JP4564923B2

JP4564923B2 - 電気光学ウィスパリングギャラリモード共振器を有する同調可能光フィルタ

Info

Publication number: JP4564923B2
Application number: JP2005518867A
Authority: JP
Inventors: アナトリーサブシェンコ; ウラジミールイルシェンコ; アンドレービーマツコ; ルフォラマーレキー
Original assignee: カリフォルニアインスティテュートオブテクノロジー
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-02-03
Also published as: EP1595167A4; CA2514818A1; WO2004070432A3; JP2006515081A; WO2004070432A2; EP1595167A2

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本出願は、２００３年２月３日出願の米国仮出願第６０／４４４，４２３号、名称「ウィスパリングギャラリモードに基づく同調可能フィルタ」の恩典を主張する。

本出願はまた、２００３年１１月４日出願の米国特許出願第１０／７０２，２０１号、名称「結合ウィスパリングギャラリモード共振器を有する光フィルタ」の恩典を主張する。

上記２つの特許出願の全開示を引用して、本出願の一部として本明細書に組込む。

連邦政府出資研究に関する表明
本明細書で説明するシステムおよび技法は、ＮＡＳＡ契約のもとで業務実行が成された。契約者が権利を保持するよう選ばれるＰｕｂｌｉｃＬａｗ９６−５１７（３５
ＵＳＣ２０２）の規定を受ける。

発明の背景
本出願は、光共振器およびキャビティに基づく光フィルタに関する。

光フィルタは広範囲な用途を有する。普通に用いられる形式の光フィルタは、帯域通過光フィルタであり、スペクトル窓内の光スペクトル成分はフィルタを伝送し、一方、スペクトル窓外の他のスペクトル成分は遮断される。ファブリーペロー共振器等の光共振器を、このような帯域通過フィルタとして用いることができる。

光学的なウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）共振器は、特別な光共振器であり、ウィスパリングギャラリ（ＷＧ）モードとして周知の特別セットの共振器モードをサポートする。これらのＷＧモードは、境界での内部全反射による共振器表面に近い内部領域に閉じ込められた光フィールドを表す。直径が数十ミクロンから数百ミクロンの微小球体を用いて、小型の光ＷＧＭ共振器を形成する。このような球形共振器には、球体の赤道を含む球体の少なくとも一部が含まれる。共振器のサイズは一般に光の波長よりずっと大きいので、共振器の有限曲率による光の損失は小さい。その結果、高いクオリティファクタ、Ｑ、がこのような共振器で達成できる。サブミリメータサイズの微小球体の幾つかは、光波に対して、例えば、水晶の微小球体では１０³から１０⁹までの範囲の、非常に高いクオリティファクタを示すことが実証されている。従って、ウィスパリングギャラリモードに結合すると、光エネルギーは、長い光子寿命を保ったままＷＧＭ共振器内を循環できる。このような高いＱのＷＧＭ共振器は、光フィルタを含む多くの光学的用途で用いられる。

概要
本出願は、電気光学効果を示すＷＧＭ共振器を用いる同調可能光フィルタの各種の実施の形態を説明する。一実施の形態では、入力光信号は、ウィスパリングギャラリモードをサポートするよう構成するとともに、ウィスパリングギャラリモードが存在する部分を備える光共振器に導かれる。光共振器の少なくとも一部は、電気光学効果を示す。光を結合して光共振器から取りだして、入力光信号からフィルタ処理した光出力を生成する。電気制御信号を光共振器の少なくとも一部に印加して光共振器の伝送スペクトルピークを同調し、それによりフィルタ処理光出力で、入力光信号のスペクトル成分を選択する。

上記実施の形態で、未変調光ビームを第１および第２ビームに分岐してもよい。第１ビームは、信号を搬送する入力光信号として変調する。第２ビームは光遅延経路を通して導いてもよい。フィルタ処理光出力と、光遅延経路を通った後の第２ビームとを合成して、合成光信号を生成する。次に、合成光信号を電気信号に変換する。次いで、信号を電気信号から抽出する。

光共振器、少なくとも１つの電極、および制御ユニットを含む同調フィルタの一実施も開示する。光共振器は、ウィスパリングギャラリモードをサポートするよう構成し、少なくとも、ウィスパリングギャラリモードが存在する部分を備える。光共振器の少なくとも一部は、電気光学効果を示す。電極を光共振器上に形成して電気制御信号を光共振器に導き、ウィスパリングギャラリモードと空間的に重ね合わせる。制御ユニットを、少なくとも１つの電極に接続して、その一部に電気制御信号を供給して屈折率を同調し、電気光学効果により光共振器の伝送ピークを同調する。

上記同調可能フィルタの用途の１つは、複数の信号チャンネルを搬送する放射信号を受信し、受信した信号チャンネルから選択チャンネルを抽出する受信機に用いることである。この受信機は、放射信号に応じて光ビームを変調して、信号チャンネルを搬送する光変調信号を生成する光変調器を含んでもよい。光フィルタを配置して、光変調信号を受信し、フィルタ処理して、選択した信号チャンネルだけを搬送するフィルタ処理光出力を生成する。光検出器を備えて、フィルタ処理光出力を電気信号に変換する。受信機は、電気信号を基準信号と混合して選択信号チャンネルを抽出するミキサーも含む。

これら、および他の実施の形態を、以下の図面、詳細説明、および請求項で更に詳細に説明する。

詳細な説明
ＷＧＭ共振器は、ＷＧＭモードで共鳴する波長で光を伝送する。従って、ＷＧＭ共振器の共鳴状態は、共振器の高いクオリティファクタＱにより、狭い帯域幅をもつスペクトル伝送窓を生成する。ＷＧＭ共振器はローレンツ型フィルタ関数を生成してもよい。ＷＧ共振器の伝送ピークは、ＷＧモードが影響を受ける屈折率変化により同調できる。従って、ＷＧＭ共振器全体、または少なくともＷＧモードが存在する領域が電気光学効果を示す場合、ＤＣ電圧等の電気制御信号を共振器に印加してフィルタ機能を同調できる。以下に説明するように、このような同調可能ＷＧＭ共振器フィルタの構造は小型の設計として、低い光損失（例えば、約２０ｄＢ以下）をもつ１０⁹Ｈｚのオーダーの広い同調可能スペクトル範囲、および約数十μ秒以下の高い同調速度を持たせることができる。

このような同調可能ＷＧＭ共振器フィルタは、異なる共振器形状のＷＧＭ共振器を用いてもよい。図１、図２、および図３は、このようなＷＧＭ共振器を実装するための３つの例示の形状を示す。

図１は、固体の誘電体球である球形ＷＧＭ共振器１００を示す。球体１００は、ｚ軸１０１周りに対称な面１０２に赤道を有する。面１０２の外周は円形で、面１０２は円形断面である。ＷＧモードは、球体の外表面内の赤道周りに存在し、共振器１００内を循環する。赤道面１０２周りの外表面の球体曲率は、ｚ方向およびその垂直方向の両方に沿って空間的閉じ込めをもたらして、ＷＧモードをサポートする。球体１００の偏心度は概して小さい。

図２は、例示の回転楕円体微小共振器２００を示す。この共振器２００は、楕円（軸長ａおよびｂを持つ）を楕円短軸１０１（ｚ）に沿う対称軸周りに回転させて形成してもよい。従って、図１の球形共振器と同様に、図２の面１０２も、円形の外周をもち、円形断面である。図１の設計と異なり、図２の面１０２は、非球形楕円回転体の円形断面であり、回転楕円体の楕円短軸周りの円形断面である。共振器１００の偏心度は（１−ｂ²／ａ²）^1/2であり、概して大きく、例えば、１０^-1より大きい。従って、共振器２００の外表面は球体の一部ではなく、ｚ方向に沿ってモードを空間的に閉じ込める効果は球体の外表面より大きい。より詳細には、ｚｙまたはｚｘ面等のｚを含む面内のキャビティの形状は楕円形である。共振器２００の中心にある赤道面１０２は、軸１０１（ｚ）に垂直であり、ＷＧモードは共振器２００内部の面１０２の周囲の近くを循環する。

図３は、直交座標の２次方程式で数学的に表すことができる外表面が概ね円錐体である非球形外表面を有する別の例示のＷＧＭ共振器３００を示す。図１および図２の形状と類似して、外表面は、面１０２内の方向、および面１０２と垂直なｚ方向の両方に屈曲を提供して、ＷＧモードを閉じ込め、サポートする。このような非球体、非楕円回転体の表面は、例えば、放物線または双曲線であってもよい。留意すべきは、図３の面１０２は、円形断面であり、ＷＧモードは赤道円の周りを循環する、ということである。

図１、図２、および図３の上記３つの例示の形状は、ＷＧモードが面１０２内を軸周りに循環する軸１０１（ｚ）周りに全て軸対称または円筒対称である共通の形状的特徴を共有する。外表面の曲面は、面１０２周りが滑らかで、面１０２周りに２次元閉じ込めを提供し、ＷＧモードをサポートする。

留意すべきは、各共振器におけるＷＧモードのｚ方向１０１に沿った空間的広がりは、面１０２の上下に制限され、従って、球体１００、回転楕円体２００、または円錐体３００の全体を備える必要はない。代替として、ウィスパリングギャラリモードをサポートするのに十分大きな、全体形状の内の面１０２周りの一部だけを、ＷＧＭ共振器に対して用いてもよい。例えば、球体の適切な断面から形成されるリング、ディスク等の形状を球体のＷＧＭ共振器として用いてもよい。

図４Ａおよび図４Ｂは、ディスク形ＷＧＭ共振器４００、およびリング形ＷＧＭ共振器４２０をそれぞれ示す。図４Ａでは、固体のディスク４００は、中心面１０２の上に上面４０１Ａ、および面１０２の下に底面４０１Ｂを、距離Ｈを隔てて有する。距離Ｈの値は、ＷＧモードをサポートするのに十分な大きさである。中心面１０２の上のこの十分な距離を超えて、共振器は、図３、図４Ａおよび図４Ｂに示すような鋭い縁部を有してもよい。外表面の曲面４０２は、図１、図２、および図３に示す形状の何れかから選択されて、所望のＷＧモードおよびスペクトル特性を達成できる。図４Ｂのリング共振器４２０は、図４Ａの固体ディスク４００から中心部分４１０を除去することにより形成されてもよい。ＷＧモードは、外表面４０２近傍のリング４２０の外側部の近くに存在するので、リングの厚さｈは、十分大きく設定してＷＧモードをサポートしてもよい。

一般に、光結合器を用いて、エバネッセント結合により、光エネルギーをＷＧＭ共振器に結合したり、または取り出したりする。図５Ａおよび図５Ｂは、ＷＧＭ共振器に接合した光結合器の２つの実施例を示す。光結合器は共振器の外表面に直接接触させて、またはある間隙まで離して、所望の臨界結合を達成できる。図５Ａは、ＷＧＭ共振器用の結合器としての角度付けて研磨されたファイバの先端部を示す。平面型導波路または他の型の導波路等の、角度付き端面をもつ導波路を結合器として用いてもよい。図５Ｂは、ＷＧＭ共振器用の結合器としての微小プリズムを示す。光バンドギャップ材料で形成した結合器等の、他のエバネッセント結合器を用いてもよい。

一様な屈折率をもつＷＧＭ共振器では、ＷＧモードの電磁場の一部が共振器の外表面に位置している。光結合器と、一様な屈折率をもつＷＧＭ共振器との間の間隙は、一般に、適切な光結合を達成するのに必要である。この間隙を用いてＷＧモードを適切に「無負荷（unload）」にする。ＷＧモードのＱファクタはＷＧＭ共振器の誘電体材料特性、共振器の形状、外部条件、および結合器（例えば、プリズム）による結合強度で決まる。最大のＱファクタは、全てのパラメータが適切に釣合って、臨界結合状態が達成される場合に達成できる。一様な屈折率をもつＷＧＭ共振器では、プリズムのような結合器が共振器の外表面と接触する場合に結合が強く、この負荷を加えることにより、Ｑファクタを小さくすることができる。従って、表面と結合器との間の間隙を用いて、結合を弱め、Ｑファクタを増大する。一般に、この間隙は非常に小さく、例えば、ＷＧモードに結合する光の１波長未満である。圧電素子等の精密位置決め装置を用いて、この間隙を適切な値に維持してもよい。

同調可能ＷＧＭ共振器フィルタは、少なくともその一部は、屈折率が放射場または電場等の印加刺激に応じて変化する材料で作成してもよい。このような同調メカニズムを用いてフィルタの伝送ピークを同調でき、特に、ある種の応用では動的同調能力がもたらされる。更に、同調を用いて、共振器の形状または寸法の変化と関係付けられるある種の複雑さを回避でき、更にフィルタ動作中の特定の変動を補償することができる。例えば、電気光学材料を用いて、ＷＧモードが存在するＷＧＭ共振器の全体、またはＷＧＭ共振器の一部を構築できる。外部の電場を印加して、共振器を同調する共振器の屈折率を変更できる。

図６Ａおよび図６Ｂは、同調可能電気光学ＷＧＭ共振器フィルタ６００の実施例を示す。共振器６１０の全体または一部のための電気光学材料は、任意の適切な材料でよく、ニオブ酸リチウムおよび半導体多重量子井戸構造等の電気光学結晶が含まれる。１つ以上の電極６１１および６１２を共振器６１０上に形成して、少なくとも、ＷＧモードが存在して電気光学材料の屈折率を制御し、共振器のフィルタ機能を変化させる領域に対して、制御電場を印加することができる。共振器６１０が、図４Ａまたは図４Ｂのディスクまたはリング形状を有すると仮定すると、図６Ｂの装置の側面図に示すように、電極６１１は共振器６１０の上部に形成してもよく、電極６１２は共振器６１０の底部に形成してもよい。一実施の形態では、電極６１１および６１２は、ＲＦまたはマイクロ波共振器を構成して、ＲＦまたはマイクロ波信号を所望の光ＷＧモードと併せて共伝搬するよう印加してもよい。例えば、電極６１１および６１２は、マイクロストリップライン電極でもよい。電極６１１および６１２は、電気的導波路を形成して、電気制御信号をＷＧモードの光路に沿って伝搬するよう導いてもよい。制御回路等のフィルタ制御ユニット６３０を用いて電気制御信号を電極６１１および６１２に供給してもよい。

フィルタ６００の動作では、フィルタ制御ユニット６３０は、電気制御信号としての電圧を電極６１１および６１２に供給してもよい。動作によっては、制御電圧は、ＤＣ電圧として所望のスペクトル位置でフィルタ６００の伝送ピークにバイアスを加えてもよい。このような同調が必要な場合、ＤＣ電圧を制御ユニット６３０で調整して伝送ピークのスペクトル位置を同調してもよい。動的な同調動作に対して、制御ユニット６３０は、制御信号に応じて制御電圧を調整して、例えば、所望のスペクトル位置または周波数で伝送ピークを維持するか、または伝送ピークの周波数を目標位置に変更してもよい。他の動作によっては、制御ユニット６３０が、例えば、伝送ピークを固定速度、または可変速度で走査するか、または所定の方法で伝送ピークを一定に変化させる等、時間変化させて制御電圧を調整してもよい。

同調可能ＷＧＭ共振器フィルタ６００を、２つの光結合器６２１および６２２を含むよう示す。結合器６２１は、フィルタ処理のために、入力光信号６０１を共振器６１０に結合する入力結合器である。入力結合器６２１と異なる場所にあるのが一般的な結合器６２２は、フィルタ処理した出力信号６０２として、共振器６１０から出力されるフィルタ処理光を結合する。傾斜付きのファイバおよびプリズムを用いて結合器６２１および６２２を実装してもよい。結合器に対する他の実装も可能である。例えば、光ギャップ材料を光結合器として用いてもよい。

図７は、同調可能ＷＧＭ共振器フィルタ７００の別の実施例を示す。このＷＧＭ共振器は、市販のニオブ酸リチウムウェーハ等の、電気光学材料ウェーハにより作成されるマイクロディスクＷＧＭ共振器７１０である。一実施例では、直径ｄ＝４．８ｍｍ、厚さ１７０μｍのＺカットのＬｉＮｂＯ₃ディスクキャビティを用いてもよい。キャビティ周縁は曲率半径１００μｍのドーナツ形に作製されている。略同一のディスクを幾つか作成して、比較した。主系列キャビティモードのクオリティファクタの再現可能値はＱ＝５×１０⁶（最大観測値はＱ＝５×１０⁷）であり、これはモードの３０ＭＨｚ帯域幅に相当する。光はキャビティに送られ、結合するダイヤモンドプリズムを介して取り出される。この技法によるファイバからファイバまでの挿入損失の再現可能値は２０ｄＢである（最小挿入損失の測定値は約１２ｄＢである）。最大伝送は、光がキャビティモードで共振する場合に得られる。

ディスク共振器７１０の上部および底部は、外部の電気制御信号を受信するために、導電性の層７１１および７１２でそれぞれ被覆した。インジウム等の金属を用いて導電性被膜７１１および７１２を形成してもよい。フィルタ７００の同調は、上部および底部の導電性被膜に電圧を印加することにより得られる。各導電性被膜は、共振器中央部には無くてもよく、ＷＧＭが位置している共振器の周縁に存在する。本設計の導電性被膜は、電気経路の全体的なインピーダンスを減少させ、従って、フィルタ７００の同調時間を短くできる。

ＴＥおよびＴＭモードの最大周波数偏移は、それぞれ次式のように書ける。

ここで、ν₀＝２×１０¹⁴Ｈｚは、入力光信号の搬送周波数で、入力信号を生成するレーザーの発振周波数である。ｒ₃₃＝３１ｐｍ／Ｖおよびｒ₁₃＝１０ｐｍ／ｖはＺカットＬｉＮｂＯ₃の電気光学定数である。ｎ₀＝２．２８、およびｎ_e＝２．２は、２つの直交複屈折軸に沿ったＬｉＮｂＯ₃の屈折率である。

留意すべきは、ＴＥおよびＴＭモードは、特定の用途の必要性に応じて、このようなフィルタの動作中に選択できる、ということである。例えば、ＴＭモードは、用途によってはＴＥモードより良好なクオリティファクタを生成するので、高いクオリティファクタまたは狭いフィルタ線幅が所望される場合に使用できる。ＴＥモードは、電気光学効果偏移量が同一の印加電圧値に対してＴＭモードのそれより３倍も大きいので、クオリティファクタがさほど重要ではない場合に使用する。ＴＥモードを用いることにより、必要電力も低下できる。

図８は、図７の設計に基づくＬｉＮｂＯ₃のＷＧＭフィルタに対する印加電圧により、実験的に測定したフィルタスペクトル応答の電気光学同調、および中心波長の同調を示す。同調電圧をゼロから１０Ｖまで変化させると、ＴＭ偏波に対して０．４２ＧＨｚだけフィルタのスペクトルが偏移し、理論値と一致する。この特別なフィルタは、±１５０Ｖの同調範囲で線形の電圧依存性を示し、総同調スパンはＷＧＭキャビティの自由スペクトル間隔（ＦＳＲ：free spectral range）を超える。

依存度Δν（Ｅ_z）は、大きなＤＣ電場（Ｅ_z＞２ＭＶ／ｍ）をキャビティに印加した場合、ヒステリシス特性を有する。印加電圧の急激な変化は、不完全なモード偏移補償、すなわち、Δν（Ｅ_z＝０）≠０、を招き、共振器周波数は、電場がＯＦＦに切り換えられたあと、数秒で最初の位置に戻る。この非線形体制のフィルタの最大周波数同調は、約４０ＧＨｚであった。

上記例示のフィルタの挿入損失は、主としてダイヤモンドプリズム構成との結合技法の非効率性によると判る。これに関連して、反射防止被膜を結合プリズムに施してこのような損失を低下させる。同様に、特殊な回折格子を光結合器としての高屈折率ファイバに配置して、損失を著しく低下させてもよい。

図９は、光ファイバーラインで同調可能ＷＧＭフィルタ９１０を用いて、ビデオ信号を送信する信号伝送システム９００を示す。このような伝送線は、ＮＡＳＡの惑星探査等の用途に著しく高い能力を提供できる携帯型光領域マイクロ波ナビゲーションおよび通信装置の開発に重要であろう。約２０ＭＨｚの半波高全幅値、およびゼロ搬送波周波数をもつビデオ信号がＣＣＤカメラ９０１からミキサー９０３に送られ、マイクロ波源９０５から発生される１０ＧＨｚマイクロ波搬送波と混合される。得られた変調マイクロ波信号をフィルタ９２０でフィルタ処理して、高次高調波信号成分を抑圧し、増幅して、マッハツェンダ型電気光学変調器等の光変調器９３０を用いて光信号９３２にアップコンバートする。

レーザー９６０を用いて、非変調レーザービームを、例えば、１５５０ｎｍで生成する。光スプリッタ９６２を用いて、レーザービームを第１レーザービーム９６２Ａ、および第２レーザービーム９６２Ｂに分岐する。ビーム９６２Ａを光変調器９３０に送り、変調して変調信号９３２を生成する。次いで、変調器信号９３２を、同調可能ＷＧＭフィルタ９１０を持つ光フィルタ伝送ラインを通じて送る。他方の非変調ビーム９６２Ｂは、例えば、ファイバーループの、光遅延ライン９４０を通じて、合成器として、動作して非変調ビーム９６２Ｂおよびフィルタ処理した変調信号９３２を合成する光スプリッタ９６４に送る。この合成はヘテロダイン型検出メカニズムを備え、レーザー９６０のノイズ影響を低下させることができる。次いで、高速フォトダイオード等の光検出器９５０を用いて、光スプリッタ９６４からの合成信号を受信し、検出する。レーザー９６０が安定レーザー出力を発生できる場合、光遅延ライン９４０および合成ビームスプリッタ９６４は、システム９００から除去してもよい。フィルタ９１０により生成したフィルタ処理光信号９３２は、検出器９５０に直接送ってもよい。

フォトダイオード出力をミキサー９７０によりマイクロ波搬送波と混合して、最初の信号を復元する。マイクロ波搬送波は、ここでは局部発振器として動作する。図９に示す例では、このマイクロ波搬送波は、マイクロ波源９０５からのマイクロ波出力から分岐される。ＴＶ等のディスプレイユニット９８０を用いて復元したビデオ信号を表示する。

本実施例では、フィルタ処理した信号を特徴付け、符号化した情報を読み出すために、フィルタ９１０からのフィルタ出力は、光照射野９６２Ｂにより混合され、フォトダイオード９５０により測定される。フィルタ９１０は信号に群遅延を加算する高ＱのＷＧＭキャビティである。実験で用いたレーザー９６０が広い線幅を有する場合、この群遅延は、仕組みが釣り合っていない限り、周波数対振幅のレーザーノイズ変換を生じることがある。この変換を避けるために、ファイバ遅延ラインＬ_fをもつマッハツェンダ構成にＷＧＭフィルタ９１０を挿入して、群遅延を補償する。遅延ラインの長さは、Ｌ_f＝ｄｎ₀Ｆ／２ｎ_f＝１．２ｍに等しく、ここで、ｎ_f＝１．５は、ファイバ材料の屈折率であり、Ｆ＝３００はキャビティのフィネスである。このような補償は、レーザー線幅がキャビティ共振の幅よりずっと小さい場合は必要ない。システム９００を試験する際に、フィルタの光特性を非常に大きな３０ＭＨｚの半波高全幅値ラインをもつレーザー９６０のような半導体ダイオードレーザーを用いて達成した。ファイバ中のレーザー出力は、約２．５ｍＷであった。

図９のシステム９００の基本レイアウトを用いて、マイクロ波、またはＲＦ送受信機システムを構築できる。図１０は、マイクロ波送信機１０１０、および同調可能光マイクロ波フィルタ１０３０を有する一実施の形態を示す。送信機１０１０は、マイクロ波信号を空中に送出する送信アンテナを有する。受信機のアンテナ１０２０は、空中の送信機１０１０からの信号を受信し、受信信号を光フィルタ１０３０に送る。システム９００におけるように、同調可能ＷＧＭフィルタ９１０を用いて、光変調器９３０からの光変調信号９３２を選択的に送信する。フィルタ９１０は制御ユニット６３０で同調する。送信機１０２０が送信したマイクロ波信号は、別々の周波数で多数の信号チャンネル、例えば、別のＣＣＤカメラ等の別のビデオ源からの別のビデオ信号を含んでもよい。各チャンネルの帯域幅が光フィルタ９１０の帯域幅以下で、別々のチャンネルが光変調信号９３２で十分に離間している場合、光フィルタ９１０を同調させて、ＴＶ９８０で表示する受信信号中の１チャンネルを選択でき、一方、光信号９３２により搬送される他のチャンネルを光学的に遮断する。この状況において、システム１０００は、各受信機を動作させて放送信号中の任意の１チャンネルを選択できる放送システムで用いてもよい。ローカルのＲＦまたはマイクロ波発生器１０４０を実装して、所望のチャンネル信号を復元する際のミキサー９７０への局部発振器信号を提供する。

同調可能光フィルタは各種の光デバイスおよびシステムにとって重要な素子である。このようなデバイスおよびシステムの実施例には、再構成可能ネットワーク構築の波長分割多重方式（ＷＤＭ）、およびアナログＲＦ光通信リンクが含まれる。フィルタの所望の特性には、高速同調、小型、広い同調範囲、少ない電力消費、および低コストが挙げられる。波長逆多重化、およびＷＤＭシステムのチャンネルセクションには、シングルモードファイバと互換性がある同調可能狭帯域光フィルタが必要である。

ファブリーペロー、およびファイバーファブリーペロー同調可能フィルタは、幅広く多様な同調可能フィルタの一種である。ファブリーペローフィルタは、フィルタの自由スペクトル間隔（ＦＳＲ）と帯域幅との比に等しいフィネスという有用な性能指数により特徴付けられる。フィネスは、１スパンのＦＳＲに何チャンネルが適合するかということを示す。ファブリーペローフィルタは約１００のフィネス、約１２５ＧＨｚの帯域幅、およびミリ秒範囲の同調速度を有するのが普通である。これらのフィルタはまた、５０ＧＨｚチャンネル間隔に対して−２０ｄＢのチャンネル間遮断条件を満たしている。

本明細書で説明した同調可能ＷＧＭフィルタは、ファブリーペローフィルタと類似のパラメータにより特徴付けることができる。本同調可能ＷＧＭフィルタと、ファブリーペローフィルタとを比較すると、同調可能ＷＧＭフィルタの方がファブリーペローフィルタより優れているということが判る。例えば、同調可能ＷＧＭフィルタは、広いスペクトル範囲で動作するよう設計できる。電気光学材料としてニオブ酸リチウムを用いると、同調可能ＷＧＭフィルタはニオブ酸リチウムの吸収損失により限定される波長だけで動作でき、動作波長は約１．０から１．７μｍの範囲にあるであろう。留意すべきは、この範囲は、１．５５μｍ波長付近の通信Ｃバンドを含む、ということである。フィルタのフィネスの再現性のある値（Ｆ）は、Ｆ＝３００を超え、Ｆ＝１０００位まで高くなり得る。同調可能ＷＧＭフィルタの同調速度は、ほぼ１０ｎｓとなり得るが、実装によっては、実際のスペクトル偏移時間はフィルタの３０ＭＨｚ帯域幅により決定され、３０μｓを超えない。５０ＭＨｚチャンネル間隔に対するチャンネルクロストークの少なくとも−２０ｄＢの抑圧比が観測された。

僅かの実施の形態だけしか開示していないが、改変および強化が成されてもよいのは言うまでもない。

図１は、ウィスパリングギャラリモードをサポートし、スペクトル同調のために電磁波感応材料により形成される各種実施例の共振器構成を示す。図２は、ウィスパリングギャラリモードをサポートし、スペクトル同調のために電磁波感応材料により形成される各種実施例の共振器構成を示す。図３は、ウィスパリングギャラリモードをサポートし、スペクトル同調のために電磁波感応材料により形成される各種実施例の共振器構成を示す。図４Ａは、ウィスパリングギャラリモードをサポートし、スペクトル同調のために電磁波感応材料により形成される各種実施例の共振器構成を示す。図４Ｂは、ウィスパリングギャラリモードをサポートし、スペクトル同調のために電磁波感応材料により形成される各種実施例の共振器構成を示す。図５Ａは、エバネッセント結合の実施例を示す。図５Ｂは、エバネッセント結合の実施例を示す。図６Ａは、電気光学効果に基づく同調可能ＷＧＭ共振器フィルタの一実施の形態を示す。図６Ｂは、電気光学効果に基づく同調可能ＷＧＭ共振器フィルタの一実施の形態を示す。図７は、電気光学効果に基づく同調可能ＷＧＭ共振器フィルタの別の実施の形態を示す。図８は、図７の設計に基づくフィルタの測定した伝送スペクトルを示し、最大伝送は入力信号の１２ｄＢ減衰に対応する。図９は、図７の設計に基づく同調可能ＷＧＭフィルタを用いる信号伝送システムを示す。図１０は、図９の設計に基づくマイクロ波またはＲＦの送受信機システムの一実施の形態を示す。

Claims

多数の信号チャンネルを搬送するＲＦ、又はマイクロ波周波数の入力信号で光変調器を用いて光ビームを変調し、前記変調された光ビームを光共振器を用いてフィルタ処理し、前記フィルタ処理された光ビームを光検出器を用いて出力信号へ変換する方法であって、前記光共振器は、ウィスパリングギャラリモードをサポートするとともに前記ウィスパリングギャラリモードが存在する一部を備え、前記光共振器の少なくとも前記一部は電気光学効果を示し、
非変調光ビームから第１光ビームと第２光ビームを得るステップと、
前記光変調器を通過するように前記第１光ビームを導き、前記光変調器に前記入力信号を印加して前記光変調器を制御し、前記第１光ビームを前記入力信号を搬送するための光に変調するステップと、
分岐した光路を通過するように前記第２光ビームを光遅延光路を通して導くステップと、
前記光共振器を通過するように前記変調された光ビームを導き、前記光共振器の少なくとも前記一部に電気制御信号を印加して前記光共振器のスペクトル伝送ピークを同調し、前記多数の信号チャンネルのうち選択された選択信号チャンネルだけを搬送する前記フィルタ処理された光ビームを生成するステップと、
前記フィルタ処理された光ビーム、及び前記第２光ビームを合成し、合成光信号を生成するステップと、
前記光検出器を用いて前記合成光信号を、前記多数の信号チャンネルを搬送するＲＦ又はマイクロ波周波数のフィルタ処理されたＲＦ又はマイクロ波の出力信号であって前記選択信号チャンネルを搬送する出力信号へ変換するステップと、
を含む方法。
請求項１に記載の方法において、
前記フィルタ処理された光ビームを生成するステップは、
ウィスパリングギャラリモードにおけるＴＭモードを使用して前記光変調器からの光を前記光共振器へ結合させるステップと、
前記光共振器から光を取り出して前記フィルタ処理された光ビームを生成するステップと、
を含む、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記フィルタ処理された光ビームを生成するステップは、
ウィスパリングギャラリモードにおけるＴＥモードを使用して前記光変調器からの光を前記光共振器へ結合させるステップと、
前記光共振器から光を取り出して前記フィルタ処理された光ビームを生成するステップと、
を含む、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記フィルタ処理された光ビームを生成するステップは、
前記光共振器にエバネッセント結合された入力光結合器を使用して、前記光変調器からの光を前記光共振器へ結合させるステップと、
前記光共振器にエバネッセント結合された出力光結合器を使用して、前記フィルタ処理された光ビームを前記光共振器から取り出すステップと、
を含む、方法。
請求項４に記載の方法において、
前記入力光結合器、及び前記出力光結合器の少なくとも１つはファイバ結合器である、方法。
請求項４に記載の方法において、
前記入力光結合器、及び前記出力光結合器の少なくとも１つは導波路を含む、方法。
請求項４に記載の方法において、
前記入力光結合器、及び前記出力光結合器の少なくとも１つは光ギャップ材料を含む、方法。
請求項４に記載の方法において、
前記入力光結合器、及び前記出力光結合器の少なくとも１つはプリズムを含む、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記光共振器は前記ウィスパリングギャラリモードをサポートする非球形の一部を含む、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記光共振器は前記ウィスパリングギャラリモードをサポートする回転楕円体の少なくとも一部を含む、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記光共振器は前記ウィスパリングギャラリモードをサポートする球形の少なくとも一部を含む、方法。