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技術 モノリシックマイクロ共振器を使用した光周波数コム発生のための装置と方法

出願人 マツクス−プランク−ゲゼルシャフトツールフエルデルングデルヴイツセンシャフテンエーフアウ
発明者 パスカル・デル・ハイェトビーアス・キッペンベルクアルベルト・シュリーッサー
出願日 2008年5月7日 (9年4ヶ月経過) 出願番号 2008-121092
公開日 2009年1月29日 (8年7ヶ月経過) 公開番号 2009-020492
状態 特許登録済
技術分野 光偏向、復調、非線型光学、光学的論理素子
主要キーワード 可変周波数発生器 共振位置 有限要素シミュレーション 非線形モード 周波数ギャップ 制御コスト 周期的特性 参照グリッド

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図面 (16)

課題

改良された光周波数コム発生器を提供する。

解決手段

インプットレーザ光を発生するように配置されているレーザデバイスと、パラメトリックに発生される光を与える、3次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器と、このマイクロ共振器に光学的に結合され、マイクロ共振器の中にインプットレーザ光を内部結合させ、マイクロ共振器の外でパラメトリックに発生される光を外部結合させる導波路とを具備する光周波数コム発生器であって、レーザデバイスと導波路とマイクロ共振器とは、キャビティ内の光の場が、インプット光周波数サイドバンド周波数と、パラメトリックに発生された光のサイドバンドの周波数とを有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、最小パワーレベルレーザインプット光をマイクロ共振器のモードに共振内部結合させるように配置されている。

背景

光周波数コム非特許文献1ないし3参照)は、赤外線可視光線および紫外線(非特許文献4および5参照)に対して、互いに等距離の複数の周波数マーカを与え、未知光周波数を、ラジオ周波数、またはマイクロ波周波数参照値リンクさせることができる(非特許文献6および7参照)。これらの登場以来、周波数コムは、光周波数計測学と精密測定(非特許文献6および7参照)とにおいて、およびブロードバンドレーザ基礎としたガスセンシング(非特許文献8参照)並び分子指紋(非特許文献9参照)のような適用において、多大な効果のきっかけとなってきている。初期の研究は、内部キャビティ位相変調によって周波数コムを発生させていたが(非特許文献10ないし12参照)、最近の周波数コムは、繰り返し周波数キャリアエンベロープ相とが安定化されることができるモードロックレーザの、コムのようなモード構造を使用して発生される(非特許文献13参照)。

光周波数コムを発生させるための通常の技術は、一般的に、光学系のセットアップの複雑さと制御コストとに関する欠点を有する可能性がある。

光マイクロキャビティ(非特許文献21参照)は、長く一時的に、小さい空間への光の閉じ込めおかげで、非線形周波数変換理想的に適している。この非線形周波数変換は、ラマン散乱のような誘導非線形プロセス(非特許文献23参照)によって、非線形光変換のしきい値での、劇的な改良(非特許文献22参照)をもたらしてきている。誘導ゲインとは対照的に、パラメトリック周波数変換(非特許文献24参照)は、散逸リザーバとの結合を含まず、原子または分子の共振に依らないようなブロードバンドであり、また、位相感知増幅プロセス(非特許文献25参照)を構成し、この結果、チューナブル周波数変換に唯一適することができる。シリカのような、反転対称性を有する材料の場合、基本パラメトリック相互作用は、4つの光子に関連し(非特許文献26参照)、ハイパーパラメトリック相互作用(またはファイバ光学における変調不安定性(非特許文献26参照))としても知られている(非特許文献27参照)。このようなプロセスは、信号光子周波数ωS)と、アイドラ光子(周波数ωI)とを有する2つのポンプ光子(周波数ωP)間の四光波混合に基づいている。このプロセスは、ポンプ場を与えて、真空波動から、(位相コヒーレント信号光と、アイドラ光とのサイドバンド出現させる。このプロセスのエネルギー保存特性

は、パラメトリック相互作用を観測することを可能にするキャビティ分散量厳格条件を与え、一方、運動保存が、信号モードアイドラモードとに対して本質的に満たされる。実際、近年、全ての共振パラメトリック発振が、自己位相変調および相互位相変調によって発生される非線形モードプーリングによってなされるような(非特許文献15参照)、CaF2結晶並びにシリカのマイクロキャビティ中で、上記プロセスを観測することが可能になってきている(非特許文献15および16参照)。

非線形光変換のために光マイクロキャビティを使用する通常の技術は、共振器中に発生されるサイドバンド周波数の数が非常に制限されるという欠点を有する。従って、このような光マイクロキャビティは、周波数コムを発生させるために使用することができない。キャビティ中分散効果に因り、より多くのサイドバンド周波数の発生は、起こされにくい(非特許文献15参照)。
Udem, T., Holzwarth, R. & Hansch, T. W. Opticalfrequency metrology. Nature 416, 233-237 (2002).
Cundiff, S. T. & Ye, J. Colloquium: Femtosecond optical frequency combs. Reviews of Modern Physics 75, 325-342 (2003).
Ye, J. & Cundiff, S. T. Femtosecond Optical Frequency Comb: Principle, Operation and Applications (Springer, 2005).
Jones, R. J., Moll, K. D., Thorpe, M. J. & Ye, J. Phase-coherent frequency combs in the vacuum ultraviolet via high-harmonic generation inside a femtosecond enhancement cavity. Physical Review Letters 94 (2005).
Gohle, C. et al. A frequency comb in the extreme ultraviolet. Nature 436, 234-237 (2005).
Diddams, S. A. et al. Direct link between microwave and optical frequencies with a 300 THz femtosecond laser comb. Physical Review Letters 84, 5102-5105 (2000).
Diddams, S. A. et al. An optical clock based on a single trapped Hg-199(+) ion. Science 293, 825-828 (2001).
Thorpe, M. J., Moll, K. D., Jones, J. J., Safdi, B. & Ye, J. Broadband Cavity Ringdown Spectroscopy for Sensitive and Rapid Molecular Detection. Science 311, 1595-1599 (2006).
Diddams, S. A., Hollberg, L. & Mbele, V. Molecular fingerprinting with the resolved modes of a femtosecond laser frequency comb. Nature 445, 627-630 (2007).
Kourogi, M., Nakagawa, K. & Ohtsu, M. Wide-Span Optical Frequency Comb Generator for Accurate Optical Frequency Difference Measurement. Ieee Journal of Quantum Electronics 29, 2693-2701 (1993).
Ye, J., Ma, L. S., Daly, T. & Hall, J. L. Highly selective terahertz optical frequency comb generator. Optics Letters 22, 301-303 (1997).
Diddams, S. A., Ma, L. S., Ye, J. & Hall, J. L. Broadband optical frequency comb generation with a phase-modulated parametric oscillator. Optics Letters 24, 1747-1749 (1999).
Jones, D. J. et al. Carrier-envelope phase control of femtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis. Science 288, 635-639 (2000).
Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M. & Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature 421, 925-928 (2003).
Kippenberg, T. J., Spillane, S. M. & Vahala, K. J. Kerr-nonlinearity optical parametric oscillation in an ultrahigh-Q toroid microcavity. Physical Review Letters 93 (2004).
Savchenkov, A. A. et al. Low threshold optical oscillations in a whispering gallery mode CaF2 resonator. Physical Review Letters 93 (2004).
Steinmeyer, G., Sutter, D. H., Gallmann, L., Matuschek, N. & Keller, U. Frontiers in ultrashort pulse generation: Pushing the limits in linear and nonlinear optics. Science 286, 1507-1512 (1999).
Keller, U. Recent developments in compact ultrafast lasers. Nature 424, 831-838 (2003).
Weiner, A. M. Femtosecond pulse shapingusing spatial light modulators. Review of Scientific Instruments 71, 1929-1960 (2000).
Murphy, M. T. et al. High-precision wavelength calibration with laser frequency combs. arXiv:astro-ph/0703622 (2007).
Vahala, K. J. Optical microcavities. Nature 424, 839-846 (2003).
Spillane, S. M., Kippenberg, T. J. & Vahala, K. J. Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature 415, 621-623 (2002).
Chang, R. K. & Campillo, A. J. Optical processes in microcavities (World Scientific, Singapore, 1996).
Dunn, M. H. & Ebrahimzadeh, M. Parametric generation of tunable light from continuous-wave to femtosecond pulses. Science 286, 1513-1517 (1999).
Scully, M. O. & Zubairy, M. S. Quantum Optics (Cambridge, 1996).
Agrawal, G. P. Nonlinear fiber optics (Academic Press, Boston, 1989).
Klyshko, D. N. Photons and Nonlinear Optics (Taylor and Francis, New York, 1988).
Stolen, R. H. & Bjorkholm, J. E. Parametric Amplification and Frequency-Conversion in Optical Fibers. Ieee Journal of Quantum Electronics 18, 1062-1072 (1982).
Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Painter, O. J. & Vahala, K. J. Ideality in a fiber-taper-coupled micro-resonator system for application to cavity quantum electrodynamics. Physical Review Letters 91 (2003).
Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Painter, O. J. & Vahala, K. J. Ideality in a fiber-taper-coupled micro-resonator system for application to cavity quantum electrodynamics. Physical Review Letters 91, art. no.-043902 (2003).
Kubina, P. et al. Long term comparison of two fiber based frequency comb systems. Optics Express 13, 904-909 (2005).
Keilmann, F., Gohle, C. & Holzwarth, R. Time-domain mid-infrared frequency-comb spectrometer. Optics Letters 29, 1542-1544 (2004).
Udem, T., Reichert, J., Holzwarth, R. & Hansch, T. W. Accurate measurement of large optical frequency differences with a mode-locked laser. Optics Letters 24, 881-883 (1999).
Carmon, T., Yang, L. & Vahala, K. J. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Optics Express 12, 4742-4750 (2004).
Weiss, D. S. et al. Splitting of High-Q Mie Modes Induced by Light Backscattering in Silica Microspheres. Optics Letters 20, 1835-1837 (1995).
Kippenberg, T. J., Spillane, S. M. & Vahala, K. J. Modal coupling in traveling-wave resonators. Optics Letters 27, 1669-1671 (2002).
Schiller, S. Asymptotic-Expansion of Morphological Resonance Frequencies in Mie Scattering. Applied Optics 32, 2181-2185 (1993).
Walls, D. F. & Milburn, G. J. Quantum Optics (Springer, New York, 1994).
Rokhsari, H. & Vahala, K. J. Kerr-nonlinearity in an ultrahigh-Q toroid microcavity. Optics Letters 93 (2004).
Rokhsari, H. & Vahala, K. J. Observation of Kerr nonlinearity in microcavities at room temperature. Optics Letters 30, 427-429 (2005).
Armani, D., Min, B., Martin, A. & Vahala, K. J. Electrical thermo-optic tuning of ultrahigh-Q microtoroid resonators. Applied Physics Letters 85, 5439-5441 (2004).
Borselli, M., Srinivasan, K., Barclay, P. E. & Painter, O. Rayleigh scattering, mode coupling, and optical loss in silicon microdisks. Applied Physics Letters 85, 3693-3695 (2004).
Xu, Q. F., Schmidt, B., Pradhan, S. & Lipson, M. Micrometre-scale silicon electro-optic modulator. Nature 435, 325-327 (2005).
Ilchenko, V. S., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B. & Maleki, L. Nonlinear optics and crystalline whispering gallery mode cavities. Physical Review Letters 92 (2004).
Foster, M. A. et al. Broad-band optical parametric gain on a silicon photonic chip. Nature 441, 960-963 (2006).
F. Keilmann, C. Gohle, and R. Holzwarth, Optics Letters 29, 1542 (2004).
T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Applied Physics Letters 85, 6113 (2004).
T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Physical Review Letters 93, 083904 (2004).
P. Kubina, P. Adel, F. Adler, G. Grosche, T. W. Hansch, R. Holzwarth, A. Leitenstorfer, B. Lipphardt, and H. Schnatz, Optics Express 13, 904 (2005).
T. Carmon, L. Yang, and K. J. Vahala, Optics Express 12, 4742 (2004).
T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Optics Letters 27, 1669 (2002).
S. Schiller, Applied Optics 32, 2181 (1993).
T. Kippenberg, Ph.D. thesis, California Institute of Technology (2004).
M. A. Foster and A. L. Gaeta, Optics Express 13, 6848 (2005).

概要

改良された光周波数コム発生器を提供する。インプットレーザ光を発生するように配置されているレーザデバイスと、パラメトリックに発生される光を与える、3次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器と、このマイクロ共振器に光学的に結合され、マイクロ共振器の中にインプットレーザ光を内部結合させ、マイクロ共振器の外でパラメトリックに発生される光を外部結合させる導波路とを具備する光周波数コム発生器であって、レーザデバイスと導波路とマイクロ共振器とは、キャビティ内の光の場が、インプット光周波数のサイドバンドの周波数と、パラメトリックに発生された光のサイドバンドの周波数とを有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、最小パワーレベルでレーザインプット光をマイクロ共振器のモードに共振内部結合させるように配置されている。A

目的

本発明の目的は、改良された光周波数コム発生器と、従来技術の限定を避けて光周波数コムを発生させる方法とを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

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請求項1

所定のインプット光周波数を有するインプットレーザ光を発生するように配置されているレーザデバイスと、パラメトリックに発生される光を与える光パラメトリック発生が可能であるように、3次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器と、このマイクロ共振器に光学的に結合され、このマイクロ共振器の中に、前記インプットレーザ光を内部結合させ(in−coupling)、このマイクロ共振器の外で、前記パラメトリックに発生された光を外部結合させる(out−coupling)導波路とを具備する光周波数コム発生器であって、前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、前記キャビティ内の光の場が、前記インプット光周波数の周波数サイドバンド周波数と、インプット光周波数のサイドバンドの周波数サイドバンドの周波数とを有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、最小パワーレベルで、前記レーザインプット光を、前記マイクロ共振器のモードに、共振内部結合させるように、配置されている光周波数コム発生器。

請求項2

前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、前記キャビティ内の光の場が、前記インプット光周波数に対して、少なくとも10の周波数サイドバンドの周波数を有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、配置されている請求項1の光周波数コム発生器。

請求項3

前記マイクロ共振器は、10ナノ秒を超える光子寿命によって特徴付けられる高Q値モードを示すように形成されている請求項1もしくは2の光周波数コム発生器。

請求項4

前記マイクロ共振器と前記導波路とを有する基板をさらに具備する前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項5

前記導波路は、前記基板上に配置されている矩形の導波路である請求項4の光周波数コム発生器。

請求項6

前記マイクロ共振器は、このマイクロ共振器の分散補正される前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項7

前記パラメトリックに発生された光を検出するように配置されている検出デバイスをさらに具備する前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項8

前記検出デバイスに結合されているフィードバックループをさらに具備し、また、繰り返し周波数隣接コムのモード間の間隔)が、前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器との少なくとも1つの、固有特性を制御するための前記フィードバックループを使用して、検出され、安定化される請求項7の光周波数コム発生器。

請求項9

前記フィードバックループは、前記マイクロ共振器の温度と、このマイクロ共振器の歪みと、前記インプットレーザデバイスのポンプパワーと、このインプットレーザデバイスのレーザ周波数と、前記導波路とマイクロ共振器との間の距離との少なくとも1つを制御するように、配置されている請求項8の光周波数コム発生器。

請求項10

前記レーザデバイスは、安定化された連続波レーザである前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項11

前記マイクロ共振器は、1mm未満の直径を有する前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項12

前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、このマイクロ共振器の自由スペクトル範囲整数倍によって与えられる繰り返し周波数を有する光パルスを発生させるように配置されている、前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項13

前記マイクロ共振器は、1平方センチメートル当たりギガワットより強い強度の光を含む前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項14

前記パラメトリックに発生されるコム成分での、位相振幅との少なくとも一方を、個々に操作するように配置されている、位相と、振幅との少なくとも一方の操作デバイスをさらに具備する前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項15

フーリエ制限と、スペクトル平坦化(spectralflattening)との少なくとも一方へと、光パルスを圧縮するように配置されている圧縮デバイスをさらに具備する前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項16

前記パラメトリックに発生されるコム成分での、位相と振幅との少なくとも一方を、個々に変調するように配置されている変調デバイスをさらに具備する前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項17

前記変調デバイスは、データの伝送のためのキャリアとして、前記変調されるコム成分を変調するように配置されている請求項16の光周波数コム発生器。

請求項18

前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、前記パラメトリックに発生される光を、四光波混合によって発生するように配置されている前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項19

前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、1次およびこれより高次位相コヒーレント周波数サイドバンドを用いて、前記パラメトリックに発生される光を発生するように配置されている前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項20

前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、1次およびこれより高次の隣接する周波数サイドバンドの振幅が、3dB未満の変化をするような、パラメトリックに発生される光を発生するように配置されている前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項21

前記マイクロ共振器から前記導波路への、前記パラメトリックに発生される光の外部結合率が、このマイクロ共振器内で固有の損失率の10分の1以上である前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項22

前記導波路は、プリズムまたはテーパ光ファイバを有することと、前記導波路は、シリコンまたはシリコン窒化物により形成されていることと、前記マイクロ共振器は、ウィスパリングギャラリモードのマイクロ共振器であることと、前記マイクロ共振器は、円形でない形状を有することと、前記マイクロ共振器は、円形の形状を有することと、前記マイクロ共振器は、ディスク形状またはリング形状を有することと、前記マイクロ共振器は、シリコンと、シリコン窒化物と、フッ化カリウムと、シリカと、プラスチックとの少なくとも1つにより形成されていることと、前記マイクロ共振器は、3次の非線形性を示す非線形物質がドープされていることとの、少なくとも1つの様態を有する、前記全ての請求項のいずれか1の光周波数コム発生器。

請求項23

前記マイクロ共振器は、絶縁体ウェハ材料上のシリコンにより形成されている請求項22の光周波数コム発生器。

請求項24

レーザデバイスを用いて、所定のインプット光周波数を有するインプットレーザ光を発生させる工程と、このインプットレーザ光を、導波路を通して、3次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器に結合させる工程と、光パラメトリック発生によって、前記マイクロ共振器内でパラメトリックに発生される光を与える工程と、前記マイクロ共振器の外で、前記パラメトリックに発生された光を結合させる工程と具備し、前記与える工程で、前記レーザインプット光は、前記キャビティ内の光の場が、前記インプット光周波数の周波数サイドバンドの周波数と、インプット光周波数のサイドバンドの周波数サイドバンドの周波数とを有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、最小パワーレベルで、このマイクロ共振器のモードに結合される、光周波数コムを発生する方法

請求項25

前記キャビティ内の光の場は、前記インプット光周波数に対して、少なくとも10の周波数サイドバンドの周波数を有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超える請求項24の方法。

請求項26

前記マイクロ共振器の分散を補正する工程を有する請求項24もしくは25の方法。

請求項27

検出デバイスを用いて、前記パラメトリックに発生された光を検出する工程を有する請求項24ないし26のいずれか1の方法。

請求項28

前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器との少なくとも1つの固有の特性を制御するために配置されている検出デバイスに結合されているフィードバックループを使用して、繰り返し周波数を、検出し、安定化させる工程を有する請求項27の方法。

請求項29

前記マイクロ共振器の温度と、このマイクロ共振器の歪みと、前記インプットレーザデバイスのポンプパワーと、このインプットレーザデバイスのレーザ周波数と、前記導波路とマイクロ共振器との間の距離との少なくとも1つを制御する工程を有する請求項28の方法。

請求項30

前記マイクロ共振器の前記自由スペクトル範囲の整数倍によって与えられる繰り返し周波数を用いて、光パルスを発生する工程を有する請求項24ないし29のいずれか1の方法。

請求項31

前記インプットレーザ光は、前記マイクロ共振器が、1平方センチメートル当たり1ギガワットより強い強度の光を含むように、このマイクロ共振器に結合される請求項24ないし30のいずれか1の方法。

技術分野

0001

本発明は、モノリシック光周波数コム発生器に関する。さらに、本発明は、光周波数コムを発生させる方法に関する。

背景技術

0002

光周波数コム(非特許文献1ないし3参照)は、赤外線可視光線および紫外線(非特許文献4および5参照)に対して、互いに等距離の複数の周波数マーカを与え、未知光周波数を、ラジオ周波数、またはマイクロ波周波数参照値リンクさせることができる(非特許文献6および7参照)。これらの登場以来、周波数コムは、光周波数計測学と精密測定(非特許文献6および7参照)とにおいて、およびブロードバンドレーザ基礎としたガスセンシング(非特許文献8参照)並び分子指紋(非特許文献9参照)のような適用において、多大な効果のきっかけとなってきている。初期の研究は、内部キャビティ位相変調によって周波数コムを発生させていたが(非特許文献10ないし12参照)、最近の周波数コムは、繰り返し周波数キャリアエンベロープ相とが安定化されることができるモードロックレーザの、コムのようなモード構造を使用して発生される(非特許文献13参照)。

0003

光周波数コムを発生させるための通常の技術は、一般的に、光学系のセットアップの複雑さと制御コストとに関する欠点を有する可能性がある。

0004

光マイクロキャビティ(非特許文献21参照)は、長く一時的に、小さい空間への光の閉じ込めおかげで、非線形周波数変換理想的に適している。この非線形周波数変換は、ラマン散乱のような誘導非線形プロセス(非特許文献23参照)によって、非線形光変換のしきい値での、劇的な改良(非特許文献22参照)をもたらしてきている。誘導ゲインとは対照的に、パラメトリック周波数変換(非特許文献24参照)は、散逸リザーバとの結合を含まず、原子または分子の共振に依らないようなブロードバンドであり、また、位相感知増幅プロセス(非特許文献25参照)を構成し、この結果、チューナブル周波数変換に唯一適することができる。シリカのような、反転対称性を有する材料の場合、基本パラメトリック相互作用は、4つの光子に関連し(非特許文献26参照)、ハイパーパラメトリック相互作用(またはファイバ光学における変調不安定性(非特許文献26参照))としても知られている(非特許文献27参照)。このようなプロセスは、信号光子周波数ωS)と、アイドラ光子(周波数ωI)とを有する2つのポンプ光子(周波数ωP)間の四光波混合に基づいている。このプロセスは、ポンプ場を与えて、真空波動から、(位相コヒーレント信号光と、アイドラ光とのサイドバンド出現させる。このプロセスのエネルギー保存特性

0005

は、パラメトリック相互作用を観測することを可能にするキャビティ分散量厳格条件を与え、一方、運動保存が、信号モードアイドラモードとに対して本質的に満たされる。実際、近年、全ての共振パラメトリック発振が、自己位相変調および相互位相変調によって発生される非線形モードプーリングによってなされるような(非特許文献15参照)、CaF2結晶並びにシリカのマイクロキャビティ中で、上記プロセスを観測することが可能になってきている(非特許文献15および16参照)。

0006

非線形光変換のために光マイクロキャビティを使用する通常の技術は、共振器中に発生されるサイドバンド周波数の数が非常に制限されるという欠点を有する。従って、このような光マイクロキャビティは、周波数コムを発生させるために使用することができない。キャビティ中分散効果に因り、より多くのサイドバンド周波数の発生は、起こされにくい(非特許文献15参照)。
Udem, T., Holzwarth, R. & Hansch, T. W. Opticalfrequency metrology. Nature 416, 233-237 (2002).
Cundiff, S. T. & Ye, J. Colloquium: Femtosecond optical frequency combs. Reviews of Modern Physics 75, 325-342 (2003).
Ye, J. & Cundiff, S. T. Femtosecond Optical Frequency Comb: Principle, Operation and Applications (Springer, 2005).
Jones, R. J., Moll, K. D., Thorpe, M. J. & Ye, J. Phase-coherent frequency combs in the vacuum ultraviolet via high-harmonic generation inside a femtosecond enhancement cavity. Physical Review Letters 94 (2005).
Gohle, C. et al. A frequency comb in the extreme ultraviolet. Nature 436, 234-237 (2005).
Diddams, S. A. et al. Direct link between microwave and optical frequencies with a 300 THz femtosecond laser comb. Physical Review Letters 84, 5102-5105 (2000).
Diddams, S. A. et al. An optical clock based on a single trapped Hg-199(+) ion. Science 293, 825-828 (2001).
Thorpe, M. J., Moll, K. D., Jones, J. J., Safdi, B. & Ye, J. Broadband Cavity Ringdown Spectroscopy for Sensitive and Rapid Molecular Detection. Science 311, 1595-1599 (2006).
Diddams, S. A., Hollberg, L. & Mbele, V. Molecular fingerprinting with the resolved modes of a femtosecond laser frequency comb. Nature 445, 627-630 (2007).
Kourogi, M., Nakagawa, K. & Ohtsu, M. Wide-Span Optical Frequency Comb Generator for Accurate Optical Frequency Difference Measurement. Ieee Journal of Quantum Electronics 29, 2693-2701 (1993).
Ye, J., Ma, L. S., Daly, T. & Hall, J. L. Highly selective terahertz optical frequency comb generator. Optics Letters 22, 301-303 (1997).
Diddams, S. A., Ma, L. S., Ye, J. & Hall, J. L. Broadband optical frequency comb generation with a phase-modulated parametric oscillator. Optics Letters 24, 1747-1749 (1999).
Jones, D. J. et al. Carrier-envelope phase control of femtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis. Science 288, 635-639 (2000).
Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M. & Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature 421, 925-928 (2003).
Kippenberg, T. J., Spillane, S. M. & Vahala, K. J. Kerr-nonlinearity optical parametric oscillation in an ultrahigh-Q toroid microcavity. Physical Review Letters 93 (2004).
Savchenkov, A. A. et al. Low threshold optical oscillations in a whispering gallery mode CaF2 resonator. Physical Review Letters 93 (2004).
Steinmeyer, G., Sutter, D. H., Gallmann, L., Matuschek, N. & Keller, U. Frontiers in ultrashort pulse generation: Pushing the limits in linear and nonlinear optics. Science 286, 1507-1512 (1999).
Keller, U. Recent developments in compact ultrafast lasers. Nature 424, 831-838 (2003).
Weiner, A. M. Femtosecond pulse shapingusing spatial light modulators. Review of Scientific Instruments 71, 1929-1960 (2000).
Murphy, M. T. et al. High-precision wavelength calibration with laser frequency combs. arXiv:astro-ph/0703622 (2007).
Vahala, K. J. Optical microcavities. Nature 424, 839-846 (2003).
Spillane, S. M., Kippenberg, T. J. & Vahala, K. J. Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature 415, 621-623 (2002).
Chang, R. K. & Campillo, A. J. Optical processes in microcavities (World Scientific, Singapore, 1996).
Dunn, M. H. & Ebrahimzadeh, M. Parametric generation of tunable light from continuous-wave to femtosecond pulses. Science 286, 1513-1517 (1999).
Scully, M. O. & Zubairy, M. S. Quantum Optics (Cambridge, 1996).
Agrawal, G. P. Nonlinear fiber optics (Academic Press, Boston, 1989).
Klyshko, D. N. Photons and Nonlinear Optics (Taylor and Francis, New York, 1988).
Stolen, R. H. & Bjorkholm, J. E. Parametric Amplification and Frequency-Conversion in Optical Fibers. Ieee Journal of Quantum Electronics 18, 1062-1072 (1982).
Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Painter, O. J. & Vahala, K. J. Ideality in a fiber-taper-coupled micro-resonator system for application to cavity quantum electrodynamics. Physical Review Letters 91 (2003).
Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Painter, O. J. & Vahala, K. J. Ideality in a fiber-taper-coupled micro-resonator system for application to cavity quantum electrodynamics. Physical Review Letters 91, art. no.-043902 (2003).
Kubina, P. et al. Long term comparison of two fiber based frequency comb systems. Optics Express 13, 904-909 (2005).
Keilmann, F., Gohle, C. & Holzwarth, R. Time-domain mid-infrared frequency-comb spectrometer. Optics Letters 29, 1542-1544 (2004).
Udem, T., Reichert, J., Holzwarth, R. & Hansch, T. W. Accurate measurement of large optical frequency differences with a mode-locked laser. Optics Letters 24, 881-883 (1999).
Carmon, T., Yang, L. & Vahala, K. J. Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities. Optics Express 12, 4742-4750 (2004).
Weiss, D. S. et al. Splitting of High-Q Mie Modes Induced by Light Backscattering in Silica Microspheres. Optics Letters 20, 1835-1837 (1995).
Kippenberg, T. J., Spillane, S. M. & Vahala, K. J. Modal coupling in traveling-wave resonators. Optics Letters 27, 1669-1671 (2002).
Schiller, S. Asymptotic-Expansion of Morphological Resonance Frequencies in Mie Scattering. Applied Optics 32, 2181-2185 (1993).
Walls, D. F. & Milburn, G. J. Quantum Optics (Springer, New York, 1994).
Rokhsari, H. & Vahala, K. J. Kerr-nonlinearity in an ultrahigh-Q toroid microcavity. Optics Letters 93 (2004).
Rokhsari, H. & Vahala, K. J. Observation of Kerr nonlinearity in microcavities at room temperature. Optics Letters 30, 427-429 (2005).
Armani, D., Min, B., Martin, A. & Vahala, K. J. Electrical thermo-optic tuning of ultrahigh-Q microtoroid resonators. Applied Physics Letters 85, 5439-5441 (2004).
Borselli, M., Srinivasan, K., Barclay, P. E. & Painter, O. Rayleigh scattering, mode coupling, and optical loss in silicon microdisks. Applied Physics Letters 85, 3693-3695 (2004).
Xu, Q. F., Schmidt, B., Pradhan, S. & Lipson, M. Micrometre-scale silicon electro-optic modulator. Nature 435, 325-327 (2005).
Ilchenko, V. S., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B. & Maleki, L. Nonlinear optics and crystalline whispering gallery mode cavities. Physical Review Letters 92 (2004).
Foster, M. A. et al. Broad-band optical parametric gain on a silicon photonic chip. Nature 441, 960-963 (2006).
F. Keilmann, C. Gohle, and R. Holzwarth, Optics Letters 29, 1542 (2004).
T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Applied Physics Letters 85, 6113 (2004).
T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Physical Review Letters 93, 083904 (2004).
P. Kubina, P. Adel, F. Adler, G. Grosche, T. W. Hansch, R. Holzwarth, A. Leitenstorfer, B. Lipphardt, and H. Schnatz, Optics Express 13, 904 (2005).
T. Carmon, L. Yang, and K. J. Vahala, Optics Express 12, 4742 (2004).
T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Optics Letters 27, 1669 (2002).
S. Schiller, Applied Optics 32, 2181 (1993).
T. Kippenberg, Ph.D. thesis, California Institute of Technology (2004).
M. A. Foster and A. L. Gaeta, Optics Express 13, 6848 (2005).

0007

本発明の目的は、改良された光周波数コム発生器と、従来技術の限定を避けて光周波数コムを発生させる方法とを提供することである。

0008

この目的は、独立請求項の特徴を有する装置と方法とによって解決される。本発明の効果のある実施の形態と適用とが、従属請求項で規定されている。

0009

第1の様態によると、本発明は、以下の構成の光周波数コム発生器を提供する一般的な技術教示に基づいている。この光周波数コム発生器は、所定のインプット光周波数を有するインプットレーザ光を発生させるように配置されているレーザデバイスポンプレーザ)と、パラメトリックに発生される光を与える光パラメトリック発生が可能であるように、3次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器と、このマイクロ共振器に光学的に結合される導波路とを有し、この導波路は、このマイクロ共振器の中に、前記インプットレーザ光を内部結合させ、このマイクロ共振器の外で、前記パラメトリックに発生された光を外部結合させるように配置されている。本発明では、前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、前記キャビティ内の光の場が、前記インプットレーザ光の周波数の直接的な周波数サイドバンドの周波数と、さらに、このインプットレーザ光の周波数のサイドバンドの周波数サイドバンドに等しい周波数とを有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、所定のパワーレベルで、レーザインプット光を、マイクロ共振器のモードに、共振内部結合させるように形成されている。本発明では、複数の周波数サイドバンド(コム成分)が、周波数コムを形成するように、マイクロ共振器内で発生される。

0010

前記導波路に、好ましくは組み合わされている前記マイクロ共振器は、モノリシック光成分として与えられることができる。本発明において、モノリシック光周波数コム発生器、即ち、実質的に一定の周波数のインクリメントによって周波数で分離された、複数のモノリシック光周波数成分を発生することができるデバイスが、開示されている。このマイクロ共振器は、光パラメトリック発生をさせることができる。この光パラメトリック発生では、第1の周波数の2つの光子が、第1の周波数よりも高い第2の周波数の光子と、第1の周波数よりも低い第3の周波数の光子との2つの光子に、前記マイクロ共振器のキャビティ中で変換される。このマイクロ共振器は、四光波混合によって、前記パラメトリックに発生される光を発生するように、好ましくは配置されている。この場合、前記パラメトリックに発生される光は、非縮退パラメトリックプロセスによって得られ、異なる周波数の光子は、前記マイクロ共振器のキャビティ中で、シフトされた周波数を有する2つの光子に変換される。

0011

本発明者達は、マイクロ共振器中の非線形相互作用が、周波数コムを発生させるカスケードパラメトリック発生を可能にすることを見出してきた。これは、初めに発生された信号サイドバンドとアイドラサイドバンドとが、非縮退四光波混合(FWM)(非特許文献28参照)によって互いに相互作用し、かつ相互作用ωP+ωS=ωI+ωS2によって(特に図1参照)高次のサイドバンド(周波数ωI2、ωS2を有する)を発生することができることを注意することによって、理解され得る。前記キャビティが、低い分散(パラメトリックゲインバンド幅よりも小さい(非特許文献15参照))を示すならば、高次に対する継続的な四光波混合は、本質的に、互いに等間隔を有する位相コヒーレントサイドバンドの発生、即ち光周波数コムをもたらす。

0012

本発明以前に、この方法での光周波数コムの発生は、強い強度で生じ得るポテンシャルコヒーレンスブレークダウンと、パラメトリックプロセス自体が、ペアでは等距離であるが(pairwise equidistant)、互いに(mutually)等距離ではない信号サイドバンドとアイドラサイドバンドとを発生させることとにより、期待されていなかった。しかし、本発明者達は、パラメトリックサイドバンドの特性を調べ、時間領域中で周期的な光の波形を発生させ、モノリシックマイクロ共振器からの周波数コム発生の最初証拠発見した。

0013

本発明の第1の好ましい実施の形態では、レーザデバイスと、導波路と、マイクロ共振器とは、キャビティ内の光の場が、インプット光周波数に対して、少なくとも10の周波数サイドバンドを、特に、少なくとも50の周波数サイドバンドを有する、パラメトリックに発生された光での所定のカスケードパラメトリック発振のしきい値を超えるように、配置されている。好ましくは、マイクロ共振器は、10ナノ秒を超える光子の寿命によって特徴付けられる高Q値モードを示すように形成されている。

0014

本発明のさらなる好ましい実施の形態によると、前記導波路は、プリズムまたはテーパ光ファイバを有することと、前記導波路は、シリコンまたはシリコン窒化物により形成されていることと、前記マイクロ共振器は、ウィスパリングギャラリモードのマイクロ共振器であることと、前記マイクロ共振器は、円形でない形状を有することと、前記マイクロ共振器は、円形の形状を有することと、前記マイクロ共振器は、ディスク形状またはリング形状を有することと、前記マイクロ共振器は、シリコンと、シリコン窒化物と、フッ化カリウムと、シリカと、プラスチックとの少なくとも1つにより形成されていることと、このマイクロ共振器は、3次の非線形性を示す非線形物質がドープされていることとの、少なくとも1つの態様が満たされる。前記マイクロ共振器が、絶縁体ウェハ材料上のシリコンからなるならば、SOI技術によって、本発明を満たすさらなる効果が得られる。本発明のさらなる好ましい態様では、前記マイクロ共振器は、1mm未満の直径を有する。さらに、本発明のマイクロ共振器は、1平方センチメートル当たりギガワットより強い強度で、レーザインプット光を含むマイクロ共振器である。

0015

本発明のさらなる好ましい実施の形態では、前記光周波数コム発生器は、マイクロ共振器と、導波路とを有する基板を有する。モノリシック周波数コム発生器が、効果的に構成されることができる。特に好ましい実施の形態では、前記導波路は、前記基板上に配置された矩形の導波路である。本発明のさらなる好ましい態様では、前記マイクロ共振器は、このマイクロ共振器の分散が補正される。分散補正は、例えば、前記キャビティの材料の分散と、前記導波路の固有の分散とを互いに適合することによって、例えば、前記キャビティと、前記導波路との少なくとも一方の、材料と、構成との少なくとも一方を選ぶことによって得られる。

0016

検出デバイスが、前記パラメトリックに発生される光を検出するように、好ましくは配置されている。この検出デバイスは、繰り返し周波数(隣接コムのモードの間隔)が、前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器との少なくとも1つの固有の特性を制御するフィードバックループを使用するように、検出され、安定化されるように、フィードバックループに結合されることができる。このフードバックループは、前記マイクロ共振器の温度と、このマイクロ共振器の歪みと、前記インプットレーザデバイスのポンプパワーと、このインプットレーザデバイスのレーザ周波数と、前記導波路と前記マイクロ共振器との間の距離との少なくとも1つを制御するように、好ましくは配置されている。

0017

第2の様態によると、本発明は、光周波数コムを発生させるための方法を提供する一般的な技術教示に基づいている。この方法は、レーザデバイスを用いて、所定のインプット光周波数を有するインプットレーザ光を発生させる工程と、このインプットレーザ光を、導波路を通して、3次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器に結合させる工程と、光パラメトリック発生によって、前記マイクロ共振器内でパラメトリックに発生される光を与える工程と、前記マイクロ共振器の前記パラメトリックに発生された光を結合させる工程と有し、前記与える工程で、前記レーザインプット光は、キャビティ内の光の場が、前記インプット光周波数の周波数サイドバンドの周波数と、インプット光周波数のサイドバンドの周波数サイドバンドの周波数とを有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、最小パワーレベルで、このマイクロ共振器のモードに結合される。

0018

前記パラメトリックに発生された光は、1次およびこれより高次の位相コヒーレント周波数サイドバンド、即ち前記インプットレーザ光の周波数サイドバンドを、好ましくは有する。前記カスケード周波数サイドバンドは、互いに位相コヒーレントである。

0019

本発明のさらなる好ましい実施の形態では、前記パラメトリックに発生される光は、1次およびこれより高次の隣接する周波数サイドバンドの振幅、特に好ましくは前記コム成分の3分の1未満の振幅が、3dB未満の変化量であるように与えられる。本発明の他の好ましい態様では、前記パラメトリックに発生される光の外部接合率は、サイドバンドの大部分が、同じ振幅(強度)を有する、即ち、前記インプットレーザ(ポンプレーザ)の周波数の振幅に対する比較振幅(好ましくは50%より小さい差)となるように選ばれる。本発明のさらなる好ましい態様では、前記マイクロ共振器から前記導波路への、前記パラメトリックに発生される光のコム成分の外部接合率は、共振器内で固有の損失率(共振器中の光子の寿命の逆数)の10分の1以上である。これら態様は、前記マイクロ共振器の共振モードに対するインプットレーザ光の範囲を変えることと、このマイクロ共振器の共振モードの他の共振モードにインプットレーザ光の範囲を変えることと、このマイクロ共振器と、導波路との少なくとも一方の構成を変えること、例えば、共振器と導波路との間隔を変えることと、インプットレーザのポンプ強度を変えることとを含む、少なくとも1つの測定によって、好ましくは満たされる。

0020

本発明は、カー非線形性(非特許文献15および16参照)によって、モノリシック高Q値マイクロ共振器(非特許文献14参照)のモードと相互作用する既知の周波数の連続波(CW)ポンプレーザから発生され、互いに等距離に配置された周波数マーカによる全く新規の手法を示す。パラメトリックゲインの固有のブロードバンドの特性は、外部スペクトル広がりに依らず、1550nm付近で、500nmの幅のスパン(〜70THz)に渡って、離散コムのモードの発生を可能にする。光ヘテロダインに基づいた測定は、キャビティの受動分散を克服するような、光周波数コムを生じさせるカスケードパラメトリック相互作用を明らかにする。モードの間隔の均一性が、1010のうち6つの部分(6 parts in 1010)で、実験的に相対的な精密さで測定されてきている。フェムト秒モードロックレーザ(非特許文献17参照)とは対照的に、本発明は、サイズ、コストおよびパワー消費を頗る減少させることを可能にするモノリシック光周波数コム発生器に向けた可能な工程を示す。さらに、本手法は、光の波形合成(非特許文献19参照)、高効率のデータ転送、または天文物理学分光計目盛設定(非特許文献20参照)のような、個々のコムのモードが必要とされる分野で有用な、100GHzを超えるような、これまでは実現不可能な繰り返し周波数(非特許文献18参照)での動作を可能する。

0021

本発明の好ましい実施の形態のさらなる詳細と効果とが、添付図面を参照して説明されており、本発明の実施の形態が、図1ないし図11に示されている。特に、図2での、外部キャビティレーザとマイクロトロイドとの組合せが、本発明の周波数コム発生器の基本の実施の形態を示す。

発明を実施するための最良の形態

0022

好ましい実施の形態の以下の記載において、参照値が、ディスク形状またはリング形状のマイクロ共振器中で、周波数コムを発生するように作られる。本発明の適用は、この実施の形態に限定されるものではなく、カスケードパラメトリック発振のしきい値を超えるように、キャビティ内部での光の場を強めるような共振に適している他の固体共振器でも良いことが強調される。

0023

パラメトリックサイドバンドを発生させるために、好ましい一実施の形態は、非特許文献14に記載されているようなシリカでできたトロイドマイクロキャビティの形態の超高Q値マイクロ共振器を使用する。このトロイドマイクロキャビティは、シリコンチップ上のシリカからなるモノリシック共振器であり、巨大な光子蓄積(giant photon storage)時間(τ)、即ち超高質ファクタ(Q=ωτ>108)と、小さなモード容積(V〜500λ3/n3)とを有する。高い効率の結合(非特許文献29参照)が、従来の研究に記載されているようなテーパ光ファイバを使用して得られる(非特許文献22および30)。高い循環パワーのおかげで、パラメトリック相互作用は、約50μWのしきい値で容易に観測される。1550nmの連続波(CW)レーザ源を用いてポンピングされたとき、高周波数低周波数との両方延びたパラメトリックサイドバンドの広範囲に渡るカスケードと増加とが、観測される。

0024

図1は、直径75μmのモノリシックマイクロ共振器からのブロードバンドパラメトリック周波数変換を示す。図1Aは、1555nmで60mWでの連続波(CW)レーザパワーを用いてポンピングされたときに、直径75μmのモノリシックトロイドマイクロキャビティ中で観測されたパラメトリック周波数変換のスペクトルを示す。パラメトリック相互作用と四光波混合(FWM)との組合せが、キャビティの自由スペクトル範囲に離間されたブロードバンド放出を生じる。挿入図は、ほぼ500nmの波長スパンに渡って広がり、70より多いモードを発生している、異なるサンプルのパラメトリックモードのブロードバンドパラメトリック変換を示す(起動パワー130mW)。このスペクトル(赤色方向にシフトしたサイドバンドでの高パワーを有する)と放出の変調との非対称性は、それぞれ、ラマン増幅と、テーパファイバ出力の結合の変化とに帰する。図1Bは、パラメトリック変換に起因するプロセスを概略的に示し、異なる角モード数(m)の固有振動モードキャビティ間の、縮退四光波混合(左)と非縮退四光波混合(右)とを示す。図1Cは、シリコンチップ上のトロイドマイクロキャビティの走査電子顕微鏡像を示す。

0025

図1は、直径75μmのマイクロキャビティが、60mWのパワーを用いてポンピングされ、100GW/cm2を超える内部キャビティ強度を生じるスペクトルを示す。パラメトリック周波数変換は、全変換効率が21.2%(オーバーカップル領域中で使用することによって観測される最も高い変換効率は、83%であった(非特許文献29参照))で、490nmの範囲を超えて広げることができた(図1の挿入図参照)。これらサイドバンド(以下の説明ではカーコムと称される)は、多くの異なるサンプルで観測されることができた。また、より大きく製造されたサンプル(直径190μm)で、375GHzだけ間隔を置いた134のモードを有する380nmのブロードなカーコムが、わずかに高いポンプパワー消費で発生されることができた。

0026

格子を基礎とした光スペクトル検光子を用いた測定は、発生されたモードが、同じモードの一群(即ち、角運動モード数(m)のみが異なり、角度方向の電場依存性が、

0027

と表される)に属することを明らかにするが、与えられた正確さ(約5GHz)は、観測されたカーコムが互いに等距離かどうかを証明するには十分でない。この証明は、少なくともキャビティの線幅(この実験では約1〜10MHz)以下で、高スペクトル分解によって同時に測定され得るパラメトリックゲインを受けるキャビティのモードを必要とする。本発明者達は、参照グリッドとして、ファイバレーザに基づいた光周波数コム(非特許文献31参照)(以下の説明では参照コムと称される)を使用することによって、この課題を成し遂げた。測定を基本とするこの原理は、以下の通りである。検出プロセス中に最も高く現れるビートノートが、frep/2より小さい(ここで、frepは、図2Bを参照して、参照コムの繰り返し周波数である)ならば、マルチヘテロダイン周波数コム分光測定(非特許文献32参照)と同様に、カーコムに参照コムを重畳することによってフォトダイオード上に発生されたビートが、ビートノートを生じる。このビートノートは、ラジオ周波数領域で光スペクトルのレプリカを構成する。特に、パラメトリックスクトルが互いに等距離であれば、参照コムに対するこれらビートノートは、RF領域中で等距離のコムを構成するであろう。

0028

図2は、光ビート測定のための実験のセットアップを示す。図2Aは、外部キャビティレーザ(ECL)を有する実験のセットアップを示し、このECLは、テーパファイバによって、窒素環境中の超高Q値モノリシックマイクロ共振器に結合されている。パラメトリック出力側は、ビートノート検出ユニット(BDU)の第1のポートに結合されている。前記BDUの第2のポートは、参照コムとして機能するモードロックフェムト秒エルビウムドープファイバレーザに結合されている。格子が、カーモードのスペクトル領域を選ぶように使用され、また、PIN型シリコンフォトダイオードが、参照コムに対するこれらビートを記録する(さらなる詳細は、図5ないし図11を参照して以下で説明される)。図2Aにおいて、外部キャビティレーザとマイクロトロイドとの組合せが、本発明の周波数コム発生器の基本の実施の形態を表す。図2Bは、測定原理を示す。パラメトリック線を有する参照コムのビートは、周波数情報を含むラジオ周波数領域に、ビート周波数を与える。図3は、電気的なビートノートスペクトルを示す。この図3の上側パネルは、図2のセットアップで測定され、ポンプからフォトダイオードに発生された、測定された電気的なビートノートのフーリエ変換と、9つの同時に発振されたカーサイドバンドとを示す。対応する光スペクトルが、挿入で示されている。この測定の獲得(acquisition)時間は、200マイクロ秒であった。RFビートのパワーの変化は、(ファイバ中の偏光のモードの分散に帰する)カーモードの偏光の平行でないアライメントによる。図3の下側パネルは、コム線数の関数としてRFスペクトルから得られた、記録されたビートを、誤差と共に示す。この測定は、これら線が、3kHz以内で互いに等距離にあること(即ち、コムのモードの周波数間隔が、1010のうち6つの部分の実験解析内で互いに等距離にあること)を明らかにする。

0029

光ビート測定のための実験のセットアップにおいて、1550nmの外部キャビティレーザが、パラメトリック相互作用をポンピングするように使用された(図1A参照)。ビートノートを発生させるために、マイクロキャビティのカー線は、ビートノート検出ユニット(BDU)中で、参照コムに重畳された。このビートノート検出ユニットは、2つの参照コムを組み合わせるための偏光光学系と、カーコムと参照コムとが重なるスペクトル領域を選ぶための格子とを有する。このようにして、9つの同時に発振されたパラメトリックモードのビート(50nmより大きな波長スパンをカバーしている)が記録された。図3は、パラメトリック出力と参照コムとを重畳させることによって発生された、RFビートノートスペクトルを示す。注目すべきは、発生されたサイドバンドが、5kHz以内で互いに等距離にあることが判ることである(200マイクロ秒の測定時間によって決定されているとき)。同様の結果が、異なるサンプルに対して、また、コムの異なるスペクトル領域に対しても得られた。これは、カーコムのモードも、1010のうち6つの部分に対する周波数領域中で、等距離に置かれており、従って、周波数コムを構成することを示している。カウンターを用いたとき、モードの間隔測定の正確さが、大きく改良されることができたことに注意することが重要である(非特許文献33参照)。

0030

次に、観測されたコム発生の基礎となる分散の役割が説明される。図4は、直径80μmのモノリシックマイクロ共振器の分散測定を示す。このメインの図は、自由スペクトル範囲(FSR)の蓄積変化量(即ち分散)、即ちΔω=(ωm+1−ωm)−(ω1577nm−ω1585nm)を示す。比較的高い周波数(比較的短い波長)でのFSRの変化量は、1577nmと1584nmとの間で記録された自由スペクトル範囲に参照される(影が付けられた領域は実験の不確定性を、点線線形フィッティングを示す)。材料の分散によって支配されるウィスパリングギャラリモードに対して予想されるように、この自由スペクトル範囲は、比較的短い波長に対して増加する(SI参照)。挿入図は、参照コムの単一のモードのキャビティの反射を示し、この反射は、キャビティのモードのペアをシフトさせる縮退間のモデル接合によって誘導される。

0031

ウィスパリングギャラリモード(WGM)のマイクロキャビティ中の分散は、自由スペクトル範囲(FSR)での偏差によって特徴付けられ、Δω=(ωm+1−ωm)−(ωm−ωm−1)=ωm+1+ωm−1−2ωmである。この分散は、材料の寄与と、構成からの寄与との両方を示す(補足情報参照)。分散測定は、マイクロ共振器に接続されている導波路に、ファイバに基づいた周波数コムを直接結合させることによってなされた。さらに、この分散測定は、参照マーカとして、外部キャビティダイオードレーザ(ECDL)を使用することと、このキャビティのマーカレーザと参照コムとを互いに安定化させることとの効果を証明した。この安定化は、マーカレーザにマイクロキャビティの熱セルフロッキング(非特許文献34参照)を最初に使用することによって得られた。次に、既知のオフセット周波数によって、このマーカレーザに参照コムをロックする位相ロックが与えられた。この参照コムの超高Q値と高い繰り返し周波数(100MHz)とのおかげで、所定の時間で、1つのコムのモードのみが、単一のマイクロキャビティのモードで共振されることができる。このマイクロキャビティに、共振するように結合されている単一の参照コムのモードを記録するために、モノクロメータが使用され、続いて、パラメトリックサイドバンドが(高ポンプパワーで)観測される波長に合わせられた。また、参照コムのオフセット周波数が合わせられたとき、キャビティからの反射パワーが記録された。この反射信号は、モデル結合(非特許文献35および36参照)(図4の挿入図)によって発生される。このようにして、異なる角モード数mを有するモード間の自由スペクトル範囲(FSR)が測定された。この測定は、参照コムの繰り返し周波数を法としたFSRの変化を与えるのみであることに注意する。この不確定性は、異なる繰り返し周波数を用いて第2の測定を行うことによって、取り除かれた。

0032

図4は、直径80μmのトロイドマイクロキャビティに対するこの測定の結果を示す。この測定は、FSRが、比較的短い波長(即ち正のFSRの分散)に対して増加することを明らかにする。しかし、幾何学的な分散は、負のFSRの分散のみを説明する。なぜならば、固有の幾何学的な共振器のFSRの分散(非特許文献37参照)は、

0033

によって近似されることができるからである(補足情報参照)。ここで、Rはキャビティの半径である。測定された正の値は、材料の分散から生じる寄与、即ち

0034

に帰する。ここで、GVD=−(λ/c)×(∂2n/∂λ2)は、群速度分散パラメータである(補足情報参照)。実際、シリカのGVDは、1.3μmより長い波長に対して正であり、固有の共振器の分散(ωFSR>0を生じる)を補正し、約60nmのスパンに渡って、20MHz程度まで減らされた蓄積分散を導く。この低い値は、これら実験が、ゼロ分散波長の近くで行われることを示す。従って、比較的低い分散は、キャビティのパラメータとゼロ分散波長とを最適化することによって、なされ得ることが注意される。

0035

寒色(cold)のキャビティの線幅を超えるキャビティの分散は、パラメトリックコム発生のプロセスを妨げないことに注意する。このことは、非特許文献15で報告されているように、ガスレーザ中のプーリングモードに類似し(非特許文献38参照)、非線形光モードプーリングのプロセスで説明されることができる。強いCWポンプレーザは、自己位相変調(SPM)と相互位相変調(XPM)との両方を誘導し得る(非特許文献26参照)。XPMは、SPMの2倍である。これは、Ω=4×(c/n)γP(有効非線形性は、γ=(ω/c)×(n2/Aeff)である。ここで、Aeffは有効モード面積、nは屈折率、cは真空中の光の速さ、n2=2.2×10−20m2/Wはガラスのカー非線形性、Pはキャビティ中の貯蔵光パワーである。)によって与えられる従来の研究に記載されているように、パラメトリックゲインがゼロでない(0<Δω<Ω)波長を変える範囲(Δω=2ωm−ωm−1−ωm+1)を与える。この結果、負(非駆動)の値(非特許文献15参照)から、(駆動)キャビティの分散Δω=ωm+1+ωm−1−2ωmにネット変化を生じ、屈折率変化を誘導する合成されたXPMとSPMとが、差の量だけ、キャビティの共振周波数をシフトする。この推論は、(導波路の場合に)周波数のミスマッチに対応した運動量のミスマッチがあっても、光ファイバ中のパラメトリックゲインに類似していることに注目している(非特許文献28参照)。モードプーリングの分析用偏差が発達し(非特許文献39)、XPMのモードプーリングが実験的に測定されている(非特許文献40)が、この論証をカスケードパラメトリック相互作用へと拡張することは、まだ実現されていない。しかし、この実験の結果は、この非線形モードプーリングが、カーコムの形成の基礎となるプロセスに同じように適用できることを示している。

0036

この結果、コム発生のプロセスは、パラメトリックゲインがブロードバンドであり(約200ないし2200nmに広がるガラスの透明窓によってのみ制限される)、非線形モードプーリングのプロセスをもたらすという明確な効果を有して、カー非線形性による内部キャビティ位相変調(IPM)を表す。この非線形モードプーリングのプロセスにより、初期の研究でアクティブな電気光内部キャビティの位相変調に依存するとき、内部キャビティ位相変調に、発生されたコムの幅を制限するような、分散に関連したカットオフに対してより敏感でない感度をもたらす(非特許文献11参照)。

0037

周波数空間中での互いに等距離のカーモードを有する直接の意義は、時間領域中での周期的信号である。このカーモードの位相が、周波数と共に線形に変化する場合、発生された光は、フーリエ制限光パルスを生じる(非特許文献2参照)。射出の時間形状の情報は、2次の自己相関関数を用いて以下のように得られた。

0038

(PPL非線形結晶を使用する、以下参照)実際、周期的な自己相関関数が、5:1までのコントラスト比最大値をもたらすように(この配置図と実験のセットアップに対して、以下図6参照)、全てのサンプルに対して記録された。(8:1の予想される値と比較して)比較的低いコントラスト比は、記録された波形が十分に離れパルスを構成しなかったという事実に帰された。実際、フーリエ制限パルスがキャビティ内に発生された場合でさえも、結合に使用されるテーパファイバと同様に、自己相関器に通じるファイバの群速度の分散は、ここでは約1ピコ秒のキャビティの周回時間のオーダーでの広がりを導くであろう(以下参照)。しかし、この測定から、キャビティから現れる波形が、周期的で、時間に対して安定であると結論付けることができる。実際、これら波形は、サイドバンドの位相コヒーレント特性を確認する測定時間(>60秒)の経過の間、不変であった。従って、適切なパルス形状(非特許文献19参照)を有するフーリエ制限パルスは、原理的には、放出されたスペクトルから発生されることができた。一例として、圧縮されたならば、図1からのスペクトルは、9.5フェムト秒のパルス継続時間となる(双曲線正割二乗のパルス形状を仮定する)。

0039

本発明の周波数コム発生は、さらに大きな改良を与えれば、計測学に対する有用さを証明できる。光の場をマイクロ波信号に直接参照すると(非特許文献2参照)、容易に測定可能な繰り返し周波数が、明白に有用さを証明するであろう。この目的のために、直径660μmのマイクロキャビティが、100GHzより小さい繰り返し周波数(ΔνFSR=c/(2πneffR))で動作することが、既に可能であり得る(我々の現在のリソグラフィマスクによって可能な最大のサンプルに対する375GHzと比較)。ギガヘルツの範囲の間隔は、一般的な計測学への適用において有用であることが証明できた。なぜならば、通常の格子分光計を使用して、個々のコムのモードを直接分析することを可能にし、一方、通常のモードロックレーザと比較して、CWレーザを用いたビートノートは、50GHzより小さい周波数範囲で技術的に利用可能であり、また、単一のコム成分で十分に高められたパワーからさらに効果が得られるからである。この目的のために、ミリメートルサイズの結晶のマイクロ共振器で観測されるパラメトリック相互作用の最近の進歩は、非常に期待できる結果である(非特許文献16参照)。

0040

モードの間隔の精度に対するこの実験の制限は、フェムト秒レーザのコムの間隔に対する先駆的な実験で使用されたようなカウンターに依存しているとき、大きく改良されることができた(非特許文献33参照)。さらに、オクターブへのスペクトルのバンド幅の改良が可能であり得、f−2f干渉計(非特許文献13参照)によって(熱的な同調を介して(非特許文献41参照))、出力スペクトルの安定化を可能にし得る。周波数コム発生を超えた、広いバンド幅での位相コヒーレント放出の発生は、本研究から得ることができたさらなる他の適用であり、超短光パルスの波形の合成に対しての、もしくはブロードバンド放出源としての面白さを証明する。高い繰り返し周波数によって、この源は、テラヘルツ放射を放出する非線形プロセスを行うように使用されることができた。チップデバイスのこの高い繰り返し周波数は、高容量のデータ転送、もしくは周波数コムの個々の成分のアドレス(addressing)と操作とを必要とする関連した適用のための、複数のチャネルの発生のためにも有用であり得る。さらに、材料が、3次の非線形性と、十分に長い光子の寿命とを示すならば、パラメトリック相互作用が、例えばCaF2(非特許文献16参照)のような、他のタイプのマイクロキャビティでも起こることに注意する。このようなキャビティの構成は、概念的にこの発明の中核をなすものではない。報告されている現象は、シリコン(非特許文献42参照)、SOI(非特許文献43参照)または結晶構造(非特許文献44参照)に基づいたWGM共振器のような、他のタイプの高Q値マイクロ共振器で、同じように観測可能であろう。実際、シリコンチップでのネットパラメトリックゲイン(非特許文献45参照)の最近の観測は、この方向性で期待できるステップである。

0041

以下では、モノリシックマイクロ共振器からの、本発明の光周波数コム発生器に関するさらなる詳細な情報が加えられる。図5では、狭い自由スペクトル範囲を有するカーコムの他のスペクトルが示されている。次のセクションでは、ビートノートの実験のセットアップと、マイクロトロイドの分散の理論解析によって理解される分散測定とを説明する。最後のセクションは、マイクロキャビティの放出されたスペクトルから得られた自己相関トレースに関する情報を含んでいる。

0042

図5は、図1の実施の形態と比較して低い繰り返し周波数でのカーコムのスペクトルを示す。カーコムは、直径177μmのトロイドで発生された。このスペクトルの全パワー(ポンプ線+発生されたサイドバンド)は、500mW付近であり、134より多い線が分布されている。自由スペクトル範囲は、3nmである。対応する周波数は、375GHzである。大きなサンプルに対して、広いバンド幅のフォトダイオードを用いて繰り返し周波数の直接測定を可能にするような、100GHzより小さな繰り返し周波数を発生させることが可能であろう。

0043

パラメトリックカー線が互いに等距離である特性を証明するために、モードロックファイバレーザの形態で参照周波数コムが使用される。測定の基礎となる原理は、マルチヘテロダイン分光学の概念と類似している。参照コムは、周波数f0+n・frep(ここで、frepは繰り返し周波数、f0はキャリアのエンベロープのオフセット周波数、nは2・106のオーダーの整数である)を有するスペクトルを発生させ、カーコムは、周波数f0+m・fFSRを発生させる(m〜200)と仮定する。これら2つのコムを干渉させることによって発生された信号は、与えられたラジオ周波数(RF)領域のビートノートスペクトルを有するであろう。繰り返し周波数は、キャビティのFSRが、参照コムの繰り返し周波数の倍数、即ちfFSR〜m0・frep(m0は整数)に近いように調整されたならば、N個の異なるカーコム線が、RF領域中に互いに等間隔に配置されるような、N個の異なるRFビートノートを、即ちRFビートノードの周波数f‘’0+Δ・k(Δ=(fFSR mod frep)、k=1、…N)を発生するだろう。

0044

前記実験のセットアップは、上述のように図2に示されている。チューナブル外部キャビティダイオードレーザ(ECDL)が、刊行物47および48に記載されているように、マイクロトロイドの共振をポンピングするように使用される。このキャビティの共振は、偏光に依存しているので、内部ファイバ偏光制御器が、ポンプレーザの偏光を調整するように使用される。前記マイクロトロイドは、1550nmの領域中で強い吸収幅を有するシリカトロイドの、表面上への水分の析出を避けるように、窒素環境を含むシールされた囲い中に配置されている。

0045

マイクロ共振器中で、線のスペクトルは、非線形パラメトリック相互作用と四光波混合とによって発生される(上記参照)。(マイクロ共振器からテーパファイバの後ろに結合される光を有する)このテーパ光ファイバの出力信号が、3dBのカプラによって2つに分けられており、オシロスコープと光スペクトル検光子とに接続されたフォトダイオードによって監視される。テーパ出力の一方が、ビート検出ユニット(BDU)に送られ、オクターブを広げるファイバレーザに基づいた参照周波数コムに重畳される(非特許文献49参照)。この参照周波数コムは、100MHzの繰り返し周波数を有する。前記BDUは、偏光ビームスプリッタを使用して続いて結合される2つのインプットビームで直交線形偏光を作るように、複数の4分の1波長板と、複数の半波長板とを有する。次に、1つの半波長板によって、前記2つのインプットビームの偏光の調整可能な線形結合が、この2つのインプットビームが干渉する偏光子透過軸を中心に回転される。信号対雑音比(SNR)を高めるために、カーコムを含むスペクトル領域での光は、格子によって選ばれ、最終的に、PIN型のInGaAsフォトダイオード(Menlo systemFPD510)を用いて検出される。内蔵FFTルーチンを有するオシロスコープが、ラジオ周波数スペクトルを分析するために使用される。大まかな分析のために、電気スペクトル検光子が使用される。参照コムの繰り返し周波数は、100MHz付近であるので、レーザ線と参照コムとの間のビートノート周波数は、0MHzないし50MHzの範囲にある。(fFSRmodfrep)まで調整されるこの参照コムの繰り返し周波数は、小さな周波数であるので、対象となる全てのkに対する条件0<k・Δ<frep/2が満たされる。その上、等距離のRFビートの観測が、カーコムが等距離であることの明白な証明を与える。

0046

キャビティの分散を測定するために、図6に示されている構成体が使用される。図6は、この分散測定の実験のセットアップである。左下側のビート検出ユニットが、外部キャビティダイオードレーザ(ECDL)とファイバレーザ周波数コムとの間に、オフセットロックを設けるように使用される。従って、ビート検出ユニット中のフォトダイオードからの信号は、最初に、ファイバレーザコムの100MHzの繰り返し周波数の強い信号を取り除くように、50MHzのローパスを用いて取り除かれる。続いて、このビートノート信号は、可変周波数発生器(10〜60MHz)を用いて10MHzに下がるように混合され、安定な10MHzのRF参照値と比較される。コンパレータの出力が、ファイバレーザの繰り返し周波数のピエゾ機械制御に接続されているPIフィードバック増幅器に送られる。この可変周波数発生器を調整することによって、ECDLのレーザ線と隣接コム線との間の距離を、0MHzとfrep/2との間で任意の値に変えることができる。さらに、このECDLとファイバコムとは、ECDLに熱的にロックされたマイクロトロイドの共振を有するマイクロキャビティに結合されている。キャビティの2つの共振間の距離を測定するために、ゼロスパンモードで光スペクトル検光子(OSA)が、ECDLによってポンピングされた共振とは異なるキャビティの共振の周波数の波長に設定される。次に、前記オフセットロックは、ファイバコムの反射信号がOSAに検出されるまで、変えられる。これがなされると、前記ECDLと、ファイバコムの1つのモードとが、マイクロキャビティの2つの異なるモードを有する共振をする。これは、FSRが、fbeatnote+n・frepとして得ることができることを意味する。

0047

まとめると、外部キャビティレーザは、1550nm付近で、基本のWGMキャビティのモード(高いパワーでのカスケードサイドバンドを生じる同じ共振)の1つに最初にロックされる。モノリシックマイクロ共振器のキャビティの共振は、熱セルフロッキング技術(非特許文献50参照)によって、外部キャビティレーザにロックされる。パワーは、パラメトリックしきい値よりかなり低く、85μmより小さいように、しかし、十分に安定なロックをもたらすように選ばれる。次に、周波数コムは、外部キャビティレーザにオフセットロックされる。これは、離れたビートノート検出ユニット中で、周波数コムのビートノートとECDLとを記録することによってなされる(このビートノート検出の原理は、最後のセクション参照)。安定なロッキングをなすために、発生されたビートは、(400kHzの分析バンド幅で)約25〜30dBのSNRを生じるように、取り除かれ、増幅される。分散測定のために、周波数コムは、ECDLに関して、任意の光の波長範囲でロックされる。これは、10MHzに下げられた(可変参照信号(foffset)を用いてビートノートを混合することと、ピエゾ電気チューブ装着されているミラーを使用してキャビティの長さを制御することにより、ファイバコムの繰り返し周波数(frep)のフィードバックを用いて位相ロックを行うこととによってなされる(全てのRF発生器アナライザとは、内部で10MHzの参照値を使用して安定化されることに注意する)。キャビティの線幅が5MHz以下であり、ファイバコム(FC)の繰り返し周波数が100MHzであるという事実によって、所定の時間で1つのFCのコムのモードは、1つのマイクロ共振器のモードで共振することができる。透過において、共振器への個々のコムのモードの結合を測定することは困難であるので、モデル結合によって誘導されるキャビティの反射が測定される(非特許文献51参照)。foffsetの変化(と、同時に記録されるfrepと)によって、反射における個々のキャビティのモードの線幅を分解することができる。従って、この測定は、ファイバコムの繰り返し周波数を法とした2つのキャビティの共振νmとνm+Δmとの間の周波数ギャップ(自由スペクトル範囲)を測定するための正確な方法を与える。個々のFC線の低いパワー(約10nW)は、測定されたキャビティモードが、熱的に歪ませられないことを確実にする。キャビティのFSR間のコム線(n)の数、即ちn=[(νm−νm+Dm)/frep]の不確定性を取り除くために、第2の測定が、nを補正することが可能な異なる繰り返し周波数を用いて行われる。従って、2つのキャビティの共振間の実際の自由スペクトル範囲は、FSR=fbeatnote+n・frepによって得られることができる。

0048

本発明のマイクロキャビティの分散は、2つの寄与を有する。第1に、ウィスパリングギャラリモードのマイクロキャビティが、共振器の構成によって自由スペクトル範囲の本質的な変化を示す。微小球基本モードの共振周波数は、以下の式によって近似的に与えられる(非特許文献52参照)。

0049

ここで、cは真空中の光の速さ、nは屈折率、Rはキャビティの半径、η1はエアリー関数の最初のゼロ(η1〜−2.34)である。従って、自由スペクトル範囲の変化

0050

は、

0051

によって与えられる。明らかに、自由スペクトル範囲は、負の群速度の分散(GVD)に対応して増加する周波数に対して減少する。即ち、低周波数のモードは、高周波数のモードよりも短い周回時間を示す。図7は、40μmおよび80μmの半径の微小球(ウィスパリングギャラリ微小球共振器)に対する変化を示す。即ち、

0052

である。セルマイヤ方程式によって、シリカの分散の効果を含む2つの共振器の半径(40μmおよび80μm)に対するFSRの分散が示される。共振位置は、微小球の共振位置の漸近展開を使用して計算される。シリカ材料と共振器の分散との異なる符号により、ゼロ分散点が、赤外線中に存在する。

0053

第2の寄与は、共振器を構成している結合されたシリカ材料の分散から生じる。この寄与は、屈折率nが、実際に周波数n≡n(m)の(従ってモードの数mの)関数であることを考慮することによって見積もられることができる。構成的な分散は無視し、結合されたシリカのみのGVDは、FSRの変化によって導かれ、

0054

ここで、

0055

は、融解シリカの群速度の分散である。この材料のパラメータは、1300nmの波長領域中で、800nmで約−100ps/nm・kmから、1550nmで+20ps/nm・kmまで、符号を変えることがよく知られている。これら2つの寄与を組合せて、GVDの正の符号は、特に、これら共振器の構成の分散をある程度は打ち消すことを可能にし、広い周波数スパンに渡ってほぼ一定のFSRを与えることができる。図S3は、材料の寄与と構成の寄与との両方を考慮して、80μmおよび160μmの微小球に対するFSRの変化を示す。重要なことに、操作した波長の近くにゼロ分散点が生じる。トロイドマイクロキャビティに対するゼロ分散点の位置は、異なる共振器の形態により、比較的短い波長にシフトされることが期待されることに注意する。この期待は、与えられたmの値に対する共振波長が、微小球と比較して、マイクロトロイドキャビティ中で短いことを示す有限要素シミュレーションによって証明される(非特許文献53参照)。

0056

干渉計の自己相関実験は、マイケルソン干渉計を使用して行われた。複数のアームの1つの長さは、後方反射ミラーにもたらされる移行段階を制御するステッピングモータによって変えられることができる。1nm長のニオブ酸リチウム周期分極反転結晶(PPLN,ThorlabsSHG5−1)が、入射光の第2のハーモニック振動を発生させるように使用される。比較的高い変換効率のために、ビームの偏光は、半波長板および4分の1波長板を用いて調整されることができ、このビームは、アクマチック二重レンズによって結晶に集められる。発生された第2のハーモニック振動光は、基礎となる波長を遮るための950nmのショートパスフィルタを通過した後、高感度シリコンフォトダイオードに集められる。使用されるPPLN結晶は、1550nm付近に適した位相であり、1mm長である。

0057

図9は、2次の自己相関実験を示す。図9Aは、周波数を2倍にするようなPPLN結晶と、第2のハーモニックを記録するためのシリコンフォトダイオードとを使用している自己相関器の概略を示す。このセットアップは、空気中にあり、マイクロ共振器から光ファイバによって2mだけ離されている。図9Bは、測定された自己相関器のトレースを示す(図8中の対応するパラメトリックスペクトル参照)。比較的低いコントラスト比は、パルスが十分に離されていないという事実に帰することに注意する。この場合のキャビティの周回時間は、直径70μmのマイクロ共振器に対して予測されるように、1.03ピコ秒である。図9に示されている2次の自己相関を発生させるように使用された、対応するスペクトルが、図8に示されている。光パワー軸は、ポンピングモードのパワーに対して規格化されている。この自己相関器に送られる平均パワーは、約50mWである。

0058

発生されたスペクトルのブロードなバンド幅により、ファイバの分散の役割は重要である。1550nm付近での100nmの幅のスペクトルに対して、バンド幅制限パルスは、使用されるSMF−28ファイバの1mを、2ピコ秒で広がるであろう(群速度の分散により、15ps/km・nmのGVD)。この効果は、大きな負の分散を示すような(0.8μmのテーパに対して、約−2000ps/km nm)テーパ光ファイバ自身によって部分的に補正されることができた(非特許文献54参照)。しかし、この補正は、この実験のセットでは受けられなかった。第2のハーモニック発生のセットアップは、これら波長の基本的なパルスの継続時間の測定としてよりも、波長の周期的特性を論証するための独立した方法として使用された。

0059

モノリシックマイクロキャビティ中の光パラメトリック発振(OPO)によって発生された光サイドバンドは、互いに等距離であり、従って、固有のキャビティの分散を克服する。これは、10mWより小さいインプットパワーで、周波数コムの発生を導く。

0060

図11は、1553nmの外部キャビティレーザを用いて、直径80μmのトロイドマイクロキャビティをポンピングすることによって得られた、代表的な光スペクトルを示す。テーパ光ファイバからの高い効率のエバネッセント結合が、マイクロトロイドのウィスパリングギャラリモードを励起するように使用される(図1参照)。このテーパ光ファイバの出力は、光スペクトル検光子(OSA)を用いて監視され、また、キャビティの自由スペクトル範囲(FSR)だけ離間されたカスケードパラメトリック線の発生と、ポンプ波長に対して対称な150nmの波長範囲を広げることとを証明するために使用される。

0061

キャビティのゼロでない分散は、キャビティの共振モードを、互いに等距離でないように変えてしまう。発生されたOPOサイドバンドは互いに等距離であるので、本発明以前は、これらサイドバンドがこのキャビティ中で共振しないことが予想された。しかし、キャビティの効果によって相互位相変調および自己位相変調が高められるおかげで、パラメトリック散乱と、カスケード周波数を生じる四光波混合(FWM)とが、キャビティのモードを互いに等間隔にすることができる。

0062

発生されたサイドバンドが実際に等距離であることを実験的に証明するために、本発明者達は、参照値としてファイバに基づいた周波数コムを使用した(非特許文献1参照)。測定機構が、図10にさらに示されている。外部キャビティダイオードレーザに結合されているファイバが、トロイドに結合されているテーパ光ファイバに接続されている。結合後、マイクロキャビティの出力の場の一部が、ビートノートセットアップに送られる。このビートノートセットアップでは、前記発生されたOPOサイドバンドは、ラジオ周波数(RF)ビート信号を発生させるように、フェムト秒ファイバレーザに基づいた光周波数コムに重畳される。半波長板(HW)と、4分の1波長板(QW)と、偏光ビームスピリッタPBS)とが、2つの入力ビームを重畳するように使用される。その後、レーザビームは、2つのレーザシグナルが干渉して、ビートノート信号が発生される45°の角度で、他のPBSに送られる。この参照コムは、1200nmないし1700nmの波長範囲内で、100MHz離間されたスペクトルを与える。この繰り返し周波数と、それぞれの線の間隔とは、約10kHzの範囲内に、ステッピングモータを使用して調整されることができる。この測定原理は、同様の(サブハーモニック)コムの間隔を有する、2つを重畳された互いに等距離のコムが、RF領域でビートノートの互いに等距離のコムを発生させるであろう。参照コムの100MHzのコムの間隔によって、ビートノートの1セットは、通常の光検出器を用いて容易に検出でき、かつ標準電気シグナルのプロセスを使用して分析されることができるような、50MHz未満の周波数を有する(図10参照)。

0063

図10は、実験のセットアップを示す。グレーの線は、光ファイバを、そして、暗い影の線は自由空間光学系を示す。外部キャビティダイオードレーザが、偏光制御器(PC)を通過した後、トロイドに結合されている。点線のボックスは、マイクロキャビティを有する窒素清浄チャンバを示す。透過光は、ファイバカプラ(FC)に導かれ、そこから、左下側のフォトダイオードとビートノードセットアップとに送られる。このビートノートセットアップでは、マイクロキャビティ中に発生されたコム線と、フェムト秒ファイバレーザに基づいた周波数コムのコム線とは、偏光ビームスピリッタキューブ(PBC)内で重畳される。格子(G)が、信号対雑音比を良くするように、フォトダイオードに反射された比較的小さな波長範囲を選ぶように使用される。このフォトダイオードの信号は、ESA(電気スペクトル検光子)とオシロスコープとによって分析され、このオシロスコープは、FFTルーチンによって検出された信号を周波数領域に直接変換する。右のグラフは、光周波数領域中で7.5THzよりも広がっている、9つのパラメトリックに発生された線からの、測定されたラジオ周波数ビートノートのスペクトルである。

0064

9つの同時に測定されたカーコム成分の総計に対するRFビート周波数は、実際、発明者達による測定のバンド幅の分析によってのみ制限される3kHz程度で、互いに等距離で測定される。

0065

計算されたキャビティの分散は、数百MHzの範囲であるので、このキャビティの分散は、広いバンド幅に渡って克服されることができることが結論付けられる。干渉強度の自己相関測定は、非常に高い繰り返し周波数(テラヘルツの範囲)を有するフェムト秒パルス(<100フェムト秒)が発生されることをさらに示している。これは、周波数コム発生のためのプラナーデバイスへのルートを開く。

0066

上述の記載と、図面と、請求項で開示されている本発明の特徴は、様々な実施の形態で、個々の重要な要素と同様に、これらの組合せによってもなされることができる。

図面の簡単な説明

0067

図1Aは、60mWで1555nmの連続波(CW)レーザパワーを用いてポンピングされたときに、直径75μmのモノリシックトロイドマイクロキャビティ中で観測されたパラメトリック周波数変換のスペクトルを示す。
図1Bは、パラメトリック変換に起因するプロセスを概略的に示し、異なる角モード数(m)の固有振動モードのキャビティ間の、縮退四光波混合(左)と、非縮退四光波混合(右)とを示す。
図1Cは、シリコンチップ上のトロイドマイクロキャビティの走査電子顕微鏡像を示す。
図2Aは、テーパファイバによって、窒素環境中の超高Q値モノリシックマイクロ共振器と結合されている外部キャビティレーザ(ECL)を有する実験のセットアップを示す。
図2Bは、測定原理を示す。
図3は、電気的なビートノートスペクトルを示す。
図4は、直径80μmのモノリシックマイクロ共振器の分散測定を示す。
図5は、図1の実施の形態と比較して低い繰り返し周波数でのカーコムのスペクトルを示す。
図6は、分散測定の実験のセットアップを示す。
図7は、40μmおよび80μmの半径の微小球(ウィスパリングギャラリ微小球共振器)に対する変化を示す。
図8は、図9に示されている2次の自己相関を発生させるように使用される、対応するスペクトルを示す。。
図9Aは、周波数を2倍にするようなPPLN結晶と、第2のハーモニックを記録するためのシリコンフォトダイオードとを使用している自己相関器の概略を示す。
図9Bは、測定された自己相関器のトレースを示す。
図10は、実験のセットアップを示す。
図11は、1553nmの外部キャビティレーザを用いて、直径80μmのトロイドキャビティをポンピングすることによって得られた、代表的な光スペクトルを示す。

符号の説明

0068

1…レーザデバイス、2…マイクロ共振器、3…導波路。

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