフィルタリング関数の中心を決定する。例えば、ある用途では、シングル１５ＭＨｚ広域ＣａＦ２ｗｇｍｒフィルタの固有周波数は、数ＭＨｚ以内に安定化できる。このレベルの周波数安定化は、約７ｍＫの温度範囲以内の共振器の熱的安定化を要求することがある。これは、ＰＩＤ駆動熱電冷却器（thermoelectric cooler：ＴＥＣ）及び受動熱分離（passive thermal isolation）を用いて達成できる。幾つかの用途では、より高い安定性が要求される。例えば、１５ＭＨｚバランスフィルタは、２個の共振線の位相間の差を利用する。これは、ＭＨｚ以下の周波数の安定性を必要とし、これには、１００μＫレベルの熱的安定化が要求される。このレベルの熱的安定化は、複雑な多段式ＴＥＣ制御技術を用いて達成できるが、このような技術の幾つかでは、フィルタの綿密な熱設計及び比較的嵩張るパッケージングが要求される。
【００２５】
以下では、共振器の自然な熱的非線形性を利用して、レーザのレーザキャリア周波数と共振器のモードとの間の周波数間隔を制御する技術及びデバイスについて説明する。例えば、図９は、光共振器の共振を安定させるような１つのデバイスの詳細を示す図である。このデバイスでは、レーザ９０１は、レーザキャリア周波数でレーザ出力ビームを生成し、光共振器フィルタ９２０は、レーザ出力ビームの光路内に配置され、レーザ出力ビームの光を受け取る。光共振器９２０を光路に結合し、レーザ出力ビームの光を受け取り、光出力を生成するための光カプラが設けられている。光カプラは、レーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数において、光共振器に結合された光が光共振器内で完全に捕捉される臨界結合条件下にない光結合を提供するように、光共振器９２０に対して構成及び配置される。このデバイスは、レーザ出力ビームの光路内に、レーザ９０１と光共振器９２０との間に光変調器９１０を備え、光変調器９１０は、レーザ出力ビームを変調して、変調側波帯を生成し、光カプラによる変調側波帯内の光の光共振器９２０への光結合は、臨界結合条件の付近にあり、変調側波帯内の光の光吸収によって、共振器９２０が熱的に安定する。変調側波帯は、光フィルタモード周波数とは周波数が異なる。ＴＥＣ９３０は、共振器９２０に熱接触し、ＴＥＣコントローラ９４０によるコントロールを介して、共振器９２０の温度を制御する。この温度制御は、共振器９２０を所望の熱条件の付近にする粗いＤＣ熱バイアスを提供する。そして、変調レーザビームを用いて、共振器９２０をレーザ１０１に熱的に同期させる精密な熱的安定化を行う。
【００２６】
レーザ出力ビームは、ＲＦ源又は合成器９１２によって制御される周波数で変調される。変調サービス側波帯（modulation service sideband）の周波数位置及び強度は、合成器９１２のＲＦパワー及び周波数の制御によって、精密に制御できる。変調の周波数は、サービス側波帯が補助的光モードに一致し、この結合が、臨界結合条件に近いが、これより低くなるように選択される。光カプラと共振器との間の光結合のための臨界結合条件は、共振器内部の損失及び光カプラを介する光結合の損失が等しく、共振器に結合される光が共振器内に完全に捕捉され、共振周波数における結合された光の透過がゼロとなる条件である。この設計の下では、共振器９２０の他のモード、すなわち、光フィルタリング動作のために用いられるフィルタリングモードは、強く密結合（strongly overcoupled）され、したがって、フィルタリングモードの光は、共振器内に捕捉されず、共振器９２０を透過することができる。したがって、サービスモード及び補助的モードは、フィルタリングモードとは大きく異なる熱的非線形性を示す。この結果、実際には、サービス側波帯によって励起される補助的モードだけが熱的非線形性を介して共振器の光周波数に影響し、フィルタリングモードでフィルタリングされる信号は、共振器の加熱条件に影響しない。
【００２７】
補助的モードにおける光パワーの吸収の結果、共振器の温度の可逆シフト及び共振器の屈折率のシフトが生じる。温度のこの変化は、共振器の周縁（rim）の付近の全ての光モードの周波数をシフトさせる。熱的非線形性は、光パワーを補助的モードに固定する自然なフィードバックを表す。共振器の温度の変動又はレーザの周波数の変動は、サービス側波帯を補助的光モードの勾配に維持する共振器の周縁の光学的加熱又は冷却を引き起こす。この熱フィードバックのフィードバック利得は、共振器の熱的非線形性、モード体積、共振器の本体の熱伝導率及び熱容量に依存する。
【００２８】
図１０は、共振器内のサービス側波帯の熱効果に基づく熱的安定化のための上述した周波数を示している。このように、臨界結合条件の付近のサービス側波帯内の光の存在は、フィードバック制御回路なしで、フィルタモード周波数をレーザキャリア周波数に同期させる。幾つかの具体例では、フィードバック制御を提供して、サービス側波帯による熱的安定化を更に強めてもよい。例えば、光検出器を用いて、サービス側波帯における共振器からの光の透過を監視することができ、フィードバック制御を用いて、レーザのレーザ周波数又は共振器の温度を制御して、サービス側波帯が、サービス側波帯についての臨界結合条件の付近の共振の勾配にあることを確実にする。
【００２９】
この技術では、フィルタモード周波数でフィルタリングされる信号に影響しない完全に異なる光周波数で補助的光パワーを励起できる。フィルタリングモードの熱的非線形性は、低く保つことができる。レーザ周波数は、時間の経過に伴ってドリフトすることがあるが、サービス側波帯を介する熱的な同期によって、レーザがドリフトしても、レーザのキャリア周波数と、ｗｇｍｒの共振周波数との間の周波数差を維持できる。したがって、この同期方式のために、長期安定性が高いレーザは、要求されない。
【００３０】
２００ｋＨｚのＣａＦ２線形ｗｇｍｒフィルタ、ＥＯＳＰＡＣＥ社の変調器（EO-space modulator）及びＫｏｈｅｒａｓ社の１５５０ｎｍレーザを用いて、ここに提案する技術を検査した。熱フィードバックの利得を測定するために、レーザ周波数を１００ＭＨｚシフトさせ、図１１に示すように、レーザの周波数とモードの共振周波数との間で相対シフトを測定した。１２０μＷの光パワーを有するサービス側波帯と共に、測定されたフィードバック時定数は、約５００ｍｓであり、利得は、約１０００であった。１５０μＷより高いパワーでは、この特定のセットアップのフィードバックは、不安定になった。
【００３１】
測定された周波数差の安定性は、約１００ｋＨｚであり、これは、バランスフィルタにおける約１度の位相安定性に相当する。熱屈折発振（thermo-refractive oscillation）の周波数より高い周波数でサブ変調されたサービス側波帯（sub-modulated service sideband）によって更なる向上が達成できる。この種のサブ変調は、熱屈折発振を抑圧し、サービス側波帯のパワーを高め、この結果、フィードバックの利得を高める。
【００３２】
サービス側波帯によって安定化される上述した光共振器フィルタの動作では、変調側波帯を搬送するために変調されたレーザキャリア周波数の共振器制御レーザビームが、光共振器に供給される。光カプラを使用して、変調側波帯における光を臨界結合条件の付近の光共振器に結合して、変調側波帯内の光の光吸収によって、共振器を熱的に安定させる。共振器が共振器制御レーザビームを受信し、これによって安定化されている間、入射光信号は、光共振器を通るように方向付けられ、変調側波帯及び共振器制御レーザビームのレーザキャリア周波数とは異なる光フィルタモード周波数における光共振器の共振によって、入射光信号の光フィルタリングが行われる。
【００３３】
他の光同期は、注入同期によるレーザの共振器への同期である。例えば、レーザからＷＧＭ共振器にレーザ光を向け、ＷＧＭ共振器からのレーザ光を、直接注入を介してレーザに供給することによって、線幅削減及び安定化のためにレーザをウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）共振器に同期させることができる。共振器を通過する光の一部は、レーザに反射し、レーザ周波数（波長）を共振器の高Ｑモードの周波数に同期させ、そのスペクトルラインを狭くする。ＷＧＭ共振器が、例えば、温度の変動又は振動等の環境摂動に対して安定化すると、共振器のモード周波数（modal frequency）の安定性は、レーザ周波数又は波長に伝わる。ＷＧＭ共振器は、電気光学材料から形成することができ、材料に印加される電気的制御信号を変更することによって、チューニングすることができる。光注入同期のため、レーザ波長又は周波数は、共振器に印加されるＤＣ電圧の印加によってチューニングできる。更に、ＷＧＭ共振器に、共振器の１つ以上の自由スペクトル領域に一致する周波数を有するマイクロ波又はＲＦ場を適用することによって、レーザ周波数を位相変調及び／又は振幅変調することができる。共振器のモード周波数は、温度、圧力の印加によって変更でき、電気光学材料で形成されている共振器の場合、印加されるＤＣ電位によって変更できるので、レーザの周波数（波長）もチューニングできる。レーザに印加されるＤＣ電流へのマイクロ波信号の印加によって、レーザの周波数が変調される場合、レーザの周波数（波長）は、共振器に同期されたままになる。この結果、変調可能な狭線幅レーザを得ることができる。ＷＧＭ共振器が電気光学材料で形成されている場合、適切な結合回路を用いて、共振器にマイクロ波又はＲＦ電磁波を印加して、レーザの強度を変調でき、レーザは、ＷＧＭ共振器に同期され続ける。
【００３４】
図１２は、レーザを光共振器に同期させるための例示的デバイスを示している。このデバイスは、制御信号に応じてチューニング可能であり、レーザ周波数でレーザビームを生成する分布帰還（distributed feedback：ＤＦＢ）レーザを含む。光共振器は、光共振器内を循環するウィスパリングギャラリーモードをサポートし、ＤＦＢレーザに光学的に結合され、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器内にレーザビームの一部を受け取り、光共振器内のウィスパリングギャラリーモードのレーザ光をＤＦＢレーザに戻して、ウィスパリングギャラリーモードの周波数でレーザ周波数を安定させ、及びＤＦＢレーザの線幅を削減するように構成されている。また、このデバイスは、ウィスパリングギャラリーモードの周波数を制御及びチューニングして、光共振器からＤＦＢレーザへのレーザ光のフィードバックを介して、ＤＦＢレーザのレーザ周波数をチューニングする共振器チューニングメカニズムを含む。この具体例の光カプラは、入力結合及び出力結合の両方のためのプリズムカプラである。ＤＦＢレーザと共振器との間には、カップリングマイクロ光学素子（coupling micro optics）が配設されている。ＤＦＢレーザは、他のレーザに比べて、本来の高いＱ値（high intrinsic Q）を有し、したがって、ＷＧＭ共振器の高密度スペクトル内のＷＧモードの選択について、より良好な制御を提供する。また、ＷＧＭ共振器は、例えば、共振器を圧縮するＰＺＴアクチュエータ等によって応力を印加することによって、又は温度制御によって、チューニング又は制御することもできる。図に示すように、レーザデバイスが形成される台（mount）は、熱的に制御される。
【００３５】
本明細書は、多くの詳細事項を含んでいるが、これらの詳細事項は、任意の発明の範囲又は特許請求の範囲を限定するものとは解釈されず、特定の実施の形態の特定の特徴の記述として解釈される。本明細書おいて、別個の実施の形態の文脈で開示した幾つかの特徴を組み合わせて、単一の実施の形態として実現してもよい。逆に、単一の実施の形態の文脈で開示した様々な特徴は、複数の実施の形態に別個に具現化してもよく、適切な如何なる部分的組合せとして具現化してもよい。更に、以上では、幾つかの特徴を、ある組合せで機能するものと説明しているが、初期的には、そのように特許請求している場合であっても、特許請求された組合せからの１つ以上の特徴は、幾つかの場合、組合せから除外でき、特許請求された組合せは、部分的組合せ又は部分的な組合せの変形に変更してもよい。
【００３６】
幾つかの具体例のみを開示した。本出願において説明し例示したことから、変形例、拡張例及び他の具体例を想到できることは明らかである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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