Компактный прибор с лазерами с множеством продольных мод, стабилизированными высокодобротными микрорезонаторами с генерацией оптических частотных гребенок
COMPACT DEVICE WITH LASERS WITH MULTIPLE LONGITUDINAL MODES, STABILIZED HIGH-QUALITY MICRO-RESONATORS WITH GENERATION OF OPTICAL FREQUENCY COMBS

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к методам и компактным приборам, обеспечивающим стабилизацию частоты лазера и значительное сужение лазерного спектра посредством его энергоэффективного преобразования из спектра, содержащего множество относительно широких продольных мод, в узкий одномодовый спектр или в спектр с несколькими узкими спектральными модами.
Описанный эффект обеспечивают два механизма. Первым механизмом является резонансная оптическая обратная связь от высокодобротного оптического микрорезонатора в результате инжекции лазерного излучения, рассеянного в высокодобротном микрорезонаторе обратно в лазер. Вторым механизмом служит конкуренция продольных мод лазера в условиях оптической обратной связи, приводящая к эффективному перераспределению мощности лазера в пользу одной или нескольких узких лазерных линий. В случае микрорезонатора, выполненного из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, генерация спектрально узких лазерных линий на уровне мощности выше порога накачки может обеспечить параметрически генерируемую одну или несколько оптических частотных гребенок, имеющих множество узких спектральных мод, разнесенных на фиксированные значения частоты. Кроме того, настоящее изобретение относится к компактным источникам высококогерентного мощного излучения, источникам оптических частотных гребенок или компактным многочастотным лазерам, обеспечивающим одновременную стабильную генерацию на нескольких длинах волн (частотах), что очень важно для многих практических применений. Настоящее изобретение может найти применение в метрологии с использованием гетеродинного эффекта, компактных спектроскопических сенсоров, включая носимые устройства, когерентных лидарах, оптической передаче данных и т.д.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существуют различные подходы к стабилизации частоты лазера и сужению лазерного спектра, включая подходы, в которых используется затягивание частоты лазера высокодобротным микрорезонатором, которые можно считать известными аналогами настоящего изобретения. Кроме того, специалисты смогут получить представление о физических принципах и/или конкретных материальных и технических средствах, лежащих в основе настоящего изобретения, из ряда источников информации, представленных ниже.
-4
Общий подход к пассивной стабилизации частоты лазера и сужению лазерного спектра состоит в использовании резонансной оптической обратной связи от внешнего оптического элемента. Различные возмущения, такие как изменение температуры и вибрация, могут вызывать колебания длины волны, уровня мощности и оптической фазы лазера. Более стабильный внешний оптический элемент, обеспечивающий спектрально-селективную оптическую обратную связь, такой как дифракционная решетка [1], высокодобротный резонатор Фабри-Перо (ФП) [2] или их комбинация, позволяет обеспечить сужение лазерного спектра и стабильную частоту лазерной генерации. При использовании высокодобротного резонатора стабилизированный лазер излучает гораздо выше порога генерации, и оптимальная стабилизация частоты достигается при слабой оптической обратной связи (<10). Метод оптической обратной связи от внешнего высокодобротного резонатора позволяет получить более высокую выходную мощность и лучшую кратковременную стабильность, чем стабилизация с использованием дифракционной решетки. Однако высокодобротные резонаторы ФП, успешно используемые для многих применений лазерной стабилизации, являются сравнительно громоздкими и используются только в лабораториях. Кроме того, высокоточные зеркальные покрытия предназначены для одного узкого диапазона длины волны.
Другим подходом к стабилизации частоты лазера и сужению спектра является внедрение компактных высокодобротных кристаллических МШГ-микрорезонаторов [3]. Компактные кольцевые резонаторы имеют характерный размер 0,1-10 мм и могут обладать сверхвысокой добротностью от ультрафиолетовой области спектра (УФ) до средней инфракрасной области (СИК). Оптическая обратная связь от высокодобротного кристаллического МШГ-микрорезонатора основана на резонансном рэлеевском рассеянии в результате неоднородностей поверхности резонатора: некоторая часть излучения отражается обратно в лазер, когда частота лазерного излучения согласована с частотой моды резонатора. Иными словами, спектрально селективная часть лазерного излучения, самоинжектированная обратно в лазер, затягивает его частоту генерации. Этот процесс, названный «затягивание частоты генерации лазера», обеспечивает быструю оптическую обратную связь и приводит к значительному сужению лазерного спектра. На сегодняшний день имеются сообщения о достижении сужения ширины линии и стабилизации частоты различных типов лазеров, включая квантовые каскадные лазеры [4] и лазеры с распределенной обратной связью (РОС) [5], посредством затягивания частоты генерации лазера МШГ-микрорезонатором, и фактически продемонстрировано уменьшение ширины линии до уровня ~1 Гц.
2
Затягивание частоты генерации лазера с использованием МШГ-микрорезонаторов в основном применяется для стабилизации частоты и сужения спектра одномодовых лазерных диодов, предварительно стабилизированных решеткой, помещенной в активную среду лазера, например, РОС-лазеров [6], или с использованием любых типов брэгговских отражателей. Основной причиной является лучшая стабильность частоты лазера, когда в пределах ширины полосы усиления лазера находится всего одна мода микрорезонатора, поскольку при создании несколькими модами одинаковой оптической обратной связи может возникнуть нежелательная многомодовая генерация и конкуренция мод. Обычно МШГ-микрорезонаторы со сверхвысокой добротностью имеют большую спектральную плотность резонансных мод, а вышеупомянутые лазеры с предварительной стабилизацией имеют относительно узкую ширину линии, ~ 1-10 МГц, и ограниченную мощность излучения порядка десятков милливатт. Также известно, что кристаллический MgF оптический микрорезонатор с накачкой компактным лазером с распределенной обратной связью (РОС), частота генерации которого затянута оптическим резонатором, обеспечивает компактный источник оптических частотных гребенок [7-9]. Когда РОС-лазер соединен с оптическим МШГ-микрорезонатором посредством призмы полного внутреннего отражения, часть излучения рассеивается обратно в РОС-лазер в результате резонансного рэлеевского рассеяния, вызывая затягивание частоты лазера на частоте выбранной моды оптического микрорезонатора. Этот эффект затягивания частоты лазера приводит к сужению ширины линии лазера на 3-4 порядка по сравнению с шириной линии РОС-лазера в режиме свободной генерации, что необходимо для эффективной передачи излучения из лазера в оптический микрорезонатор и генерации оптической частотной гребенки. Однако более мощные лазеры с узкой шириной линии, необходимые для многих применений, включая когерентные лидары и спектроскопию, требуют последующего усиления, что приводит к потере компактности. Кроме того, РОС-лазеры недоступны на всех требуемых длинах волн, соответствующих конкретным атомно-оптическим переходам. Чтобы решить эту проблему, полупроводниковые оптические усилители (ПОУ), доступные в гораздо более широком диапазоне длин волн, используются для стабилизации в микрорезонаторах с предварительным сужением спектра генерации посредством резонатора с дифракционной решеткой [10]. Конфигурации с двумя резонаторами обычно приводят к сложным устройствам, которые не могут быть компактными.
К другим важным прототипам настоящего изобретения относятся двухчастотные лазеры, необходимые для применения в спектроскопии [11], лидарах [12], голографической интерферометрии [13], оптических терагерцевых источниках [14] и других областях. Во-первых, двухчастотный прибор с широким разнесением (сотни нм) можно реализовать с использованием, например, двухчастотной генерации на двух различных ионах в одном твердотельном лазерном материале или одновременной генерации на двух длинах волн в одном ионе. Традиционно, двухчастотная генерация с небольшой разностью длин волн (до десятков нм) осуществлялась с использованием электрооптической или акустооптической модуляции одночастотного лазерного излучения. Однако такие устройства не очень компактны. На данный момент разработаны различные методы обеспечения работы на двух длинах волн компактной диодной лазерной системы, и их можно разделить на две основные категории: (1) монолитные двухчастотные диодные лазеры и (2) диодные лазерные системы на основе различных методов обратной связи от внешнего резонатора. Монолитные двухчастотные диодные лазеры демонстрируют стабильную работу на двух длинах волн, однако имеют ограниченный диапазон подстройки разности частот двух длин волн, и выходная мощность обычно составляет менее 500 мВт. В методах обратной связи от внешнего резонатора использовались различные селективные по частоте элементы, например, объемные дифракционные решетки для методов с внешними резонаторами с конфигурацией типа «двойной Литтман» и «двойной Литтров», двухволоконная брэгговская решетка, двухпериодный голографический элемент и одночастотные объемные брэгговские решетки или монолитная мультиплексная брэгговская решетка. Усиливающая среда в двухчастотной диодной лазерной системе с внешним резонатором обычно представляет собой одномодовый диодный лазер с гребешковым волноводом, поэтому выходная мощность этих лазерных систем обычно составляет несколько сотен милливатт.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Принимая во внимание изложенные выше технические проблемы, предлагаемое изобретение будет далее описано в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на описание и чертежи, представленные ниже.
Данное краткое изложение сущности изобретения предшествует подробному описанию конкретных примерных вариантов осуществления, чтобы дать общее представление аспектов заявленного изобретения, которые будут дополнительно объясняться ниже, и никоим образом не предназначено для определения или ограничения объема настоящего изобретения каким-либо образом.
Задачей настоящего изобретения является предоставление компактного прибора на основе лазера с множеством продольных мод, стабилизированного высокодобротным микрорезонатором, для обеспечения одной или нескольких мощных узких лазерных линий, обычно имеющих ширину линии примерно 1 кГц или менее, а в некоторых случаях одной или нескольких параметрически генерируемых оптических частотных гребенок.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение мощности излучения лазерной генерации с узкой шириной линии без дополнительного усиления, сохраняя при этом компактный размер прибора с ограниченным числом оптических элементов. Повышение мощности излучения является результатом использования лазеров с множеством продольных мод широкого спектра, которые намного мощнее, чем традиционно используемые РОС-лазеры, стабилизированные МШГ-микрорезонатором для сужения спектра и генерации оптических частотных гребенок. В данном случае в отличие от лазерного прибора, упомянутого в [6], конкуренция продольных мод при условии резонансной оптической обратной связи приводит к эффективному перераспределению мощности лазера в пользу одной или нескольких узких лазерных линий на резонансных частотах высокодобротного микрорезонатора. Кроме того, настоящее изобретение позволяет получить более компактный и мощный двухчастотный или даже многочастотный лазерный прибор с генерацией узких линий, имеющий по меньшей мере один внешний высокодобротный резонатор. Также настоящее изобретение позволяет получить компактный мощный источник одной или нескольких параметрически генерируемых оптических частотных гребенок за счет использования упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора.
В одном аспекте настоящего изобретения лазерный прибор содержит по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод; по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор, связанный оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод; узел подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту; причем лазерный прибор выполнен с возможностью вывода выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты, и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.
Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, причем лазерный прибор дополнительно выполнен с возможностью получения по меньшей мере одной оптической частотной гребенки, и причем каждая из упомянутой по меньшей мере одной оптической частотной гребенки параметрически генерируется одной из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки генерации оптической частотной гребенки.
Согласно одному варианту осуществления узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью как изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и изменения частоты каждой из отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод.
Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен с обеспечением оптической обратной связи с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод посредством генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты.
Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод представляет собой электрически запитываемый полупроводниковый лазерный диод.
Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод и упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнены на одном кристалле с использованием микролитографии.
Согласно другому варианту осуществления узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления током инжекции упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод и/или температурой активной среды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности.
Согласно еще одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод связан оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором посредством передачи излучения, рассеянного в упомянутом по меньшей мере одном высокодобротном микрорезонаторе, обратно в упомянутый меньшей мере один лазер с множеством продольных мод.
Согласно одному варианту осуществления один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод связан/связаны оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через элемент связи.
Согласно одному варианту осуществления элемент связи представляет собой призму полного внутреннего отражения или коническое оптическое волокно или волновод.
Согласно другому варианту осуществления один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора снабжен/снабжены дополнительным элементом связи.
Согласно одному варианту осуществления дополнительный элемент связи выполнен с возможностью вывода одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод, генерируемых в упомянутом одном или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, или упомянутой одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод и одной или нескольких оптических частотных гребенок, генерируемых в упомянутом одном или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра.
Согласно другому варианту осуществления упомянутая по меньшей мере одна оптическая частотная гребенка является диссипативной солитонной керровской оптической гребенкой.
Согласно еще одному другому варианту осуществления узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью подстройки резонансных частот высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора посредством как изменения разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и изменения резонансной частоты каждой из высокодобротных мод.
Согласно другому варианту осуществления узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления температурой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора и/или внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.
Согласно еще одному другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор изготовлен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на электромагнитное поле, прикладываемое к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, и причем узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.
Согласно еще одному другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор представляет собой МШГ-микрорезонатор.
Во втором аспекте изобретения способ преобразования лазерного спектра содержащий генерацию по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод; подстройку спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, связанного оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту; вывод выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.
Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, и при этом способ дополнительно содержит параметрическую генерацию по меньшей мере одной оптической частотной гребенки каждой из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки генерации оптической частотной гребенки.
Согласно одному варианту осуществления спектр множества продольных мод подстраивают как посредством изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и посредством изменения частоты каждой из отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод.
Согласно другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен с обеспечением оптической обратной связи с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод путем генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты.
Согласно другому варианту осуществления спектр множества продольных мод подстраивают путем управления током инжекции упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод и/или температурой активной среды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности.
Согласно еще одному другому варианту осуществления упомянутую по меньшей мере одну встречно распространяющуюся моду, передаваемую обратно в упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод, генерируют в результате резонансного рэлеевского рассеяния в упомянутом по меньшей мере одном высокодобротном микрорезонаторе.
Согласно одному варианту осуществления один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод связан/связаны оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через элемент связи.
Согласно одному варианту осуществления элемент связи представляет собой призму полного внутреннего отражения или коническое оптическое волокно или волновод.
Согласно другому варианту осуществления один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора снабжен/снабжены дополнительным элементом связи.
Согласно одному варианту осуществления одну или несколько доминантных продольных лазерных мод или упомянутую одну или несколько доминантных продольных лазерных мод и одну или несколько оптических частотных решеток выводят из одного или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через дополнительный элемент связи, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра.
Согласно другому варианту осуществления резонансные частоты высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора подстраивают как посредством изменения разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и посредством изменения резонансной частоты каждой из высокодобротных мод.
Согласно еще одному другому варианту осуществления способ дополнительно содержит управление температурой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора и/или внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.
Согласно другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор изготовлен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на электромагнитное поле, прикладываемое к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, и при этом способ дополнительно содержит управление электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.
Согласно другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор является МШГ-микрорезонатором.
В третьем аспекте изобретения способ работы лазерного прибора по любому из п.п.1-17, содержащий подстройку спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту; вывод выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Исходя из изложенных выше задачи настоящего изобретения и его аспектов, далее будут подробно описаны конкретные примерные варианты осуществления заявленного изобретения, которые следует рассматривать вместе с прилагаемыми чертежами и которые ни в коей мере не предназначены для определения или ограничения объема изобретения, а только раскрывают конкретные примеры его осуществления. Специалистам будут очевидны другие варианты осуществления, модификации или эквивалентные замены на основе данного описания, и все такие варианты осуществления, модификации и эквивалентные замены считаются включенными в настоящее изобретение.
Чертежи предоставлены исключительно с целью иллюстрации в качестве помощи при чтении и для понимания описания, и их не следует никоим образом рассматривать как определяющие или ограничивающие объем изобретения. На чертежах изображено следующее:
Фиг. 1а показывает один лазер L с множеством продольных мод, соединенный с одним кристаллическим оптическим высокодобротным микрорезонатором М, обеспечивающим распространение высокодобротных мод с использованием элемента связи, такого как призма С полного внутреннего отражения.
Фиг. 1b показывает один лазер L с множеством продольных мод, соединенный с одним оптическим высокодобротным микрорезонатором M с использованием элемента C связи. Дополнительный элемент C2 связи может использоваться для отфильтровывания нерезонансной части генерируемого лазерного излучения.
1
1
N
1
N
Фиг. 2 схематично показывает пример одного лазера L с множеством продольных мод, стабилизированного одновременно несколькими параллельными высокодобротными микрорезонаторами M… M через несколько элементов связи C… C.
1
1
N
1
N
Фиг. 3 схематично показывает другой пример, в котором один лазер L с множеством продольных мод одновременно стабилизирован несколькими последовательными высокодобротными микрорезонаторами M… M через несколько элементов C… C связи.
1
m
1
Фиг. 4 схематично показывает еще один пример, в котором несколько лазеров L… L с множеством продольных мод одновременно стабилизированы одним высокодобротным микрорезонатором M.
1
m
PN
Фиг. 5 показывает пример схемы с несколькими лазерами L… L с множеством продольных мод, одновременно стабилизированными несколькими параллельными и последовательными N˟P высокодобротными микрорезонаторами M.
Фиг. 6а показывает вариант конфигурации узла подстройки.
Фиг. 6b показывает пример схемы измерительного оборудования, используемого для управления преобразованиями спектра.
Фиг. 7 показывает осциллограмму сигнала фотодетектора D с фиг. 1 (сплошная кривая), где частота лазера L с множеством продольных мод колеблется по оси абсцисс, и мощность резонансного обратного рэлеевского рассеяния (пунктирная кривая).
Фиг. 8 показывает пример преобразования спектра множества продольных мод лазера с продольными модами в выходной спектр выходного лазерного излучения, выдаваемого лазерным прибором, причем спектр имеет одну доминантную продольную лазерную моду, когда одна частота отдельной продольной моды согласуется с одной резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора.
Фиг. 9а демонстрирует результат преобразования спектра по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, когда одна частота отдельной продольной моды согласуется с одной резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора.
Фиг. 9b демонстрирует результат преобразования спектра упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, когда две частоты отдельных продольных мод согласуются с двумя резонансными частотами по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора.
Фиг. 9с демонстрирует результат преобразования спектра упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, когда четыре частоты отдельных продольных мод согласуются с четырьмя резонансными частотами по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора.
Фиг. 10а показывает результат преобразования спектра лазера с множеством продольных мод, стабилизированного высокодобротным микрорезонатором из фторида магния с генерацией одной доминантной продольной лазерной моды.
Фиг. 10b показывает пример оптического спектра параметрически сгенерированной оптической частотной гребенки в случае, показанном на фиг. 9а.
Фиг. 11а показывает оптический спектр двух одновременно сгенерированных оптических частотных гребенок (синие и красные кривые на фиг. 11а) в случае, когда лазер с множеством продольных мод стабилизирован высокодобротным микрорезонатором из фторида магния с генерацией двух доминантных продольных лазерных мод, осуществляющих накачку параметрически генерируемых частотных гребенок.
Фиг. 11b показывает радиочастотный спектр биения узких мод гребенок.
Фиг. 12а схематично демонстрирует вид сверху лазерного прибора с по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод и по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, выполненными на одном кристалле с помощью микролитографии.
Фиг. 12b схематично демонстрирует вид сбоку лазерного прибора с фиг. 12а.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение было создано с учетом ряда известных решений, продемонстрированных выше, и направлено, в частности, на устранение и/или смягчение по меньшей мере некоторых недостатков этих известных решений. В частности, варианты осуществления заявляемого изобретения, перечисленные выше, предусматривают лазерный прибор, содержащий по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод; по меньшей мере один оптический высокодобротный микрорезонатор, обеспечивающий распространение высокодобротных мод и связанный оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод, и узел подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Лазерный прибор выполнен с возможностью выдавать выходное лазерное излучение, имеющее преобразованный спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной моды. Кроме того, варианты осуществления заявленного изобретения предусматривают способ работы лазерного прибора.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные примерные варианты осуществления не следует ни в коем случае истолковывать как определяющие или ограничивающие объем заявляемого изобретения, и что специалистами могут быть предусмотрены другие материальные и технические средства, эквивалентные или явно аналогичные перечисленным ниже, для выполнения различных операций, функций, этапов способа и т.п., описанных ниже. Настоящее подробное описание не предназначено для определения или ограничения объема заявляемого изобретения, которое следует определять только посредством ссылки на прилагаемую формулу изобретения.
5
6
9
8
9
Термин «высокодобротный микрорезонатор», используемый здесь, означает микрорезонатор, поддерживающий распространение волны, содержащий в себе излучение и имеющий характерный размер 0,01-10 мм, часто с около микрометрическим размером локализации светового поля в одном из направлений. Излучение отражается внутри на краях высокодобротного микрорезонатора в форме петли, которая создает серию оптических высокодобротных мод стоячей волны или высокодобротных резонансов, подобных тем, которые могут существовать на вибрирующей гитарной струне. В высокодобротном микрорезонаторе добротность Q высокодобротных мод превышает 10 и обычно составляет около 10-10, предпочтительно 10-10 и выше. В частности, высокодобротные микрорезонаторы могут быть сферическими, тороидальными, дисковыми или микрорезонаторами с любой другой формой высокодобротных мод шепчущей галереи (МШГ) с замкнутой траекторией излучения в полости резонатора, которые обеспечивают распространение мод шепчущей галереи, представляющих собой тип световых волн, которые могут распространяться по вогнутой поверхности. Моды шепчущей галереи, обнаруженные первоначально для звуковых волн в шепчущей галерее собора Святого Павла в Лондоне, могут существовать для световых и других волн. В другом частном случае высокодобротный микрорезонатор может представлять собой интегрированный резонатор различных конфигураций с замкнутой траекторией света вдоль волновода, позволяющей распространение высокодобротных специфических волноводных мод. Альтернативно, высокодобротные микрорезонаторы могут представлять собой линейный резонатор Фабри-Перо с замкнутым отрезком светового пути, равным удвоенной длине продольного резонатора, умноженной на показатель преломления материалов резонатора. В данном описании термины «микрорезонатор с высокой добротностью» и «высокодобротный микрорезонатор» используются в одном и том же значении и могут использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста. Термины «высокодобротная мода», «мода с высокой добротностью» используются в одном и том же значении для высокодобротной моды, которая распространяется в высокодобротном микрорезонаторе, и могут также использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста.
2
В настоящем изобретении первое усовершенствование уровня техники заключается в увеличении мощности генерации излучения с узкой линией без дополнительного усиления, что позволяет получить прибор компактного размера с ограниченным числом оптических элементов. Увеличение мощности является результатом использования полупроводниковых лазеров с широким спектром излучения и с множеством продольных мод, которые намного мощнее, чем традиционно используемые полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (РОС), стабилизированные МШГ-микрорезонатором. Известно, что одномодовый РОС-лазер, имеющий характерную спектральную ширину 1-10 МГц, связанный с МШГ-микрорезонатором из фторида магния, обеспечивает лазерную генерацию с узкой (<1 кГц) шириной линии благодаря резонансной оптической обратной связи, создаваемой рэлеевским рассеянием в микрорезонаторе, выводимом обратно в РОС-лазер [5]. Также хорошо известен компактный источник оптической частотной гребенки, в котором кристаллический MgF оптический МШГ-микрорезонатор накачивается компактным лазером с распределенной обратной связью (РОС), который стабилизирован оптическим резонатором [7-9]. Когда РОС-лазер связан с оптическим МШГ-микрорезонатором через призму полного внутреннего отражения, часть света рассеивается обратно в РОС-лазер в результате резонансного рэлеевского рассеяния, вызывая затягивание частоты лазера на частоте выбранной оптической моды МШГ-микрорезонатора. Этот эффект затягивания частоты генерации лазера приводит к сужению ширины линии лазера на 3-4 порядка по сравнению с шириной линии РОС-лазера в режиме свободной генерации (1-10 МГц), что необходимо для эффективной передачи света из лазера в оптический МШГ-микрорезонатор и генерации оптической частотной гребенки.
Существующие РОС-лазеры имеют мощность излучения, ограниченную 50 мВт, и ограниченный рабочий спектральный диапазон. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обычный более мощный лазер с множеством продольных мод, также известный как лазер Фабри-Перо, связанный с высокодобротным микрорезонатором, аналогичным образом обеспечивает генерацию узкой линии излучения, но с повышенной мощностью. Генерация узкой линии излучения большой мощности может обеспечить параметрически генерируемую оптическую частотную гребенку высокой мощности. Лазер с множеством продольных мод содержит оптический резонатор Фабри-Перо, обычно содержащий два плоскопараллельных зеркала или два вогнутых зеркала и активную среду, заключенную внутри резонатора. Выходной спектр лазера имеет ширину, определяемую полосой усиления активной среды лазера, заполненной спектральными линиями, разнесенными на фиксированную частоту, обратно пропорциональную длине резонатора Фабри-Перо. Ширина спектральных линий зависит от отражательной способности зеркал резонатора Фабри-Перо. В данном описании термины «множество продольных мод» или «лазерные спектральные линии» имеют одно и то же значение и могут использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста. В контексте настоящей заявки термин «лазерная спектральная линия» подразумевает линию лазерной генерации отдельной продольной моды.
Авторы обнаружили, что для получения стабильной лазерной одночастотной генерации узкой линии в лазерных диодах не требуются первоначальный предварительный выбор мод и предварительная стабилизация, и высокодобротный микрорезонатор также может эффективно справиться с этими задачами. Следовательно, можно использовать более простые и дешевые лазерные диоды Фабри-Перо (ФП) большей мощности. Например, спектр обычного полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона с краевым излучением имеет спектральные линии шириной 20-40 МГц, разнесенные на частоту 15-40 ГГц в спектральном диапазоне шириной 10-20 нм. В одном аспекте вариантов осуществления настоящего изобретения, если такой лазер соединен с высокодобротным микрорезонатором, а частота одной из отдельных продольных мод лазера согласована с одной из резонансных частот высокодобротного микрорезонатора, на этой согласованной частоте происходит резонансная оптическая обратная связь от высокодобротного микрорезонатора. Далее, конкуренция продольных мод в условиях резонансной оптической обратной связи приводит к эффективному перераспределению мощности лазера в пользу одной доминантной продольной лазерной моды на согласованной частоте и уменьшению ее ширины линии вплоть до ширины линии резонансной моды микрорезонатора. Используемые в данном контексте термины «доминантные продольные лазерные моды» и «спектрально узкие лазерные линии» имеют одно и то же значение и могут использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста. В контексте настоящей заявки термин «спектрально узкая лазерная линия» означает линию генерации доминантной продольной лазерной моды, ширина линии которой уменьшена до ширины резонансной моды микрорезонатора благодаря взаимодействию с высокодобротным микрорезонатором.
В контексте настоящей заявки термины «согласование», «согласованная частота» означают следующее. Обычно ширина отдельной продольной моды (20-40 МГц) намного шире, чем ширина резонансной моды микрорезонатора (100 кГц-1 МГц). Поэтому при подстройке лазерного спектра необходимо получить область наложения спектральной кривой отдельной продольной моды со спектральной кривой резонансной моды микрорезонатора в частотной области. При этом для обеспечения оптической обратной связи от микрорезонатора будет достаточно части лазерной мощности отдельной продольной моды, соответствующей области наложения. В этом случае упомянутая согласованная частота соответствует резонансной частоте микрорезонатора, а центр спектральной кривой отдельной продольной моды и центр спектральной кривой резонансной моды микрорезонатора могут не совпадать в частотной области и могут быть просто близки друг к другу. Обычно «согласование» может быть достигнуто, когда резонансная частота микрорезонатора находится на склоне спектральной кривой отдельной продольной моды. Очевидно, что возможны и другие относительные положения спектральных кривых отдельных продольных мод и спектральных кривых резонансных мод микрорезонатора, соответствующие их согласованию и обеспечивающие различные степени оптической обратной связи от микрорезонатора. Уровни степеней обратной связи нескольких одновременно стабилизированных отдельных продольных мод существенно влияют на их конкуренцию и перераспределение лазерной мощности в пользу одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод. Доминантные продольные лазерные моды соответствуют продольным лазерным модам на согласованных частотах, где их амплитуды мощности в несколько раз превышают амплитуды ближайших соседних мод или боковых мод в результате конкуренции мод. Кроме того, боковые моды подавляются в результате перераспределения лазерной мощности в пользу доминантных продольных мод. Степень доминирования моды обычно характеризует коэффициент подавления боковой моды (КПБМ), который представляет собой отношение амплитуды доминантной моды к амплитудам ближайших боковых мод. В соответствии с настоящим изобретением, КПБМ для стабилизированных мод, как правило, находится в диапазоне 30-60 дБ, предпочтительно в диапазоне 40-60 дБ. Например, 40 дБ часто обеспечивает достаточную степень доминирования моды для целей данного изобретения.
В настоящем изобретении, поскольку обычные лазеры с множеством продольных мод намного мощнее (до 500 мВт в непрерывном режиме), чем РОС-лазеры, результирующая мощность генерации узкой линии увеличивается, и также увеличивается мощность потенциально генерируемой оптической частотной гребенки. Так как полупроводниковые лазеры Фабри-Перо охватывают более широкий спектральный диапазон, чем РОС-лазеры, можно получить генерацию узкой линии, используя связь с высокодобротным микрорезонатором на любой оптической частоте, необходимой для конкретного применения.
Второе усовершенствование уровня техники с лазером с множеством продольных мод, стабилизированным высокодобротным микрорезонатором, заключается в возможности одновременной выдачи нескольких доминантных продольных лазерных мод, когда несколько частот нескольких продольных мод лазера с множеством продольных мод одновременно согласованы с несколькими резонансными частотами высокодобротного микрорезонатора. Это позволяет получить прибор компактного размера, содержащий всего один лазер с множеством продольных мод и один высокодобротный микрорезонатор, выступающий в качестве внешнего резонатора, в частности, позволяет создать наиболее компактный и мощный двухчастотный или даже многочастотный лазерный прибор со стабилизированными частотами и уменьшенной шириной линии.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 1а, лазер L с множеством продольных мод связаноптической обратной связью с кристаллическим оптическим высокодобротным микрорезонатором М через элемент связи С, такой как призма связи с полным внутренним отражением. Высокодобротный микрорезонатор М обеспечивает распространение циркулирующих высокодобротных мод. В частном случае высокодобротный микрорезонатор M может представлять собой высокодобротный МШГ-микрорезонатор, обеспечивающий распространение циркулирующих мод шепчущей галереи (МШГ). Лазер генерирует лазерное излучение 1, имеющее спектр множества продольных мод. Лазерный прибор имеет узел TU подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения 1, генерируемого лазером L с множеством продольных мод. Узел TU подстройки выполнен с возможностью как изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и изменения частоты каждой из отдельных продольных мод лазера L для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды лазера L с соответствующей (в частотной области) резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора М, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Например, если «по меньшей мере одна», использованная в фразе «каждая из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды», равна единице, это означает, что каждая из одной частоты одной отдельной продольной моды лазера L с множеством продольных мод согласована с одной соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора. В этом случае одну согласованную частоту получают для одной пары частот. Если «по меньшей мере одна», использованная в фразе «каждая из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды», равна трем, это означает, что каждая из трех частот трех отдельных продольных мод лазера L с множеством продольных мод согласована с соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора. В этом случае получают три согласованные частоты для трех пар частот, где первая частота первой отдельной продольной моды согласована с первой резонансной частотой, вторая частота второй отдельной продольной моды согласована со второй резонансной частотой, третья частота третьей отдельной продольной моды согласована с третьей резонансной частотой. Если «по меньшей мере одна», используемая во фразе «каждая из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды», равна N, это означает, что N частот N отдельных продольных мод лазера L с множеством продольных мод согласовано с N соответствующих резонансных частот высокодобротного микрорезонатора, где N - число, равное или больше 1. В этом случае получают N согласованных частот для N пар частот, где 1-я частота 1-й отдельной продольной моды согласована с 1-й резонансной частотой, 2-я частота 2-й отдельной продольной моды согласована со 2-й резонансной частотой,..., N-я частота N-й отдельной продольной моды согласована с N-й резонансной частотой.
Высокодобротный микрорезонатор M обеспечивает оптическую обратную связь с упомянутым по меньшей мере с одним лазером с множеством продольных мод посредством генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды (см. «мода-s» на фиг. 1a), каждая из которых на одной из по меньшей мере одной согласованной частоты. В некоторых вариантах осуществления, когда высокодобротный микрорезонатор M представляет собой МШГ-микрорезонатор с высокой добротностью, высокодобротный микрорезонатор M обеспечивает оптическую обратную связь с упомянутым по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод, посредством генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды шепчущей галереи (МШГ), причем каждая на одной из по меньшей мере одной согласованной частоты. Упомянутая по меньшей мере одна встречно распространяющаяся мода (мода-s) передается обратно в лазер L с множеством продольных мод. Лазерное излучение 2, поступающее на фотодетектор D, объединяет излучение, поступившее из высокодобротного микрорезонатора M через призму C связи с полным внутренним отражением, и лазерное излучение 1, не переданное в высокодобротный микрорезонатор M. Упомянутая по меньшей мере одна встречно распространяющейся мода (мода-s), переданная обратно в лазер L с множеством продольных мод в форме световой волны (волн) S, обеспечивается благодаря резонансному рэлеевскому рассеянию в высокодобротном микрорезонаторе М. При условии резонансной оптической обратной связи мощность лазера L с множеством продольных мод эффективно перераспределяется за счет конкуренции продольных мод в пользу по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, причем каждая на одной из по меньшей мере одной согласованной частоты. При этом лазерный прибор выполнен с возможностью выдавать выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой с уменьшенной шириной этой по меньшей мере одной доминантной продольной моды (по сравнению с соответствующей отдельной продольной модой лазера). Например, если было получено пять согласованных частот, в выходном спектре будет присутствовать пять доминантных продольных лазерных мод. В общем, вместо призмы полного внутреннего отражения можно использовать элемент C связи другого типа, такой как коническое оптическое волокно или волновод, как схематически показано на фиг. 1a. Вариант конического оптического волокна или волновода, соединенного с одной стороны с одним или несколькими лазерами с множеством продольных мод, также позволяет осуществлять связь одновременно с одним или несколькими микрорезонаторами. Например, коническое оптическое волокно можно соединить его узкой частью одновременно с двумя тороидальными микрорезонаторами с противоположных сторон. Волновод, установленный на одном и том же полупроводниковом кристалле с микрорезонаторами, можно соединить одновременно с тремя или более микрорезонаторами, расположенными на расстоянии менее длины волны от него.
1
1
N
1
N
1
1
N
1
1
2
3
1
1
1
2
1
3
1
N
1
1
2
3
1
3
2
1
1
N
1
1
1
2
3
1
На фиг. 2 схематически показан пример одного лазера L с множеством продольных мод, одновременно стабилизированного несколькими параллельными высокодобротными микрорезонаторами M… M, предпочтительно, МШГ-микрорезонаторами, через несколько элементов C… Cсвязи. Лазерное излучение 1, имеющее спектр множества продольных мод, разделяется так, что каждый высокодобротный микрорезонатор принимает лазерное излучение 1. Узел TU подстройки (не показан) подстраивает спектр множества продольных мод лазерного излучения 1 для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды лазера L с множеством продольных мод с резонансными частотами нескольких высокодобротных микрорезонаторов M… M, чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Например, можно получить четыре согласованные частоты для одного лазера L и трех высокодобротных микрорезонаторов M, M, M, при этом первую согласованную частоту можно получить для лазера L и высокодобротного микрорезонатора M, вторую и третью согласованные частоты - для лазера L и высокодобротного микрорезонатора M, четвертую согласованную частоту - для лазера L и высокодобротного микрорезонатора M. Также возможны другие комбинации. Каждый высокодобротный микрорезонатор M… M обеспечивает генерацию одной или нескольких встречно распространяющихся мод, причем каждой на одной из по меньшей мере одной согласованной частоты. В частности, как отмечалось выше для примера с одним лазером L и тремя высокодобротным микрорезонаторами M, M, M, каждый из высокодобротных микрорезонаторов M и M генерирует одну встречно распространяющуюся моду, а высокодобротный микрорезонатор M генерирует две встречно распространяющиеся моды на соответствующих согласованных частотах. Упомянутая одна или несколько встречно распространяющихся мод (мода-s) передаются обратно в лазер L с множеством продольных мод в форме световой волны (волн) S… S, что обеспечивает оптическую обратную связь и перераспределение мощности лазера L с множеством продольных мод в пользу по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, причем каждая на одной из согласованных частот и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды. В частности, как отмечалось выше для примера с одним лазером L и тремя высокодобротными микрорезонаторами M, M, M, мощность лазера L с множеством продольных мод может быть перераспределена в пользу четырех доминантных продольных лазерных мод с уменьшенными ширинами.
1
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
1
N
На фиг. 3 показан схематически другой пример, в котором лазер L с множеством продольных мод одновременно стабилизирован несколькими последовательными высокодобротными микрорезонаторами M… M, предпочтительно МШГ-микрорезонаторами, через несколько элементов C… Cсвязи. Каждый высокодобротный микрорезонатор M… M связан с шинным волноводом и принимает лазерное излучение 1, имеющее спектр множества продольных мод. Узел TU подстройки (не показан) подстраивает спектр множества продольных мод лазерного излучения 1 для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды с соответствующей резонансной частотой высокодобротной моды нескольких высокодобротных микрорезонаторов M… M для получения по меньшей мере одной согласованной частоты. Каждый высокодобротный микрорезонатор M… M обеспечивает генерацию одной или нескольких встречно распространяющихся мод, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты. Световая волна (волны) S… S, резонансно рассеянная обратно от высокодобротного микрорезонатора M… M, обеспечивает оптическую обратную связь и перераспределение мощности лазера L с множеством продольных мод в пользу одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды. Каждая световая волна (волны) S… S может находиться в резонансе только с одним высокодобротным микрорезонатором для исключения их взаимодействия.
1
m
1
1
1
1
1
1
2
3
1
1
1
2
1
3
1
1
1
2
3
На фиг. 4 схематично показан еще один вариант осуществления, в котором несколько лазеров L… L с множеством продольных мод одновременно стабилизированы одним высокодобротным микрорезонатором M, предпочтительно одним МШГ-микрорезонатором. Лазерное излучение 1 объединяется и передается в высокодобротный микрорезонатор M через элемент C связи. Высокодобротный микрорезонатор M принимает лазерное излучение 1, имеющее спектр множества продольных мод. Узел TU подстройки (не показан) подстраивает спектр множества продольных мод лазерного излучения 1 для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды с соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора M, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Например, можно получить три согласованные частоты для трех лазеров L, L, L и одного высокодобротного микрорезонатора M, при этом первую согласованную частоту можно получить для лазера L и высокодобротного микрорезонатора M, вторую согласованную частоту можно получитьдля лазера L и высокодобротного микрорезонатора M и третью согласованную частоту можно получить для лазера L и высокодобротного микрорезонатора M. Световая волна (волны) S1, резонансно рассеянная обратно от высокодобротного микрорезонатора M на согласованных частотах, обеспечивает оптическую обратную связь с каждым из лазеров и перераспределение мощности каждого из лазеров L, L, L с множеством продольных модам в пользу соответствующих доминантных продольных лазерных мод на согласованных частотах и с уменьшенной шириной.
1
m
PN
PN
PN
1
m
PN
PN
PN
1
m
На фиг. 5 показана схема более общего случая другого варианта осуществления изобретения, в котором лазеры L… L с множеством продольных мод одновременно стабилизированы несколькими параллельными и последовательными высокодобротными микрорезонаторами M, предпочтительно МШГ-микрорезонаторами, через элементы C связи. Как и в предыдущих вариантах осуществления, каждый из высокодобротных микрорезонаторов M принимает лазерное излучение 1 от лазеров L… L с множеством продольных мод, имеющих спектр множества продольных мод. Узел TU подстройки (не показан) подстраивает спектр множества продольных мод лазерного излучения 1 для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды с соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора M, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Резонансное обратное рассеяние S от высокодобротного микрорезонатора M на упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоте обеспечивает оптическую обратную связь и перераспределение мощности каждого из лазеров L… L с множеством продольных мод в пользу соответствующих доминантных продольных лазерных мод, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.
1
1
N
1
N
Настоящее изобретение не ограничено вариантами, показанными на фиг. 1-5. Возможны также другие конфигурации, основанные на комбинациях одного или нескольких вариантов с фиг. 2-4. Например, лазерный прибор может включать в себя несколько параллельных компонентов, как показано на фиг. 2, каждый из которых содержит лазер L с множеством продольных мод, одновременно стабилизированный несколькими последовательными высокодобротными микрорезонаторами M… M через несколько элементов C… C связи, как показано на фиг. 3. Кроме того, элемент C связи может быть выполнен в виде конического оптического волокна или волновода. В этом случае, как пояснялось выше, один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод может быть связан оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через один из упомянутых элементов связи.
В одном варианте осуществления узел TU подстройки (см. фиг. 1a) может включать в себя несколько подузлов TL и TM, каждый из которых может быть связан с каждым из упомянутого по меньшей мере одного лазера (L) и упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора (M) или может быть выполнен как единый узел, связанный с каждым из упомянутого по меньшей мере одного лазера и упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора. Возможны также другие конфигурации узла TU подстройки. Узел подстройки может быть выполнен с возможностью управления параметрами упомянутого по меньшей мере одного лазера, в частности, током инжекции и/или температурой активной среды упомянутого по меньшей мере одного лазера. Предпочтительно, узел подстройки может быть выполнен с возможностью управления этими параметрами каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности. Кроме того, узел подстройки может быть выполнен с возможностью управлять параметрами упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, в частности его температурой, внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору в случае, если последний изготовлен из электрооптического материала. Предпочтительно, узел подстройки может быть выполнен с возможностью управления этими параметрами каждого из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности. Узел подстройки может быть снабжен или связан с таким измерительным оборудованием, как датчики температуры, датчики давления, датчики электромагнитного поля, регуляторы тока, которые используются при подстройке спектра. Узел подстройки может дополнительно осуществлять связь с измерительным оборудованием для управления преобразованиями спектра, таким как фотодетекторы, анализаторы оптического спектра, анализаторы электрического спектра, осциллографы и их аналоги, лазеры с эталонной узкой шириной линии для измерения ширины доминантных продольных мод, и так далее. Узел TU подстройки также может быть подключен или содержать управляющее оборудование, такое как нагревательные элементы, регуляторы тока, прижимные пьезокерамические элементы, радиочастотные антенны или конденсаторные пластины и волноводы, соединенные с упомянутым по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором и подающие на него внешнее электромагнитное поле для изменения его резонансных частот. Это измерительное и управляющее оборудование может быть выполнено с возможностью измерения и изменения вышеупомянутых параметров упомянутого по меньшей мере одного лазера и/или упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора. В одном варианте осуществления узел подстройки может дополнительно содержать процессор, выполненный с возможностью обеспечения аналитической обратной связи между измерительным и управляющим оборудованием для подстройки спектра множества продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера и/или для подстройки спектра резонансных частот высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора для получения согласованных частот. Процессор может быть функционально связан с компьютерной системой управления, которая может быть запрограммирована на управление узлом подстройки заданным образом, чтобы оптимизировать его работу.
В одном варианте, показанном на фиг. 1a, в котором лазерный прибор содержит один лазер L и один высокодобротный микрорезонатор M, узел TU подстройки может быть выполнен, как показано на фиг. 6a. Этот узел TU подстройки может содержать два подузла TL, TM, связанных с лазером L и высокодобротным микрорезонатором M, соответственно, для управления их параметрами, как описывалось выше.
2
На фиг. 6b показан конкретный пример части схемы измерительного оборудования, используемого для управления преобразованиями спектра. Лазерное излучение от диодного лазера L на основе фосфида индия (InP) с множеством продольных мод коллимируется с помощью линзы «Линза» (первая по ходу пучка лазера на фиг. 6b) и передается в высокодобротный микрорезонатор M из фторида магния (MgF) через элемент C связи, такой как стеклянная призма связи с полным внутренним отражением. Излучение, подвергшееся резонансному обратному рэлеевскому рассеянию, возвращается в диодный лазер L с множеством продольных мод и вызывает затягивание частоты лазера резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора M. Выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр, коллимируется в одномодовом волокне с помощью двух линз (вторая Линза» и третья «Линза» по ходу лазерного пучка на фиг. 6b) и анализируется анализатором OSA оптического спектра на фотодиоде PD с осциллографом OSC и быстродействующим фотодиодом FPD с анализатором ESA электрических характеристик. Для равномерного разделения выходного лазерного сигнала между OSA и ESA используется светоразделитель 50/50. Чувствительный осциллограф OSC принимает 1% энергии лазера, предназначенной для OSA, с использованием светоделителя 99/1. Частота повторения солитонных импульсов контролируется быстрым фотодиодом FPD и анализатором ESA электрического спектра. Отстройка лазерной частоты от оптического резонанса контролируется на фотодиоде PD с помощью осциллографа OSC. Для измерения ширины гетеродинной линии используется перестраиваемый волоконный лазер FL с узкой линией.
В одном из конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения подузел TL узла TU подстройки (показанный на фиг. 1a, 6a, b) принимает данные, измеренные датчиком 1 тока и/или датчиком 2 температуры, и посылает их в процессор P. Подузел TM узла TU подстройки принимает данные, измеренные датчиком 8 давления, датчиком 9 температуры и/или датчиком 10 электромагнитного поля, и посылает их в процессор P. Процессор P может быть также выполнен с возможностью связи с анализатором OSA оптического спектра, фотодиодом PD с осциллографом OSC, быстрым фотодиодом FPD с анализатором ESA электрического спектра и эталонным лазером FL с узкой линией генерации для управления преобразованиями спектра, например, для измерения ширины доминантной продольной моды в режиме затягивания частоты генерации лазера. Процессор P обеспечивает аналитическую обратную связь между измерительным и управляющим оборудованием. Например, процессор P посылает управляющий сигнал в контроллер 3 тока, чтобы изменить ток инжекции связанного с ним лазера L с множеством продольных мод, и/или процессор P посылает управляющий сигнал в нагревательный элемент 4, чтобы изменить температуру лазерной активной среды связанного с ним лазера L с множеством продольных мод, в целях подстройки спектра лазера L с множеством продольных мод для получения одной или нескольких согласованных частот. Процессор P посылает управляющий сигнал в прижимной пьезокерамический элемент 5 для изменения давления, прикладываемого к связанному с ним высокодобротному микрорезонатору M, и/или процессор P посылает управляющий сигнал в нагревательный элемент 6 для изменения температуры связанного с ним высокодобротного микрорезонатора M с целью подстройки спектра высокодобротных мод по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М для получения согласованных частот. Кроме того, если высокодобротный микрорезонатор M изготовлен из электрооптического материала, процессор P посылает управляющий сигнал в регулятор 7 электромагнитного поля, чтобы изменить электромагнитное поле, прикладываемое к связанному с ним высокодобротному микрорезонатору M, с целью подстройки спектра высокодобротных мод по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M для получения одной или нескольких согласованных частот. Компьютерная система CCS управления может быть запрограммирована на управление узлом TU подстройки заранее определенным образом, чтобы оптимизировать его работу.
1
1
N
1
m
PN
1
N
В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, узел подстройки может быть выполнен как содержащий один подузел TL, связанный с лазером L с множеством продольных мод, и N подузлов TM, связанных с каждым из высокодобротных микрорезонаторов M… M. В варианте, представленном на фиг. 5, узел подстройки может быть выполнен как содержащий M подузлов TL, связанных с каждым из лазеров L… L с множеством продольных мод, и P*N подузлов TM, связанных с каждым из высокодобротных микрорезонаторов M. Однако возможны и другие конфигурации. Например, в варианте осуществления на фиг. 2 узел подстройки может содержать два подузла TL и TM, при этом подузел TM связан со всеми высокодобротными микрорезонаторами M… M.
В одном конкретном варианте осуществления спектр множества продольных мод лазерного излучения может быть слегка подстроен TL в частотной области путем регулировки тока инжекции лазера, чтобы достичь согласования каждой из одной или нескольких частот отдельных продольных мод по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности, с соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора M посредством узла TU подстройки (см. фиг. 1). На фиг. 7 подстройка спектра множества продольных мод лазерного излучения показана в виде сигнала (сплошная кривая) от фотодетектора D (см. фиг. 1а). Падения пропускания, показанные на сигнале, - это резонансы высокодобротного микрорезонатора. Острые края резонансов обусловлены тем, что частота лазера вытягивается из частоты перестройки, когда лазер стабилизирован модами резонансных частот микрорезонатора. Мощность резонансного рэлеевского обратного рассеяния, распространяющегося в виде встречно распространяющихся мод (мода-s) (как показано на фиг. 1а), которое отвечает за оптическую обратную связь и сужение лазерного спектра при его передаче из высокодобротного микрорезонатора, показана на той же фиг. 7 (пунктирная линия), где мощность рэлеевского обратного рассеяния увеличивается в 100 раз по сравнению с мощностью LD в том же масштабе. Пик мощности резонансного рэлеевского обратного рассеяния соответствует резонансной частоте высокодобротного микрорезонатора, когда частота лазера регулируется током инжекции лазера. Когда ток инжекции лазера не перестраивается и частота одной из продольных мод лазера подстраивается для согласования с резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора, запускается процесс конкуренции продольных мод лазера в условиях резонансной оптической обратной связи.
Результат действия конкуренции мод в условиях оптической обратной связи проиллюстрирован на фиг. 8, где показан пример преобразования спектра лазера ближнего инфракрасного диапазона с множеством продольных мод в режиме свободной генерации (показан слева), содержащего несколько продольных мод в диапазоне от 1535 нм до 1550 нм с интервалом разнесения ~ 0,14 нм (что соответствует ~17 ГГц в частотной области) в выходной спектр, имеющий одну доминантную продольную моду (показана справа). Когда одна частота одной отдельной продольной моды спектра множества продольных мод согласуется с одной резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора, мощность многих продольных мод перераспределяется в пользу одной доминантной продольной лазерной моды, дополнительно суженной высокодобротным микрорезонатором в несколько тысяч раз, мощность которой значительно возрастает (фиг. 8).
В одном варианте осуществления изобретения, когда ток лазерной инжекции не колеблется, спектр множества продольных мод лазерного излучения может быть подстроен узлом TU подстройки посредством изменения температуры активной среды по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности, что приводит к изменению его показателя преломления и, следовательно, к изменению интервала разнесения продольных мод в частотной области и изменению частоты каждой из отдельных продольных мод.
В еще одном варианте осуществления, когда ток инжекции лазера не колеблется, а температура активной среды лазера стабильна, узел TU подстройки может быть выполнен с возможностью подстройки резонансных частот высокодобротных мод по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M, что позволяет дополнительно подстроить по меньшей мере одну согласованную частоту в условиях оптической обратной связи. Узел подстройки способен управлять как интервалом разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и частотой каждой из отдельных высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора посредством управления температурой и/или внешним давлением, прикладываемым к высокодобротному микрорезонатору. Оба варианта приводят к изменению показателя преломления и/или размеров упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности, и, следовательно, к изменению его резонансных частот и/или разнесения высокодобротных мод.
В другом варианте осуществления по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор может быть изготовлен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на прикладываемое электромагнитное поле, и узел TU подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности. Изменение показателя преломления упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора приводит к изменению его резонансных частот, причем узел подстройки способен подстраивать резонансные частоты упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, что позволяет дополнительно подстраивать упомянутую по меньшей мере одну согласованную частоту в условиях оптической обратной связи. В качестве конкретных примеров электрооптических материалов для изготовления высокодобротного микрорезонатора можно назвать ниобат лития и фосфид индия.
На фиг. 9а-9с показаны результаты преобразования спектра по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, когда каждая из одной или одновременно нескольких частот отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера согласована с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора. В случаях, показанных на фиг. 9b и 9с, конкуренция продольных мод в условиях оптической обратной связи обеспечивает одновременную генерацию нескольких узких лазерных линий.
На фиг. 9а показана генерация одной частоты, когда одна частота отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод согласована с одной резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М. В этом случае лазерный прибор выдает выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с одной доминантной продольной лазерной модой. На фиг. 9b показана двухчастотная генерация, когда две частоты отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод согласуются с двумя резонансными частотами упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М. В этом случае лазерный прибор выдает выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с двумя доминантными продольными лазерными модами. Фиг. 9c демонстрирует пример четырехчастотной лазерной генерации, при которой четыре частоты отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод согласуются с четырьмя резонансными частотами упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M. В этом случае лазерный прибор выдает выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с четырьмя доминантными продольными лазерными модами. Как пояснялось выше, мощность упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод перераспределяется в пользу одной или нескольких узких лазерных линий в результате конкуренции мод в условиях резонансной оптической обратной связи.
В вариантах осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных на фиг. 9b-9c, несколько отдельных продольных мод спектра множества продольных мод преобразуются в несколько доминантных продольных мод с уменьшенной шириной доминантных продольных лазерных мод в результате оптической обратной связи упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с упомянутым по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором и подстройки спектра множества продольных мод для согласования каждой из нескольких частот отдельных продольных мод с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить несколько согласованных частот. Такие варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают большую гибкость нескольких генераций с узкой линией на разных частотах, требуемых для конкретных применений, поскольку генерация нескольких узких лазерных линий может относиться к различным лазерам с множеством продольных мод и различным высокодобротным микрорезонаторам, как показано выше на фиг. 2-5. Это позволяет спроектировать выходной спектр, состоящий из узких лазерных линий на произвольных частотах, требуемых для конкретных применений, путем соответствующего выбора лазеров с множеством продольных мод и высокодобротных микрорезонаторов с определенными частотами для подстройки.
В одном из вариантов осуществления одна или несколько доминантных продольных лазерных мод могут выводиться из высокодобротного микрорезонатора M через дополнительный элемент связи C2 (см. фиг. 1b), представляющий собой призму полного внутреннего отражения. В других вариантах один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M могут быть снабжены одним дополнительным элементом C2 связи в форме конического оптического волокна или волновода, используемого вместо призмы полного внутреннего отражения, схематично показанной на фиг. 1b. Использование дополнительного элемента связи может значительно улучшить спектральную чистоту выходного спектра лазерного излучения, генерируемого лазерным прибором и содержащего доминантные продольные лазерные моды, путем отфильтровывания нерезонансной части выходного спектра. Спектральная чистота выходного спектра часто требуется для многих микрофотонных применений. На фиг. 1b лазерное излучение 1 и лазерное излучение 2, имеющее выходной спектр, выводятся из высокодобротного микрорезонатора M через элемент C связи (призму полного внутреннего отражения), как показано справа; эти лазерные излучения 1 и 2 содержат слабые нерезонансные лазерные продольные моды. Дополнительная призма C2 связи обеспечивает вывод из высокодобротного микрорезонатора M лазерного излучения 3, имеющего чистый спектр, состоящий только из доминантных продольных лазерных мод без нерезонансной части выходного лазерного излучения (показано слева). Иными словами, лазерное излучение 3 имеет доминантные продольные лазерные моды с более высоким параметром коэффициента подавления боковой моды (КПБМ), чем пояснялось выше, по сравнению с лазерным излучением 2. Как правило, в этом случае КПБМ может находиться в диапазоне 40-70 дБ, предпочтительно в диапазоне 50-70 дБ. Например, 60 дБ часто обеспечивает достаточное значение коэффициента подавления боковой моды для целей этого применения.
Другая группа вариантов осуществления настоящего изобретения включает варианты, в которых упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор изготовлен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, и в которых лазерный прибор дополнительно выполнен с возможностью генерации по меньшей мере одной оптической частотной гребенки, причем каждая из упомянутой по меньшей мере одной оптической частотной гребенки параметрически генерируется одной из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки для генерации оптической частотной гребенки. Существует много материалов, имеющих зависящий от интенсивности показатель преломления, таких как фториды, прозрачные в широком спектральном диапазоне: фторид кальция, фторид бария и фторид магния. Также стоит упомянуть кварц, кремний, нитрид кремния, алмаз и другие.
На фиг. 10а показан пример преобразования спектра лазера с множеством продольных мод, стабилизированного высокодобротным МШГ-микрорезонатором из фторида магния с генерацией одной доминантной продольной лазерной моды, имеющей уменьшенную ширину, как пояснялось выше, поскольку только одна частота отдельной продольной моды согласована с одной резонансной частотой высокодобротного МШГ-микрорезонатора из фторида магния для получения одной согласованной частоты. Конкуренция мод в условиях оптической обратной связи, как и в оптической схеме с фиг. 1а, привела к перераспределению мощности лазера в пользу одной доминантной продольной лазерной моды на согласованной частоте. Коэффициент подавления боковой моды составляет около 30 дБ. Далее, на фиг. 10b выходное лазерное излучение с выходным спектром, имеющим одну доминантную продольную лазерную моду, эффективно переданное в высокодобротный микрорезонатор с уровнем мощности выше порога накачки, параметрически генерирует диссипативную солитонную керровскую гребенку (ДКГ). Солитонная керровская гребенка - это оптическая частотная гребенка, имеющая множество спектральных мод, разнесенных на фиксированное значение частоты, отличное от разнесения продольных мод лазера. На фиг. 10b показан сигнал сразу после призмы С связи, показанной на оптической схеме с фиг. 1а. Этот сигнал объединяет лазерное излучение 2, исходящее от высокодобротного микрорезонатора M, и нерезонансное лазерное излучение 2, прошедшее от лазера с множеством продольных мод L через призму C связи. В конкретном варианте осуществления, когда требуется очищенная оптическая частотная гребенка, может использоваться дополнительный элемент C2 связи (фиг. 1b) для отфильтровывания нерезонансной части выходного спектра.
2
9
Конкретные измеренные данные, показанные на фиг. 10a, b были получены с использованием высокодобротного МШГ-микрорезонатора из фторида магния (MgF) с диаметром 5,5 мм и радиусом кривизны края 500 мкм, что соответствует свободному спектральному диапазону (ССД) около 12,5 ГГц (обратно пропорционально времени прохождения импульса в микрорезонаторе в прямом и обратном направлении). Показатель преломления фторида магния зависит от интенсивности лазера, что позволяет генерировать ДКГ. Высокодобротный микрорезонатор был изготовлен методом прецизионного точения массивного кристалла однокристальным инструментом. Ультравысокий характерный коэффициент добротности, превышающий 10, был достигнут путем полировки алмазными суспензиями. Лазерный диод, используемый для получения конкретных данных измерений с фиг. 10a, b, имеет оптический спектр, состоящий из десятков продольных мод, охватывающих ~ 10 нм, с разнесением продольных мод f=17,68 ГГц вокруг центральной длины волны 1535 нм и с максимальной выходной мощностью 200 мВт. Интенсивность в области лазерного усиления приблизительно равномерно распределена между линиями. Путем постепенного изменения тока инжекции одна из продольных лазерных мод была согласована с резонансной модой микрорезонатора для получения оптической обратной связи и одной доминантной продольной моды с уменьшенной шириной.
Затем, постепенно отстраивая частоту диодного лазера на стороне низких частот с помощью тока инжекции, но оставаясь в режиме затягивания, авторы смогли плавно переключить систему в режим солитонной гребенки (преимущественно односолитонной) с очень характерной огибающей sech2 (x) (фиг. 10b). Солитонная гребенка имеет размах около 30 нм с разнесением линий 12,5 ГГц, соответствующим свободному спектральному диапазону микрорезонатора. В оптическом спектре видны дополнительные остаточные лазерные линии с разнесением 17,68 ГГц, хотя они являются слабыми и их можно отфильтровать с помощью конфигурации «drop-порт» с дополнительным элементом связи (см. фиг. 1b).
Другие варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя варианты, в которых несколько оптических частотных гребенок могут генерироваться несколькими доминантными продольными лазерными модами. На фиг. 11а показан оптический спектр двух одновременно генерируемых оптических частотных гребенок (синие и красные кривые на фиг. 11а) в случае диодного лазера с множеством продольных мод, стабилизированноговысокодобротным МШГ-микрорезонатором из фтористого магния с генерацией доминантных продольных лазерных мод, осуществляющих накачку параметрически генерируемых частотных гребенок. Как и прежде, сначала подстраивают лазерное излучение, имеющее спектр множества продольных мод, чтобы согласовать две частоты продольных мод с двумя резонансными частотами высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить две согласованные частоты. Высокодобротный микрорезонатор принимает отдельные продольные моды лазерного излучения на согласованных частотах, соответствующих его резонансным частотам, для обеспечения оптической обратной связи за счет обратного рэлеевского рассеяния. Конкуренция мод в условиях оптической обратной связи приводит к перераспределению мощности лазера в пользу двух доминантных продольных мод на двух согласованных частотах. Когда мощность доминантных мод превышает порог накачки, генерируется оптическая частотная гребенка. Каждая из гребенок представляет собой множество узких спектральных мод, разнесенных на фиксированное значение частоты, отличное от разнесения между продольными лазерными модами. На фиг. 11b показан спектр радиочастотного биения узких мод гребенок, измеренный с помощью быстрого фотодиода и анализатора электрического спектра. Имеется два биения, соответствующие гребенкам. Ширина линий биений меньше 1 кГц, что демонстрирует узость мод этих частотных гребенок. Узкие спектральные моды двух гребенок разнесены на разные величины частоты с разностью около 10 МГц.
3
4
В одном из вариантов осуществления по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор может быть изготовлен на полупроводниковом кристалле (нитрид кремния или кремний-на-изоляторе) вместе с по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод. Известен пример, в котором такая гибридная интеграция материалов группы III-V для ближнего инфракрасного диапазона с кремниевыми фотонными резонаторами была успешной. Таким образом, в одном из вариантов по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод и по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор могут быть выполнены на одном кристалле с помощью микролитографии. На фиг. 12а, b схематично показан кристалл, содержащий один лазер L с множеством продольных мод, имеющий зеркала M1, M2, и один высокодобротный микрорезонатор M, предпочтительно один МШГ-микрорезонатор. На виде сверху, показанном на фиг. 12а, лазер L с множеством продольных мод, интегрированный в материал 11 группы III-V, например фосфид индия (InP), соединен с волноводом 13 из кремний/нитрид кремния (Silicon/SiN) через специальный соединитель 12. Соединитель 12 соединяет слой материала 11 III-V со связанным слоем 13 из кремния/нитрида кремния (см. вид сбоку на фиг. 12b), который содержит шинный волновод и высокодобротный микрорезонатор M. Соединитель 12 может быть выполнен либо в виде вертикального соединения конических волноводов (см. вариант I на фиг. 12b, на котором показан увеличенный вид конуса 14), либо в виде вертикального соединения с брэгговской решеткой (см. вариант II на фиг. 12b, на котором показан увеличенный вид решетки 15) волноводов, изготовленных из разных материалов. В остальном лазер L с множеством продольных мод и высокодобротный микрорезонатор M, выполненные на кристалле, могут работать так же, как лазерный прибор с фиг. 1a, включая узел TU подстройки (не показан на фиг. 12a, b). В некоторых вариантах упомянутой по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод может быть связан оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через элемент С связи, выполненный в виде волновода, расположенного на субволновом расстоянии от упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора. Дополнительный элемент C2 связи, показанный пунктирной границей на фиг. 12a, может использоваться необязательно и может быть выполнен с возможностью вывода одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод, генерируемых в одном или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра. Для высокодобротных микрорезонаторов и лазеров с множеством продольных мод, выполненных на одном полупроводниковом кристалле, некоторые отдельные элементы подузлов TL и TM, связанные с лазерами и микрорезонаторами, могут быть соответствующим образом интегрированы в тот же кристалл. Такими элементами могут быть металлические микронагреватели для подстройки температуры активной среды микрорезонаторов или лазеров, фотодетекторы для измерения выходных сигналов и т.д.
Далее будет описан способ преобразования лазерного спектра применительно к по меньшей мере одному лазеру L с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод, и по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору M, связанному оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод, изображенным на фиг. 1-5.
На первом этапе способа генерируют по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод лазерное излучение, имеющее спектр множества продольных мод.
На втором этапе способа подстраивают спектр множества продольных мод лазерного излучения для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M, связанного оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту.
На третьем этапе способа выводят выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.
Следует отметить, что данный способ может включать в себя дополнительные этапы.
Например, в том случае, когда упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор M изготовлен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, способ может содержать дополнительный этап параметрической генерации по меньшей мере одной оптической частотной гребенки каждой из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки генерации оптической частотной гребенки.
Способ может содержать дополнительный этап подстройки спектра множества продольных мод как путем изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и изменения частоты каждой из отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод.
Способ может содержать дополнительный этап обеспечения оптической обратной связи с упомянутым по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод путем генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты.
Способ может содержать дополнительный этап подстройки спектра множества продольных мод путем управления током инжекции упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод и/или температурой активной среды каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод, предпочтительно, каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности.
Способ может содержать дополнительный этап подстройки резонансных частот каждого из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M как путем изменения интервала разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и изменения резонансной частоты каждой из высокодобротных мод.
Способ может содержать дополнительный этап управления температурой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора и/или внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору М, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.
В случае, когда один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М снабжены дополнительным элементом С2 связи, способ может включать в себя дополнительный этап вывода одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод или одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод и одной или нескольких оптических частотных гребенок из одного или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через дополнительный элемент связи, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра.
В случае, когда упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор M выполнен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на воздействие электромагнитного поля, прикладываемого к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, способ может содержать дополнительный этап управления электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.
Далее будет описан способ работы лазерного прибора применительно к по меньшей мере одному лазеру L с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющему спектр множества продольных мод, по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору М, связанному оптической обратной связью с по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод, и узлу TU подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения, как показано на фиг. 1-6.
На первом этапе способа подстраивают спектр множества продольных мод лазерного излучения посредством узла TU подстройки для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту.
На втором этапе способа из прибора выводят выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.
Следует отметить, что варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на различные объекты. Однако специалист в данной области техники поймет из вышеприведенного и последующего описания, что, если не указано иное, в дополнение к любой комбинации признаков, относящихся к одному типу объекта, любая комбинация признаков, относящихся к различным объектам, также считается раскрытой в настоящей заявке. Однако все признаки могут быть объединены с обеспечением синергетических эффектов, которые представляют собой нечто большее, чем простое суммирование признаков.
Хотя изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в предшествующем описании, эти чертежи и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, но не ограничительные. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники смогут предусмотреть и осуществить на практике другие вариации раскрытых вариантов осуществления в результате изучения чертежей, раскрытия и зависимых пунктов формулы изобретения.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или компонентов, а единственное число не исключает множественного числа. Сам факт того, что некоторые меры упоминаются во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие его объем.
ЛИТЕРАТУРА
[1] L. Ricci et al. A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics \\ Opt. Commun. 117(5-6), 541-549, 1995;
[2] Y. Zhao et al. High-finesse cavity external optical feedback DFB laser with hertz relative linewidth\\ Opt. Lett. 37, 4729-4731, 2012;
[3] D.V. Strekalov et al. Nonlinear and quantum optics with whispering gallery resonators\\ J. Opt. 18, 123002 (2016);
[4] S. Borri et al. Whispering gallery mode stabilization of quantum cascade lasers for infrared sensing and spectroscopy \\ Proc. SPIE 10090, Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XIX, 1009008, February 20, 2017;
[5] W. Liang et al. Whispering-gallery-mode-resonator-based ultranarrow linewidth external-cavity semiconductor laser \\Opt. Lett. 35, p. 2822, 2010;
[6] US7991025B2, Tunable lasers locked to whispering gallery mode resonators, GM Global Technology Operations LLC;
[7] US 8111722 B1, Low-noise RF oscillation and optical comb generation based on nonlinear optical resonator, OEwaves, Inc;
[8] W. Liang et al. Spectrally Pure RF Photonics Source Based on a Resonant Optical Hyper-Parametric Oscillator \\ Proc. of SPIE, Vol. 8960, 896010, 2010;
[9] W. Liang et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator \\ Nature Communications, 6:7957, August, 2015;
[10] Zhenda Xie et al, Opt. Lett., Vol. 40, 11, June 1, 2015;
[11] B. Sumpf et al. Dual-wavelength diode laser with electrically adjustable wavelength distance at 785  nm\\ Opt. Lett. 41, 3694-3697, 2016;
[12] R. Diaz et al. Lidar detection using a dual-frequency source\\ Opt. Lett. 31, 3600-3602, 2006;
[13] N. Ninane and M. P. Georges Holographic interferometry using two-wavelength holography for the measurement of large deformations\\ Appl. Opt. 34, 1923-1928, 1995;
[14] C. Friedrich et al. New two-color laser concepts for THz generation\\ IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 14, 270, 2008.