(57)【要約】  周波数コムのオフセット周波数を決定するための方法が提示される。方法は、時間領域において規則的に繰り返され、周波数領域において周波数コムを示す波形を有する光ビームを生成するステップと、材料における入射点に光ビームを向けるステップと、光ビームによって生じる材料における光電流の振動を検出するステップとを含む。注目すべきは、光ビームは、第１の周波数及び第２の周波数で伝播する光を含む光帯域幅を有し、第１の周波数は、第２の周波数より小さく、第２の周波数の第１の周波数に対する比はｎ：ｍであり、ｎ＝ｍ＋ｉであり、ｍは１より大きい整数であり、ｎ及びｉは正の整数である。加えて、材料はバンドギャップを有し、バンドギャップは第１の周波数のｎ倍以下である。
2020521162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数コムのオフセット周波数を決定するための方法であって、
時間領域において規則的に繰り返され、周波数領域において周波数コムを示す波形を有する光ビームを生成するステップであって、前記光ビームは、第１の周波数及び第２の周波数で伝播する光を含む光帯域幅を有し、前記第１の周波数は、前記第２の周波数より小さく、前記第２の周波数の前記第１の周波数に対する比は３：２である、ステップと、
材料における入射点に前記光ビームを向けるステップであって、前記材料はバンドギャップを有し、前記バンドギャップは前記第１の周波数の３倍以下である、ステップと、
前記光ビームによって生じる前記材料における光電流の振動を検出するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記光ビームのための前記波形は、前記時間領域における一連の光パルスによって画定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
モード同期レーザーを使用して第１の光ビームを生成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記光ビームの繰り返し率は、１０メガヘルツ〜１０ギガヘルツの範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記材料は、半導体又は絶縁体のうちの一方として更に画定される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記材料は、前記第１の周波数の２倍より大きく、前記第１の周波数の３倍より小さいバンドギャップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
光電流の振動を、前記光電流の振動の周波数を測定することによって検出するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光電流の振動を、前記材料の表面に配置された電極を使用して検出するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記材料を通る光の伝播方向に対して横方向に流れる光電流の振動を検出するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記光電流の振動を検出するステップは、前記光ビームが前記材料の対称軸に沿って伝播しないように前記材料を更に配置する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記材料を通る光の伝播方向に平行に流れる光電流の振動を検出するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記光ビームが前記材料に入射する前に、前記光ビームにおける前記第１の周波数の光及び前記第２の周波数の光のうちの少なくとも一方を増幅するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光ビームが前記材料に入射する前に、前記光ビームから前記第１の周波数の光及び前記第２の周波数の光のうちの少なくとも一方を除去するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
周波数コムのオフセット周波数を決定するための方法であって、
時間領域において規則的に繰り返され、周波数領域において周波数コムを示す波形を有する光ビームを生成するステップであって、前記光ビームは、第１の周波数及び第２の周波数で伝播する光を含む光帯域幅を有して、前記第１の周波数は、前記第２の周波数より小さく、前記第２の周波数の前記第１の周波数に対する比はｎ：ｍであり、ｎ＝ｍ＋１であり、ｍは１より大きい整数であり、ｎは正の整数である、ステップと、
材料における入射点に前記光ビームを向けるステップであって、前記材料はバンドギャップを有し、前記バンドギャップは前記第１の周波数のｎ倍以下である、ステップと、
前記光ビームによって生じる前記材料における光電流の振動を検出するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記光ビームのための前記波形は、前記時間領域における一連の光パルスによって画定される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
モード同期レーザーを使用して第１の光ビームを生成するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記光ビームの繰り返し率は、１０メガヘルツ〜１０ギガヘルツの範囲内にある、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記材料は、半導体又は絶縁体のうちの一方として更に画定される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記材料は、前記第１の周波数のｎ倍より大きく、前記第１の周波数のｍ倍より小さいバンドギャップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
光電流の振動を、前記光電流の振動の周波数を測定することによって検出するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記光電流の振動を、前記材料の表面に配置された電極を使用して検出するステップを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記材料を通る光の伝播方向に対して横方向に流れる光電流の振動を検出するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記光電流の振動を検出するステップは、前記光ビームが前記材料の対称軸に沿って伝播しないように前記材料を更に配置する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記材料を通る光の伝播方向に平行に流れる光電流の振動を検出するステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記光ビームが前記材料に入射する前に、前記光ビームにおける前記第１の周波数の光及び前記第２の周波数の光のうちの少なくとも一方を増幅するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
前記光ビームが前記材料に入射する前に、前記光ビームから前記第１の周波数の光及び前記第２の周波数の光のうちの少なくとも一方を除去するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２７】
周波数コムのオフセット周波数を決定するための方法であって、
時間領域において規則的に繰り返され、周波数領域において周波数コムを示す波形を有する光ビームを生成するステップであって、前記光ビームは、第１の周波数及び第２の周波数で伝播する光を含む光帯域幅を有して、前記第１の周波数は、前記第２の周波数より小さく、前記第２の周波数の前記第１の周波数に対する比はｎ：ｍであり、ｎ＝ｍ＋ｉであり、ｍは１より大きい整数であり、ｎ及びｉは正の整数である、ステップと、
材料における入射点に前記光ビームを向けるステップであって、前記材料はバンドギャップを有し、前記バンドギャップは前記第１の周波数のｎ倍以下である、ステップと、
前記光ビームによって生じる前記材料における光電流の振動を検出するステップと
を含む方法。
【請求項２８】
前記光ビームのための前記波形は、前記時間領域における一連の光パルスによって画定される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
モード同期レーザーを使用して第１の光ビームを生成するステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記光ビームの繰り返し率は、１０メガヘルツ〜１０ギガヘルツの範囲内にある、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記材料は、半導体又は絶縁体のうちの一方として更に画定される、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記材料は、前記第１の周波数のｎ倍より大きく、前記第１の周波数のｍ倍より小さいバンドギャップを有する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
光電流の振動を、前記光電流の振動の周波数を測定することによって検出するステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記光電流の振動を、前記材料の表面に配置された電極を使用して検出するステップを更に含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記材料を通る光の伝播方向に対して横方向に流れる光電流の振動を検出するステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記光電流の振動を検出するステップは、前記光ビームが前記材料の対称軸に沿って伝播しないように前記材料を更に配置する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記材料を通る光の伝播方向に平行に流れる光電流の振動を検出するステップを更に含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記光ビームが前記材料に入射する前に、前記光ビームにおける前記第１の周波数の光及び前記第２の周波数の光のうちの少なくとも一方を増幅するステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３９】
前記光ビームが前記材料に入射する前に、前記光ビームから前記第１の周波数の光及び前記第２の周波数の光のうちの少なくとも一方を除去するステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本政府の条項
本発明は、ＮＡＶＹ−ＳＰＡＷＡＲによって授与された助成金番号Ｎ６６０１−１５−４０５０及びＤＯＤ／ＤＡＲＰＡによって授与された助成金番号ＨＲ００１１５１６４４８の下で政府の支援でなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１７年５月１２日に出願された米国仮出願第６２／５０５，２８５号の利益を主張する。上記出願の開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本開示は、光周波数コムのオフセット周波数を決定するための改善された方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
光周波数コムは、一連の技術に重大且つ継続的な影響を与えてきた。これらは、任意の大きい周波数差によって分離された光信号をコヒーレントにリンクし、光周波数を無線周波数にリンクする機能を提供する。元来は、コムを刺激するものは、光周波数計測における応用、即ち、光の周波数の絶対測定、及び光原子時計の開発の逆問題に起因する。しかし、これらの用途は着実に拡大している。これらは、従来の方法及びコヒーレント通信より高速且つ小型のパッケージで高解像度を実現することができるデュアルコム分光法の開発を含む。
【０００５】
コムオフセット周波数の安定化及び制御は、モード同期レーザー周波数コムにとって不可欠である。そのオフセット周波数を測定する最も一般的な方式は、ｆ−２ｆ自己参照である。これの１つの実装は、半導体のギャップを横切る同時の１光子及び２光子吸収から生じる光電流の量子干渉制御（ＱｕＩＣ）を検出することである。このＱｕＩＣ自己参照方式は、Ｔｉ：サファイアレーザー周波数コムのキャリアエンベロープ位相の測定及び安定化に使用されている。しかし、この方式及び他の全てのｆ−２ｆ方式は、少なくとも１オクターブ（即ち、周波数において２倍）に亘るスペクトルを要求する。
【０００６】
このセクションは、必ずしも先行技術ではない本開示に関連する背景情報を提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このセクションは、本開示の一般的な要約を提供し、その全範囲又はその特徴の全ての包括的な開示ではない。
【０００８】
周波数コムのオフセット周波数を決定するための方法が提示される。方法は、時間領域において規則的に繰り返され、周波数領域において周波数コムを示す波形を有する光ビームを生成するステップであって、光ビームが、第１の周波数及び第２の周波数で伝播する光を含む光帯域幅を有して、第１の周波数が第２の周波数より小さく、第２の周波数の第１の周波数に対する比がｎ：ｍであり、ｎ＝ｍ＋ｉであり、ｍが１より大きい整数であり、ｎ及びｉは正の整数である、ステップと、光ビームを材料における入射点に向けるステップであって、材料がバンドギャップを有し、バンドギャップが第１の周波数のｎ倍以下である、ステップと、光ビームによって生じる材料における光電流の振動を検出するステップとを含む。
【０００９】
一実施形態においては、第２の周波数の第１の周波数に対する比はｎ：ｍであり、ｎ＝ｍ＋１であり、ｍは１より大きい整数であり、ｎは正の整数である。より具体的には、第２の周波数の第１の周波数に対する比は３：２であってもよい。
【００１０】
光ビームの波形は、時間領域における一連の光パルスによって画定される。
【００１１】
第１の光ビームは、モード同期レーザーを使用して生成されてもよい。
【００１２】
光ビームの繰り返し率は、１０メガヘルツ〜１０ギガヘルツの範囲内にあってもよい。
【００１３】
材料は、半導体又は絶縁体のうちの一方として更に画定される。
【００１４】
場合によっては、材料は、第１の周波数の２倍より大きく、第１の周波数の３倍より小さいバンドギャップを有する。
【００１５】
光電流の振動は、例えば材料の表面に配置された電極を使用して、光電流の振動の周波数を測定することによって検出されてもよい。
【００１６】
幾つかの実施形態においては、光電流の振動は、材料を通る光の伝播方向に対して横方向に流れる。材料は、光ビームが材料の対称軸に沿って伝播しないように配置される。
【００１７】
他の実施形態においては、光電流の振動は、材料を通る光の伝播方向に平行に流れる。
【００１８】
適用可能性の更なる領域が、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。この概要における説明及び特定の例は、説明の目的のみが意図され、本開示の範囲を限定することが意図されない。
【００１９】
本明細書で説明される図面は、選択された実施形態の説明目的のみのためであり、全ての可能な実装ではなく、本開示の範囲を限定することが意図されない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】１光子及び２光子吸収を使用する量子干渉制御プロセスの概略図である。
【図２】周波数コムのオフセット周波数を決定するための改善された方法を示すフローチャートである。
【図３】光の励起ビームによって示される周波数コムのオフセット周波数を決定するためのシステムの図である。
【図４Ａ】光電流が材料を通る光の伝播方向に垂直に流れる一配置を示す図である。
【図４Ｂ】光電流が材料を通る光の伝播方向に垂直に流れる一配置を示す図である。
【図４Ｃ】光電流が材料を通る光の伝播方向に垂直に流れる一配置を示す図である。
【図４Ｄ】光電流が材料を通る光の伝播方向に垂直に流れる一配置を示す図である。
【図４Ｅ】光電流が材料を通る光の伝播方向に垂直に流れる一配置を示す図である。
【図５】光電流が材料を通る光の伝播方向に平行に流れる配置の図である。
【図６】周波数コムのオフセット周波数を決定するための提案された方法を実証するために使用される実験構成の図であり、ＤＤＳはダイレクトデジタルシンセサイザー、ＤＭはダイクロイックミラー、ＥＤＦＡはエルビウム添加ファイバー増幅器、ｆ０はコムオフセット周波数、ＦＭは折り畳みミラー、ＨＰＦはハイパスフィルター、ＬＡはロックイン増幅器、ＬＰＦはローパスフィルター、ＰＢＳは偏光ビームスプリッター、ＰＤはフォトダイオード、ＳＣＧはスーパーコンティニューム発生、ＳＰＦはショートパスフィルター、ＴＳは並進ステージ、ＹＤＦＡはイッテルビウム添加ファイバー増幅器である。
【図７Ａ】１０４０ｎｍビームのみ、１５６０ｎｍビームのみ、及び１５６０ｎｍビームと１０４０ｎｍビームとの両方が遮断されないことによって誘導される量子干渉制御電流のＲＦ周波数スペクトルを示すグラフである。
【図７Ｂ】オフセット周波数が２ｋＨｚ〜６０ｋＨｚで変化する場合の周波数スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
対応する参照番号は、図面の幾つかの表示を通して対応する部分を示す。
【００２２】
ここで、添付の図面を参照して例示的な実施形態がより詳細に説明される。
【００２３】
背景として、周波数コムのオフセット周波数の決定は、注入された光電流の量子干渉制御（ＱｕＩＣ）を使用して達成されることができる。このアプローチにおいては、図１に見られるように、１光子及び２光子吸収によって、半導体の伝導帯において同時に光キャリアが生成される。これら２つの経路の量子干渉は、電子の運動量と光の相対位相との両方に依存する。正味の効果は、位相依存性の光電流に相当する、運動量空間における電子分布の位相依存性の不均衡である。光電流は、バイアスがなくても存在し、この結果、それは、ＱｕＩＣプロセスによって直接注入される。具体的には、オクターブ広がりパルスの電流注入率は次式で表される。
【数１】
2020521162.tif 000003
Ｅｆ（Ｅ２ｆ）は周波数ｆ（２ｆ）の光の電界であり、φＣＥはパルスのキャリアエンベロープ位相である。キャリアエンベロープ位相が発展するパルス列の場合、電流は対応するコムのオフセット周波数で発振する。
【００２４】
本開示においては、コムオフセット周波数を測定するために、新しい２光子−３光子（２ｐ−３ｐ）自己参照ＱｕＩＣ方式が提案される。これは、２光子及び３光子吸収プロセスの量子干渉によって誘導される光電流に基づく。この方式の利点の１つは、要求される帯域幅が光学２ｆ−３ｆ自己参照と同様に減少することである。その上、２ｆの光の強いバンドギャップより大きい１光子吸収に起因して２つの場の吸収長が一致しない、１光子−２光子ＱｕＩＣ方式とは対照的に、２ｐ−３ｐＱｕＩＣにおいては、ｆと３／２ｆとの両方の場の吸収長は、両方の光場の光子エネルギーがバンドギャップエネルギーより小さいので、数十ミクロンより大きい。この結果、１光子吸収が大幅に抑制され、導波路を使用する集積デバイスの設計を可能にする。
【００２５】
図２は、周波数コムのオフセット周波数を決定するためのこの提案された方法を更に示す。時間領域において規則的に繰り返され、周波数領域において周波数コムを示す波形を有する光ビームが、２１で生成される。一実施形態においては、光ビームの波形は、時間領域において一連の光パルスによって画定される。パルスの繰り返し率は、好ましくは１０メガヘルツ〜１０ギガヘルツの範囲内にある。注目すべきは、光ビームは、第１の周波数で伝播する光及び第２の周波数で伝播する光を含むように、充分に大きい光帯域幅を有し、第１の周波数は第２の周波数より小さい。
【００２６】
一般的には、第２の周波数の第１の周波数に対する比はｎ：ｍであり、ｎ＝ｍ＋ｉであり、ｍは１より大きい整数であり、ｎ及びｉは正の整数である。一実施形態においては、第２の周波数の第１の周波数に対する比はｎ：ｍにすることができ、ｎ＝ｍ＋１であり、ｍは１より大きい整数であり、ｎは正の整数である。別の実施形態においては、第２の周波数の第１の周波数に対する比は実質的に３：２（又は１．５）である。例えば、光ビームは１０４０ｎｍ及び１５６０ｎｍの光を含んでもよい。これらの値は単なる例示であり、限定することが意図されない。他の比率が、一般的な規則内で企図される。
【００２７】
２２で示されるように、光ビームはサンプルに向けられる（及び入射する）。サンプルは、バンドギャップを有する材料から構成され、バンドギャップは、第１の周波数のｎ倍以下である。より具体的には、材料のバンドギャップは、好ましくは、第１の周波数の２倍より大きく、第１の周波数の３倍より小さい。第１の周波数が１０４０ｎｍの波長を有する光に対応する場合、サンプルは、１．９１２ｅＶ（６４８．４ｎｍ）のバンドギャップを有するヒ化アルミニウムガリウムから構成されてもよい。すなわち、バンドギャップは第１の周波数の３倍以下である。再び、これらの値は単なる例示であり、限定することが意図されない。用途に応じて、半導体及び絶縁体を含む、様々な種類の材料が使用されてもよいことが理解される。
【００２８】
光ビームは、サンプルにおいて光電流を生じる。光電流の振動は２３で検出される。様々な検出方法が、本開示によって企図される。例えば、光電流の振動の周波数は、サンプルの表面に配置された電極を使用して電気的に測定されてもよい。
【００２９】
別の例においては、光電流によって生じる放射線が検出され、振動の周波数の指標を提供してもよい。量子干渉プロセスによる電流の注入は、材料における電子の急速な加速に相当する。電磁理論の基本的な結果は、加速電荷（ここでは電子）が電磁波を放射することである。この結果、量子干渉による電流の注入が、電磁波の放射をもたらす。これらの波の周波数は、電流が加速する時間スケールによって決定される。単一パルスの場合、この時間スケールはサブピコ秒である。検出される放射線は、テラヘルツ周波数であるが、非常に広い帯域幅を有する。しかし、多くのパルスの累積効果（又は波形の繰り返し）は、放射された電磁波の成分をコムオフセット周波数及びその整数倍に高めることである。何れの場合であっても、振動の周波数は、光の励起ビームによって示される周波数コムのオフセット周波数に対応する。
【００３０】
図３は、光の励起ビームによって示される周波数コムのオフセット周波数を決定するためのシステム３０を描写する。システム３０は、一般的に、周波数コム光源３１、サンプル３２、及び検出器３３から構成される。関連する構成要素のみが図３に関連して議論されるが、他の構成要素がシステム全体を実装するために必要であってもよいことが理解されるべきである。
【００３１】
例示的な実施形態においては、周波数コム光源３１は、非線形光学ループミラーモード同期機構を使用するファイバーベースのフェムト秒レーザー源である。例示的なフェムト秒レーザー源に関する更なる詳細のために、Ｍｅｎｌｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓから市販されているＣ−Ｆｉｂｅｒフェムト秒ファイバーレーザーが参照されてもよい。光源及び変調器の他の配置が、周波数コム光源を実装するために使用されてもよく、本開示の範囲内に含まれることが容易に理解される。
【００３２】
周波数コム光源３１によって生成された光ビームは、サンプルにおける入射点に向けられる。図４Ａ〜図４Ｄに示されるように、様々な導波管配置が使用されてもよい。これらの例においては、入射点４１は、細長い導波路４０の一端にある。導波路４０は、ヒ化ガリウムの層の上に支持されたヒ化アルミニウムガリウムの層から構成される。図４Ａ及び図４Ｂにおいては、レール４２は、ヒ化アルミニウムガリウムの最上層から一体に形成され、導波路の上面から上方に突出する。図４Ａにおいては、２つの電極４３が導波管４０の上面に形成され、一方、図４Ｂにおいては、２対の電極が導波管の上面に形成される。図４Ｃ及び図４Ｄにおいては、レール４２は、ヒ化ガリウムの層の上に堆積されたヒ化アルミニウムガリウムの複数の層によって形成される。図４Ｃにおいては、２つの電極４３がヒ化ガリウムの層の露出された上面に形成され、一方、図４Ｄにおいては、２対の電極がヒ化ガリウムの層の露出された上面に形成される。電極の他の配置が、本開示によって企図される。
【００３３】
動作中に、それに入射する光は、導波路の一端から導波路の他端にレール４２の方向に伝播する。光によって生じる光電流は、２つの隣接する電極４３の間を流れる。即ち、光電流は、サンプルを通る光の伝播方向を横切って流れる。光電流の振動を検出するために、検出器３３が電極４３に電気的に結合される。一実施形態においては、検出器３３は、ロックイン増幅器である。
【００３４】
図４Ｅは、光電流がサンプルを通る光の伝播方向を横切って流れる別の配置である。この例においては、電極４３は材料の上面に配置され、光４４は表面の上から入射する。特に、光４４は、材料の表面に配置された２つの電極４３の間に入射する。材料は、０１７で説明された特性を有する均一なバルクサンプルであってもよく、又はそれは、図４Ｅに示されるように特性が調整された層を有してもよい。光電流は電極間を流れ、この結果、サンプルにおける光の下向きの伝搬方向を横切る。光電流の振動を検出するために、検出器３３が電極４３に電気的に結合される。
【００３５】
図５は、光電流がサンプルを通る光の伝播方向に平行に流れる変形である。入射光の電場ベクトル（偏極）は、常に伝搬方向を横切る。偏極が材料の対称軸に沿う場合には、誘導電流は偏極と平行に流れ、これ故に伝播方向を横切るように流れる。しかし、偏極方向が対称軸に平行でない場合には、電流の流れは、必ずしも対称軸に平行であるとは限らず、伝播方向に成分を有することができる。最適な方向は、偏極が３つの対称軸に対して４５度に配向される場合であるが、対称軸に沿ったアライメントからの逸脱の場合には、ある程度の平行電流が生じる。光は常に表面に入射するので、これらの条件を達成する最も一般的な方法は、結晶の切断、即ち、表面が結晶格子に対してどのように配向されるかである。最適なケースは「１１１」切断として知られる。
【００３６】
この例においては、光ビームはサンプルの上面に入射する。サンプル材料が、光ビームが材料の対称軸又は平面に沿って伝播しないように配置される場合には、結果として生じる光電流は、光の伝播方向に平行に流れる。即ち、光電流は上から下に流れる。同様に、電極４３は、サンプル材料の上及びサンプル材料の下に配置される。これらは、提案されたシステムにおいて使用されてもよい幾つかの例示的な配置にすぎない。
【００３７】
図６は、実験構成を描写する。レーザーシステムは、Ｍｅｎｌｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓから市販されているカスタムＣ−Ｆｉｂｅｒレーザーシステムである。レーザーは、異なる波長（一方（４００ｍＷ）は１５６０ｎｍを中心とし、他方（７４０ｍＷ）は、１０４０ｎｍを中心する）で２つのフェムト秒パルス列を出力する。パルス期間は両方のビームともに約７０ｆｓであり、繰り返し率は２５０ＭＨｚである。レーザーコムのオフセット周波数は、１０４０ｎｍビームの周波数がＢＢＯ結晶で２倍にされ、１５６０ｎｍビームがＰＰＬＮ結晶（ＰＰＬＮは２次高調波生成のために設計されるが、それはまた弱い３次高調波を生成する）で３倍にされる、２ｆ−３ｆ自己参照干渉計で生成されたヘテロダインビートノートを使用して、光学的に測定された。２ｆ−３ｆビートノートの線幅は約４００ＫＨｚである。フィードフォワード手法が、より狭い線幅を有するオフセット周波数を再設定するために使用される。フィードフォワード設定によってまた、オフセット周波数を制御することを可能にする。
【００３８】
そして、光は、約１０μｍによって離間された２つの金電極の間のＡｌＧａＡｓデバイス上に集束される。両方の場の偏極が、［０１０］結晶軸に沿って配向される。電流は、電極によって［０１０］方向において検出される。このデバイスは、ＧａＡｓ基板にエピタキシャル成長したＡｌＧａＡｓから作られる。ＡｌＧａＡｓのバンドギャップは７００ｎｍ未満の波長にあり、それによって、１０４０ｎｍの線形吸収及び１５６０ｎｍの２光子吸収を抑制する。光電流は、１０４０ｎｍビームの２光子吸収と１５６０ｎｍビームの３光子吸収との間の量子干渉によってＡｌＧａＡｓに注入される。
【００３９】
図７Ａは、３つの異なる条件（１５６０ｎｍビームの遮断、１０４０ｎｍビームの遮断、及び１０４０ｎｍビームと１５６０ｎｍビームとの両方の遮断なし）の場合のＡｌＧａＡｓにおける誘導光電流の周波数スペクトルを示す。半導体におけるＱｕＩＣ信号は、電圧源ではなく電流源として作用し、観測された光電流信号は２ｎＡであり、３０ＫＨｚ帯域幅において信号対雑音比は１５ｄＢである。ロックイン検出を使用して測定された同じ信号は、０．３ｍＶ（１５０ｋΩ負荷抵抗を使用）より大きく、１０４０ｎｍ及び１５６０ｎｍにおける平均電力（スポットサイズ）はそれぞれ、７ｍＷ（４．１１±０．４μｍ、ＦＷＨＭ）であり、３０ｍＷ（３．１６±０．３μｍ、ＦＷＨＭ）である。操作されることができる追加の自由度は、フィードフォワード設定によって制御されるＣＥＯ周波数である。ＣＥＯ周波数を２ｋＨｚから６０ｋＨｚに変えることによって、スペクトルにおけるビートノートの変化が観察されることができる。
【００４０】
要約すると、干渉する２光子及び３光子吸収プロセスに起因する注入光電流の量子干渉制御がＡｌＧａＡｓにおいて検出された。このＱｕＩＣ光電流を使用して、ファイバーレーザー周波数コムのキャリアオフセット周波数が測定された。要求される帯域幅が減少するので、この方式は有望であり、集積構造における導波路検出は、コムオフセットのためのよりコンパクトなデバイスにつながる。この技術は、直接オンチップのデジタル光シンセサイザーを実装するために使用されてもよいことが想定される。
【００４１】
実施形態の前述の説明は、例示及び説明の目的のために提供されている。それは、網羅的であること、又は本開示を制限することが意図されない。特定の実施形態の個々の要素又は機構は、一般的にその特定の実施形態に限定されず、適用可能な場合には、具体的に示されず、又は説明されない場合であっても、交換可能であり、選択された実施形態において使用されることができる。同じことがまた多くの点において変形されてもよい。このような変形は、本開示からの逸脱とみなされるべきではなく、このような全ての変更は本開示の範囲内に含まれることが意図される。
【００４２】
本明細書で使用される用語は、特定の例示的な実施形態のみを説明する目的のためであり、限定することが意図されない。本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈からさもなければ明確に示されない限り、複数形をまた含むことを意図されてもよい。「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、及び「ｈａｖｉｎｇ（有する）」という用語は包括的であり、従って、記載された機構、整数、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定し、１つ以上の他の機構、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／若しくはそれらの群の存在又は追加を除外しない。本明細書で説明される方法のステップ、プロセス、及び操作は、具体的に実行の順序として特定されない限り、それらの実行を、議論され、又は示された特定の順序で必ず要求するものとして解釈されるべきではない。追加又は代替のステップが使用されてもよいことがまた理解されるべきである。
【００４３】
要素又は層が別の要素又は層に「ある」、「係合される」、「接続される」、又は「結合される」として言及される場合に、それは直接他の要素若しくは層にあり、係合され、接続され、若しくは結合されてもよく、又は介在する要素若しくは層が存在してもよい。対照的に、要素が別の要素又は層に「直接ある」、「直接係合される」、「直接接続される」、若しくは「直接結合される」として言及される場合に、介在する要素又は層は存在しなくてもよい。要素間の関係を説明するために使用される他の単語は、同様の方法で解釈される必要がある（例えば、「間に」対「直接間に」、「隣接」対「直接隣接」、等）。本明細書で使用されるように、「及び／又は」という用語は、１つ以上の列挙された関連項目の任意の組合せ及び全ての組合せを含む。
【００４４】
第１、第２、第３、等の用語が、様々な要素、構成要素、領域、層、及び／又は区分を説明するために本明細書で使用されるが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は区分は、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、又は区分を別の領域、層、又は区分から区別するためにのみ使用されてもよい。本明細書で使用される場合の「第１」、「第２」のような用語、及び他の数値用語は、文脈によって明確に示されない限り、順番又は順序を意味しない。この結果、以下で議論される第１の要素、構成要素、領域、層、又は区分は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、又は区分と称されることができる。
【００４５】
「内側」、「外側」、「下方」、「下」、「下側」、「上」、「上側」、等のような空間的に相対的な用語は、説明を容易にするために本明細書で使用されて、図に示されるように、１つの要素又は機構と別の要素又は機能との関係を説明してもよい。空間的に相対的な用語は、図に描写される配向に加えて、使用中又は操作中のデバイスの様々な配向を包含することが意図されてもよい。そして、例えば、図のデバイスが裏返された場合には、他の要素又は機構の「下」又は「下方」として説明された要素が、他の要素又は機構の「上」に配向される。この結果、「下」という例示的な用語は、上と下との両方の配向を包含する。デバイスは、別の状態に配向（９０度又は他の配向に回転）されてもよく、それに応じて本明細書で使用される空間的に相対的な記述語が解釈されてもよい。
【図１】
2020521162.tif 000004
【図２】
2020521162.tif 000005
【図３】
2020521162.tif 000006
【図４Ａ】
2020521162.tif 000007
【図４Ｂ】
2020521162.tif 000008
【図４Ｃ】
2020521162.tif 000009
【図４Ｄ】
2020521162.tif 000010
【図４Ｅ】
2020521162.tif 000011
【図５】
2020521162.tif 000012
【図６】
2020521162.tif 000013
【図７Ａ】
2020521162.tif 000014
【図７Ｂ】
2020521162.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月15日(2020.1.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数コムのオフセット周波数を決定するための方法であって、
時間領域において規則的に繰り返され、周波数領域において周波数コムを示す波形を有する光ビームを生成するステップであって、前記光ビームは、第１の周波数及び第２の周波数で伝播する光を含む光帯域幅を有して、前記第１の周波数は、前記第２の周波数より小さく、前記第２の周波数の前記第１の周波数に対する比はｎ：ｍであり、ｎ＝ｍ＋ｉであり、ｍは１より大きく、ｉは１より大きく、ｎ及びｍは正の整数である、ステップと、
材料における入射点に前記光ビームを向けるステップであって、前記材料はバンドギャップを有し、前記バンドギャップは前記第１の周波数のｎ倍以下である、ステップと、
前記光ビームによって生じる前記材料における光電流の振動を検出するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記光ビームのための前記波形は、前記時間領域における一連の光パルスによって画定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
モード同期レーザーを使用して第１の光ビームを生成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記光ビームの繰り返し率は、１０メガヘルツ〜１０ギガヘルツの範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記材料は、半導体又は絶縁体のうちの一方として更に画定される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記材料は、前記第１の周波数のｎ倍より大きく、前記第１の周波数のｍ倍より小さいバンドギャップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
光電流の振動を、前記光電流の振動の周波数を測定することによって検出するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光電流の振動を、前記材料の表面に配置された電極を使用して検出するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記材料を通る光の伝播方向に対して横方向に流れる光電流の振動を検出するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記光電流の振動を検出するステップは、前記光ビームが前記材料の対称軸に沿って伝播しないように前記材料を更に配置する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記材料を通る光の伝播方向に平行に流れる光電流の振動を検出するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記光ビームが前記材料に入射する前に、前記光ビームにおける前記第１の周波数の光及び前記第２の周波数の光のうちの少なくとも一方を増幅するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光ビームが前記材料に入射する前に、前記光ビームから前記第１の周波数の光及び前記第２の周波数の光のうちの少なくとも一方を除去するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の周波数の前記第１の周波数に対する比は、１．５である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の周波数の前記第１の周波数に対する比は、ｎ：ｍであり、ｎ＝ｍ＋１である、請求項１に記載の方法。

【国際調査報告】
2020521162.tif 000016
2020521162.tif 000017