基于非線性光學(xué)諧振器的三重振蕩器裝置中單光調(diào)、rf振蕩信號(hào)及光梳的生成的制作方法
【專利摘要】基于由非線性光學(xué)材料制成的光學(xué)諧振器的技術(shù)和裝置以形成三重振蕩器裝置，該三重振蕩器裝置用于生成單光調(diào)、射頻（RF）振蕩信號(hào)以及具有不同光頻率的光頻梳信號(hào)。
【專利說明】基于非線性光學(xué)諧振器的三重振蕩器裝置中單光調(diào)、RF振蕩信號(hào)及光梳的生成
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年5月16日提交的、標(biāo)題為“TRIPLE_0SCILLAT0R:GENERAT10NOF A SPECTRALLY PURE RF SIGNAL, OPTICAL FREQUENCY COMB,AND NARROff-LINEffIDTHLIGHT FROM ASINGLE DEVICE (三重振蕩器:來自單個(gè)裝置的譜純RF信號(hào)、光頻梳及窄線寬光的生成”的第61/486，695號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益，該申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過引用作為本申請(qǐng)說明書的部分并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]本申請(qǐng)涉及基于光子器件的信號(hào)振蕩器。
[0004]用于生成RF和微波頻率中的信號(hào)的RF和微波振蕩器可以通過同時(shí)使用電學(xué)和光學(xué)部件形成光電振蕩器(“0E0”)而構(gòu)成為“混合型(hybrid)”裝置。參見例如，第5，723，856號(hào)、第5，777，778號(hào)、第5，929，430號(hào)以及第6，567，436號(hào)美國專利。這樣的OEO包括電可控的光調(diào)制器以及至少一個(gè)有源光電反饋回路，該有源光電反饋回路包括通過光檢測(cè)器互聯(lián)的光學(xué)部分和電學(xué)部分。光電反饋回路從調(diào)制器接收經(jīng)調(diào)制的光輸出，并且將經(jīng)調(diào)制的光輸出轉(zhuǎn)換成適用于控制調(diào)制器的電信號(hào)。當(dāng)有源光電回路和任意其他附加反饋回路的總回路增益超出總損耗時(shí)，反饋回路在回路的光學(xué)部分中產(chǎn)生期望長(zhǎng)的延遲以抑制相位噪音并在相位中將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)饋給至調(diào)制器，以產(chǎn)生光調(diào)制并產(chǎn)生且維持RF或微波頻率中的電振蕩。生成的振蕩信號(hào)在一定頻率下是可調(diào)諧的，并且與由其他RF和微波振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)相比可具有窄的譜線寬和低的相位噪音。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本申請(qǐng)?zhí)峁┗谟煞蔷€性光學(xué)材料制成的光學(xué)諧振器的技術(shù)和裝置，以在單個(gè)裝置中生成單頻光調(diào)、RF或微波振蕩信號(hào)以及具有不同光頻率的光頻梳信號(hào)。
[0006]一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N三重振蕩器裝置，用于生成單光調(diào)、射頻(RF)振蕩信號(hào)以及具有不同光頻率的光頻梳信號(hào)。該裝置包括:光學(xué)諧振器、連續(xù)波(CW)激光器、光學(xué)耦合器、光學(xué)濾波器、第一分束器、光電二極管、以及第二分束器，其中光學(xué)諧振器，由展示三階光學(xué)非線性的非線性光學(xué)材料形成；連續(xù)波(CW)激光器用于產(chǎn)生激光載波頻率的激光束，激光束與諧振器的非線性光學(xué)材料相互作用，以在諧振器內(nèi)生成具有不同光頻率的光頻梳，不同光頻率包含激光載波頻率；光學(xué)耦合器用于將激光束耦合到諧振器中，以及將諧振器內(nèi)的光耦合到諧振器之外作為朝向所述激光器的自注入反饋光束；光學(xué)濾波器位于激光器與諧振器之間，以對(duì)從光學(xué)消逝耦合器被引導(dǎo)至激光器的自注入反饋光束進(jìn)行濾波，從而將激光載波頻率下的光引導(dǎo)到激光器，使得激光器在激光載波頻率處被注入鎖定到諧振器，并同時(shí)阻擋自注入反饋光束中的其他譜分量進(jìn)入激光器；第一分束器位于激光器與光學(xué)濾波器之間，以透射激光器與光學(xué)濾波器之間的光束的一部分并且將光束的另一部分引導(dǎo)作為第一裝置輸出，第一裝置輸出為激光載波頻率下的單光調(diào)；光電二極管定位成接收從諧振器耦合出的、攜帶光頻梳的輸出光學(xué)束以產(chǎn)生RF振蕩信號(hào)作為第二裝置輸出；以及第二分束器位于由光電二極管接收到的輸出光學(xué)束的光學(xué)路徑中，以將輸出光學(xué)束的一部分透射到光電二極管用于生成RF振蕩信號(hào)，并且將光束的另一部分引導(dǎo)作為第三裝置輸出，第三裝置輸出為在諧振器內(nèi)生成的光頻梳的副本。
[0007]另一方面，提供一種三重振蕩器裝置，其包括光學(xué)諧振器和反射式放大器，其中光學(xué)諧振器由展示三階光學(xué)非線性的非線性光學(xué)材料形成，反射式放大器用于反射光并放大來自諧振器的光以將被反射的光朝向諧振器引導(dǎo)，以便與諧振器的非線性光學(xué)材料進(jìn)行相互作用，從而在諧振器內(nèi)生成具有不同光頻率的光頻梳。反射式放大器提供光學(xué)增益以將反射式放大器與諧振器之間的激光振蕩維持在激光載波頻率。該裝置還包括光學(xué)耦合器、光學(xué)濾波器、第一分束器、光電二極管以及第二分束器，其中光學(xué)稱合器用于將來自反射式放大器的光耦合到諧振器中，以及將諧振器內(nèi)的光耦合到諧振器之外作為朝向反射式放大器的反饋光束，并且進(jìn)一步將來自反射式放大器的光耦合到諧振器中；光學(xué)濾波器位于反射式放大器與諧振器之間，以對(duì)從光學(xué)耦合器被引導(dǎo)至反射式放大器的反饋光束進(jìn)行濾波，從而將反饋光束內(nèi)的、處于激光載波頻率的光引導(dǎo)進(jìn)反射式放大器中以使激光載波頻率下的光放大；第一分束器位于反射式放大器與光學(xué)濾波器之間，以透射反射式放大器與光學(xué)濾波器之間的光束的一部分并且將光束的另一部分引導(dǎo)作為第一裝置輸出，第一裝置輸出為激光載波頻率下的單光調(diào)；光電二極管定位成接收從諧振器耦合出的、攜帶光頻梳的輸出光學(xué)束以產(chǎn)生RF振蕩信號(hào)作為第二裝置輸出；以及第二分束器位于由光電二極管接收到的輸出光學(xué)束的光學(xué)路徑中，以將輸出光學(xué)束的一部分透射到光電二極管用于生成RF振蕩信號(hào)，并且將光束的另一部分引導(dǎo)作為第三裝置輸出，第三裝置輸出為在諧振器內(nèi)生成的光頻梳的副本。
[0008]在附圖、說明書和權(quán)利要求書中詳細(xì)地描述了這些和其他方面以及實(shí)施方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1示出了用于在單個(gè)裝置中生成單頻光調(diào)、RF或微波振蕩信號(hào)以及具有不同光頻的光梳信號(hào)的三重振蕩器裝置的一個(gè)示例。
[0010]圖2A、圖2B、圖3、圖4A、圖4B、圖5A和圖5B示出了 WGM諧振器和光學(xué)耦合設(shè)計(jì)的示例。
[0011]圖6A、圖6B和圖6C示出了基于非線性WGM諧振器的RF或微波振蕩器的示例。
[0012]圖7和圖8示出了光泵浦下的非線性WGM諧振器的操作。
[0013]圖9示出了用于將激光器鎖定到非線性WGM諧振器的龐德雷弗霍爾(PDH)激光反饋鎖定方案。
[0014]圖10至圖15示出了用于生成光梳信號(hào)的樣本的非線性WGM諧振器的測(cè)量。
[0015]圖16示出了通過使用外部反射器將激光器鎖定到諧振器的示例。
[0016]圖17、圖18、圖19和圖20示出了三重振蕩器裝置的其它設(shè)計(jì)示例。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本申請(qǐng)描述了基于可以較小包裝封裝的晶體回音壁模式的諧振器(諸如氟化鈣或具有立方光學(xué)非線性的其他材料)中的四波混頻(Four Wave Mixing, FWM)的、非線性處理的高頻光子微波振蕩器(例如，在X-W頻段中)的實(shí)施。在FWM中，高精細(xì)度WGM中的高場(chǎng)強(qiáng)度將兩個(gè)泵浦光子轉(zhuǎn)換成兩個(gè)邊帶光子，即，信號(hào)光子和空載光子。生成的光子頻率之和因能量守恒定律等于泵浦光的頻率的兩倍。通過使振蕩器過飽和并使用多重光學(xué)諧波逸出諧振器(光梳)，所描述的振蕩器可減少相位噪音并可增加在快速光電二極管上生成的微波信號(hào)的譜純度。
[0018]在本申請(qǐng)?zhí)峁┑氖纠?，具有立方非線性性并且外部地泵浦有連續(xù)波光的單片光學(xué)諧振器可以被用在三重振蕩器裝置中，以生成三個(gè)頻率穩(wěn)定的信號(hào):(i)單頻光調(diào)(single frequency optical tone)、( ii)鎖相/鎖模(光學(xué)脈沖)多頻光調(diào)以及(iii)譜純凈的射頻(RF)信號(hào)。使用單一裝置生成所有信號(hào)在多種應(yīng)用中是有用的，作為具體示例，諸如三重振蕩器裝置可以以單一、晶片級(jí)架構(gòu)封裝。
[0019]在本申請(qǐng)中描述的三重振蕩器裝置(triple oscillator device)是能夠生成激光載波頻率下的窄線寬激光束、表現(xiàn)為來光形式的多模鎖定光調(diào)以及譜純的RF或微波信號(hào)的光子振蕩器。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，三重振蕩器是基于高Q單片光學(xué)諧振器和通過自注入或其他類型的鎖定而鎖定到諧振器的連續(xù)波(CW)激光器(諸如半導(dǎo)體激光器)的。在自注入鎖定的情況下，可以使用因來自諧振器的諧振反饋而開始發(fā)射激光的光學(xué)放大器。諧振器材料的特征在于三階光學(xué)非線性性，因此光學(xué)信號(hào)的交叉相位和自相位調(diào)制的效果可在諧振器中出現(xiàn)。
[0020]將激光器鎖定到諧振器引起了激光器線寬的顯著減小，使得子千赫的光學(xué)信號(hào)的生成變得可能。泵浦有CW激光束的非線性諧振器可以生成光頻梳。通過在快速光電二極管上對(duì)光頻梳進(jìn)行解調(diào)，處于一些條件下的光頻梳可以被用于生成譜純凈且頻率穩(wěn)定的RF信號(hào)。本申請(qǐng)中提供的設(shè)計(jì)將單色光、光頻梳以及RF信號(hào)的生成合并到單個(gè)裝置中。進(jìn)入并與諧振器相互作用的光的相位可以被調(diào)節(jié)以在相應(yīng)光學(xué)或RF輸出中獲取三個(gè)信號(hào)中的每個(gè)信號(hào)。相位調(diào)節(jié)例如可通過包括半導(dǎo)體相位部分、插入可調(diào)節(jié)延遲或者以熱的方式改變激光器與諧振器之間的分段的光學(xué)長(zhǎng)度，或者通過應(yīng)用電壓和/或電流來改變指標(biāo)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)。本申請(qǐng)中提供了可實(shí)現(xiàn)的步驟的示例。若干個(gè)消逝場(chǎng)光學(xué)耦合器和單個(gè)諧振器可用于減少生成的信號(hào)的噪音。在實(shí)現(xiàn)方式中，消逝場(chǎng)耦合器可通過使用棱鏡、錐形纖維或平面化介質(zhì)波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的顯著特征在于三個(gè)信號(hào)在具有光學(xué)和電學(xué)元件的單一異構(gòu)芯片中生成。
[0021]圖1示出了用于在單個(gè)裝置中生成單頻光調(diào)、射頻(RF)振蕩信號(hào)以及具有不同光頻率的光梳信號(hào)的三重振蕩器裝置的一個(gè)示例。該裝置包括光學(xué)諧振器100和連續(xù)波(CW)激光器1，其中光學(xué)諧振器100由展現(xiàn)出三階光學(xué)非線性性的非線性光學(xué)材料形成，連續(xù)波(CW)激光器I產(chǎn)生處于單一頻率(激光載波頻率)的CW激光束2。該光束2被引入諧振器100中并與諧振器100的非線性光學(xué)材料相互作用以在諧振器100內(nèi)生成具有包括激光載波頻率的不同光頻率的光梳。光學(xué)耦合器5被設(shè)置成耦合到諧振器100，以將激光束耦合到諧振器100中并且將諧振器100內(nèi)的光耦合到諧振器100外作為朝向激光器I的注入反饋光束。該光學(xué)耦合器是可以以多種光學(xué)耦合配置實(shí)現(xiàn)，包括但不限于，例如，在一些實(shí)現(xiàn)方式中的基于光接口處的光學(xué)消逝場(chǎng)來耦合光的消逝光學(xué)耦合器。在激光器I與諧振器100之間布置光學(xué)濾波器4，以對(duì)從光學(xué)消逝耦合器5被引導(dǎo)至激光器I的注入反饋光束進(jìn)行濾波，從而將注入反饋光束內(nèi)的處于激光載波頻率的光引導(dǎo)至激光器1，以在激光載波頻率下將激光器I注入鎖定到諧振器100。光學(xué)濾波器4是阻擋注入反饋光束中的其他譜分量以防止其進(jìn)入激光器I的帶通濾波器。在該示例中，第一分束器3被放置在激光器I與光學(xué)濾波器4之間，以傳送激光器I與光學(xué)濾波器4之間的一部分光束并且將其它部分的光束引導(dǎo)為在激光載波頻率下的單光調(diào)的第一裝置輸出。光學(xué)檢測(cè)器7(例如，快速光電二極管)被設(shè)置為接收在攜帶光梳的諧振器100之外耦合的輸出光束，以產(chǎn)生RF振蕩信號(hào)作為第二裝置輸出。第二分束器6被布置在光電二極管7接收到的輸出光束的光學(xué)路徑中，以將輸出光學(xué)束的一部分傳送到光電二極管7而生成RF振蕩信號(hào)并且將該光束的其它部分引導(dǎo)為在諧振器100內(nèi)生成的光梳的副本的第三裝置輸出。
[0022]光學(xué)濾波器4被設(shè)置為選擇光梳中的單光調(diào)，并同時(shí)排斥光梳中的其他光調(diào)。經(jīng)選擇的光調(diào)可以是激光器I運(yùn)行下的激光載波頻率的光。在一些設(shè)計(jì)中，如果激光器I具有帶高腔Q因子(high cavity Q factor)且窄線寬的光學(xué)諧振器而不能同時(shí)出現(xiàn)通過非線性諧振器100內(nèi)的非線性光學(xué)相互作用在光梳中生成的兩個(gè)不同光調(diào)，則光學(xué)濾波器4可被去除。
[0023]圖1的光學(xué)諧振器100和本申請(qǐng)中描述的其他三重振蕩器裝置可以是以多種諧振器配置實(shí)現(xiàn)的。相應(yīng)光學(xué)耦合器5或者圖18中的其它光學(xué)耦合器可以被配置在適用于光學(xué)諧振器100的特定實(shí)現(xiàn)方式的耦合器配置中。光學(xué)回音壁模式諧振器是光學(xué)諧振器100的示例，并且可被用于利用回音壁模式諧振器的多種技術(shù)特征來滿足具體應(yīng)用的多種要求。在其他實(shí)現(xiàn)方式中，此處描述的三重振蕩器裝置可以使用與回音壁模式諧振器不同的其他光學(xué)諧振器實(shí)現(xiàn)。
[0024]下面的段落將使非線性WGM諧振器100的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及其基于非線性性產(chǎn)生期望光梳的操作變得具體。
[0025]光學(xué)諧振器可以被配置為支持被認(rèn)為是回音壁(“WG”)模式的一套特殊諧振器模式的光學(xué)回音壁模式(“WGM (whispering-gallery-mode)”)諧振器。這些WG模式表示因邊界處的全內(nèi)反射而局限在接近諧振器表面的內(nèi)部區(qū)域中的光場(chǎng)。例如，介質(zhì)球可用于形成WGM諧振器，其中WGM模式表示因球體邊界處的全內(nèi)反射而局限在接近球體圍繞其赤道的表面的內(nèi)部區(qū)域中的光場(chǎng)。具有數(shù)量級(jí)為10?IO2微米的直徑的石英微球已被用于形成Q值大于IO9的緊湊型光學(xué)諧振器。這種高Q型WGM諧振器可被用于產(chǎn)生具有高譜純度和低噪音的振蕩信號(hào)。一旦稱合到回音壁模式中，光能量可以長(zhǎng)光子壽命時(shí)間在球體赤道處或者附近循環(huán)。
[0026]本申請(qǐng)中描述的由晶體制成的WGM諧振器可以是光學(xué)優(yōu)于由熔融硅制成的WGM諧振器。由晶體CaF2制成的WGM諧振器可產(chǎn)生大于或等于IOltl的Q因子。這種高Q值允許多種應(yīng)用，包括因克爾非線性效應(yīng)而生成的低閾值光學(xué)超參量振蕩和千赫光學(xué)共振。下面的段落首先描述用于晶體WGM諧振器的示例性幾何結(jié)構(gòu)，然后描述由不同材料制成的WGM諧振器的屬性。
[0027]圖2A、圖2B和圖3示出了三個(gè)示例性WGM諧振器。圖2A示出了為固體介質(zhì)球體的球形WGM諧振器100。球體100在平面102中具有赤道，平面102圍繞z軸101對(duì)稱。平面102的圓周是圓形并且平面102是圓形截面。WG模式存在于球形外表面內(nèi)的赤道周圍并且在諧振器100內(nèi)循環(huán)。繞赤道平面102的外表面的球形曲率沿z方向及其垂直方向提供空間限制以支持WG模式。球體100的偏心率通常是低的。[0028]圖2B示出了示例性球狀微諧振器200。該諧振器200可通過沿短橢圓軸101 (Z)繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)橢圓(具有軸向長(zhǎng)度a和b)而形成。因此，與圖2A中的球形諧振器相似，圖2B中的平面102也具有圓形周長(zhǎng)并且是圓形截面。與圖2A中的設(shè)計(jì)不同，圖2B中的平面102是非球形橢球體的圓形截面并且圍繞橢球體的短橢圓軸。諧振器100的偏心率是(l-b2/a2)1/2并且通常是高的，S卩，大于10'因此，諧振器200的外表面不是球體的一部分并且沿z方向在模式上提供比球形外部更多的空間限制。更具體地，腔在Z所處的平面(諸如zy或Zx平面)中的幾何形狀是橢圓形。諧振器200的中心處的赤道平面102與軸101(z)垂直，并且WG模式在諧振器200內(nèi)在平面102的圓周附近循環(huán)。
[0029]圖3示出了具有非球形外部的另一示例性WGM諧振器300，其外部輪廓是可通過笛卡爾坐標(biāo)系的一元二次方程以數(shù)學(xué)方式表示的大致圓錐形狀。與圖2A和圖2B中的幾何形狀相似，外表面在平面102的方向和垂直于平面102的z方向上提供曲率以限制并支持WG模式。除其他之外，這種非球形的、非橢圓形的表面可以是拋物面或雙曲面。應(yīng)該注意，圖3中的平面102是圓形截面并且WG模式繞赤道中的圓循環(huán)。
[0030]圖2A、圖2B和圖3中的上述三個(gè)示例性幾何形狀的公共幾何特征為，它們都繞軸101 (z)軸向或圓柱向?qū)ΨQ，其中WG模式在平面102中繞101 (z)軸循環(huán)。彎曲的外表面繞平面102是平滑的，并且在平面102周圍提供二維限制以支持WG模式。
[0031]應(yīng)該注意，WG模式在每個(gè)諧振器中沿z方向101的空間范圍被限制在平面102上方和下方，并因此其可不必具有球體100、橢球體200或圓錐形狀300的全部。相反，大到足以支持回音壁模式的、僅平面102周圍的整個(gè)形狀的一部分可被用于形成WGM諧振器。例如，環(huán)、盤和通過球體的適當(dāng)部分形成的其他幾何結(jié)構(gòu)可被用作為球形WGM諧振器。
[0032]圖4A和圖4B分別示出了盤狀WGM諧振器400和環(huán)狀WGM諧振器420。在圖4A中，固體盤400在中心平面102上方具有頂面401A，在平面102下方具有底面401B，頂面401A與底面401B相隔距離H。距離H的值大到足以支持WG模式。在中心平面102上方的足夠距離以外，諧振器可具有如圖3、圖4A和圖4B所示的銳邊(sharp edge)。外部彎曲表面402可選自圖2A、圖2B和圖3中所示形狀中的任一種，以獲得期望的WG模式和譜特性。圖4B中的環(huán)狀諧振器420可通過從圖4A中的固體盤400去除中心部分410而形成。因?yàn)閃G模式存在于環(huán)420的靠近外表面402的外部部分附近，所以環(huán)的厚度h可被設(shè)置為大到足以支持WG模式。
[0033]光學(xué)耦合器通常被用于通過消逝耦合將光能耦合到或耦合出WGM諧振器。圖5A和圖5B示出了結(jié)合到WGM諧振器的兩個(gè)示例性光學(xué)耦合器。光學(xué)耦合器可與諧振器的外表面直接接觸或者通過與其隔開一定間隙來完成期望的臨界耦合。圖5A示出了角拋光的光纖末端作為用于WGM諧振器的耦合器。具有傾斜端面的波導(dǎo)(諸如平面波導(dǎo)或其他波導(dǎo))也可用作耦合器。圖5B示出了微棱鏡作為WGM諧振器的耦合器。也可使用其他消逝耦合器，諸如通過光子帶間隙材料形成的耦合器。
[0034]WGM諧振器可用于提供在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)將光子限制在小體積中的有效方式。因此，WGM諧振器在基礎(chǔ)研究和實(shí)際裝置中具有廣泛的應(yīng)用。例如，WGM諧振器可用于存儲(chǔ)線性光學(xué)的光，作為原子光存儲(chǔ)的替代，以及在可調(diào)光延遲線中基于原子的慢光實(shí)驗(yàn)的替代。在其他應(yīng)用中，WGM諧振器也可用于光學(xué)濾波和光電振蕩器。
[0035]在表征WGM諧振器的許多參數(shù)(例如輸入和輸出耦合的效率、模體積、自由光譜范圍等)中，質(zhì)量因子Q是基礎(chǔ)參數(shù)。與光能在諧振器模式(τ )中的壽命相關(guān)的Q因子為Q=2n υ τ，其中V為模式的線性頻率。與具有Q=2 X 101°和波長(zhǎng)Σ =1.3 T m的模式對(duì)應(yīng)的衰蕩時(shí)間(ring down time)為15 T s，由此使超高Q的諧振器作為光存儲(chǔ)裝置而具有潛在的吸引力。此外，一些晶體足夠透明以允許極高Q的回音壁模式，并且具有重要的非線性特征以允許WGM特征的連續(xù)操作并進(jìn)一步擴(kuò)大它們的用處。
[0036]在電介質(zhì)諧振器中，最大的質(zhì)量因子不能超過Q=2 Iitl/(Σ I)，其中n0是材料的反射率，Σ是光在真空中的波長(zhǎng)，I是介電材料的吸收系數(shù)。吸收越小，Q越大。因此，為了預(yù)測(cè)WGM的最窄可能的線寬K= τ-1，需要知道在透明電介質(zhì)(在它們的透明窗內(nèi)，其中對(duì)于絕大多數(shù)的應(yīng)用，損失被視為可忽略不計(jì))中的光學(xué)衰減值。這個(gè)關(guān)于剩余的基本吸收的問題對(duì)于大多數(shù)材料仍然懸而未決的，因?yàn)槿狈哂凶銐蜢`敏度的測(cè)量方法。幸運(yùn)地，高Q的回音壁模式本身代表在多種透明材料中測(cè)量非常小的光學(xué)衰減的獨(dú)特工具。
[0037]以前通過適用于非晶體材料的熱回流方法制造WGM諧振器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致Q因子小于9X IO90測(cè)量是通過熔融硅微腔執(zhí)行的，其中近乎完美的諧振器表面產(chǎn)生的表面張力得到了接近于由材料吸收確定的基本限制的測(cè)量得到的Q因子。期望光學(xué)晶體將比熔融硅具有更小損耗，因?yàn)榫w理論上具有完美晶格，而不包括總存在于非晶體材料中的夾雜物和不均勻性。對(duì)于許多晶體材料的透明度的窗是遠(yuǎn)寬于熔融硅的窗。因此，通過足夠高純度的材料，當(dāng)瑞利散射邊緣和多聲子吸收邊緣分別被推動(dòng)遠(yuǎn)離紫外和紅外區(qū)域時(shí)，可期待在透明窗口的中間出現(xiàn)非常小的衰減。此外，晶體可能受到更少或者根本不受到由OH離子和水的化學(xué)吸附作用而導(dǎo)致的外在吸收的影響，對(duì)于熔融硅的Q的報(bào)告限制因子靠近透明窗的底部1.55 μ m。
[0038]直到最近，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶質(zhì)WGM諧振器剩下的一個(gè)問題是不存在會(huì)產(chǎn)生球狀表面的納米級(jí)平滑度而消除表面散射的制造處理。最近這個(gè)問題得到解決。已使用機(jī)械光學(xué)拋光技術(shù)制造Q接近IO9的超高Q的晶體WGM諧振器。在本申請(qǐng)中，將進(jìn)一步描述通過透明晶體制造的WGM諧振器中的高質(zhì)量因子(Q=2 X 101°)。
[0039]在室溫下具有千赫范圍內(nèi)的共振帶寬并具有高共振對(duì)比度(50%及更高)的晶體WGM諧振器被結(jié)合到高性能光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中是有希望的。因?yàn)樾∧B(tài)量和極窄單光子共振，多種低閾值非線性效果可在基于小寬帶非線性磁化率的WGM諧振器中觀察到。作為一個(gè)示例，下面報(bào)告晶體諧振器中熱光學(xué)不穩(wěn)定性的觀察,初期報(bào)告體積較小的高Q娃微球體。
[0040]在光學(xué)晶體的透明窗內(nèi)的小光學(xué)衰減方面存在很少一致的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，僅因?yàn)閿?shù)公里的由材料制造的光纖，對(duì)專門準(zhǔn)備的熔融硅(Σ =1.55 T m的I =0.2dB/km(-1 > IO-7CnT1))的最小吸收進(jìn)行高靈敏度測(cè)量變得可能?？上В摲椒ú贿m用于晶體材料。纖維也已產(chǎn)自諸如藍(lán)寶石的晶體，但是其衰減通過其表面散射而確定(每米數(shù)dB)。用于在透明電介質(zhì)中測(cè)量光吸收的量熱方法存在-1 > KT7CnT1量級(jí)的誤差。已通過量熱方法對(duì)一些透明材料的剩余吸收進(jìn)行了測(cè)試，而其他通過直接散射實(shí)驗(yàn)表征，且都得到了與101°級(jí)別的Q限制對(duì)應(yīng)的、幾個(gè)ppm/cm級(jí)別的線性衰減。問題是，如果基本限制或測(cè)量結(jié)果受到所使用的晶體的瑕疵的限制。
[0041]對(duì)于最高Q的WGM諧振器的材料的選擇必須基于基本因子，諸如最寬透明窗、高純度等級(jí)以及環(huán)境穩(wěn)定性。堿鹵化物因其吸濕性和對(duì)大氣濕度的敏感性而可能不合適。固體透明材料中的大量損失可以通過下面的現(xiàn)象學(xué)關(guān)系式來估計(jì)[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種三重振蕩器裝置，用于生成單光調(diào)、射頻(RF)振蕩信號(hào)以及具有不同光頻率的光頻梳信號(hào)，所述三重振蕩器裝置包括: 光學(xué)諧振器，由展示三階光學(xué)非線性的非線性光學(xué)材料形成； 連續(xù)波(CW)激光器，用于產(chǎn)生激光載波頻率的激光束，所述激光束與所述諧振器的非線性光學(xué)材料相互作用，以在所述諧振器內(nèi)生成具有不同光頻率的光頻梳，所述不同光頻率包含所述激光載波頻率； 光學(xué)耦合器，用于將所述激光束耦合到所述諧振器中，以及將所述諧振器內(nèi)的光耦合到所述諧振器之外作為朝向所述激光器的自注入反饋光束； 光學(xué)濾波器，位于所述激光器與所述諧振器之間，以對(duì)從所述光學(xué)消逝耦合器被引導(dǎo)至所述激光器的自注入反饋光束進(jìn)行濾波，從而將所述激光載波頻率下的光引導(dǎo)到所述激光器，使得所述激光器在所述激光載波頻率處被注入鎖定到所述諧振器，并同時(shí)阻擋所述自注入反饋光束中的其他譜分量進(jìn)入所述激光器； 第一分束器，位于所述激光器與所述光學(xué)濾波器之間，以透射所述激光器與所述光學(xué)濾波器之間的光束的一部分并且將所述光束的另一部分引導(dǎo)作為第一裝置輸出，所述第一裝置輸出為所述激光載波頻率下的單光調(diào)； 光電二極管，定位成接收從所述諧振器耦合出的、攜帶所述光頻梳的輸出光學(xué)束以產(chǎn)生RF振蕩信號(hào)作為第 二裝置輸出；以及 第二分束器，位于由所述光電二極管接收到的所述輸出光學(xué)束的光學(xué)路徑中，以將輸出光學(xué)束的一部分透射到所述光電二極管用于生成所述RF振蕩信號(hào)，并且將所述光束的另一部分引導(dǎo)作為第三裝置輸出，所述第三裝置輸出為在所述諧振器內(nèi)生成的光頻梳的副本。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述激光器是半導(dǎo)體激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，包括: 基板，其上設(shè)置有所述諧振器；以及 光學(xué)波導(dǎo)，形成在所述基板上，所述光學(xué)波導(dǎo)將來自所述激光器的激光束攜帶至所述諧振器并且攜帶來自具有所述光梳的所述諧振器的輸出光學(xué)束。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，包括: 相位控制部分，位于所述激光器與所述諧振器之間，并且被配置成控制所述激光器與所述諧振器之間的光的相位以穩(wěn)定所述裝置，并且控制所述激光載波頻率與所述諧振器的諧振器模式之間的頻率失諧，其中在所述諧振器模式下所述激光器的注入被鎖定。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述相位控制部分包括: 加熱器，所述加熱器改變所述相位控制部分的溫度以控制所述激光器與所述諧振器之間的光的相位。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述相位控制部分包括: 壓電元件，所述壓電元件改變所述激光器與所述諧振器之間的光的相位。
7.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述相位控制部分包括: 半導(dǎo)體移相器，所述半導(dǎo)體移相器改變所述激光器與所述諧振器之間的光的相位。
8.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述相位控制部分被配置成產(chǎn)生用于改變所述激光器與所述諧振器之間的光的相位的可調(diào)節(jié)延遲。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述光學(xué)耦合器被用于將來自所述激光器的激光束耦合到所述諧振器中，所述光學(xué)耦合器還用于將所述諧振器內(nèi)的光作為所述輸出光學(xué)束耦合到所述光電二極管。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，包括: 第二光學(xué)耦合器，所述第二光學(xué)耦合器光學(xué)耦合到所述諧振器，以將所述諧振器內(nèi)的光作為所述輸出光學(xué)束耦合到所述光電二極管。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中， 所述諧振器是支持回音壁模式的回音壁模式諧振器，以及 所述光學(xué)耦合器是光學(xué)消逝耦合器。
12.—種三重振蕩器裝置，用于生成單光調(diào)、射頻(RF)振蕩信號(hào)以及具有不同光頻率的光頻梳信號(hào)，所述三重振蕩器裝置包括: 光學(xué)諧振器，由展示三階光學(xué)非線性的非線性光學(xué)材料形成； 反射式放大器，用于反射光并放大來自所述諧振器的光以將被反射的光朝向所述諧振器引導(dǎo)，以便與所述諧振器的所述非線性光學(xué)材料進(jìn)行相互作用，從而在所述諧振器內(nèi)生成具有不同光頻率的光頻梳，所述反射式放大器提供光學(xué)增益以將所述反射式放大器與所述諧振器之間的激光振蕩維持在激光載波頻率； 光學(xué)耦合器，用于將來自所述反射式放大器的光耦合到所述諧振器中，以及將所述諧振器內(nèi)的光耦合到所述 諧振器之外作為朝向所述反射式放大器的反饋光束，并且進(jìn)一步將來自所述反射式放大器的光耦合到所述諧振器中； 光學(xué)濾波器，位于所述反射式放大器與所述諧振器之間，以對(duì)從所述光學(xué)耦合器被引導(dǎo)至所述反射式放大器的反饋光束進(jìn)行濾波，從而將所述反饋光束內(nèi)的、處于所述激光載波頻率的光引導(dǎo)進(jìn)所述反射式放大器中以使所述激光載波頻率下的光放大； 第一分束器，位于所述反射式放大器與所述光學(xué)濾波器之間，以透射所述反射式放大器與所述光學(xué)濾波器之間的光束的一部分并且將所述光束的另一部分引導(dǎo)作為第一裝置輸出，所述第一裝置輸出為所述激光載波頻率下的單光調(diào)； 光電二極管，定位成接收從所述諧振器耦合出的、攜帶所述光頻梳的輸出光學(xué)束以產(chǎn)生RF振蕩信號(hào)作為第二裝置輸出；以及 第二分束器，位于由所述光電二極管接收到的所述輸出光學(xué)束的光學(xué)路徑中，以將輸出光學(xué)束的一部分透射到所述光電二極管用于生成所述RF振蕩信號(hào)，并且將所述光束的另一部分引導(dǎo)作為第三裝置輸出，所述第三裝置輸出為在所述諧振器內(nèi)生成的光頻梳的副本。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，包括: 基板，其上設(shè)置有所述諧振器；以及 光學(xué)波導(dǎo)，形成在所述基板上，所述光學(xué)波導(dǎo)將來自所述反射式放大器的光攜帶至所述諧振器并且攜帶來自具有所述光頻梳的所述諧振器的輸出光學(xué)束。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，包括: 相位控制部分，位于所述反射式放大器與所述諧振器之間并且被配置成控制所述反射式放大器與所述諧振器之間的光的相位。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述相位控制部分包括:加熱器，所述加熱器改變所述相位控制部分的溫度以控制所述反射式放大器與所述諧振器之間的光的相位。
16.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述相位控制部分包括: 壓電元件，所述壓電元件改變所述反射式放大器與所述諧振器之間的光的相位。
17.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述相位控制部分包括: 半導(dǎo)體移相器，所述半導(dǎo)體移相器改變所述反射式放大器與所述諧振器之間的光的相位。
18.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述相位控制部分被配置成產(chǎn)生用于改變所述反射式放大器與所述諧振器之間的光的相位的可調(diào)節(jié)延遲。
19.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述光學(xué)耦合器被用于將來自所述反射式放大器的光耦合到所述諧振器中，所述光學(xué)耦合器還用于將所述諧振器內(nèi)的光作為所述輸出光學(xué)束耦合到所述光電二極管。
20.如權(quán)利要求12所述的裝置，包括: 第二光學(xué)耦合器，所述第二光學(xué)耦合器光學(xué)耦合到所述諧振器，以將所述諧振器內(nèi)的光作為所述輸出光學(xué)束耦合到所述光電二極管。
21.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中， 所述諧振器是支持回音壁模式的回音壁模式諧振器，以及 所述光學(xué)耦合器是光學(xué)消逝耦合器。
【文檔編號(hào)】H01S3/08GK103703635SQ201280023595
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月16日
【發(fā)明者】盧特·馬利基, 安德烈·馬茨科 申請(qǐng)人:Oe電波公司