(57)【要約】  非線形光学材料によって構成された光共振器と、アクティブ光電子ループを用いたＲＦまたはマイクロ波発振を生成するための非線形波混合とに基づいた技術およびデバイス。【選択図】図１
2014520289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の光非線形性からの光再生発振に基づいて低ノイズＲＦ信号を生成する方法であって、
光ポンプ周波数におけるレーザー光を、ウィスパリングギャラリーモードをサポートし、前記光ポンプ周波数における前記レーザー光からエネルギーをとることにより、前記光ポンプ周波数と異なる１つ以上の新規な光周波数における光を生成するための非線形光混合およびパラメトリック増幅を発生させる光非線形性を示す光ウィスパリングギャラリーモード共振器中に結合させる工程と、
ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波を含み、前記ＲＦ周波数および前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の前記１つ以上のＲＦ高調波に対応する変調帯を有する変調レーザー光を生成し、さらに、前記光ポンプ周波数から前記変調帯にパワーを転送するための前記光ポンプ周波数および前記変調帯における前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の光の非線形混合を発生させるために変調デバイスに供給される無線周波数（ＲＦ）信号に基づいて、前記レーザー光の変調を発生させる前記変調デバイスを動作させる工程と、
前記光ポンプ周波数および前記変調帯における光の光検出器における復調に基づいて、前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ変調帯におけるＲＦ検出器出力を生成するため、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器から外部へ出ていく光を前記光検出器中へ結合させる工程と、
前記ＲＦ検出器出力に基づいて前記ＲＦ信号を処理するＲＦ回路中へ、前記ＲＦ検出器出力を方向付ける工程と、
前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のうち少なくともいくつかを含む前記ＲＦ信号を維持する光電子発振を維持し、さらに、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器による前記非線形光混合およびフィルタリングを介して前記ＲＦ信号内の位相ノイズを低減するためのアクティブ光電子発振器ループを形成するよう、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器、前記変調デバイス、前記光検出器および前記ＲＦ回路を作動させる工程と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記変調デバイスは、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器の外部の光変調器であり、前記方法は、
変調レーザー光を生成するため、前記レーザー光を前記光変調器内へ方向付ける工程と、
前記非線形光混合を発生させるため、前記光変調器によって変調レーザー光出力を前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中へと方向付ける工程と、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器は、前記ＲＦ信号に応答して光電気効果を示し、前記変調デバイスは、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器上に形成され、前記光電気効果を介した前記レーザー光の光変調を発生させるため、前記ＲＦ信号を前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器に供給する少なくとも１つの電極を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
他のＲＦ周波数を排除しつつ、前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のうちいくつかを選択するＲＦ通過帯域を発生させるため、前記ＲＦ回路を前記アクティブ光電子発振器ループ内に構成する工程、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ＲＦ回路によって選択された前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のいくつかにより、他のＲＦ周波数を除去しつつ、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の前記非線形光混合によって生成された光の光スペクトルを調整するため、前記アクティブ光電子発振器ループの前記ＲＦ回路内にＲＦフィルタを結合させる工程、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ＲＦ信号を増幅するため、前記光電子発振器ループの前記ＲＦ回路内にＲＦ増幅器を結合させる工程、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の前記非線形光混合によって、および前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の前記非線形光混合を介して生成された光出力のうち一部を、前記光ポンプ周波数および前記変調帯に対応する前記光周波数における光を含む光出力として結合する工程、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
位相同期された光高調波および光パルスを生成するよう、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器の前記光出力内の光周波数のモード同期を発生させるため、前記アクティブ光電子発振器ループを動作させる工程、
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の光非線形性を介した光の再生に基づいて低ノイズ無線周波数（ＲＦ）信号を生成するデバイスであって、
光ポンプ周波数におけるレーザー光を生成するレーザーと、
ウィスパリングギャラリーモードをサポートし、前記光ポンプ周波数における前記レーザー光からのエネルギーをとることにより、前記光ポンプ周波数と異なる１つ以上の新規な光周波数における光を生成するための非線形光混合およびパラメトリック増幅を発生させる光非線形性を示す光ウィスパリングギャラリーモード共振器と、
前記レーザーからの前記レーザー光を前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中へと結合させる光カプラと、
前記レーザーと前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器との間の光経路内に配置された光変調器であって、ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波を含み、前記ＲＦ周波数および前記１つ以上のＲＦ高調波に対応する変調帯を有する変調レーザー光を生成するために前記光変調器に供給されるＲＦ信号に基づいて、前記レーザー光の変調を発生させるように動作可能な光変調器と、
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器から外部へ出ていく光を受け取るように結合された光検出器であって、前記光ポンプ周波数および前記変調帯における光の前記光検出器における復調に基づいて、前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波におけるＲＦ検出器出力が生成される、光検出器と、
前記ＲＦ検出器出力を受け取るように結合され、前記ＲＦ検出器出力に基づいて前記ＲＦ信号を処理するように動作可能であるＲＦ回路と、
を含み、
前記光変調器、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器、前記光検出器および前記ＲＦ回路は、アクティブ光電子発振器ループを形成するように構成されており、前記アクティブ光電子発振器ループは、前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ回路中の前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のうち少なくともいくつかを含む前記ＲＦ信号を維持する光電子発振を維持し、さらに、前記アクティブ光電子発振器ループ内の前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器による前記非線形光混合およびフィルタリングを介して、前記ＲＦ信号中の位相ノイズを低減し、
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の前記光ポンプ周波数および前記変調帯における前記変調レーザー光は、前記光ポンプ周波数におけるパワーを前記変調帯に対応する光周波数に転送するため、非線形光混合を経る、
デバイス。
【請求項１０】
前記アクティブ光電子発振器ループ中の前記ＲＦ回路は、他のＲＦ周波数を排除しつつ、前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のうちいくつかが前記ＲＦ信号中にあるように選択するＲＦ通過帯域を発生させるように構成されている、
請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記ＲＦ回路は、前記ＲＦ回路によって選択された前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のうちいくつかにより、他のＲＦ周波数を排除しつつ、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の前記非線形光混合によって生成された光の光スペクトルを調節するＲＦフィルタを含む、
請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記ＲＦ回路は、前記ＲＦ信号を増幅するＲＦ増幅器を含む、
請求項９に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の前記非線形光混合によって、および前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の前記非線形光混合を介して生成された光出力のうち一部を、前記光ポンプ周波数および前記変調帯に対応する前記光周波数における光を含む光出力として結合させる出力光カプラ、
を含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１４】
光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の光非線形性を介した光の再生に基づいて低ノイズ無線周波数（ＲＦ）信号を生成するデバイスであって、
光ポンプ周波数におけるレーザー光を生成するレーザーと、
ウィスパリングギャラリーモードをサポートし、前記光ポンプ周波数における前記レーザー光からのエネルギーをとることにより、前記光ポンプ周波数と異なる１つ以上の新規な光周波数における光を生成するための非線形光混合を発生させる光非線形性を示し、さらに、光電気効果を示す光ウィスパリングギャラリーモード共振器と、
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器上に形成され、前記光電気効果を介して前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の光の光変調を発生させるため、ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波を含む無線周波数（ＲＦ）信号を前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器へと供給する電極と、
前記レーザーからの前記レーザー光を前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中へと結合させる光カプラであって、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内において結合された前記レーザー光は、前記ＲＦ周波数および前記１つ以上のＲＦ高調波に対応する変調帯を含むよう変調されている、光カプラと、
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器から外部へ出ていく光を受け取るように結合された光検出器であって、前記光ポンプ周波数および前記変調帯における光の前記光検出器における復調に基づいて、前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波におけるＲＦ検出器出力が生成される、光検出器と、
前記ＲＦ検出器出力を受け取るように結合され、前記ＲＦ検出器出力に基づいて前記ＲＦ信号を生成するように動作可能なＲＦ回路と、
を含み、
前記ＲＦ回路は、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器上の前記電極に結合され、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内において光変調を発生させるよう、前記ＲＦ信号を供給し、
前記光変調器、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器、前記光検出器および前記ＲＦ回路は、アクティブ光電子発振器ループを形成するように構成されており、前記アクティブ光電子発振器ループは、前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ回路中の前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のうち少なくともいくつかを含む前記ＲＦ信号を維持する光電子発振を維持し、さらに、前記アクティブ光電子発振器ループ内の前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器による前記非線形光混合およびフィルタリングを介して、前記ＲＦ信号中の位相ノイズを低減し、
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の前記光ポンプ周波数および前記変調帯における変調された前記レーザー光は、前記光ポンプ周波数におけるパワーを前記変調帯に対応する光周波数に転送するため、非線形光混合を経る、
デバイス。
【請求項１５】
前記アクティブ光電子発振器ループ内の前記ＲＦ回路は、他のＲＦ周波数を排除しつつ、前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のうちいくつかが前記ＲＦ信号中にあるように選択するＲＦ通過帯域を発生させるように構成されている、
請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記ＲＦ回路は、前記ＲＦ回路によって選択された前記ＲＦ周波数および前記ＲＦ周波数の前記１つ以上のＲＦ高調波のうちいくつかにより、他のＲＦ周波数を排除しつつ、前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の前記非線形光混合によって生成された光の光スペクトルを調節するＲＦフィルタを含む、
請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記ＲＦフィルタは、前記光領域内の前記フィルタリングの機能を果たすフォトニックＲＦフィルタを形成する光学コンポーネントおよび電子コンポーネントを含む、
請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ＲＦ回路は、前記ＲＦ信号を増幅させるＲＦ増幅器を含む、
請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の前記非線形光混合によって、および前記光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の前記非線形光混合を介して生成された光出力のうち一部を、前記光ポンプ周波数および前記変調帯に対応する前記光周波数における光を含む光出力として結合させる出力光カプラ、
を含む、請求項１４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
優先権の主張および関連出願への相互参照。本出願は、米国仮出願第６１／５００，５４２号（名称：「ＰＡＲＡＭＥＴＲＩＣ  ＲＥＧＥＮＥＲＡＴＩＶＥ  ＯＳＣＩＬＬＡＴＯＲＳ」、出願日：２０１１年６月２３日」の優先権を主張する。該特許出願の開示の全ては、参照されることにより、本出願の開示の一部として組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本出願は、フォトニック素子に基づいた信号発振器に関する。
【０００３】
信号をＲＦ周波数およびマイクロ波周波数において生成する無線周波数（ＲＦ）およびマイクロ波発振器は、回路、通信デバイスなどの広範囲の用途において用いられている。このようなＲＦおよびマイクロ波発振器は、電子コンポーネントおよび光学コンポーネント双方を用いて光電子発振器（「ＯＥＯ」）を形成する「ハイブリッド」デバイスとして構成され得る。例えば、米国特許第５，７２３，８５６号、第５，７７７，７７８号、第５，９２９，４３０号および第６，５６７，４３６号を参照されたい。
【０００４】
例えば、このようなＯＥＯは、電気的に制御可能な光変調器と、少なくとも１つのアクティブ光電子フィードバックループとを含み得る。少なくとも１つのアクティブ光電子フィードバックループは、光検出器によって相互接続された光学部分および電気部分を含む。光電子フィードバックループは、変調された光出力を変調器から受信し、変調された光出力を電気信号へ変換する。この電気信号は、変調器を制御するために供給される。アクティブ光電子ループのループ利得および他の任意のさらなるフィードバックループが全損失を超えた場合、フィードバックループは、ループの光学部分において所望の長さの遅延を発生させることにより、位相ノイズを抑制し、変換された電気信号を同相で変調器へと送って、光変調を生成し、ＲＦ周波数またはマイクロ波周波数における電気的発振を生成および維持する。このような光電子ループは、発振するアクティブな同相ループであるため、（特定の安定動作条件又は状態においてデバイスを安定させる）従来のフィードバックループと異なる。生成した発振信号は周波数調節可能であり、（他のＲＦ発振器およびマイクロ波発振器から発生する信号と比較して）スペクトル線幅が狭くかつ位相ノイズが低い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本文書は、光共振器に基づいた技術およびデバイスを提供する。これらの光共振器は、非線形光波混合を提供する非線形光学材料によって構成され、低ノイズＲＦ信号を提供するアクティブ光電子ループの一部として機能する。
【０００６】
一つの様態では、光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の光非線形性からの光再生発振に基づいて低ノイズＲＦ信号を生成する方法が提供される。この方法は、光ポンプ周波数におけるレーザー光を、ウィスパリングギャラリーモードをサポートし、光ポンプ周波数におけるレーザー光からエネルギーをとることにより、光ポンプ周波数と異なる１つ以上の新規な光周波数における光を生成するための非線形光混合およびパラメトリック増幅を発生させる光非線形性を示す光ウィスパリングギャラリーモード共振器中に結合させる工程と、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波を含み、ＲＦ周波数および光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の１つ以上のＲＦ高調波に対応する変調帯を有する変調レーザー光を生成し、さらに、光ポンプ周波数から変調帯にパワーを転送するための光ポンプ周波数および変調帯における光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の光の非線形光混合を発生させるために変調モジュールに供給されるＲＦ信号に基づいて、レーザー光の変調を発生させる変調デバイスを動作させる工程と、光ポンプ周波数および変調帯における光の光検出器における復調に基づいて、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ変調帯におけるＲＦ検出器出力を生成するため、光ウィスパリングギャラリーモード共振器から外部へ出ていく光を光検出器中へ結合させる工程と、ＲＦ検出器出力に基づいてＲＦ信号を処理するＲＦ回路中へ、ＲＦ検出器出力を方向付ける工程と、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波のうち少なくともいくつかを含むＲＦ信号を維持するための光電子発振を維持し、さらに、光ウィスパリングギャラリーモード共振器による非線形光混合およびフィルタリングを介してＲＦ信号中の位相ノイズを低減するためのアクティブ光電子発振器ループを形成するよう、光ウィスパリングギャラリーモード共振器、変調デバイス、光検出器およびＲＦ回路を作動させる工程と、を含む。
【０００７】
別の様態では、光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の光非線形性を介した光の再生に基づいた低ノイズＲＦ信号を生成するデバイスが提供される。このデバイスは、光ポンプ周波数におけるレーザー光を生成するレーザーと、ウィスパリングギャラリーモードをサポートし、光ポンプ周波数におけるレーザー光からエネルギーをとることにより、光ポンプ周波数と異なる１つ以上の新規な光周波数における光を生成するための非線形光混合およびパラメトリック増幅を発生させる光非線形性を示す光ウィスパリングギャラリーモード共振器と、レーザーからのレーザー光を光ウィスパリングギャラリーモード共振器中へと結合させる光カプラと、レーザーと光ウィスパリングギャラリーモード共振器との間の光経路内に配置された光変調器と、を含む。光変調器は、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波を含み、ＲＦ周波数および１つ以上のＲＦ高調波に対応する変調帯を有する変調レーザー光を生成するために変調器に供給されるＲＦ信号に基づいて、レーザー光の変調を発生させるように動作可能である。光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の光ポンプ周波数および変調帯における変調レーザー光は、光ポンプ周波数におけるパワーを変調帯に対応する光周波数へと転送するため、非線形光混合を経る。本デバイスは、光検出器およびＲＦ回路を含む。光検出器は、光ウィスパリングギャラリーモード共振器から外部へ出ていく光を受け取るように結合され、光ポンプ周波数および変調帯における光の光検出器における復調に基づいて、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波におけるＲＦ検出器出力を生成する。ＲＦ回路は、ＲＦ検出器出力を受け取るように結合され、ＲＦ検出器出力に基づいてＲＦ信号を処理するように動作可能である。本デバイスにおいて、光変調器、光ウィスパリングギャラリーモード共振器、光検出器およびＲＦ回路は、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波のうち少なくともいくつかを含むＲＦ信号を維持する光電子発振を維持し、さらに、光ウィスパリングギャラリーモード共振器による非線形光混合およびフィルタリングを介して、ＲＦ信号中の位相ノイズを低減するためのアクティブ光電子発振器ループを形成するように構成される。
【０００８】
さらに別の様態では、光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の光非線形性を介した光の再生に基づいた低ノイズＲＦ信号を生成するデバイスが提供される。本デバイスは、光ポンプ周波数におけるレーザー光を生成するレーザーと、ウィスパリングギャラリーモードをサポートし、光ポンプ周波数におけるレーザー光からエネルギーをとることにより、光ポンプ周波数と異なる１つ以上の新規な光周波数における光を生成するための非線形光混合を発生させる光非線形性を示し、さらに、光電気効果を示す光ウィスパリングギャラリーモード共振器と、光ウィスパリングギャラリーモード共振器上に形成され、光電気効果を介して光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の光の光変調を発生させるため、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波を含むＲＦ信号を光ウィスパリングギャラリーモード共振器へと供給する電極と、レーザーからのレーザー光を光ウィスパリングギャラリーモード共振器中へと結合させる光カプラと、を含む。光ウィスパリングギャラリーモード共振器内において結合されたレーザー光は、ＲＦ周波数および１つ以上のＲＦ高調波に対応する変調帯を含むように変調されている。光ポンプ周波数におけるパワーを変調帯へと転送するため、光ポンプ周波数および光ウィスパリングギャラリーモード共振器内の変調帯における変調されたレーザー光は、非線形光混合を経る。本デバイスは、光検出器と、ＲＦ回路とを含む。光検出器は、光ウィスパリングギャラリーモード共振器から外部へ出ていく光を受け取るように結合され、これにより、光ポンプ周波数および変調帯における光の光検出器における復調に基づいて、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波におけるＲＦ検出器出力が生成される。ＲＦ回路は、ＲＦ検出器出力を受け取るように結合され、ＲＦ検出器出力に基づいてＲＦ信号を生成するように動作可能である。ＲＦ回路は、光ウィスパリングギャラリーモード共振器上の電極に結合され、光ウィスパリングギャラリーモード共振器内において光変調を発生させるよう、ＲＦ信号を供給する。光変調器、光ウィスパリングギャラリーモード共振器、光検出器およびＲＦ回路は、アクティブ光電子発振器ループを形成するように構成される。アクティブ光電子発振器ループは、ＲＦ周波数およびＲＦ回路中のＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波のうち少なくともいくつかを含むＲＦ信号を維持する光電子発振を維持し、さらに、アクティブ光電子発振器ループ内の光ウィスパリングギャラリーモード共振器による非線形光混合およびフィルタリングを介して、ＲＦ信号中の位相ノイズを低減する。
【０００９】
上記のおよび他の様態ならびに実施様態について、図面、説明および特許請求の範囲中に詳細に示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】は、光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の光非線形性を介した光の再生およびアクティブＯＥＯループに基づいて低ノイズＲＦ信号を生成する発振器デバイスの２つの実施例を示す。
【００１１】
【図２Ａ】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。
【図２Ｂ】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。
【図３】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。
【図４Ａ−４Ｂ】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。
【図５Ａ−５Ｂ】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。
【００１２】
【図６】は、ＯＥＯループを用いない非線形ＷＧＭ共振器に基づいたＲＦ発振器を示す。
【００１３】
【図７】は、非線形ＷＧＭ共振器に基づいたＲＦ発振器またはマイクロ波発振器の例を示す。
【図８】は、非線形ＷＧＭ共振器に基づいたＲＦ発振器またはマイクロ波発振器の例を示す。
【図９】は、非線形ＷＧＭ共振器に基づいたＲＦ発振器またはマイクロ波発振器の例を示す。
【００１４】
【図１０】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。
【図１１】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。
【図１２】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。
【図１３】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。
【図１４】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。
【図１５】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。
【００１５】
【図１６】は、外部反射器を用いることによりレーザーを共振器へ同期する一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本出願において、結晶ウィスパリングギャラリーモード共振器（例えば、フッ化カルシウムまたは三次非線形性を有する別の材料）中における四波混合（ＦＷＭ）の非線形プロセスに基づいたフォトニックＲＦ発振器またはマイクロ波発振器の実施様態について記載する。このようなデバイスは、小型パッケージ中にパッケージすることができる。ＦＷＭにおいては、高フィネスＷＧＭ中の大きな場の強度により、２つのポンプ光子が２つのサイドバンド光子（すなわち、信号光子およびアイドラー光子）へ変換される。生成された光子の周波数の合計は、エネルギー保存則に起因して、ポンピング光の周波数の２倍に等しくなる。発振器を過飽和させ、共振器（光コム）中において発生した複数の光高調波を利用することにより、記載の発振器は、位相ノイズを低減させることができ、高速光検出器（例えば、フォトダイオード）上に生成されたＲＦ信号またはマイクロ波信号のスペクトル純度を増加させることができる。加えて、記載のフォトニックＲＦまたはマイクロ波発振器は、発振器の位相ノイズおよび安定性をさらに低減する光電子発振を生成および維持するアクティブ光電子フィードバックループを実施することができる。
【００１７】
光共振器は、光ウィスパリングギャラリーモード（「ＷＧＭ」）共振器として構成することができ、ウィスパリングギャラリー（「ＷＧ」）モードとして知られている共振器モードの特殊な１組をサポートする。これらのＷＧモードは、境界における全反射に起因する共振器表面近傍の内部領域内に閉じ込められた光場を示す。例えば、誘電体球を用いてＷＧＭ共振器を形成することができる。このＷＧＭ共振器において、ＷＧＭモードは、球境界における全反射に起因する赤道周囲の球表面近傍の内部領域内に閉じ込められた光場を示す。直径１０〜１０２ミクロンオーダーのクオーツ微小球は、Ｑ値が１０９を超えるコンパクトな光共振器を形成するために用いられている。このような高ＱＷＧＭ共振器を用いて、高スペクトル純度および低ノイズの発振信号を生成することができる。ウィスパリングギャラリーモードへと結合された光エネルギーは、長い光子寿命にわたって、球赤道またはその近傍において循環することができる。
【００１８】
記載の発振器は、光非線形混合に基づいて向上したスペクトル純度およびパラメトリック増幅に基づく光ウィスパリングギャラリーモードにおける再生とともに、ＲＦ、マイクロ波またはｍｍ波信号を生成する。（二次または三次光、無線周波数、音響および／または機械的非線形性に基づいた）光パラメトリック利得または非線形（アクティブ）光微小共振器に基づいたＲＦフォトニック発振器中における光位相非依存型利得を用いることにより、低ノイズＲＦ信号の生成を達成することができる。（ｉ）線形（パッシブ）光微小共振器をループ内に有する他のＲＦフォトニック発振器中において生成された信号のスペクトル純度、および（ｉｉ）自己発振非線形（アクティブ）光微小共振器に基づいたＲＦフォトニック発振器のスペクトル純度と比較して、これらの信号のスペクトル純度を向上させることができる。
【００１９】
デバイスにおけるアクティブ光電子ループと、光非線形混合およびパラメトリック増幅に基づいた光再生との組み合わせと、本文書中に記載の技術とにより、レーザー発振と結合光電子発振器（ＣＯＥＯ）中のアクティブ光電子ループとの結合に類似するアクティブ光電子ループと光再生との間の結合を提供することができる。この結合により、同様のループ長（例えば、ループ中の光ファイバと同じまたは類似の長さ）を有する他の光電子発振器（ＯＥＯ）の位相ノイズよりも低い位相ノイズの達成が可能になる。レーザー発振とＯＥＯループとの間の直接結合を用いない様々なＯＥＯは、パッシブ光ループおよびアクティブＲＦループを有する一方、ＣＯＥＯは、光利得およびＲＦ利得（アクティブ光およびＲＦループ）双方を備える再生デバイスである。ＣＯＥＯの有効ＲＦ品質（Ｑ）係数は、アクティブ光ループ中に発生した光スペクトルの幅に依存し、ＯＥＯに用いられる同じ長さのパッシブ光ファイバループの有効Ｑ係数よりもずっと高いので、ＣＯＥＯは、より効率的である。
【００２０】
上記の組み合わせに基づいたフォトニック発振器と、光非線形混合およびパラメトリック増幅に基づいたアクティブ光電子ループおよび光再生の結合とについて、以下の例において詳述する。
【００２１】
結晶製のＷＧＭ共振器は、溶融シリカ製のＷＧＭ共振器よりも光学的に優れている。結晶質ＣａＦ２製のＷＧＭ共振器は、１０１０以上のＱ係数を生成することができる。このような高いＱ値により、多様な用途が可能になる（例えば、カー非線形効果に起因するキロヘルツ光共振および低閾値光ハイパーパラメトリック発振の発生）。以下の記載において、先ず結晶性ＷＧＭ共振器のジオメトリの例について説明した後、異なる材料によって構成されたＷＧＭ共振器の特性について説明する。以下に説明する例のうちいくつかにおいて、ＷＧＭ共振器用材料の非線形光特性に加えて、材料は、外部から供給された制御信号（例えば、ＲＦ信号）に応答して、電気光学効果も示すことができ、これにより光変調が可能となる。
【００２２】
図１は、光ウィスパリングギャラリーモード共振器中の光非線形性を介した光の再生と、アクティブＯＥＯループに基づいて低ノイズＲＦ信号を生成する発振器デバイスの２つの実施例を示す。図１中のデバイスは、ＯＥＯデバイス中のＯＥＯループと、ＷＧＭ共振器内の非線形混合およびパラメトリック増幅に基づいた純粋な光ＲＦ信号生成器とを組み合わせることにより、他のデバイス（例えば、他のＯＥＯデバイス）の場合では達成することが困難なレベルまで位相ノイズを低減する。このような向上が得られる理由として、アクティブＲＦおよび光ループならびにその結合双方を利用している点がある。光信号の再生により、生成されたＲＦ信号の位相ノイズが向上する。さらに、選択的なＲＦフィルタをＲＦループに挿入することにより、光ループ中に発生した光スペクトルの特性の調節が可能になる。
【００２３】
図１中の２つの例において、光ポンプ周波数におけるレーザー光が、光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００内へと結合される。光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００は、ウィスパリングギャラリーモードをサポートし、光ポンプ周波数におけるレーザー光からエネルギーをとることにより、光ポンプ周波数と異なる１つ以上の新規な光周波数における光を生成するための非線形光混合およびパラメトリック増幅を発生させる光非線形性を示す。変調デバイスは、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波を含む無線周波数（ＲＦ）信号１５に基づいて、ＷＧＭ共振器１００の内部または外部においてレーザー光の変調を発生させるように設けられている。このＲＦ信号を変調デバイスへ供給することにより、ＲＦ周波数および光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００内の１つ以上のＲＦ高調波に対応する変調帯を有する変調レーザー光が生成され、光ポンプ周波数および変調帯における光の非線形光混合が発生し、これにより、光ポンプ周波数におけるパワーが変調帯に対応する光周波数へ転送される。共振器１００内の光が光検出器４中に結合されることにより、光ポンプ周波数および変調帯における光の光検出器４における復調に基づいて、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波におけるＲＦ検出器出力５が生成される。ＲＦ検出器出力は、ＲＦ回路１０内へと方向付けられる。ＲＦ回路１０は、ＲＦ検出器出力５に基づいてＲＦ信号１５を生成する。光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００、変調デバイス、光検出器４およびＲＦ回路１０は、光電子発振を維持するアクティブ光電子発振器ループを形成するように構成される。このアクティブ光電子発振器ループにより、ＲＦ周波数およびＲＦ回路１０中のＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波のうち少なくともいくつかを含むＲＦ信号１５を維持する光電子発振が維持され、アクティブ光電子発振器ループ中の光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００による非線形光混合およびフィルタリングを介してＲＦ信号１５中の位相ノイズが低減される。
【００２４】
ＲＦ回路１０において、アクティブ光電子発振器ループ中のＲＦ回路１０は、ＲＦ通過帯域または伝送帯域が得られるように構成される。ＲＦ通過帯域または伝送帯域は、他のＲＦ周波数を排除しつつ、ＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波のうちいくつかをＲＦ信号中に含まれるように選択する。ＯＥＯループ中に構築されたこのＲＦフィルタリングに加えて、いくつかの実施様態では、ＲＦ回路１０内のＲＦフィルタ１２（例えば、バンドパスＲＦフィルタ）を用いて、他のＲＦ周波数を排除しつつ、ＲＦ回路によって選択されたＲＦ周波数およびＲＦ周波数の１つ以上のＲＦ高調波のうちのいくつかによる光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００内の非線形光混合によって生成された光の光スペクトルを調節することができる。バンドパスＲＦフィルタ１２は、多様な構成をとり得る（例えば、電子回路コンポーネントによって構成されたＲＦフィルタ、および電子回路コンポーネントと光学コンポーネント（例えば、高Ｑ光共振器）の双方によって形成されたフォトニックＲＦフィルタ）。ＲＦ回路１０は、ＲＦ増幅器１１を含み得る。ＲＦ増幅器１１は、ＲＦ信号を増幅することにより、ループ中のＲＦ利得を、ＲＦループを超えるほどに充分に大きく確保し、これにより、ＲＦ発振を生成および維持する。
【００２５】
フォトニックＲＦフィルタのいくつかの実施様態において、処理のうち一部が、ＲＦおよびマイクロ波領域内において行われる（例えば、光の光変調を制御するためのマイクロ波またはＲＦ入力信号の光変調器への供給）。処理の別の部分は、光領域において行われ（例えば、変調された光の光フィルタリング）、これにより、１つ以上の所望のマイクロ波またはＲＦスペクトルコンポーネントがフィルタリング出力として選択される。光変調器によって変調された光の周波数または変調された光ビームの光学的なフィルタリングに用いられる光学フィルタを調節することにより、選択されたスペクトルコンポーネントの周波数を調節することができる。フォトニックＲＦフィルタは、入力ポートを用いてマイクロ波またはＲＦ信号を受信し、出力ポートを用いてフィルタリングされたマイクロ波またはＲＦ信号をエクスポートする。連続波光ビームの光変調を介して、入力信号は光領域に変換され、その後、変調された光ビームに対して光学的なフィルタリングを行って、所望のマイクロ波またはＲＦスペクトルコンポーネントを選択する。高品質係数の光学フィルタを用いることにより、線幅を極めて狭くすることができ、これにより、変調された光ビーム中において搬送される１つ以上の所望のマイクロ波またはＲＦスペクトルコンポーネントを光学的に選択することができる。マイクロ波またはＲＦスペクトルコンポーネントのこのような光フィルタリングを行うことにより、電気的なマイクロ波またはＲＦ回路要素に起因する多くの制限を抱えることの多いマイクロ波またはＲＦフィルタの利用を回避することができる。フィルタリングされた光信号および同一の連続波光ビームのうち一部は組み合わされ、光検出器中へと送られる。光検出器の出力は、フィルタリングされたか、または処理された非光信号として用いられる。信号フィルタリングと同様に、これらの実施様態におけるフィルタリングの周波数調整は、いくつかの実施形態のように、光学的に達成可能である。例えば、光変調器によって変調された光ビームの周波数の調整または変調された光ビームのフィルタリングに用いられる光フィルタの調整を行うことにより、達成する可能である。フォトニックＲＦフィルタの例については、米国特許第７，５８７，１４４号（調節可能無線周波数およびマイクロ波フォトニックフィルタ）、米国特許第７，６３４，２０１号（フォトニック技術に基づいた広帯域受信器）または米国特許第７，３８９，０５３号（マッハツェンダー構成における光フィルタリングに基づいた、ＲＦまたはマイクロ波信号の調節可能なフィルタリング）中に記載がある。これらの文献は、参照されることにより、本出願の開示の一部として組み込まれる。
【００２６】
図１（ａ）を参照し、デバイスは、レーザー１を含む。レーザー１は、光ポンプ周波数におけるレーザー光を生成する。レーザー１は、半導体レーザーまたは別の適切なレーザー（例えば、ＣＷダイオードレーザー）であり得る。レーザー１および共振器１００を互いに同期することにより、デバイスの安定性を向上させることができる。このような同期は、レーザー同期回路または（共振器１００からの光を再度レーザー１へ注入する）光注入同期技術を用いることにより、達成することができる。
【００２７】
図１（ａ）中の変調デバイスは、ＲＦ信号１５をＯＥＯループのＲＦ回路１０から受信する光変調器２である。この光変調器２は、レーザー１と光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００との間の光経路内に配置され、ＲＦ信号１５に基づいて、レーザー光の変調を発生させるように動作可能であり、これにより、ＲＦ周波数および１つ以上のＲＦ高調波に対応する変調帯を有する変調レーザー光が生成される。光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００内の光ポンプ周波数および変調帯における変調レーザー光は、非線形光混合およびパラメトリック増幅を経ることにより、光ポンプ周波数におけるパワーが変調帯に対応する光周波数へと転送される。光変調器２、光ウィスパリングギャラリーモード共振器１００、光検出器４およびＲＦ回路１０は、アクティブ光電子発振器ループを形成するように構成される。本デバイスにおいて、共振器１００は、非線形光混合およびパラメトリック増幅を介して光を再生し、共振器１００の高Ｑ係数により位相ノイズが低減し、スペクトル純度が向上する。光微小共振器１００は、ＯＥＯループ内のＲＦフォトニックフィルタとしての機能を果たす。
【００２８】
図１（ｂ）に示す別の実施例では、光変調器２は除去され、所望の光波混合のための非線形光特性に加えて電気光学効果を有する共振器１００が光変調器２の代わりに用いられる。１つ以上のＲＦ電極６を共振器１００上に形成することによりＲＦ信号１５を供給し、その結果、電気光学効果を介した光変調が共振器１００内において行われる。本実施例において、共振器１００は、ＲＦフォトニックフィルタおよび光変調器の双方の機能を果たす。ここでの光微小共振器は、発振することができないため、この特定のスキームにおいては、パッシブデバイスとしてみなされる。
【００２９】
図２Ａ、図２Ｂおよび図３は、３つの例示的なＷＧＭ共振器を示す。図２Ａは、球状ＷＧＭ共振器１００を示す。球状ＷＧＭ共振器１００は、固体の誘電体球である。球１００は、平面１０２内において赤道を有する。平面１０２は、ｚ軸１０１周りにおいて対象である。平面１０２の外周は円形であり、平面１０２の断面は円状である。ＷＧモードは、球状外面内の赤道周囲において存在し、共振器１００内において循環する。赤道平面１０２周囲の外面の球曲率により、ｚ方向およびそれに垂直な方向双方に沿って空間的制限が提供され、これによりＷＧモードがサポートされる。球１００の偏心度は概して低い。
【００３０】
図２Ｂは、例示的な回転楕円体微小共振器２００を示す。この共振器２００は、（軸方向長さａおよびｂの）楕円を、短楕円軸１０１（ｚ）に沿って対称軸周りに回転させることにより、形成することができる。よって、図２Ａ中の球状共振器と同様に、図２Ｂ中の平面１０２も、円形の外周および円形の断面を有する。図２Ａ中の構成と異なり、図２Ｂ中の平面１０２は、回転楕円体の短楕円体軸周りの非球状回転楕円体の円形断面である。共振器１００の偏心度は、（１−ｂ２／ａ２）１／２であり、概して高い（例えば、１０−１よりも高い）。そのため、共振器２００の外面は、球の一部ではなく、球状外部の場合よりも、ｚ方向に沿ったモードでの空間的制限を増加させることができる。より詳細には、Ｚを含む平面（例えば、ｚｙまたはｚｘ平面）内のキャビティーのジオメトリは楕円である。共振器２００の中心における赤道平面１０２は、軸１０１（ｚ）に対して垂直であり、ＷＧモードは、共振器２００内の平面１０２の外周の近傍において循環する。
【００３１】
図３は、別の例示的なＷＧＭ共振器３００を示す。ＷＧＭ共振器３００は、非球状外部を有し、その外部外形は概して円錐形状であり、デカルト座標の二次方程式によって数学的に表すことができる。図１および図２中のジオメトリと同様に、この外面により、平面１０２内の方向および平面１０２に対して垂直なｚ方向において曲率が得られ、ＷＧモードが制限およびサポートされる。このような非球状の非楕円表面は、例えば放物線または双曲線であり得る。図３中の平面１０２は円形断面であり、ＷＧモードが赤道中の円周囲に循環する点に留意されたい。
【００３２】
図２Ａ、図２Ｂおよび図３中の上記の３つの例示的なジオメトリは全て、ＷＧモードが平面１０２内において循環する軸１０１（ｚ）周りにおいて、軸方向または円筒状に対称であるという、共通的なジオメトリ特徴を有している。曲線状の外面は、平面１０２の周囲において平滑であり、平面１０２の周囲における二次元制限を提供し、これによってＷＧモードをサポートする。
【００３３】
顕著なことに、各共振器内におけるＷＧモードのｚ方向１０１に沿った空間的範囲は、平面１０２の上下方向において制限されるため、球１００、回転楕円体２００、または円錐形状３００の全体を設ける必要は無い場合がある。その代わりに、形状全体のうちウィスパリングギャラリーモードをサポートするのに充分な大きさの一部のみを平面１０２の周囲に設けることにより、ＷＧＭ共振器を形成することができる。例えば、球の適切な一部から形成されたリング、ディスクおよび他のジオメトリを球状ＷＧＭ共振器として用いることができる。
【００３４】
図４Ａおよび図４Ｂは、ディスク状のＷＧＭ共振器４００と、リング状のＷＧＭ共振器４２０とをそれぞれ示す。図４Ａにおいて、固体ディスク４００は、中央平面１０２上方の上面４０１Ａと、平面１０２下側の下面４０１Ｂとを有すし、上面４０１Ａと下面４０１Ｂとの間は距離Ｈ離間している。距離Ｈの値は、ＷＧモードをサポートできる程度に充分に大きい。中央平面１０２の上方のこの充分な距離を超えて、共振器は、図３、図４Ａおよび図４Ｂに示すような先鋭縁部を持ち得る。外部曲線状表面４０２は、所望のＷＧモードおよびスペクトル特性を達成するように、図１、図２および図３に示す形状から選択することができる。図４Ｂ中のリング共振器４２０は、図４Ａ中の固体ディスク４００から中央部４１０を除去することにより、形成することができる。ＷＧモードは外面４０２の近傍のリング４２０の外部近傍に存在するため、リングの厚さｈをＷＧモードをサポートできる程度に充分に大きく設定することができる。
【００３５】
光カプラは、エバネッセント結合によって光エネルギーをＷＧＭ共振器中へ、またはＷＧＭ共振器中から外部へ結合させる際に用いられることが多い。図５Ａおよび図５Ｂは、２つの例示的な光カプラがＷＧＭ共振器へ係合する様子を示す。光カプラは、所望の臨界結合が得られるように、共振器外面と直接接触させてもよいし、共振器外面から隙間を空けて配置してもよい。図５Ａは、ＷＧＭ共振器のためのカプラとしての角度研磨されたファイバ先端を示す。角度付きの端面を有する導波管（例えば、平面導波管または他の導波管）も、カプラとして用いてもよい。図５Ｂは、ＷＧＭ共振器のためのカプラとしてのマイクロプリズムを示す。他のエバネッセントカプラも利用可能である（例えば、フォトニックバンドギャップ材料から形成されたカプラ）。
【００３６】
ＷＧＭ共振器を用いることにより、光子を小体積中に長期間にわたって有効に閉じ込めることができる。そのため、ＷＧＭ共振器は、基礎研究および実際のデバイスの双方において、広範な用途において用いられている。例えば、ＷＧＭ共振器は、原子光保存の代替策として、線形光学を用いた光保存のために用いることができ、あるいは、原子ベースの低速光実験の代替策として、調節可能な光遅延線のために用いることも可能である。他にも、ＷＧＭ共振器は、光フィルタリングおよび光電子発振器のために用いることもできる。
【００３７】
ＷＧＭ共振器を特徴付ける多数のパラメータ（例えば、入力結合および出力結合の効率、モード体積、自由スペクトル範囲）のうち、品質係数（Ｑ）は基本的なものである。Ｑ係数は、共振器モード（τ）中の光エネルギー寿命（Ｑ＝２πｖτ）に関連する。式中、ｖは、モードの線形周波数である。モードＱ＝２Ｘ１０１０および波長Σ＝１．３Ｔｍに対応するリングダウンタイムは１５Ｔｓであり、これにより、光保存デバイスとして魅力のある超高Ｑの共振器が得られる。さらに、いくつかの結晶は、（ＷＧＭの特性の連続的操作およびその有用性をさらに拡大するための）重要な非線形特性を持ちつつ、極めて高Ｑのウィスパリングギャラリーモードを可能とする程度に十分透明である。
【００３８】
誘電共振器において、最大品質係数は、Ｑｍａｘ＝２πｎ０／（ΣＩ）を超えることはできない。式中、ｎ０は材料の屈折率であり、Σは真空中の光波長であり、Ｉは誘電材料の吸収係数である。吸収が小さいほど、Ｑｍａｘが大きくなる。そのため、ＷＧＭの可能な最も狭い線幅Ｋ＝τ−１を予測するためには、透明度窓内の透明誘電中における光減衰を知る必要がある。この透明度窓内において、損失はほとんどの用途において無視できるほど小さいと考えられる。ほとんどの材料について、この残留基礎吸収について問題は、未解決のままである。なぜならば、適切な感度の測定方法が無いからである。幸運なことに、高Ｑウィスパリングギャラリーモードそのものが、多様な透明材料における極めて小さな光減衰を測定するための独自のツールとして用いることができる。
【００３９】
アモルファス材料に適用可能なサーマルリフロー方法によって作製されたＷＧＭ共振器に対する従来の試験の結果、Ｑ係数は９Ｘ１０９未満であった。これらの測定は、溶融シリカ微小キャビティーを用いて行われ、表面張力によってほとんど完全な共振器表面が得られ、その結果、測定Ｑ係数は、材料吸収によって決定される基本的限界に近づく。光学結晶が溶融シリカよりも損失が小さい理由として、結晶は理論的には完全な格子を有し、また、アモルファス材料においては避けることができない異物および不均一性を含まないことが予測される。多くの結晶質材料の場合、透明度窓は溶融シリカよりもずっと幅広である。そのため、充分に高純度の材料を用いれば、透明度窓の中央において大幅に低い減衰を期待することができる。なぜならば、レイリー散乱縁部および多フォノン吸収縁部の双方が、紫外線領域および赤外線領域それぞれに向かってさらに離間するように離間方向に押圧されるからである。さらに、結晶の場合、全てではないにしろ、ＯＨイオンおよび水の化学吸着に起因する外因性の吸収効果、および１．５５μｍでの透明度窓の底部近傍における溶融シリカのＱ係数の報告されている制限に悪影響を受けることが少ない。
【００４０】
近年まで、ＷＧＭ共振器の実現における１つの未解決の問題として、表面散乱を無くすための回転楕円体表面のナノメートルスケールの平滑性を得るための作製プロセスが無い点があった。ごく最近になり、この問題が解決された。すなわち、機械的光学研磨技術が、Ｑが１０９に近い超高Ｑの結晶性ＷＧＭ共振器を作製するために用いられている。この文書において、透明結晶と共に作製されたＷＧＭ共振器中の高品質係数（Ｑ＝２Ｘ１０１０）について、さらに説明する。
【００４１】
結晶性ＷＧＭ共振器のうち、キロヘルツ範囲の共振帯幅を室温において有し、かつ高共振コントラスト（５０％以上）を有するものは、高性能光ネットワークへの集積化において有望である。モード体積が小さくまた単一光子共振も極めて狭いため、小型ブロードバンド非線形感受率に基づいて、多様な低閾値非線形効果をＷＧＭ共振器において確認することができる。一例として、我々は、より小体積の高Ｑシリカ微小球として既述した、結晶性共振器内における熱光学不定度の観察について以下に説明する。
【００４２】
光学結晶の透明度窓内における小さな光減衰についての一貫した実験データはほとんど存在しない。例えば、特別に調製された溶融シリカの最小吸収の高感度測定（Σ＝１．５５ＴｍにおけるＩ＝０．２ｄＢ／ｋｍ、（―Ｉ≧１０−７ｃｍ−１））は、該材料から作成されたキロメートル単位の光ファイバによってのみ可能となる。残念なことに、この方法は、結晶性材料には適用することができない。ファイバはサファイアなどの結晶からも得られているが、これらのファイバ中における減衰（数ｄＢ／メートル）は、その表面の散乱によって決定されていた。透明誘電中の光吸収測定のための熱量測定方法の場合、誤差が―Ｉ≧１０−７ｃｍ−１のオーダーで発生する。いくつかの透明材料について、熱量測定方法を用いた残留吸収について試験が行われており、他の材料について直接散乱実験による特徴付けが行われている。その結果、双方の結果において、線形減衰の数ｐｐｍ／ｃｍレベルの値が得られ、Ｑ制限は１０１０のレベルに対応する。これが基本的制限なのか、それとも、用いられた結晶の不完全性によって制限された測定結果であるのか、という疑問がある。
【００４３】
最高ＱＷＧＭ共振器用の材料を選択する場合、基本的要素に基づく必要がある（最も幅広の透明度窓、高純度グレード、および環境安定性）。ハロゲン化アルカリは、吸湿特性および大気湿度に対する感度があるため、不適切である。固体透明材料中のバルク損失は、現象学的な依存により近似することができる。
2014520289.tif 000003
式中、ＩＵＶ、ＩＲおよびＩＩＲは、光の青色ウィング（１次電子）、レイリーおよび赤色ウィング（多フォノン）損失をそれぞれ示し、ΣＵＶおよびΣＩＲは、材料透明性窓の縁部を示す。この式は、存在し得る結晶不純物に起因する共振吸収を考慮していない。残念なことに、式（１）中の係数は必ずしも既知ではない。
【００４４】
光非線形挙動を示す高ＱＷＧＭ共振器の作製のための非線形材料の一例として、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）がある。この材料が多様な用途において有用である理由として、１９３ｎｍおよび１５７ｎｍにおける紫外線リソグラフィー用途における用途がある点がある。幅広アパチャ光学に適したこの材料の超高純度結晶が生成され、市販されている。ＣａＦ２中の散乱についての最近報告された測定によれば、１９３ｎｍにおいてＩ＝３ｘ１０−５ｃｍ−１であり、１０１３のレベルにおけるＱ制限に対応する近赤外線帯において極めて小さな散乱を予測することができる。
【００４５】
この波長における格子吸収は、中赤外線多フォノン縁部の位置から予測することができ、さらに低いＱ制限が得られる。残留ドーピングおよび不定比性に起因して、散乱および吸収双方が得られ、実際の共振器中のＱが低下する。Ｑ制限のさらなる原因として、研磨技術に起因する残留表面の不均一性に起因する散乱がある。従来の光学研磨品質の限界（平均粗さs＝２ｎｍ）において、ＷＧＭ表面散乱の導波路モデルに基づいた推定は、Ｑ~１０１１である。
【００４６】
フッ化カルシウムおよびＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３およびＡｌ２Ｏ３製のいくつかの他の結晶性材料によって作製されたＷＧＭ共振器について調査し、これらの材料の品質係数を測定した。ＣａＦ２共振器の作製は、円筒状母材のコア穿孔と、母材リムの回転楕円体ジオメトリ状への研磨とにより行った。作製された共振器の直径は４〜７ミリメートルであり、厚さは０．５〜１ｍｍであった。作製されたフッ化カルシウム共振器のＱ係数は、約２ｘ１０１０であった。
【００４７】
Ｑの測定は、プリズム結合方法を用いて行った。固有のＱを、アンダーカップリングレジーム中で観測された共振の帯域幅から測定した。共振器中の屈折率は異なるため、シリカ（ｎ＝１．４４）およびフッ化カルシウム（ｎ＝１．４３）用にＢＫ７ガラスプリズム（ｎ＝１．５２）を用い、ニオブ酸リチウム（ｎ＝２．１０、２．２０）用にダイヤモンド（ｎ＝２．３６）を用い、サファイア（ｎ＝１．７５）用にニオブ酸リチウムプリズム（ｎ＝２．１０）用いた。光源として、７６０ｎｍの拡張キャビティーダイオードレーザーと、１５５０ｎｍの分散型フィードバック半導体レーザーと、１３１９ｎｍの固体ＹＡＧレーザーを用いた。
【００４８】
高Ｑ非線形ＷＧＭ共振器を用いて、低閾値光ハイパーパラメトリック発振を実現することができる。材料のカー非線形性によって発生する共振増強四波混合に起因して、発振が発生する。共振器モードの狭帯域幅および高効率の共振周波数変換に起因して、発振により、ポンプの安定した狭帯ビート（うなり）、信号、およびアイドラー波が発生する。このプロセスの理論モデルについて説明する。
【００４９】
低光レベルにおける効率的な非線形光相互作用の実現は、非線形光学の発端からの主な目標の１つである。光共振器は、この目標達成に大きく貢献する。なぜならば、小体積中に光を長期間閉じ込めることにより、非線形光相互作用が増加するからである。光ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）共振器は、この目的に特に適している。高品質係数（Ｑ）および小モード体積により、アモルファス材料製のＷＧＭ共振器における低閾値レーザー発振の観測および効率的な非線形波混合が既に得られている。
【００５０】
ファイバ光学における変調不安定性として現れる光ハイパーパラメトリック発振は、材料の低い非線形性によって妨害されることが多いため、光ハイパーパラメトリック発振の観測のためには、高出力光パルスが必要となる。ＣａＦ２の非線形性は溶融シリカよりもさらに低いものの、低出力連続波ポンプ光を用いて、共振器の高Ｑ（Ｑ＞５Ｘ１０９）から、共振器モード間の強い非線形相互作用を観測することができた。この相互作用に起因して、新たな場が発生した。
【００５１】
高速フォトダイオード上におけるポンプと発生したサイドバンドとの混合によって得られたマイクロ波信号の周波数は安定しており、自己位相および相互位相変調効果に起因して発生し得る周波数シフトがない。逆に、例えばコヒーレントな原子媒体においては、相互位相変調効果（ａｃ  Ｓｔａｒｋシフト）に起因する周波数不整合を補償するよう、発振周波数がシフトする。我々のシステムにおいては、発振周波数はモード構造によって与えられるため、記共振器寸法の変更により発振周波数を調節することができる。アモルファス材料および液体によって作製された共振器と異なり、高Ｑ結晶性共振器により、三次非線形プロセスと、高純度のハイパーパラメトリック発振信号の観測との区別が容易になる。その結果、ハイパー発振器は、全ての光二次周波数リファレンスの用途において有望となる。
【００５２】
ハイパーパラメトリック発振は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）および他の非線形効果によってマスキングすることができる。例えば、ＷＧＭシリカ微小共振器を用いたＳＲＳ実験における光学ポンピング線近傍における二次線の観測は、（媒体の電子カー非線形性に基づいた４光子パラメトリックプロセスというよりは）ポンプと、共振器中に発生した２つのラマン波との間の四波混合として解釈することができる。多様な誘導非線形プロセス間の相互作用についても観測されており、これを液滴球状微小キャビティーにおいて調査した。
【００５３】
偏光選択則をＷＧＭのジオメトリ選択則と共に用いることにより、結晶性ＷＧＭ共振器中の結晶の電子非線形性のみに起因して発生する非線形プロセスの観測が可能になる。対称軸に対して円筒対称性を有するホタル石ＷＧＭ共振器について検討する。立方昌系結晶中の屈折率の線形指数は均一かつ等方性であるため、モードについての一般的記述が共振器についても有効である。ＷＧＭのＴＥおよびＴＭファミリの偏光方向は、対称軸に対してそれぞれ平行および直角である。光学ポンピング光がＴＥモードへ送られると、ラマン信号を同一モードファミリにおいて生成することができなくなる。なぜならば、立方昌系結晶（例えば、ＣａＦ２）中には、三重縮退したラマン−活性振動が対称なＦ２ｇで１つだけ存在するからである。最後に、超高Ｑの結晶性共振器において、材料およびジオメトリ分散に起因して、ラマン離調周波数における自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）の値は、搬送波周波数におけるＦＳＲと（モードスペクトル幅を超える量だけ）異なる。そのため、ラマン信号と搬送波との間の周波数混合が大きく抑制される。ＴＥモードファミリにおける場の生成は電子非線形性のみに起因し、ラマン散乱はＴＭモードにおいて発生する。
【００５４】
以下の３つのキャビティーモードについて検討する：ポンプレーザーによる共振に近い１つのキャビティーモード、および生成された光サイドバンドによる共振に近い２つのキャビティーモード。キャビティー内の場の低速振幅について、以下の方程式を用いて、分析を開始した。
2014520289.tif 000004
2014520289.tif 000005
【００５５】
簡潔にするため、これらのモードが同一である（すなわち、Ｋ＋＝Ｋ＿＝Ｋｏ）と仮定する。この仮定は、実際の共振器を用いた観測によって正当化される。その後、（１）〜（３）の定常状態における解を解くことにより、発生した場の発振周波数が得られる。
2014520289.tif 000006
すなわち、ビート周波数は、共振器モード間の周波数差のみに依存し、ポンピングモードからの光出力またはレーザー離調には依存しない。その結果、電子周波数同期回路は、ポンプレーザーの搬送波周波数を変化させるが、ポンピングレーザーのビートの周波数および生成されたサイドバンドを変化させない。
【００５６】
閾値光出力を、キャビティー内の場の低速振幅についての１組の３つの方程式の定常状態解から得ることができる。
2014520289.tif 000007
ここで、数値ファクター１．５４は、発振閾値に対する自己位相変調効果の影響によるものである。我々の実験における閾値の理論値は、Ｐｔｈ≒０．３ｍＷであり、ここで、ｎｏ＝１．４４は材料の屈折率であり、ｎ２＝３．２Ｘ１０−１６ｃｍ２／Ｗはフッ化カルシウムの非線形係数であり、Ｖ＝１０−４ｃｍ３はモード体積であり、Ｑ＝６ｘ１０９であり、Σ＝１．３２μｍである。
【００５７】
上記の方程式から、モード体積の低下と共に、パラメトリックプロセスの効率が増加することが分かる。比較的大きなＷＧＭ共振器を用いた理由は、作製上の便宜のためである。共振器サイズを小型化した場合、発振閾値を大幅に低下させることができる。モード体積はおよそＶ＝２πΣＲ２と見積もれるため、半径Ｒを１桁分低減した場合、パラメトリックプロセスの閾値は２桁分低減する。そのため、ＷＧＭ共振器を原子コヒーレンスに基づいた発振器と同クラスのものとして用いることが可能になる。しかし、原子発振器中のサイドバンド間の周波数差と異なり、ＷＧＭ発振器の周波数は、出力（ａｃ  Ｓｔａｒｋ）シフトが無い。
【００５８】
システムの量子力学的挙動を記述するランジュバン方程式に基づいた分析を行ったところ、原子コヒーレント媒体中のハイパーパラメトリックプロセスの低位相拡散と同様に、ビートの位相拡散は小さいことが分かった。発振閾値に近く、位相拡散係数は、以下のようになる。
2014520289.tif 000008
【００５９】
我々の実験から、上記３つの相互作用モードを超える数のモードが、プロセスへ関与することが可能である。参加モードの数は、共振器中のモード間隔の変化によって決定される。一般的に、共振器のモードは、材料の二次分散およびジオメトリ分散に起因して、等距離にならない。ここで、我々は、Ｄ＝（２wｏ−w＋−w＿）／Kｏを導入して、共振器の二次分散を考慮に入れた。｜Ｄ｜≧１である場合、これらのモードは等距離ではないため、複数の高調波生成が不可能となる。
【００６０】
ＷＧＭ共振器の主要モードシークエンスのジオメトリ分散は、半径Ｒの共振器については、Ｄ~０．４１ｃ／（K０Ｒｎ０ｍ５／３）であり、ω＋、ｗ０およびω＿は、共振器のｍ＋１モード、ｍモードおよびｍ−１モードと仮定される（wｍＲｎwｍ＝ｍｃ，ｍ>>１）。Ｒ＝０．４ｃｍ、Ｋ０＝２Ｘ１０５ｒａｄ／ｓ、ｍ＝３Ｘ１０４の場合、Ｄ＝７Ｘ１０−４が得られ、我々の場合のジオメトリ分散は比較的小さい。しかし、材料の分散は充分に大きい。Ｓｅｌｌｍｅｉｅｒ分散式を用いてポンプレーザー波長においてＤ~０．１を得た。これは、約３つのサイドバンド対をシステムにおいて生成することができることを意味している（実験においては、２つのみが確認された）。
【００６１】
さらに、我々の実験におけるラマン信号の不在は、媒体の有効ラマン非線形性が先行して測定された値よりも低いことを示す。数に基づいた理論的推定によれば、ラマンおよびハイパーパラメトリックプロセス双方の場合において、ほぼ等しいポンプ出力閾値が予測される。ＳＲＳ閾値用に導出された式ＰＲ~p２ｎ０２Ｖ／ＧS２Ｑ２（式中、Ｇ~２Ｘ１０−１１ｃｍ／ＷはＣａＦ２についてのラマン利得係数である）を用いて、ＣａＦ２製の任意の共振器についてＰｔｈ／ＰＲ≒１を推定する。しかし、上記したように、実験においてＳＲＳ信号は全く観察されなかった。
【００６２】
よって、ポンピング光と材料とが長時間相互作用するため、ＣａＦ２の三次非線形性が小さい場合でも、狭帯光サイドバンドの生成を効率的に行うことができる。このプロセスは、新規の種類の全光周波数リファレンスの実証に用いることが可能である。さらに、これらの発振は、スクイーズド光の発生源として有望である。なぜならば、ハイパーパラメトリックプロセスにおいて生成されたサイドバンド光子対には、一般的に量子相関があるからである。
【００６３】
フォトニックマイクロ波発振器は、明確に規定されかつ安定したビート信号を生成するための多色光の生成およびその後の復調に基づいて、構築することができる。非線形ＷＧＭ光共振器に基づいたハイパーパラメトリック発振器を用いて、超安定マイクロ波信号を生成することができる。このようなマイクロ波発振器の場合、サイズが小さい点および入力電力が低い点において有利であり、マイクロ波信号を任意の所望の周波数において生成することができる。この任意の所望の周波数は、共振器のサイズによって決定される。
【００６４】
ハイパーパラメトリック光発振は、ポンプビーム中の２つのポンプ光子を１つの信号光子および１つのアイドラー光子へ変化することによる、２つのポンプ、信号、およびアイドラー光子間の四波混合に基づいている。この混合を行うことにより、ポンピング波を費やした真空ゆらぎから、信号およびアイドラー光サイドバンドが成長する。高フィネスＷＧＭ中の高キャビティー内強度により、４光子プロセス（例えば、hω+hω→h(ω+ωM)+h(ω-ωM)）に基づくχ（３）を得ることができる。式中、ωは、外部ポンピングの搬送波周波数であり、ωＭは、共振器の自由スペクトル範囲によって決定されるωＭ≒ΩFSRである。プロセスのカスケードおよび複数の等距離信号およびアイドラー高調波（光コム）の生成も、この発振器において可能である。発振器の光出力の復調を高速フォトダイオードによって行うことにより、周波数ωＭにおける高周波数マイクロ波信号が生成される。信号のスペクトル純度は、ＷＧＭのＱ係数および生成された信号およびアイドラーの光出力の増加と共に増加する。発振のポンピング閾値は、超高Ｑ係数を有する共振器のマイクロワットレベルと同程度に小さくすることができる。
【００６５】
ハイパーパラメトリック発振の直接的な適用を妨害する問題がいくつか存在する。これらの問題のうち１つは、ＷＧＭ共振器から出ていく光信号がほとんど位相変調されているという事実に関連する。そのため、高速フォトダイオード上で信号を直接検出しても、マイクロ波は生成されない。この相違を回避するために、非線形ＷＧＭ共振器を、さらなる遅延線が干渉計の別のアームに配置されたマッハツェンダー干渉計のアーム内に配置することができる。これら２つのアームからの光の光学干渉により、位相変調信号を振幅復調信号へ変換することができ、この振幅復調信号光を光検出器によって検出することにより、マイクロ波信号を生成することができる。
【００６６】
図６は、ＲＦフォトニック発振器内の非線形ＷＧＭ共振器の一例を示す。レーザー１を用いて、レーザー光を非線形ＷＧＭ共振器１００中へ方向付ける。光カプラ３を用いて、ＷＧＭ共振器１００からの出力光を、デバイスのＲＦ出力の生成のために、デバイスの光出力と、フォトダイオード４への別のビームとに分割する。この特定のＲＦ発振器において、外部ＲＦループは存在しない。発振器は、いくつかの光高調波をアクティブ光微小共振器内において生成する。高速フォトダイオード４上において高調波を復調することにより、ＲＦ信号を生成する。このようなデバイスを用いて、多様なデバイスを構築することができる（例えば、ハイパーパラメトリック発振器、モード同期（ラマン）レーザー、光学機械発振器、高度非縮退ＲＦ光パラメトリック発振器）。これらのデバイスは、光ポンプからエネルギーをとることにより、光ポンプの周波数とわずかに異なる周波数で光高調波を生成する。復調された光信号は、安定したＲＦ信号の発生源となる。
【００６７】
図７は、光干渉計構成内のハイパーパラメトリックマイクロ波フォトニック発振器の一例を示す。この光干渉計構成は、非線形ＷＧＭ共振器６３０を有する第１の光経路６１１と、長い遅延線を有する第２の光経路６１２とを有する。レーザー６０１からの光は、分割されて２つの経路６１１および６１２中へ進入する。２つの結合プリズム６３１および６３２または他の光カプラを用いることにより、共振器６３０を第１の光経路６１１へと光学的に結合させることができる。共振器６３０の出力光が結合プリズム６３２後のシングルモードファイバ中に収集され、光遅延線からの光と組み合わされる。組み合わされた光がフォトダイオードＰＤ６５０へ送られると、結合プリズム６３２は、ビート信号を低ノイズの狭帯マイクロ波信号として生成する。信号増幅器６６０およびスペクトルアナライザ６６０は、フォトダイオード６５０の下流において用いられ得る。
【００６８】
図８は、ハイパーパラメトリックマイクロ波フォトニック発振器の一例を示す。この例において、発振器は、（図７中の上記干渉計構成における遅延を用いること無く）マイクロ波信号を生成することができる。その結果、デバイスのパッケージングが簡略化される。
【００６９】
図９に示す発振器において、レーザーダイオード６０１は、ＷＤＭ非線形共振器６３０へ光学的に結合された光結合要素ＣＰ１（６３１、例えば、結合プリズム）へ直接結合される。第２の光結合要素ＣＰ２（６３２、例えば、結合プリズム）は、共振器６３０へと結合されて、光出力を生成する。フォトダイオードＰＤ６５０は、ＣＰ２に結合されて、フォトダイオード６５０によって受信された光出力を低ノイズＲＦ／マイクロ波信号へ変換する。
【００７０】
光遅延線またはＯＥＯループを用いていない上記の設計は、共振器内において発生する単一のサイドバンド四波混合プロセスに基づく。単一のサイドバンド信号は、フォトダイオード上にマイクロ波信号を生成させるための干渉技術を全く必要としない。
【００７１】
ハイパーパラメトリック発振器は、光検出器の出力において生成されたマイクロ波信号の高スペクトル純度を生成する。これらの信号の位相ノイズを測定したところ、これは限定されたショットノイズであり、位相ノイズフロアは少なくとも−１２６ｄＢｃ／Ｈｚレベルに到達し得ることが判明した。スペクトル純度の向上のために、発振器を過飽和させ、光コムを生成することができる。光コムの復調によって生成されたマイクロ波信号は、単一のサイドバンド発振器と比較して高いスペクトル純度を有する。光コムは、システム内におけるモデル同期に対応し、その結果、同相同期光高調波が発生し、短光パルスが生成される。光パルス列を持続時間ｔおよび繰り返し率Ｔで復調することによって得られたマイクロ波信号の位相ノイズは、以下によって得られる出力スペクトル密度を有するショットノイズによって得られることが分かった。
2014520289.tif 000009
式中、ω０は光ポンプ周波数であり、Ｐａｖｅは、生成されたパルス列の平均光出力であり、αは、往復光損失である。よって、パルスが繰り返し率と比較して短いほど、位相ノイズも小さくなる。一方、Ｔ／ｔは、コムＮ内のモード数にほぼ等しいことが分かった。よって、１つまたは２つのサイドバンドを有する通常のハイパーパラメトリック発振器と比較して、コムの（Ｎ＾２）位相ノイズがずっと小さくなることが予測される。
【００７２】
三次非線形性を有する非線形ＷＧＭ共振器（例えば、ＣａＦ２ＷＧＭ共振器）を用いて、調節可能な光コム生成器を構築することができる。ＣａＦ２ＷＧＭ共振器を用いて、光コムを２５ｍＧＨｚ周波数間隔（ｍは整数）で生成した。選択されたＷＧＭ周波数についてポンプレーザーの搬送波周波数の適切な離調を選択することにより、この間隔（数ｍ）を制御可能に変更した。高速フォトダイオードによる光コムの復調を用いて、コム繰り返し周波数またはコム間隔において高周波数マイクロ波信号を生成することができる。生成された２５ＧＨｚ信号の線幅は、４０Ｈｚ未満であった。
【００７３】
このようなコム生成器は、ポンプレーザービームを生成するレーザーと、非線形ＷＧＭ共振器と、ポンプレーザービームを非線形ＷＧＭ共振器内へ結合し、さらに、非線形ＷＧＭ共振器の外部への光を結合させる光結合モジュールとを含む。光コムの周波数の調節は、ポンプレーザービームの周波数の調節によって達成することができる。ポンプレーザーを非線形ＷＧＭ共振器へ同期し、ポンプレーザーの同期状態を制御することにより、コム間隔を調節することができる。
【００７４】
ＷＧＭ共振器が低入力レベルにおいて光学的にポンピングされ、ポンピング出力がハイパーパラメトリック発振の閾値に近づくと、光コムは生成されず、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）およびＦＷＭプロセスの競合が観測された。我々の試験において用いられたＷＧＭ共振器は、高ＱＷＧＭの複数のモードファミリを有していた。基本モードシークエンスに属するモードの直接ポンピングを行った場合、ＳＲＳの閾値がＦＷＭ発振プロセスの場合よりも低いことが判明した。これは、予期しなかった結果である。なぜならば、同一パラメータを有するモードにおいて、ＳＲＳプロセスは、ハイパーパラメトリック発振と比較して、若干低い閾値を有するからである。この相違の原因としては、モードファミリが異なれば、モード中の場分布によって得られる品質係数も異なり、カプラ位置も異なる点がある。試験設定については、より高次の横モードと比較してＷＧＭの基本シークエンスのＱ係数がより低く（またはローディングがより高く）なるような設定にした。モードの体積Ｖがより高い場合でも、ＳＲＳプロセスは、より高いＱモードにおいて開始する。これは、ＳＲＳ閾値出力がＶＱ２に逆比例するためである。
【００７５】
基本モードシークエンスのポンピングをより大きな光出力によって行った場合、ハイパーパラメトリック発振がＳＲＳと共に発生する場合が多い。図１０は、基本モードシークエンスに属するモードへポンピングされたＣａＦ２共振器内において観測された光搬送波およびハイパーパラメトリック発振から約９．６７ＴＨｚにおいて測定されたＳＲＳ周波数スペクトルを示す。線の構造を、スペクトル下側の挿入によって示す。ロードされた品質係数Ｑは１０９であり、モードへ送られたポンプ出力は８ｍＷであった。試験の結果、ハイパーパラメトリックプロセスおよびＳＲＳプロセスはより高いＱモードにおいて開始することが判明した。これらのプロセスに関与したモード間の周波数分離は、共振器のＦＳＲよりもずっと小さく、モードは明らかに横方向である。この点も、ＳＲＳ光とキャリアとの間にＦＷＭが無いことを説明できる。
【００７６】
ＦＷＭによって生成された光子対は、図１０に示すようにポンプ周波数から約８ＴＨｚだけ離れている。その理由として、ＣａＦ２のゼロ分散点が１５５０ｎｍ近傍に存在する点がある。このようなポンプから遠く離れた光子対が生成されることにより、ＷＧＭ共振器ベースのハイパーパラメトリック発振器を量子通信および量子暗号ネットワークに対して非常に適したものとすることが可能になる。発振器により、χ（２）下方変換プロセスに基づいた従来の二光子源と対照的に、光子対が通信ファイバ内に送り込まれた際に発生する高い結合損失を回避する。さらに、搬送波周波数と数テラヘルツで離隔している狭帯光子の無損失分離も容易に可能である。
【００７７】
実行した試験において、ポンプ出力が発振閾値をはるかに超えて増加した際、光コムが生成された。レーザーの周波数を高Ｑ横ＷＧＭへ同期した際、安定した光コムが生成された。このようにして、ＳＲＳプロセスと比較して閾値が低いハイパーパラメトリック発振が観察された。さらに、光ポンプ出力が大幅に増加した場合も、光コム線の高速成長により、ＳＲＳプロセスは開始しなかった。
【００７８】
図１１は、共振器を１５５０ｎｍ光の１０ｍＷによってポンピングした際に観測されたハイパーパラメトリック発振の例を示す。スペクトル（ａ）および（ｂ）は、ＷＧＭ共鳴周波数からのポンプの異なる離調に対応する。測定されたスペクトル（ａ）は、２５ＧＨｚだけ分離した搬送波および第１のストークスサイドバントによって、１２．５ＧＨｚ周波数における光子を生成した場合の光子加算プロセスの結果を示す。このプロセスは、高密度ＷＧＭによって可能であり、単一のモードファミリ共振器中において禁止されている。
【００７９】
コムの成長は、いくつかの特性を有する。いくつかの場合において、図１１に示すように、信号およびアイドラーサイドバンドの成長において大きな非対称性が存在した。この非対称性は、対称サイドバンドの生成を予測するハイパーパラメトリック発振の通常の理論では説明されない。これを説明可能な１つの理論として、共振器の高モード密度がある。実験において、レーザーは、単一のモードをポンピングするのではなく、ほぼ縮退したモードクラスターをポンピングする。横モードファミリは光学的に異なるジオメトリ分散を有するため、クラスター形状も周波数と共に変化し、各モードファミリは、固有のハイパーパラメトリック発振をもたらす。これらの発振の信号モードおよびアイドラーモードはほぼ縮退しているため、これらは相互に干渉することができ、干渉に起因して、搬送波のいずれかの側部上において、サイドバンド抑制が発生する。その結果、我々の試験において観測された「単一のサイドバント」発振が発生する。干渉したコムは独立したものとしてみなされるべきではない。なぜならば、コム復調によるマイクロ波信号の生成において示されるように、生成されたサイドバンドは明確に区別できる位相従属性を有するからである。
【００８０】
図１２は、（ａ）出力５０ｍＷのポンプレーザービームによってポンピングされたＣａＦ２ＷＧＭ共振器によって生成された光コムと、（ｂ）（ａ）における測定の中央部分の拡大とを示す。生成された光コムは、共振器の１つのＦＳＲおよび４つのＦＳＲに等しい２つの明確な繰り返し周波数を有する。図１３は、レーザー同期のレベルおよび位相を変更した場合の図１２に示すコムの変更例である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）における測定の中央部分の拡大を示す。
【００８１】
ポンプ出力がさらに増加して、単一のサイドバンド発振が発生するポンプ閾値を超えた場合、信号およびアイドラー高調波の相互作用はより顕著となる。図１２および図１３は、周波数スパンが３０ＴＨｚを超えた場合に観測されたコムを示す。コムのエンベロープが変調されており、この変調の理由は、図１３（ｂ）から推測することができる。このコムは、周波数とともに形状が変化するモードクラスターにわたって生成される。
【００８２】
上記した非線形ＷＧＭ共振器ベースの光コム生成器は調節可能であり、コム繰り返し周波数の制御可能な調節は、ポンプレーザーの周波数を変更することにより、達成することができる。他の実験条件は不変のままにしておき（例えば、共振器の温度および光結合）、レーザー同期のレベルおよび位相を変更することにより、コム周波数間隔を変化させることができる。図１１〜図１３に示す測定により、調節の例が得られる。非線形ＷＧＭ共振器ベースのコム生成器のこの調節能力は、多様な用途において有用である。
【００８３】
非線形ＷＧＭ共振器ベースのコム生成器の別の特徴として、光コムの異なるモードがコヒーレントである点がある。このようにして生成されたカー（ハイパーパラメトリック）周波数コムの復調は、高速フォトダイオードによって直接検出することができ、これにより、高周波数ＲＦまたはマイクロ波信号がコム繰り返し周波数において生成される。これは必然的に導かれる結果であり、コム線がコヒーレントであることを示す。信号のスペクトル純度は、ＷＧＭのＱ係数、生成されたサイドバンドの出力およびコムのスペクトル幅の増加と共に増加する。高速フォトダイオードの出力は、ＲＦまたはマイクロ波ビート信号であり、コム中の異なるスペクトルコンポーネント間のコヒーレントな干渉に起因して発生する。コムのコヒーレント特性を示すために、一次周波数間隔が２５ＧＨｚであるコムを、光帯１４８０〜１６４０ｎｍで、高速４０ＧＨｚフォトダイオード中へと方向付けた。図１４は、４０ＧＨｚフォトダイオードによって記録されたマイクロ波ビート信号出力を示す。図１４（ａ）は、信号を対数スケールによって示し、図１４（ｂ）は、同じ信号を線形スケールによって示す。図１４（ｃ）は、４０ＧＨｚフォトダイオード中へ方向付けられた光コムのスペクトルを示す。マイクロ波線の線形フィッティング結果は、生成されたマイクロ波ビート信号の線幅が４０Ｈｚ未満であることを示し、ビート信号の高コヒーレンス性を示す。この実験において用いられるマイクロ波スペクトルアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ８５６４Ａ）は、１０Ｈｚビデオ帯域幅を有し、平均化は行わず、内部マイクロ波減衰は１０ｄＢである（実際のマイクロ波ノイズフロアは１桁小さい）。光信号の光ポストフィルタリングは行わなかった。
【００８４】
図１４はまた、マイクロ波信号が不均一に４０Ｈｚまで拡大していることを示す。ノイズフロアは、測定帯域幅（約４Ｈｚ）に対応する。この拡大は、ポンプレーザー搬送波周波数に対するＷＧＭ共振周波数の熱屈折ジッターに起因して発生する。この試験において用いられる８ｋＨｚ変調に基づいたレーザー同期回路は、このジッターを補償するほどには充分に高速ではない。より高速の同期（例えば、１０ＭＨｚ）を用いれば、より狭帯域幅のマイクロ波信号の測定が可能となる。
【００８５】
図１４（ｃ）に示すマイクロ波生成において用いられるコムは、非対称な形状を有する。図１２および図１３中のほぼ対称のコムと異なり、このコムは、搬送波の青色側へとシフトしている。図１４（ｃ）中のコムを生成するために、レーザーを基本モードシークエンスに属するモードのうちの１つへ同期した。図１０中におけるようなより低いポンプ出力のための２つのモード発振プロセスは、ポンプ出力の増加と共に等距離コムへと変化したことが観測された。ＳＲＳプロセスは抑制された。
【００８６】
異なる試験において、外部変調光信号を光ポンプとして非線形ＷＧＭ共振器へと送った。図１５は、非線形ＷＧＭ共振器の光出力中に測定されたカオス発振を示す。共振器を、２５７８６ｋＨｚにおいて変調されかつ出力５０ｍＷを有するレーザー光によって１５５０ｎｍにおいてポンピングした。生成されたスペクトルは、ｃｗポンプされた共振器によって生成されたスペクトルよりも顕著に拡大しておらず、これらのモードは等距離ではない。
【００８７】
よって、ＷＧＭ結晶性共振器を光学的にポンピングすることにより、光周波数コムを生成し、これにより、共振器のＦＳＲに対応する調節可能なコム周波数間隔を提供することができる。これらのコムは、大きなスペクトル幅（例えば、３０ＴＨｚを超えるもの）と、モードの良好の相対的コヒーレンス性とを有する。生成されたコムの特性は、光ポンプされたモードの選択と、共振器へのレーザー同期のレベルおよび位相とに依存する。
【００８８】
ＷＧＭ共振器中の光三次非線形性を用いた光コムの上記した生成は、レーザー同期を用いて、生成された光コム信号の周波数を安定させることができる。Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）レーザーフィードバック同期方式を用いて、非線形ＷＧＭ共振器へのポンプ光を生成するレーザーを同期させることができる。ＰＤＨ同期は、共振器の光結合を用いて電気制御信号を生成し、レーザーを共振器へと同期するフィードバック同期回路に基づいたレーザー同期技術の一例である。同期のレベルおよび位相は、発振共振器および非発振共振器で異なる。レーザー同期周波数が発振閾値を超えて増加した場合、同期が不安定になる。このレーザー同期により、スペクトル純度が高いマイクロ波信号の生成が促進される。試験結果によれば、同期されていないコム信号は、同期されたレーザー（例えば、図１４に示すような４０Ｈｚ未満）を用いたコム生成器によって生成された線幅の場合よりも、より広い線幅（例えば、約数ＭＨｚ）を有する傾向となる。
【００８９】
Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）レーザーフィードバック同期の代わりに、ＷＧＭ共振器または固体リング共振器の内側のレイリー散乱を用いて、レーザーを自己注入同期の形態でこのような共振器へ同期させることができる。この注入同期により、レーザーが、適切な位相整合条件下において、レーザー光をレーザーに再度注入することにより、ハイパーパラメトリック周波数コムを生成する非線形共振器へ同期される。位相整合条件を満たすように、非線形共振器からレーザーへのフィードバック光の光位相を調節する。
【００９０】
２つのフィードバック機構を用いて、非線形共振器からの光をレーザーへと方向付けて、レーザーを同期することができる。第１のフィードバック機構は、非線形共振器の内側のレイリー散乱を介して生成された信号を用いる。レイリー散乱によって生成された光は、レーザーからのオリジナルのポンプ光の光経路を追随して、非線形共振器からレーザーへと伝搬する。
【００９１】
第２のフィードバック機構は、反射器（例えば、非線形共振器の出力光経路に配置された追加的な部分的に透明な鏡）を用いて、非線形共振器へ戻り、その後レーザーへ向かう反射を提供する。図１６は、デバイス１６００の一例を示す。デバイス１６００は、レーザー１６０１を非線形共振器１６１０へと同期する。非線形共振器１６１０は、リング共振器、ディスク共振器、球状共振器または非球状共振器（例えば、回転楕円体共振器）であり得る。図示のような結合プリズムであり得る光カプラ１６２０を用いて、光入力を共振器１６１０へ提供し、共振器１６１０からの光出力を提供する。レーザー１６０１は、レーザービーム１６６１を生成し、レーザービーム１６６１を結合プリズム１６２０へと方向付ける。結合プリズム１６２０は、レーザービーム１６６１をビーム１６６２として共振器１６１０中へと結合させる。ビーム１６６２は、反時計回り方向において共振器１６１０内で循環する。循環ビーム１６６２の光は、共振器出力ビーム１６６３として光カプラ１６２０によって光学的に結合される。反射器１６４０は、共振器出力ビーム１６６３の光経路内において結合プリズム１６２０の後に配置され、これにより、共振器出力ビーム１６６３のうち少なくとも一部を結合プリズム１６２０へと戻すよう反射させる。光コリメータ１６０２および１６３１を用いて、光をコリメートすることができる。反射器１６４０は部分反射器であってもよく、共振器出力ビーム１６６３の一部を出力ビーム１６６４として透過し、共振器出力ビームの一部を返送ビーム１６６５として反射する。反射器１６４０は全反射器であってもよく、その場合、ビーム１６６３の光全てを返送ビーム１６６５として反射する。フィードバックビーム１６６５は、逆伝搬ビーム１６６６として共振器１６１０中へと結合される。逆伝搬ビーム１６６６は、結合プリズム１６２０によって、レーザー１６０１へ向かうフィードバックビーム１６６７として結合される。フィードバックビーム１６６７は、レーザー１６０１に進入し、注入同期を介してレーザーを共振器１６１０へと同期する。
【００９２】
共振器１６１０からレーザー１６０１へのフィードバックビーム１６６７の光位相が注入同期についての位相整合条件を満たす場合、共振器１６１０内のレイリー散乱または外部反射器１６４０のいずれかに基づいた非線形共振器１６１０からの光フィードバックに基づいた上記のレーザー同期を確立することができる。位相制御機構は、レイリー散乱方式のフィードバックビーム１６６７の光経路内において実装してもよいし、またはフィードバックビーム１６６７の光位相の調節および制御のための外部反射器１６４０を用いた方式内の１つ以上のビーム１６６１、１６６２、１６６３、１６６５、１６６６および１６６７の光経路内において実装してもよい。図示のように、この位相制御機構の一実施様態において、反射器１５４０は可動鏡であり、ビーム１６６３の光経路に沿って位置を変更するよう制御されることにより、フィードバックビーム１６６７の光位相を調節することができる。レーザー１６０１とカプラ１６２０との間に配置された位相回転子１６０３あるいはカプラ１６２０またはコリメータ１６３１と外部反射器または鏡１６４０との間に配置された位相回転子１６６３により、フィードバックビーム１６６７の位相も調節することができる。また、共振器１６１０の内側のレイリー散乱および外部反射器１６４０の双方を用いた統合構成を用いることもできる。構成の選択は、動作条件に依存する（例えば、カプラ１６２０による共振器１６１０のロード、共振器１６１０中のレイリー散乱の強度）。このような同期技術を用いることにより、ＰＤＨ同期および他の同期設計の利用に関連する技術的困難の回避が可能になる。
【００９３】
図１（ａ）および図１（ｂ）を再度参照して、図示のデバイス例は、半導体基板（例えば、シリコンウェーハ）上の平面アーキテクチャとして実行することができる。いくつかの実施様態において、光ＷＧＭ共振器を多様な構成における基板上に一体的に集積することができる（例えば、光ＷＧＭ共振器を平面半導体構造上に統合することができる）。光ＷＧＭ共振器は、光ディスクまたはリング共振器であり得、基板上に集積される。この基板上に、デバイスの他のコンポーネント（例えば、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す電子回路要素）も集積される。
【００９４】
この文書中、多数の具体例について記載してきたが、これらの例は本発明の範囲または特許請求の範囲の制限として解釈されるべきではなく、本発明の特定の実施形態の特有の特徴の記載として解釈されるべきである。別個の実施形態の文脈において本文書中に記載された特定の特徴を単一の実施形態において組み合わせて実施することも可能である。逆に、単一の実施形態の文脈において記載される多様な特徴を複数の実施形態において別個にまたは任意の適切な組み合わせで実施することも可能である。さらに、特徴について特定の組み合わせとしておよびさらには最初の特許請求に記載のように機能するものとして上記してきたが、請求項の組み合わせからの１つ以上の特徴を当該組み合わせから実施することも可能であり、請求項に記載の組み合わせをさらなる組み合わせまたはさらなる組み合わせの改変例に用いることも可能である。
【００９５】
いくつかの実施様態について開示した。記載の実施様態および他の実施様態の変更例および改良例は、この文書中に記載および図示される内容に基づき得る。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ−４Ｂ】
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【図５Ａ−５Ｂ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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