KR20200116023A - Laser device and method for transforming a laser spectrum - Google Patents
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Abstract
Description
레이저 장치 및 레이저 스펙트럼 변환 방법에 관한 것이다.It relates to a laser device and a laser spectrum conversion method.
레이저 주파수 안정화 및 레이저 스펙트럼 축소에 대한 다양한 접근법들이 있다. 아래에 제시된 특정 정보 소스들은 본 개시의 기초가 되는 물리적 원리 및 / 또는 특정 재료 및 기술적 수단을 이해하는 데 도움이 될 수 있다.There are various approaches to laser frequency stabilization and laser spectrum reduction. Certain sources of information set forth below may be helpful in understanding the physical principles and/or specific materials and technical means on which the present disclosure is based.
수동 레이저 주파수 안정화 및 레이저 스펙트럼 축소에 대한 일반적인 접근 방식은 외부 광학 요소의 공진 광 피드백을 사용하는 것이다. 온도 변화 및 진동과 같은 다양한 섭동은 레이저가 파장, 출력 레벨 및 광 위상에서 변동되도록 유발한다. 회절 격자, high finesse (high-Q) Fabry-Perot (FP) 캐비티 또는 이들의 조합과 같이 스펙트럼 선택적인 광 피드백을 제공하는 보다 안정적인 외부 광학 요소는 레이저 발생의 레이저 스펙트럼 협소화 및 안정적인 주파수를 가능하게 한다. high-Q(high quality factor) 캐비티를 사용하는 경우, 안정화된 레이저는 임계값보다 훨씬 높으며 약한 광학 피드백으로 최적의 주파수 안정화가 달성된다(<10-4). 외부 high-Q 캐버티 광 피드백 기술은 회절 격자를 사용하여 안정화보다 더 높은 출력 파워와 더 나은 단기 안정성을 제공한다. 그러나 많은 레이저 안정화 응용 분야에 성공적으로 사용되는 high-finesse FP 캐비티는 비교적 크고 실험실에서만 사용된다. 또한 high-finesse 미러 코팅은 좁은 범위의 파장에 매우 적합하다.A common approach to passive laser frequency stabilization and laser spectrum reduction is to use resonant optical feedback from external optical elements. Various perturbations such as temperature changes and vibrations cause the laser to fluctuate in wavelength, power level and light phase. More stable external optical elements that provide spectrally selective optical feedback, such as diffraction gratings, high finesse (high-Q) Fabry-Perot (FP) cavities, or a combination thereof, enable narrowing the laser spectrum and stable frequencies of laser generation. . When using high-Q (high quality factor) cavities, the stabilized laser is well above the threshold and optimal frequency stabilization is achieved with weak optical feedback (<10 -4 ). The external high-Q cavity optical feedback technology uses a diffraction grating to provide higher output power and better short-term stability than stabilization. However, the high-finesse FP cavity, which is successfully used in many laser stabilization applications, is relatively large and is only used in the laboratory. In addition, high-finesse mirror coatings are well suited for a narrow range of wavelengths.
다른 중요한 프로토 타입은 분광학, LIDAR 어플리케이션, 홀로그램 간섭계, 광학 테라 헤르츠 소스 및 기타 어플리케이션에 필요한 이중 파장 레이저이다. 우선, 광범위하게 분리된 (수백 nm) 이중 파장 장치는 예를 들어 단일 고체 레이저 재료에서 2 개의 상이한 이온에 대한 이중 파장 레이징 또는 단일 이온에 있는 2 개의 파장에 대한 동시 레이징을 사용하여 실현 될 수 있다. 전통적으로, 단일 주파수 레이저 방사의 전기 광학 또는 음향 광학 변조를 사용하여 작은 파장 차이 (수십 nm까지)를 갖는 2 주파수 생성이 실현되었다. 그러나 이러한 장치는 매우 컴팩트하지 않다. 현재까지 소형 다이오드 레이저 시스템에서 이중 파장 작동을 달성하기 위해 다양한 기술이 개발되었으며, 주로 (1) 모노리식 이중 파장 다이오드 레이저와 (2) 다른 외부 캐비티 피드백 기술에 기반한 다이오드 레이저 시스템으로 분류 될 수 있다. 모노리식 이중 파장 다이오드 레이저는 안정적인 이중 파장 동작을 보여주지만, 두 파장의 주파수 차이의 튜닝 범위는 제한적이며, 출력 파워는 보통 500mW 미만이다. 이중 리트만 (double-Littman) 및 이중 리트로(double-Littrow) 외부 캐비티 기술을 위한 벌크 회절 격자, 이중 광섬유 브래그 격자, 이중 주기 홀로그램 요소 및 단일 파장 볼륨 브래그 격자 또는 모노리식 멀티플렉싱 브래그 격자와 같은 다른 주파수 선택 요소가 외부 캐비티 피드백 기술에 사용되어 왔다. 외부 캐비티 이중 파장 다이오드 레이저 시스템의 이득 매체는 보통 단일 모드 릿지 도파관 다이오드 레이저이므로, 이러한 레이저 시스템의 출력 파워는 일반적으로 수백 밀리 와트이다.Other important prototypes are dual wavelength lasers required for spectroscopy, LIDAR applications, holographic interferometers, optical terahertz sources and other applications. First of all, a broadly separated (hundreds of nm) dual wavelength device could be realized using, for example, dual wavelength lasing for two different ions in a single solid-state laser material or simultaneous lasing for two wavelengths in a single ion. I can. Traditionally, two-frequency generation with small wavelength differences (up to several tens of nm) has been realized using electro-optical or acousto-optic modulation of single-frequency laser radiation. However, these devices are not very compact. To date, various technologies have been developed to achieve dual wavelength operation in small diode laser systems, which can be mainly classified into (1) monolithic dual wavelength diode lasers and (2) diode laser systems based on other external cavity feedback technologies. Monolithic double-wavelength diode lasers show stable double-wavelength operation, but the tuning range of the frequency difference between the two wavelengths is limited, and the output power is usually less than 500mW. Bulk diffraction gratings for double-Littman and double-Littrow external cavity technologies, dual fiber Bragg gratings, dual period hologram elements and other frequency choices such as single wavelength volume Bragg gratings or monolithic multiplexing Bragg gratings Elements have been used in external cavity feedback technology. Since the gain medium of external cavity dual wavelength diode laser systems is usually a single mode ridge waveguide diode laser, the output power of these laser systems is typically hundreds of milliwatts.
복수의 비교적 넓은 종방향 모드를 포함하는 스펙트럼을 좁은 단일 모드로 또는 다수의 좁은 스펙트럼 모드를 가지는 스펙트럼으로 그 파워의 효율적인 변환으로 인해 레이저 주파수 안정화 및 레이저 스펙트럼을 상당히 좁히는 레이저 장치 및 레이저 스펙트럼 변환 방법을 제공한다.A laser device and a laser spectrum conversion method that significantly narrows the laser spectrum and stabilizes the laser frequency due to efficient conversion of its power from a spectrum containing a plurality of relatively wide longitudinal modes to a narrow single mode or a spectrum having a plurality of narrow spectral modes. to provide.
제안된 발명은 이제 예로서 설명 될 것이며 이하에서 제공되는 설명 및 도면을 참조하여 제한되지는 않는다.The proposed invention will now be described by way of example and is not limited with reference to the description and drawings provided below.
이 요약은 이하에서 더 설명될 청구된 발명의 양태의 개요를 제공하기 위해 특정 예시적인 실시예의 상세한 설명에 앞서서 제시되는 것으로, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 정의하거나 제한하도록 의도되지 않는다.This summary is presented prior to the detailed description of certain exemplary embodiments to provide an overview of aspects of the claimed invention that are further described below, and is not intended to define or limit the scope of the invention in any way.
본 개시는 전형적으로 약 1 kHz 선폭 이하, 일부 경우에는 하나 또는 다수의 파라미터로 발생된 광 주파수 빗살을 가지는 하나 또는 다수의 강력한 좁은 레이저 라인을 전달하기 위해 high-Q 마이크로 공진기에 록킹된 다중 종방향 모드 레이저에 기초한 콤팩트한 장치를 제공하는 것이다. The present disclosure provides multiple longitudinal locked to high-Q micro resonators to deliver one or multiple powerful narrow laser lines with optical frequency combs typically generated with optical frequency combs, typically less than about 1 kHz linewidth, in some cases one or multiple parameters. It is to provide a compact device based on a mode laser.
본 개시의 기술적 결과는 제한된 수의 광학 소자를 갖는 장치의 소형 크기를 유지하면서 추가 증폭 없이 좁은 선폭 레이징의 방출 파워를 증가시키는 것으로 구성된다. 증가된 방출 파워는 스펙트럼 좁아짐 및 광 주파수 빗살 생성을 위해 WGM 마이크로 공진기에 록킹된 기존의 DFB 레이저보다 훨씬 강력한 광역 스펙트럼 다중 종방향 모드 레이저를 사용한 결과이다. 이 경우, 공진 광 피드백의 조건 하에서 종방향 모드 경쟁은 high-Q 마이크로 공진기의 공진 주파수에서 하나 또는 다수의 좁은 레이저 라인에 유리한 효과적인 레이저 파워 재분배로 이어진다. 또한, 본 개시는 좁은 선폭을 생성하고 적어도 하나의 high-Q 외부 캐비티를 갖는 보다 콤팩트하고 강력한 이중 파장 또는 다중 파장 레이저 장치를 제공한다. 또한, 본 개시는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기를 사용함으로써 하나 또는 다수의 파라 미터로 생성된 광 주파수 빗살의 소형의 강력한 소스를 제공한다.The technical result of the present disclosure consists in increasing the emission power of narrow line width lasing without additional amplification while maintaining the compact size of the device with a limited number of optical elements. The increased emission power is the result of the use of a broad spectrum multi-longitudinal mode laser that is much more powerful than a conventional DFB laser locked to a WGM microresonator for spectral narrowing and generating optical frequency comb teeth. In this case, the longitudinal mode competition under the condition of resonant optical feedback leads to effective laser power redistribution which is advantageous for one or more narrow laser lines at the resonant frequency of the high-Q microresonator. Further, the present disclosure provides a more compact and powerful dual wavelength or multi-wavelength laser device that produces a narrow linewidth and has at least one high-Q external cavity. Further, the present disclosure provides a compact, powerful source of optical frequency combs generated with one or multiple parameters by using at least one high-Q micro resonator.
일 유형에 따른 레이저 장치는 다중 종방향 모드 스펙트럼을 갖는 레이저 광을 생성하기 위한 하나 이상의 다중 종방향 모드 레이저; 상기 하나 이상의 다중 종방향 모드 레이저에 광학적으로 피드백 커플링된 하나 이상의 고품질 계수 (high-Q) 마이크로 공진기; 적어도 하나의 정합 주파수를 얻도록 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 각 공진 주파수로 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개개의 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각과 매칭하도록 레이저광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하는 튜닝 유닛을 구비하며, 레이저 장치는 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나 및 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 가지는 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저광을 커플링하도록 마련될 수 있다.A laser device according to one type comprises one or more multiple longitudinal mode lasers for generating laser light having multiple longitudinal mode spectra; One or more high-quality coefficient (high-Q) micro resonators optically feedback-coupled to the one or more multiple longitudinal mode lasers; At least one multiple longitudinal mode with each resonant frequency of the at least one high-Q micro-resonator to obtain at least one matching frequency multiple longitudinal modes of the laser light to match each of the at least one frequency of each individual longitudinal mode of the laser An output laser light having an output spectrum having at least one of the at least one matching frequency and at least one dominant longitudinal laser mode each at a reduced linewidth of the predominant longitudinal laser mode. It may be provided to couple.
하나 이상의 high-Q 마이크로 공진기는 강도 의존 굴절률을 갖는 재료로 제조되며, 레이저 장치는 하나 이상의 광 주파수 빗살을 생성하도록 마련될 수 있으며, 여기서 각각의 하나 이상의 광 주파수 빗살은, 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드가 광 주파수 빗살 생성의 펌프 임계 값보다 큰 파워를 갖는 경우, 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드 중 하나에 의해 파라메트릭 적으로 생성될 수 있다.One or more high-Q micro-resonators are made of a material having an intensity dependent refractive index, and the laser device may be arranged to generate one or more optical frequency combs, wherein each one or more optical frequency combs are at least one dominant longitudinal If the laser mode has a power greater than the pump threshold of optical frequency comb generation, it can be parametrically generated by one of the at least one dominant longitudinal laser mode.
튜닝 유닛은 주파수 영역에서 종방향 모드의 간격을 변경하고, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별 종방향 모드 각각의 주파수를 변경하도록 마련될 수 있다.The tuning unit may be arranged to change the spacing of the longitudinal modes in the frequency domain and to change the frequency of each of the individual longitudinal modes of the at least one multiple longitudinal mode laser.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 적어도 하나의 역 전파 모드를 각각 생성함으로써 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 광 피드백을 제공하도록 마련될 수 있다.The at least one high-Q micro-resonator may be arranged to provide optical feedback to the at least one multiple longitudinal mode laser by each generating at least one reverse propagation mode at one of the at least one matching frequency.
적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저는 전력 반도체 레이저 다이오드일 수 있다.The at least one multiple longitudinal mode laser may be a power semiconductor laser diode.
하나 이상의 다중 종방향 모드 레이저 및 하나 이상의 high-Q 마이크로 공진기는 마이크로 리소그래피를 사용하여 동일한 칩 상에 제작될 수 있다.One or more multiple longitudinal mode lasers and one or more high-Q micro-resonators can be fabricated on the same chip using microlithography.
튜닝 유닛은 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 주입 전류 및/또는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 각각, 또는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 개별적으로 각각의 레이저 활성 매체의 온도를 제어하도록 마련될 수 있다.The tuning unit is arranged to control the injection current of the at least one multiple longitudinal mode laser and/or each of the at least one multiple longitudinal mode laser, or the temperature of each laser active medium individually at least one multiple longitudinal mode laser. I can.
적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에서 산란된 광을 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 다시 커플링함으로써 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 광학적으로 피드백 결합될 수 있다. The at least one multiple longitudinal mode laser can be optically feedback coupled to the at least one high-Q micro resonator by recoupling the light scattered from the at least one high-Q micro resonator back to the at least one multiple longitudinal mode laser. have.
적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 중 하나 또는 다수는 커플링 요소를 통해 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 중 하나 또는 다수에 광학적으로 피드백 결합될 수 있다.One or more of the at least one multiple longitudinal mode laser may be optically feedback coupled to one or more of the at least one high-Q micro resonator via a coupling element.
커플링 요소는 내부 전반사 프리즘, 테이퍼진 광섬유 및 도파로 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The coupling element may include at least one of a total internal reflection prism, a tapered optical fiber, and a waveguide.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 중 하나 또는 다수에는 추가 커플링 요소가 제공될 수 있다.One or more of the at least one high-Q micro resonator may be provided with an additional coupling element.
추가 커플링 요소는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 하나 또는 다수에서 발생된 다수의 우세한 종방향 레이저 모드들의 하나 또는 다수를 결합하거나, 출력 스펙트럼의 비공진 부분을 필터링하도록 우세한 종방향 레이저 모드들의 하나 또는 다수와 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 하나 또는 다수에서 발생된 하나 또는 다수의 광 주파수 빗살을 결합하도록 마련될 수 있다.The additional coupling element combines one or many of the multiple dominant longitudinal laser modes generated in one or multiple of the at least one high-Q microresonator, or of the dominant longitudinal laser modes to filter out the non-resonant portion of the output spectrum. It may be provided to combine one or a plurality of optical frequency combs generated in one or a plurality of at least one high-Q micro resonator.
적어도 하나의 광 주파수 빗살은 dissipative Kerr soliton 광 빗살일 수 있다.The at least one optical frequency comb may be a dissipative Kerr soliton optical comb.
튜닝 유닛은 주파수 도메인에서 high-Q 모드의 간격을 변경하고 high-Q 모드 각각의 공진 주파수를 변경함으로써 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 high-Q 모드들의 공진 주파수를 튜닝하도록 더 마련될 수 있다. The tuning unit may be further provided to tune the resonant frequencies of the high-Q modes of the at least one high-Q micro resonator by changing the interval of the high-Q mode in the frequency domain and changing the resonant frequency of each of the high-Q modes. .
튜닝 유닛은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 온도, 및/또는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 또는 개별적으로 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각에 가해지는 외부 압력을 제어하도록 추가로 마련될 수 있다. The tuning unit may be further provided to control the temperature of the at least one high-Q micro resonator, and/or the external pressure applied to each of the at least one high-Q micro resonator or individually at least one high-Q micro resonator. have.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 인가된 전자기장에 응답하여 굴절률이 변하는 전기 광학 재료로 만들어지고, 튜닝 유닛은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 또는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각에 개별적으로 인가되는 전자기장을 제어하도록 마련될 수 있다.At least one high-Q micro-resonator is made of an electro-optical material whose refractive index changes in response to an electromagnetic field applied to the at least one high-Q micro-resonator, and the tuning unit comprises at least one high-Q micro-resonator or at least one high -Q It can be provided to control the electromagnetic field individually applied to each of the micro-resonators.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 WGM 마이크로 공진기일 수 있다.At least one high-Q micro resonator may be a WGM micro resonator.
일 유형에 따른 레이저 스펙트럼 변환 방법은, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 의해 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저 광을 생성하는 단계; 적어도 하나의 정합된 주파수를 얻도록 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 광학적으로 피드백 결합된 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 각각의 공진 주파수로, 상기 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 상기 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각과 정합시키도록 튜닝하는 단계; 적어도 하나의 정합된 주파수 중 하나에서 및 상기 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드로 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광을 커플링하는 단계;를 포함한다.A method of converting a laser spectrum according to one type comprises: generating laser light having a spectrum of multiple longitudinal modes by means of at least one multiple longitudinal mode laser; With each resonant frequency of at least one high-Q micro-resonator optically feedback coupled to at least one multi-longitudinal mode laser to obtain at least one matched frequency, the spectrum of the multiple longitudinal modes of the laser light is at least Tuning to match each of at least one frequency of a respective longitudinal mode of one multiple longitudinal mode laser; And coupling output laser light having an output spectrum to at least one dominant longitudinal laser mode each at one of the at least one matched frequency and at a reduced linewidth of the dominant longitudinal laser mode.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 강도 의존 굴절률을 갖는 재료로 제조되며, 상기 방법은 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드가 광 주파수 빗살 발생의 펌프 임계값을 초과하는 파워를 가질 때, 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드 각각에 의해 적어도 하나의 광 주파수 빗살을 파라메트릭 방식으로 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. At least one high-Q microresonator is made of a material having an intensity dependent refractive index, and the method comprises at least one of the at least one dominant longitudinal laser mode having a power exceeding the pump threshold of optical frequency comb generation. It may further comprise generating at least one optical frequency comb in a parametric manner by each of the dominant longitudinal laser modes.
다중 종방향 모드의 스펙트럼은 주파수 도메인에서 종방향 모드의 간격을 변경하고, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별 종방향 모드 각각의 주파수를 변경함으로써 튜닝될 수 있다.The spectrum of the multiple longitudinal modes can be tuned by varying the spacing of the longitudinal modes in the frequency domain, and by changing the frequency of each of the individual longitudinal modes of the at least one multiple longitudinal mode laser.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 적어도 하나의 역 전파 모드를 각각 발생시킴으로써 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 광 피드백을 제공하도록 마련될 수 있다.The at least one high-Q micro resonator may be arranged to provide optical feedback to the at least one multi-longitudinal mode laser by each generating at least one reverse propagation mode at one of the at least one matching frequency.
종방향 모드의 스펙트럼은 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 주입 전류 및/또는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 또는 개별적으로 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 각각의 레이저 활성 매체의 온도를 제어함으로써 튜닝될 수 있다.The spectrum of the longitudinal mode is tuned by controlling the injection current of the at least one multiple longitudinal mode laser and/or the temperature of the laser active medium of each of the at least one multiple longitudinal mode laser or individually at least one multiple longitudinal mode laser. Can be.
적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 다시 결합된 적어도 하나의 역 전파 모드는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에서 공진 레일리 산란으로 인해 생성될 수 있다.At least one reverse propagation mode coupled back to the at least one multi-longitudinal mode laser may be generated due to resonant Rayleigh scattering in at least one high-Q micro resonator.
적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 중 하나 또는 다수는 커플링 요소를 통해 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 중 하나 또는 다수에 광학적으로 피드백 결합될 수 있다.One or more of the at least one multiple longitudinal mode laser may be optically feedback coupled to one or more of the at least one high-Q micro resonator via a coupling element.
커플링 요소는 내부 전반사 프리즘, 테이퍼진 광섬유 및 도파로 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The coupling element may include at least one of a total internal reflection prism, a tapered optical fiber, and a waveguide.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 중 하나 또는 다수는 추가적인 커플링 요소가 제공될 수 있다.One or more of the at least one high-Q micro resonator may be provided with an additional coupling element.
하나 또는 다수의 우세한 종방향 레이저 모드 또는 하나 또는 다수의 우세한 종방향 레이저 모드 및 하나 또는 다수의 광 주파수 빗살이 출력 스펙트럼의 비공진 부분을 필터링하도록 추가적인 커플링 요소를 통해 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 중 하나 또는 다수로부터 커플링될 수 있다.One or more dominant longitudinal laser modes or one or more dominant longitudinal laser modes and at least one high-Q micro via an additional coupling element such that one or more optical frequency combs filter the non-resonant portion of the output spectrum. It may be coupled from one or more of the resonators.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 high-Q 모드의 공진 주파수는 주파수 도메인에서 high-Q 모드의 간격을 변경하고 high-Q 모드 각각의 공진 주파수를 변경함으로써 튜닝될 수 있다.The resonant frequency of the high-Q mode of at least one high-Q micro resonator can be tuned by changing the interval of the high-Q mode in the frequency domain and changing the resonant frequency of each of the high-Q modes.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 온도 및/또는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 또는 개별적으로 적어도 하나 이상의 high-Q 마이크로 공진기 각각에 가해지는 외압을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include controlling a temperature of the at least one high-Q micro resonator and/or an external pressure applied to each of the at least one high-Q micro resonator or individually at least one high-Q micro resonator.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 인가된 전자기장에 응답하여 그 굴절률이 변화되는 전기-광학 재료로 제조되며, 상기 방법은 적어도 하나 이상의 high-Q 마이크로 공진기, 바람직하게는 개별적으로 적어도 하나 이상의 high-Q 마이크로 공진기 각각에 적용되는 전자기장을 제어하는 것은 더 포함할 수 있다.The at least one high-Q micro resonator is made of an electro-optical material whose refractive index changes in response to an electromagnetic field applied to the at least one high-Q micro resonator, the method comprising at least one high-Q micro resonator, preferably Alternatively, individually controlling the electromagnetic field applied to each of the at least one or more high-Q micro resonators may be further included.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 WGM 마이크로 공진기일 수 있다.At least one high-Q micro resonator may be a WGM micro resonator.
일 유형에 따른 상기한 특징을 가지는 레이저 장치의 작동 방법은, 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을, 적어도 하나의 정합된 주파수를 얻도록 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 각 공진 주파수로 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각과 매칭하도록 튜닝하는 단계; 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나 및 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드로 출력 스펙트럼을 가지는 출력 레이저광을 커플링하는 단계;를 포함한다.According to one type, a method of operating a laser device having the above characteristics includes at least one spectrum of multiple longitudinal modes of laser light at each resonance frequency of at least one high-Q micro-resonator to obtain at least one matched frequency. Tuning to match each of the at least one frequency of the respective longitudinal mode of the multiple longitudinal mode lasers of the; And coupling an output laser light having an output spectrum in at least one dominant longitudinal laser mode each to one of the at least one matching frequency and a reduced linewidth of the dominant longitudinal laser mode.
실시예에 따른 레이저 장치 및 레이저 스펙트럼 변환 방법에 따르면, 복수의 비교적 넓은 종방향 모드를 포함하는 스펙트럼을 좁은 단일 모드로 또는 다수의 좁은 스펙트럼 모드를 가지는 스펙트럼으로 그 파워의 효율적인 변환으로 인해 레이저 주파수 안정화를 제공하고 및 레이저 스펙트럼을 상당히 좁힐 수 있다. .According to the laser apparatus and laser spectrum conversion method according to the embodiment, laser frequency stabilization due to efficient conversion of its power from a spectrum including a plurality of relatively wide longitudinal modes into a narrow single mode or into a spectrum having a plurality of narrow spectral modes And can significantly narrow the laser spectrum. .
설명된 효과는 두 가지 메커니즘에 의해 발생할 수 있다. 첫번째는 고품질 계수(high quality factor:high-Q) 마이크로 공진기에서 산란된 레이저 광을 레이저로 다시 주입한 결과 high-Q 광학 마이크로 공진기의 공진 광 피드백이다. 그리고 두 번째는 하나 또는 다수의 좁은 레이저 라인에 유리한 레이저 파워의 효율적인 재분배를 유도하는 광학 피드백 조건에서의 레이저 종방향 모드 경쟁이다. The described effect can occur by two mechanisms. The first is the resonant light feedback of the high-Q optical microresonator as a result of re-injecting the laser light scattered from the high-quality factor (high-Q) microresonator into the laser. And the second is laser longitudinal mode competition in optical feedback conditions leading to an efficient redistribution of laser power, which is advantageous for one or many narrow laser lines.
세기-의존 굴절률을 갖는 재료로 제조된 마이크로 공진기의 경우, 펌프 임계 값보다 높은 파워 레벨에서 스펙트럼 적으로 좁은 레이저 라인의 생성은 주파수 고정값으로 이격된 복수의 좁은 스펙트럼 모드를 갖는 파라미터 적으로 생성된 하나 또는 다수의 광 주파수 빗살(combs)을 제공 할 수 있다. In the case of a microresonator made of a material with an intensity-dependent refractive index, the generation of a spectrally narrow laser line at a power level higher than the pump threshold is parametrically generated with a plurality of narrow spectral modes spaced apart by a fixed frequency value. One or multiple optical frequency combs may be provided.
더욱이, 많은 실제 응용에 매우 중요한 여러 파장 (주파수)에서 동시에 안정적인 발생을 제공하는 소형 하이-코히어런트 파워풀 광원, 광 주파수 빗살 소스 또는 소형 다중 파장 레이저 장치를 제공한다. 헤테로다인 효과를 사용하는 계측, 웨어러블 장치를 포함하는 소형 분광 센서, 코히어런트 LIDAR, 광학 데이터 전송 등에 적용될 수 있는 레이저 장치를 제공할 수 있다.Moreover, it provides a compact high-coherent powerful light source, a light frequency comb source or a small multi-wavelength laser device that provides simultaneous stable generation at multiple wavelengths (frequency), which is very important for many practical applications. It is possible to provide a laser device that can be applied to measurement using a heterodyne effect, a small spectroscopic sensor including a wearable device, a coherent LIDAR, and optical data transmission.
예시적인 실시예가 이제 참조될 것이며, 이는 이하의 상세한 설명으로 제시되며, 첨부 도면과 함께 읽도록 의도된다. 첨부된 도면은 어떤 식으로든 범위를 정의하거나 제한하려는 것이 아니라, 그 구현의 특정 예를 제공한다. 통상의 기술자는 다른 실시예, 변형 또는 등가의 치환이 본 설명의 교시에 기초하여 명백해질 수 있으며, 이러한 모든 실시예, 변형 및 등가의 치환이 포함되는 것으로 간주된다는 것을 이해할 것이다.
도면은 설명을 읽고 이해하는데 도움을 주기 위해 예시의 목적으로 만 제공되며, 범위를 한정하거나 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
도 1a는 내부 전반사 프리즘 (C)으로서 커플링 요소를 사용하여 high-Q 모드의 전파를 가능하게 하는 하나의 결정질 광학 high-Q 마이크로 공진기 (M)에 커플링된 하나의 다중 종방향 모드 레이저 (L)를 도시한다.
도 1b는 커플링 요소 (C)를 사용하여 하나의 광학 high-Q 마이크로 공진기 (M)에 커플링된 하나의 다중 종방향 모드 레이저 (L)를 도시한다. 추가의 커플링 요소 (C2)는 생성된 레이저 광의 비 공진 부분을 필터링하기 위해 사용될 수 있다.
도 2는 복수의 커플링 요소 C1 … CN을 통해 다수의 병렬 high-Q 마이크로 공진기 M1… MN에 동시에 록킹된 하나의 다중 종방향 모드 레이저 L1의 예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 하나의 다중 종방향 모드 레이저 (L1)가 다수의 커플링 요소 (C1… CN)를 통해 다수의 직렬 high-Q 마이크로 공진기 (M1… MN)에 동시에 록킹될 때의 다른 예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 하나의 high-Q 마이크로 공진기 (M1)에 다수의 다중 종방향 모드 레이저 (L1… Lm)가 동시에 록킹될 때의 또 다른 예를 개략적으로 설명한다.
도 5는 다수의 병렬 및 직렬 NP high-Q 마이크로 공진기 MPN에 다수의 다중 종방향 모드 레이저 L1… Lm이 동시에 록킹된 방식의 예를 보여준다.
도 6a는 튜닝 유닛 구성의 실시예를 도시한다.
도 6b는 스펙트럼 변환을 제어하는*?*데 사용되는 측정 장비 체계의 예를 보여준다.
도 7은 다중 종방향 모드 레이저 (L)의 주파수가 횡축을 따라 스윕되는 동안 도 1의 광검출기 (D)의 신호의 오실로그램 (실선 곡선) 및 공진 레일리 후방 산란의 파워 (점선 곡선)를 보여준다.
도 8은 종방향 모드 레이저의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 레이저 장치에 의해 생성된 출력 레이저 광의 출력 스펙트럼으로 변환하는 예를 도시하고, 개별 종방향 모드의 하나의 주파수가 high-Q 마이크로 공진기의 하나의 공진 주파수와 일치할 때 스펙트럼이 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 가지는 것을 보여준다.
도 9a는 개별 종방향 모드의 하나의 주파수가 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 하나의 공진 주파수와 일치할 때, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 록킹된 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 스펙트럼을 변환한 결과를 나타낸다.
도 9b는 개별 종방향 모드의 2 개의 주파수가 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 2 개의 공진 주파수와 일치 할 때, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 록킹된 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 스펙트럼을 변환한 결과를 나타낸다.
도 9c는 개별 종방향 모드의 4 개의 주파수가 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 4 개의 공진 주파수와 일치 할 때, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 록킹된 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 스펙트럼을 변환한 결과를 나타낸다.
도 10a는 하나의 우세한 종방향 레이저 모드의 생성으로 플루오르화 마그네슘 high-Q 마이크로 공진기에 록킹된 다중 종방향 모드 레이저의 스펙트럼을 변환한 결과를 도시한다.
도 10b는 도 9a의 경우에 파라메트릭 방식으로 생성된 광 주파수 빗살의 광 스펙트럼의 예를 보여준다.
도 11a는 다중 종방향 모드 레이저 다이오드가 파라메트릭 방식으로 발생된 주파수 빗살을 펌핑하는 2 개의 우세한 종방향 레이저 모드의 생성으로 플루오르화 마그네슘 high-Q 마이크로 공진기에 록킹된 경우에 동시에 생성된 2 개의 광 주파수 빗살 (도 11a의 가운데 분의 곡선과 그 외 부분의 곡선)의 광학 스펙트럼을 도시한다.
도 11b는 빗살의 좁은 모드를 비팅하는 라디오 주파수 스펙트럼을 도시한다.
도 12a는 마이크로 리소그래피를 사용하여 동일한 칩 상에 제조된 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 및 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기를 갖는 레이저 장치의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 12b는 도 12a의 레이저 장치의 측면도를 개략적으로 도시한다.Reference will now be made to exemplary embodiments, which are presented in the detailed description below and are intended to be read in conjunction with the accompanying drawings. The accompanying drawings are not intended to define or limit the scope in any way, but to provide specific examples of their implementation. Those skilled in the art will understand that other embodiments, modifications, or equivalent substitutions may become apparent based on the teachings of this description, and that all such embodiments, modifications, and equivalent substitutions are considered to be included.
The drawings are provided for illustrative purposes only to aid in reading and understanding the description, and should not be regarded as limiting or limiting the scope.
1A shows one multiple longitudinal mode laser coupled to one crystalline optical high-Q micro resonator (M) enabling propagation of high-Q mode using a coupling element as a total internal reflection prism (C) ( L) is shown.
1b shows one multiple longitudinal mode laser (L) coupled to one optical high-Q micro resonator (M) using a coupling element (C). An additional coupling element C2 can be used to filter out non-resonant portions of the generated laser light.
2 shows a plurality of coupling elements C 1 . Multiple parallel high-Q micro resonators M 1 through C N … An example of one multiple longitudinal mode laser L 1 simultaneously locked to M N is shown schematically.
Figure 3 shows another when one multiple longitudinal mode laser (L1) is simultaneously locked to multiple series high-Q micro-resonators (M 1 … M N ) through multiple coupling elements (C 1 … C N ). An example is schematically shown.
4 schematically illustrates another example when a plurality of multiple longitudinal mode lasers (L 1 … L m ) are simultaneously locked to one high-Q micro resonator (M 1 ).
Figure 5 shows a plurality of parallel and series NP high-Q micro-resonators M PN with a plurality of multiple longitudinal mode lasers L 1 . An example of how L m is locked at the same time is shown.
6A shows an embodiment of a tuning unit configuration.
6B shows an example of a measurement equipment scheme used to control spectrum transformation.
Figure 7 shows the oscillogram (solid curve) of the signal of the photodetector (D) of Figure 1 and the power of the resonant Rayleigh backscattering (dotted curve) while the frequency of the multiple longitudinal mode laser (L) is swept along the horizontal axis. .
8 shows an example of converting the spectrum of multiple longitudinal modes of a longitudinal mode laser into an output spectrum of the output laser light generated by the laser device, and one frequency of the individual longitudinal mode is one of the high-Q microresonators. It is shown that the spectrum has one dominant longitudinal laser mode when matched with the resonant frequency of.
9A is a diagram of at least one multiple longitudinal mode laser locked to at least one high-Q micro resonator when one frequency of the individual longitudinal mode matches one resonant frequency of at least one high-Q micro resonator. The result of converting the spectrum is shown.
Figure 9b shows at least one multiple longitudinal mode laser locked to at least one high-Q micro-resonator when the two frequencies of the respective longitudinal modes coincide with the two resonant frequencies of at least one high-Q micro-resonator. The result of converting the spectrum is shown.
Figure 9c shows at least one multiple longitudinal mode laser locked to at least one high-Q micro-resonator when the four frequencies of the individual longitudinal modes coincide with the four resonant frequencies of at least one high-Q microresonator. The result of converting the spectrum is shown.
10A shows the result of transforming the spectrum of a multiple longitudinal mode laser locked to a magnesium fluoride high-Q microresonator with the generation of one dominant longitudinal laser mode.
10B shows an example of an optical spectrum of an optical frequency comb generated in a parametric manner in the case of FIG. 9A.
11A shows two lights simultaneously generated when a multi-longitudinal mode laser diode is locked to a magnesium fluoride high-Q microresonator with the generation of two dominant longitudinal laser modes pumping a frequency comb generated in a parametric manner. The optical spectrum of the frequency comb (the curve at the center of Fig. 11A and the curve at the other part) is shown.
11B shows the radio frequency spectrum beating the narrow mode of the comb.
FIG. 12A schematically shows a top view of a laser device having at least one multiple longitudinal mode laser and at least one high-Q micro resonator fabricated on the same chip using microlithography.
Fig. 12b schematically shows a side view of the laser device of Fig. 12a.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것으로, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same elements, and the size of each element in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. The embodiments described below are merely exemplary, and various modifications may be made from these embodiments.
레이저 주파수 안정화 및 스펙트럼 축소에 대한 한 접근 방식은 소형의 high-Q 결정질 WGM 마이크로 공진기의 구현이다. 콤팩트한 링 공진기는 특성 치수가 0.1-10 mm이고 자외선 (UV) 영역에서 중 적외선 (MIR) 영역까지 초 고품질 계수를 가질 수 있다. high-Q 결정성 WGM 마이크로 공진기의 광 피드백은 공진기의 표면 불균일성 때문에 공진 레일리 산란을 기반으로 한다: 레이저 광 주파수가 공진기 모드의 주파수와 일치 할 때 약간의 광이 레이저로 다시 반사된. 다시 말해서, 레이저에 자기-주사 된 레이저 광의 스펙트럼 적으로 선택된 부분은 생성 주파수를 고정시킨다. "자체 주입 록킹"이라고 하는 이 프로세스는 빠른 광 피드백을 제공하여 레이저 스펙트럼 범위를 크게 좁힌다. 오늘날 WGM 마이크로 공진기에 대한 자체 주입 록킹으로 인해 양자 캐스케이드 레이저 및 분산 피드백 (DFB) 레이저를 포함한 다양한 유형의 레이저의 선폭 축소 및 주파수 안정화가 보고 되었으며 실제로 ~ Hz 수준까지 내려간 선폭 감소가 입증되었다.One approach to laser frequency stabilization and spectrum reduction is the implementation of a compact, high-Q crystalline WGM microresonator. The compact ring resonator has a characteristic dimension of 0.1-10 mm and can have ultra-high quality coefficients from the ultraviolet (UV) region to the mid-infrared (MIR) region. The optical feedback of the high-Q crystalline WGM microresonator is based on resonant Rayleigh scattering because of the surface non-uniformity of the resonator: when the laser light frequency matches the frequency of the resonator mode, some light is reflected back to the laser. In other words, the spectrally selected portion of the laser light that is self-scanned on the laser fixes the generation frequency. This process, called "self-injection locking", provides fast optical feedback, which greatly narrows the laser spectrum. Today, linewidth reduction and frequency stabilization of various types of lasers, including quantum cascade lasers and distributed feedback (DFB) lasers, have been reported due to self-injection locking on WGM microresonators, and in fact, linewidth reduction down to ~Hz levels has been demonstrated.
WGM 마이크로 공진기를 사용한 자체 주입 록킹은 주로 DFB 레이저와 같은 레이저 활성 매체에 격자를 배치하거나 어떠 타입의 브래그 반사기를 구현함에 의해 예비 안정화된 단일 모드 레이저 다이오드의 주파수 안정화 및 스펙트럼 축소를 위해 범위를 적용된다. 주된 이유는 여러 모드가 동일한 광 피드백을 생성하는 경우 원치 않는 멀티 모드 레이징 및 모드 경쟁이 발생할 수 있기 때문에, 하나의 마이크로 공진기 모드만 레이저 이득 대역폭 내에 있을 때 레이저 주파수 안정성이 향상된다는 것이다. 보통 ultrahigh-Q WGM 마이크로 공진기는 공진 모드의 스펙트럼 밀도가 높으며, 예비 안정화 기능을 갖춘 위에서 언급한 레이저는 상대적으로 좁은 선폭 ~ 1-10MHz 및 약 수십 밀리 와트의 방출 파워를 가진다. 광 공진기에 자체 주입 록킹된 소형 분산 피드백 (DFB) 레이저로 펌핑된 결정질 MgF2 광 마이크로 공진기는 소형 광 주파수 빗살 소스를 제공하는 것으로 알려져 있다. 내부 전반사 프리즘을 사용하여 DFB 레이저를 광학 마이크로 공진기에 결합하면, 공진 레일리 산란으로 인해 빛의 일부가 DFB 레이저로 후방 산란되어, 레이저 주파수를 선택된 광학 마이크로 공진기 모드의 주파수로 자체 주입 록킹을 초래한다. 이러한 자체 주입 록킹 효과는 레이저에서 광 마이크로 공진기로 광을 효율적으로 결합하고 광 주파수 빗살을 생성하는데 필요한 자유 주행 DFB 레이저의 선폭과 비교할 때, 레이저 선폭을 3-4 차로 좁힌다. 그러나 코히어런트 LIDAR 및 분광법을 포함한 많은 응용 분야에 필요한 보다 강력한 좁은 선폭 레이저는 후속의 증폭을 필요로 하여 소형화의 손실을 초래한다. 또한 DFB 레이저는 특정 원자 광 전이에 해당하는 모든 원하는 파장에서 사용할 수 없다. 보다 넓은 파장 범위에서 이용 가능한 반도체 광 증폭기 (SOA)가 회절 격자 캐비티를 사용하여 예비 생성 스펙트럼이 좁아지는 마이크로 공진기의 안정화에 사용된다. 두 개의 캐비티 구성은 일반적으로 컴팩트 할 수 없는 복잡한 장치로 이어진다.Self-injection locking using WGM micro-resonators is applied to the frequency stabilization and spectrum reduction of pre-stabilized single-mode laser diodes, mainly by placing the grating on a laser active medium such as a DFB laser or by implementing some type of Bragg reflector. . The main reason is that the laser frequency stability is improved when only one micro-resonator mode is within the laser gain bandwidth, since unwanted multi-mode lasing and mode contention can occur when multiple modes produce the same optical feedback. Usually, the ultrahigh-Q WGM microresonator has a high spectral density in the resonant mode, and the above-mentioned laser with preliminary stabilization has a relatively narrow line width ~ 1-10 MHz and an emission power of about tens of milliwatts. A crystalline MgF2 optical microresonator pumped with a small dispersion feedback (DFB) laser that is self-injection locked into an optical resonator is known to provide a small optical frequency comb source. When the DFB laser is coupled to an optical microresonator using a total internal reflection prism, part of the light is scattered back into the DFB laser due to resonant Rayleigh scattering, resulting in self-injection locking with the laser frequency to the frequency of the selected optical microresonator mode. This self-injection locking effect narrows the laser line width by 3-4 when compared to the line width of a free-running DFB laser required to efficiently combine light from the laser to the optical micro-resonator and generate an optical frequency comb. However, the more powerful, narrow line-width lasers required for many applications, including coherent LIDAR and spectroscopy, require subsequent amplification, resulting in loss of miniaturization. Also, DFB lasers cannot be used at all desired wavelengths corresponding to specific atomic light transitions. A semiconductor optical amplifier (SOA), available in a wider wavelength range, is used for stabilization of micro-resonators, where the pre-generated spectrum is narrowed using a diffraction grating cavity. The two cavity configuration usually leads to complex devices that cannot be compact.
실시예에 따른 레이저 장치에 따르면, 복수의 비교적 넓은 종방향 모드를 포함하는 스펙트럼을 좁은 단일 모드로 또는 다수의 좁은 스펙트럼 모드를 가지는 스펙트럼으로 그 파워의 효율적인 변환으로 인해 레이저 주파수 안정화 및 레이저 스펙트럼을 상당히 좁힐 수 있어, 후속의 증폭이나 두 개의 캐비티 구성이 불필요하며 컴팩트한 레이저 장치의 구현이 가능하다.According to the laser device according to the embodiment, the laser frequency stabilization and the laser spectrum are significantly reduced due to the efficient conversion of its power from a spectrum comprising a plurality of relatively wide longitudinal modes into a narrow single mode or into a spectrum having a plurality of narrow spectral modes. Since it can be narrowed, subsequent amplification or two-cavity configuration is unnecessary, and a compact laser device can be implemented.
특히, 실시예는 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저 광을 생성하기 위한 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저, high-Q 모드의 전파 및 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 커플링된 광 피드백을 가능하게 하는 적어도 하나의 광 high-Q 마이크로 공진기, 적어도 하나의 정합된 주파수를 얻도록 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 각 공진 주파수로 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별적인 모드의 적어도 하나의 주파수 각각과 일치하도록 레이저광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하는 튜닝 유닛을 구비하는 레이저 장치를 제공한다. 레이저 장치는 각각 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 그리고 우세한 종방향 모드의 감소된 선폭에서 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 갖는 변환된 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광을 생성하도록 구성된다. 게다가, 실시예는 레이저 장치를 작동시키는 방법을 제공한다.In particular, the embodiment comprises at least one multiple longitudinal mode laser, high-Q mode propagation and optical feedback coupled to at least one multiple longitudinal mode laser for generating laser light having a spectrum of multiple longitudinal modes. At least one optical high-Q micro-resonator, each resonant frequency of at least one high-Q micro-resonator to obtain at least one matched frequency, at least one multiple longitudinal mode of at least one of the individual modes of the laser It provides a laser apparatus comprising a tuning unit that tunes the spectrum of multiple longitudinal modes of laser light to match each of the frequencies. The laser device is configured to generate an output laser light having a converted spectrum each having at least one dominant longitudinal laser mode at one of the at least one matching frequency and at a reduced linewidth of the dominant longitudinal mode. In addition, the embodiments provide a method of operating a laser device.
다양한 예시적인 실시예는 어떠한 경우에도 청구 범위를 정의하거나 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 열거된 것과 동등하거나 명백한 다른 재료 및 기술적 수단인 것으로 이해 될 것이다. 이하, 본 명세서에 기술된 바와 같은 다양한 동작, 기능, 방법 단계 등을 수행하기 위해 통상의 기술자에 의해 예상 될 수 있다. 본 상세한 설명은 청구 범위를 정의하거나 제한하려는 것이 아니며, 첨부된 청구 범위에 참조로서만 정의되어야 한다.The various illustrative embodiments should in no case be construed as defining or limiting the scope of the claims, but will be understood to be other materials and technical means equivalent or apparent to those listed. Hereinafter, it may be expected by a person skilled in the art to perform various operations, functions, method steps, and the like as described herein. This detailed description is not intended to define or limit the scope of the claims, and should be defined only by reference to the appended claims.
본 개시에 사용된 용어 " high-Q 마이크로 공진기"는 광을 한정하고 약 0.01-10 mm의 특징적인 치수, 종종 대략 한 방향으로 대략 마이크로미터-스케일 크기의 광 필드 국소화를 위한 진행파 마이크로 캐버티를 의미한다. 광은 진동하는 기타 줄에 존재할 수 있는 것과 유사한 일련의 정상파 광 high-Q 모드 또는 high-Q 공진을 생성하는 루프와 같은 방식으로 high-Q 마이크로 공진기의 가장자리에서 내부적으로 반사된다. high-Q 마이크로 공진기에서, high-Q 모드의 품질 계수 Q는 105를 초과하며, 예를 들어 약 106-109, 예컨대 108-109 이상일 수 있다. 예를 들어, high-Q 마이크로 공진기는 구형, 토로이드, 디스크 또는 공진기의 캐버티 내에서 폐쇄된 광경로를 갖는 임의의 다른 형태의 high-Q 위스퍼링-갤러리 모드 (WGM) 마이크로 공진기 일 수 있으며, 이는 오목한 면 둘레를 이동할 수 있는 일종의 광파인 위스퍼링-갤러리 모드의 전파를 가능하게 한다. 런던의 세인트 폴 대성당의 위스퍼링 갤러리에서 음파에 대해 최초로 발견되었으며, 광과 다른 파에도 존재할 수 있다. 다른 특정한 경우에, high-Q 마이크로 공진기는 high-Q 특정 도파로 모드의 전파를 가능하게 하는 도파로를 따라 폐쇄된 광경로를 갖는 상이한 구성의 통합 공진기 일 수 있다. 대안으로, high-Q 마이크로 공진기는 배가 된 종방향 공진기 길이와 공진기 재료의 굴절률의 곱과 동일한 폐쇄형 광 경로 길이를 갖는 선형 Fabry-Perot 유사 공진기일 수 있다. 본 명세서에서, 용어 "고품질 인자 마이크로 공진기", "high-Q 마이크로 공진기"는 동일한 의미로 주어지고 문맥에 따라 상호 교환적으로 사용될 수 있다. "고품질 인자 모드", "high-Q 모드"라는 용어는 high-Q 마이크로 공진기에서 전파되는 high-Q 모드에 대해 동일한 의미로 제공되며, 상황에 따라 상호 교환적으로 사용될 수도 있다.The term "high-Q microresonator" as used in this disclosure defines a light-confining and characteristic dimension of about 0.01-10 mm, often a traveling wave microcavity for localization of a light field of approximately micrometer-scale size in approximately one direction. it means. The light is internally reflected off the edge of the high-Q microresonator in a manner similar to a series of standing-wave light high-Q modes or loops that create high-Q resonances similar to what may be present in a vibrating guitar string. In the high-Q micro resonator, the quality factor Q of the high-Q mode exceeds 10 5 , and may be, for example, about 10 6 -10 9 , for example 10 8 -10 9 or more. For example, a high-Q microresonator can be a spherical, toroidal, disk, or any other type of high-Q Whispering-Gallery Mode (WGM) microresonator with a closed optical path within the cavity of the resonator. , This enables propagation of the whispering-gallery mode, which is a kind of light wave that can move around the concave surface. It was first discovered about sound waves at the Whispering Gallery in St. Paul's Cathedral in London, and may also exist in light and other waves. In another particular case, the high-Q micro-resonator may be an integrated resonator of different configurations with closed optical paths along the waveguides that enable propagation of high-Q specific waveguide modes. Alternatively, the high-Q microresonator could be a linear Fabry-Perot-like resonator with a closed optical path length equal to the product of the multiplied longitudinal resonator length and the refractive index of the resonator material. In this specification, the terms “high quality factor micro resonator” and “high-Q micro resonator” are given the same meaning and may be used interchangeably depending on the context. The terms "high quality factor mode" and "high-Q mode" are provided with the same meaning for the high-Q mode propagating in the high-Q micro resonator, and may be used interchangeably depending on the situation.
실시예에 따르면, 제한된 수의 광학 요소를 갖는 장치의 소형 크기를 제공하는 추가 증폭 없이 좁은 선폭 레이징의 방출 파워를 증가시키는 것으로 구성된다. 파워 증가는 WGM 마이크로 공진기에 록킹된 반도체 분산 피드백 (DFB) 레이저보다 훨씬 강력한 반도체 광대역 다중 종방향 모드 레이저를 사용한 결과일 수 있다. 플루오르화 마그네슘 WGMs 마이크로 공진기에 커플링된 특성 스펙트럼 폭 1-10 MHz를 갖는 단일 모드 DFB 레이저는 DFB 레이저에 다시 커플링된 마이크로 공진기에서 레일리 산란에 의해 제공되는 공진 광 피드백으로 인해 좁은 (<1 kHz) 선폭 레이저 생성을 제공하는 것으로 알려져 있다. 또한 결정성 MgF2 광 WGM 마이크로 공진기가 광 공진기에 자체 주입되는 소형 분산 피드백 (DFB) 레이저로 펌핑 될 때 소형 광 주파수 빗살 소스가 잘 알려져 있다. 내부 전반사 프리즘을 사용하여 DFB 레이저를 광학 WGM 마이크로 공진기에 커플링하면 공진 레일리 산란으로 인해 광의 일부가 DFB 레이저로 후방 산란되어 레이저 주파수를 선택된 광학 WGM 마이크로 공진기 모드의 주파수로 자체 주입 록킹을 유도할 수 있다. 이 자체 주입 록킹 효과는 레이저에서 광 WGM 마이크로 공진기로 광을 효율적으로 커플링하며 광 주파수 빗살을 발생시키는데 필요한 자유 주행 DFB 레이저 (1-10MHz)의 선폭에 비해 레이저 선폭을 3-4 차로 좁힐 수 있다. According to an embodiment, it consists in increasing the emission power of a narrow line width lasing without further amplification, which provides a compact size of the device with a limited number of optical elements. The increase in power may be the result of using a semiconductor broadband multiple longitudinal mode laser that is much more powerful than a semiconductor distributed feedback (DFB) laser locked to a WGM microresonator. Single-mode DFB lasers with a characteristic spectral width of 1-10 MHz coupled to magnesium fluoride WGMs microresonators are narrow (<1 kHz due to the resonant optical feedback provided by Rayleigh scattering in the microresonators coupled back to the DFB laser). ) It is known to provide linewidth laser generation. Also, a small optical frequency comb source is well known when a crystalline MgF2 optical WGM microresonator is pumped with a small distributed feedback (DFB) laser that is self-injecting into the optical resonator. When the DFB laser is coupled to an optical WGM microresonator using a total internal reflection prism, part of the light is scattered back to the DFB laser due to resonant Rayleigh scattering, which induces self-injection locking to the frequency of the selected optical WGM microresonator mode. have. This self-injection locking effect efficiently couples light from the laser to the optical WGM microresonator, and can narrow the laser line width by 3-4 compared to the line width of a free-running DFB laser (1-10 MHz) required to generate an optical frequency comb. .
이용 가능한 DFB 레이저는 방출 파워가 예를 들어, 약 50mW로 제한되며 작동 스펙트럼 범위가 제한된다. 일부 실시예에서, high-Q 마이크로 공진기와 커플링된 Fabry-Perot 레이저로도 알려진 보다 강력한 다중 종방향 모드 레이저는 유사하게 좁은 선폭 생성을 제공하지만 파워는 증가될 수 있다. 하이 파워 좁은 선폭 생성은 파라메트릭 방식으로 생성된 하이 파워 광 주파수 빗살을 제공 할 수 있다. 다중 종방향 모드 레이저는 보통 2 개의 평면-평행 거울 또는 2 개의 오목 거울을 가지는 패브리-패롯 공진기 및 공진기 내부에 둘러싸인 활성 매체를 포함할 수 있다. 레이저의 출력 스펙트럼은 Fabry-Perot 공진기의 길이에 반비례하는 고정 주파수에 의해 이격된 스펙트럼 선들로 채워진 레이저 활성 매체의 이득 대역에 의해 정의된 폭을 갖는다. 스펙트럼 선의 선폭은 Fabry-Perot 공진기의 거울들의 반사율에 따라 달라진다. 이 설명에서, "다중 종방향 모드" 또는 "레이저 스펙트럼 라인"이라는 용어는 동일한 의미로 주어지고 문맥에 따라 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 본 출원의 맥락에서, 용어 "레이저 스펙트럼 라인"은 개별 종방향 모드 레이징 라인일 수 있다.Available DFB lasers have a limited emission power, for example about 50 mW, and a limited operating spectral range. In some embodiments, a more powerful multiple longitudinal mode laser, also known as a Fabry-Perot laser coupled with a high-Q microresonator, similarly provides narrow linewidth generation, but the power can be increased. High power narrow line width generation can provide high power optical frequency combs generated in a parametric manner. A multiple longitudinal mode laser may include a Fabry-Parot resonator, usually having two planar-parallel mirrors or two concave mirrors, and an active medium enclosed inside the resonator. The output spectrum of the laser has a width defined by the gain band of the laser active medium filled with spectral lines spaced by a fixed frequency that is inversely proportional to the length of the Fabry-Perot resonator. The line width of the spectral line depends on the reflectance of the mirrors of the Fabry-Perot resonator. In this description, the terms "multi-longitudinal mode" or "laser spectral line" are given the same meaning and may be used interchangeably depending on the context. In the context of this application, the term “laser spectral line” may be a separate longitudinal mode lasing line.
레이저 다이오드의 초기 모드 사전 선택 및 사전 안정화가 안정적인 좁은 선폭, 단일 주파수 레이징을 얻기 위해 필요하지 않으며, high-Q 마이크로 공진기가 이러한 모든 애플리케이션을 효율적으로 처리 할 수 다. 결과적으로, 더 높은 파워를 가진 더 단순하고 더 저렴한 Fabry-Pιrot (FP) 레이저 다이오드를 사용할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 근적외선 반도체 에지 방출 레이저의 스펙트럼은 10-20 nm의 폭이 넓은 스펙트럼 범위에서 15-40 GHz 주파수만큼 이격된 20-40 MHz 폭의 스펙트럼 라인을 갖는다. 실시예들의 일 유형에서, 그러한 레이저가 high-Q 마이크로 공진기에 커플링되고 레이저의 개별 종방향 모드 중 하나의 주파수가 high-Q 마이크로 공진기의 공진 주파수 중 하나와 일치하면, high-Q 마이크로 공진기로부터의 공진 광 피드백은 정합된 주파수에서 발생한다. 다음으로, 공진 광 피드백 조건 하에서 종방향 모드 경쟁은 정합된 주파수에서 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 선호하고 선폭을 마이크로 공진기의 공진 모드 선폭으로 감소시키는 효과적인 레이저 파워 재분배로 이어진다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "우세한 종방향 레이저 모드" 및 "스펙트럼적으로 좁은 레이저 라인"은 동일한 의미로 주어지며 상황에 따라 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 본 출원과 관련하여, 용어 "스펙트럼적으로 좁은 레이저 라인"은 우세한 종방향 레이저 모드 레이징 라인으로, 그 선폭은 high-Q 마이크로 공진기와의 상호 작용에 의해 마이크로 공진기의 공진 모드 선폭으로 줄어들 수 있다.The initial mode preselection and pre-stabilization of the laser diode is not required to obtain a stable narrow linewidth, single frequency lasing, and a high-Q microresonator can handle all these applications efficiently. As a result, simpler and cheaper Fabry-Pιrot (FP) laser diodes with higher power can be used. For example, the spectrum of a typical near-infrared semiconductor edge emitting laser has 20-40 MHz wide spectral lines separated by a frequency of 15-40 GHz over a wide spectral range of 10-20 nm. In one type of embodiment, if such a laser is coupled to the high-Q micro resonator and the frequency of one of the individual longitudinal modes of the laser matches one of the resonant frequencies of the high-Q micro resonator, then from the high-Q micro resonator The resonant optical feedback of occurs at the matched frequency. Next, the longitudinal mode competition under the resonant optical feedback condition leads to an effective laser power redistribution which favors one dominant longitudinal laser mode at the matched frequency and reduces the line width to the resonant mode line width of the micro resonator. The terms "predominant longitudinal laser mode" and "spectral narrow laser line" as used herein are given the same meaning and may be used interchangeably depending on the situation. In the context of the present application, the term "spectral narrow laser line" refers to the dominant longitudinal laser mode lasing line, whose line width can be reduced to the resonance mode line width of the micro resonator by interaction with the high-Q micro resonator. .
본 개시의 맥락에서, 용어 "일치하는(matching)", "정합 주파수(matched frequency)"는 다음을 의미할 수 있다. 보통, 개별 종방향 모드 선폭 (20-40MHz)은 마이크로 공진기의 공진 모드 선폭 (100kHz - 1MHz)보다 훨씬 넓다. 이를 고려하여, 레이저 스펙트럼을 튜닝 할 때, 개별 종방향 모드의 스펙트럼 곡선과 주파수 도메인에서 마이크로 공진기의 공진 모드의 스펙트럼 곡선이 중첩되는 영역을 얻을 필요가 있다. 한편, 중첩 영역에 대응하는 개별 종방향 모드의 레이저 파워의 일부는 마이크로 공진기로부터의 광 피드백을 제공하기에 충분할 것이다. 이 경우, 정합 주파수는 마이크로 공진기의 공진 주파수에 대응하고, 개별 종방향 모드의 스펙트럼 곡선의 중심 및 마이크로 공진기의 공진 모드의 스펙트럼 곡선의 중심은 주파수 도메인에서 일치하지 않을 수 있고 단지 서로 근접 할 수 있다. 보통 마이크로 공진기의 공진 주파수가 개별 종방향 모드의 스펙트럼 곡선의 슬로프 상에 있으면 “정합”이 달성될 수 있다. 분명히, 개별 종방향 모드의 스펙트럼 곡선과 마이크로 공진기의 공진 모드의 스펙트럼 곡선의 다른 상대적인 위치들이 매칭되어, 마이크로 공진기로부터 상이한 광 피드백 파워를 제공하는 것에 대응할 수 있다. 다수의 동시에 록킹된 개별 종방향 모드의 피드백 파워 레벨은 하나 또는 다수의 우세한 종방향 레이저 모드에 유리하게 레이저 파워의 경쟁 및 재분배에 크게 영향을 미칠 수 있다. 우세한 종방향 레이저 모드는 정합된 주파수에서의 종방향 레이저 모드에 대응하며, 여기서 파워 진폭은 모드 경쟁의 결과로서 가장 가까운 이웃 모드 또는 사이드 모드의 진폭을 여러 번 초과할 수 있다. 또한, 우세한 종방향 모드에 유리하게 레이저 파워의 재분배의 결과로 사이드 모드가 억제될 수 있다. 가장 근접한 사이드 모드의 진폭에 대한 우세한 모드 진폭의 비율인 사이드 모드 억제 비율(SMSR) 파라미터는 보통 모드 우위의 양을 특징으로 한다. 일반적으로, 본 출원에 따른 록킹 모드의 경우, SMSR은 대략 30-60dB 범위, 예를 들어 대략 40-60dB 범위일 수 있다. 예를 들어, 약 40dB는 종종 이 애플리케이션의 목적에 충분한 양의 모드 우위를 제공할 수 있다.In the context of the present disclosure, the terms “matching” and “matched frequency” may mean the following. Usually, the individual longitudinal mode linewidth (20-40MHz) is much wider than the resonant mode linewidth (100kHz-1MHz) of a microresonator. Considering this, when tuning the laser spectrum, it is necessary to obtain a region where the spectral curve of the individual longitudinal mode and the spectral curve of the resonant mode of the micro resonator overlap in the frequency domain. On the other hand, some of the laser power of the individual longitudinal modes corresponding to the overlapping area will be sufficient to provide optical feedback from the micro resonator. In this case, the matching frequency corresponds to the resonant frequency of the microresonator, and the center of the spectral curve of the individual longitudinal mode and the center of the spectral curve of the resonant mode of the microresonator may not coincide in the frequency domain and may only be close to each other. . Usually “matching” can be achieved if the resonant frequency of the microresonator is on the slope of the spectral curve of the individual longitudinal mode. Obviously, the different relative positions of the spectral curve of the individual longitudinal mode and the spectral curve of the resonant mode of the micro resonator can be matched, corresponding to providing different optical feedback powers from the micro resonator. The feedback power level of multiple simultaneously locked individual longitudinal modes can significantly affect the competition and redistribution of laser power in favor of one or more dominant longitudinal laser modes. The dominant longitudinal laser mode corresponds to the longitudinal laser mode at a matched frequency, where the power amplitude may exceed the amplitude of the nearest neighbor mode or side mode several times as a result of mode competition. In addition, the side mode can be suppressed as a result of redistribution of the laser power in favor of the dominant longitudinal mode. The Side Mode Suppression Ratio (SMSR) parameter, which is the ratio of the dominant mode amplitude to the amplitude of the nearest side mode, is characterized by the amount of normal mode dominance. In general, in the case of the locking mode according to the present application, the SMSR may be in the range of about 30-60dB, for example, in the range of about 40-60dB. For example, about 40dB can often provide a sufficient amount of mode advantage for the purpose of this application.
실시예에 따르면, 정상적인 다중 종방향 모드 레이저는 DFB 레이저보다 훨씬 파워풀하기 때문에 (연속파에서 최대 500mW), 좁은 선폭 생성의 결과적인 파워는 증가되고 잠재적으로 생성된 광 주파수 빗살의 파워도 증가될 수 있다. 반도체 Fabry-Perot 레이저는 DFB 레이저보다 넓은 스펙트럼 범위를 커버하므로 특정 응용 분야에 필요한 어떤 광 주파수에서 high-Q 마이크로 공진기와의 커플링을 사용하여 좁은 선폭 생성을 달성 할 수 있다.According to an embodiment, since a normal multi-longitudinal mode laser is much more powerful than a DFB laser (up to 500 mW in continuous wave), the resulting power of narrow line width generation is increased and the power of the generated optical frequency comb can potentially be increased. . Semiconductor Fabry-Perot lasers cover a wider spectral range than DFB lasers, so narrow linewidth generation can be achieved using coupling with high-Q micro-resonators at any optical frequency required for a specific application.
다중 종방향 모드 레이저가 high-Q 마이크로 공진기에 록킹되는 경우, 다중 종방향 모드 레이저의 다수의 종방향 모드의 다수의 주파수가 동시에 high-Q 마이크로 공진기의 다수의 공진 주파수와 일치 할 때, 다수의 우세한 종방향 레이저 모드를 동시에 전달하는 옵션으로 구성될 수 있다. 이는 하나의 다중 종방향 모드 레이저와 외부 캐비티로서 작용하는 하나의 high-Q 마이크로 공진기 만으로 장치의 컴팩트 한 크기를 제공하며, 특히 안정된 주파수와 감소된 가장 컴팩트하고 파워풀한 이중 파장 또는 심지어 다중 파장 레이저 장치를 가능하게 한다. When multiple longitudinal mode lasers are locked to high-Q micro resonators, when multiple frequencies of multiple longitudinal modes of multiple longitudinal mode lasers coincide with multiple resonant frequencies of high-Q micro resonators at the same time, multiple It can be configured as an option to simultaneously deliver the dominant longitudinal laser modes. It provides the compact size of the device with only one multi-longitudinal mode laser and one high-Q micro-resonator acting as an external cavity, especially the most compact and powerful dual-wavelength or even multi-wavelength laser devices with a stable frequency and reduced. Makes it possible.
도 1a에 도시된 일 실시예에서, 다중 종방향 모드 레이저 (L)는 내부 전반사 커플링 프리즘과 같은 커플링 요소 (C)를 통해 high-Q 결정질 광 마이크로 공진기 (M)에 광학적으로 피드백 커플링된다. high-Q 마이크로 공진기(M)은 순환 위스퍼링 갤러리 모드 (WGMs)의 전파를 가능하게 하는 high-Q WGMs 마이크로 공진기일 수 있다. 레이저 장치는 다중 종방향 모드 레이저(L)에 의해 생성된 레이저광(1)의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하기 위한 튜닝 유닛(TU)을 갖는다. 튜닝 유닛 (TU)은, 적어도 하나의 정합된 주파수를 얻도록, 주파수 도메인에서 종방향 모드의 간격을 변화시키며, 종방향 모드 레이저 (L)의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각이 high-Q 마이크로 공진기(M)의 주파수 도메인에서의 각 공진 주파수와 일치하도록 레이저 (L)의 개별 종방향 모드 각각의 주파수를 변경 시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, "개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수의 각각의"의 어구에 사용된 "적어도 하나"가 하나와 같다면, 다중 종방향 모드 레이저 (L)의 하나의 개별 종방향 모드의 하나의 주파수 각각이 high-Q 마이크로 공진기의 하나의 각각의 공진 주파수에 정합될 수 있다. 이 경우, 하나의 주파수 쌍에 대해 하나의 정합된 주파수가 얻어질 수 있다. "개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수의 각각의"의 어구에 사용된 "적어도 하나"가 3과 동일하면, 이는 다중 종방향 모드 레이저 (L)의 3 개의 개별 종방향 모드의 3 개의 주파수 각각이 high-Q 마이크로 공진기의 각 공진 주파수에 정합되는 것을 의미한다. 이 경우, 3 개의 주파수 쌍에 대해 3 개의 정합 주파수가 얻어지며, 여기서 제 1 개별 종방향 모드의 제 1 주파수는 제 1 공진 주파수와 정합되고, 제 2 개별 종방향 모드의 제 2 주파수는 제 2 공진 주파수와 정합되고, 제 3 개별 종방향 모드의 제 3 주파수는 제 3 공진 주파수와 정합될 수 있다. "개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수의 각각의"의 어구에 사용된 "적어도 하나"가 N과 동일한 경우, 이는 다중 종방향 모드 레이저 (L)의 N 개의 개별 종방향 모드의 N 개의 주파수가 high-Q 마이크로 공진기의 N개의 각 공진 주파수에 매칭됨을 의미하며, 여기서 N은 1 이상의 수이다. 이 경우, N 개의 정합 주파수는 N 개의 주파수 쌍에 대해 얻어지며, 여기서 제 1 개별 종방향 모드의 제 1 주파수는 제 1 공진 주파수와 정합되고, 제 2 개별 종방향 모드의 제 2 주파수는 제 2 공진 주파수와 정합되고,…, 제 N 개별 종방향 모드의 N 번째 주파수는 N 번째 공진 주파수와 정합된다.In one embodiment shown in Figure 1A, the multi-longitudinal mode laser (L) is optically feedback-coupled to the high-Q crystalline optical microresonator (M) through a coupling element (C), such as a total internal reflection coupling prism. do. The high-Q micro-resonator (M) may be a high-Q WGMs micro-resonator that enables propagation of cyclic whispering gallery modes (WGMs). The laser device has a tuning unit TU for tuning the spectrum of multiple longitudinal modes of the
high-Q 마이크로 공진기 (M)는 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 각각 적어도 하나의 역 전파 모드 (도 1a의 "mode-s"참조)를 생성함으로써 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 (L)에 광 피드백을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, high-Q 마이크로 공진기(M)이 high-Q WGM 마이크로 공진기 일 때, high-Q 마이크로 공진기(M)은 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 각각 적어도 하나의 역 전파 모드 위스퍼링 갤러리 모드 (WGMs)을 생성함으로써 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 (L)에 광 피드백을 제공할 수 있다. 적어도 하나의 역 전파 모드 (mode-s)는 다중 종방향 모드 레이저 (L)에 다시 커플링될 수 있다. 광 검출기(D)로 들어오는 레이저 광(2)은 내부 전반사 커플링 프리즘(C)을 통해 high-Q 마이크로 공진기 (M)로부터 커플링된 광과 high-Q 마이크로 공진기(M)에 커플링되지 않은 레이저광(1)을 통합한다. 광파(S) 형태로 다중 종방향 모드 레이저(L)에 다시 커플링된 적어도 하나의 역 전파 모드(mode-s)는 high-Q 마이크로 공진기에 공진 레일리 산란에 의해 제공된다. 공진 광 피드백의 조건 하에서, 다중 종방향 모드 레이저 (L)의 파워는 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드에 유리한 종방향 모드 경쟁으로 인해 효과적으로 재분배될 수 있다. 레이저 장치는 (레이저의 각각의 개별 종방향 모드와 비교하여) 적어도 하나의 우세한 종방향 모드의 감소된 선폭에서 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 갖는 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 5 개의 정합 주파수가 획득되면, 5 개의 우세한 종방향 레이저 모드가 출력 스펙트럼에 존재할 것이다. 한편, 도 1a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 내부 전반사 프리즘 대신에 테이퍼진 광섬유 또는 도파로와 같은 다른 유형의 커플링 요소ⓒ가 사용될 수 있다. 하나 또는 다수의 다중 종방향 모드 레이저로 일측에 연결된 테이퍼진 광섬유 또는 도파로의 변형은 또한 하나 또는 다수의 마이크로 공진기와 동시에 커플링 할 수 있게 한다. 예를 들어, 테이퍼진 광섬유는 서로 대향하는 양측으로부터 2 개의 토로이드형 마이크로 공진기(toroidal microresonators)와 그 병목 부(bottleneck part)에 의해 동시에 커플링될 수 있다. 동일한 반도체 칩 상에 마이크로 공진기와 함께 배열된 도파로는 그것으로부터 서브 파장 거리에 위치한 3 개 이상의 마이크로 공진기에 동시에 커플링 될 수 있다.The high-Q micro-resonator (M) is directed to at least one multi-longitudinal mode laser (L) by generating at least one reverse propagation mode each at one of the at least one matching frequency (see “mode-s” in Fig. 1A). Can provide optical feedback. In some embodiments, when the high-Q micro resonator M is a high-Q WGM micro resonator, the high-Q micro resonator M is each at least one reverse propagation mode whispering at one of the at least one matching frequency. By creating gallery modes (WGMs) it is possible to provide optical feedback to at least one multiple longitudinal mode laser (L). At least one back propagation mode (mode-s) can be coupled back to the multiple longitudinal mode laser (L). The laser light (2) entering the photodetector (D) is coupled from the high-Q micro-resonator (M) through the total internal reflection coupling prism (C) and is not coupled to the high-Q micro-resonator (M). The
도 2는 다수의 커플링 요소(C1… CN)을 통해 다수의 병렬 high-Q 마이크로 공진기(M1… MN), 예컨대, WGM 마이크로 공진기에 동시에 록킹된 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L1)의 예를 개략적으로 도시한다. 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저 광(1)은 각각의 high-Q 마이크로 공진기가 레이저 광(1)을 수신하도록 분기된다. 튜닝 유닛(TU) (도시되지 않음)은 적어도 하나의 정합 주파수를 얻기 위해 다수의 high-Q 마이크로 공진기(M1… MN)의 공진 주파수를 갖는 종방향 모드 레이저(L1)의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각과 매칭하도록 레이저 광(1)의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝한다. 예를 들어, 하나의 레이저(L1) 및 3 개의 high-Q 마이크로 공진기(M1, M2, M3)에 대해 4 개의 매칭 주파수가 얻어질 수 있으며, 여기서 레이저(L1) 및 high-Q 마이크로 공진기(M1)에 대해 제 1 매칭 주파수가 얻어 질 수 있으며, 제 2 및 제 3 매칭 주파수는 레이저(L1) 및 high-Q 마이크로 공진기(M2)에 대해 얻어질 수 있으며, 레이저(L1) 및 high-Q 마이크로 공진기(M3)에 대해 제 4 매칭 주파수가 얻어질 수 있다. 다른 조합도 가능하다. 각각의 high-Q 마이크로 공진기(M1… MN)은 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 각각 하나 또는 다수의 역 전파 모드의 생성을 제공할 수 있다. 특히, 하나의 레이저(L1) 및 3 개의 high-Q 마이크로 공진기(M1, M2, M3)을 갖는 예에 대해 상술한 바와 같이, high-Q 마이크로 공진기(M1 및 M3) 각각은 하나의 역 전파 모드를 생성하고, high-Q 마이크로 공진기(M2)는 각각의 정합된 주파수에서 2 개의 역 전파 모드를 생성할 수 있다. 하나 또는 다수의 역 전파 모드 (mode-s)는 광 피드백 (S1… SN)의 형태로 다중 종방향 모드 레이저 (L1)에 다시 커플링되어 정합된 주파수 중 하나 및 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드에 유리한 다중 종방향 모드 레이저 (L1)의 파워의 광 피드백 및 재분배를 제공할 수 있다. 특히, 하나의 레이저 (L1) 및 3 개의 high-Q 마이크로 공진기 (M1 , M2, M3)를 갖는 예에 대해 전술한 바와 같이, 다중 종방향 모드 레이저 (L1)의 파워는 감소된 선폭을 갖는 4 개의 우세한 종방향 레이저 모드에 유리하게 재분배 될 수 있다.Figure 2 is a plurality of coupling elements (C 1 ... C N) a plurality of parallel high-Q micro-resonator through (M 1 ... M N), for example, WGM one multi-species the locking at the same time the micro resonator direction mode laser ( An example of L 1 ) is schematically shown. The
도 3은 다중 종방향 모드 레이저 (L1)가 다수의 커플링 요소 (C1… CN)를 통해 여러 직렬 high-Q 마이크로 공진기 (M1… MN), 예컨대, WGMs 마이크로 공진기에 동시에 록킹될 때의 다른 예를 개략적으로 도시한다. 각각의 high-Q 마이크로 공진기 (M1… MN)는 버스 도파로에 커플링되고 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저 광 (1)을 수신한다. 튜닝 유닛 (TU) (미도시)은 적어도 하나의 정합 주파수를 얻도록 다수의 high-Q 마이크로 공진기 (M1… MN)의 high-Q 모드의 각각의 공진 주파수와 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각을 매칭시키기 위해 레이저 광 (1)의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝할 수 있다. 각각의 high-Q 마이크로 공진기 (M1… MN)는 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 각각 하나 또는 다수의 역 전파 모드의 생성을 제공할 수 있다. high-Q 마이크로 공진기 (M1… MN)로부터 공진되어 후방 산란된 광파 (S1… S N )는 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나 및 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각 하나 또는 다수의 우세한 종방향 레이저 모드에 유리하게 다중 종방향 모드 레이저 (L1)의 파워의 광 피드백 및 재분배를 제공할 수 있다. 광파 (들) (S1… SN) 각각은 그들의 상호 작용을 제거하기 위해 하나의 high-Q 마이크로 공진기와만 공진 할 수 있다.Figure 3 shows that multiple longitudinal mode lasers (L 1 ) are simultaneously locked to several series high-Q micro resonators (M 1 … M N ), e.g., WGMs micro resonators via multiple coupling elements (C 1 … C N ). Another example of the case is schematically shown. Each high-Q micro-resonator (M 1 … M N ) is coupled to a bus waveguide and receives
도 4는 다수의 다중 종방향 모드 레이저 (L1… Lm)가 하나의 high-Q 마이크로 공진기 (M1), 예컨대, 하나의 WGM 마이크로 공진기에 동시에 록킹될 때의 또 다른 실시예를 개략적으로 설명한다. 레이저 광 (1)은 커플링 소자 (C1)를 통해 high-Q 마이크로 공진기 (M1)에 조합되고 커플링될 수 있다. high-Q 마이크로 공진기 (M1)는 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저 광 (1)을 수신한다. 튜닝 유닛 (TU) (미도시)은 적어도 하나의 정합 주파수를 얻기 위해, high-Q 마이크로 공진기 (M1)의 각 공진 주파수로 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각을 매칭하도록 레이저 광 (1)의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝할 수 있다. 예를 들어, 3 개의 레이저(L1, L2, L3)및 1 개의 high-Q 마이크로 공진기 (M1)에 대해 3 개의 정합 주파수가 얻어질 수 있으며, 여기서 레이저 L1 및 high-Q 마이크로 공진기(M1)에 대해 제 1 정합 주파수가 얻어 질 수 있고, 레이저(L2) 및 high-Q 마이크로 공진기(M1)에 대해 제 2 정합 주파수가 얻어 질 수 있으며, 레이저(L3) 및 high-Q 마이크로 공진기(M1)에 대해 제 3 정합 주파수가 얻어질 수 있다. 정합된 주파수에서 high-Q 마이크로 공진기(M1)으로부터 공진되어 후방 산란된 광파(S1)은 각각의 레이저에 대한 광 피드백을 제공하고, 정합 주파수 및 감소된 선폭에서 각각의 우세한 종방향 레이저 모드에 유리하게 다중 종방향 모드 레이저(L1, L2, L3) 각각의 파워의 재분배를 제공한다. Figure 4 schematically shows another embodiment when multiple multi-longitudinal mode lasers (L 1 … L m ) are simultaneously locked to one high-Q micro resonator (M 1 ), e.g., one WGM micro resonator. Explain. The
도 5는 커플링 요소 (CPN)를 통해 다수의 다중 종방향 모드 레이저 (L1… Lm)가 다수의 병렬 및 직렬 high-Q 마이크로 공진기 (MPN), 예컨대, WGM 마이크로 공진기에 동시에 록킹될 때의 다른 실시 예의 방식을 도시한다. 전술한 실시예들에서와 같이, 각각의 high-Q 마이크로 공진기들 (MPN)은 다중 종방향 모드들의 스펙트럼을 갖는 다수의 다중 종방향 모드 레이저들(L1… Lm)로부터 레이저 광(1)을 수신할 수 있다. 튜닝 유닛 (TU) (미도시)은 적어도 하나의 정합 주파수를 얻기 위해, 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각을 high-Q 마이크로 공진기(MPN)의 각각의 공진 주파수와 일치시키도록 레이저 광(1)의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝할 수 있다. 적어도 하나의 정합 주파수에서 high-Q 마이크로 공진기 (MPN)으로부터의 공진 후방 산란 (SPN)은 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나 및 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각 각각의 우세한 종방향 레이저 모드에 유리하게 다중 종방향 모드 레이저(L1… Lm) 각각의 파워의 광학적 피드백 및 재분배를 제공할 수 있다. Figure 5 shows a number of multiple longitudinal mode lasers (L 1 … L m ) through a coupling element (C PN ) simultaneously locked to a number of parallel and series high-Q micro resonators (M PN ), e.g. WGM micro resonators. It shows the method of another embodiment when it becomes. As in the above-described embodiments, each of the high-Q micro resonators (M PN ) is a laser light (1) from a plurality of multiple longitudinal mode lasers (L 1 … L m ) having a spectrum of multiple longitudinal modes. ) Can be received. The tuning unit (TU) (not shown) has laser light to match each of the at least one frequency of the individual longitudinal mode with the respective resonant frequency of the high-Q micro resonator (M PN ) to obtain at least one matching frequency. (1) The spectrum of multiple longitudinal modes can be tuned. Resonant backscatter from at least one of the matched high-Q micro-resonator in the frequency (M PN) (S PN) is at least one matching frequency one and the prevailing longitudinal laser modes, each laser respectively prevailing longitudinal direction at a reduced line width of the Mode advantageously can provide optical feedback and redistribution of the power of each of the multiple longitudinal mode lasers (L 1 … L m ).
실시예는 도 1-5에 도시된 변형에 의해 제한되지 않는다. 도 2 내지 도 4의 하나 또는 다수의 변형의 조합에 기초한 다른 구성도 또한 가능하다. 예를 들어, 레이저 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 몇 개의 병렬 구성 요소를 포함 할 수 있으며, 이들 각각은 도 3에 도시된 바와 같이 여러개의 커플링 요소(C1… CN)를 통해 다수의 직렬 high-Q 마이크로 공진기(M1… MN)에 동시에 록킹된 다중 종방향 모드 레이저(L1)를 포함할 수 있다. 또한, 커플링 소자(C)는 테이퍼진 광섬유 또는 도파로의 형태로 구성 될 수 있다. 그러한 경우에, 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 중 하나 또는 다수는 전술한 커플링 요소 중 하나를 통해 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 하나 또는 다수에 광 피드백 커플링될 수 있다.The embodiment is not limited by the modifications shown in FIGS. 1-5. Other configurations based on combinations of one or a number of variations of FIGS. 2 to 4 are also possible. For example, the laser device may include several parallel components as shown in FIG. 2, each of which is a plurality of coupling elements (C 1 … C N ) as shown in FIG. It can contain multiple longitudinal mode lasers (L 1 ) simultaneously locked to a series of high-Q micro-resonators (M 1 … M N ). In addition, the coupling element C may be configured in the form of a tapered optical fiber or waveguide. In such a case, as described above, one or more of the at least one multi-longitudinal mode laser may be optical feedback coupled to one or more of the at least one high-Q micro resonator via one of the aforementioned coupling elements. have.
일 실시예에서, 튜닝 유닛 (TU) (도 1a 참조)은 적어도 하나의 레이저(L) 및 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)와 각각 관련 될 수 있는 복수의 서브 유닛(TL 및 TM)을 포함 할 수 있으며, 또는 적어도 하나의 레이저 및 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기와 각각 관련된 단일 유닛으로서 구성 될 수 있다 (도 1a 참조). 또한 튜닝 유닛(TU)의 다른 구성이 가능할 수 있다. 튜닝 유닛은 적어도 하나의 레이저의 파라미터들, 예를 들어, 적어도 하나의 레이저의 레이저 이득 매질의 주입 전류 및/또는 온도를 제어하도록 구성 될 수 있다. 예를 들어, 튜닝 유닛은 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 각각의 전술한 파라미터를 개별적으로 제어하도록 구성 될 수 있다. 부가하여, 튜닝 유닛은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 파라미터들, 예컨대, 온도, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 적용된 외부 압력, 전기 광학 재료로 만들어진 경우의 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 인가된 전자기장를 제어하도록 구성 될 수 있다. 예를 들어, 튜닝 유닛은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각의 상기 파라미터들을 개별적으로 제어하도록 구성 될 수 있다. 튜닝 유닛은 스펙트럼 튜닝시 사용되는 온도 센서, 압력 센서, 전자기장 센서, 전류 제어기와 같은 측정 장비를 구비하거나 연결될 수 있다. 튜닝 유닛은 광 검출기, 광학 스펙트럼 분석기, 전기 스펙트럼 분석기, 오실로스코프 및 이들의 아날로그와 같은 스펙트럼 변환 제어를 위한 측정 장비, 우세한 종방향 모드 선폭들의 측정을 위한 기준 좁은 선폭 레이저 등과 더 통신 할 수 있다. 튜닝 유닛 (TU)은 또한 가열 요소, 전류 제어기, 압력 압전 세라믹, 무선 주파수 안테나 또는 캐패시터 플레이트와 같은 제어 장비 및 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기와 연결되고 외부 전자기장을 전달하여 그 공진 주파수를 변경하는 도파로와 연결되거나 이를 포함 할 수 있다. 전술한 측정 및 제어 장비는 적어도 하나의 레이저 및/또는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 앞서 언급된 파라미터들을 측정 및 변경하도록 구성 될 수 있다. 일 실시예에서, 튜닝 유닛은 정합 주파수를 얻도록 적어도 하나의 레이저의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝 및/또는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 high-Q 모드의 공진 주파수의 스펙트럼을 튜닝하기 위해 측정 및 제어 장비 사이에 분석적인 피드백을 제공하도록 구성된 프로세서를 더 구비할 수 있다. 프로세서는 동작을 최적화하기 위해 미리 결정된 방식으로 튜닝 유닛을 제어하도록 프로그램 될 수 있는 컴퓨터 제어 시스템에 동작 가능하게 커플링될 수 있다.In one embodiment, the tuning unit (TU) (see Fig. 1A) is a plurality of sub-units (TL and TM) that may each be associated with at least one laser (L) and at least one high-Q micro resonator (M). It may include, or it may be configured as a single unit each associated with at least one laser and at least one high-Q microresonator (see Fig. 1A). Also other configurations of the tuning unit (TU) may be possible. The tuning unit may be configured to control the parameters of the at least one laser, for example the injection current and/or temperature of the laser gain medium of the at least one laser. For example, the tuning unit may be configured to individually control the aforementioned parameters of each of the at least one multiple longitudinal mode laser. In addition, the tuning unit includes parameters of at least one high-Q micro resonator, e.g. temperature, external pressure applied to at least one high-Q micro resonator, at least one high-Q micro resonator if made of electro-optical material. It can be configured to control the electromagnetic field applied to it. For example, the tuning unit can be configured to individually control the parameters of each of at least one high-Q micro resonator. The tuning unit may have or be connected to measurement equipment such as a temperature sensor, a pressure sensor, an electromagnetic field sensor, and a current controller used for spectrum tuning. The tuning unit can further communicate with optical detectors, optical spectrum analyzers, electrical spectrum analyzers, oscilloscopes and measuring equipment for spectral conversion control such as their analogues, reference narrow linewidth lasers for measurement of dominant longitudinal mode linewidths, and the like. The tuning unit (TU) is also connected with heating elements, current controllers, pressure piezoelectric ceramics, control equipment such as radio frequency antennas or capacitor plates, and at least one high-Q micro-resonator and transmits an external electromagnetic field to change its resonant frequency. It may be connected to or include a waveguide. The aforementioned measurement and control equipment may be configured to measure and change the aforementioned parameters of at least one laser and/or at least one high-Q micro resonator. In one embodiment, the tuning unit tunes the spectrum of multiple longitudinal modes of the at least one laser to obtain a matching frequency and/or tunes the spectrum of the resonant frequency of the high-Q mode of the at least one high-Q micro resonator. There may be further provided a processor configured to provide analytical feedback between the hazard measurement and control equipment. The processor can be operably coupled to a computer control system that can be programmed to control the tuning unit in a predetermined manner to optimize operation.
도 1a에 도시된 일 실시예에서, 레이저 장치가 하나의 레이저 (L) 및 하나의 high-Q 마이크로 공진기 (M)를 포함하는 경우, 튜닝 유닛 (TU)은 도 6a에 도시된 바와 같이 구성 될 수 있다. 튜닝 유닛 (TU)은 앞서 언급된 바와 같이 그들의 파라미터를 제어하기 위해 각각 레이저 (L) 및 high-Q 마이크로 공진기 (M)와 관련된 2 개의 서브 유닛 (TL, TM)을 포함 할 수 있다.In the embodiment shown in Figure 1a, when the laser device includes one laser (L) and one high-Q micro resonator (M), the tuning unit (TU) will be configured as shown in Figure 6a. I can. The tuning unit (TU) may include two sub-units (TL, TM), each associated with a laser (L) and a high-Q micro resonator (M) to control their parameters as mentioned above.
도 6b는 스펙트럼 변환을 제어하기 위해 사용되는 측정 장비의 구성의 일부의 예를 도시한다. 다중 종방향 모드 인듐 포스 파이드 (InP) 레이저 다이오드(L)로부터의 레이저 광은 렌즈 "Lens"(도 6b의 레이저 빔을 따라 먼저)를 사용하여 콜리메이팅되고, 글라스 내부 전반사 커플링 프리즘과 같은 커플링 요소(C)를 통해 불화 마그네슘 (MgF2) high-Q 마이크로 공진기(M)로 커플링될 수 있다. 공진하여 후방 산란된 레일리 방사는 다중 종방향 모드 다이오드 레이저 (L)로 되돌아오고 레이저 주파수의 자기 주입 록킹을 high-Q 마이크로 공진기 (M)의 공진 주파수로 강제할 수 있다. 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광은 두 개의 렌즈 (도 6b의 레이저 빔을 따라 두 번째 "Lens" 및 세 번째 "Lens")를 사용하여 단일 모드 광섬유로 콜리메이팅되고, 광 스펙트럼 분석기(OSA)로, 오실로스코프(OSC)가 있는 포토 다이오드(PD) 및 전기 스펙트럼 분석기(ESA)가 있는 고속 포토 다이오드(FPD) 상에서 분석될 수 있다. 50/50 빔분할기는 OSA와 ESA간에 출력 레이저 신호를 균등하게 분할하는데 사용될 수 있다. 민감한 오실로스코프(OSC)는 예를 들어, 99/1 빔분할기를 사용하여 OSA 용 레이저 에너지의 예컨대, 약 1 %를 수용할 수 있다. 솔리톤 펄스의 반복율은 고속 포토 다이오드(FPD) 및 전기 스펙트럼 분석기(ESA)에 의해 모니터링 될 수 있다. 광 공진으로부터의 레이저 주파수 디튜닝은 오실로스코프(OSC)를 가지는 포토 다이오드(PD) 상에서 모니터링될 수 있다. 좁은 선폭 튜너블 광섬유 레이저(FL)는 헤테로다인 선폭 측정에 사용될 수 있다.6B shows an example of a part of the configuration of the measurement equipment used to control the spectral transformation. The laser light from the multiple longitudinal mode Indium Phosphide (InP) laser diode (L) is collimated using a lens "Lens" (first along the laser beam in Fig. 6b), and is coupled like a glass internal total reflection coupling prism. It can be coupled to a magnesium fluoride (MgF2) high-Q micro resonator (M) through a ring element (C). The resonantly backscattered Rayleigh radiation returns to the multi-longitudinal mode diode laser (L) and can force the self-injection locking of the laser frequency to the resonant frequency of the high-Q microresonator (M). The output laser light with the output spectrum is collimated into a single mode fiber using two lenses (a second “Lens” and a third “Lens” along the laser beam in Fig. 6b), and with an optical spectrum analyzer (OSA), It can be analyzed on a photodiode (PD) with an oscilloscope (OSC) and a fast photodiode (FPD) with an electrical spectrum analyzer (ESA). The 50/50 beam splitter can be used to evenly split the output laser signal between the OSA and ESA. Sensitive oscilloscopes (OSCs) can accommodate, for example, about 1% of the laser energy for OSA using a 99/1 beam splitter, for example. The repetition rate of the soliton pulse can be monitored by a fast photodiode (FPD) and an electrical spectrum analyzer (ESA). The laser frequency detuning from optical resonance can be monitored on a photodiode (PD) with an oscilloscope (OSC). A narrow line width tunable fiber laser (FL) can be used to measure the heterodyne line width.
실시예들 중 하나에서, 튜닝 유닛 (TU)의 서브 유닛 (TL) (도 1a, 도 6a, 도 6b에 도시 된 바와 같이)은 전류 센서 (1) 및/또는 온도 센서 (2)에 의해 측정된 데이터를 수신하여 프로세서(P)로 전송할 수 있다. 튜닝 유닛 (TU)의 서브 유닛 (TM)은 압력 센서(8), 온도 센서(9) 및/또는 전자기장 센서 (10)에 의해 측정된 데이터를 수신하여 프로세서(P)로 전송할 수 있다. 프로세서(P)는 또한 스펙트럼 변환을 제어(예를 들어, 자기 주입 록킹 방식에서 우세한 종방향 모드의 선폭을 측정)하도록, 광 스펙트럼 분석기(OSA), 오실로스코프 (OSC)를 갖는 포토 다이오드(PD), 전기 스펙트럼 분석기(ESA)를 갖는 고속 포토 다이오드(FPD) 및 좁은 선폭 레이저 기준 레이저(FL)와 통신하도록 구성 될 수 있다. 하나 또는 다수의 정합 주파수를 획득하도록 다중 종방향 모드 레이저 (L)의 스펙트럼을 튜닝하기 위해, 프로세서(P)는 측정 및 제어 장비 사이에 분석 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 프로세서 (P)는 이와 관련된 다중 종방향 모드 레이저 (L)의 레이저 주입 전류를 변경하도록 제어 신호를 전류 제어기 (3)에 전송하거나 및/또는 프로세서 (P)는 이와 관련된 다중 종방향 모드 레이저(L)의 레이저 활성 매체의 온도를 변경하도록 제어 신호를 가열 소자 (4)에 전송할 수 있다. 정합 주파수를 획득하도록 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)의 high-Q 모드의 스펙트럼을 튜닝하기 위해, 프로세서 (P)는 제어 신호를 프레싱 압전 세라믹 (5)으로 보내서 이와 관련된 high-Q 마이크로 공진기 (M)에 가해지는 압력을 변경하고 및/또는 프로세서 (P)는 제어 신호를 가열 요소(6)로 보내어 이와 관련된 high-Q 마이크로 공진기(M)의 온도를 변화시킬 수 있다. 또한, high-Q 마이크로 공진기 (M)가 전기-광학 재료로 만들어진 경우, 하나 또는 다수의 정합 주파수를 획득하도록 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 (M)의 high-Q 모드의 스펙트럼을 조정하기 위해, 프로세서 (P)는 제어 신호를 전자기장 제어기(7)에 전송하여 이에 관련된 high-Q 마이크로 공진기 (M)에 인가된 전자기장을 변경할 수 있다. 컴퓨터 제어 시스템 (CCS)은 그 동작을 최적화하기 위해 미리 결정된 방식으로 튜닝 유닛 (TU)을 제어하도록 프로그래밍 될 수 있다.In one of the embodiments, the subunit TL of the tuning unit TU (as shown in Figs. 1A, 6A, 6B) is measured by a
도 2에 도시된 실시예에서, 튜닝 유닛은 다중 종방향 모드 레이저 (L1)와 관련된 하나의 서브 유닛 (TL) 및 각각의 high-Q 마이크로 공진기 (M1… MN)와 관련된 N 개의 서브 유닛 (TM)을 포함하도록 구성 될 수 있다. 도 5에 도시된 실시예에서, 튜닝 유닛은 다중 종방향 모드 레이저 (L1… Lm) 각각과 관련된 M 개의 서브 유닛 (TL) 및 각각의 high-Q 마이크로 공진기 (MPN)와 관련된 P * N 서브 유닛 (TM)을 포함하는 것으로 구성 될 수 있다. 그러나 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 도 2의 실시예에서, 튜닝 유닛은 2 개의 서브 유닛 (TL 및 TM)을 포함 할 수 있으며, 서브 유닛 (TM)은 모든 high-Q 마이크로 공진기 (M1… MN)와 관련될 수 있다.In the embodiment shown in Fig. 2, the tuning unit comprises one sub-unit (TL) associated with a multiple longitudinal mode laser (L 1 ) and N subunits associated with each high-Q micro resonator (M 1 … M N ). It can be configured to include a unit (TM). In the embodiment shown in Fig. 5, the tuning unit comprises M subunits (TL) associated with each of the multiple longitudinal mode lasers (L 1 … L m ) and P* associated with each high-Q micro resonator (M PN ). It may be configured to include N subunits (TM). However, other configurations are possible. For example, in the embodiment of Fig. 2, the tuning unit may include two sub-units (TL and TM), and the sub-unit (TM) is associated with all high-Q micro resonators (M 1 … M N ). Can be.
전술한 실시예에서, 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼은 튜닝 유닛(TU)(도 1 참조)에 의해 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L), 예컨대, 개별적으로 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 각각의 개별적인 종방향 모드의 하나 또는 다수 각각을 high-Q 마이크로 공진기(M)의 각각의 공진 주파수와 정합을 달성하도록 레이저 주입 전류를 조정함으로써 주파수 도메인에서 TL로 약간 조정될 수 있다. 도 7에서, 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하는 것은 광 검출기(D) (도 1a 참조)로부터의 신호 (실선 곡선)로 도시되어 있다. 신호에 표시된 transmission drops는 high-Q 마이크로 공진기의 공진이다. 레이저가 마이크로 공진기의 공진 주파수 모드에 록킹될 때, 레이저 주파수가 주파수 스윕에서 당겨져 공진의 날카로운 모서리가 발생한다. high-Q 마이크로 공진기로부터 커플링될 때 광 피드백 및 레이저 스펙트럼 좁힘을 담당하는 반-전파 모드 (mode -s)의 형태로 전파되는 레일리 후방산란은 동일한 도 7 (점선)에 보여지며, 레일리 후방산란 파워는 동일 LD의 전력과 비교하기 위해 계수 100만큼 증가되어 있다. 공진 레일리 후방산란 파워의 선택은 레이저 주파수가 레이저 주입 전류에 의해 조정될 때 high-Q 마이크로 공진기의 공진 주파수에 대응할 수 있다. 레이저 주입 전류가 스윕되지 않고 종방향 레이저 모드 중 하나의 주파수가 high-Q 마이크로 공진기의 공진 주파수와 일치하도록 튜닝될 때, 공진 광 피드백 조건에서 레이저 종방향 모드 경쟁 프로세스가 시작될 수 있다.In the above-described embodiment, the spectrum of multiple longitudinal modes of laser light is determined by means of a tuning unit (TU) (see Fig. 1) at least one multiple longitudinal mode laser L, e.g., individually at least one multiple longitudinal mode. One or more of each of the individual longitudinal modes of each laser can be slightly tuned to TL in the frequency domain by adjusting the laser injection current to achieve a match with the respective resonant frequency of the high-Q micro-resonator M. In Fig. 7, tuning the spectrum of multiple longitudinal modes of laser light is shown as a signal (solid line curve) from the photo detector D (see Fig. 1A). The transmission drops indicated on the signal are the resonance of the high-Q micro resonator. When the laser is locked to the resonant frequency mode of the microresonator, the laser frequency is pulled in the frequency sweep, resulting in a sharp edge of the resonance. Rayleigh backscatter propagating in the form of a half-propagation mode (mode -s) responsible for optical feedback and narrowing the laser spectrum when coupled from a high-Q microresonator is shown in the same Figure 7 (dotted line), and Rayleigh backscattering The power is increased by a factor of 100 to compare with the power of the same LD. The choice of resonant Rayleigh backscatter power can correspond to the resonant frequency of the high-Q micro resonator when the laser frequency is adjusted by the laser injection current. When the laser injection current is not swept and the frequency of one of the longitudinal laser modes is tuned to match the resonant frequency of the high-Q microresonator, the laser longitudinal mode competition process can be initiated in the resonant optical feedback condition.
광 피드백 조건에서 모드 경쟁을 수행한 결과가 도 8에 도시되어 있으며, 여기에는 약 0.14nm (주파수 도메인에서 ~ 17GHz에 해당) 간격으로 1535nm 내지 1560nm 범위 내에서 복수의 종방향 모드를 포함하는 프리-러닝(free-running) 다중 종방향 모드 근적외선 레이저 (왼쪽에 도시됨)의 스펙트럼을 하나의 우세한 종방향 모드(오른쪽에 도시됨)를 가지는 출력 스펙트럼으로 변환하는 예가 도시되어있다. 다중 종방향 모드 스펙트럼의 하나의 개별 종방향 모드의 하나의 주파수가 high-Q 마이크로 공진기의 하나의 공진 주파수와 일치할 때, 많은 종방향 모드의 파워는 high-Q 마이크로 공진기에 의해 추가로 좁혀진 하나의 우세한 종방향 레이저 모드에 유리하게 재분배되어, 그 파워는 수천배로 크게 증가될 수 있다(도 8).The result of performing the mode competition under the optical feedback condition is shown in FIG. 8, which includes a pre- including a plurality of longitudinal modes within a range of 1535 nm to 1560 nm at intervals of about 0.14 nm (corresponding to ~ 17 GHz in the frequency domain). An example of converting the spectrum of a free-running multiple longitudinal mode near infrared laser (shown on the left) to an output spectrum with one dominant longitudinal mode (shown on the right) is shown. When one frequency of one individual longitudinal mode in the multiple longitudinal mode spectrum coincides with one resonant frequency of a high-Q microresonator, the power of many longitudinal modes is one further narrowed by the high-Q microresonator. Advantageously redistributed to the predominant longitudinal laser mode of, its power can be greatly increased by several thousand times (Fig. 8).
레이저 주입 전류가 스윕되지 않는 일 실시예에서, 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼은 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저, 예컨대, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 각각은 개별적으로 레이저 활성 매체의 온도를 변화시킴으로써 조정 유닛 (TU)에 의해 튜닝될 수 있어 그 굴절율 변화를 이끌며, 따라서 주파수 도메인에서 종방향 모드의 간격 변화 및 개별 종방향 모드 각각의 주파수 변화를 이끌 수 있다.In one embodiment where the laser injection current is not swept, the spectrum of the multiple longitudinal modes of the laser light is at least one multiple longitudinal mode laser, e.g., each of the at least one multiple longitudinal mode laser individually controls the temperature of the laser active medium. By varying it can be tuned by the adjustment unit (TU) to lead to a change in its refractive index, thus leading to a change in the spacing of the longitudinal mode in the frequency domain and a change in the frequency of each of the individual longitudinal modes.
또 다른 실시예에서, 레이저 주입 전류가 스윕되지 않고 레이저 활성 매체의 온도가 안정적인 경우, 튜닝 유닛 (TU)은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 (M)의 high-Q 모드의 공진 주파수를 튜닝하도록 구성 될 수 있어 광 피드백의 조건에서 적어도 하나의 정합 주파수를 추가로 튜닝 할 수 있게 한다. 튜닝 유닛은 high-Q 마이크로 공진기에 가해지는 온도 및/또는 외부 압력을 제어함으로써 주파수 도메인에서 high-Q 모드의 간격을 제어 할 수 있고 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 개별 high-Q 모드 각각의 주파수를 제어 할 수 있다. 두 옵션 모두는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기, 예컨대, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각의 굴절률 및/또는 치수를 개별적으로 변화 시키며, 따라서 공진 주파수 및/또는 high-Q 모드의 간격을 변화시킬 수 있다.In another embodiment, when the laser injection current is not swept and the temperature of the laser active medium is stable, the tuning unit (TU) is to tune the resonant frequency of the high-Q mode of at least one high-Q micro resonator (M). Can be configured to further tune at least one matching frequency under conditions of optical feedback. The tuning unit can control the spacing of the high-Q mode in the frequency domain by controlling the temperature and/or external pressure applied to the high-Q microresonator, and each of the individual high-Q modes of at least one high-Q microresonator. The frequency can be controlled. Both options individually vary the refractive index and/or dimensions of each of at least one high-Q micro resonator, e.g. at least one high-Q micro resonator, thus varying the resonant frequency and/or spacing of the high-Q mode. I can make it.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 인가된 전자기장에 응답하여 굴절률이 변화되는 전기-광학 재료로 만들어 질 수 있고, 튜닝 유닛 (TU)은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기, 예컨대, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각의 개별적으로 인가된 전자기장을 제어하도록 더 구성될 수 있다. 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 굴절률을 변화시키는 것은 공진 주파수를 변화 시키며, 여기서 튜닝 유닛은 광 피드백 조건에서 적어도 하나의 정합 주파수를 더 튜닝 할 수 있도록 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 공진 주파수를 튜닝 할 수 있다. high-Q 마이크로 공진기 제조를 위한 전기-광학 재료의 예로서, 리튬 니오브산염 및 인듐 인화물이 언급될 수 있다.In another embodiment, at least one high-Q micro resonator may be made of an electro-optical material whose refractive index changes in response to an applied electromagnetic field, and the tuning unit (TU) is at least one high-Q micro resonator, e.g. , It may be further configured to control an individually applied electromagnetic field of each of the at least one high-Q micro resonator. Changing the refractive index of the at least one high-Q micro resonator changes the resonant frequency, where the tuning unit is the resonant frequency of the at least one high-Q micro resonator so that it can further tune the at least one matching frequency under optical feedback conditions. Can be tuned. As examples of electro-optical materials for the manufacture of high-Q microresonators, lithium niobate and indium phosphide can be mentioned.
도 9a 내지 도 9c는 적어도 하나의 레이저의 개별 종방향 모드의 하나 또는 동시에 여러 주파수의 각각이 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 각 공진 주파수와 일치 할 때 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 록킹되는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 스펙트럼을 변환한 결과를 나타낸다. 도 9b 및 9c의 경우, 광 피드백 조건에서의 종방향 모드 경쟁은 다수의 좁은 레이저 라인의 동시 생성을 제공한다.9A-9C show that at least one high-Q microresonator is locked when each of one or several frequencies of the individual longitudinal modes of at least one laser coincides with each resonant frequency of at least one high-Q microresonator. It shows the result of transforming the spectrum of at least one multi-longitudinal mode laser. For Figures 9B and 9C, the longitudinal mode competition in the light feedback condition provides for simultaneous generation of multiple narrow laser lines.
도 9a는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)의 개별 종방향 모드의 하나의 주파수가 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)의 하나의 공진 주파수와 일치 할 때 단일 주파수 발생을 도시한다. 이 경우, 하나의 우세한 종방향 레이저 모드로 출력 스펙트럼을 가지는 출력 레이저광이 레이저 장치에 의해 생성될 수 있다. 도 9b는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)의 개별 종방향 모드의 2 개의 주파수가 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)의 2 개의 공진 주파수와 일치 할 때의 2 주파수 발생을 도시한다. 이 경우, 2개의 우세한 종방향 레이저 모드로 출력 스펙트럼을 가지는 출력 레이저광이 레이저 장치에 의해 생성될 수 있다. 도 9c는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)의 개별 종방향 모드의 4 개의 주파수가 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)의 4 개의 공진 주파수와 일치 할 때의 4 주파수 레이징의 예를 도시한다. 이 경우, 4 개의 우세한 종방향 레이저 모드로 출력 스펙트럼을 갖는 광은 출력 레이저광이 레이저 장치에 의해 생성된다. 전술한 바와 같이, 공진 광 피드백의 조건에서 모드 경쟁의 결과로서 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 파워가 하나 또는 다수의 좁은 레이저 라인에 유리하게 재분배될 수 있다.Figure 9a shows the generation of a single frequency when one frequency of the individual longitudinal modes of at least one multi-longitudinal mode laser L coincides with one resonant frequency of at least one high-Q micro resonator M . In this case, an output laser light having an output spectrum in one dominant longitudinal laser mode can be produced by the laser device. Figure 9b shows the generation of two frequencies when the two frequencies of the individual longitudinal modes of at least one multiple longitudinal mode laser (L) coincide with the two resonant frequencies of at least one high-Q micro resonator (M). do. In this case, an output laser light having an output spectrum in two dominant longitudinal laser modes can be generated by the laser device. Figure 9c is a diagram of a four-frequency lasing when four frequencies of the individual longitudinal modes of at least one multiple longitudinal mode laser (L) coincide with the four resonant frequencies of at least one high-Q micro-resonator (M). Shows an example. In this case, light having an output spectrum in the four dominant longitudinal laser modes, output laser light is generated by the laser device. As described above, as a result of mode competition in the condition of resonant optical feedback, the power of at least one multiple longitudinal mode laser can be advantageously redistributed to one or multiple narrow laser lines.
도 9b 및 도 9c에 도시된 실시예에서, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저를 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기로 커플링하고, 여러개의 정합 주파수를 얻도록 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 각 공진 주파수와 개별 종방향 모드의 다수의 주파수 각각이 일치하도록 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝한 결과로서, 다중 종방향 모드 스펙트럼의 다수의 개별 종방향 모드는 우세한 종방향 레이저 모드의 좁혀진 선폭에서 다수의 우세한 종방향 모드로 변환될 수 있다. 9B and 9C, coupling at least one multi-longitudinal mode laser to at least one high-Q micro resonator, and at least one high-Q micro resonator to obtain multiple matching frequencies. As a result of tuning the spectrum of multiple longitudinal modes so that each resonant frequency and each of the multiple frequencies of the individual longitudinal modes match, the multiple individual longitudinal modes of the multi-longitudinal mode spectrum are at the narrower linewidth of the dominant longitudinal laser mode. It can be converted into a number of dominant longitudinal modes.
이러한 실시예는 특정 응용에 요구되는 상이한 주파수에서 다수의 좁은 선폭 레이징의 큰 유연성을 제공하는데, 이는 다수의 좁은 레이저 라인의 생성이 도 2 내지 도 5에서 나타낸 바와 같이 상이한 다중 종방향 모드 레이저 및 상이한 high-Q 마이크로 공진기를 나타낼 수 있기 때문이다. 튜닝할 특정 주파수를 갖는 다중 종방향 모드 레이저와 high-Q 마이크로 공진기를 적절히 선택하여 특정 응용 분야에 필요한 임의의 주파수에서 좁은 레이저 라인으로 구성된 출력 스펙트럼의 엔지니어링을 가능하게 한다. 실시예들 중 하나에서, 하나 또는 다수의 우세한 종방향 레이저 모드는 내부 전반사 프리즘인 추가 커플링 요소 (C2) (도 1b 참조)를 통해 high-Q 마이크로 공진기 (M)로부터 커플링될 수 있다. 다른 실시예들에서, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 (M) 중 하나 또는 다수는 도 1b에 개략적으로 도시된 내부 전반사 프리즘 대신에 사용되는 테이퍼진 광섬유 또는 도파로 형태의 하나의 추가 커플링 요소 (C2)를 제공받을 수 있다. 추가적인 커플링 요소의 사용은 레이저 장치에 의해 생성되고 출력 스펙트럼의 비 공진 부분을 필터링함으로써 우세한 종방향 레이저 모드를 포함하는 출력 레이저 광의 출력 스펙트럼의 스펙트럼 순도를 상당히 개선시킬 수 있다. 출력 스펙트럼의 스펙트럼 순도는 종종 많은 마이크로 포토닉 응용에 필요하다. 도 1b에서, 출력 스펙트럼을 갖는 레이저 광 (1) 및 레이저 광 (2)은 오른쪽에 표시된 바와 같이 커플링 소자 (C) (내부 전반사 프리즘)를 통해 high-Q 마이크로 공진기 (M)로부터 커플링되며, 레이저광(1) 및 레이저광(2)는 약한 비 공진 레이저 종방향 모드를 포함할 수 있다. 추가적인 커플링 프리즘 (C2)은 출력 레이저 광의 비 공진 부분없이 우세한 종방향 레이저 모드만으로 구성된 순수한 스펙트럼을 갖는 레이저 광 (3)을 high-Q 마이크로 공진기 (M)로부터 커플링하는 것을 제공할 수 있다(왼쪽에 나타낸 바와 같이). 다시 말해서, 레이저 광 (3)은 레이저 광 (2)과 비교하여 위에서 설명된 더 높은 사이드 모드 억제 비율 (SMSR) 파라미터를 갖는 우세한 종방향 레이저 모드를 가질 수 있다. 이 경우, SMSR은 대략 40-70dB의 범위, 예컨대 대략 50-70dB 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 약 60dB는 종종 이 애플리케이션의 목적에 충분한 사이드 모드 억제 비율 값을 제공할 수 있다.This embodiment provides great flexibility of multiple narrow linewidth lasing at different frequencies required for a particular application, which means that the generation of multiple narrow laser lines is different, as shown in Figs. This is because it can represent different high-Q micro resonators. Proper selection of multiple longitudinal mode lasers and high-Q micro-resonators with specific frequencies to tune allows engineering of the output spectrum consisting of narrow laser lines at any frequency required for a specific application. In one of the embodiments, one or more dominant longitudinal laser modes can be coupled from the high-Q micro-resonator M via an additional coupling element C2 (see FIG. 1B) that is a total internal reflection prism. In other embodiments, one or more of the at least one high-Q micro resonator (M) is one additional coupling element in the form of a tapered optical fiber or waveguide used in place of the total internal reflection prism schematically shown in FIG. C2) can be provided. The use of an additional coupling element can significantly improve the spectral purity of the output spectrum of the output laser light including the dominant longitudinal laser mode by filtering out non-resonant portions of the output spectrum generated by the laser device. The spectral purity of the output spectrum is often required for many microphotonic applications. In Fig. 1b, the
실시예의 다른 그룹은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기가 세기 의존 굴절률을 갖는 재료로 제조 될 때 변형을 포함하고, 레이저 장치는 적어도 하나의 광 주파수 빗살을 생성하도록 더 구성되며, 여기서 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드가 광 주파수 빗살 생성의 펌프 임계값보다 큰 파워를 가지는 경우, 적어도 하나의 광 주파수 빗살 각각은 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드 중 하나에 의해 파라메트릭적으로 생성될 수 있다. 광범위한 스펙트럼 범위에서 투명한 플루오르화물과 같은 세기-의존적 굴절률을 갖는 물질의 많은 예가 있다: 플루오르 화 칼슘, 플루오르 화 바륨 및 플루오르 화 마그네슘. 또한 석영, 실리콘, 질화 규소, 다이아몬드 등도 언급 할 가치가 있다.Another group of embodiments includes deformation when at least one high-Q microresonator is made of a material having an intensity dependent refractive index, wherein the laser device is further configured to generate at least one optical frequency comb, wherein at least one dominant When the longitudinal laser mode has a power greater than the pump threshold of optical frequency comb generation, each of the at least one optical frequency comb may be parametrically generated by one of the at least one dominant longitudinal laser mode. There are many examples of materials with an intensity-dependent refractive index such as transparent fluoride over a broad spectral range: calcium fluoride, barium fluoride and magnesium fluoride. Also worth mentioning are quartz, silicon, silicon nitride, and diamond.
도 10a는 하나의 정합 주파수를 얻도록 개별 종방향 모드의 하나의 주파수 만이 high-Q 마그네슘 플루오르화물 WGM 마이크로 공진기의 하나의 공진 주파수와 일치하기 때문에 위에 설명된 바와 같이 감소된 선폭을 가지는 단일 우세한 종방향 레이저 모드를 발생시키는 high-Q 마그네슘 플루오르화물 WGM 마이크로 공진기에 록킹된 다중 종방향 모드 레이저의 스펙트럼을 변환하는 예를 도시한다. 도 1a의 광학 방식에서와 같이 광 피드백 조건에서의 모드 경쟁으로 인해 정합된 주파수에서 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 선호하여 레이저 파워의 재분배가 이루어졌다. 사이드 모드 억제 비율은 약 30dB이다. 다음으로, 도 10b에서, 펌프 임계값보다 높은 파워 레벨을 갖는 high-Q 마이크로 공진기에 효과적으로 커플링된 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 가지는 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저광은 파라메트릭적으로 소산성 커 솔리톤 빗살 (kerr soliton comb)(DKS)을 발생시킬 수 있다. 커 솔리톤 빗살은 레이저 종방향 모드의 간격과는 다른 주파수의 고정된 값만큼 이격된 복수의 스펙트럼 모드를 갖는 광 주파수 빗살이다. 도 10b는 도 1a의 광학 방식에서 커플링 프리즘(C) 직후의 신호를 나타낸다. 신호는 high-Q 마이크로 공진기(M)로부터 나오는 레이저 광(2)과 커플링 프리즘(C)을 통해 다중 종방향 모드 레이저(L)로부터 통과된 비 공진 레이저 광(2)을 조합한다. 전술한 실시예에서, 깨끗해진 광 주파수 빗살이 필요할 때, 추가적인 커플링 요소(C2)가 출력 스펙트럼의 비 공진 부분을 필터링하기 위해 사용될 수 있다 (도 1b).Figure 10a shows a single dominant longitudinal direction with a reduced linewidth as described above, since only one frequency of the individual longitudinal mode coincides with one resonant frequency of the high-Q magnesium fluoride WGM microresonator to obtain one matching frequency. An example of converting the spectrum of a multiple longitudinal mode laser locked to a high-Q magnesium fluoride WGM microresonator generating laser mode is shown. As in the optical method of FIG. 1A, due to mode competition in the optical feedback condition, the laser power was redistributed in favor of one dominant longitudinal laser mode at the matched frequency. The side mode suppression ratio is about 30dB. Next, in Fig. 10b, the output laser light having an output spectrum with one dominant longitudinal laser mode effectively coupled to a high-Q microresonator having a power level higher than the pump threshold is parametrically dissipative. It can generate a kerr soliton comb (DKS). The Kersoliton comb is an optical frequency comb having a plurality of spectral modes spaced apart by a fixed value of a frequency different from that of the laser longitudinal mode. 10B shows the signal immediately after the coupling prism C in the optical method of FIG. 1A. The signal combines the
도 10a, 도 10b에 도시된 구체적인 측정 데이터는 ~ 12.5 GHz (마이크로 공진기에서의 펄스 왕복 시간의 역)의 자유 스펙트럼 범위 (FSR)에 대응하여 직경 약 5.5 mm 및 모서리 곡률 반경 약 500 μm의 high-Q 불화 마그네슘 (MgF2) WGM 마이크로 공진기를 사용하여 얻어졌다. 불화 마그네슘 굴절률은 DKS의 생성을 허용하는 레이저 세기에 의존한다. high-Q 마이크로 공진기는 벌크 결정의 정확한 단일 포인트 다이아몬드 터닝에 의해 제조되었다. 다이아몬드 슬러리로 연마하여 109를 초과하는 ultrahigh intrinsic Q-factor를 달성했다. 도 10a, 도 10b에서 특정 측정 데이터를 얻는데 사용된 레이저 다이오드는 약 1,535nm의 중심 파장 주위의 종방향 모드 f = 17.68GHz 간격 및 약 200mW의 최대 출력 파워로 ~ 10nm를 커버하는 수십 개의 종방향 모드로 구성된 광 스펙트럼을 갖는다. 레이저 이득 영역의 세기는 라인들 사이에 대략 균일하게 분포된다. 주입 전류를 점진적으로 변경함으로써, 종방향 레이저 모드 중 하나는 광 피드백을 얻기 위해 마이크로 공진기의 공진 모드와 매칭되고 선폭이 감소된 하나의 우세한 종방향 모드가 되었다.The specific measurement data shown in FIGS. 10A and 10B correspond to a free spectral range (FSR) of ~ 12.5 GHz (inverse of the pulse round trip time in the micro resonator), corresponding to a high-diameter of about 5.5 mm and a corner curvature radius of about 500 μm Q magnesium fluoride (MgF2) was obtained using a WGM micro resonator. Magnesium fluoride refractive index depends on the laser intensity allowing the generation of DKS. The high-Q micro resonator was fabricated by precise single point diamond turning of bulk crystals. An ultrahigh intrinsic Q-factor exceeding 10 9 was achieved by polishing with a diamond slurry. The laser diode used to obtain the specific measurement data in FIGS. 10A and 10B is a longitudinal mode f = 17.68 GHz around the center wavelength of about 1,535 nm and dozens of longitudinal modes covering ~ 10 nm with a maximum output power of about 200 mW. It has a light spectrum composed of. The intensity of the laser gain area is approximately uniformly distributed between the lines. By gradually changing the injection current, one of the longitudinal laser modes has become one dominant longitudinal mode in which the line width is reduced and matched with the resonance mode of the microresonator to obtain optical feedback.
다음으로, 주입 전류로 저주파 측에서 다이오드 레이저 주파수를 점진적으로 디튜닝(detuning)시키지만 록킹 상태에서 유지함으로써, 시스템을 매우 특성이 있는 sech2(x) envelope (도 10b)를 가지는 솔리톤 빗살 체제 (주로 단일-솔리톤)로 부드럽게 전환 할 수 있었다. 솔리톤 빗살은 마이크로 공진기의 자유 스펙트럼 범위에 해당하는 라인 간격이 약 12.5GHz 인 ~ 30nm의 span을 갖는다. 약 17.68GHz로 분리된 추가 잔류 레이저 라인은 광학 스펙트럼에서 볼 수 있으며, 약하지만 추가 커플링 요소를 사용하여 드롭 포트 구성에서 필터링 될 수 있다 (도 1b 참조)Next, by gradually detuning the diode laser frequency on the low-frequency side with the injection current, but keeping it in a locked state, the system is a soliton comb system with a very characteristic sech2(x) envelope (Fig. 10b) (mainly single -Solitone) could be switched smoothly. The soliton comb has a span of ~30nm with a line spacing of about 12.5GHz, which corresponds to the free spectrum range of the microresonator. An additional residual laser line separated by about 17.68 GHz can be seen in the optical spectrum and, although weak, can be filtered in the drop port configuration using an additional coupling element (see Figure 1b).
다른 실시예는 다수의 우세한 종방향 레이저 모드에 의해 다수의 광 주파수 빗살이 생성 될 수 있을 때 변형을 포함한다. 도 11a는 파라메트릭적으로 생성된 주파수 빗살을 펌핑하는 우세한 종방향 레이저 모드의 생성으로 high-Q 불화 마그네슘 WGM에 록킹된 다중 종방향 모드 레이저 다이오드의 경우에 동시에 발생된 2개의 광 주파수 빗살(도 11a의 가운데 부분의 곡선과 그외 부분의 곡선)의 광 스펙트럼을 보여준다. 먼저, 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저 광이 종방향 모드의 2 개의 주파수를 high-Q 마이크로 공진기의 2 개의 공진 주파수와 정합시켜 2 개의 정합된 주파수를 얻도록 튜닝된다. high-Q 마이크로 공진기는 레일리 후방산란에 기인한 광 피드백을 제공하도록 공진 주파수에 대응하는 정합 주파수에서 레이저 광의 개별 종방향 모드를 수신한다. 광 피드백 조건에서의 모드 경쟁은 2 개의 정합 주파수에서 2 개의 우세한 종방향 모드를 선호하여 레이저 파워의 재분배로 이어질 수 있다. 지배적 모드의 파워가 펌프 임계 값을 초과하면 광 주파수 빗살이 생성될 수 있다. 각각의 빗살은 레이저 종방향 모드의 간격과는 다른 주파수의 고정된 값만큼 이격된 복수의 좁은 스펙트럼 모드이다. 도 11b는 고속 포토다이오드 및 전기 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정된 빗살의 좁은 모드의 무선 주파수 beating의 스펙트럼을 도시한다. 빗살에 해당하는 두 개의 비트노트(beatnotes)가 있다. 비트노트의 선폭은 1kHz보다 낮아 주파수 빗살 모드의 폭이 좁음을 보여준다. 2 개의 빗살의 좁은 스펙트럼 모드는 약 10 MHz의 차이로 다른 주파수 값으로 이격되었다.Another embodiment includes a modification when multiple optical frequency combs can be produced by multiple dominant longitudinal laser modes. 11A shows two optical frequency combs generated simultaneously in the case of a multiple longitudinal mode laser diode locked to a high-Q magnesium fluoride WGM with the generation of a dominant longitudinal laser mode pumping a parametrically generated frequency comb (Fig. It shows the light spectrum of the curve in the middle part of 11a and the curve in the other part). First, the laser light with the spectrum of multiple longitudinal modes is tuned to match the two frequencies of the longitudinal mode with the two resonant frequencies of the high-Q micro resonator to obtain two matched frequencies. The high-Q microresonator receives a separate longitudinal mode of laser light at a matched frequency corresponding to the resonant frequency to provide optical feedback due to Rayleigh backscattering. Mode competition in optical feedback conditions can lead to redistribution of laser power in favor of the two dominant longitudinal modes at the two matching frequencies. Optical frequency combs can be generated when the power of the dominant mode exceeds the pump threshold. Each comb is a plurality of narrow spectral modes spaced apart by a fixed value of a frequency different from that of the laser longitudinal mode. 11B shows the spectrum of the narrow mode radio frequency beating of the comb as measured using a high speed photodiode and an electrical spectrum analyzer. There are two beatnotes that correspond to the comb teeth. The line width of Bit Note is lower than 1 kHz, which shows that the width of the frequency comb mode is narrow. The narrow spectral modes of the two combs were separated by different frequency values by a difference of about 10 MHz.
실시예들 중 하나에서, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저와 함께 반도체 칩 (실리콘 질화물 또는 실리콘-온 절연체) 상에 제조 될 수 있다. 실리콘 포토닉 공진기와 근적외선 범위를 위한 III-V 이득 물질의 이러한 하이브리드 집적이 성공한 예가 있다. 따라서, 실시예 중 하나에서, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 및 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 마이크로 리소그래피를 사용하여 동일한 칩 상에 만들어 질 수 있다. 도 12a, 도 12b는 미러(M1, M2) 및 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M), 예컨대 하나의 WGM 마이크로 공진기를 가지는 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)를 포함하는 칩을 개략적으로 도시한다. 도 12a에 도시된 평면도에서, III-V 이득 물질(11), 예를 들어 인듐 인화물(InP)에 집적된 다중 종방향 모드 레이저(L)는 특별한 커플러(12)를 통해 실리콘 / 실리콘 질화물 (Silicon / Si3N4)(13) 도파로에 커플링된다. 커플러(12)는 버스 도파로 및 high-Q 마이크로 공진기(M)를 포함하는 본딩된 실리콘 / 실리콘 질화물(13) 층 (도 12b의 측면도 참조)과 III-V 물질 (11) 층을 상호 연결한다. 커플러 (12)는 테이퍼 형 도파로의 수직 연결부 (테이퍼 (14)의 확대도가 도시된 도 12b의 변형 I 참조) 또는 다른 물질로 제조된 도파로의 브래그 격자 수직 연결부 (그레이팅(15)의 확대도가 도시된 도 12b의 변형 II 참조)로서 제조될 수 있다. 나머지에서, 칩 상에 만들어진 다중 종방향 모드 레이저(L) 및 high-Q 마이크로 공진기(M)는 튜닝 유닛 (TU) 동작을 포함하는 도 1a의 레이저 장치와 동일한 방식으로 작동 할 수 있다(도 12a, 도 12b에는 도시되지 않음). 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기로부터의 서브 파장 거리에 위치한 도파로로서 구성된 커플링 요소(C)를 통해 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 중 하나 또는 다수에 광학적으로 피드백 커플링 될 수 있다. 도 12a에 점선 테두리로 도시된 추가 커플링 요소(C2)는 선택적으로 사용될 수 있고, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 중 하나 또는 다수에서 생성 된 우세한 종방향 레이저 모드 중 하나 또는 다수를 커플링하여 출력 스펙트럼의 비 공진 부분을 필터링하도록 구성 될 수 있다. 하나의 반도체 칩 상에 제조된 high-Q 마이크로 공진기 및 다중 종방향 모드 레이저의 경우, 레이저 및 마이크로 공진기와 관련된 서브 유닛(TL 및 TM)의 일부 개별 요소들이 동일 칩 상에 대응하여 집적될 수 있다. 이러한 요소는 마이크로 공진기 또는 레이저의 활성 매체 온도 튜닝을 위한 금속 마이크로 히터, 출력 신호 측정을 위한 광 검출기 등일 수 있다.In one of the embodiments, at least one high-Q microresonator can be fabricated on a semiconductor chip (silicon nitride or silicon-on insulator) with at least one multi-longitudinal mode laser. Examples of such hybrid integration of silicon photonic resonators and III-V gain materials for the near-infrared range have been successful. Thus, in one of the embodiments, at least one multiple longitudinal mode laser and at least one high-Q micro resonator can be made on the same chip using microlithography. 12A, 12B schematically show a chip comprising mirrors M1, M2 and one high-Q micro-resonator M, e.g. one multiple longitudinal mode laser L with one WGM micro-resonator do. In the plan view shown in Fig. 12A, a multi-longitudinal mode laser (L) integrated in a III-
레이저 스펙트럼을 변환하는 방법은 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저광을 생성하기 위한 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L), 및 도 1 내지 도 5에서 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)에 광학적으로 피드백 커플링된 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M) 와 관련하여 설명 될 것이다. The method of converting the laser spectrum includes at least one multiple longitudinal mode laser (L) for generating laser light having a spectrum of multiple longitudinal modes, and at least one multiple longitudinal mode laser (L) in FIGS. ), at least one high-Q microresonator (M) optically feedback-coupled.
본 방법의 제 1 단계에서, 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저 광은 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 (L)에 의해 생성될 수 있다.In the first step of the method, laser light having a spectrum of multiple longitudinal modes can be produced by at least one multiple longitudinal mode laser (L).
본 방법의 제 2 단계에서, 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼은 적어도 하나의 정합 주파수를 얻기 위해, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각과 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)에 광학적으로 피드백 커플링된 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)의 각 공진 주파수가 일치하도록 튜닝될 수 있다. In the second step of the method, the spectrum of the multiple longitudinal modes of the laser light is each and at least one frequency of the respective longitudinal modes of the at least one multiple longitudinal mode laser L in order to obtain at least one matching frequency. Each resonant frequency of at least one high-Q micro resonator (M) optically feedback coupled to one multiple longitudinal mode laser (L) can be tuned to match.
본 방법의 제 3 단계에서, 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 그리고 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 갖는 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광이 커플링될 수 있다.In a third step of the method, an output laser light having an output spectrum each having at least one dominant longitudinal laser mode at one of the at least one matching frequency and at a reduced linewidth of the dominant longitudinal laser mode can be coupled. have.
이 방법은 추가적인 단계를 포함할 수 있음에 유의해야 한다.It should be noted that this method may involve additional steps.
예를 들어, 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)가 세기-의존 굴절률을 갖는 재료로 제조되는 경우, 방법은, 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드가 광 주파수 빗살 생성의 펌프 임계 값을 초과하는 파워를 갖는 경우, 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드 각각에 의해 적어도 하나의 광 주파수 빗살을 파라미터 적으로 생성하는 단계를 더 포함 할 수 있다. For example, if at least one high-Q micro-resonator (M) is made of a material with an intensity-dependent refractive index, the method is that at least one dominant longitudinal laser mode exceeds the pump threshold of optical frequency comb generation. In the case of having a power of at least one dominant longitudinal laser mode, the step of parametrically generating at least one optical frequency comb may be further included.
이 방법은 주파수 도메인에서 종방향 모드의 간격을 변경하고, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)의 개별 종방향 모드 각각의 주파수를 변경하는 둘 다에 의해 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하는 단계를 더 포함 할 수 있다.The method comprises the steps of tuning the spectrum of the longitudinal mode both by changing the spacing of the longitudinal modes in the frequency domain, and changing the frequency of each of the individual longitudinal modes of at least one multiple longitudinal mode laser (L). It may further include.
이 방법은 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 각각 적어도 하나의 역 전파 모드를 생성함으로써 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 (L)에 광 피드백을 제공하는 단계를 더 포함 할 수 있다.The method may further comprise providing optical feedback to the at least one multiple longitudinal mode laser (L) by generating at least one back propagation mode each at one of the at least one matching frequency.
이 방법은 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 주입 전류 및/또는 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L) 각각, 예컨대 개별적으로 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저 각각의 레이저 활성 매체의 온도를 제어함으로써 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하는 단계를 더 포함 할 수 있다.This method controls the injection current of at least one multiple longitudinal mode laser and/or the temperature of the laser active medium of each of at least one multiple longitudinal mode laser (L) individually, for example individually By doing so, it may further include tuning the spectrum of the multiple longitudinal modes.
이 방법은 주파수 도메인에서 high-Q 모드의 간격을 변경하고 high-Q 각각의 공진 주파수를 변경함으로써 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M) 각각의 공진 주파수를 튜닝하는 단계를 더 포함 할 수 있다. This method may further include tuning the resonant frequency of each of the at least one high-Q micro resonator (M) by changing the interval of the high-Q mode in the frequency domain and changing the resonant frequency of each high-Q. .
이 방법은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 온도 및/또는 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M), 예컨대 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각에 개별적으로 가해지는 외부 압력을 제어하는 단계를 더 포함 할 수 있다.The method comprises controlling the temperature of at least one high-Q micro resonator and/or the external pressure applied individually to at least one high-Q micro resonator (M), e.g., each of at least one high-Q micro resonator. May contain more.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M) 중 하나 또는 여러개에 추가적인 커플링 요소(C2)가 제공되는 경우, 이 방법은 하나 또는 다수의 우세한 종방향 레이저 모드 또는 하나 또는 다수의 우세한 레이저 모드와 출력 스펙트럼의 비 공진 부분을 필터링하도록 추가적인 커플링 요소를 통해 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 하나 또는 다수로부터 하나 또는 다수의 광 주파수 빗살을 커플링하는 단계를 더 포함할 수 있다. If one or several of the at least one high-Q micro resonator (M) is provided with an additional coupling element (C2), this method can be used with one or more dominant longitudinal laser modes or one or more dominant laser modes and output. It may further comprise coupling one or multiple optical frequency combs from one or multiple of the at least one high-Q micro-resonator via an additional coupling element to filter out non-resonant portions of the spectrum.
적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)가 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 인가된 전자기장에 응답하여 굴절률을 변화시키는 전기 광학 재료로 제조되는 경우, 이 방법은 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M) 각각, 예컨대 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각에 개별적으로 인가되는 전자기장 전자기장을 제어하는 단계를 더 포함 할 수 있다.If at least one high-Q micro resonator (M) is made of an electro-optical material that changes the refractive index in response to an electromagnetic field applied to the at least one high-Q micro resonator, this method is (M) Each, for example, may further comprise the step of controlling an electromagnetic field individually applied to each of the at least one high-Q micro-resonator.
레이저 장치를 동작시키는 방법은 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 갖는 레이저 광을 발생시키기 위한 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)와, 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저(L)에 광학적으로 피드백 커플링된 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M), 및 레이저광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하기 위한 튜닝 유닛(TU)과 관련하여 설명 될 것이다.A method of operating the laser device includes at least one multiple longitudinal mode laser (L) for generating laser light having a spectrum of multiple longitudinal modes, as shown in FIGS. 1 to 6, and at least one multiple species. At least one high-Q micro-resonator (M) optically feedback-coupled to the directional mode laser (L), and a tuning unit (TU) for tuning the spectrum of multiple longitudinal modes of the laser light will be described.
본 방법의 제 1 단계에서, 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼은 튜닝 유닛(TU)에 의해 튜닝되어 적어도 하나의 정합 주파수를 획득하기 위해 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각과 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기(M)의 각각의 공진 주파수를 각각 매칭시킨다. In the first step of the method, the spectrum of the multiple longitudinal modes of the laser light is tuned by a tuning unit (TU) to obtain at least one matching frequency at least of the individual longitudinal modes of the at least one multiple longitudinal mode laser. Each of one frequency and each resonant frequency of at least one high-Q micro resonator M are matched.
본 방법의 제 2 단계에서, 적어도 하나의 정합된 주파수 중 하나에서 그리고 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 갖는 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광은 장치로부터 커플링된다.In a second step of the method, an output laser light having an output spectrum having at least one dominant longitudinal laser mode each at one of the at least one matched frequency and at a reduced linewidth of the dominant longitudinal laser mode is coupled from the device. Ring.
실시예는 상이한 주제를 참조하여 설명된다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 통상의 기술자는 달리 통지되지 않는 한, 한 유형의 주제에 속하는 특징의 조합에 추가하여, 본 출원에 개시될 수 있는 상이한 주제에 관한 특징 사이의 임의의 조합이 고려되는 전술한 및 하기의 설명으로부터 수집 할 것이다. 그러나 모든 기능을 결합하여 기능의 단순한 합계 이상의 시너지 효과를 제공 할 수 있다.It should be noted that the examples are described with reference to different subjects. However, those skilled in the art will, unless otherwise notified, in addition to the combinations of features pertaining to one type of subject matter, any combination between features relating to different subjects that may be disclosed in the present application is contemplated as described above and below. Will collect from the description. However, all functions can be combined to provide synergies beyond the simple sum of functions.
실시예가 도면 및 전술한 설명에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 이러한 예시 및 설명은 예시적이거나 예시적인 것으로 제한되지 않는 것으로 간주되어야 한다. 청구의 범위는 개시된 실시예로 제한되지 않는다. 개시된 실시예에 대한 다른 변형은 도면, 개시 및 종속항의 연구로부터 청구된 발명을 실시함에 있어 통상의 기술자에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다.While the embodiments have been shown and described in detail in the drawings and the foregoing description, such examples and descriptions are to be regarded as illustrative or not limiting. The claims are not limited to the disclosed embodiments. Other modifications to the disclosed embodiments may be understood and influenced by those skilled in the art in carrying out the claimed invention from the drawings, the disclosure, and the study of the dependent claims.
청구 범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 구성 요소를 배제하지 않으며, 구성 요소는 복수를 배제하지 않는다. 특정 조치들이 서로 다른 종속 항들에서 인용되었다는 사실은 이러한 조치들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구 범위의 임의의 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or elements, and elements do not exclude a plurality. The fact that certain measures have been cited in different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope.
C ...커플링 요소 D...광검출기
L: 다중 종방향 모드 레이저
M: high-Q 마이크로 공진기
S...후방 산란 광파 TL,TM...서브 유닛
TU: 튜닝 유닛 1,2,3...레이저 광C ... coupling element D... photodetector
L: Multiple longitudinal mode laser
M: high-Q micro resonator
S...backscattered light wave TL,TM...sub unit
TU:
Claims (32)
상기 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 광학적으로 피드백 커플링된 적어도 하나의 고품질 계수 (high-Q) 마이크로 공진기;
적어도 하나의 정합 주파수를 얻도록, 상기 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각과 상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각의 공진 주파수를 매칭시키기 위해 상기 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하는 튜닝 유닛;을 구비하고,
적어도 하나의 정합 주파수 중 하나 및 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각, 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광을 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드와 커플링하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.At least one multiple longitudinal mode laser for generating laser light having a spectrum of multiple longitudinal modes;
At least one high-quality coefficient (high-Q) microresonator optically feedback-coupled to the at least one multiple longitudinal mode laser;
Of the laser light to match the resonant frequency of each of the at least one high-Q micro-resonator with each of the at least one frequency of the respective longitudinal mode of the at least one multi-longitudinal mode laser to obtain at least one matching frequency. It includes; a tuning unit for tuning the spectrum of the multiple longitudinal mode,
And at least one of the matching frequencies and at a reduced linewidth of the dominant longitudinal laser mode, respectively, to couple output laser light having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode.
상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 세기-의존 굴절률을 갖는 물질로 만들어지고,
상기 레이저 장치는 적어도 하나의 광 주파수 빗살을 생성하도록 마련되며, 및
상기 적어도 하나의 광 주파수 빗살 각각은, 상기 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드가 광 주파수 빗살 생성의 펌프 임계 값보다 큰 파워를 갖는 경우, 상기 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드 중 하나에 의해 파라메트릭 방식으로 생성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The method of claim 1,
The at least one high-Q micro resonator is made of a material having an intensity-dependent refractive index,
The laser device is provided to generate at least one optical frequency comb, and
Each of the at least one optical frequency comb is parametric by one of the at least one dominant longitudinal laser mode when the at least one dominant longitudinal laser mode has a power greater than the pump threshold of optical frequency comb generation. Laser device, characterized in that produced in a manner.
상기 튜닝 유닛은 상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기또는 상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각에 개별적으로 인가되는 전자기장을 제어하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The method of claim 1 or 2, wherein the at least one high-Q micro resonator is made of an electro-optical material that changes the refractive index in response to an electromagnetic field applied to the at least one high-Q micro resonator,
And the tuning unit is further configured to control an electromagnetic field individually applied to each of the at least one high-Q micro resonator or the at least one high-Q micro resonator.
적어도 하나의 정합 주파수를 얻도록, 상기 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각을 상기 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저에 광학적으로 피드백 커플링된 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 각 공진 주파수와 매칭하도록 상기 레이저광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하는 단계;
상기 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나에서 그리고 상기 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 갖는 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광을 커플링하는 단계;를 포함하는 레이저 스펙트럼 변환 방법.Generating laser light having a spectrum of multiple longitudinal modes by means of at least one multiple longitudinal mode laser;
At least one high optically feedback coupled each of the at least one frequency of the respective longitudinal mode of the at least one multi-longitudinal mode laser to the at least one multi-longitudinal mode laser to obtain at least one matched frequency. -Tuning the spectrum of multiple longitudinal modes of the laser light to match each resonant frequency of the Q micro-resonator;
Coupling an output laser light having an output spectrum each having at least one dominant longitudinal laser mode at one of the at least one matching frequency and at a reduced linewidth of the dominant longitudinal laser mode; Conversion method.
상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 세기-의존 굴절률을 갖는 물질로 만들어지고,
상기 방법은, 상기 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드가 광 주파수 빗살 생성의 펌프 임계 값을 초과하는 파워를 가질 때, 상기 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드 각각에 의해 적어도 하나의 광 주파수 빗살을 파라메트릭 방식으로 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스펙트럼 변환 방법.The method of claim 18,
The at least one high-Q micro resonator is made of a material having an intensity-dependent refractive index,
The method comprises, when the at least one dominant longitudinal laser mode has a power exceeding a pump threshold of optical frequency comb generation, the at least one optical frequency comb is broken by each of the at least one dominant longitudinal laser mode. A method of converting a laser spectrum, further comprising generating in a metric manner.
상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 중 하나 또는 다수에 추가 커플링 요소가 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 스펙트럼 변환 방법.The method according to any one of claims 18 and 19,
A method of converting a laser spectrum, characterized in that an additional coupling element is provided to one or more of said at least one high-Q micro resonator.
상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기는 상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기에 인가된 전자기장에 응답하여 굴절률을 변화시키는 전기 광학 재료로 제조되고,
상기 방법은 상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 또는 상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기 각각에 개별적으로 인가되는 전자기장을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스펙트럼 변환 방법.The method according to any one of claims 18 and 19,
The at least one high-Q micro resonator is made of an electro-optical material that changes a refractive index in response to an electromagnetic field applied to the at least one high-Q micro resonator,
The method further comprises controlling an electromagnetic field individually applied to each of the at least one high-Q micro resonator or the at least one high-Q micro resonator.
적어도 하나의 정합 주파수를 얻기 위해, 상기 적어도 하나의 다중 종방향 모드 레이저의 개별 종방향 모드의 적어도 하나의 주파수 각각을 상기 적어도 하나의 high-Q 마이크로 공진기의 각각의 공진 주파수와 매칭하도록 상기 레이저 광의 다중 종방향 모드의 스펙트럼을 튜닝하는 단계;
상기 적어도 하나의 정합 주파수 중 하나 및 상기 우세한 종방향 레이저 모드의 감소된 선폭에서 각각 적어도 하나의 우세한 종방향 레이저 모드를 갖는 출력 스펙트럼을 갖는 출력 레이저 광을 커플링하는 단계를 포함하는 레이저 장치 동작 방법.In the method of operating the laser device according to any one of claims 1 to 17,
In order to obtain at least one matched frequency, the at least one frequency of the laser light to match each of the at least one frequency of the respective longitudinal mode of the at least one multiple longitudinal mode laser with the respective resonant frequency of the at least one high-Q micro resonator. Tuning the spectrum of multiple longitudinal modes;
Coupling output laser light having an output spectrum each having at least one dominant longitudinal laser mode at a reduced linewidth of said at least one matching frequency and said dominant longitudinal laser mode. .
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