(57)【要約】電気信号による光吸収の直接変調を可能にする誘電体から形成されたささやき回廊モード光共振器（１０１、１１６、１１０）を使用して、電気信号を光信号（１１４）へ直接的に変換する手法（１００）。
2004503816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ささやき回廊モードをサポートすべく構成され、選択された光周波数の光を吸収し且つ一定の電気周波数の電気エネルギを吸収するエネルギレベル構造を有する誘電体から形成された光共振器にして、前記電気エネルギの吸収が前記光の吸収を変化させる光共振器と、
前記光共振器に隣接して配置され、光エネルギをささやき回廊モードの前記光共振器内に、或いは前記光共振器の外にエバネセント結合させる光結合器と、
前記電気周波数の電気信号を前記光共振器内に結合させ、前記ささやき回廊モードと少なくとも部分的に重複し、前記吸収を変調することで前記光共振器内の光エネルギを変調するように配置された電気結合器と、
を備えるデバイス。
【請求項２】
前記エネルギ構造が、第一、第二、及び第三の異なるエネルギレベルを含み、（１）前記選択された光周波数における前記第一及び前記第二のエネルギレベル間での少なくとも一つの光学遷移と、（２）前記電気周波数と共振する前記第二及び前記第三のエネルギレベル間での電子遷移とを可能にする、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記第二及び前記第三のエネルギレベル間での緩和が、前記一つの光学遷移における光吸収の速度に比べ大幅に小さい、請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
前記第一のエネルギレベルが励起状態であり、前記第二及び前記第三のエネルギレベルが基底状態である、請求項２記載のデバイス。
【請求項５】
前記第二及び前記第三のエネルギレベルが、共通するエネルギレベルの二種類の超微細エネルギ分割レベルである、請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
前記第二及び前記第三のエネルギレベル間のエネルギ格差を調整するチューニングメカニズムを更に備える、請求項５記載のデバイス。
【請求項７】
前記チューニングメカニズムが、前記光共振器に対し調整可能な磁場を生成する動作を実施可能なメカニズムを含む、請求項６記載のデバイス。
【請求項８】
前記誘電体が、遷移イオンによりドープされる、請求項１記載のデバイス。
【請求項９】
前記遷移イオンが、クロミウムを含む、請求項８記載のデバイス。
【請求項１０】
前記遷移イオンが、鉄を含む、請求項８記載のデバイス。
【請求項１１】
前記遷移イオンが、マンガンを含む、請求項８記載のデバイス。
【請求項１２】
前記誘電体が、水晶を含む、請求項８記載のデバイス。
【請求項１３】
前記誘電体が、ガラスを含む、請求項８記載のデバイス。
【請求項１４】
前記誘電体が、各遷移イオンでの最終的な磁場に影響を与えるイオンによって更にドープされる、請求項８記載のデバイス。
【請求項１５】
前記誘電体が、遷移イオンによりドープされたルビーを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１６】
前記遷移イオンが、クロミウムを含む、請求項１５記載のデバイス。
【請求項１７】
前記誘電体が、電場に対応して屈折率を変化させる電気光学効果を示す、請求項１記載のデバイス。
【請求項１８】
前記光共振器が、球体の球形部分を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１９】
前記球形部分が、前記球体の均分円を含む、請求項１８記載のデバイス。
【請求項２０】
前記光共振器が、ディスク形状を有する、請求項１８記載のデバイス。
【請求項２１】
前記光共振器が、リング形状を有する、請求項１８記載のデバイス。
【請求項２２】
前記光共振器が、球体である、請求項１記載のデバイス。
【請求項２３】
前記光共振器が、非球体形状を有する、請求項１記載のデバイス。
【請求項２４】
前記光結合器が、プリズムを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２５】
前記光結合器が、斜研磨導光路を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２６】
前記導光路が、ファイバである、請求項２５記載のデバイス。
【請求項２７】
前記導光路が、基板上に形成された平面導光路である、請求項２５記載のデバイス。
【請求項２８】
前記光結合器が、入力結合器及び出力結合器を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２９】
前記光結合器が、前記光共振器から光学出力を生成する動作を実施可能な、請求項１記載のデバイス。
【請求項３０】
前記光学出力を電気信号に変換するために結合された光学検出器を更に備える、請求項２９記載のデバイス。
【請求項３１】
前記光学出力を受領するために結合された光学デバイスを更に備える、請求項２９記載のデバイス。
【請求項３２】
前記光学デバイスが、ファイバを含む、請求項２９記載のデバイス。
【請求項３３】
前記電気結合器が、前記光共振器を少なくとも部分的に囲む電気波キャビティを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項３４】
前記電気結合器が、電極を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項３５】
前記電気信号を生成する動作を実施可能な信号生成器を更に備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項３６】
電磁波を前記電気信号に変換する動作を実施可能なアンテナを更に備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項３７】
前記光を生成する動作を実施可能な光源を更に備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項３８】
複数のワイヤレストランシーバを備えるワイヤレス通信システムであって、
少なくとも一つのトランシーバが、
一定の電気周波数の電磁波信号を受信するアンテナと、
選択された光周波数の光を生成する光源と、
ささやき回廊モードをサポートすべく構成され、前記選択された光周波数の光を吸収し且つ前記電気周波数の電気エネルギを吸収するエネルギレベル構造を有する誘電体から形成された光共振器にして、前記電気エネルギの吸収が前記光の吸収を変化させる光共振器と、
前記光共振器に隣接して配置され、光エネルギをささやき回廊モードの前記光共振器内に或いは前記光共振器の外にエバネセント結合させる光結合器と、
前記アンテナから前記電磁波信号を受信すべく結合された電気結合器にして、前記電磁波信号を前記光共振器内に結合させ、前記ささやき回廊モードと少なくとも部分的に重複し、前記吸収を変調することで前記光共振器内の光エネルギを変調するように配置された電気結合器と、
を含む、
ワイヤレス通信システム。
【請求項３９】
前記一つのトランシーバが配置される衛星を更に備える、請求項３８記載のシステム。
【請求項４０】
前記一つのトランシーバが、基地局である、請求項３８記載のシステム。
【請求項４１】
前記一つのトランシーバが、移動ユニットである、請求項３８記載のシステム。
【請求項４２】
電気信号上の情報を転送する動作を実施可能な電子通信システムと、
光信号上の情報を転送する動作を実施可能な光通信システムと、
前記電子通信システム及び前記光通信システム間のインタフェースと、
を備える通信システムであって、
前記インタフェースが、
選択された光周波数の光を生成する光源と、
ささやき回廊モードをサポートすべく構成され、前記選択された光周波数の光を吸収し且つ前記電子通信システムがサポートする電気周波数の電気エネルギを吸収するエネルギレベル構造を有する誘電体で形成された光共振器にして、前記電気エネルギの吸収が前記光の吸収を変化させる光共振器と、
前記光共振器に隣接して配置され、光エネルギをささやき回廊モード内の前記光共振器内に或いは前記光共振器の外にエバネセント結合させる光結合器と、
前記電子通信システムからの電気信号を受信すべく結合された電気結合器にして、前記電気信号を前記光共振器内に結合させ、前記ささやき回廊モードと少なくとも部分的に重複し、前記吸収を変調することで前記光共振器内の光エネルギを変調するように配置された電気結合器と、
を備える通信システムにおいて、
前記光結合器が、前記光共振器からの変調された光エネルギを、前記光通信システム内に更に結合する、
通信システム。
【請求項４３】
前記光通信システムが、自由空間システムを含む、請求項４２記載のシステム。
【請求項４４】
前記光通信システムが、ファイバシステムを含む、請求項４２記載のシステム。
【請求項４５】
前記電子通信システムが、ワイヤレスシステムを含む、請求項４２記載のシステム。
【請求項４６】
前記電子通信システムが、ワイヤードシステムを含む、請求項４２記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、２０００年６月１５日に出願された米国仮出願第６０／２１２，０９１号の利益を主張する。
【０００２】
発明の起源
本明細書にて説明するシステム及び手法は、ＮＡＳＡの契約に基づく作業の遂行において形成されたものであり、公法９６−５１７（３５　ＵＳＣ　２０２）の条項の対象で、請負業者が権利を保有することを選択した。
【０００３】
背景
本願は、電気信号から光信号への変換と、電気信号に応じた光変調とに関する。
【０００４】
電気信号は、デジタル又はアナログ形態で、特定の情報を搬送することができる。この情報は、例えば、位相又は振幅といった電気信号の性質に組み込まれる。電気信号内の情報は、電気搬送波の人工変調、或いは電気搬送波と相互作用する媒体に搬送波を晒すこと等、様々な方法で作成できる。一部の応用において、こうした情報は、電気領域で伝送、処理、格納、受領、又は検出することができる。例えば、電気ケーブルを使用して電気形態で情報を伝送することが可能で、多くの電子回路又はプロセッサ（マイクロプロセッサ等）は、電気形態で情報を処理することが可能であり、人工衛星、レーダー、ワイヤレス電話その他の電子デバイスは、導電性の伝送媒体に頼ることなく、自由空間を移動する電磁波内の情報を伝送又は受領することができる。
【０００５】
光学波も、デジタル又はアナログ形態で情報を搬送する搬送波として使用することができる。電気信号と同様に、光学搬送波も、人工変調により必要な情報を搬送させることが可能であり、或いは、光学媒体と相互作用させて、その媒体の特性を示す特定の情報を取得させることができる。人工光変調の例には、加えられた電場によって屈折率が変化する電気光学材料等の光変調器を使用することによる光変調、或いは光学波を増幅又は生成する半導体利得材料（例えば、多量子井戸利得媒体）における駆動電流の変調が含まれる。光学波と光学媒体との間の相互作用の例には、光学媒体での光の散乱、反射、又は伝送の測定が含まれる。更に、電気信号と同様に、光学信号は、自由空間又は導光路（例えば、光ファイバ、或いは半導体、ガラス、又はその他の基板上に形成された平面導光路）等の光学伝送媒体において伝送することが可能である。加えて、光信号は、光学デバイスによって光学的に処理又は操作すること、或いは光記憶媒体に格納することが可能である。
【０００６】
光学領域での信号の伝送、処理、又は格納は、特定の態様において、電気領域よりも有利な場合がある。例えば、光信号は、一般に、電子デバイスの性能を制限することが多い電磁波の干渉に反応を示さない。更に、光学搬送波は、電気信号よりも大幅に高い搬送周波数を有し、この高い光学搬送周波数に伴う広い帯域幅により、電気搬送波よりも多くの情報を搬送できる。別の例としては、光信号を使用して、並列伝送及び並列処理を容易に行うことが可能であり、光学波長分割多重（ＷＤＭ）手法により広く実証されているように、情報搬送能力を更に増大することができる。
【０００７】
光信号と電気信号との両方を使用して、それぞれの性能上の利点、利便性、又は実用面の特徴を探求する電気−光「ハイブリッド」構成を有する多くの応用を設計することが可能である。例えば、既存の通信システムの一部では、ファイバネットワークを通じて信号を光学形態で伝送するが、伝送先では（一つ以上のデジタル電子プロセッサ等により）情報を電気形態で処理する。前記その他の応用では、電気−光変換が必要となる。
【０００８】
概要
本開示には、マイクロささやき回廊モード（ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ−ｍｏｄｅ）共振器を使用して電気信号を光信号に直接変換する手法が含まれる。この共振器は、少なくとも三種類のエネルギレベルを有する誘電体であって、（１）光信号の信号波長での第一及び第二のエネルギレベル間の少なくとも一つの光学遷移と、（２）電気信号の周波数と共振する第二及び第三のエネルギレベル間の電子遷移とを可能にする誘電体で形成することができる。電気信号によって発生する第二及び第三のエネルギレベル間での電子遷移が存在しない場合、第一及び第二のエネルギレベル間での光学遷移に関する電子集団は、第三のエネルギレベルに光学的に転送されるため、集団の枯渇よる光吸収は発生しない。結果として、誘電体は、この信号波長において光信号にとって光学的に透明となる。共振器が第二及び第三のレベル間の共振周波数で振動する電気信号に晒される時、第三のエネルギレベルで捕獲される電子は、第二のエネルギレベルに転送されるため、光吸収に利用可能となり、誘電体は、この信号波長で光吸収性を有するようになる。
【０００９】
こうした電子と加えられる電気信号との間の直接的な相互作用は、誘電体の光吸収を変調するために使用される。共振器の品質係数（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）は、誘電体の光吸収によって変化するため、周波数又は増幅等の電気信号の変化により、誘電体の光吸収を変化させることで品質係数を変調し、共振器において光信号の光変調を発生させることができる。この操作は、電気信号における変調を光信号における変調へ直接的に変換する。
【００１０】
共振器のささやき回廊モード設計は、電気変調と光変調との間の効率的な結合環境を提供するために使用される。電気信号が存在しない場合、ささやき回廊モード共振器は、適切に設計される時、高い品質係数を達成可能であり、これにより、サポートするささやき回廊モードの狭いスペクトル線幅を生成する。第二及び第三のエネルギレベルと共振する電気信号による電子変調により、共振器は、高い品質係数と低い品質係数との間で動作する。共振器のささやき回廊モードに閉じ込められる光エネルギは品質係数に対して非常に敏感であるため、電子集団を第三の「捕獲」エネルギレベルから第二のエネルギレベルへ転送させる少量の電気信号の吸収は、共振器に格納されたエネルギの量に基づいて、光変調において効果的に増幅することができる。
【００１１】
したがって、このシステムは、効率的な電気光変換だけでなく、電気信号を測定するための非常に感度の高い検出方法も提供する。主に、このシステムでは、誘電体が電気信号の一の光子を吸収する単一の事象を、光学的に測定することが可能である。電気光変換と、光変調と、電気信号の光学的感知とを行うささやき回廊モード共振器に基づいて、様々なデバイス及びシステムを構築することが可能である。
【００１２】
詳細な説明
図１は、適切なエネルギレベルを有する誘電体で形成されたマイクロささやき回廊モード共振器１０１に基づく直接電気光変換システムの一実施例１００を示している。ひとつの実施形態において、マイクロ共振器１０１は、一般に、誘電球体の均分円を含む誘電球体全体の少なくとも一部で形成することができる。こうした共振器は、「ささやき回廊モード」として知られる共振器モードの特別なセットをサポートすることが可能であり、このモードは、基本的には、均分円の周りの球体表面近くにある内部領域に閉じ込められ、軸対称である誘電体本体内部での全反射によって循環する電磁場モードである。コンパクト光共振器は、１０乃至１０２ミクロン程度の直径を有する微小球体（マイクロスフェア）を使用して形成される。こうした共振器は、光の波長よりも遙かに大きな共振器寸法を有するため、共振器の有限の曲率による光学的損失を小さくすることができる。光学的損失の主要な原因には、誘電体における光吸収と、球体の不均等性（球体表面の不規則性等）による光の散乱とが含まれる。結果として、こうした共振器では高い品質係数Ｑを達成することができる。１ミリメートル未満の寸法を有する一部の微小球体は、光波に関して非常に高い品質係数を示すことが実証されており、クオーツの微小球体では１０９を超える。したがって、光学的エネルギは、ささやき回廊モード内に結合されると、球体の均分円又はその近くで、長い光子寿命に渡って循環する。共振器１０１は、球体全体、或いは、リング、ディスク、及びその他の形状といった、ささやき回廊モードをサポートするのに十分な大きさである均分円近くの球体の一部にすることができる。
【００１３】
マイクロ共振器１０１は、更に、軸対称である非球形共振器形状を有してもよい。こうした非球形共振器は、通常の球形共振器（球体、ディスク、リング、その他）の二次元曲率の制限と、低い散乱損失と、非常に高いＱ値とを保持するように設計することができる。一実施形態では、離心率を最少化するのではなく、球体を非球形形状に変形し、例えば１０−１を超える大きな離心率を意図的に達成することで、そのような非球形共振器を形成できる。例えば、マレキらが２００１年３月２２日に出願した米国特許出願「非球形ささやき回廊モードマイクロキャビティ」では、楕円をその楕円の短軸に沿う対称軸線の周りで回転させることで形成される偏球のマイクロキャビティ又はマイクロトーラスについて説明している。
【００１４】
球形及び非球形の両方のマイクロ共振器において、光エネルギは、例えば、結合させるべき光放射線の１波長より短い距離だけ共振器１０１の近くにある光結合器１１０を使用して、エバネセント結合で共振器内部に結合させることができる。ささやき回廊モードは共振器１０１内部に閉じ込められるが、そのエバネセントフィールド１１２は、光信号１１４の約１波長の距離内で、共振器１０１の外部に「漏出」する。光結合器１１０は、選択した波長で入力光学波１１４を受領する受領ターミナルと、光学波１１４を共振器１０１内部にエバネセント結合させる結合ターミナルとを有することができる。加えて、光結合器１１０は、共振器１０１からの一つ以上のささやき回廊モードの光エネルギを結合し、光学出力１１６を生成するために使用することもできる。出力１１６は、光学検出器に結合されて情報を電子形態に変換することが可能であり、或いは光学デバイス又はシステムに結合されて、フォトニック処理、光記憶、又はファイバリンク等の光伝送を行うことができる。入力光ビーム１１４は、レーザ等の光源１２０で生成することができる。
【００１５】
一実施形態において、エバネセント結合器１１０は、図２Ａに示すように、一本又は二本の斜研磨ファイバ又は導光路１１０Ａ及び１１０Ｂを使用して実施できる。斜研磨した先端部は、エバネセント結合を達成するために共振器１０１の近くに配置される。ファイバ又は導光路１１０Ａ及び１１０Ｂの屈折率は、共振器１０１の屈折率よりも大きく、最適な研磨角度は、屈折率の比率に応じて選択する必要がある。Ｖ．Ｓ．イルチェンコ、Ｘ．Ｓ．ヤオ、Ｌ．マレキのＯｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２４、７２３（１９９９）等を参照せよ。別の実施形態において、エバネセント結合器１１０は、図２Ｂに示すように、一つ又は二つのマイクロプリズム１１０Ｃ及び１１０Ｄを使用して実施できる。単一の斜研磨導光路又はファイバ、或いは単一のマイクロプリズムが、入力波１１４と出力波１１６との両方を結合するエバネセント結合器１１０として作動するように使用できる。
【００１６】
システム１００には電気結合器１３０が設けられ、これは、共振器１０１の誘電体の選択されたエネルギレベルと相互作用させるための、ＲＦ、マイクロ波、又はミリメートルのスペクトル域において選択された電気周波数の電気信号１３２を供給する。電気結合器１３０は、少なくともささやき回廊モードが存在する共振器１０１の領域に電気信号１３２を結合させる様々な構成とすることができる。電気信号１３２は、電気信号生成器、アンテナ、発信器、又は電磁放射に晒された材料であるユニット１４０から受領することができる。信号１３２が信号生成器１４０によって生成される時、所望のデータ又はその他の情報が信号１３２の変調に使用される。
【００１７】
図３は、図１のシステム１００に基づいた、デバイスハウジング３８０に囲まれた状態の一実施３００を示している。光ファイバ３３２及び３３４は、入力及び出力光学ビームの誘導に使用される。屈折率分布レンズ等のマイクロレンズ３３１及び３３３は、ファイバ３３４及び３３２を出入りする光学ビームを結合させるために使用される。二つのプリズム３２１及び３２２は、ささやき回廊モード共振器３１０にエバネセント結合を提供するエバネセント結合器として使用される。ＲＦマイクロストリップライン電極３５０は、電気結合器として使用され、共振器３１０に固定されて、ＲＦ共振器を形成し、光学ささやき回廊モードが存在する領域に局在化された電気モード内の電気信号を供給する。マイクロストリップラインで形成される入力ＲＦ結合器３３０は、電気エネルギをＲＦ共振器に入力するようになっている。回路基板３６０は、マイクロストリップライン及びその他のＲＦ回路素子を支持するために使用される。第二のＲＦ結合器３７０は、基板３６０上のマイクロストリップラインで形成することが可能であり、これもＲＦ出力を生成するために使用することができる。この信号は、デバイス３００の動作のモニタとして使用することが可能であり、或いは、追加処理又は他のコンポーネントを駆動するための電気出力として使用できる。
【００１８】
図４、５、及び６は、共振器３１０が均分円を含む部分的な球形を含んだディスク又はリングである時のマイクロストリップライン電極３５０の例を示している。図４において、電極３５０は、共振器３１０の上面に形成され、別の電極４１０は、共振器３１０の底面に接触して形成される。図５は、上面の縁（リム）にある上部電極３５０として、半円形マイクロストリップラインを示している。図６は、上部電極３５０として二片の円形マイクロストリップライン３５０Ａ及び３５０Ｂ（実線）を示し、底部電極として二片の円形マイクロストリップライン４１０Ａ及び４１０Ｂ（影付きの点線）を示している。
【００１９】
或いは、図１のシステム１００の電気結合器１３０は、共振器１０１全体に電気信号１３２を加えるように設計することも可能である。図７に示すように、マイクロ波共振器７００を使用して、光学マイクロ共振器１０１を囲み、共振器１０１全体を電気信号１３２で満たすことができる。マイクロ波共振器７００には電気信号１３２を受領するために開口部が形成され、電気信号１３２からの電気エネルギは、共振器７００の一つ以上のマイクロ波モード内に格納されるようになる。
【００２０】
特に、マイクロ共振器１０１の誘電体は、入力電気信号１３２及び入力光信号１１４の両方と相互作用する図８に示すエネルギ構造を有するように特別に設計又は選択される。このエネルギ構造は、三種類のエネルギレベル８０１ａ、８０１ｂ、及び８０１ｃを有し、８０１ａと８０１ｃとは二種類の基底状態であり、レベル８０１ｂは励起状態である。基底状態８０１ａ及び８０１ｃから励起状態８０１ｂへの光学遷移が可能である。例えば、基底状態８０１ａから励起状態８０１ｂへの遷移８１０と共鳴する入力光学信号１１４から光子が吸収されると、電子は基底状態８０１ａから励起状態８０１ｂに励起される。この励起状態８０１ｂの電子は、次に、光子を放出することが可能となるため、いずれかの基底状態に、通常は異なる遅延速度で減衰する。矢印８２０及び８３０は、こうした発光での遅延プロセスを表している。二種類の基底状態は、ＲＦ、マイクロ波、及びミリメートルのスペクトル域等、電気領域の周波数に対応するエネルギの差異８４０を有する。加えて、上の基底状態８０１ａから下の基底状態８０１ｃまでの緩和又は減衰速度は小さく、励起状態８０１ｂからいずれかの基底状態までの遅延速度と比較すると、事実上、無視することができる。
【００２１】
前記のエネルギ構造は、エネルギ格差８４０に共振する電気信号１３２を、基底状態８０１ａ及び８０１ｃから励起状態８０１ｂへの光学遷移のいずれかと共振する周波数を有する光学信号１１４に直接変換することを可能にする光学ポンピング体系を提供する。例えば、二種類の基底状態８０１ａ及び８０１ｃの間での電子集団の緩和又は再分配を発生させる電気信号が加えられず、基底状態８０１ａに初期の電子集団が存在すると仮定する。更に、光学信号１１４が遷移８１０と共振状態にあり、基底状態８０１ａの電子が光学信号１１４の光を吸収し、励起状態８０１ｂへジャンプし、一方、別の基底状態８０１ｃの電子は光を吸収せず、その位置に留まると仮定する。励起状態８０１ｂになると、電子の一部は、遷移８３０と共振する波長で光子を放出し、光学的に励起していない別の基底状態８０１ｃへと減衰する。残りの励起電子は、再び最初の基底状態８０１ａへと減衰し、光を再度吸収する。前記サイクルの最終的な結果として、最初に基底状態８０１ａにあった電子の一部は、別の基底状態８０１ｃへ転送される。光学的励起がない場合、こうした電子は、基底状態８０１ｃに留まることになる。つまり、光学的遷移８１０のための光吸収に利用可能な電子集団は枯渇する。数サイクル後には、基底状態８０１ａでは光学遷移８１０を行う電子が存在しなくなり、すべての電子は、別の基底状態８０１ｃに転送され、「捕獲」される。結果として、共振器１０１の誘電体は、本質的には、光学信号１３２に対して完全に透明になる。
【００２２】
この誘電体の完全な透明状態の結果の一つは、光学的損失が最小になることである。そのため、モードが一致した状態にあるエバネセント結合器１１０によって、光学信号１１４が共振器１０１内に結合される場合、共振器１０１の品質係数Ｑは、最大に達する。ささやき回廊モードマイクロ共振器が高いＱ値で知られていることから、この最大のＱは、高くなる可能性がある。一般に、品質係数Ｑは、誘電体内での放射の減衰と、表面の不均等性によって制限される。一部の微小球体は、光波に関して非常に高い品質係数を有することが明らかになっており、クオーツ（石英）微小球体では１０９を上回る。ブラジンスキＶ．Ｂ、ゴロデツキＭ．Ｌ、イルチェンコＶ．ＳのＰｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．１３７、Ｐ３９３（１９８９）、及びコロットらのＥｕｒｏｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．２３、Ｐ３２７（１９９３）等を参照せよ。こうした高いＱ値により、ささやき回廊モードにおいて、強力なフィールドの集中が可能となる。１００ミクロン程度の直径のクオーツ球体において、ささやき回廊モードは、共振器の表面に極めて近接して伝播することが可能であり、通常は１０ミクロン未満の厚さ内で伝搬する。高いＱ値は、電磁スペクトルのミリメートル（ｍｍ）及びマイクロ波領域における波に関しても、達成することができる。
【００２３】
図８のエネルギ構造を有する誘電体の使用は、共振器１０１の品質係数Ｑが光吸収に敏感な関数であることも示唆する。光吸収が変化すると、共振器に閉じ込められた光エネルギは変化し、これに応じて光学出力１１６も変化する。これは、基底状態８１０ａと８０１ｃとの間のエネルギ格差８４０と共振状態にある電気信号１３２の変調を、出力光信号１１６の変調に直接変換するのに使用することができる。以下では、この体系の基本的な動作を説明する。
【００２４】
前記のように、電気信号１３２が存在しない場合、基底状態８０１ａと励起状態８０１ｂとの間の光学遷移８１０では、当初基底状態８０１ａであったすべての電子集団は、光学信号１３２とそれ以上相互作用しない別の基底状態８０１ｃに転送される。電気信号１３２がエネルギ格差８４０と共振する周波数である場合、電気信号１３２の光子は、基底状態８０１ｃに捕獲された電子によって吸収され、枯渇した基底状態８０１ａへとジャンプする。このプロセスは、実質的には、遷移８１０の際に光信号１３２のエネルギを吸収するのに利用可能な電子を形成し、基底状態８０１ａと８０１ｃとの間の十分な緩和の欠如を人為的に克服する。加えて、共振器１０１の品質係数Ｑは、光学的損失の増加により、大幅に低下する。そのため、誘電体は、少なくとも部分的には、光信号１１４に対して不透明となる。この誘電体の不透明性の度合いは、エネルギ格差８４０の共振周波数からの信号１３２の周波数の偏差、信号１３２の振幅、又は偏差及び振幅の両方といった信号１３２の特性に依存する。この依存性は、電気信号１３２の変調を、共振器１０１内の光信号又は出力光信号１１６に直接変換するのに使用することができる。
【００２５】
例えば、電気信号１３２の周波数を変調して、共振状態にするか、或いは共振状態から外し、基底状態８０１ａと８０１ｃとの間での再集合をオン又はオフにして、ささやき回廊モードで光を変調することができる。更に、電気信号１３２の強度又は出力を変調し、再集合の強度を変化させ、光を変調することができる。
【００２６】
図８のエネルギ構造を有する誘電体は、ある範囲の材料を使用して実施することができる。特定の水晶又はガラス材料がドープされる。例えば、クロミウムをドープしたルビーを使用することができる。図９は、ルビー内のクロミウムイオンの関連するエネルギ状態を示しており、基底状態４Ａ２の超微細分割により、約１１．５ＧＨｚで分離された二種類の基底状態４Ａ２（１／２）及び４Ａ２（３／２）が生成されている。基底状態４Ａ２から励起状態Ｅへの遷移は、約６９４．３ｎｍの波長での「Ｒ１」遷移である。こうしたドープ処理ルビーで形成され、２．５ｍｍの直径を有する微小球体共振器は、約１０８の固有品質係数を生成すると推定される。この推定Ｑは、室温では約１０，０００となる可能性がある。
【００２７】
実際には、１１．５ＧＨｚのマイクロ波を結合させ、共振器全体を満たすことができる。ささやき回廊モードにおける光学フィールドは、均分円表面に近い半径約３０ミクロン未満の範囲の小さなモードボリュームに閉じ込められ、部分的にマイクロ波フィールドと重複するため、これは有利となる可能性がある。この部分的な重複により、通常のクロミウムイオン濃度を有するルビーを使用することで、超微細基底状態間での緩和の影響を低減できる。この緩和の速度は、通常高く、約７７Ｋ以下の温度で吸収が観察できるようになる。Ｃｒ３＋の濃度は、緩和プロセスが加えられたマイクロ波フィールドの吸収をマスクしないように、小さくするべきである。緩和によって生成された信号（つまりノイズ）は、加えられたマイクロ波出力（信号）よりも小さくなるべきである。室温では、二種類の基底状態４Ａ２（１／２）及び４Ａ２（３／２）間の緩和速度は、毎秒約１０７である。したがって、２．５ｍｍで、１立方センチメートル当たり１．２×１０１８のクロミウムをドープしたルビー球体において、この緩和速度でのマイクロ波出力は、約０．１マイクロワットである。このノイズは、１マイクロワットの信号を検出する目標の約１０分の１となる。そのため、光学モードとマイクロ波フィールドボリュームの一部との間の部分的及び不完全な重複は、実際に、こうしたノイズより上の信号レベルの検出能力を助長できる。前記の推定は、マイクロ波出力を共振器に結合させる際の損失が含まれないため、概算である。
【００２８】
クロミウムは、共振器１０１の誘電体に関して適切な多数のドーパントの一例にすぎない。特に、マンガン又は鉄のような磁気イオン等、別の遷移元素を使用して、ルビーその他の誘電体をドープすることができる。異なるイオンは、通常、基底状態の異なる超微細分割を有するため、異なる電気周波数範囲を達成できる。一定のドーパントイオンに関して、基底状態の超微細線のジーマン分割は、外部磁場を印加及び制御することで制御できる。印加する外部磁場の大きさを調整すると、これに応じて、変化したエネルギ格差８４０と一致するように電気信号１３２の動作周波数範囲を調整することができる。加えて、ジーマン分割は、活性イオンの部位で最終的な磁場に影響を与える適切なドーパントを使用することで、内部的に制御することができる。活性イオンのジーマン分割を制御するこの二つの手法は、組み合わせることも可能である。外部磁場の使用は、磁場を調整することで、システム１００にチューニング能力を提供する。
【００２９】
したがって、本発明の体系は、誘電体の電子による電気信号１３２の直接吸収に基づいて機能する。このプロセスは、共振器１０１のささやき回廊モード内に結合される入力光信号１１４と共鳴状態にある光学遷移に関与することが可能な電子集団を直接的に変化させる。このコンテクストにおいて、係る電気から光への変換は、直接的であり、電気信号の単一のマイクロ波光子検出、或いは感度の高い効率的な電気光変換が可能な、非常に効率の良いものにすることができる。
【００３０】
図１のシステム１００は、高感度ワイヤレスＲＦ又はマイクロ波レシーバ又はトランシーバとして使用することができる。アンテナは、信号１３２を受領し、受領信号１３２を電気結合器１３０へ供給するために使用できる。受領信号１３２が基底状態８０１ａ及び８０１ｃのエネルギ格差８４０と一致する時、信号１３２内の情報は、光学出力１１６において光学領域に変換される。共振器１０１の高いＱ係数により、光学的変調への変換時に、受領した電気信号における変調の増幅が達成される。Ｑが高ければ、この増幅も大きくなる。そのため、システム１００は、ワイヤレス通信ネットワーク又は衛星通信システム内の基地局又は移動トランシーバのように、ＲＦトランシーバのワイヤレスネットワークにおいて信号を受信するために使用することができる。このシステム１００は、測定中の媒体又は試料から放出される電磁放射を検出することも可能である。測定された変調は、試料の分子構造又は原子構造といった特定の特性を決定するために抽出される。
【００３１】
加えて、システム１００は、光通信システム内の光トランスミッタ又はトランシーバを含め、様々な用途で非常に効率的な低出力光学モジュレータとして使用することが可能であり、或いは電子ワイヤレス又はワイヤード通信システムと光学的自由空間又はファイバ通信システムとの間の通信インタフェースとして使用することができる。
【００３２】
更に、前記の直接電気光変換メカニズムは、電気光学変調手法と組み合わせることが可能であると考えられる。図８に示したエネルギ構造に加え、共振器１０１の誘電体は、印加した電場によって屈折率が変化するような電気光学的効果を示すように設計することもできる。例えば、マレキらが２０００年６月１２日に出願した米国特許出願第０９／５９１，８６６号では、マイクロささやき回廊モード共振器に基づく電気光学変調について説明されている。この組み合わせを使用し、新しいモジュレータを形成することができる。
【００３３】
以上、開示されたものは、実施形態のうちの幾つかに過ぎない。しかしながら、前記特許請求の範囲の趣旨から逸脱することなく種々の変形及び強化を行い得ると共に、前記特許請求の範囲はこれらの変形及び強化を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】入力電気信号および入力光信号との相互作用に適したエネルギレベルを有する誘電体により形成されたマイクロささやき回廊モード共振器に基づく直接電気光変換システムの一実施形態を示す図である。
【図２Ａ】図１のエバネセント結合器の例示的な実施を示す図である。
【図２Ｂ】図１のエバネセント結合器の例示的な実施を示す図である。
【図３】入力電気信号を共振器の一部又は全体に適用する図１の電気結合器の例示的な実施を示す図である。
【図４】入力電気信号を共振器の一部又は全体に適用する図１の電気結合器の例示的な実施を示す図である。
【図５】入力電気信号を共振器の一部又は全体に適用する図１の電気結合器の例示的な実施を示す図である。
【図６】入力電気信号を共振器の一部又は全体に適用する図１の電気結合器の例示的な実施を示す図である。
【図７】入力電気信号を共振器の一部又は全体に適用する図１の電気結合器の例示的な実施を示す図である。
【図８】図１の共振器に使用され、励起状態と二種類の基底状態とを有する誘電体での望ましいエネルギレベル構造の一実施形態を示す図である。
【図９】図８に示すエネルギ構造を有する誘電体の例示的な一実施として、クロミウムをドープしたルビー材料における関連するエネルギレベルを示す図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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