(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを生成するレーザ光源と、
電気変調信号を受けとる電気入力ポートおよび前記レーザ光源からのレーザビームを入力光キャリア信号として受信する光入力ポートを有し、前記電気変調信号で変調された出力光キャリア信号を生成する光変調器と、
前記出力光キャリア信号の少なくとも一部を受信するように結合された光部分、および前記電気入力ポートに結合されて前記電気変調信号を生成する電気部分を有し、前記電気変調信号に遅延を起こさせて、正のフィードバックを前記光変調器に提供する光電子ループと、
前記光電子ループの前記光部分に結合されている光共振器とを備え、光電子発振する光電子発振装置であって、
前記レーザ光源にて生成されるレーザビームの周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍であり、前記光共振器のフリースペクトルレンジは前記光電子ループの固有モードのモード間隔の整数倍であり、かつ前記光電子発振の周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍である光電子発振装置。
【請求項２】
前記光変調器および前記光電子ループは、全ループ損失を超えるループ利得を有するクローズドループを形成する請求項1に記載の光電子発振装置。
【請求項３】
前記光変調器と前記光電子ループの一方に結合された周波数制御回路であって、前記光共振器のモード周波数と前記光キャリアの周波数との差を示す信号を受信して、前記差を、許容差範囲より小さくさせる制御信号を生成する周波数制御回路をさらに備えている請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項４】
前記周波数制御回路は、前記光共振器の空洞長を調節するように結合されて、前記モード周波数を、前記光キャリア周波数に関連して維持する請求項３に記載の光電子発振装置。
【請求項５】
前記出力光キャリア信号を生成するためのレーザであって、前記周波数制御回路に結合されて前記光キャリア周波数を前記モード周波数に関連して調節しかつ維持するレーザをさらに備えている請求項３に記載の光電子発振装置。
【請求項６】
前記光共振器は、ファブリーペロ共振器を含んでいる請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項７】
前記ファブリーペロ共振器は、光ファイバーのセグメントを含んでいる請求項６に記載の光電子発振装置。
【請求項８】
前記光共振器は、リング空洞を含んでいる請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項９】
前記リング空洞は、ファイバーリングで形成されている請求項８に記載の光電子発振装置。
【請求項１０】
前記光共振器は、ささやき回廊モードの共振器を含んでいる請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項１１】
前記共振器は、誘電体の球体を含んでいる請求項１０に記載の光電子発振装置。
【請求項１２】
前記光部分に接続されて、光エネルギーを、前記共振器におよび前記共振器から、エバネッセント結合によって結合する二つの光結合器をさらに備えている請求項１０に記載の光電子発振装置。
【請求項１３】
前記光電子ループは、前記光部分と電気部分の間に接続された光検出器を含んでいる請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項１４】
前記光電子ループは、前記電気部分に、電子バンドパスフィルタを含んでいる請求項１３に記載の光電子発振装置。
【請求項１５】
前記光電子ループは、前記電気部分に電気信号増幅器を含んでいる請求項１３に記載の光電子発振装置。
【請求項１６】
前記光検出器および前記光変調器は、実質的に整合のとれたインピーダンスを有している請求項１３に記載の光電子発振装置。
【請求項１７】
前記電気部分は、前記光検出器と前記光変調器の間に信号増幅器を備えていない請求項１３に記載の光電子発振装置。
【請求項１８】
前記光変調器の光変調に作用する追加の電気変調信号を、前記光変調器からの出力信号に応答して生成するように結合された追加のフィードバックループであって、前記光電子ループの前記遅延と異なる遅延を有する少なくとも一つの追加のフィードバックループをさらに備えている請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項１９】
前記追加のフィードバックループは、光電子ループである請求項１８に記載の光電子発振装置。
【請求項２０】
前記光電子ループおよび前記追加のフィードバックループは、全ループ損失より大きいループ利得を有している請求項１８に記載の光電子発振装置。
【請求項２１】
前記光電子ループと前記追加のフィードバックループの少なくとも一方は、それぞれのループ損失より小さいループ利得を有している請求項２０に記載の光電子発振装置。
【請求項２２】
基板をさらに備え、その基板上に、前記光変調器、前記光電子ループおよび前記光共振器が集積されている請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項２３】
レーザ発振を生成するレーザ共振器をさらに備え、前記レーザ共振器はその内部の前記レーザ発振の光路に前記光変調器を含み、そして前記レーザ発振は前記レーザ共振器のモードとオーバーラップする前記光共振器のモードのうち一つのモード内にある請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項２４】
前記レーザ共振器は、リング共振器である請求項２３に記載の光電子発振装置。
【請求項２５】
前記光変調器は、半導体の光吸収器を備えている請求項２４に記載の光電子発振装置。
【請求項２６】
前記レーザ共振器は、ファブリーペロ共振器である請求項２３に記載の光電子発振装置。
【請求項２７】
前記光共振器は、前記レーザ共振器内に配置されている請求項２３に記載の光電子発振装置。
【請求項２８】
前記光共振器は、ささやき回廊モードの共振器を含んでいる請求項２７に記載の光電子発振装置。
【請求項２９】
ささやき回廊モードの前記共振器は、誘電体の球体を含んでいる請求項２８に記載の光電子発振装置。
【請求項３０】
前記光電子ループの前記光部分は、前記出力光キャリア信号の方向のブリュアン散乱信号を、前記光キャリア信号の逆方向に伝搬する光ポンプ信号に応答して生成するタイプの光媒体を含み、ブリュアン散乱信号に基づいて前記電気変調信号を生成する請求項１に記載の光電子発振装置。
【請求項３１】
前記入力光キャリア信号の一部を、前記光ポンプ信号として前記光部分に結合する光結合要素をさらに備えている請求項３０に記載の光電子発振装置。
【請求項３２】
前記入力光キャリア信号を生成する信号レーザ、および前記光ポンプ信号を生成するポンプレーザをさらに備えている請求項３０に記載の光電子発振装置。
【請求項３３】
半導体製の基板と、
前記基板上に形成されて、レーザビームを生成する半導体レーザと、
前記基板上に形成され、電気変調信号に応答して、前記半導体レーザからの前記レーザビームを受け取って変調する半導体の光変調器と、
前記基板上に形成され、かつ前記光変調器から変調された光信号を受信するように結合されている第１導波管と、
前記基板上に形成され、かつ前記変調された光信号の一部を受信するように前記第１導波管に結合されている光共振器と、
前記基板上に形成され、かつ前記光共振器内の前記変調された光信号の一部を受信するように結合された第２導波管と、
前記基板上に形成され、前記第２導波管からの光出力を受け取って電気信号に変換する半導体の光検出器と、
前記基板上に形成され、かつ前記光検出器と前記光変調器の間に結合されて、前記電気変調信号を前記電気信号から生成する電気リンクとを備え、光電子発振する光電子発振装置であって、
前記半導体レーザにて生成されるレーザビームの周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍であり、前記光共振器のフリースペクトルレンジは前記光変調器、前記第１導波管、前記光共振器、前記第２導波管、前記光検出器および前記電気リンクからなる光電子ループの固有モードのモード間隔の整数倍であり、かつ前記光電子発振の周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍である光電子発振装置。
【請求項３４】
前記光共振器は、ささやき回廊モードのマイクロ共振器である請求項３３に記載の光電子発振装置。
【請求項３５】
前記マイクロ共振器は、誘電体の球体である請求項３４に記載の光電子発振装置。
【請求項３６】
前記第１および第２導波管は、光エネルギーをエバネッセント結合によって、前記マイクロ共振器におよび前記マイクロ共振器から結合するため、前記マイクロ共振器に隣接した結合部分を備えている請求項３４に記載の光電子発振装置。
【請求項３７】
前記光検出器および前記光変調器は、実質的に整合のとれたインピーダンスを有している請求項３３に記載の光電子発振装置。
【請求項３８】
前記電気リンクは、前記光検出器と前記光変調器の間に、信号増幅器を備えていない請求項３３に記載の光電子発振装置。
【請求項３９】
前記光変調器は、電気吸収変調器である請求項３３に記載の光電子発振装置。
【請求項４０】
前記光検出器は、前記電気吸収変調器と構造が同一の装置であるが、バイアスされて光検出器として作動する請求項３９に記載の光電子発振装置。
【請求項４１】
前記光共振器は、前記光変調器、前記第１および第２導波管、前記光検出器、ならびに前記電気リンクによって形成された光電子ループのモードのモード間隔より整数倍大きいフリースペクトルレンジを有している請求項３３に記載の光電子発振装置。
【請求項４２】
光変調器を含み、光キャリア周波数のレーザ発振を生成するとともに、前記光変調器に供給される電気変調信号に応答して変化する１より大きいループ利得を有するアクティブ光フィードバックループと、
前記アクティブ光フィードバックループに結合され、前記アクティブ光フィードバックループからのレーザ出力に応答して前記電気変調信号を生成する光電子フィードバックループとを備え、光電子発振する光電子発振装置であって、
前記光電子フィードバックループを、
前記アクティブ光フィードバックループからの前記レーザ出力の一部を受け取るように結合された光共振器と、
前記光共振器からの光出力を、電気信号に変換するように結合された光検出器とで構成するとともに、
前記アクティブ光フィードバックループにて生成されるレーザ発振の周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍であり、前記光共振器のフリースペクトルレンジは前記光電子フィードバックループの固有モードのモード間隔の整数倍であり、かつ前記光電子発振の周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍である光電子発振装置。
【請求項４３】
前記アクティブ光フィードバックループに結合されて、レーザ周波数を、前記光共振器の伝送ピークの１つの周波数に維持する装置をさらに備えている請求項４２に記載の光電子発振装置。
【請求項４４】
前記光共振器に結合されて、前記光共振器の伝送ピークの周波数を、前記アクティブ光フィードバックループのレーザ周波数に維持する装置をさらに備えている請求項４２に記載の光電子発振装置。
【請求項４５】
前記アクティブ光フィードバックループ内に、第２光共振器をさらに備えている請求項４２に記載の光電子発振装置。
【請求項４６】
半導体製の基板と、
前記基板上に形成されて、電気変調信号に応答し、光ビームを変調する半導体の光変調器であって、光路を画成する第１サイドと反対側の第２サイドを有する半導体の光変調器と、
前記光変調器の前記第１サイドに形成された光レフレクタと、
前記基板上に形成された第１導波管であって、前記光変調器から変調された光信号を受信しかつ前記光変調器から絶縁されている第１末端、および傾斜面を有する第２末端を有する第１導波管と、
ささやき回廊モードで作動し、前記基板上に形成されそして前記第１導波管の前記傾斜面にエバネッセント結合によって結合されている光共振器と、
前記基板上に形成された第２導波管であって、前記光共振器にエバネッセント結合によって結合されている傾斜面を有する第１末端、および第２末端を有する第２導波管と、
前記基板上に形成された半導体の光検出器であって、前記第２導波管の第２末端から間隔をおいて配置され、前記第２導波管から光出力を受け取って電気信号に変換する半導体の光検出器と、
前記基板上に形成された電気リンクであって、前記光検出器と前記光変調器の間に結合されて、前記電気信号から前記電気変調信号を生成する電気リンクとを備え、光電子発振する光電子発振装置であって、
前記第１と第２の導波管は、光のループ利得を生成するようにドーピングされて、前記光レフレクタと前記第２導波管の前記第２末端との間に形成されたレーザ空洞にレーザ発振を生成し、かつ
前記光変調器、前記光レフレクタ、前記第1導波管、前記光共振器および前記第２導波管からなる光ループにて生成されるレーザ発振の周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍であり、前記光共振器のフリースペクトルレンジは前記光ループ、前記光検出器および前記電気リンクからなる光電子ループの固有モードのモード間隔の整数倍であり、かつ前記光電子発振の周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍である光電子発振装置。
【請求項４７】
前記光検出器および前記光変調器は、実質的に整合のとれたインピーダンスを有する請求項４６に記載の光電子発振装置。
【請求項４８】
前記電気リンクは、前記光検出器と前記光変調器の間に信号増幅器を備えていない請求項４６に記載の光電子発振装置。
【請求項４９】
前記光変調器は、電気吸収変調器である請求項４６に記載の光電子発振装置。
【請求項５０】
前記光検出器は、前記電気吸収変調器と構造が同一の装置であるが、バイアスされて光検出器として作動する請求項４９に記載の光電子発振装置。
【請求項５１】
前記光共振器は、前記光変調器、前記第１および第２導波管、前記光検出器、ならびに前記電気リンクによって形成された光電子ループのモードのモード間隔より整数倍大きいフリースペクトルレンジを有している請求項４６に記載の光電子発振装置。
【請求項５２】
前記光共振器は、誘電体で製造された球体である請求項４６に記載の光電子発振装置。
【請求項５３】
前記追加のフィードバックループは、前記光変調器に関連する電気信号に遅延を生じさせる電気ループである請求項１８に記載の光電子発振装置。
【請求項５４】
光変調器を含み、光キャリア周波数のレーザ発振を生成するとともに、前記光変調器に供給される電気変調信号に応答して前記レーザ発振の光のループ利得を変化させる光フィードバックループと、
前記光フィードバックループに結合されて前記レーザ発振の光の一部を受ける光部分、前記光部分における光を電気信号に変換する光検出器、および前記電気信号を受けて前記電気信号から前記電気変調信号を生成する電気部分を有する光電子フィードバックループとを備え、光電子発振する光電子発振装置であって、
前記光フィードバックループは、前記レーザ発振と共振する光共振器を備え、
前記光フィードバックループにて生成されるレーザ発振の周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍であり、前記光共振器のフリースペクトルレンジは前記光電子フィードバックループの固有モードのモード間隔の整数倍であり、かつ前記光電子発振の周波数は前記光共振器のフリースペクトルレンジの整数倍である光電子発振装置。
【請求項５５】
前記光フィードバックループ内の光共振器は、ささやき回廊モードの共振器である請求項５４に記載の光電子発振装置。
【請求項５６】
前記変調器は、前記電気変調信号に応答して前記発振周波数で前記レーザ発振の光を変調し、前記電気部分は、前記電気変調信号を供給するように前記光変調器に接続された請求項５４に記載の光電子発振装置。
【請求項５７】
前記光電子フィードバックループの光部分は、第２の光共振器を備えている請求項５４に記載の光電子発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、１９９９年１月２７日付けで出願された米国仮特許願第６０／１１７，５６８号、１９９９年１月２６日付けで出願された米国仮特許願第６０／１１７，４５２号、および１９９９年１月２６日付けで出願された米国仮特許願第６０／１１７，４５１号の特典を主張するものである。
【０００２】
【開示の出所】
本願に記載のシステムと技法はＮＡＳＡとの契約に基づいた研究を実行する際につくられたものであるので、公法９６−５１７（３５ＵＳＣ２０２）の規定に従わねばならず、契約者は権利を保持することを選んだ。
【０００３】
【発明の背景】
本願は、発振信号を生成する方法と装置に関し、より具体的に述べると、光電子発振器を使用して発振信号を生成することに関する。
【０００４】
発振信号は、エネルギー貯蔵要素を有する各種タイプの発振器を使用して生成させることができる。エネルギー貯蔵要素のクオリティーファクターＱ、またはエネルギー貯蔵期間によって、それぞれの発振信号のスペクトル線幅を決定することができる。前記クオリティーファクターＱまたはエネルギー貯蔵期間を増大すると、発振信号のスペクトル線幅を小さくすることができるので、その信号のスペクトル純度を改善することができる。
【０００５】
スペクトル純度が高い無線周波（ＲＦ）発振器は、ＲＦキャリアを生成し、追尾し、クリーニングし、増幅しそして分配するために使用できる。このようなＲＦキャリアは、無線周波スペクトル範囲内の通信システム、放送システムおよび受信システムに重要な用途がある。特に、フェーズロックループを有する電圧制御ＲＦ発振器は、とりわけ、クロックリカバリー、キャリアリカバリー、信号の変調および復調、ならびに周波数合成に利用できる。
【０００６】
ＲＦ発振器は、電子要素と光学要素の使用により、光電子発振器（「ＯＥＯ」）を形成するように構築することができる（例えば、YaoとMalekiの米国特許第５，７２３，８５６号とYaoの米国特許第５，７７７，７７８号参照）。このようなＯＥＯは、電気的に制御可能な光変調器、および光検出器によって相互に接続された光部と電気部を有する少なくとも一つのアクティブ光電子フィードバックループを備えている。その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け取って、電気信号に変換し、変調器を制御する。前記光電子フィードバックループは、前記アクティブ光電子ループと他の追加のフィードバックループの全ループ利得が全損失を超えると、所要の遅延を生じ、同位相の電気信号を変調器に供給して、無線周波スペクトルの、光変調と電気発振の両者を行って維持する。
【０００７】
ＯＥＯは、光変調を利用して、光スペクトルの範囲を超えた周波数スペクトル範囲、例えばＲＦおよびマイクロ波周波数の発振を生成する。生成した発振信号は、周波数を調整することができるので、他のＲＦ発振器やマイクロ波発振器が生成する信号と比べて、スペクトル線幅を狭くし位相ノイズを少なくすることができる。ＯＥＯは、特に光と電子のハイブリッド装置なので、光通信の装置とシステムに使用できる。
【０００８】
各種のＯＥＯを、上記原理に基づいて構築し、特定の作動特性と利点を達成できる。例えば、他のタイプのＯＥＯは、YaoとMalekiの米国特許第５，９２９，４３０号に記載の結合光電子発振器（coupled opto-electronic
oscillator）（「ＣＯＥＯ」である。このようなＣＯＥＯは、光フィードバックループにおけるレーザ発振を、光電子フィードバックループにおける電気発振に、直接結合する。また、光電子発振器は、誘導ブリュアン散乱に基づいた電気変調信号を生成する少なくとも一つのアクティブ光電子フィードバックループを設けることによって実現できる（Yaoの米国特許第５，９１７，１７９号）。このようなブリュアンＯＥＯは、フィードバックループ内にブリュアン光媒体（Brillouin
optical medium）を有し、ブリュアン散乱の固有の狭い線幅（natural narrow line width）を使用して、単一の発振モードを選択する。
【０００９】
【発明の概略】
本願には、電気的に制御可能なフィードバックループに少なくとも一つの高Ｑ光共振器を備えた光電子発振器が開示されている。少なくとも一つの電気制御信号に応答して光信号を変調する電気光学変調器が設けられている。光部と電気部を有する少なくとも一つの光電子フィードバックループは、前記電気光学変調器に結合されて、電気制御信号を、正のフィードバックとして生成する。前記フィードバックループの電気部は、前記フィードバックループの光部に結合された変調光信号の一部を、電気信号に変換して、少なくともその一部を電気制御信号として、前記電気光学変調器に送る。
【００１０】
前記高Ｑ光共振器を、前記光電子フィードバックループの光部にまたは前記光電子フィードバックループに結合された別の光フィードバックループに配置し、十分に長いエネルギー貯蔵時間を提供して、スペクトル線幅が狭くかつ位相ノイズの少ない発振を行うことができる。上記光共振器のモード間隔（mode spacing）は、前記光電子フィードバックループの一モード間隔またはモード間隔の整数倍に等しい。さらに、ＯＥＯの発振周波数は、前記光共振器の一モード間隔またはモード間隔の整数倍に等しい。
【００１１】
上記光共振器は、いくつもの配置構成で実現することができ、例えばファブリーペロ共振器、ファイバーリング共振器およびささやき回廊モードで作動する微小球共振器がある。これらのおよびその外の光共振器の配置構成によって、ＯＥＯの物理的大きさを小さくすることができるので、ＯＥＯを他の光共振器や光要素と、単一の半導体チップのようなコンパクトなパッケージに集積することができる。
【００１２】
本発明のこれらのおよび他の側面と付随する利点は、本願の詳細な説明、添付図面および特許請求の範囲に照らしてより明らかになるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
高Ｑ光共振器は、光電子発振器の光部分に、エネルギー貯蔵要素として組み込まれると、その発振器にいくつもの効果をもたらすことができる。第一に、光共振器は、エネルギー貯蔵要素として意図されている場合、その発振器のエネルギー貯蔵時間を増大することができるので、光電子発振のスペクトル線幅を小さくしかつ位相ノイズを小さくすることができる。
【００１４】
第二に、光共振器は、他のフィードバックループが起こすモードに加えて、発振器に、光共振器自体の共振器モードを生成する。これには、発振器内の共振器モードと他のモードとの間に特定のモード整合（モードマッチング）を行って、光電子発振器全体を適正に作動させる必要がある。
【００１５】
第三に、光共振器が、発振器の他のモード間隔より大きいモード間隔を有するように配置構成されると、そのモード整合条件によって、光電子発振のモード間隔が強制的に共振器のモード間隔になる。その結果、発振のモード間隔が十分に大きくなり、電気的ろ過によって発振のための単一モードを容易に選択できるように、共振器の空洞長を小さくすることが可能となる。
【００１６】
光共振器を備えた各種配置構成の光電子発振器の実施例およびそれらそれぞれのモード整合条件を以下に例示する。
【００１７】
図１は、光共振器１２１を備えた単一ループの光電子発振器（ＯＥＯ）の一実施態様１００を示す。単一の光電子ループに基づいたこの装置と他の装置で、光共振器なしの装置は、Yaoの米国特許第５，７２３，８５６号に記載されている。なお、この特許は、全体を本願に援用するものである。上記ＯＥＯは、レーザ光源１０１、電気光学（「ＥＯ」）変調器１１０、およびＥＯ変調器１１０に結合された光電子フィードバックループ１２０を備えている。レーザ光源１０１からの光ビーム１０２は、ＥＯ変調器１１０に連結され、そして、駆動ポート１１５に加えられる、光電子フィードバックループ１２０からのフィードバック信号に応答して変調される。
【００１８】
ＥＯ変調器１１０において、入力光結合器１１１は、光ビーム１０２を、異なる位相変調または偏光変調を受ける二つのチャネル１１２と１１４に分割する。バイアスポート１１３を使用して、電気バイアスを加え、変調を外部ソースによってオフセットする。この光変調は、バイアスポート１１３における電圧バイアスおよび駆動ポート１１５におけるフィードバック電圧の両者によって制御される。後者は、光変調を、ＲＦ周波数などの所望の周波数で発振させる。出力光結合器１１６は、変調された二つのチャネル１１２と１１４からの光を再結合して、ＲＦ変調信号を、コヒレント干渉によって生成させる。出力光結合器１１６は、変調器１１０の結合された出力の一部を光出力１１７として、および別の部分をフィードバック出力１１８として、光電子フィードバックループ１２０中に送る。光電子フィードバックループ１２０とＥＯ変調器１１０は、クローズドループを作成して光電子発振を維持する。
【００１９】
光電子フィードバックループ１２０は、一般に、光部１２２と、その光部１２２に連結されている電気部１２４を備えている。光検出器１２７は、光信号を電気信号に変換することによって、光部１２２と電気部１２４を相互に接続している。光結合器１２５を使用して、外部光信号１２６を光部１２２の出力に結合し、光部１２２からの光信号と外部光信号１２６との全合計が光検出器１２７によって測定される。
【００２０】
光部１２２は、光共振器１２１と、光ファイバーなどの光導波素子１２３を備えている。その光導波素子１２３は、フィードバック出力１１８を光共振器１２１に連結して、光共振器１２１の出力を光検出器１２７に案内する。光共振器１２１は、高いＱ値を有し、ＯＥＯ１００に最長の遅延を起こさせるように配置構成されている。光電子フィードバックループ１２０とＥＯ変調器１１０が形成するクローズドループのループ利得が１より大きい状態すなわち前記ループ利得が１より大きな周波数領域で、光共振器１２１のモード、発振器(ＯＥＯ)１００の発振周波数、および光電子フィードバックループ１２０のモードが、光電子発振を維持するために、互いに所要のモード整合関係をもっていなければならないように、発振器１００は配置構成されている。
【００２１】
光導波素子１２３の長さは、光共振器１２１が起こす遅延に加えて、所要の遅延を起こす配置構成の長さである。光部１２２の遅延は、例えば光共振器１２１の空洞の長さを変えることによって調節できる。その上に、光導波素子１２３の長さを変えて光部１２２の遅延を変えることができる。これを達成するため、ファイバーストレッチャー（fiber stretcher）を使用できる。
【００２２】
光電子フィードバックループ１２０の電気部１２４は、電気増幅器１３０と電気信号バンドパスフィルタを備え、電気部１２４中の所要のスペクトル成分を、駆動ポート１１５に対するフィードバック駆動信号として選択する。その上に、電気信号結合器１４０が、電気部１２４内に設けられ、外部電気信号１４１を注入しそして電気出力１４２を生成する。さらに、電気部１２４の可変電気遅延１６０を用い、電気部１２４内の信号遅延を変えて光電子フィードバックループ１２０内の全遅延を変えることができる。
【００２３】
光電子フィードバックループ１２０からＯＥ変調器１１０へのフィードバックは、発振を起こすためには正である。これは、光電子フィードバックループ１２０の全遅延または全移相を制御することによって達成することができる。光電子フィードバックループ１２０とＯＥ変調器１１０によって形成されるクローズドループの全利得は１より大である。すなわち、その利得は、ループ内の循環波の損失を超えている。上記ループ利得は、電気増幅器１３０、注入される信号１２６もしくは１４１、またはこれらの組合せを用いて、制御し維持することができる。明確に、発振器１００内の電気信号と光信号の両者は、光電子フィードバックループ１２０内にあるので、本質的に相互接続されている。どちらかの信号が変化すると、残りの信号も変化する。
【００２４】
一般に、多くのモードが単一ループのＯＥＯ１００内で同時に発振することができる。ＲＦフィルタなどのバンドパスフィルタ１５０を使用して、他の発振モードを抑圧することによって単一モードの発振が達成される。バンドパスフィルタ１５０は、発振周波数を粗調整するのに使用することもできる。また、周波数の調整は、バイアスポート１１３においてバイアスを行うこと、およびＲＦ駆動ポート１１５における電圧入力によって達成できる。光部１２２の遅延を使用して、発振周波数を制御しかつ微調整することができる。この単一ループのＯＥＯの位相ノイズは、光電子フィードバックループ１２０の全遅延が増大するにつれて有意に減少する。
【００２５】
光共振器１２１の空洞長（キャビティ長）は、フリースペクトルレンジ、すなわち、光共振器１２１からの寄与を含む、光電子フィードバックループ１２０とＯＥ変調器１１０が形成する光電子ループのモードのモード間隔より大きい２つの隣接する空洞モード（キャビティモード）間の間隔を有するように設定される。その結果、ＯＥＯ１００のモード間隔は、光共振器１２１のモード間隔によって、主として決定される。バンドパスフィルタ１５０が不必要なモードをろ過して除き、かつ発振器１００を単一モードで作動させるために、光共振器のモード間隔を全体として十分に大きくするように、光共振器１２１の空洞長を十分に小さく設定することが可能となる。また、光共振器１２１が提供する大きなモード間隔は、不必要な残留サイドモードが、たとえ存在していても、ろ過して外部に除去できるので、レーダなどの用途にも有利である。
【００２６】
損失より大きいループ利得をもって発振を維持するため、ＯＥＯ１００に対する特定のモード整合条件が満たされねばならない。モード整合条件を満たすことができないモードは、光電子フィードバックループ１２０とＯＥ変調器１１０によって形成された光電子クローズドループの他の損失に加えて、許容可能な固有光電子発振モードと許容可能な共振器モードのスペクトルプロフィルによって起こる有意な損失を受ける。
【００２７】
上記モード整合条件には以下の（１）〜（３）が含まれている。
（１）レーザ光源１０１からの入力光ビーム１０２のレーザ中心周波数νlaserは、光共振器１２１の複数の伝送ピークのうちの一つの中にあるので、十分な光が光検出器１２７に到達して１より大きい光電子ループのオープンループ利得を保証することができる。すなわち、
νlaser＝Ｍ・ＦＳＲrで表され、
上記式中、Ｍは正の整数であり、そしてＦＳＲrは光共振器１２１のフリースペクトルレンジである；
【００２８】
（２）光共振器のフリースペクトルレンジＦＳＲrは、光電子ループの固有モードのモード間隔ΔνOE Loopの一つもしくは整数倍に等しい。すなわち、
ＦＳＲr＝Ｎ・ΔνOE Loopで表され、
上記式中、Ｎは正の整数（１、２、３、・・・）である；および
【００２９】
（３）ＯＥＯ１００の光電子発振の周波数ΔνOEOは、光共振器１２１のフリースペクトルレンジＦＳＲrの整数倍に等しい。すなわち
ΔνOEO＝Ｋ・ＦＳＲrで表され、
上記式中、Ｋも正の整数（１、２、３、・・・）である。
【００３０】
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄは、上記モード整合条件を示す。図２Ａは、光学的周波数レンジにおける光共振器１２１の許容可能な共振モードを示す。図２Ａと同じ周波数の尺度で、図２Ｂは、ＥＯ変調器１１０が、モード整合条件（１）のもとで、図２Ａに示す複数の共振器モードのうちの一つと共振しているかまたはオーバーラップしている、入力光ビーム１０２のレーザ周波数νlaserの状態を示す。図２Ｃは、モード整合条件（２）（但しΝ＝２）のもとでのＯＥＯ１００の光電子発振の周波数レンジ（例えばＲＦ周波数レンジ）における光電子ループの固有モードを示す。図２Ｄは、光電子発振周波数νOEOが、モード整合条件（３）のもとで、２ＦＳＲr（Ｋ＝２）で与えられることを示している。
【００３１】
ＥＯ変調器１１０が、入力光ビーム１０２を変調して、一つ以上の変調側波帯を生成する。図２Ｂは側波帯の最初の二つのオーダー（order）を示す。モード整合条件（３）であるから、各変調側波帯は、共振器モードで共振している。したがって、レーザ中心周波数が共振器モード２１０とオーバーラップすると、＋１側帯波が共振器モード２１４とオーバーラップし、および−１側帯波が共振器モード２１２とオーバーラップする。これは、変調器が生成する光側帯波が、最小限の損失で、共振器を通過することを自動的に保証する。
【００３２】
上記三つのモード整合条件が満たされると、ＯＥＯ１００のモード間隔は、光共振器１２１のフリースペクトルレンジＦＳＲrになる。単一モードを選択するため、図２Ｃに示すように、帯域幅が光共振器１２１のフリースペクトルレンジＦＳＲrより小さいバンドパスフィルタ１５０を使用できる。特定の実施態様で、光共振器１２１のＦＳＲrは、光電子発振のモード間隔ΔνOE Loopよりはるかに大きく形成してもよく、例えばファイバー遅延ラインベースのＯＥＯのそれの約１００倍（１０ＭＨｚ以上の程度）でもよい。それ故に、光共振器１２１なしの単一ループのＯＥＯとは異なり、ＲＦのバンドパスフィルタ１５０の帯域幅は狭くする必要がない。例えば１０ＧＨｚのオーダーのキャリア周波数において、数百ＫＨｚのオーダーの帯域幅は達成することが困難である。むしろ、バンドパスフィルタ１５０の帯域幅は、１０ＭＨｚ以上の程度であってもよく、このようなＲＦフィルタは入手可能である。したがって、単一ループのＯＥＯ１００内に光共振器１２１を設置すると、光電子フィードバックループ１２０内の全遅延を増大して位相ノイズを減らすのみならず、単一モードの作動を保証する周波数選択機構を提供する。
【００３３】
実際に使用している際の環境条件の変動と装置部品の老化、例えば温度、応力または他のタイプの外乱の変動が、レーザ光源１０１からのレーザ周波数νlaserおよび光共振器１２１の伝送ピーク周波数の両者を変化させる。それ故、制御機構がないと、レーザ周波数νlaserと、光共振器１２１のそれぞれの共振伝送ピークとの相対値が時間の経過とともに変化する。このような変化は、ある範囲を超えると、モード整合条件（１）を破壊するので、図１に示すＯＥＯ１００の機能不良を起こす。
【００３４】
したがって、レーザ周波数νlaserと、光共振器１２１のそれぞれの伝送ピークとの差を制御してモード整合条件（１）を維持することが望ましい。これは、レーザ光源１０１の周波数νlaserを光共振器１２１のそれぞれの伝送ピークにアクティブにロックするか、または代わりに光共振器１２１をレーザ光源１０１にアクティブにロックすることによって達成できる。これら二つの周波数ロッキング法のどちらを選ぶかは、特定の用途において、どちらの方法が環境面でより安定であるかによって決まる。両者のアクティブロッキング法では、監視機構を使用して、レーザ周波数νlaserと、光共振器１２１のそれぞれの伝送ピークとの差を監視してエラー信号を生成する。次いで、このエラー信号に応答して、周波数修正機構を使用し、前記周波数の差を、許容可能な差の範囲の値まで小さくする。
【００３５】
図３Ａと３Ｂは、レーザ光源１０１と光共振器１２１の間の相対周波数のアクティブ制御の二つの実施態様を示す。これら両者の実施態様では、周波数の差を検出して、レーザ光源１０１または光共振器１２１の空洞（キャビティ）に制御信号を印加する周波数制御回路３１０を使用する。周波数制御回路３１０の入力は、光共振器１２１の光出力から変換された電気信号を受信するように連結されている。表示されている光検出器３３０を使用して周波数制御回路３１０に対する入力を生成することができる。あるいは、この入力は、図１に示すＯＥＯ１００のフィードバックループ１２０の二つの部分１２０と１２４を相互に接続する光検出器１２７の出力から得ることができる。
【００３６】
周波数制御回路３１０の一実施態様は、信号の位相検波器（signal phase detector）３１４、ローパスフィルタ３１６、ディザリング信号発生器（dithering signal generator）３１８およびシグナルアダー３２０を備えている。信号増幅器３１２を使用して、位相検波器３１４への入力信号を増幅することができる。ディザ信号発生器３１８は、周波数ｆdの正弦ディザを生成し、そのディザ信号をシグナルアダー３２０と位相検波器３１４の両者に与えるように連結されている。作動中、位相検波器３１４は、ディザ信号の位相と、光共振器１２１からの出力の位相を比較して第１エラー信号を生成する。ローパスフィルタ３１６でろ過した後、前記第１エラー信号とディザ信号を合算して第２エラー信号をつくり、これを、図３Ａに示すレーザ光源１０１または図３Ｂに示す光共振器１２１に送って、周波数の差を小さくする。
【００３７】
図４Ａと４Ｂは，レーザ光源１０１または光共振器１２１をディザリングすることから生成したエラー信号に基づいた周波数制御回路３１０の作動を示す。図４Ａは、光共振器１２１の伝送スペクトルピークをレーザ周波数と関連させて示す。レーザの中心周波数νlaserを、光共振器１２１の所望の伝送ピークと一致させると、検出される信号は、ｆdでゼロになり２ｆdで最大になる。レーザ周波数νlaserが伝送ピークの左側にある場合（ν＜ν０）、ｆdにおいて検出されるエラー信号はゼロではなく、印加されたディザリング信号と位相が同じである。一方、レーザ周波数が伝送ピークの右側にある場合（ν＞ν０）、ｆdで検出されるエラー信号は、印加されたディザリング制御信号の位相と逆の位相を有している。
【００３８】
位相検知エラー信号（phase sensitive error signal）を生成するための位相検波器３１４とシグナルアダー３２０の作動による位相検知検出方式を利用することによって、レーザ光源１０１と光共振器１２１の相対周波数を、所望の範囲内にアクティブにロックして、モード整合条件（１）を維持することができる。
【００３９】
他のアクティブ周波数ロッキング法も使用できる。例えば、別の一方法が、Applied Physics B、３１巻９７〜１０５頁(１９８３年)のR. Dreverらの報告「Laser phase and
frequency stabilization using an optical cavity」に記載されている。他の代わりの技法が、Optics
communications、３５巻４４１〜４４４頁(１９８０年)のHanschとCouillaudの報告「Laser frequency
stabilization by polarization spectroscopy of a reference cavity」に記載されている。
【００４０】
別の実施態様では、周波数制御回路３１０への入力は、光共振器１２１から反射された光信号から変換される。図５はこの配置構成を示す。光サーキュレータまたはビームスプリッタ５１０を、ＥＯ変調器１１０と光共振器１２１の間に配置して、反射された光信号を光検出器３３０に導くことができる。
【００４１】
光共振器１２１を、異なる配置構成で設置して、光エネルギー貯蔵要素として作動させることができる。例えばファイバーファブリーペロ共振器、ファイバーリング共振器、光微小球共振器および他のマイクロ共振器を使用してＯＥＯを構築することができる。光共振器は、高Ｑ値を有しているためＯＥＯの大きさを有意に小さくすることができる。特に、光微小球共振器および他のタイプのマイクロ共振器を使用して、ＯＥＯをチップ上に集積することができる。
【００４２】
光ファイバー６０３のセグメントの二つの末端に、高度に反射性の反射性コーティング６０１と６０２を形成してファイバーファブリペロ共振器をつくることによって、コンパクトで軽重量のファブリーペロ共振器を構築することができる。図６はこのようなファイバーファブリーペロ共振器を示す。ファイバーファブリーペロ共振器をつくる別の方法は、ファイバーブラッグ格子を、両末端にまたはその近くにつくって、前記反射性コーティング６０１と６０２の代わりに使用する方法である。共振器に結合する光は、共振器からでる前に、共振器内で行ったり来たりするので、有効エネルギー貯蔵時間が劇的に増大する。光キャリヤのＲＦ信号の場合、ファイバーファブリーペロ共振器の有効エネルギー貯蔵時間τeffは、下記式：
τeff＝τd・（１＋Ｒ）／（１−Ｒ）
（式中、Ｒは前記コーティングの反射率であり、そしてτdはファイバーの伝送遅延である）で表される。フリースペクトルレンジは下記式：
ＦＳＲr＝Ｃ／２ｎeffＬr
（式中、Ｃは真空中の光の速度であり、ｎeffは共振器の実効インデックスであり、そしてＬrは共振器の長さである）で表される。
【００４３】
Ｒ＝０.９９という妥当な反射率の場合、τeff＝１９９τdである。したがって、与えられたファイバー長に対する有効遅延時間は１９９倍に増大するか、または与えられた必要なエネルギー貯蔵時間τeffに対して必要なファイバー長は１／１９９になる。適正な反射性コーティングを用いて、２０ｍ長のファイバーを有するファイバーファブリーペロ共振器は、３ｋｍ長のファイバーによる遅延に等しい有効遅延時間を有するように使用できる。
【００４４】
光共振器１２１の他の配置構成は図７に示すファイバーリング共振器である。このようなリング共振器は、二つのファイバー方向性結合器７１０と７１２を、ファイバーリング７１４に結合することによって製作することができる。ファイバーリング７１４に結合された光は、出る前に、ファイバーリング７１４内を多数回循環する。得られる有効エネルギー貯蔵時間は、ファイバー方向性結合器７１０と７１２の結合比と過剰損失によって決まる。リング共振器のフリースペクトルレンジは下記式：
ＦＳＲr＝Ｃ／ｎeffＬr
（式中、Ｌｒはファイバーリング７１４の円周である）で表される。図８Ａと８Ｂは、ファイバーリング共振器に基づいた二つの代表的な単一ループの共振器を示す。
【００４５】
図８Ａは、上記共振器より大きさと重量がいっそう小さいマイクロささやき回廊モードのマイクロ共振器８００を示す。このマイクロ共振器８００は、空洞部（キャビティ）８０１としての透明な微小な球、リングまたはディスク、および二つの光結合器８０２と８０４を備えている。このような共振器のクオリティファクターは、材料中での光の減衰と表面の異質物による光の散乱によって限定され、マイクロリングとディスク内で１０4〜１０5かつ微小球内で１０10まで高くすることができる（例えば、Suzukiら、IEEE Photon. Technol. Lett.、４巻１２５６〜１２５８頁(１９９２年)；Littleら、J.Lightwave Technol.、１５巻９９８〜１００５頁(１９９７年)；Braginskyら、phys.Lett. A、１３７巻３９３〜３９７頁(１９８９年)およびGorodetskyら、Opt. Lett. ２１巻４５３〜４５５頁(１９９６年)参照）。空洞部（キャビティ）８０１の材料は、光ファイバー用の損失の低い材料である溶融シリカを含む各種の絶縁材料である。このような結合器はプリズムまたは他の形態のものでもよい。
【００４６】
光は、マイクロ共振器８００中におよびマイクロ共振器８００から、ささやき回廊モードで、球（キャビティ）８０１の外側で指数関数的に減衰する球８０１の表面のエバネッセント場を通じて、結合される。光は、一旦、球８０１に結合されると、光が光ファイバー中を伝播するのと類似の方式で、球８０１の表面で、全体が内部反射される。有効光路長は、このような循環によって、ファイバーリング共振器の場合と同様に増大する。
【００４７】
直径が数百ミクロンであり１５５０ｎｍで作動するマイクロ共振器の有効光路長は、１０ｋｍという長さであり、その材料の固有の減衰によって限定されると予想される。また、高Ｑ微小球が、２５ｋｍまでの長さを有するＯＥＯの光ファイバーの遅延を有効に代替することも分かっており、これは、30ＧＨｚにおける１９００万のＱ値に相当する。このような高Ｑ共振器を使用して、ＯＥＯの３０ＧＨｚキャリアから１Ｈｚ離れて−６０ｄＢより小さい位相ノイズを達成して、深淵宇宙(空間)のＫａバンド通信の要件を満たすことができる。
【００４８】
図８Ｂは、二つのファイバー８１０と８２０を結合器として使用する別の微小球共振器（空洞部：キャビティ）８０１を示す。両ファイバー（結合器）８１０と８２０の末端面は所要の角度で切断され、次に磨かれてマイクロプリズムが形成される。この二つのファイバー（結合器）８１０と８２０は、ＯＥＯを単一チップに集積するのに使用される基板に形成された二つの導波管を使って実現することができる。
【００４９】
図８Ａと８Ｂに示すささやき回廊モードの共振器は、ＯＥＯにおける光共振器としての機能に加えて、基板に集積された特殊なコンパクト形ＯＥＯを製造するのに使用できる。光電子フィードバックループは、特に適正に配置構成すると、例えば、図１のＯＥＯ１００に示す電気増幅器１３０を除くことによって簡略化することができる。
【００５０】
図９は、そのすべての要素が半導体基板９０１の上に製作された集積ＯＥＯ９００の一実施態様を例示している。集積ＯＥＯ９００は、半導体レーザ９１０、半導体電気吸収変調器９２０、第１導波管９３０、ささやき回廊モードのマイクロ共振器９４０、第２導波管９５０、および光検出器９６０を備えている。電気リンク９７０、例えば導電経路も、半導体基板９０１上に形成されて、光検出器９６０を半導体電気吸収変調器９２０に電気的に結合する。マイクロ共振器９４０は、微小球、マイクロディスクまたはリングであってもよく、ささやき回廊モードで作動する。マイクロ共振器９４０は、高Ｑエネルギー貯蔵要素として使用され、低い位相ノイズと微小の大きさを達成する。単一モードの発振を保証するため、ＲＦフィルタを電気リンク９７０内に配置してもよい。このようなフィルタがない場合、周波数ろ過効果は、半導体電気吸収変調器９２０と光検出器９６０との間の狭帯域インピーダンス整合によって達成することができる。
【００５１】
導波管９３０と９５０の両者はそれぞれ結合領域９３２と９５２を有し、マイクロ共振器９４０の二つの異なる位置で適正な光結合を行う。第１導波管９３０は、半導体電気吸収変調器９２０に結合されて変調された光出力を受け取る一方の末端と、ＯＥＯ９００の光出力を提供する他方の末端を有している。第２導波管９５０は、マイクロ共振器９４０からの光エネルギーを光検出器９６０に結合してそのエネルギーを送達する。
【００５２】
完全な光電子クローズドループが、半導体電気吸収変調器９２０、第１導波管９３０、マイクロ共振器９４０、第２導波管９５０、光検出器９６０および電気リンク９７０で形成されている。このクローズドループの位相遅延は、光検出器９６０から半導体電気吸収変調器９２０へのフィードバック信号が正になるように設定される。その上に、全オープンループ利得が全損失を超えて、光電子発振を維持する。先に記載したモード整合条件も必要である。
【００５３】
一般に、電気信号増幅器が光検出器９６０と半導体電気吸収変調器９２０の間に接続される。光検出器９６０と半導体電気吸収変調器９２０の固有インピーダンスが高く、例えば約数キロオームであるが、光検出器９６０と半導体電気吸収変調器９２０は、伝送ラインまたは他のマイクロ波要素のインピーダンスに整合させるため、通常、それらの出力端及び入力端に５０オームのインピーダンスを接続している。その結果、光検出器９６０が生成した光電圧（photovoltage）は、その光電流に５０オームを掛け算したものに等しく、低すぎて半導体電気吸収変調器９２０を有効に駆動することができない。したがって、半導体電気吸収変調器９２０を適正に駆動するため、信号増幅器を電気リンク９７０内に使用することが必要になる。
【００５４】
しかし、このような高電力の要素は、ＯＥＯ９００のような高度に集積されたオンチップ設計には望ましくない。例えば、高電力の増振器は、その高い熱放射性のため問題を起こす。また、その増幅器はノイズまたはひずみを導入することがあり、そしてチップ上の他の電子要素の作動を妨げることさえある。
【００５５】
ＯＥＯ９００の独特の特徴は、半導体電気吸収変調器９２０と光検出器９６０の間のインピーダンスを高いインピーダンス値で整合をとることによって、電気リンク９７０内の前記信号増幅器を取り除くことである。所望の整合インピーダンスは、半導体電気吸収変調器９２０に、増幅なしで送られる光電圧が、半導体電気吸収変調器９２０を適正に駆動するのに十分に高いという値である。特定のシステムでは、例えば、この整合インピーダンスは約１キロオームかまたは数キロオームのインピーダンスである。電気リンク９７０を信号増幅器なしで使用して、光検出器９６０と半導体電気吸収変調器９２０を直接接続してそれらの高いインピーダンスを保持する。また、このような直接の電気リンク９７０は、二つの装置９２０と９６０（半導体電気吸収変調器９２０と光検出器９６０）の間の、最大のエネルギー移行を保証する。例えば、１０００オームで整合をとっている一対の検出器と変調器は、５０オームで整合をとっている一対の検出器と変調器の２０倍の電圧利得を有している。
【００５６】
図３Ａおよび３Ｂに示す先に述べた周波数制御回路３１０を、同様に図９に示すＯＥＯ９００に設置して、モード整合条件（１）を維持することができる。マイクロ共振器９４０の空洞長を調節するため、周波数制御回路３１０の出力信号を使用して、例えば圧電変換器を通じてマイクロ共振器９４０にメカニカルスクイ−ズ（mechanical squeeze）を起こさせることができる。
【００５７】
単一ループＯＥＯに光共振器と周波数制御回路を上記のように設置することは、他の配置構成のＯＥＯに利用して、適正なモード整合条件下での光電子発振の位相ノイズを減らすことができる。このような他のＯＥＯとしては限定されないが、マルチループＯＥＯ類、ブリュアンＯＥＯ類および結合ＯＥＯ類がある。以下に、これら異なるＯＥＯのいくつかの代表的実施態様を示す。
【００５８】
マルチループＯＥＯは、少なくとも二つのフィードバックループのうちの一方の光電子フィードバックループの少なくとも一つのファイバーループを、エネルギー貯蔵要素として使用する。このような装置は、Yaoの米国特許第５，７７７，７７８号に開示されている。なお、この特許は、全体を本願に援用するものである。異なるフィードバックループは、異なる遅延を有している。最長の遅延を有する光電子フィードバックループを使用して、低い位相ノイズと狭いスペクトル線幅を達成する。また、このループは、そのモード間隔が、他のいずれのフィードバックループより小さいので周波数の微調整を行うのに利用できる。一方、光電子的もしくは純粋に電子的な、最も短い遅延と最も幅広のモード間隔を有するフィードバックループを使用して、周波数の粗調整を行い、幅広の連続調整範囲を達成する。マルチプルループの全オープンループ利得は、全損失を超えて、光電子発振を維持しなければならないが、各ループは、オープンループ利得がそのループの損失より小さくてもよい。
【００５９】
本発明の一実施態様は、図１に示すＯＥＯ１００の光共振器１２１を、米国特許第５，７７７，７７８号に示唆されているように、マルチループＯＥＯの光電子ループの光部分中に配置して、光電子発振の位相ノイズとスペクトル線幅をさらに小さくしている。この光共振器１２１を、最も長い遅延を有する光電子ループ内に配置して、ＯＥＯのファイバーの量、物理的大きさ、およびコストを小さくすることができる。先に述べた三つのモード整合条件を満たすことに加えて、発振モードは、各フィードバックループの一つのモードと共振していなければならない。すなわち、各ループの一つのモードは、各ループからおよびあらゆる他のループからの一つのモードとオーバーラップしていなければならない。図３Ａおよび３Ｂに示す周波数制御回路３１０を、同様に設置して、モード整合条件（１）を維持することができる。
【００６０】
図１０Aと１０Bは、光共振器１２１を有するデュアルループＯＥＯの二つの実施例を示す。図１０Ａに示すＯＥＯは二つの光電子ループ１００１と１００２を有し、これら光電子ループはそれぞれ、ＥＯ変調器１１０の二つの電気ポートを駆動して、その光変調を制御する。その光共振器１２１は長い方のループ１００２に配置されている。バイアスされたティー（Tee）などのＲＦ信号スプリッタを、光検出器１２７と電気増幅器１３０の間に結合して、高周波数の信号成分を変調器１１０に送信し、かつ低周波数の成分を周波数制御回路３１０に導き、この周波数制御回路３１０はこの入力に応答してレーザ光源１０１を制御することができる。先の説明からみて、周波数制御回路３１０を設置する他の配置構成も可能である。
【００６１】
図１０Ｂは、一つの電気ループと一つの光電子ループを有するデュアルループＯＥＯを示す。電気信号結合器（electrical signal combiner）１０１０を使用して、上記２ループの電気信号を結合して合計信号を生成して、ＥＯ変調器１１０の単一ポートを駆動する。一般に、信号結合器をこの方式で使用して、二つ以上のループからの電気信号を結合することができる。図１０Ａに示すシステムと同様に、図１０Ｂの周波数制御回路３１０は、光検出器１２７と結合器１０１０の間に結合された、バイアスされたティー（Tee）の低周波出力から、その入力を受け取ってレーザ光源１０１を制御する。
【００６２】
ブリュアン光電子発振器は、ループ内のブリュアン光媒体内の誘導ブリュアン散乱に基づいて電気変調信号を生成する少なくとも一つのアクティブ光電子フィードバックループを使用する（例えば、Yaoの米国特許第５，９１７，１７９号を参照、なお、この特許は全体を本願に援用するものである）。光ポンプレーザビームをブリュアン光媒体中に注入して、エレクトロレストリクティブ効果（electrorestrictive
effect）によって、ポンプレーザビームの方向に移動する音響グレーティングを生成させる。このグレーティングは、ポンプレーザビームと相互に作用して、ドップラーシフトνDによってポンプレーザビームの周波数νＰより小さい周波数νBすなわちνB＝νP−νDの後方散乱のブリュアン散乱信号を生成する。このブリュアン散乱信号は、光電子フィードバックループ内の光検出器によって、電気変調信号に変換される。
【００６３】
図１１は、本発明の一実施態様によって光共振器１２１と周波数制御回路３１０を備えたブリュアンＯＥＯを示す。ＥＯ変調器１１０１は、フィードバックループ１１０４の電気変調信号を使用して、レーザ光源１０１によって生成される光キャリアを変調し、発振周波数ｆOSC＝｜νB−νS｜＝｜νP−νS−νD｜で変調される変調光キャリア信号を生成する。ブリュアン媒体はフィードバックループ１１０４内の光ファイバー１１０３のセグメントである。ポンプレーザ１１１２は、結合器１１１０によって光ファイバー１１０３中に、フィードバックループ１１０４中に結合された変調光キャリヤの方向と逆の方向に結合されている。ブリュアン散乱信号は、光キャリア信号の方向の信号である。光検出器１２７がブリュアン散乱信号と光キャリア信号を受信して、電気変調信号を生成する。周波数制御回路３１０が結合されて、光共振器１２１の光伝送の一部分から変換された電気信号を受信する。
【００６４】
図１２は、ブリュアンＯＥＯ１１００のモード整合条件を示す。図１２の最上段は、図２Ａと同様に光共振器１２１の共振モードを示している。図１２の２段目は、ポンプレーザ１１１２からのレーザ信号１２１０の周波数νＰ、ブリュアン散乱信号１２１２の周波数νB、及びドップラーシフト周波数νDの各関係を示している。図１２の３段目は、キャリア信号の下側の側帯波信号の周波数とブリュアン散乱信号の周波数νBとを一致させた状態で、レーザ光源１０１からの信号レーザ１２２０の周波数（キャリア信号周波数）νS、ブリュアン散乱信号１２２２の周波数νB及び光電子発振器（ＯＥＯ）の発振周波数（変調信号周波数）ｆOSCの各関係を示している。図１２の第４及び５段目は、図２Ｄ及び図２Ｃと同様に、光電子発振器（ＯＥＯ）の発振周波数（変調信号周波数）ｆOSC及び光学電子フィードバックループの共振モードをそれぞれ示している。したがって、図２Ｂ〜２Ｄで述べたモード整合条件に加えて、下記のモード整合条件を満たさねばならない。
ｆOSC＝｜νB−νS｜＝｜νP−νS−νD｜＝Ｊ・ＦＳＲr
上記式中Ｊは整数である。したがって、発振周波数ｆOSCは、ポンプレーザ１１１２の周波数νPまたはレーザ光源１０１からの信号レーザの周波数νSまたは両方の周波数を調節することによって調整できる。
【００６５】
ブリュアンＯＥＯ１１００は、二つの別個のレーザ光源１０１と１１１２を使用する。これには、これら二つのレーザの周波数が、お互いに対して比較的安定であることが必要である。図１３は、単一のレーザを使用してポンプレーザと信号レーザの両方を生成するブリュアンＯＥＯ１３００を示す。光サーキュレータ１３０３を使用して、レーザの出力の一部を、ポンプビームとしてループ１３１０に結合する。ブリュアン効果による追加のモード整合は、ｆOSC＝νD＝Ｊ・ＦＳＲrになるように修正される。したがって、発振周波数ｆOSCは、ドップラーシフトによって決定され、一般に調整することができない。
【００６６】
一つ以上の補助フィードバックループを、ブリュアン光電子フィードバックループに追加して設置し、マルチループブリュアンＯＥＯを製造することができる。補助フィードバックループはいずれのタイプのものでもよく、電気フィードバックループ、光ループ、非ブリュアン光電子ループまたは他のブリュアン光電子ループがある。各ループは、オープンループ利得が１より小さくてもよく、全ループの全オープンループ利得が１より大きい限り発振を維持することができる。図１４は、ブリュアン光電子ループ１４２０と非ブリュアン光電子ループ１４１０を備えている代表的なデュアルループブリュアンＯＥＯ１４００を示す。図１０Ａに示すシステムと同様に、バイアスティー（Tee）が、光検出器１２７の出力に結合されて低周波数成分を周波数制御回路３１０に送る。
【００６７】
別のタイプのＯＥＯは結合光電子発振器（equpled optoelectronic oscillator(「ＣＯＥＯ」)である（例えばYaoとMalekiの米国特許第５，９２９，４３０号参照。なお、この特許は全体を本願に援用するものである。）このようなＣＯＥＯは、光フィードバックループのレーザ発振を、光電子フィードバックループの電子発振に直接結合する。上記レーザ発振と電気発振は互いに関連して、一方の発振のモードと安定性が、他方の発振のモードと安定性とに結合される。光フィードバックループは、１より大きいループ利得を生成する利得媒体を有し、レーザ発振を実行する。この光ループは、ファブリーペロ共振器、リング共振器、その外の共振配置構成でもよい。この光電子ループのオープンループ利得も、損失を超えていて,電気発振を維持する。二つのフィードバックループ間の結合は、光ループのループ利得を、光電子フィードバックループが生成する電気信号で制御することによって達成される。ＣＯＥＯは、ＲＦバンドパスフィルタまたは追加の光電子フィードバックループなしで、単一モードのＲＦ発振を達成できる。マルチモードレーザを使用できる。
【００６８】
先に述べた他の代表的なＯＥＯと比べると、ＣＯＥＯの光電子フィードバックループまたは光フィードバックループには光共振器を配置することができる。前者の配置構成は、周波数制御回路を使用して、レーザモードの周波数を、共振器の伝送ピークにロックする必要がある。代わりに、二つの光共振器をそれぞれ、光ループと光電子ループに同時に配置することができる。
【００６９】
図１５Ａは、光フィードバックループ１５１０と光電子フィードバックループ１５２０を有するＣＯＥＯ１５００の一実施態様を示す。光共振器１２１が光フィードバックループ１５１０内に配置されている。その光フィードバックループ１５１０は、光増幅器１５１２とＥＯ変調器１５１４を備えたリングレーザであることが分かる。光アイソレータ１５１６を使用して、光フィードバックループ１５１０内の光波が単向性であることを保証する。そのリングは光ファイバー１５１１または他の光導波管でつくることができる。光増幅器１５１２とＥＯ変調器１５１４を組み合わせるとレーザ利得媒体が実現し、レーザ利得を、光電子フィードバックループ１５２０からの電気制御信号によって制御し変調することができる。例えば、半導体の光増幅器を使用して、光増幅器１５１２と変調器１５１４の組合せとして機能させることができる。
【００７０】
光フィードバックループ（リングレーザ）１５１０内に光共振器１２１を配置する利点の一つは、光フィードバックループ１５１０内の光モードが、光共振器１２１のモードによって制御され、すなわち光共振器１２１のモードとオーバーラップする光フィードバックループ１５１０のモードだけが、発振するのに十分な利得を有することができるということである。したがって、レーザの光周波数は、光共振器１２１の伝送ピークと自動的に合わされる。この配置構成によれば、光フィードバックループ１５１０と光共振器１２１は、他のＯＥＯでは互いに光共振器でロックされるのに比べて、ロックする必要がない、その上に、光フィードバックループ１５１０内の光共振器１２１が、光フィードバックループ１５１０内で生成した光信号および光電子フィードバックループ１５２０内で生成したＲＦ信号の両者の特性を決定する。これは、両方の信号が、まさに同じエネルギー貯蔵要素である光共振器１２１を共有しているからである。ファイバー増幅器に基づいたＣＯＥＯの場合、図６に示すファイバーファブリーペロ共振器と図７に示すファイバーリング共振器を含む、光ファイバーで構築された高Ｑ光共振器が好ましい。
【００７１】
図１５Ｂは、光共振器１２１の伝送ピーク、レーザモード、光電子発振モードおよびＲＦフィルターの中心周波数と帯域幅のスペクトルの関連を示す。光フィードバックループ（リングレーザ）１５１０の空洞長（キャビティ長）は、光共振器１２１の長さの寄与を含んでいるので、そのモード間隔は、一般に光共振器１２１のＦＳＲより小さい。その結果、光共振器１２１の伝送ピークと一致するレーザモードのモード間隔だけが発振できる。
【００７２】
光電子フィードバックループ１５２０は、一般に、光フィードバックループ（リングレーザ）１５１０の空洞長よりはるかに長いので、対応するモード間隔は光フィードバックループ１５１０のモード間隔より小さい。ＲＦのバンドパスフィルタ１５０の中心周波数は、光フィードバックループ１５１０の異なるモードのＲＦビート周波数に等しくなるように選択される。バンドパスフィルタ１５０の帯域幅は、そのモードのビート周波数の間隔（光共振器１２１のＦＳＲに等しい）より狭くなるように選択される。多くのＯＥＯモードが、帯域内で、発振しようと競合する。しかし、競合に勝つのは、レーザの縦モードのビート周波数に最も近い周波数を有するモードである。なぜならば、このＯＥＯモードだけが光フィードバックループ１５１０からエネルギーを得ることができるからである。このモードは、フィードバックされて、光フィードバックループ１５１０の利得を変調し、そして光フィードバックループ１５１０を効果的にモードロックする。このモードロッキングによって、レーザのモード間隔が、発振ＯＥＯモードの周波数（光共振器１２１のＦＳＲの整数倍である）に等しくなる。
【００７３】
モードロックされた光フィードバックループ（リングレーザ）１５１０の発振モードはすべて、同位相になるように強制されるので、二つの隣接するレーザモード間のすべてのモードビート信号は同位相で合計されて、発振ＯＥＯモードの周波数で強い信号を生成する。この高められたモードビート信号は、次により多くの利得を発振ＯＥＯモードに与えて、その発振を補強する。
【００７４】
したがって発振の条件は次のとおりである。
（１）光フィードバックループ（リングレーザ）１５１０（レーザ空洞）の全長は光共振器１２１の空洞長（キャビティ長）の整数倍である（または光共振器１２１のフリースペクトルレンジはレーザのモード間隔の整数倍である）；
（２）光電子フィードバックループ１５２０の長さは光共振器１２１の空洞（キャビティ）の長さの整数倍である（または光共振器１２１のフリースペクトルレンジは光電子フィードバックループ１５２０のモード間隔の整数倍である）；
（３）ＲＦのバンドパスフィルタ１５０の中心周波数は光共振器１２１のフリースぺクトルレンジの整数倍である；および
（４）ＲＦのバンドパスフィルタ１５０の帯域幅は光共振器１２１のＦＳＲより小さい。
【００７５】
図１５Ｃは、図１５Ａに示すシステムに基づいた二つの光共振器を有するＣＯＥＯを示す。周波数制御回路３１０を使用して、光電子フィードバックループ１５２０内の光共振器１５３０のモードを、光フィードバックループ１５１０のモードに対してロックする。この実施例では、光フィードバックループ１５１０の全空洞長（全キャビティ長）を制御することによって制御を達成できる。上記モード整合条件に加えて、光共振器１５３０のモード間隔はレーザモードの整数倍でなければならず、そして光共振器１５３０のモードと光共振器１２１のモードは、いくつかのオーバーラップしたモードをもっていなければならない。
【００７６】
図１６は、ささやき回廊モードのマイクロ空洞（マイクロキャビティ）に基づいたＣＯＥＯオンチップ１６００の一実施態様を示す。この装置は半導体基板１６０１上に形成され、かつ二つの導波管１６１０と１６２０を備え、これらの導波管は図に示す微小球などの高Ｑマイクロ空洞（マイクロキャビティ）１６０２に結合されている。導波管１６１０と１６２０はそれぞれ、傾斜面の末端１６１６と１６２６を備え、エバネッセント結合によってマイクロ空洞（マイクロキャビティ）１６０２に結合している。導波管１６１０の他方の末端は、電気絶縁層１６１１、電気吸収変調器１６１２、および高レフレクタ(high reflector)１６１４を備えている。この高レフレクタ１６１４は、電気吸収変調器１６１２内にパルスの衝突を誘発する作動を行い、モードロッキング性能を高める。導波管１６２０の他方の末端は研磨面１６２４であり、光検出器１６２２から、ギャップ１６２１の間隔をとって配置されている。その研磨面１６２４は部分ミラーとして働き、光の一部分を反射して導波管１６２０に戻し、そして残りの部分を光検出器１６２２に伝送して、光出力と電気信号を生成する。電気リンク１６３０を電気吸収変調器１６１２と光検出器１６２２の間に結合させて電気出力を生成させ、そしてその信号を送ってすなわちその電気信号を送って電気吸収変調器１６１２を制御する。
【００７７】
その結果、二つの結合されたフィードバックループがＣＯＥＯオンチップ１６００内に形成される。光ループが、ファブリーペロ共振器の配置構成の形態であり、高レフレクタ１６１４と導波管１６２０の研磨面１６２４との間に、電気吸収変調器１６１２、導波管１６１０、マイクロ空洞１６０２および導波管１６２０を介して形成されている。ギャップ１６２１、光検出器１６２２および電気リンク１６３０は、前記光ループに結合されているもう一つの光電子ループを形成している。したがって、ＣＯＥＯオンチップ１６００の配置構成は、図１５Ａに示すＣＯＥＯ１５００に利用されている配置構成に類似している。それ故、同じモード整合条件が当てはまる。
【００７８】
導波管１６１０と１６２０は、前記光ループが駆動電流によって活性化されたときレーザとして作動するように、活性でかつ利得媒体としても機能するようにドーピングされている。この電流は、電源に結合された適正な電気接点から流すことができる。レーザの利得は、光検出器１６２２からの電気信号に応答して、電気吸収変調器１６１２によって電気的に変調される。
【００７９】
光検出器１６２２は、構造が電気吸収変調器１６１２と同一であるが、特別にバイアスされて光検出器として作動する。その結果、光検出器１６２２と電気吸収変調器１６１２は、例えば数キロオームの程度の類似のインピーダンスを有しているので、ほぼインピーダンスが整合している。変調器のスイッチング電圧２ボルト、および電気吸収変調器１６１２と光検出器１６２２のインピーダンス１キロオームという一般的な値をとると、ＲＦ発振を維持するのに必要な光出力は、光検出器の応答度が０．５Ａ／Ｗの場合、約１．２８ｍＷと推定される。このような光出力は、半導体レーザで容易に得ることができる。したがって、インピーダンス整合条件下で、図９に示す集積ＯＥＯ９００の場合のような、電気リンク１６３０中のＲＦ増幅器は除くことができる。
【００８０】
二つの導波管１６１０と１６２０は、半導体基板１６０１上に、互いに隣接しかつ平行に配置されて、光検出器１６２２と電気吸収変調器１６１２は互いに接近している。この配置によって、光検出器１６２２と電気吸収変調器１６１２の間のワイヤボンディングなどの接続手段を容易に利用できる。
【００８１】
ごく少数の実施態様を説明してきたが、各種の変形と増強を、本願の特許請求の範囲から逸脱することなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の、光共振器を有する単一ループの光電子発振器の一実施態様を示す。
【図２Ａ】  図１に示す発振器のモード整合条件を示す。
【図２Ｂ】  図１に示す発振器のモード整合条件を示す。
【図２Ｃ】  図１に示す発振器のモード整合条件を示す。
【図２Ｄ】  図１に示す発振器のモード整合条件を示す。
【図３Ａ】  図１に示す発振器のレーザと共振器の間の相対周波数（relative frequency）のアクティブ制御の実施態様を示す。
【図３Ｂ】  図１に示す発振器のレーザと共振器の間の相対周波数（relative frequency）のアクティブ制御の実施態様を示す。
【図４Ａ】  レーザまたは共振器をディザリングすることから生成するエラー信号に基づいた周波数制御回路の作動を示す。
【図４Ｂ】  レーザまたは共振器をディザリングすることから生成するエラー信号に基づいた周波数制御回路の作動を示す。
【図５】  光電子発振器の光共振器によって反射された光信号からその入力を受け取る周波数制御回路の一実施態様を示す。
【図６】  本発明の光電子発振器に使用できる光共振器の実施例を示す。
【図７】  本発明の光電子発振器に使用できる光共振器の実施例を示す。
【図８Ａ】  本発明の光電子発振器に使用できる光共振器の実施例を示す。
【図８Ｂ】  本発明の光電子発振器に使用できる光共振器の実施例を示す。
【図９】  そのすべての要素が半導体基板上に制作されている本発明の集積光電子発振器の一実施態様を示す。
【図１０Ａ】  光共振器を有する本発明のデュアルループ光電子発振器の実施例を示す。
【図１０Ｂ】  光共振器を有する本発明のデュアルループ光電子発振器の実施例を示す。
【図１１】  光共振器と周波数制御回路を備えた本発明の一実施態様のブリュアン光電子発振器を示す。
【図１２】  図１１に示すブリュアン光電子発振器のモード整合条件を示す。
【図１３】  単一レーザを使用してポンプレーザと信号レーザの両方を生成するブリュアン光電子発振器を示す。
【図１４】  ブリュアン光電子ループと非ブリュアン光電子ループを有する代表的なデュアルループのブリュアン光電子発振器を示す。
【図１５Ａ】  光フィードバックループと光電子ループを有する結合光電子発振器の一実施態様を示す。
【図１５Ｂ】  図１５Ａに示す装置の共振器伝送ピーク、レーザモード、光電子発振モードおよびＲＦフィルタの中心周波数と帯域幅のスペクトル関係を示す。
【図１５Ｃ】  図１５Ａに示すシステムに基づいた二つの光共振器を有する結合光電子発振器を示す。
【図１６】  ささやき回廊モードのマイクロ空洞に基づいた集積結合光電子発振器の一実施態様を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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