JP2023525264A - 半導体モードロックレーザデュアルコムシステム - Google Patents

半導体モードロックレーザデュアルコムシステム Download PDF

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Abstract

光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源（１００）、デュアルコム分光法のための集積システム（３００）及び対応する方法が開示される。デュアル周波数コム光源（１００）は、光集積回路と同一の基板（１０１）上に、第１及び第２の半導体集積モードロックレーザ（１１０、１２０）と、マスターレーザ（１３０）と、マスターレーザ及び第１及び第２のモードロックレーザの各々との間の接続装置（１０２）と、を備える。マスターレーザが、第１及び第２のモードロックレーザの同時光注入ロックのためのレージング線を生成するために構成され、第１及び第２のモードロックレーザが、それぞれ第１及び第２の周波数コムを生成するために構成され、更に接続装置が、マスターレーザから各モードロックレーザにレージング光をコヒーレントに伝送することに適している。モードロックレーザが、モードロックを提供するゲイン部及び可飽和吸収体部と、基板に形成された拡張光学キャビティ（１１３、１２３）と、を含む。

Description

本発明は、光周波数コム発生器及び周波数コム分光法に関する。より具体的には、本発明は、集積半導体モードロックレーザに基づく光学デュアル周波数コム発生器に関する。
モードロック半導体レーザに基づいた周波数コムの生成は、当該技術分野において古くから知られている。しかしながら、集積型半導体はキャビティが短いため、レーザのパルス繰り返し率は実質的に数十ギガヘルツに制限されている。これは、気体吸収分光法のような高密度な分光法の用途には広すぎる。大気圧下でスペクトル吸収の特徴を正確に解決するためには、ギガヘルツ以下の繰り返し率が必要である。
シリコンチップ上のシリカウェッジ型マイクロレゾネータは、Ｋｅｒｒキャビティにおけるソリトン発生に基づく２つの周波数コムの１つの可能な光源として、Ｓｕｈらによって、「Ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｓｏｌｉｔｏｎ ｄｕａｌ－ｃｏｍｂ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」， Ｓｃｉｅｎｃｅ （６３１２），６００－６０３，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１６で提案されている。しかしながら、これらのマイクロレゾネータは、２つの外部のＣＷファイバレーザの強い光で結合するためにファイバテーパへの正確な位置合わせを必要とする。そのため、この手法では動作が困難となり、数百ミリワットのオンチップの光パワーが必要となる。約２２ＧＨｚのコム線間隔は、気体吸収分光法などの高密度分光法用途には依然として広すぎ、ギガヘルツ以下の繰り返し率を必要とする。シリカウェッジマイクロレゾネータに基づいたデュアルコム分光法の測定は、２つの外部ファイバレーザの限られた相互コヒーレンスによって引き起こされる、その周波数分解能が制限される。
したがって、単一の基板上に集積することが可能な相互にコヒーレントなデュアル周波数コム光源が依然として必要である。
本発明の実施形態の目的は、単一の基板上に集積することが可能な相互にコヒーレントなデュアル周波数コム光源を提供することである。
本発明の実施形態の更なる目的は、相互コヒーレンスを達成するために光学共振器の位相調整を必要としない、相互にコヒーレントなデュアル周波数コム光源を提供することである。
上記目的は、本発明に従った方法及びデバイスによって達成される。
第１の態様では、本発明は光集積回路に基づく相互にコヒーレントなデュアル周波数コム光源に関し、デュアル周波数コム光源は、光集積回路の同一基板上に、第１及び第２の周波数コムをそれぞれ生成するための第１及び第２の半導体集積モードロックレーザと、第１及び第２のモードロックレーザの同時光学注入ロックのための連続波（ＣＷ）レージング線を生成するためのマスターレーザと、マスターレーザによって生成されたレージング光を各モードロックレーザにコヒーレントに伝達するために、マスターレーザの出力ポートと第１及び第２のモードロックレーザの各々のそれぞれの入力ポートとの間に介在された接続装置と、を備える。第１及び第２のモードロックレーザの各々は、モードロックを提供するためのゲイン部及び可飽和吸収体部を含む。少なくともゲイン部は、基板に接合されたヘテロ集積ＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体として提供される。更に、第１及び第２のモードロックレーザの各々が、基板の導波路層に形成された受動導波路構造を含む拡張光学キャビティを含む。少なくとも、連続波レーザ線に周波数ロックされている各拡張光学キャビティの共振モードは、その拡張光学キャビティへの注入時に５μｓの積分時間で５ＭＨｚ未満、好ましくは５μｓの積分時間で３ＭＨｚ未満（例えば５μｓの積分時間で１ＭＨｚ未満）のスペクトル帯域幅を有し、マスターレーザは、第１及び第２の周波数コムのモード間の周波数間隔よりも狭い線幅を有するＣＷレージング線を生成するように構成され、それによって、マスターレーザによって出射されるＣＷレージング線に対して、第１及び第２の周波数コムの高信頼性で、かつ相互に位相コヒーレントな注入ロックが可能となる。
第１及び第２の生成された周波数コムの各々のコム線のうちのマスターレージング線に光学的に注入ロックすることによって、マスターレーザによって生成されたレージング線が第１及び第２のモードロックレーザの双方のキャリアオフセット周波数を効率的に安定させる。光学注入ロック及び周波数コムのコム線間のコヒーレンス特性の結果、マスターレーザの低雑音及び安定した位相コヒーレンス特性が、生成された第１及び第２の周波数コムにわたる複数のコム線に相互に伝達される。マスターレーザによって生成されたレージング光の各モードロックレーザへのコヒーレントな伝達によって、注入ロックのために２つのモードロックレーザに注入される２つの光波の間の位相コヒーレンスが保持される。結果として、第１及び第２の生成された周波数コムは、相互にコヒーレントであり、すなわち、第１の周波数コムの各コム線は、第１の周波数コムの各他のコム線及び第２の周波数コムの各コム線とコヒーレントであり、その逆も同様である。更に、第１及び第２の周波数コムのコム線は、マスターレーザによって生成された連続波レージング線に対してもコヒーレントであり、特にマスターレーザのＣＷレージング線を介して調整可能になっている。光集積回路としてデュアル周波数コム光源を提供することによって、デュアルコム分光法の用途に必要な高度の位相コヒーレンス及び長期の安定性が保証される。例えば、外部機械的障害（例えば、振動）、熱障害（例えば、温度変動）などの存在下で、２つの周波数コムの相互コヒーレンスが、デュアル周波数コム分光法を行うのに十分に長い時間にわたって維持される。したがって、本発明の実施形態において、約１００μｓ以上のコヒーレンス時間が確保され得る。
本発明の好ましい実施形態によれば、モードロックレーザ拡張光学キャビティの受動導波路構造が、広いスペクトル帯域幅にわたって光を透過する広いバンドギャップの材料を備える。これは、生成された周波数コムによって囲まれた広いスペクトル範囲で、線形及び非線形吸収損失を含む低いキャビティ内損失が得られ得るという有利点を有する。したがって、モードロックレーザによってより高いパルスエネルギーが生成され、モードロックレーザ内により短いゲイン部が設けられ得る。それらが増幅された自然出射の雑音寄与を低減する。広いバンドギャップの材料の低い色分散によって、光学キャビティにおけるパルスの拡張を低減することが可能になり、これは、非常に短い光学パルス及び広い周波数のコムを達成するのに有益である。広いバンドギャップの材料は、誘電性材料であってもよい。
本発明の実施形態によれば、第１及び第２のモードロックレーザの各々の拡張光学キャビティは、線形光学共振器として、又はリング共振器として配置されてよい。リング共振器は、光学フィードバックのためのミラーを設ける必要がなく、したがって、そのようなミラーの分散寄与がリング共振器に存在しないという有利点を有する。それとは対照的に、線形共振器は、より高性能のレーザ実装を必要とする双方向パルスレージングの影響を受けず、線形共振器内のエンドミラーは、光学帯域幅を制限するために使用され得る。
本発明の実施形態によれば、接続装置は、マスターレーザの出力ポートと光通信する結合素子と、その結合素子と第１及び第２のモードロックレーザの入力ポートとの間に光学的に接続された少なくとも２つの送達導波路と、を備えてよい。少なくとも２つの別個の送達導波路に結合することによって、更なる光学部品を各送達導波路に挿入することができ、これにより、注入ロックのためのレージング線を、第１及び第２のモードロックレーザの各々に対して個別に操作することができるという有利点を有する。
本発明の実施形態によれば、第１及び第２のモードロックレーザの各々は、電気ポンプに適合されたゲイン部及び可飽和吸収体部を備えてよい。第１及び第２のモードロックレーザのうちの少なくとも１つのゲイン部及び可飽和吸収体部は、異なる半導体材料から、又は同一半導体材料から作られ得る。同一半導体材料から作られる場合、積層体内の層の配置及び／又はサイズは、ゲイン部及び可飽和吸収体部に対して異なってもよく、又は同一であってもよい。
本発明の実施形態によれば、第１及び第２のモードロックレーザのゲイン部は、基板上にヘテロ集積され得る。特に、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）又はインシュレータオンインシュレータのヘテロ集積上のＩＩＩ－Ｖは確立された汎用フォトニクスプラットフォームであり、このプラットフォームに対して、低損失導波路能力を光集積回路（ＰＩＣ）に接合された高効率利得材料に組み合わせた利点が実験的に検証されている。
本発明の実施形態によれば、接続装置は、マスターレーザの出力ポートと第１及び第２のモードロックレーザのうちの１つのみの入力ポートとの間に配置された周波数シフタを更に備えてよい。これは、取得されたインターフェログラムのビートノートにおけるエイリアシング効果が低減され得、かつ／又は２つの相互にコヒーレントな周波数コムが、コムの中央部分のコム線上にロックされ得るという有利点を有する。エイリアシングは、一般に、周波数コムの短波長又は長波長の端部にそれぞれ位置する光学的に注入ロックされたコム線の左又は右に間隔を置いた残留コム線によって引き起こされる。これらの残留コム線は、一般に、使用可能な光学帯域幅（例えば、３ｄＢの帯域幅）の外側に位置するが、それでも無視できない強度を有し得る。
本発明の実施形態によれば、接続装置は、（例えば、出力ポートに配置された）マスターレーザの一部である光学アイソレータを含むいかなる光学アイソレータも有しなくてもよい。それは、ＣＭＯＳ互換の製造プロセスでオンチップ化が困難な光学アイソレータを設ける必要がないという有利点である。したがって、本発明の実施形態により、可動部のないコンパクトで、コスト効率がよく、かつ機械的に安定したＰＩＣを、例えば、ＣＭＯＳ互換プロセスなどのウェハスケールのプロセスで、大規模に製造することが可能になる。
本発明の実施形態によれば、接続装置は、第１及び第２のモードロックレーザの各々に注入される光パワーの量を制御するための少なくとも１つの光学減衰器を更に備えてよい。出射ロックのために、マスターレーザによって出射されるようなレージング線の光パワーに対して低い光パワーを第１及び第２のモードロックレーザの光学キャビティに注入することが可能になるため、光学減衰器の存在は有益である。より高い出力パワーでマスターレーザを動作させることは、確実な注入ロックに対して安定した、かつ低雑音及び狭い線幅が得られ得るという有利点がある。更に、光学フィードバックの妨害から減衰器がマスターレーザを効率的に保護する。
本発明の実施形態によれば、第１及び第２のモードロックレーザのうちの少なくとも１つが、（１００ＭＨｚ～１０ＧＨｚの周波数コムのモード間隔などの）１０ＧＨｚ未満のコム間隔を有する周波数コムを生成するために構成され得る。これは、振動吸収線の衝突拡大がギガヘルツ領域にあり、アンダーサンプリングの制約（アンダーサンプリングによって引き起こされる曖昧さ）によって制限されない、大気圧下の気体相においてデュアル周波数コム分光法が実行できるという有利点を有する。インターリーブされたスペクトルを使用する手法と比較して、本発明の実施形態は、吸収線パラメータをより正確に決定することが可能であり、時間分解分光法の用途が可能になる。ＲＦドメイン内のコム線に関連付けられたＲＦ線幅が、周波数コム全体にわたって５００ｋＨｚ未満であってもよい。
更なる態様では、本発明は、第１の態様の実施形態による光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源と、第１及び第２のモードロックレーザの合成された周波数コムを受信するように構成された光検出器と、を備える、デュアル周波数コム分光法のための集積システムに関する。更に、第１及び第２のモードロックレーザのうちの１つのみと光検出器との間に伸張する光経路に検知領域が設けられている。検知領域は、生成された周波数コムと検知される種との間の光物質相互作用を可能にするために構成され、生成された第１及び第２の周波数コムのコム間隔の差が、光検出器の検出可能な無線周波数範囲に含まれる。
検知領域は導波路部分を含み、この導波路部分によって誘導されたときに生成された周波数コムと検知される種との間のエバネッセント波を検知するために当該導波路部分は構成され得る。エバネッセント検知のためのカービリニア導波路は、光集積回路の限られた量の表面積のみを使用するように密に渦巻き状になり得るが、それでも比較的長い相互作用長を提供することができる。デュアル周波数コム分光法システムは、受信された第１及び第２の周波数コムの干渉に応答して、光検出器によって生成されたインターフェログラム内のビート線を検出及び分析するための処理手段を更に備えてもよい。更に、システムは光集積回路として提供され得る。
また別の態様では、本発明は、検知される種を備えた試料に対してデュアル周波数コム分光法を実行する方法に関する。方法は、第１の態様の実施形態による光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源を提供するステップを含み、第１の生成された周波数コムの繰り返し率が、第２の生成された周波数コムの繰り返し率とは異なる。別の方法のステップでは、マスターレーザによって生成されるレージング光は、マスターレーザの出力ポートから第１及び第２のモードロックレーザの各々のそれぞれの入力ポートにコヒーレントに伝達され、それによって、第１及び第２のモードロックレーザがレージング光の波長に注入ロックされる。更なるステップでは、第１の生成された周波数コムは、検知領域を通るように方向付けられ、検知領域は検知される種を受け取り、周波数コムと種との間の光物質の相互作用を可能にするために構成される。方法はまた、試料を検知領域と接触させることと、第１及び第２の生成された周波数コムを光検出器上に重ね合わせたときに生成されたインターフェログラム内のビートノートを検出することと、を含み、第１の生成された周波数コムは、試料内の種と相互作用している。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、モードロックレーザが受動的にモードロックされ得、それによって能動的なＲＦ変調が必要なくなるため、レーザ設計及び動作がより単純になることである。これにより、パワーを節約することが可能になる。本発明の他の実施形態では、モードロックレーザは、ハイブリッドモードロックに適合され、これは、生成された２つの周波数コムの繰り返し率が、低いＲＦパワーでも安定化され得るという追加の有利点を有する。モードロックレーザのハイブリッドモードロックには、更に、第１及び第２の生成された周波数コムの繰り返し率を、高品質の周波数標準、例えば、メーザ又はセシウムクロックの遷移を基準にできる更なる有利点があり、これにより、非常に高い周波数分解能でデュアル周波コム分光法を実施することが可能になる。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、１０ＧＨｚ未満（例えば、約１ＧＨｚ）の比較的短いコム線間隔で、１０００本を超える線を備えた、広範かつ高密度のコム周波数スペクトルを得ることができることである。周波数コムは、近赤外線で１ＴＨｚを超える光学帯域幅を有し得る。これにより、正確かつ高解像度の広帯域気体相分光法が可能になる。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、分光法のための相互にコヒーレントなデュアル周波数コム光源が、分光線又は帯の完全な取得を得るために、コム線の周波数調整又は複数回の走査に依拠しないことである。連続走査は、わずかな数のコム線（例えば、数十～数百のコム線）を提供し、かつ／又は繰り返し率の差が大きすぎる、及び／若しくは繰り返し率が大きすぎる他のデュアルコム手法において必要とされ得る。したがって、本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、走査素子を用いずにデュアルコム分光法を実行することができ、リアルタイム多重分光法が可能であることである。したがって、広帯域の分光線又は帯の１回の取得はマイクロ秒の単位であり、ミリ秒単位の長い時間スパンで複数回の走査にわたって測定値を蓄積及び平均化することで、測定をより正確にすることが可能になる。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、オンチップで提供される光ゲインが、気体試料中の長い相互作用長（例えば、気体試料中の数十メートル～数百メートル長の吸収経路）が可能となる十分に強いパルスピーク出力を提供することである。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、注入ロックが、安定化のためのいかなる外部フィードバックループも必要とせず、オンチップで取得されることである。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、２つの相互にコヒーレントな周波数コムの生成が、光集積化に適していない外部の高出力（例えば、ワット程度）のレーザに依拠しないことである。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、２つの相互にコヒーレントな周波数コムの生成には、例えば、数百ミリワット、例えば、１００ｍＷ程度のわずかな電力しか必要としないことであり、それによりデュアルコム光源を電池で駆動することが可能になる。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、狭い線幅のマスターレーザに生成された周波数コムを光学的に注入ロックするよって、確実に２つのコムの良好な相互コヒーレンスを得ることである。本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、生成及びロックされたコムの絶対周波数位置が、同一基板上のマスターレーザによって生成された注入ロック用のレージング線が経験する周波数シフトに従ってドリフトするので、良好な熱的及び機械的安定性も得られることである。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、コム線がない、線が少なすぎる、若しくはまばらに分布している、又はＳ／Ｎ比が良くない周波数コムジェネレータに比べ、ピークが平坦なコムスペクトル及び良好な感度（例えば、ＲＦ基本ビートノートのＳ／Ｎ比が良い）が得られることである。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、外部のキャビティミラー又は外部の可飽和吸収ミラーのような別個の部品を必要とせず、したがって、それらの部品に対する位置合わせ及び結合の問題が回避されることである。特に、例えば、１０ギガヘルツ未満の狭いコム線間隔を得るために、外部の高品質光学キャビティは必要ない。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、デュアルコム分光法を実行するために単一の光検出器のみを必要とすることである。
本発明のいくつかの実施形態の更なる有利点は、モードロックレーザの拡張光学キャビティが、衝突防止パルス構成に従って配置されることである。衝突防止パルス構成によって、より高いパルスピークパワーが光源の出力で得られることが可能になり、かつ／又はモードロックレーザによって生成されたパルス列におけるタイミングジッタの低減が可能になる。衝突防止パルス構成又はトポロジーとは、モードロックレーザキャビティ内で循環するパルスが１つだけ存在し、１往復でキャビティを２回通過することを意味する。更に、衝突防止パルス構成によって、第２の（前方）反射器の代わりに第１の（後方）反射器を介して光学キャビティに注入されたときに、出射ロックのためのレージング線を増幅することが可能になる。
本発明の特定及び好ましい態様は、添付の独立及び従属請求項に記載される。従属請求項からの特徴は、単に請求項に明示的に記載されるものではなく、適宜、独立請求項の特徴及び他の従属請求項の特徴と組み合わされてもよい。
本発明及び先行技術に対して達成された有利点を要約するために、本発明の特定の目的及有利点が、本明細書において上述されている。当然ながら、必ずしも全てのそのような目的又は有利点が本発明の任意の特定の実施形態に従って達成され得るわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、本発明が、必ずしも本明細書に教示され得る他の目的又は利点を達成することなく、本明細書に教示されるような１つの有利点又は一群の有利点を達成又は最適化する方法で実施され得ることが当業者には認識されるであろう。
本発明の上記及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して解明されるであろう。
本発明は、例として、添付の図面を参照して更に説明される。
本発明の第１の実施形態による、光集積回路として提供されるデュアル周波数コム光源を示し、２つの相互にコヒーレントな周波数コムの組み合わせが光源の出力によって供給される。 本発明の第２の実施形態による光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源を示し、２つの相互にコヒーレントな周波数コムの各々が、光源の２つの異なる出力によって供給される。 本発明の実施形態によるデュアル周波数コム分光法のためのシステムを実装する光集積回路を示し、このシステムは、図１の第１の実施形態による集積デュアル周波数コム光源を含む。 図１に関連する光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源の変形例であり、接続装置の光路上の可変光学減衰器が置き換えられている。 本発明の実施形態による集積デュアル周波数コム光源によって生成された周波数コムのうちの１つに対応する記録されたスペクトルである。 本発明の実施形態によるデュアル周波数コム分光法システムを使用して、試料気体セルを通して光源の生成された周波数コムのうちの１つを送信することによって得られる記録デュアル周波数コム吸収スペクトルである。
図面は、概略のみであり、非限定的である。図面では、要素のいくつかのサイズは誇張され得る。また、例示目的のためのスケールで描画されない。寸法及び相対寸法は、本発明の実施に対する実際の縮小に必ずしも対応するものではない。
請求項内の任意の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるものではない。
異なる図面では、同一の参照符号は、同一又は類似の要素を指す。
本発明は、特定の実施形態に関して、及び所定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれに限定されるものではなく、請求項によってのみ限定される。
本説明及び請求項における第１、第２及び同様の用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも、時間的、空間的、順位的、又は任意の他の方法のいずれかで順番を説明するために使用されるわけではない。このように使用される用語は適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される本発明の実施形態が、本明細書に記載又は図示される以外の順序で動作可能であることを理解されたい。
請求項内で使用される「備える」という用語は、その後列挙される手段に限定されるものと解釈されるべきではなく、他の要素又はステップを除外しないことに留意されたい。したがって、それは、言及されるような記載された特徴、整数、ステップ、又は構成要素の存在を特定するものと解釈されるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、若しくは構成要素、又はそれらのグループの存在又は追加を排除するものではない。したがって、「手段Ａ及びＢを備えるデバイス」という表現の範囲は、構成要素Ａ及びＢのみからなるデバイスに限定されるべきではない。これは、本発明に関して、デバイスの関連する構成要素がＡ及びＢのみであることを意味する。
本明細書全体を通して「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な箇所における「一実施形態において」又は「実施形態において」という語句の出現は、必ずしも全てが同一の実施形態を指すわけではないが、同一の実施形態を指してもよい。更に、本開示から当業者に明らかであるように、特定の特徴、構造、又は特徴は１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされてよい。
同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の様々な特徴は、開示を合理化し、様々な発明の態様のうちの１つ以上の理解を補助する目的で、単一の実施形態、図面、又はその説明にグループ化されることがあることを理解されたい。しかしながら、この開示方法は、特許請求される発明が、各請求項に明示的に記載されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の請求項が示すように、本発明の態様は、単一の前述の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ない。したがって、詳細な説明に続く請求項は、この詳細な説明に明示的に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施形態として単独で存在する。
更に、本明細書に記載のいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれるいくつかの特徴を含むが、他の特徴は含まない。一方、当業者に理解されるように、異なる実施形態の特徴の組み合わせは本発明の範囲内にあることを意味し、異なる実施形態を形成するものである。
本明細書に提供される説明では、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細なしに実施され得ることが理解される。他の例では、周知の方法、構造、及び技術は、この説明の理解を曖昧にしないために詳細には示されていない。
定義
本開示においてモードロックレーザに言及されるとき、レーザがモードロックされたレジームで動作されて、レーザのパルス繰り返し率で通常のパルス列を出射することを意味する。モードロックレーザによって生成されたパルス列の光出力スペクトルは、複数の等間隔の線、すなわち、繰り返し率ｆｒｅｐでの線間隔を有する周波数コムを含む。モードロックレーザについては、レーザ共振器の長手方向モードに関連する周波数コムの等距離線の間で固定の位相関係が確立され、したがって、モードロックレーザは、その線が相互にコヒーレントである周波数コムを生成する。更に、生成されたパルス列の後続のパルスも、一定の位相シフト（キャリアエンベロープオフセット周波数ｆＣＥＯ）とは別に、相互にコヒーレントである。結果として、周波数コムは、スペクトル位置が式ｆ＝ｆＣＥＯ＋ｎ×ｆｒｅｐ（ｎは正の整数）に従うモードロックレーザの光学出力スペクトル内の離散線の集合によって定義される。したがって、周波数コムの２つの独立した自由度、２つの周波数ｆＣＥＯ、及びｆｒｅｐが既知であれば、コムの全ての周波数が十分に定義される。
本開示において受動モードロックに言及される場合、半導体レーザ内の可飽和吸収体などの強度に依存する送信素子を含むレーザに適用されるモードロック技術を意味する。強度依存送信素子は、外部から供給される変調信号を必要とせずに、単一の循環パルスのタイムスケールでキャビティ内損失を迅速に変調することができる。これは、レーザ共振器に入れられる能動駆動光変調器に依拠する能動モードロック技術とは対照的である。
本開示においてハイブリッドモードロックに言及されるとき、モードロック半導体レーザのパルス繰り返し率で変調された無線周波数（ＲＦ）信号の電気的注入によって機能する受動的モードロック半導体レーザに適用される安定化技術を意味する。半導体レーザのゲイン、及び／又は可飽和吸収体は、そのようなＲＦ信号によって変調され得る。ハイブリッドモードロックは、半導体レーザの繰り返し率を安定させ、しばしば位相雑音、及びタイミングジッタを低減する。
本開示においてヘテロ集積に言及される場合、これは、別個に製造された構成要素を、機能性が向上し、かつ動作特性が改善されたより高レベルの集合体に組み立てるプロセスに関する。
本開示において、集積デュアル周波数コム光源に言及する場合、光集積回路として提供されるデュアル周波数コム光源、すなわち、光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源を意味する。光集積回路は、典型的には、光チップとして提供され、次いで、光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源は、オンチップデュアル周波数コムを構成する。
図１は、光集積回路（ＰＩＣ）として提供され得る、本発明の第１の実施形態による集積デュアル周波数コム光源１００を示す。デュアル周波数コム光源１００は、同一基板１０１上に、第１の集積半導体モードロックレーザ１１０と、第２の集積半導体モードロックレーザ１２０と、マスターレーザ１３０とを備える。第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０の各々は、ゲイン部１１１、１２１と、例えば、深くエッチングされた絶縁トレンチによってゲイン部から電気的に分離された可飽和吸収体部１１２、１２２とを備える。ゲイン部から機械的に分離された可飽和吸収体部を提供することによって、可飽和吸収体部をゲイン部から電気的に分離することもできる。更に、各モードロックレーザの拡張光学キャビティ１１３、１２３は、対応するゲイン部１１１、１２１、及び対応する可飽和吸収体部１１２、１２２に光学的に結合される。第１及び第２の半導体モードロックレーザ１１０、１２０は、製造後に、雑音特性、熱応答、レージング閾値などのそれらの特性が密接に一致するように、類似の設計を有することが好ましい。類似の設計は、拡張キャビティの類似の幾何学的構成、拡張光学キャビティを実装するために使用される類似の、又は等しい材料、ゲイン部を実装するために使用される類似の、又は等しい材料、吸収体部を実装するために使用される類似の、又は等しい材料、ゲイン部及び／又は吸収体部を同一基板に取り付けるために使用される類似の、又は等しい材料（例えば、接着剤接合）に関連し得るが、これらに限定されない。この設計の類似性はまた、ウェハスケール処理であり得る単一の処理ステップにおいて、２つのモードロックレーザが同時に、又は少なくとも短時間で順次処理されることを可能にするため、製造の観点からも実用的である。例えば、接着金型ウェハ接合又は転写印刷を使用して、ゲイン部及び／又は吸収体部を同一基板に取り付けることができる。しかしながら、各モードロックレーザ１１０、１２０の拡張光学キャビティ１１３、１２３の長さは、わずかに数％異なるようにすることができ、したがって、わずかに異なる周波数のコム線間隔（繰り返し率）を有する２つのモードロックレーザが結果として得られる。マスターレーザ１３０は、第１のモードロックレーザ１１０及び第２のモードロックレーザ１２０の双方に光学的に結合され、その結果、マスターレーザ１３０によって生成された光が送達され、２つのモードロックレーザ１１０、１２０の各々に注入される。より具体的には、マスターレーザ１３０によって生成された光が、第１及び第２のモードロックレーザの各々のそれぞれの光学キャビティ（定在波共振器）１１３、１２３に注入される。本実施形態では、マスターレーザ１３０の出力ポート１３６は、例えば、マスターレーザ１３０の出力ポート１３６とモードロックレーザ１１０、１２０の入力ポート１１７、１２７との間に伸張する光経路を含む基板１０１上の接続装置１０２を介して、第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０のそれぞれ対応する入力ポート１１７、１２７と光通信をしている。そのような接続装置１０２は、マスターレーザの出力ポートからモードロックレーザの対応する入力ポートに光を方向付けるための導波路１０３、１０４を備えることが好ましい。
ゲイン部１１１、１２１の各々は、半導体ゲイン媒体を備え、順方向の電流注入による電気的ポンプに適合される。ゲイン部１１１、１２１は、例えば、金型ウェハ接合プロセスにおいて材料層積層体をベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）接着層で接着することにより、又は材料層積層体を基板上に分子的に接合することにより、基板１０１上に接合されたエピタキシャルＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体を備えてよい。基板１０１は、シリコンオンインシュレータ基板（ＳＯＩ）、例えば、シリコン、ゲルマニウム、若しくは炭化ケイ素などの半導体基板、又は、例えば、シリカ上の窒化ケイ素などの絶縁体オンインシュレータ基板であってもよい。その結果、光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源は、ヘテロ集積ＰＩＣとして提供される。典型的なＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体は、ＩｎＰ技術で製造されてもよく、垂直光学モード閉じ込め、及び電荷キャリア閉じ込めのためのＩｎＰの三元、及び四元組成物の層を備えてよい。リッジは、上層のエッチングによってＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体に形成されて、横方向の光学モードの閉じ込めを達成してもよい。例えば、担体組換えによる発光のための活性層は、ＩｎＰバリアに隣接する１つ以上のＩｎＧａＡｓＰ量子ウェルを含んでよい。代替的には、ＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体の活性層は、量子ドット又は量子ダッシュ中間子を備えてもよい。ゲイン部１１１、１２１は、材料ゲイン及び電気ポンプに使用される順方向電流に応じて、例えば、２００μｍ～４０００μｍ、例えば、４００μｍ～１６００μｍの数百マイクロメートルの長手方向の長さを有してもよい。
可飽和吸収体部１１２、１２２の各々は、非線形吸収媒体（例えば、半導体吸収媒体）又は人工の可飽和吸収体（例えば、非線形導波路干渉計又は非線形導波路ループミラー）を備えてよい。半導体吸収媒体は、ゲイン部の非ポンピングゲイン媒体と同一であってもよく、例えば、接着接合、分子接合、又は転写印刷によって基板１０１上にヘテロ集積されたゲイン部と同一のエピタキシャルＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体を備えてもよい。更に、半導体媒体を備えた可飽和吸収体部１１２、１２２の各々は、例えば、ハイブリッドモードロックによってより速い回復、及び／若しくは繰り返し率の安定化を得るために、可飽和吸収体部の全体にわたって、逆ＤＣバイアス電圧、又はそれぞれのモードロックレーザ１１０、１２０のパルス繰り返し率で変調されたＲＦ信号と組み合わせた逆ＤＣバイアス電圧の印加に適合されている。半導体に基づく可飽和吸収体部１１２、１２２の長手方向の長さは、典型的には、それぞれのゲイン部１１１、１２１の長手方向の長さのほんの一部、例えば、１０分の１以下、例えば、１０μｍ～４００μｍ、例えば、１０μｍ～１００μｍである。しかしながら、実施形態は、同一のエピタキシャル層積層体、及び各モードロックレーザにおけるゲイン並びに可飽和吸収体部のための一般的な吸収媒体に限定されない。例えば、可飽和吸収体部は、拡散吸収ドーパントイオン、又は量子ドット材料を含むクラッド層を有する導波路として実装される拡張光学キャビティの一部分を備えてよい。ゲイン部と比較して、パルス勾配を更に改善する、及び／又はキャビティ損失を低減するために、より低い飽和フルエンス、及び／又はより短い回復時間、及び／又は低減された多光子吸収損失の媒体又はエピタキシャル層積層体が可飽和吸収体部に対して選択されてよい。モードロックレーザのゲイン及び可飽和吸収体部が同一基板接合エピタキシャルのＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体に形成される本発明の実施形態の有利点は、連続し、かつ均一な能動導波路を層積層体の能動領域内に規定することができ、これにより、追加のスポット変換器／垂直テーパの不在下で良好なモーダルゲイン、及び低減されたキャビティ損失を提供するとことである。更に、基板接合エピタキシャルＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体は、多段階のエピタキシャル成長処理で製造されるとき、同一の金型上に異なるエピタキシャル層構造を含有することができ、異なる能動導波路断面をそれぞれゲイン部及び可飽和吸収体部について規定することができるという利点を有する。例えば、可飽和吸収体部内の能動導波路断面は、ゲイン部内の導波路断面と比較して減少され、能動領域内の誘導光学モードのより高い指標設定を取得し、それによって、より低い飽和パワーも得られ得る。別の可能性は、単一走行キャリア（ＵＴＣ）導波路光検出器の分野で既知のもの（例えば、ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｗｏ ｏｆ Ｌ．Ｓｈｅｎ， Ｙ．Ｊｉａｏ， Ｗ．Ｙａｏ， Ｚ．Ｃａｏ， Ｊ．ｖａｎ Ｅｎｇｅｌｅｎ， Ｇ．Ｒｏｅｌｋｅｎｓ， Ｍ．Ｓｍｉｔ、及びＪ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｔｏｌ， ”Ｈｉｇｈ－ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｕｎｉ－ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｃａｒｒｉｅｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｎ ａｎ ＩｎＰ－ｍｅｍｂｒａｎｅ－ｏｎ－ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ” Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ２４， ８２９０ －８３０１ （２０１６）に記載されるような断面を有するＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体）と同様に、基板接合膜型ＩＩＩ－Ｖ族材料層積層体に対応する可飽和吸収体部を提供することである。
第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０の各々の拡張光学キャビティ（共振器）１１３、１２３は、光学キャビティ内を前後に移動する光ビームの横方向成分を閉じ込め、拡張光学キャビティに沿って光ビームを縦方向に誘導するための受動導波路構造を備える。したがって、受動導波路構造は、光学キャビティ内の光ビームの横方向のモードを規定する。典型的には、導波路構造は、例えば、好適な導波路幾何学的形状、材料、及びクラッドを組み合わせることによって、単一モードであるように構成されるが、これに限定されない。例えば、横方向のマルチモード導波路形状が可能であり、光学キャビティ内に配置されたモード変換器、モードアダプタ、及び／又はモードフィルタと組み合わせて、有利な場合にはシングルモードレジームを復元させてよい。一般に、マルチモード導波路幾何学形状で基本モードのみを励起するように、例えば、好適なテーパ部によって注意が払われる。例えば、ゲイン部１１１、１２１、及び／又は可飽和吸収体部１１２、１２２がそれぞれの光学キャビティ１１３、１２３に結合される横方向マルチモード導波路幾何学形状を配置することが通常では有益である。ゲイン部内の横方向マルチモード導波路に沿って伝播する励起された基本モードによって、基本モードの有効モード面積を増加させることが可能になり、それによってパルスピークフルエンスが低下し、ゲイン飽和に到達する前の最大パルスピークパワーが増加する。ゲイン部及び／又は可飽和吸収体部内の横方向マルチモード導波路が拡張すると、ヘテロ集積されたエピタキシャル層積層体に関してより良好な位置合わせ公差も可能になる。更に、可飽和吸収体部内の横方向マルチモード導波路を広げると、典型的には、光生成電荷キャリアをより効率的、かつ迅速に除去することが可能になる。導波路構造の大部分はシングルモードであり、励起された高次モードは再び効率的にフィルタリングされ得る。しかし、マルチモード導波レジームは、これが、非線形吸収損失（例えば、多光子吸収効果、自由キャリア吸収）を更に低減すること、又はキャビティ内分散特性を制御するより柔軟なアプローチを可能にする場合、導波路構造の少なくとも他の部分において有益であり得る。
本発明の実施形態では、概して、例えば、パルスレーザによる書き込み、又は当該技術分野において既知のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を使用して、基板１０１の導波路層内に導波路構造が形成される。基板１０１のこのような導波路層は、概して、光透過性である下部クラッド層（例えば、シリカ又はサファイア）によって支持され、上部クラッド材料として空気を有することができ、又は上部クラッド層（例えば、シリカ）を備えることができる。更に、例えば、ドープされた半導体材料と比較して低損失の誘電体材料を備える光透過性の絶縁クラッド層が、導波路の伝播損失を更に低減することができる有利点を有する。したがって、導波路構造が基板１０１上に導波路として提供されてもよく、この導波路は、拡張スペクトル領域内の複数の長手方向キャビティモード（例えば、３ｎｍを超える、例えば、１０ｎｍを超える光学領域内にわたる、例えば、１００本を超える長手方向モード、例えば、１０００本を超える長手方向モード）を支持及びガイドする。できるだけ少ない光学損失でこれを行うことが好ましい。結果として、モードロックレーザによって生成された周波数コムに対応するスペクトル領域において、線形及び非線形の両方で、（例えば、ブリルアンゾーンの中心φで２ｅＶを超える）広いバンドギャップ、及び低い光吸収損失を有する材料内に導波路が形成されることが好ましい。導波路材料の非限定的な例としては、シリコン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ニオブリチウム、酸化タンタル、イオン拡散ガラス、カルコゲナイドガラスが挙げられ、これらの材料に形成される導波路は、光伝播損失の３ｄＢｃｍ－１未満、例えば、光伝播損失の１ｄＢ ｃｍ－１未満を有し得る。窒化シリコン又はシリコンなどの広いバンドギャップ誘電体導波路材料は、ＩｎＰなどの狭い（直接）バンドギャップ導波路材料と比較して、非線形多光子吸収が非常に少ない、及びフリーキャリア関連の分散又は吸収が少ないことが有利点である。したがって、循環するキャビティ内パルスは、これらの好ましい導波路材料において、歪みが少なく、また吸収されにくい。結果として、対応するモードロックレーザのゲイン部は、長さを短くすることができ、これは、生成された周波数コムのスペクトル純度に悪影響を及ぼす増幅自発発光（ＡＳＥ）雑音の生成量の点で有益である。更に、広いバンドギャップ誘電体導波路材料を使用した拡張光学キャビティによって、同一基板上にヘテロ集積された狭い線幅のマスターレーザの実装が可能となり、例えば、１ｋＨｚの光学線幅を達成することができ、一方、ＩｎＰのような狭い（直接）バンドギャップ導波路材料に基づくレーザの光学線幅は、例えば、少なくとも数百キロヘルツ程度のものよりもはるかに大きい。
導波路構造は、直線及び／又は湾曲した部分を有し得る導波路を含んでよい。実際には、例えば、１ｃｍを超える、例えば、１ｃｍ～３ｃｍの、又は３ｃｍを超える長い光学キャビティ１１３、１２３は、折り畳まれた又は渦巻き状にされた導波路構成（例えば、スパイラル形成導波路部分）によって、コンパクトな方法（例えば、利用可能な基板表面積上の小さなフットプリント）で取得され得る。様々な導波路タイプが、限定されないが、リッジ導波路、リブ導波路、埋設導波路などの受動導波路構造を定義するために存在する。導波路材料及び形状に応じて、モードロックレーザの一方又は双方の拡張光学キャビティの受動導波路構造は、物理的長さが１．０ｍｍより大きくてよい。例えば、３．０ｍｍより大きい、例えば、１ｃｍより大きい、例えば、１ｃｍ～３ｃｍ、又は数十センチメートルの長さであってもよい。それと比較して、モードロックレーザのゲイン及び可飽和吸収体部における活性導波路の総物理長は、典型的には約１ｍｍである。
衝突防止パルストポロジーを用いたモードロックレーザにおける、厚さ４００ｎｍ及び長さ３７．０ｍｍのシリコン導波路（群屈折率が約３．９０）、並びにＩＩＩ－Ｖ族材料中の長さ１．０ｍｍのゲイン及び可飽和吸収体部（群屈折率が約３．９５であり、効率的な結合のためのシリコン導波路の群屈折率と良好に一致する）に基づく拡張光学キャビティの例を考慮すると、拡張光学キャビティ内のパルスの１回の完全な往復の全光学経路長は、約１ＧＨｚのコム間隔に対応する、約２×（３７．０ｍｍ×３．９０＋１．０ｍｍ×３．９５）＝２９６．５０ｍｍである。他の例では、対称構成（衝突パルストポロジー）を有する各リング共振器タイプのモードロックレーザの拡張光学キャビティは、２００ｍｍ長の窒化シリコン導波路（群屈折率が約２．００）に基づいているが、ＩＩＩ－Ｖ族材料（群屈折率が約３．９５）のゲインと可飽和吸収体部の総長さがはるかに短く、わずか１．２ｍｍである。この結果、拡張光学キャビティ内の１つの完全なパルス往復移動に関して約４０４．７４ｍｍの全光学経路長が得られ、約７４２ＭＨｚ（キャビティ往復時間ｃａが１．３５ｎｓ）の理論的なコム間隔に対応する。実験では、この特定の例で７５５ＭＨｚに等しいコム間隔が測定されている。理論値との矛盾は、ゲイン飽和、加工変動、及び温度効果を含む多数の効果によって引き起こされる。
光学キャビティの導波路構造は、縦方向に均一な方法で提供される必要はないが、異なる導波路幅の間にテーパ及びより広い曲がりを含んでよい。更に、スポットサイズ変換器、モードフィルタ、及び／又はアダプタ、偏光回転子などの受動光学素子を備えてよい。本実施形態では、例えば、拡張光学キャビティの導波路は、ゲイン部、及び／又は可飽和吸収体部が提供されるより小さい幅の中断された、かつ／又はテーパされた部分を含んでもよい。その結果、長手方向のキャビティモードに関連付けられた、誘導された光学モードは、もはや導波路自体によって支持、及び誘導されず、代わりに、ゲイン部及び／又は吸収体部に提供される更なる導波路構造に結合、及び誘導される。これらのテーパ部は、好ましくは、ゲイン部及び／又は吸収体部の更なる導波路構造物への良好なモードの結合に適合され、それによって光学キャビティ損失の一部としての結合損失が低減される。更に、テーパ断面は、広いスペクトル領域、例えば、各モードロックレーザによって出射される周波数コムのスペクトル幅にわたる良好なモード結合に適合されることが好ましい。本発明の実施形態では、ゲイン部、又はゲイン部及び可飽和吸収体部における拡張光学キャビティの受動導波路構造と能動導波路構造との間のモード遷移は、垂直テーパ、例えば、一段、二段、又は多段の垂直テーパ構造によって得られ得る。例えば、ＩＩＩ－Ｖ族材料のヘテロ集積された層積層体のゲイン領域内の能動導波路に向けて拡張光学キャビティのシリコン窒化物受動導波路からのモード遷移は、二段のテーパ構造を伴ってもよく、その中でモード第１の遷移は、シリコン窒化物導波路から水素化アモルファスシリコンの中間層にパターン化された更なる導波路に遷移し、その後更なる導波路から再びゲイン領域内の能動導波路に遷移する。
光学フィードバックは、拡張光学キャビティ１１３、１２３の両端にある反射器装置によって提供される。対応する拡張光学キャビティ１１３、１２３の第１の反射器１１４、１２４は、それらの透過性開口部がモードロックレーザ１１０、１２０の対応する入力ポート１１７、１２７として機能し、更にそれらの反射開口部が拡張光学キャビティの導波路構造に光学的に接続されるように配置される。例えば、第１の反射器１１４、１２４は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）として、例えば、導波路構造、例えば、導波路コア自体及び／又はコアに隣接する導波路クラッドに形成された回折導波路格子として提供されてよい。次に、第１の反射器の反射開口部及び透過開口部は、格子の始点及び終点における導波路構造の断面にそれぞれ対応し、始点は、拡張光学キャビティの側面に位置する。代替的には、導波路ループミラー又は部分反射型マルチモード干渉計（ＭＭＩ）が、第１の反射器１１４又は１２４として提供されてもよい。同様に、第２の反射器１１５、１２５は、拡張光学キャビティ１１３、１２３の反射開口部がその導波路構造に光学的に接続されるように、それぞれの拡張光学キャビティ１１３、１２３の反対側の端部に設けられる。第１の反射器１１４、１２４について説明したように、第２の反射器１１５、１２５もまた、それぞれ、ＤＢＲ、例えば、回折導波路格子、部分反射ＭＭＩ、又は導波路ループミラーとして提供されてもよい。第１の反射器１１４、１２４、及び第２の反射器１１５、１２５の双方は、広帯域の反射器であり、例えば、それらの光学通過帯域は、少なくとも３ｎｍ（例えば、５ｎｍ超、例えば１０ｎｍ超）にわたって延在し、それらの光学通過帯域が、それぞれ、第１のモードロックレーザ１１０及び第２のモードロック型レーザ１２０が対応するモードロック型長手方向キャビティモードとスペクトル的に重複する。第１の反射器１１４、１２４の反射率は、約９０％（例えば、８５％～９５％）であってもよく、これは、一方ではキャビティミラー損失と、他方では注入ロックレーザ線のための十分な結合効率との間の良好なトレードオフである。実験的検証では、モードロックレーザ１１０、１２０の拡張キャビティ内に注入されたわずか１～５マイクロワットの光パワーが、生成された周波数コムの波長ロックを確立するのに十分であることが示されている。注入ロックレーザ線のより高い注入光パワーが、ロック範囲を拡張するために使用され得る。例えば、最大１４ＭＨｚの拡張ロック範囲は、キャビティ内の１０μＷの注入光パワーで実証されている。第２の反射器１１５、１２５に関して、その反射率は、３０％～７０％の範囲、例えば約５０％であってもよい。第１の反射器と比較してこの低い反射率は、モードロックレーザ１１０、１２０によって出射されるパルス列が良好なピークパワー及び／又はパルスエネルギー（例えば、ピコ秒長パルスに対して最大１ｐＪ程度のパルスエネルギー及び／又は最大１Ｗ程度のピークパワーを有するパルス）を確実に備えるが、その後のパルス圧縮によって更に増加させることができる。
拡張光学キャビティ１１３、１２３のうちの少なくとも１つ（例えば、双方）は、電気信号の印加時に、光学キャビティ１１３、１２３の光路長を能動的に調整するための位相シフト器（図示せず）を備えてよい。例えば、散逸性金属、若しくはドープされた微量シリコンに基づくヒータ、又は自由キャリア分散効果に基づく電気屈折位相シフタは、キャビティ内位相シフタの実装のための好適な選択肢を構成する。そのような位相シフタは、拡張光学キャビティの導波路構造に沿って、かつ／又は第１若しくは第２の反射器上に設けられてよい。位相シフタによって拡張光学キャビティの光路長を微調整することは、典型的には加工可変性によって引き起こされる、第１のモードロックレーザ１１０の拡張光学キャビティ１１３と第２のモードロックレーザ１２０の拡張光学キャビティ１２３との間の光路長の意図的な差からの逸脱を補正することができるという追加の有利点を有する。この光路長の差は、第１及び第２のモードロックレーザによって生成された周波数コム間の対応するパルス繰り返し率の差に必然的に変換される。光路長及び対応する繰り返し率の意図的な差異は、デュアルコム分光法の用途において有益であり得る。デュアルコム分光学用途では、例えば、光検出器上の２つの周波数コムの組み合わせの際に複数のビートノートを取得するために繰り返し率に小さなオフセットが必要となる。例として、約５０ｋＨｚ／Ｋのパルス繰り返し率の調整範囲は、位相シフタとしてヒータを用いて取得することができ、加工可変性によって引き起こされる各キャビティ長の典型的な相対的な変化は、約±０．０５％であり得る。したがって、導波路構造の温度差約２０Ｋまでの加熱による、約１ＭＨｚの範囲内の少なくとも１つのモードロックレーザ１１０、１２０のパルス繰り返し率の補正は、実現可能である。これは、設計目標である公称繰り返し周波数１ＧＨｚに対して、２つの生成された周波数コムの繰り返し率に最大限期待されるオフセット（例えば、２×０．０５％×１ＧＨｚ＝１ＭＨｚ）に相当する。デュアルコム分光法測定を実施する目的のための第１及び第２のモードロックレーザのキャビティ長の意図的な相対的変化は、加工によって引き起こされる非意図的な逸脱よりも大きく選択されることが好ましく、例えば、意図的に導入されたキャビティ長の相対的変化は、０．２％であってよい。
光学結合素子１０５は、マスターレーザ１３０によって供給される光を、第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０の各々に分配するための接続装置１０２の一部であってよく、これは、例えば、単一の出力導波路を少なくとも２つの異なる送達導波路１０３及び１０４に分岐させることによって行われる。結合素子１０５が、マスターレーザ１３０によって供給される光出力パワーを別個の送達導波路１０３、１０４に等しく分割するように構成されてもよい。しかしながら、モードロックレーザのそれぞれの入力ポートに結合された送達導波路に対して異なる結合比が提供され得る。例えば、指向性カプラ（ＤＣ）、若しくは干渉に基づくカプラ（マルチモード干渉計ＭＭＩ、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計ＭＺ）、又はそれらの組み合わせが、結合素子１０５として使用され得る。結合素子１０５は、２つ以上の光学部品を備えてよく、例えば、光結合を達成するのに好適な光学部品（例えば、ＭＭＩ、ＭＺ、ＤＣ、Ｙ接合部、Ｘ接合部）のシーケンス、又はカスケードによって実装されてよい。マスターレーザ１３０によって供給される光と、モードロックレーザ１１０、１２０に送信される結合された光との間の結合比は、例えば、これに限定されるものではないが、Ｘ接合部若しくはＹ接合部の外向きの導波路部分、又は指向性カプラ若しくは干渉コンポーネント（干渉計アーム）の導波路部分などの結合素子の導波路部分の電気光学位相調整によって調整可能であり得る。調整可能な結合比は、各モードロックレーザに対して、注入された光パワーのより良好な制御が達成され得る有利点を有する。これは、例えば、送達導波路１０３、１０４に沿った伝播損失が、設計非対称性に起因して、及び／若しくは導波路に沿った更なる光学部品の存在に起因して所定の量だけ異なる場合に、又は２つのモードロックレーザが異なる注入ロック閾値を有する場合に重要であり得る。更に、結合素子１０５は、マスターレーザ１３０によって生成された光を、モードロックレーザ１１０、１２０と通信する２つ以上の送達導波路に分配してもよい。更なる導波路が、例えば、この更なる導波路に結合された内蔵された、又は外部の光検出器を介して、監視のためにマスターレーザ１３０の光の一部をタップするために、結合素子１０５によって結合された光を受信してもよい。
様々な他の光学部品が、接続装置１０２の光路内に任意の要素として提供されてもよい。特に、可変光学減衰器１０６は、各モードロックレーザ１１０、１２０に送達及び注入される光出力パワーの量を制御するために、マスターレーザ出力ポート１３６に接続された出力導波路の光路に挿入され得る。可変光学減衰器は、２０ｄＢ～５０ｄＢの間の減衰範囲を有してよい。第１の反射器１１４、１２４の１０％の透過率と組み合わせて、２つのモードロックレーザ１１０、１２０の同時注入ロックのためにマスターレーザ１３０によって供給される狭いレーザ線に対して、少なくとも３０ｄＢの消光が達成され得る。したがって、マスターレーザ１３０は、有利には、そのＲＩＮ雑音が強く低減され、関連するレーザ線幅が生成された周波数コムの繰り返し率に対して十分に狭く、例えば、繰り返し率の少なくとも１パーミル、例えば、繰り返し率の０．１％未満であるように、１ｍＷ以上（例えば、約１０ｍＷ）の光出力パワーを提供するレジームで動作され得る。次いで、少なくとも３０ｄＢの減衰によって、各モードロックレーザの拡張光学キャビティ内で１μＷ～１０μＷが生じ、これは、マスターレーザ１３０によって供給される注入線と生成された周波数コムのコム線との間で良好な光学注入ロック及び位相コヒーレンス伝達が達成されることが実証されている。意外なことに、発明者らは、接続装置１０２（例えば、マスターレーザ出力ポート１３６と各モードロックレーザ１１０、１２０との間に伸張するそれぞれの光経路）においても、又はマスターレーザ１３０自体の一部としても、光学アイソレータが必要ないことを見出した。このような光アイソレータをＰＩＣに実装するのは難しいことは周知であるが、部分的に反射した光がマスターレーザ１３０に再結合して、特にその狭い線幅を著しく広げることによりその良好な機能を乱し、光注入ロックの損失と、マスターレーザからモードロックレーザへの位相コヒーレンスの伝達をもたらすことを避けるために、光アイソレータは通常は厳密に必要である。しかしながら、本発明者らは、減衰器１０６を２回通過した部分反射光が経験する４０ｄＢ以上、例えば、６０ｄＢ以上、例えば、６０ｄＢ～１２０ｄＢの強い光減衰が、マスターレーザ１３０をそのような外乱から効果的に保護し、注入ロック用狭線幅レーザ線のスペクトル幅が広がらない安定した発光を確保することに気付いた。更に、マスターレーザ１３０の狭帯域共振器、又はマスターレーザ出力ポート１３６に結合された狭帯域の外部光共振器に固有のスペクトルフィルタ機能は、モードロックレーザによって生成されてマスターレーザ１３０に再注入されるパルス列のパルスが、マスターレーザ１３０の狭線幅動作に干渉しないように効率的に保護を提供する。可変光学減衰器を実装する１つの方法は、１つの干渉計アームが位相シフタを備えた、導波路に基づく干渉計を提供することである。可変光学減衰器を実装する別の方法は、マスターレーザ出力ポート１３６に接続された出力導波路（例えば、ＰＩＮ接合部又はドーピングを介して出力導波路にわたって形成されたＰＮ接合部）に光学的に結合された電気吸収デバイスを提供することを含む。更に、周波数シフタ１０７は、送達導波路１０３のうちの１つの光経路に設けられ得る。これは、第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０の注入ロックされたコム線が、例えば、周波数コムの繰り返し率のほんの一部、例えば、繰り返し率の１％～１％の一部だけがオフセットされ得るという有利点を有する。したがって、周波数コムの注入ロックは、周波数コムの側部の代わりに中央部に位置するコム線に対して実行することができ、ビートノート内のエイリアシングアーチファクトは、除外されるか、又は少なくとも削減される。考えられる周波数シフタは、集積された音響光変調器（例えば、表面音響波を使用する）又は片側バンドキャリア抑制構成で配置された位相シフタとして提供されてもよい。
図１の実施形態では、第１及び第２のモードロックレーザによって生成された２つの周波数コムを集積デュアル周波数コム光源１００の出力１０９に結合するために、光学コンバイナ１０８が各モードロックレーザ１１０、１２０の第２の反射器１１５、１２５に結合される。コンバイナとして、例えば、広帯域指向性カプラ又はマルチモード干渉計が使用され得る。
マスターレーザ１３０は、その出力ポート１３６において単一の連続波（ＣＷ）レージング線を生成するように構成され、その波長は、２つの半導体モードロックレーザ１１０、１２０の各々の対応し、かつモードロックされた長手方向キャビティモードのスペクトル範囲内にある。マスターレーザ１３０は、双方のモードロックレーザ１１０、１２０の周波数コム線間隔よりも劣る線幅を有するＣＷレージング線を生成するように更に構成され、例えば、ＣＷレージング線の線幅は、生成された周波数コムの繰り返し率の１％よりも劣り、例えば、生成された周波数コムの１ＧＨｚの繰り返し率に対して１ＭＨｚ未満である。ＣＷレージング線の線幅は、長手方向のキャビティモードに関連付けられた光学線幅よりも劣っており、例えば、１００ｋＨｚ未満（例えば、約１０ｋＨｚ以下）であることが好ましい。線幅に対する上述の要求を満たす任意の安定した単一モードレーザが、少なくともミリワット、又は数十ミリワット程度の光出力パワーを供給することができる場合、原則として、第１及び第２のモードロックレーザと同一の基板１０１上にマスターレーザ１３０として提供され得る。しかしながら、本発明の好ましい実施形態において、マスターレーザ１３０は、モードロックレーザ１１０、１２０の各々の拡張光学キャビティ１１３、１２３の導波路構造と同一の基板１０１の導波路層に形成される拡張光学キャビティ１３３を備え、その光路長は、第１及び第２のモードロックレーザのキャビティの長さとほぼ等しく、例えば、そこから１％未満異なる。これは、モードロックレーザの光周波数空間における長手方向キャビティモードの位置が、マスターレーザの位置と密接に一致するという有利点を有する。結果として、マスターレーザ１３０は、各モードロックレーザの光学キャビティ内の低い注入光パワー（例えば、ミクロワット）でもロック範囲内にある光学注入ロックに対する狭い線幅のＣＷ線を提供することができる。それに加えて、周波数ドリフト（特に、熱ドリフト）は、マスターレーザ１３０によって生成される長手方向キャビティモード、及び第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０の各々のロックされた長手方向キャビティモードに対してほぼ等しい。
マスターレーザ１３０も半導体レーザであることが好ましい。本実施形態では、マスターレーザ１３０は、ゲイン部１３１と、高反射率後部反射器１３４（例えば、反射ループミラー又はＤＢＲ）及び部分反射前部反射器１３５（例えば、部分反射ＤＢＲ又は導波路ループミラー）を有する拡張光学キャビティ１３３と、を備える。ゲイン部１３１は、エピタキシャル材料層積層体（例えば、エピタキシャルＩＩＩ－Ｖ又はＩＩ－ＶＩ層積層体、例えば、ＩｎＰ又はＣｄＳｅ／ＭｇＳｅに基づくエピタキシャル層積層体）であってもよく、これは、例えば、接着剤接合、分子接合、又は層積層体の基板１０１上への転写印刷によって、ＰＩＣ内にヘテロ集積され得る。したがって、マスターレーザ１３０のゲイン部１３１は、モードロックレーザ１１０、１２０のゲイン部１１１、１２１と同一のゲイン材料を備えてよいが、これに限定されない。代替的な実施形態は、例えば、基板にダイ接合されるＩＩ－ＶＩ複合材料のＩＩＩ－Ｖのモノリシックエピタキシャル層積層体を備えるか、又はそれからなるハイブリッド集積マスターレーザ（例えば、半導体レーザ）を提供してよい。更に代替的な実施形態では、マスターレーザが、基板上に直接形成されてよく、ひずみ、又はひずみ及びドープされたゲルマニウムを備えてよい。モードロックレーザ１１０、１２０の拡張光学キャビティ１１３、１２３とは対照的に、マスターレーザの拡張光学キャビティ１３３の反射器１３４、１３５は、単一モード選択に適した狭い光学帯域幅を有することが好ましい。マスターレーザ１３０の拡張光学キャビティ１３３の反射器配置が単一モード動作のために選択的でない場合、マスターレーザ１３０の１つのレージングモードのみの選択を可能にする外部光学バンドパスフィルタが接続装置１０２の一部として提供され、マスターレーザ出力ポート１３６に結合され得る。
第１及び第２のモードロックレーザ１１０，１２０は、受動モードロック用に構成されており、ＲＦ回路を追加する必要がないという有利点を有する。これは、順方向電流及び逆方向バイアス電圧をそれぞれ供給するために、ゲイン部及び可飽和吸収体部に対して別個の電気接点を提供することによって得られてよい。電気的絶縁バリアは、クロストークを低減するために、ゲイン部とアブソーバセクションとの接点の間に提供されることが好ましい。しかしながら、本発明のいくつかの実施形態は、ＰＩＣが、繰り返し率の安定化のための振動電気基準信号を生成するための更なる外部ＲＦ回路で補完される場合、ハイブリッドモードロックに対応してよく、例えば、基準信号を可飽和吸収体部１１２、１２２の接触電極に送達するためのＲＦトレースを含むことによってハイブリッドモードロックが対応され得る。
好ましくは、モードロックレーザ１１０、１２０は、衝突防止パルス構成に従って配置される。この目的のために、可飽和吸収体部１１２、１２２は、高反射率の第１の反射器１１４、１２４と比較して、低反射率の第２の反射器１１５、１２５に近接して位置するように、又は少なくとも部分的に上に位置するように、拡張光学キャビティ１１３、１２３に対して位置決めされる。衝突防止構成は、衝突パルス構成と比較して、より高い出力パワー、より低いタイミングジッタ、及び改善されたＲＦスペクトル純度を達成する利点を有する。更に、衝突防止パルス構成に配置された拡張光学キャビティによって、単一の循環パルスがキャビティ内で得られることが保証される。衝突防止パルス構成の更なる有利点は、マスターレーザによって供給される注入ロック用レーザ線が、可飽和吸収体部１１２、１２２の代わりにゲイン部１１１、１２１に隣接する側で光学キャビティ１１３、１２３に注入されることである。これは、ロッキングのために注入されたレーザ線がその後、ゲイン媒体で増幅され、可飽和吸収体部１１２、１２２に隣接する側での注入と比較して、ゲインをより効率的に変調するという効果を有する。したがって、注入ロックのためのより低い光パワーを得ることができ、マスターレーザ１３０への後方反射はそれほど厳格ではない。
それにもかかわらず、本発明の他の実施形態は、可飽和吸収体部が、それぞれの拡張光学キャビティに対して中央に位置する衝突パルス構成（例えば、対称構成）に従って配置されたモードロックレーザを有してよい。更に、対称構成に従ったモードロックレーザでは、通常、中央に位置する可飽和吸収体部の各側面に別個のゲイン部が提供され、例えば、対称構成されたモードロックレーザが、三分割ヘテロ集積ＩＩＩ－Ｖ族材料に基づく活性領域を表示し、飽和吸収体領域が、２つの横方向の電気的に絶縁されたゲイン部に隣接する中央部を構成する。この対称形状は、リング共振器タイプだけでなく、リニアタイプの拡張光学キャビティにも適用できる。
本発明の実施形態による、ＳＯＩモードロックレーザ上の例示のヘテロ集積ＩＩＩ－Ｖによって生成される周波数コムの性能特性は、（例えば、１０ｄＢの幅として測定される）少なくとも１２ｎｍの周波数コムスペクトル幅と、１ＧＨｚの線間隔によって区切られた１０００本を超えるコム線（例えば、１４００本を超えるコム線）と、を含む。コム線は、良好なスペクトル純度、雑音フロアに対する良好なピーク信号対雑音比（ＳＮＲ）、及び基音以下のコム形線に関連付けられたＲＦスペクトルの低周波数範囲を有する。例えば、コムの対応するＲＦスペクトルの基音は、１００ｋＨｚ未満のスペクトル１０ｄＢの線幅（例えば、１０ｋＨｚ未満、例えば、１ｋＨｚ未満のスペクトル１０ｄＢ線幅）、及び５０ｄＢを超えるピークＳＮＲを有してもよく、これは、パルス強度雑音及びタイミングジッタがほとんどない安定したモードロックの根拠を提供する。ＳＯＩモードロックレーザ上の例示のヘテロ集積された、エピタキシャルＩｎＰに基づく層積層体は、動作時の消費電力が１４０ｍＷと低くなることがある。より一般的には、本発明の実施形態が半導体モードロックレーザ１１０、１２０を提供してよく、拡張光学キャビティ１１３、１２３の長さが、生成された周波数コム内の２０ＧＨｚ未満（例えば、１０ＧＨｚ未満、例えば、５ＧＨｚ未満、例えば、約１ＧＨｚ以下）のパルス繰り返し率に対応する。周波数コムに関連付けられたＲＦスペクトルにおける線幅、すなわちＲＦドメインにおけるビートノートの検出は、１ＭＨｚ未満（例えば１００ｋＨｚ未満、例えば、１０ｋＨｚ未満、例えば１ｋＨｚ以下、例えば、ｓｕｂ－Ｈｚ領域）が好ましい。生成された周波数コムスペクトルの光学帯域幅は、１００ＧＨｚよりも大きくてもよい（例えば、３００ＧＨｚよりも大きくてもよく、例えば、１ＴＨｚよりも大きくてもよい）。コムスペクトルはそのピークが平坦でよく、１００本以上（例えば１０００本以上、例えば１４００本以上）の分光法用のコム線を備えてよい。ここで、周波数コムスペクトルは、コムにわたるコム線の振幅（例えば、ピークスペクトルパワー密度）の変動が、一定の上位レベルに関して３ｄＢを超えて変動しない場合、その光学帯域幅にわたってそのピークが平坦であると見なされる。各コム線の光学線幅は、５μｓの時間間隔にわたって集積されたとき、概して、５ＭＨｚ未満（例えば、１ＭＨｚ未満、例えば、５００ｋＨｚ未満、例えば、１００ｋＨｚ以下）である。しかしながら、光学注入ロックによってモードロックを得るためには、マスターレーザのＣＷレージング線にロックされている各モードロックレーザの１つのコム線のみが（追加の周波数シフトが適用されているかどうかに関わらずに）、５ＭＨｚ未満（例えば、１ＭＨｚ未満、例えば、５００ｋＨｚ未満、例えば、１００ｋＨｚ以下）の光学線幅を有していれば十分である。ロックされる各モードロックレーザのその１つのコム線が、コムの全体にわたって最小の線幅を有するコム線、例えば、支配的な雑音源に関連する周波数固定点に最も近いコム線に対応してよい。概して、コム線に関連付けられた光学線幅は、モード番号ｎで四次元的に増加し、ｎ＝０として最小線幅のコム線から始まる。
図１の実施形態は、２つのモードロックレーザに対する線形共振器に関するが、これらは、モードロックされたときにパルスレジームで動作するリングレーザとして提供されてよい。リングレーザ構成の場合、第１及び第２のモードロックレーザの拡張光学キャビティは、反射器なしの閉ループ導波路構造を備える。出力導波路は、例えば、生成された周波数コムを結合するために閉ループ導波路構造内に配置された指向性カプラ又はＭＭＩを介して閉ループ導波路構造に光学的に結合される。次いで、各モードロックレーザの可飽和吸収体部は、衝突パルス構成に従って、２つのゲイン部の間に介在されてもよく、例えば、可飽和吸収体部が出力導波路との結合部に対して拡張光学キャビティ内の中間に配置される。マスターレーザが、第１及び第２のモードロックレーザの各出力導波路の一端に結合されてもよく、その一方で、同一出力導波路の反対側の端部が、生成された周波数コムをＰＩＣの出力、例えば、反射防止コーティングされ得る劈開された事実へ方向付ける。
動作中、第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０のゲイン部１１１、１２１はそれぞれ、レーザ閾値電流を超える順方向電流が供給され、例えば、６０～１２０ｍＡの順方向バイアス電流が、ＳＯＩタイプ上のＩＩＩ－Ｖ族の各モードロックレーザに供給されてもよい。更に、逆バイアス電圧が、それぞれのモードロックレーザ１１０、１２０の可飽和吸収体部１１２、１２２の両端に印加され、例えば、ＳＯＩタイプ上のＩＩＩ－Ｖ族（例えば、ＩｎＰベース）の各モードロックレーザに対して－２Ｖ～－３Ｖの逆バイアス電圧バイアスが印加される。選択された順方向電流及び逆方向バイアス電圧は、２つの半導体モードロックレーザ１１０、１２０の各々がモードロックされたレジームに自発的に切り替わるようになっている。供給される順方向電流及び逆バイアス電圧は、ＤＣ成分のみを含むため、受動モードロックが達成される。しかしながら、本発明の特定の実施形態では、ハイブリッドモードロックを可能にするために、モードロックレーザ１１０、１２０の少なくとも一方の順方向電流（電流変調）又は逆バイアス電圧（吸収変調）のいずれかのＤＣ成分に、例えば、バイアスＴを介して付加されるＲＦ成分を追加で用意してよい。そのようなＲＦ信号は、第１及び第２のモードロックレーザによって生成された周波数コムの繰り返し率を周波数基準に直接関連付けるために、１０ＭＨｚの水素メーザ基準信号から合成されてもよい。ハイブリッドモードロックは、生成された周波数コムの繰り返し率を更に安定させ、ビートノートの検出時により狭いＲＦ線幅を生成するという有利点を有する。また、マスターレーザ１３０は、レーザ閾値を超える電流を供給されて、狭いＣＷレーザ線を出射し始め、次いで、２つのモードロックレーザ１１０、１２０の拡張光学キャビティ１１３、１２３に注入されて射出ロックを達成し、それゆえ２つのモードロックレーザ１１０、１２０の相互コヒーレンスを達成する。第１及び第２のモードロックレーザは、光学注入ロックが実行される前に、パルスレージングモードに最初に設定されることが好ましい。マスターレーザ１３０で発生したＣＷレージング線の位相コヒーレンス及び波長が各モードロックレーザ１１０、１２０に伝達されるので、キャリアオフセット周波数の安定化、及び２つの発生周波数コムの相互コヒーレンスが同時に実現される。半導体モードロックレーザ１１０、１２０のうちの少なくとも１つは、より高い高調波にロックされてもよく、つまり、１つ以上の循環パルスが対応する拡張光学キャビティ１１３、１２３内に確立され、これは、出射された周波数コムのパルス繰り返し率の増加につながる。より高い繰り返し率は、光通信アプリケーション又はＬＩＤＡＲに有用であり得る。これは、周波数コムに関連付けられたＲＦスペクトル内のビートトーンの良好なスペクトル純度を損なうことなく達成され得る。例えば、数ｋＨｚのスペクトル線幅が可能である。
オプションとして、各モードロックレーザに注入される光パワーは、例えば、本発明の実施形態に関して上記に記載される接続装置１０２の一部であり得る少なくとも１つの可変光学減衰器を使用して調整され得る。更に、各モードロックレーザに注入される光パワーは、本発明の実施形態に関して上記に記載される接続装置１０２の一部であり得る可調整結合素子の結合比を調整することによって調整され得る。マスターレーザ１３０によって出射される注入ロック用の狭いＣＷレーザ線の波長は、例えば、送達導波路１０３、１０４のうちの１つにおける周波数シフタ１０７を使用して、２つのモードロックレーザのうちの１つのみに対して周波数シフトが行われてもよい。これは、マスターレーザ１３０のＣＷレーザ線に噴射ロックされている生成された相互にコヒーレントな周波数コム内のこれらの２つのコム線が一致しない、すなわち、同一波長を有しないという有利点を有する。その結果、ヘテロダイン検出時に相互にコヒーレントで位置合わせされた２つの周波数コムに対して存在するビートノート干渉計の左右縮退が、２つの注入同期コムモードの位置ずれを意図的に導入することによって排除される。したがって、より多くのビートノートをデュアルコム分光法で明確に検出することができ、これにより、より広いスペクトルの検知範囲を可能にする。それぞれのコムの側部に位置するコム線でロックされた２つの周波数コムであっても、周波数シフタを使用する場合、ビートノートの検出時に得られるエイリアシングの量を更に低減することができる。
本発明の他の実施形態では、別個の周波数シフタが送達導波路１０３、１０４の各々に配置されてもよく、代替的には、送達導波路のうちの１つのみ、及び第１及び第２のモードロックレーザへのＣＷレージング光の送達経路に共通する接続装置の導波路部分（例えば、マスターレーザの出力ポート１３６と結合素子１０５との間に接続されている単一の出力導波路）に配置されてもよい。そのような実施形態では、周波数シフタの１つが、マスターレーザによって出射されるＣＷレージング線のより良いスペクトル配置を、モードロックレーザのうちの１つの共振モードで達成するために使用され得る。その一方で、他の１つの周波数シフタが、モードロックレーザのうちの他の１つの共振モードを注入及び周波数ロックすることによって、第２の周波数コムを構成するコム線と比較して、第１の周波数コムを構成するコム線の調整ずれを制御する目的を果たす。更に他の実施形態では、単一の周波数シフタが、第１及び第２のモードロックレーザ（例えば、マスターレーザの出力ポート１３６と結合素子１０５との間に接続された単一の出力導波路へのＣＷレージング光の送達経路に共通の接続装置の導波路部分）に配置され得る。これは、前述のように、マスターレーザによって出射されるＣＷレージング線の、１つ又は双方のモードロックレーザの共振モードとのより良いスペクトル配列を達成することができるという有利点を有する。これは、マスターレーザによって出射されるＣＷレージング線が調整可能でない実施形態において特に重要な場合がある。更に、アクチュエータがフィードバックループの一部として提供され、そのアクチュエータが生成された周波数コムのドリフトに関する情報を受信し、それに応じて周波数シフタの周波数シフトを設定するための制御信号を調整するように構成されてよい。これにより、デュアル周波数コム光源の長期の安定性を更に向上させることができる。
図２は、集積デュアル周波数コム光源２００の第２の実施形態を示す。この実施形態は、第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０の出力が出力コンビネータを介して相互に結合されていないという点で、前述の実施形態とは異なる。代わりに、出力導波路２０３、２０４が、２つのモードロックレーザ１１０、１２０のそれぞれの１つとデュアル周波数コム光源２００の対応する出力２０９ａ、２０９ｂとの間に接続される。これは、生成された２つの周波数コムが、相互に独立してアクセスされ得る有利点を有する。出力導波路２０３、２０４は、ＰＩＣとして提供されるデュアル周波数コム光源２００の出力ファセット又は切断面に対して傾斜し得る。これは、スプリアス反射を低減し、モードロックレーザ１１０、１２０の拡張光学キャビティに再入力することによる望ましくない光学フィードバックを防止するという利点を有する。したがって、偽のパルス列が抑制され得る。この実施形態の代替として、ＰＩＣの切断されたファセットは、モードロックレーザ１１０、１２０の少なくとも１つの延長されたキャビティの第２の反射器として使用されてもよく、この切断されたファセットは、デュアル周波数コム光源２００の対応する出力２０９ａ、２０９ｂとしても機能する。このような代替の出力導波路は、モードロックレーザとデュアル周波数コム光源のそれぞれの出力との間には必要なく、それによって伝播損失を低減し、アウトカップリング効率を向上させることができる。更に、２つの個々の可変光学減衰器２０６ａ及び２０６ｂが、マスターレーザ１３０をモードロックレーザ１１０、１２０の各１つと接続するそれぞれの光経路に挿入される。これは、加工の可変性によって引き起こされる必要な光学注入パワー又はロック範囲の差が、各モードロックレーザ１１０、１２０に対して個別に補償され得るという有利点を有する。追加の減衰器２０６ａ、２０６ｂは、単一の減衰器１０６のみを有する場合と比較して、マスターレーザ１３０に最も近い減衰器１０６の最小消滅比を低減させるために、又は非可変減衰器によってそれを置き換えるために使用されてもよい。本実施形態の代替として、マスターレーザ１３０に最も近い共通の減衰器１０６は完全に省略されてもよい。
追加の減衰器２０６ａ、２０６ｂの挿入は、本実施形態に限定されず、上述の修正も、本発明の他の実施形態に適用され得る。より高い伝播損失のためにあまり好ましくないが、本発明の実施形態は、能動－受動集積を使用して、ＩｎＰに基づく材料におけるモノリシックに集積されたＰＩＣなどの一般的なＩｎＰに基づくプラットフォームで実装され得る。
図３は、デュアル周波数コム形分光法のための集積システム３００を示す。このようなシステムは、気体の吸収分光法に使用することができる。システム３００は、図１の第１の実施形態のために上記で説明したようなデュアル周波数コム光源を備える。本発明の実施形態に関して上述したように、（例えば、対応する光学キャビティ１１３、１２３の光学経路長を意図的に異ならせることによって）（例えば、第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０の光学キャビティ長の１％未満の相対差を選択することによって）第１及び第２の生成周波数コムはわずかに異なる繰り返し率を有する。それに加えて、システム３００は、生成された周波数コムのうちの１つが周囲の気体分子と相互作用する検知領域３０１と、平衡型光検出器３０２とを備える。例えば、検知領域３０１は、渦巻き（例えば、スパイラル）状の導波路部分を備え、周囲の気体分子は、それに沿ってパルスのガイド列のエバネッセントテールと相互作用する。気体分子と検知に使用される周波数コムとの相互作用の結果、気体分子のスペクトル吸収特徴と重なるコム線は強度が低下する。コンバイナ１０８は、検知のための修正された周波数コムを、気体分子との相互作用を防止されている基準周波数コムと組み合わせる。コンバイナ１０８の出力に接続された平衡型光検出器３０２上で検出されると、ＲＦドメイン、例えば光検出器３０２の出力に電気的に接続されたＲＦスペクトル分析器内で記録及び分析され得るビートノートのインターフェログラムが作成される。次いで、信号処理手段（例えば、システム３００と共に集積され得るマイクロプロセッサ）が、ＲＦドメインにおける吸収スペクトルを再構成するためにインターフェログラムのフーリエ変換を求め、これを光学ドメインに参照し直すことができる。この光学領域への参照は、注入ロックされたコム線を、例えば、較正測定から取得された所定の基準波長と比較することによって達成され、マスターレーザ内のモードホップを回避するために、密な範囲内で集積分光法システムの温度を制御する（例えば、±０．１Ｋ内で温度を制御する）ことによって達成される。所定の基準波長は、波長標準（例えば、アセチレンのような気体の分子吸収線）と比較されたマスターレーザ１３０のＣＷレージング線の較正された波長であってよい。代替的には、マスターレーザ１３０によって生成されたＣＷレージング線が、マスターレーザによって生成されたＣＷレージング線の光パワーの一部をタップして気体セルに注入し、波長ドリフトを表す透過率の相対的な変化を検出することによって、波長基準（例えば、アセチレンのような気体の分子吸収線）に対して追跡又は安定化され得る。気体電池は、チップ上に設けられてもよく、例えばＰＩＣ内に内蔵されてもよく、又はチップ外に設けられてもよい。
第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０によって生成された広範囲かつ高密度の周波数コム（例えば、約１ＧＨｚ間隔で配置された１０００本以上のコム線）によって、大気圧下で気体に衝突して拡がった振動の吸収特徴を解決することが可能となる。２つの周波数コムは、注入ロックによって相互にコヒーレントであり、それらのコム線が（マスターレーザ１３０の注入レージング線のドリフトに対応して）同一量でドリフトするため、高速並列広帯域分子分光法を可能にするための更なる安定化機構は不要となる。本発明の実施形態の別の有利点は、２つの生成された周波数コムのいずれの走査も必要とすることなく、分光測定を実施することができることである。
他の集積デュアルコム周波数分光法システムが可能であり、検知領域３０１が基板１０１自体には提供されないが、代わりに検知のための光路が周囲空間に伸張し、更に／又は、検知のための光経路がシステム３００の入出力ポートに結合された外部デバイス（例えば、シングルパス又はマルチパス気体セル）内に伸張する。更に、ビートノートの検出及びインターフェログラムの記録は、例えばコンバイナ１０８の補完的な出力を使用して、外部光検出器上で行われてもよい。
図４を参照すると、光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源４００が示されている。これは、図１に関して記載したデュアル周波数コム光源１００の変形例である。光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源４００は、可変光学減衰器１０６がバーニヤ型４０６の光学フィルタに置き換えられている点で、図１のデュアル周波数コム光源１００とは異なる。このバーニヤ型光学フィルタ４０６は、直列に接続された２つのマイクロリング共振器として実装されてもよく、２つのマイクロリング共振器のそれぞれの自由スペクトル範囲がわずかに不一致しており、双方のマイクロリング共振器自由スペクトル範囲（バーニヤ効果）の倍数であるバーニヤ型フィルタ４０６の結合自由スペクトル範囲を取得する。バーニヤ型フィルタ４０６の結合自由スペクトル範囲は、マイクロリング共振器の個々の自由スペクトル範囲を１桁超えることができ、結合自由スペクトル範囲に対して５００ＧＨｚ～最大数ＴＨｚ（例えば、２～３ＴＨｚ）の値は、容易に得ることが可能である。バーニヤ型光学フィルタ４０６の他の実装もまた、例えば、カスケード式マッハツェンダー干渉計などのカスケード式干渉計によって可能である。動作中、波長を調整可能であり得るバーニヤ型光学フィルタ４０６の透過率特徴（例えば、ピーク）は、マスターレーザ１３０によって出射されるＣＷレーザ線の波長とスペクトル的に整合される。これはまた、バーニヤ型光学フィルタを、その透過率特徴（例えば、ピーク）が出射されたＣＷレーザ線の波長と整合するように設計することと、マスターレーザ１３０を波長調整することと、マスターレーザによって出射されたＣＷレーザ線を、マスターレーザ出力ポートとバーニヤ型光学フィルタとの間に挿入された接続装置の周波数シフタで周波数シフトすることと、又はそれらの組み合わせることと、によって達成され得る。可変光学減衰器１０６と同様に、バーニヤ型光学フィルタ４０６は、マスターレーザ出力ポート１３６に接続された出力導波路の光路に挿入されて、マスターレーザ１３０に再入射される逆伝搬光の強力な光学減衰を得ることができる。減衰される逆伝搬光は、主に、第１及び第２のモードロックレーザ１１０、１２０によって生成され、それぞれのポート１１７、１２７を通過する周波数コムのコム線に関するが、接続装置１０２の一部として１つ以上の周波数シフタ１０７を提供する実施形態では、部分的に反射及び周波数シフトされたＣＷレーザ光も包含してよい。これは、モードロックレーザ１１０、１２０の動作によって引き起こされる妨害からマスターレーザ１３０を効果的に保護し、注入ロックのための狭い線幅レーザ線のスペクトル拡大なしで安定した発光を確保する。バーニヤ型光学フィルタ４０６に関して、強力な光学減衰は、その透過率プロファイルから測定可能な消滅比として定義され得る。実際に達成可能な消滅比は、少なくとも２５ｄＢであってもよく、例えば、２５ｄＢ～６０ｄＢであってもよい。光学減衰器は、本実施形態の接続装置１０２の一部ではないが、例えば図１又は図２に関連する実施形態に記載されているように、同一の接続装置の光路において可変であり得る１つ以上の光学減衰器の使用にバーニヤ型光学フィルタ４０６を組み合わせることが可能である。
図５は、本発明の一実施形態による、集積デュアル周波数コム光源の半導体モードロックレーザのうちの１つによって出射される周波数コムの記録されたスペクトル（約５０％）の一部を示す。半導体モードロックレーザは、ＳＯＩレーザ（例えば、厚さ４００ｎｍのシリコン）上のヘテロ集積ＩＩＩ－Ｖとして提供され、活性層に６つのＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸を有する７００μｍの長さのゲイン部と、受動シリコン導波路（例えば、長さ２ｃｍ～４ｃｍ）又は窒化シリコン導波路（例えば、長さ４ｃｍ～８ｃｍ）に基づく拡張光学キャビティと、を備える。スペクトルは、モードロックレーザが出射する周波数コムを平衡型光検出器上で外部から生成された電気光学（ＥＯ）周波数コムに組み合わせたときに、光学ヘテロダイン検出によって生成されたＲＦドメイン内のビートノートを測定することによって得られた。ここで、ＥＯ周波数コムは、ＲＦドメインへのダウンコンバートのための局所発振器のアレイとして機能する。モードロックレーザの注入ロックに使用されているマスターレーザの同一のＣＷレージング線は、ＥＯ周波数コム形ジェネレータ（例えば、高度に非線形な光ファイバに結合された強度変調器）のキャリア及びシード線としても機能し、その線間隔は半導体モードロックレーザ周波数コムの繰り返し率と若干異なって設定される（例えば、コム線間隔の０．５ＭＨｚの差に設定される）。これによって、２つの周波数コム、すなわち、半導体モードロックレーザ及びＥＯコムジェネレータによって生成された周波数コムが相互にコヒーレントであることが保証される。次いで、測定したビートノート（１００μｓの長さで１２００回連続して取得した平均的なインターフェログラム）からフーリエ変換を行い、光周波数に逆変換することでスペクトルを復元する。ここで、マスターレーザによって生成されたような注入ロック用のレージング線に結び付けられた発射周波数コムの注入ロックモードと外部で生成されたＥＯ周波数コムのキャリア波長との間の強烈なビートノートは、記録されたＲＦスペクトルを光学領域に戻すためのランドマークとして使用される。記録されたスペクトルを検査することにより、外部で生成されたＥＯ周波数コムのスペクトル範囲によって制限された周波数コム（例えば、モードロックレーザによって生成された周波数コムと重複する５０％）は、６６６ＧＨｚにわたった６６０本のコム線をカウントすることが明らかになる。スペクトルは、モードロックレーザによって生成された周波数コムが滑らかでピークが平坦であることを更に示している。コム形線間隔によるパルス繰り返し率は、約１．０１ＧＨｚである。モードロックレーザによって生成された周波数コムの全スペクトルは更に広く、１．１７ＴＨｚにわたってピークが平坦で、１１５４本のコム線を含む。
本発明は、検出される種を含む試料に対してデュアル周波数コム分光法を実行する方法にも関係する。検知のための種は、大気圧で、又は大気圧よりも高い気体分子であってよい。この方法は、上記の実施形態による集積デュアル周波数コム光源、及び検出される種と、集積デュアル周波数コム光源によって生成された周波数コムのうちの１つとの間の光物質相互作用のための検知領域を提供するステップを含む。検知領域は、（例えば、第１及び第２の生成された周波数コムのうちの１つのみの光経路に設けられた）集積デュアル周波数コム光源によって構成されてもよく、又は、集積デュアル周波数コム光源（例えば、吸収セル又は自由空間領域）の外部であってもよい。次に、第１及び第２のモードロックレーザが、マスターレーザによって供給されるレージング波長に注入ロックされる。更なるステップでは、試料を検知領域と接触させて、種と集積デュアル周波数コム光源によって生成された２つの周波数コムのうちの第１のものとの間の光物質相互作用を提供する。第２のものは基準周波数コムとして機能する。その後、複数のビート線を含むインターフェログラムが、第１及び第２の周波数コムの組み合わせの検出時に記録される。
図６は、デュアルコム分光法の記録の確認された吸収特徴ＡＦ１～ＡＦ３及びＣＷロック線を示す。分光法のためのデュアル周波数コム干渉計システムが使用されており、このシステムは、図２に示されるものと同様の光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源と、外部検知領域と、時間領域干渉計におけるビート線の記録のための外部光検出器と、を備える。外部検知領域は、ＣＯ充填吸収気体セルに対応する。スペクトルの記録は、総取得時間１７．５ミリ秒にわたって９０μｓの長時間スライスを平均し、次に逆フーリエ変換及び光学周波数領域への逆変換によって生成された。７００本以上のスペクトル線、例えば、最大８００本以上のスペクトル線を区別することができる。デュアル周波数コム形分光法実験では、注入ロック用のＣＷレーザ線の波長は１５９８．００ｎｍであり、２つのモードロックレーザの繰り返し率の差は２５３ｋＨｚに設定され、７５ＭＨｚの周波数シフトが周波数シフタによって接続装置の１分岐のＣＷレーザ線に適用されていた。２つの生成された周波数コムの各々の隣接するコム線間の周波数間隔は約１．０１ＧＨｚであった。これは、その実験においてデュアルコム干渉計で達成された分解能にも等しく、対応するＲＦスペクトルの線にローレンツフィットを行ったところ、分解能１００Ｈｚの帯域幅で、ＦＷＨＭが２０Ｈｚ未満であることが実証された。
開示される実施形態に対する他の変形例は、図面、開示、及び添付の請求項の研究から、特許請求される発明を実践する当業者によって理解され、実現され得る。請求項において、単語「備える」は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しない。ある手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという事実だけでは、これらの手段の組み合せを有利的に使用できないことを示すものではない。請求項内の任意の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (19)

  1. 光集積回路に基づく相互にコヒーレントなデュアル周波数コム光源（１００）であって、前記光集積回路の同一の基板（１０１）上に、
    第１及び第２の周波数コムをそれぞれ生成するための第１及び第２のモードロックレーザ（１１０、１２０）であって、前記第１及び第２のモードロックレーザの各々が、モードロックを提供するためのゲイン部及び可飽和吸収体部と、前記基板（１０１）の導波路層に形成された、受動導波路構造を有する拡張光学キャビティ（１１３、１２３）と、を含み、各拡張光学キャビティの少なくとも１つの共振モードが、５μｓ積分時間で５ＭＨｚ未満のスペクトル帯域幅を有し、かつ、少なくとも前記ゲイン部が、前記基板（１０１）に接合されたヘテロ集積ＩＩＩ－Ｖ族材料の層状積層体として提供されている、第１及び第２のモードロックレーザ（１１０、１２０）と、
    前記第１及び第２のモードロックレーザの同時光注入ロックのための連続波レージング線を生成するマスターレーザ（１３０）であって、前記マスターレーザが、前記第１及び第２の周波数コムのモード間の周波数間隔よりも狭い線幅を有する前記連続波レージング線を生成するように構成されている、マスターレーザ（１３０）と、
    前記マスターレーザによって生成されたレージング光を各モードロックレーザにコヒーレントに伝達するために、前記マスターレーザの出力ポート（１３６）と前記第１及び第２のモードロックレーザの各々のそれぞれの入力ポート（１１７、１２７）との間に介在された接続装置（１０２）と、を備える、デュアル周波数コム光源（１００）。
  2. 前記第１及び第２のモードロックレーザ（１１０、１２０）の各々の前記拡張光学キャビティ（１１３、１２３）が、線形光学共振器として、又はリング共振器として配置されている、請求項１に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  3. 前記マスターレーザ（１３０）が、前記モードロックレーザ（１１０、１２０）の各々の前記拡張光学キャビティ（１１３、１２３）の前記導波路構造と同一である、前記基板（１０１）の導波路層に形成された拡張光学キャビティ（１３３）を備える、請求項１又は２に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  4. 前記マスターレーザの拡張光学キャビティ（１３３）の光路長が、前記モードロックレーザの拡張光学キャビティ（１１３、１２３）のうちのいずれか１つの対応する光路長と１％未満異なる、請求項３に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  5. 前記接続装置（１０２）が、前記マスターレーザの前記出力ポート（１３６）と光通信をする結合素子（１０５）と、前記結合素子と前記第１及び第２のモードロックレーザの前記入力ポート（１１７、１２７）との間に光学的に接続された少なくとも２つの送達導波路（１０３、１０４）と、を備える、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  6. 前記第１及び第２のモードロックレーザ（１１０、１２０）の各々の前記ゲイン部（１１１、１２１）が、電気バイアス電流の注入のために構成され、かつ／又は、前記第１及び第２のモードロックレーザ（１１０、１２０）のうちの少なくとも１つの前記可飽和吸収体部（１１２、１２２）が、前記モードロックレーザによって生成された周波数コムの隣接するコム線間の周波数間隔に対応する率で変調された無線周波数信号を受信するように構成されている、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  7. 前記第１及び第２のモードロックレーザのうちの少なくとも１つの前記ゲイン部（１１１、１２１）及び前記可飽和吸収体部（１１２、１２２）が、異なる半導体材料から作られているか、又は、前記第１及び第２のモードロックレーザのうちの少なくとも１つの前記ゲイン部（１１１、１２１）及び前記可飽和吸収体部（１１２、１２２）が、前記基板（１０１）に接合された同一のヘテロ集積ＩＩＩ－Ｖ族材料に形成されている、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  8. 前記第１及び第２のモードロックレーザの各々が、前記入力ポート（１１７、１２７）に配置された対応する第１の反射器（１１４、１２４）を含み、前記第１の反射器の反射率値が８５％～９５％である、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  9. 前記接続装置が、前記マスターレーザの前記出力ポート（１３６）と前記第１及び第２のモードロックレーザのうちの少なくとも１つの前記入力ポート（１２７）との間に配置された少なくとも１つの周波数シフタ（１０７）を更に備える、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  10. 前記接続装置（１０２）が、いかなる光学アイソレータも有しないことを特徴とする、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  11. 前記接続装置（１０２）が、前記第１及び第２のモードロックレーザの各々に注入される光パワーの量を制御するための少なくとも１つの光学減衰器（１０６）を更に備える、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  12. 前記第１及び第２のモードロックレーザのうちの少なくとも１つが、１０ギガヘルツ未満のコム間隔を有する周波数コムを生成するように構成されているか、又は、前記第１及び第２のモードロックレーザのうちの少なくとも１つの前記拡張光学キャビティの前記受動導波路構造が、１．０ｍｍを超える物理長を有する、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  13. 前記接続装置（１０２）が、バーニヤ型光学フィルタ（４０６）を更に備える、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  14. 各拡張光学キャビティの各共振モードが、５μｓの積分時間で１ＭＨｚ未満のスペクトル帯域幅を有する、先行請求項のいずれか一項に記載のデュアル周波数コム光源（１００）。
  15. デュアル周波数コム分光法のための集積システム（３００）であって、
    先行請求項のいずれか一項に記載の光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源（１００）と、
    前記第１及び第２のモードロックレーザの組み合わせられた周波数コムを受信するように配置された光検出器（３０２）と、
    前記第１及び第２のモードロックレーザのうちの１つのみと前記光検出器との間に延在する光学経路に設けられた検知領域（３０１）であって、前記検知領域が、生成された周波数コムと検知される種との間の光物質の相互作用を可能にするために構成されている、検知領域（３０１）と、を備え、
    前記生成された第１及び第２の周波数コムのコム間隔の差が、前記光検出器の検出可能な無線周波数範囲に含まれる、集積システム（３００）。
  16. 前記検知領域が導波路部分を備え、前記導波路部分が、前記導波路部分によってガイドされる前記生成された周波数コムと前記検知される種との間でエバネッセント波を検知するために構成されている、請求項１５に記載のシステム。
  17. 受信された第１及び第２の周波数コムの干渉に応答して、前記光検出器によって生成されたインターフェログラム内のビート線を検出及び分析するための処理手段を更に備える、請求項１５又は１６に記載のシステム。
  18. 前記システムが光集積回路として提供されることを特徴とする、請求項１５～１７のいずれか一項に記載のシステム。
  19. 検知される種を含む試料に対してデュアル周波数コム分光法を実行する方法であって、
    請求項１～１４のいずれか一項に記載の光集積回路に基づくデュアル周波数コム光源（１００）を提供することであって、第１の生成された周波数コムの繰り返し率が、第２の生成された周波数コムの繰り返し率とは異なる、提供することと、
    前記マスターレーザの出力ポート（１３６）から前記第１及び第２のモードロックレーザの各々のそれぞれの入力ポート（１１７、１２７）に前記マスターレーザによって生成された連続波レージング光をコヒーレントに伝達することにより、前記第１及び第２のモードロックレーザを前記連続波レージング光の波長に光学的に注入ロックすることと、
    前記第１の生成された周波数コムを、検知領域を通るように方向付けることであって、前記検知領域が、前記検知される種を受け取り、前記周波数コムと前記種との間の光物質の相互作用を可能にするために構成されている、誘導することと、
    前記試料を前記検知領域に接触させることと、
    前記第１及び第２の生成周波数コムを光検出器上に重ね合わせたときに生成されたインターフェログラム内のビートノートを検出することであって、前記第１の生成周波数コムが前記試料中の前記種と相互作用している、検出することと、を含む、方法。
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