JP2009516227A - 光コム周波数源 - Google Patents

Abstract

本発明は、光周波数コムを生成する方法および装置に関するものである。実施形態において、受動的なモードロック光導波路コムは、モード間隔周波数（ｄｆ）およびキャリア・エンベロープ・オフセット周波数（ｆｃｅｏ）の電気的または光学的チューニングを用いている。我々は、光ドライバおよび光コムを提供する光出力を有する光キャビティと、前記光コムを生成する前記光キャビティと結合された吸収エレメントと、前記光キャビティ内の光学的または電気的可変エレメントとを備え、 前記光学的または電気的可変エレメントが、光学的または電気的に制御可能な屈折率を有しており、前記屈折率が前記光コムのモード間隔およびキャリア・エンベロープ・オフセット周波数の一方または両方を変えるように可変であることを特徴とする受動的なモードロック光コム周波数源について説明する。

Description

本発明は、光周波数コム生成装置および方法に関する。実施形態において、受動的モードロック光導波路コムは、モード間隔周波数（the mode spacing frequency : df）およびキャリア・エンベロープ・オフセット周波数（fceo）の電気的または光学的チューニングを用いている。

本明細書では、我々は、モードロック動作を維持するのに外部のＲＦソースに依存しない、受動的（パッシブ）モードロック光コム周波数源に対する関心を示している。「光」についての言及は、テラヘルツ（極赤外線）からペタヘルツ（極紫外線）までの周波数を含むものとする。

レーザーのパルス繰返し周期によって規定された、規則正しい間隔の複数の周波数モードをもつ周波数コムを生成するため、モードロックコムレーザーが用いられる。モードロックコムレーザーとしては、アクティブ（繰り返しが外部のＲＦ、無線周波数、のソースによりトリガーされる）、あるいはパッシブ（そのようなソースを必要としない）のいずれもが存在する。どちらの方法でも、モードロックレーザーの出力は、狭いパルスの周期的な列となり、等しい間隔の周波数コムを生み出す。

等しい間隔の周波数コムは以下の式を用いて表すことができる。

fn = n *df + fceo

ここで、ｆｎは、周波数コムのｎ番目のラインの周波数、ｎは、大きな整数値（１０^６位の大きさとすることができる）、ｄｆは、モード間の周波数間隔、および、ｆｃｅｏは、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数である。キャリア・エンベロープ・オフセット周波数は、レーザー内部のグループ速度および位相速度の間の差と考えることで説明される。

一般に、周波数コムを正しく用いるため、レーザーコムの二つの自由度（すなわち、ｄｆとｆｃｅｏ）が知られ、制御されなければならない。レーザーの有効光キャビティ長を変更することにより、モード周波数間隔が制御される。モード周波数間隔をチューニングするこれまでの方法は、ピエゾアクチュエータまたは他の引き延ばしまたは圧縮セットアップを含む、熱的チューニングおよび機械的チューニングを含んでいる。機械的および熱的チューニングの例として、Y. W. Song et al, IEE Photonics Technology Letters, 13(2001), pp1167-1169 およびde Lima et al, proceedings of the 2001 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, (1)2001 pp115-117がある。他の先行技術は、GB2381121にある。しかし、先行技術のシステムは、レスポンス時間や外部環境（温度や振動など）の条件の感受性を含む問題を有している。

本発明者らは、レスポンスタイム、外部環境（熱や振動など）の条件の感受性、および信頼性が、電気的または光学的に整調できるエレメントを用いることによって向上し得ることを認識した。

そこで我々は、光ドライバおよび出力を含む一以上の光キャビティと、光コムを生成するため、直接的または間接的に一または複数の光キャビティと結合された、光コムの一以上のパラメータを制御する少なくとも一つの可変エレメントと、を備え、可変エレメントが、たとえば電気的または光学的に制御可能であることを特徴とする受動的モードロック光コム周波数源について述べる。可変エレメントは、キャビティ（これは光ループとしてもよい）内にあってもよいし、または間接的に、たとえばサーキュレータによって結合されてもよい。後者の場合、より正式には、たとえばサーキュレータを介してキャビティを規定し、この場合、キャビティの中にあると言ってもよい。実施形態では、一以上の結合された光キャビティまたはループを備えていてもよい。

可変エレメントは、たとえば、電気的接触手段により直接電気的に制御されてもよいし、特に、周波数源を設定することにより、たとえばカプラを含めることにより、制御光の入射を可能にして可変エレメントを制御をすることで、光学的に制御されてもよい。制御光は、レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または、たとえば電気的に制御される他の光源により与えられることができる。

好ましくは、可変エレメントは、光学的または電気的に可変の屈折率を有し、コムの一以上のパラメータを変えることとしてもよい。

このように、本発明の第１のアスペクトでは、光ドライバと光出力とを有し光コムを提供する光キャビティと、光キャビティと結合され光コムを生成する吸収エレメントと、光キャビティに備えられた光学的または電気的可変エレメントとを備え、光学的または電気的可変エレメントは、光学的または電気的に制御可能な屈折率を有し、屈折率が光コムのモード間隔およびキャリア・エンベロープ・オフセット周波数の一方または両方を変えるように変化することを特徴とする受動的モードロック光コム周波数源を提供する。

可変エレメントは、直接キャビティ内にあっても、たとえばサーキュレータを介して接続されるように間接的にキャビティ内にあってもよく、後者の場合、サーキュレータを介してキャビティを正しく規定する（この状態ではキャビティ内にあると言ってもよい）。このように、可変エレメントは、有効にキャビティの共振周波数を規定する。このように、好ましくは、しかし本質的ではなしに、光キャビティは光共振キャビティをなしている。

キャビティは、光ループを備えてもよい。いくつかの好ましい実施形態においては、可変エレメントは、可飽和吸収体を備えている。

このように、関連するアスペクトでは、本発明は、光ドライバおよび出力を含む光ループと、光ループと結合され光コムを生成する可飽和吸収体とを備え、可飽和吸器体が電気的に制御可能とされたことを特徴とする受動的モードロック光コム周波数源を提供する。

可飽和吸収体は、好ましくは半導体光デバイスを、より好ましくは、たとえば多重量子井戸キャビティのような半導体光キャビティを備えている。このようなレージングのためのキャビティ上での単一のラウンド・トリップ・ゲインの制約は、このようなキャビティを可飽和吸収体として用いるための制約とはならないが、半導体レーザーキャビティが用いられてもよい。（この特定の文脈において、当業者は、半導体の半導体キャビティが、光コムの（共振）キャビティと違って共振しないので、キャビティが広い意味において用いられていると認識するだろう。）我々が後に述べる周波数ソースの実施形態は、このような半導体レーザーキャビティを備えており、一端に反射面または鏡を有している。しかし、これは実用的な考慮によるものであり、（反射面は、ダメージを起こすことなしに外しにくい）、このような反射面なしの実施形態は実際にうまく働くことはあり得るだろう。

あるいは、可飽和吸収体は、ドープされた結晶材料、特にクロミウム（chromium）（イオン）がドープされた結晶材料を含む光エレメントを備えてもよい。結晶材料は、ルビー（ruby）、ガーネット（garnet）、珪酸塩（silicate）、ガーミネート（germinate）、アパタイト（apatite）、コルキライト（colquiriite）、カルコゲニド（chalcogenide）など、これらには限定はされないがあらゆる適切な材料を有していてもよい。

実施形態において、可飽和吸収体、たとえば、半導体光キャビティやデバイスは、可変チューニングエレメントを含んでおり、それは、電気的（または光学的）にチューニング（整調）可能な可飽和吸収体の特徴である。吸収作用それ自体は電気的などで制御可能である必要はない。実施形態において、可変チューニングエレメントは、電気的または光学的にチューニングしてコムの中心波長（centre wavelength）の調整を可能にする。光コムは、コムの正確な中心に出力周波数を有する必要がないことが認識されるだろう（チューナブルエレメントはピーク波長を変更し、それが周波数軸に沿ってコムを動かす効果を持つことになり、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数を変更する）。いくつかの他の周波数選択エレメントが備えられてもよいが、チューナブルエレメントは、好ましくは、ブラッグ格子（Bragg grating）を備えている。好ましくは、キャビティは、（ソースのパルス繰り返し周期を調整することにより）コムのモード間隔を調整する可変位相シフトエレメントをも含んでいる。

好ましい実施形態においては、半導体光キャビティが、光学吸収作用を提供するようにバイアスをかけられたゲイン部と、好ましくはキャビティのこの部分を吸収へバイアスするドライバを備えた周波数源とを含んでいる。先に述べたように、その吸収は、電気的または他の方法により制御される必要がない。実施形態においては、光の吸収は、ちょうど小さな正のバイアスが条件とされるが、典型的には、半導体光キャビティのゲイン部は、逆の（マイナスの）バイアスがかけられる。

モードロック光コム周波数源は、能動的というよりは受動的であり、好ましくは、バイアスがゲイン部に加えられて実質的に連続的な吸収を提供する。

実施形態においては、さらに、光周波数コムの制御が、光ドライバを制御することにより、たとえば、コム周波数源の半導体レーザー光ドライバのためのソースまたはドライバを制御することにより、提供されてもよい。このように、ポンプソースレーザーが、（ポンプへの電源を制御することにより）電気的に制御され、または、たとえば、システムの設定をすること・カプラを含めることにより光学的に制御され、制御光の入射を可能にしてポンプを制御する。制御光は、レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、あるいは電気的に制御される他の光源によって与えられる。

本発明は、さらに、光コム周波数源を実行するように構成した光集積回路（photonic integrated circuit：ＰＩＣ）を提供する。そのＰＩＣは、ポンプ信号を受ける光入力と、光コム出力信号を与える光出力と、光入力および光出力と結合されゲイン媒体を含む光キャビティと、光キャビティに結合され光コムのコム間隔およびキャリア・エンベロープ・オフセット周波数の一方または両方を制御する制御部とを備えている。

いくつかの好ましい実施形態においては、光集積回路（ＰＩＣ）は、光入力および出力への第１および第２の接続とポンプ信号および光コム出力信号の合成を運ぶ共用の光接続とを有する光カプラ（マルチプレクサ／ディマルチプレクサ）を含んでいる。これは、波長選択性光カプラで実行される。好ましくは、制御部は、少なくとも一つの光学的または電気的可変光エレメントと、好ましくは一以上の吸収体と、位相制御エレメントと、可変周波数選択エレメントとを含んでいる。このようなエレメントの制御は、直接的な電気的制御によってもよいし、光制御を可能にする遠隔制御によってもよい。後者の場合、光制御入力は、制御部に制御光を接続するために用意されてもよい。このように、コムのパラメータは、光学的に調整可能とされている。

実施形態では、光キャビティは、（デバイスを通る光の経路における）ゲイン媒体のどちらかの側への反射エレメントや鏡を有する導波路を含んでおり、これらの鏡のうち一つは、制御部、好ましくは制御部の整調できる格子により整列される。随意的に、この整調できる格子は、そのあとに、不必要な反射を低減する反射防止エレメントが続いている。

実施形態において、ＰＩＣは、たとえば、共通基板上のハイブリッド集積により光入力と結合されたポンプ信号源（pump signal source）を含んでもよい。そして、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数は、ポンプソース（pump source）を制御することにより調節される。好ましくは、しかし本質的ではなしに、ポンプ信号源は、レーザーを備えている。好ましくは、ＰＩＣは、オンチップ導波路技術を用いて、より詳しくは、上述したエレメント間の光接続やゲイン部のために実施される。

他の態様においては、本発明は、光ドライバおよび出力を含む光キャビティまたはループと、光キャビティまたはループと結合され光コムを生成する可飽和吸収体とを備え、可飽和吸収体は、光移送制御領域および光フィルタ領域の一方または両方を含む半導体光キャビティを備え、位相制御領域およびフィルタ領域の少なくとも一方が光コムの一以上のパラメータの制御のための電気的接続を含むことを特徴とする光コム周波数源を提供する。

上述した通り、周波数源は、一以上の光キャビティを含んでもよく、可飽和吸収体が、直接的に（キャビティ内）または間接的に（例えばサーキュレータを介して）結合されてもよい。

実施形態において、光位相制御領域は半導体光キャビティの有効な長さを制御する。
キャビティは、好ましくは、一対の高い反射率のエレメントを備えており、このようなエレメントは、当業者によく知られた技術を用いて半導体ダイオードレーザーに従来の手法で加工される。好ましくは、これらのエレメントの一つは、ブラッグ格子（実施形態においては反射フィルタとして作用する）を備える。

本発明は、さらに、コムの間隔を制御する第１の電気的または光学的可変システムと、コムの周波数を制御する第２の電気的または光学的可変システムとを備えた光コム周波数源を提供する。

本発明は、さらに、受動的なモードロック光コム周波数源においてコムの間隔およびコムの中心周波数の一方または両方を制御する方法であって、周波数源の半導体光キャビティ可飽和吸収体（または半導体光デバイス可飽和吸収体）を電気的または光学的に制御する方法を提供する。

さらなる態様では、本発明は、電気的または光学的に整調できるモード周波数間隔と、電気的または光学的に調整できるキャリア・エンベロープ・オフセット周波数との一方または両方を提供する半導体デバイスをもつモードロックコムレーザーを提供する。

また、本発明は、光コムを与える光コム生成器と、一対の光周波数を与える第２の光周波数源と、コム生成器および第２の光周波数源の出力を混合するカプラと、コム生成器および第２の周波数源の間の非線形相互作用に依存する電気信号を与える第１の光電子トランスデューサへの出力を有する非線形光エレメントと、ＲＦ出力を与える第２の光電子トランスデューサと結合された光出力とを備え、コム生成器が、電気信号によって制御され、非線形光エレメントが、システムを経る光の伝搬の方向に沿ってカプラに続いていることを特徴とする、ＲＦ周波数ダウンコンバートシステムを提供する。

また、本発明は、光コムを与える光コム生成器と、一対の光周波数を与える第２の光周波数源と、コム生成器および第２の光周波数源の出力を混合するカプラと、コム生成器および第２の周波数源の出力の間の非線形相互作用に従属する電気信号を与える非線形光エレメントと、ＲＦ出力を与える第２の光電子トランスデューサに結合された光出力とを備え、コム生成器が電気信号により制御され、第２の光周波数源がガスを備え、一対の光周波数がガス中のそれぞれ第１および第２の吸収ディップでの第１および第２の周波数を有し、第１及び第２の周波数が互いに調和的関係（harmonically related）ではないことを特徴とする、ＲＦ周波数ダウンコンバートシステムを提供する。

本発明のこれらの態様は、添付図面を参照して、ほんの一例として、さらに以下に説明される。

図において、番号を付した要素は以下の通りである。

１．ソース１ａと接続されたコンタクト１（ゲイン部）。

１ａ ゲイン部の（電圧または電流）ドライバ。ゲイン部は（たとえば負または反転バイアスを用いて）光損失／光吸収を与えるようにバイアスされている。この可飽和吸収体は、短いパルスのために純ゲインを増やすこと、および、ＣＷ（continuous wave）動作のために純ゲインを減らすことにより、共振キャビティ（または複数のキャビティ）をモードロックすることが必要である。

２．ソース２ａと接続されたコンタクト２（位相部）。

２ａ 有効キャビティ長を調整するために用いられる位相部（電圧または電流）ドライバ。これは、コムのモード間隔（ｄｆ）を変更するために用いられる。

２ｂ 位相部（電圧または電流）ドライバ。この変形は、このドライブ信号が一定に保たれる。

３．ソース３ａと接続されたコンタクト３（格子部）。

３ａ 格子波長を調整するのに用いられ、この部の調整により格子反射率波長を変更する格子部（電圧または電流）ドライバ。これは、モード間隔（ｄｆ）および／またはコムの中心波長（キャリア・エンベロープ・オフセット周波数）を変更するために用いられる。

３ｂ 格子部（電圧または電流）ドライバ。このドライブ信号は一定に保たれる。

エレメント１、２および３のうち一以上は、モノリス半導体デバイスまたはエレメント、たとえば、整調できるレーザーエレメントの一部として備えられる。あるいは（好ましさは低いが）、別個のエレメントとしてもよく、随意的には（さらに好ましさは低いが）共振キャビティ内で異なる位置に配置されてもよい。

４．出力ポート（すなわちコム出力）。

５．偏光制御器（は、例えばファイバーの機械的調整により、偏光段階での調整を可能にする）。これは、モードロックに必要である。

６．ゲイン材料部（例として、ファイバーまたはエルビウム（Erbium）、イッテルビウム（Ytterbium）、またはツリウム（Thulium）のような希土類イオンがドープされた平面光導波路）。

７．共振キャビティ（または複数のキャビティ）に光ポンプを結合するのに用いられる波長依存マルチプレクサ／カプラ。

８．導波路から制御デバイスへの結合を向上するマイクロレンズ。

９．（反射されてキャビティ内へ戻ることのない波長での反射を抑える）ＡＲ（反射防止）コーティング。

９ａ 反射面（は、整調可能なレーザーブロックに用いられる。随意的で、これによりパフォーマンスが向上する）。

１０．サーキュレータ。

１２．ポンプレーザー（例として、980nmまたは1480 nmのレーザーダイオードを含む）。

１２ａ ポンプレーザー（電流または電圧ドライバ）のための電気ドライバ（電源）で、このソースドライバは、キャリア・エンベロープ・オフセット周波数（ｆｃｅｏ）を調整するためにも用いられる。

１２ｂ ポンプレーザー（電流または電圧ドライバ）のための電気ドライバ（電源）で、このソースドライバは、一定に保たれている。

１４．光ファイバーまたは平面光導波路のような導波路で、必要に応じて、導波路がパルス圧縮の目的のため負の分散特性を持つことができる。このパルス圧縮は、コム間隔を増加するのに用いることができる。

１５．共振キャビティ（または複数のキャビティ）の外に光をつなぐのに用いられるカプラ。

１６．光アイソレータ。

１７．誘電性ミラー。

１８．光ポンプ源へ光を入射するのに用いられるカプラ。

１９．ｆｃｅｏを制御する光入力。

２０．光コム制御デバイスへ光を入射するカプラ。

２１．ｄｆおよび／またはコムの中心波長を制御する光入力。

エレメント１ａ、１ｂ、１ｃおよび１２ａは、それぞれ可変電源を備えてもよく、エレメント１２ｂは、固定電源を備えてもよい。

我々はまず図１を参照する。図１にて考察される電気的に整調できるエレメントは、電気的に整調できるブラッグ格子および電気的に整調できる位相部を基礎としている。好ましい実施形態において、可飽和吸収体は、負にバイアスされた半導体レーザーキャビティのゲイン部を備えている。実施形態において、このキャビティは、図に示すように三つのセクション（１−３）を有している。モードロックに用いられる可飽和吸収体（図１にてソース１ａにより制御されるセクション１）は、統合されてもよいし、付加的なサーキュレータを用いることにより、チューニングコンポーネントと分離されてもよい。セクション１のバイアスは、（制御可能な）吸収を提供するため、グラウンド電位に関して負とされている。

残りのセクションは、キャビティ長の微調整（ソース２ａにより制御されるセクション２）および中央の出力波長の調整（ソース３ａにより制御されるセクション３）に用いられる。微調整（ソース２ａ）は、「モードホップ」を防ぐためにも用いられる。キャリア・オフセット周波数は、ポンプレーザー（１２）への電流（コンタクト１２ａ）を変更することにより調整することができる。（サーキュレータを経由した光の入射に関して、図３に示すエレメント１、２および３の順序は、（たとえ示した配置よりも好ましさが低くなったとしても）逆となってもよい。

セクション１、２および３の詳細な例は以下の通りである。

ゲイン部：適切な波長において光学利得（または光吸収）をもつ半導体光材料（例えばInGaAsP、 GaAsまたはInP）である。光学利得は、より高いエネルギー状態へキャリアを電気的に出すことにより与えられる。この吸収は、たとえば実験的には、周波数源パルスに調整される。

位相部：電気的（または光学的）に整調できる屈折率をもつ半導体光材料（例えばInGaAsP、GaAsまたはInP）である。電気的（または光学的）に引き起こされた屈折率への変更は、有効な光路長を変更する。

格子部：ブラッグ格子のような周波数選択エレメントを組み込んだ、電気的に整調できる屈折率をもつ半導体光材料（例えばInGaAsP、GaAsまたはInP）である。電気的（または化学的）に引き起こされた屈折率への変更は、周波数選択エレメントの有効な周波数を変更する。

ソース（１２ａ）は、ドープされた導波路（６）のセクション中の希土類イオンを励起するために用いるポンプレーザー（１２）に供給する。励起されたイオンによって与えられた光学利得が光電場を生成するために用いられる。光電場は、ＣＷ（continuous wave）レージング状態には到達しない。なぜなら、可飽和吸収体（１）がこのような立ち上がりを妨げて、代わりにシステムが振動するからである。必要に応じて、結果として生じる短いパルスが、負の分散特性をもつ導波路（１４）を用いて、やがてさらに圧縮されることになる。振動の動作とセットアップの安定については、望ましくないフィードバック（図１に図示せず）を防ぐため、ループ中および／またはレーザー１２に続いて、アイソレータを盛り込むことにより、改善することもできる。

我々はここで図２を参照する。図２に示す光コム生成器は、特に光集積回路技術において、「シリコン上のシリカ」や他のタイプの集積化技術を用いるモノリシックまたはハイブリッド集積化に特によく適している。少ない数のコンポーネントおよびいくつかの機械的コンポーネントの（好ましい）不足（偏光コントローラなど）は、低コストの光サブアッセンブリにふさわしい。エレメント４や、１２・７・１７・６からの入力、および有する場合の８は、単一の基板上に実施してもよい；ハイブリッドデバイスにおいても、ポンプレーザー１２および制御ブロック１・２および３のどちらかまたは両方を基板上に提供することができる。実施形態においては、デバイスは全体が半導体化されてもよいが、変形として、可変周波数選択エレメントは、ＭＥＭＳ（micro electromechanical system：微小電気機械システム）をベースに用いた調整できる格子、たとえば小さい格子の傾きを可変とした「ＭＥＭＳベース」の微小機械アクチュエータを用いて実施してもよい。

我々はここで図３を参照する（図１の変形）。図３に示す光コム生成器（図をベースとして８の字レイアウト）は、極めて狭いパルスを生成するのに用いられることができる。これらの狭いパルスは、極めて広い周波数スパンの光コムを生成し、それゆえ、コムは、コムラインの数を増やすのに用いられる「コム・エキスパンダー」をもはや必要としないかもしれない。

我々はここで図４を参照する（図３と同様の構造の図１の変形）。図４に示す光コム生成器（図をベースとして８の時レイアウト）は、極めて狭いパルスを生成するのに用いられることができる。これらの狭いパルスは、極めて広い周波数スパンの光コムを生成し、それゆえ、コムは、コムラインの数を増やすのに用いられる「コム・エキスパンダー」をもはや必要としないかもしれない。半導体制御エレメントは、ループの一つから取り外され、それゆえもはやパルスを広げるのに何ら寄与しない。これにより、均等な狭いパルス／より広いコムスパンが出力される結果となる。

我々はここで、光コム生成器の光チューニングの詳細を示す図５を参照する。

図５ａは、光ポンプ源へ制御光を入射することが本デバイス内でキャリア濃度を変更することを示している。キャリア濃度の変更は、光ポンプ源の出力（output power）を変更し、このことはキャリア・エンベロープ・オフセット周波数（ｆｃｅｏ）をチューニングするのに用いられる。

図５ｂは、制御光を光コム生成器制御デバイスへ入射することが本デバイス内でキャリア濃度を変更することを示している。キャリア濃度の変更により引き起こされる、対応する屈折率の変更は、有効光路長およびブラッグ反射波長を変更する。それゆえ、この制御光は、モード間隔（ｄｆ）および／または中央コム波長の両方をチューニングするのに用いられることができる。

図６は、光コムが周波数ダウンコンバートに用いられる度量衡学のため、光周波数コム生成器の実用的な適用例を示している。システムの出力はＲＦ信号であり、周波数標準器にロックされている（コンポーネント１）。

周波数標準器の周波数は極めて高い（ＴＨｚまたはＰＨｚ程度）。この周波数標準器の安定度、正確度および位相ノイズ特性は、周波数ダウンコンバート処理の間中、維持される。

図６のコンポーネントの説明。

１）異なる周波数の２つの出力（ｆ１およびｆ２）を持つ周波数標準器

このような周波数標準器の例として、ヨウ素（iodine）、一酸化炭素（carbon monoxide）、アセチレン（acetylene）、メタン（methane）、シアン化水素（hydrogen cyanide）（および他の多くのガス）のようなガス中での吸収ディップにロックしたレーザーが含まれる。この標準器の第２の周波数は、第１の周波数の調波または同じガス中での第２の吸収ディップとすることができる。

あるいは、この周波数標準器は、束縛された単一イオンまたはストロンチウム（strontium）、カルシウム（calcium）または水銀（mercury）のような原子をベースとすることができる。

どちらの場合でも、周波数標準器の調波は、（周期的に分極した）ＫＴＰまたはLiNb結晶のような調波生成結晶を用いて生成することができる。

２）ｄｆ周波数制御回路。この回路は、（フィルタを用いて）ｄｆ周波数を分離し、ｄｆ周波数（または位相）に比例する制御信号を生成する。この制御信号は、光周波数コム生成器のドライブと、コムラインの一つをｆ２にロックするのに用いられる。

３）（フォトダイオードのような）光／電気コンバータ。このエレメントは、光入力信号の混合生成物（すなわちビート期間）を得るための非線形エレメントとしての作用をもする。

４）（特許の他の場所で説明されている）整調できる半導体周波数コム生成器。キャリア・エンベロープ・オフセット周波数（ｆｃｅｏ）およびモード間隔周波数（ｄｆ）の両方とも調整することができる。この生成器の出力は光コムである。

５）光コンバイナ／光カプラ

６）図６ａに示すように、コムが光標準器の第１の周波数（ｆ１）をカバーするようにコムラインの数を増やすのに用いられる非線形コム展開エレメント。線形コム展開エレメントの例としては、微構造ファイバー、光結晶ファイバー、またはKTPやLiNbのように（周期的に分極した）非線形光結晶を含む。

７）ｆｃｅｏ周波数制御回路。この回路は、（フィルタを用いて）ｆｃｅｏ周波数を分離し、ｄｆ周波数（または位相）に比例する制御信号を生成する。この制御信号は、光周波数コム生成器のドライブと、コムラインの一つをｆ１にロックするのに用いられる。

８）ＲＦアップ・ダウンコンバータ。この回路は、ＲＦ出力周波数を上げ、または下げるために用いられる。

動作原理は次の通りである：継続的に入力コムパラメータ（ｄｆおよびｆｃｅｏ）を調整するフィードバックループを用いて、光コム生成器の二つの別個のコムライン（ｎ１およびｎ２）が、周波数標準機の二つの光成分（ｆ１およびｆ２）にロックされる。コム間隔周波数（ｄｆ）は、ＲＦ出力として直接用いられる。あるいは、ＲＦアップ・ダウンコンバータ（コンポーネント８）を、ＲＦ出力周波数を変更するのに用いることができる。

我々が説明した周波数コム生成器の実施形態は、以下を含み、しかし限定されない適用の範囲で用いられることができる：時間生成システム、度量衡学、周波数ダウンコンバート、たとえば光コヒーレントトモグラフィーなどのバイオ医療イメージング、およびたとえばＷＤＭ（wavelength division multiplexed）波長源などの電気通信。

必要ならば、周波数コムは、微構造ファイバー、光結晶ファイバーまたは（周期的に分極した）KTPやLiNbなどの非線形光結晶のような非線形材料を用いることにより、拡張することができる。

疑いなく、多くの他の有効な選択肢が当業者の心に浮かぶだろう。本発明は、ここに添えたクレームの精神および範囲内で、説明した実施形態および当業者に明らかな包含する変更に限定されるものではないことが理解されるだろう。

図１は、本発明の一つの実施形態による光コム周波数源の第１の例を示している。 図２は、本発明の一つの実施形態による光コム周波数源の第２の例を示している。 図３は、本発明の一つの実施形態による光コム周波数源の第３の例を示している。 図４は、本発明の一つの実施形態による光コム周波数源の第４の例を示している。 図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ、ソースを光学的に整調させ、制御光を光ポンプに入射する配置、および制御光を光コム生成器制御デバイスに入射する配置を示す、図１ないし４の光コム周波数源の変形を示している。 図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ、ソースを光学的に整調させ、制御光を光ポンプに入射する配置、および制御光を光コム生成器制御デバイスに入射する配置を示す、図１ないし４の光コム周波数源の変形を示している。 図６は、たとえば、度量衡学において用いる周波数ダウンコンバートシステムについての、本発明の一つの実施形態による光コム周波数源の適用例を示している。

Claims (30)

1. 光ドライバおよび光出力を有し光コムを提供する光キャビティと、
   前記光キャビティと結合され、前記光コムを生成する吸収エレメントと、
   前記光キャビティにおける光学的または電気的可変エレメントとを備え、
   前記光学的または電気的可変エレメントは、光学的または電気的に制御可能な屈折率を有し、前記屈折率は、前記コムのモード間隔およびキャリア・エンベロープ・オフセット周波数の一方または両方を変えるように可変であること
   を特徴とする受動的なモードロック光コム周波数源。
2. 光ドライバおよび出力を含む光ループと、
   前記光ループと結合され光コムを生成する可飽和吸収体とを備え、
   前記可飽和吸収体は、電気的または光学的に制御可能であること
   を特徴とする受動的なモードロック光コム周波数源。
3. 前記可飽和吸収体が半導体光キャビティを備えたことを特徴とする請求項２記載の光コム周波数源。
4. 前記可変エレメントが少なくとも一つの半導体光デバイスを備えたこと請求項１記載の光コム周波数源。
5. 前記半導体光デバイスが、前記光共振キャビティにパルスを生成する制御可能な可飽和吸収体を提供する可変チューニングエレメントを含むことを特徴とする請求項４記載の光コム周波数源。
6. 前記半導体光デバイスまたはキャビティが、前記コムの中心波長を調整するための電気的または光学的に制御可能なチューニングエレメントを含むことを特徴とする請求項３、４または５に記載の光コム周波数源。
7. 前記電気的または光学的に制御可能なチューニングエレメントが、ブラッグ格子を備えることを特徴とする請求項６記載の光コム周波数源。
8. 前記半導体光デバイスまたはキャビティが、前記コムのモード間隔を調整するための電気的または光学的に制御可能な位相シフトエレメントを有することを特徴とする請求項３ないし７のいずれか１項に記載の光コム周波数源。
9. 請求項３ないし８のいずれか１項に記載の光コム周波数源であって、
   前記半導体光デバイスまたはキャビティがゲイン部を含み、
   前記周波数源が、さらに前記ゲイン部を光吸収にバイアスをかけるドライバを備えたこと
   を特徴とする光コム周波数源。
10. 前記ドライバが、前記ゲイン部を継続する光吸収にバイアスをかけることを特徴とする請求項９記載の光コム周波数源。
11. 前記光ドライバが、前記光周波数コムを制御するために制御可能であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光コム周波数源。
12. ポンプ信号を受ける光入力と、
    光コム出力信号を提供する光出力と、
    前記光入力と前記光出力とに結合されゲイン媒体を含む光キャビティと、
    前記光キャビティと結合され前記光コムのコム間隔およびキャリア・エンベロープ・オフセット周波数の一方または両方を制御する制御ブロックと
    を備えた光コム周波数源を実施するように構成された光集積回路。
13. 前記光入力および前記光出力との第１および第２の光接続を有するとともに、前記ポンプ信号および前記光コム出力信号の混合を伝達する混合した光接続を有する光カプラをさらに備え、
    前記光キャビティが、前記混合した光接続と結合されていること
    を特徴とする請求項１２記載の光集積回路。
14. 前記光キャビティが、前記光カプラおよび前記ゲイン媒体の間の第１の反射器を備え、
    前記制御ブロックが、前記キャビティの第２の鏡を形成するように構成したこと
    を特徴とする請求項１３記載の光集積回路。
15. 前記制御ブロックが、少なくとも一つの電気的に制御可能な光エレメントを備えることを特徴とする請求項１２、１３、または１４記載の光集積回路。
16. 前記制御ブロックが、少なくとも一つの光可変光素子を備えたことを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれか１項に記載の光集積回路。
17. 前記制御ブロックが、吸収体、可変位相調整エレメント、および可変周波数選択エレメントのうち一以上を備えることを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれか１項に記載の光集積回路。
18. 前記キャリア・エンベロープ・オフセット周波数が前記光入力を介して制御可能であることを特徴とする請求項１２ないし１７のいずれか１項に記載の光集積回路。
19. 前記光集積回路は、ハイブリッド光集積回路を備え、
    前記ハイブリッド光集積回路が、前記光入力と結合されたポンプソースを含むこと
    を特徴とする請求項１２ないし１８のいずれか１項に記載の光集積回路。
20. 光ドライバおよび出力を含む光キャビティまたはループと、
    前記光キャビティまたはループと結合され前記光コムを生成する可飽和吸収体とを備え、
    前記可飽和吸収体は、光位相制御領域および光フィルタ領域の一方または両方を含む半導体光キャビティを備え、
    前記位相制御領域および前記フィルタ領域の少なくとも一つが、前記光コムの一以上のパラメータを制御するための電気的接続を含むこと
    を特徴とする光コム周波数源。
21. 前記コムの間隔を制御する第１の電気的または光学的可変システムと、
    前記コムの周波数を制御する第２の電気的または光学的可変システムと
    を備えた光コム周波数源。
22. 受動的なモードロック光コム周波数源におけるコム間隔およびコム中心周波数の一方または両方を制御する方法であって、
    前記周波数源の半導体光デバイス可飽和吸収体を電気的または光学的に制御することを特徴とする方法。
23. 前記半導体光デバイス可飽和吸収体が、半導体光キャビティ可飽和吸収体であることを特徴とする請求項２２記載の方法。
24. 電気的または光学的に整調できるモード周波数間隔と、
    電気的または光学的に調整可能なキャリア・エンベロープ・オフセット周波数と
    の一方または両方を提供する半導体デバイスをもつモードロック光導波路またはファイバーのコムレーザー。
25. 前記キャリア・エンベロープ・オフセット周波数が前記装置のポンプ源を制御することにより整調できることを特徴とする請求項２４記載のレーザー。
26. 前記コムの前記周波数モード間隔が、前記レーザーの位相部への駆動を制御することにより調整可能であることを特徴とする請求項２４または２５記載のレーザー。
27. 前記中心コム周波数が、前記レーザーの格子部への駆動を制御することにより調整可能であることを特徴とする請求項２４、２５または２６記載のレーザー。
28. 請求項１ないし２１および２４ないし２７のいずれか１項に記載の周波数源または光集積回路を含む周波数ダウンコンバートシステム。
29. 光コムを提供する光コム生成部と、
    一対の光周波数を提供する第２の光周波数源と、
    前記コム生成部および前記第２の光周波数源の出力を混合するカプラと、
    前記コム生成部および前記第２の周波数源の出力の間の非線形相互作用に依存する電気信号を提供する第１の光電子トランスデューサへの出力を有する非線形光エレメントと、
    ＲＦ出力を提供する第２の光電子トランスデューサと結合した光出力とを備え、
    前記コム生成部が、前記電気信号により制御されるように構成され、
    前記非線形光エレメントが、前記システムを通過する光伝搬方向に沿った前記カプラに続いていること
    を特徴とするＲＦ周波数ダウンコンバートシステム。
30. 光コムを提供する光コム生成部と、
    一対の光周波数を提供する第２の光周波数源と、
    前記光生成部および前記第２の光周波数源の出力を混合するカプラと、
    前記コム生成部および前記第２の周波数源の出力の間の非線形相互作用に依存する電気信号を提供する非線形光エレメントと、
    ＲＦ出力を提供する第２の光電子トランスデューサと結合された光出力とを備え、
    前記コム生成部が、前記電気信号により制御されるように構成され、
    前記第２の光周波数源がガスを備え、
    前記一対の光周波数が、前記ガス中での第１および第２の吸収ディップそれぞれの第１および第２の周波数を備え、
    前記第１および第２の周波数が互いに調波関係にないこと
    を特徴とするＲＦ周波数ダウンコンバートシステム。

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