RU2710002C1 - Compact device with lasers with multiple longitudinal modes, stabilized high-quality micro-resonators with generation of optical frequency combs - Google Patents

Compact device with lasers with multiple longitudinal modes, stabilized high-quality micro-resonators with generation of optical frequency combs Download PDF

Info

Publication number
RU2710002C1
RU2710002C1 RU2019108976A RU2019108976A RU2710002C1 RU 2710002 C1 RU2710002 C1 RU 2710002C1 RU 2019108976 A RU2019108976 A RU 2019108976A RU 2019108976 A RU2019108976 A RU 2019108976A RU 2710002 C1 RU2710002 C1 RU 2710002C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
microcavity
longitudinal
modes
frequency
Prior art date
Application number
RU2019108976A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Антонович БИЛЕНКО
Виталий Валентинович Васильев
Андрей Сергеевич ВОЛОШИН
Сергей Николаевич Коптяев
Григорий Васильевич ЛИХАЧЕВ
Валерий Евгеньевич ЛОБАНОВ
Николай Геннадьевич ПАВЛОВ
Станислав Владимирович Полонский
Максим Владимирович Рябко
Алексей Андреевич Щекин
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд., Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий" filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to RU2019108976A priority Critical patent/RU2710002C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2710002C1 publication Critical patent/RU2710002C1/en
Priority to KR1020200019998A priority patent/KR20200116023A/en
Priority to US16/827,095 priority patent/US11804694B2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687Stabilising the frequency of the laser
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/082Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors defining a plurality of resonators, e.g. for mode selection or suppression
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0612Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06209Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
    • H01S5/0622Controlling the frequency of the radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06233Controlling other output parameters than intensity or frequency
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0651Mode control
    • H01S5/0653Mode suppression, e.g. specific multimode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1042Optical microcavities, e.g. cavity dimensions comparable to the wavelength
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14External cavity lasers
    • H01S5/141External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

FIELD: laser engineering.
SUBSTANCE: invention relates to laser equipment. Laser device comprises at least one laser (L) with a plurality of longitudinal modes for generating laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes; at least one high-quality micro-resonator (M), connected by optical feedback to said at least one laser (L) with multiple longitudinal modes; tuning unit (TU) for tuning spectrum of multiple longitudinal modes of laser radiation. Tuning unit is designed so that to match each of at least one frequency of separate longitudinal mode of said laser with corresponding resonance frequency of micro resonator, so as to obtain at least one matched frequency. Laser device is configured to output laser radiation having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which is on one of said at least one matched frequency and with reduced width of dominant longitudinal laser mode.
EFFECT: technical result consists in enabling increase in laser generation power with narrow line width without additional amplification, while maintaining compact size of device.
32 cl, 12 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к методам и компактным приборам, обеспечивающим стабилизацию частоты лазера и значительное сужение лазерного спектра посредством его энергоэффективного преобразования из спектра, содержащего множество относительно широких продольных мод, в узкий одномодовый спектр или в спектр с несколькими узкими спектральными модами.The invention relates to methods and compact instruments providing stabilization of the laser frequency and a significant narrowing of the laser spectrum through its energy-efficient conversion from a spectrum containing many relatively wide longitudinal modes to a narrow single-mode spectrum or to a spectrum with several narrow spectral modes.

Описанный эффект обеспечивают два механизма. Первым механизмом является резонансная оптическая обратная связь от высокодобротного оптического микрорезонатора в результате инжекции лазерного излучения, рассеянного в высокодобротном микрорезонаторе обратно в лазер. Вторым механизмом служит конкуренция продольных мод лазера в условиях оптической обратной связи, приводящая к эффективному перераспределению мощности лазера в пользу одной или нескольких узких лазерных линий. В случае микрорезонатора, выполненного из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, генерация спектрально узких лазерных линий на уровне мощности выше порога накачки может обеспечить параметрически генерируемую одну или несколько оптических частотных гребенок, имеющих множество узких спектральных мод, разнесенных на фиксированные значения частоты. Кроме того, настоящее изобретение относится к компактным источникам высококогерентного мощного излучения, источникам оптических частотных гребенок или компактным многочастотным лазерам, обеспечивающим одновременную стабильную генерацию на нескольких длинах волн (частотах), что очень важно для многих практических применений. Настоящее изобретение может найти применение в метрологии с использованием гетеродинного эффекта, компактных спектроскопических сенсоров, включая носимые устройства, когерентных лидарах, оптической передаче данных и т.д.The described effect is provided by two mechanisms. The first mechanism is resonant optical feedback from a high-Q optical microresonator as a result of injection of laser radiation scattered in a high-Q microresonator back into the laser. The second mechanism is the competition of longitudinal laser modes under optical feedback conditions, which leads to an effective redistribution of laser power in favor of one or several narrow laser lines. In the case of a microcavity made of a material having an intensity-dependent refractive index, the generation of spectrally narrow laser lines at a power level above the pump threshold can provide a parametrically generated one or more optical frequency combs having many narrow spectral modes spaced at fixed frequency values. In addition, the present invention relates to compact sources of highly coherent high-power radiation, sources of optical frequency combs or compact multi-frequency lasers providing simultaneous stable generation at several wavelengths (frequencies), which is very important for many practical applications. The present invention may find application in metrology using the heterodyne effect, compact spectroscopic sensors, including wearable devices, coherent lidars, optical data transmission, etc.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

Существуют различные подходы к стабилизации частоты лазера и сужению лазерного спектра, включая подходы, в которых используется затягивание частоты лазера высокодобротным микрорезонатором, которые можно считать известными аналогами настоящего изобретения. Кроме того, специалисты смогут получить представление о физических принципах и/или конкретных материальных и технических средствах, лежащих в основе настоящего изобретения, из ряда источников информации, представленных ниже.There are various approaches to stabilizing the laser frequency and narrowing the laser spectrum, including approaches that use the laser frequency pulling by a high-Q microcavity, which can be considered known analogues of the present invention. In addition, specialists will be able to get an idea of the physical principles and / or specific material and technical means underlying the present invention from a number of information sources presented below.

Общий подход к пассивной стабилизации частоты лазера и сужению лазерного спектра состоит в использовании резонансной оптической обратной связи от внешнего оптического элемента. Различные возмущения, такие как изменение температуры и вибрация, могут вызывать колебания длины волны, уровня мощности и оптической фазы лазера. Более стабильный внешний оптический элемент, обеспечивающий спектрально-селективную оптическую обратную связь, такой как дифракционная решетка [1], высокодобротный резонатор Фабри-Перо (ФП) [2] или их комбинация, позволяет обеспечить сужение лазерного спектра и стабильную частоту лазерной генерации. При использовании высокодобротного резонатора стабилизированный лазер излучает гораздо выше порога генерации, и оптимальная стабилизация частоты достигается при слабой оптической обратной связи (<10-4). Метод оптической обратной связи от внешнего высокодобротного резонатора позволяет получить более высокую выходную мощность и лучшую кратковременную стабильность, чем стабилизация с использованием дифракционной решетки. Однако высокодобротные резонаторы ФП, успешно используемые для многих применений лазерной стабилизации, являются сравнительно громоздкими и используются только в лабораториях. Кроме того, высокоточные зеркальные покрытия предназначены для одного узкого диапазона длины волны.A general approach to passively stabilizing the laser frequency and narrowing the laser spectrum is to use resonant optical feedback from an external optical element. Various disturbances, such as changes in temperature and vibration, can cause fluctuations in the wavelength, power level, and optical phase of the laser. A more stable external optical element providing spectrally selective optical feedback, such as a diffraction grating [1], a high-quality Fabry-Perot resonator (FP) [2], or a combination thereof, allows for narrowing of the laser spectrum and a stable laser frequency. When using a high-Q cavity, the stabilized laser emits much higher than the generation threshold, and optimal frequency stabilization is achieved with weak optical feedback (<10 -4 ). The method of optical feedback from an external high-Q resonator allows to obtain a higher output power and better short-term stability than stabilization using a diffraction grating. However, high-Q FP resonators, successfully used for many laser stabilization applications, are relatively bulky and are used only in laboratories. In addition, high-precision mirror coatings are designed for one narrow wavelength range.

Другим подходом к стабилизации частоты лазера и сужению спектра является внедрение компактных высокодобротных кристаллических МШГ-микрорезонаторов [3]. Компактные кольцевые резонаторы имеют характерный размер 0,1-10 мм и могут обладать сверхвысокой добротностью от ультрафиолетовой области спектра (УФ) до средней инфракрасной области (СИК). Оптическая обратная связь от высокодобротного кристаллического МШГ-микрорезонатора основана на резонансном рэлеевском рассеянии в результате неоднородностей поверхности резонатора: некоторая часть излучения отражается обратно в лазер, когда частота лазерного излучения согласована с частотой моды резонатора. Иными словами, спектрально селективная часть лазерного излучения, самоинжектированная обратно в лазер, затягивает его частоту генерации. Этот процесс, названный «затягивание частоты генерации лазера», обеспечивает быструю оптическую обратную связь и приводит к значительному сужению лазерного спектра. На сегодняшний день имеются сообщения о достижении сужения ширины линии и стабилизации частоты различных типов лазеров, включая квантовые каскадные лазеры [4] и лазеры с распределенной обратной связью (РОС) [5], посредством затягивания частоты генерации лазера МШГ-микрорезонатором, и фактически продемонстрировано уменьшение ширины линии до уровня ~1 Гц.Another approach to stabilizing the laser frequency and narrowing the spectrum is the introduction of compact high-Q crystalline WGM microcavities [3]. Compact ring resonators have a characteristic size of 0.1-10 mm and can have an ultra-high Q factor from the ultraviolet region of the spectrum (UV) to the middle infrared region (SIR). The optical feedback from a high-Q crystalline WGM microcavity is based on Rayleigh resonance scattering as a result of the inhomogeneities of the resonator surface: a certain part of the radiation is reflected back to the laser when the frequency of the laser radiation is consistent with the frequency of the resonator mode. In other words, the spectrally selective part of the laser radiation, self-injected back into the laser, draws in its lasing frequency. This process, called "pulling the laser generation frequency", provides fast optical feedback and leads to a significant narrowing of the laser spectrum. To date, there have been reports of narrowing the line width and stabilizing the frequency of various types of lasers, including quantum cascade lasers [4] and distributed feedback lasers (POS) [5], by delaying the generation frequency of the WGM laser by a microcavity, and a decrease has actually been demonstrated line widths up to ~ 1 Hz.

Затягивание частоты генерации лазера с использованием МШГ-микрорезонаторов в основном применяется для стабилизации частоты и сужения спектра одномодовых лазерных диодов, предварительно стабилизированных решеткой, помещенной в активную среду лазера, например, РОС-лазеров [6], или с использованием любых типов брэгговских отражателей. Основной причиной является лучшая стабильность частоты лазера, когда в пределах ширины полосы усиления лазера находится всего одна мода микрорезонатора, поскольку при создании несколькими модами одинаковой оптической обратной связи может возникнуть нежелательная многомодовая генерация и конкуренция мод. Обычно МШГ-микрорезонаторы со сверхвысокой добротностью имеют большую спектральную плотность резонансных мод, а вышеупомянутые лазеры с предварительной стабилизацией имеют относительно узкую ширину линии, ~ 1-10 МГц, и ограниченную мощность излучения порядка десятков милливатт. Также известно, что кристаллический MgF2 оптический микрорезонатор с накачкой компактным лазером с распределенной обратной связью (РОС), частота генерации которого затянута оптическим резонатором, обеспечивает компактный источник оптических частотных гребенок [7-9]. Когда РОС-лазер соединен с оптическим МШГ-микрорезонатором посредством призмы полного внутреннего отражения, часть излучения рассеивается обратно в РОС-лазер в результате резонансного рэлеевского рассеяния, вызывая затягивание частоты лазера на частоте выбранной моды оптического микрорезонатора. Этот эффект затягивания частоты лазера приводит к сужению ширины линии лазера на 3-4 порядка по сравнению с шириной линии РОС-лазера в режиме свободной генерации, что необходимо для эффективной передачи излучения из лазера в оптический микрорезонатор и генерации оптической частотной гребенки. Однако более мощные лазеры с узкой шириной линии, необходимые для многих применений, включая когерентные лидары и спектроскопию, требуют последующего усиления, что приводит к потере компактности. Кроме того, РОС-лазеры недоступны на всех требуемых длинах волн, соответствующих конкретным атомно-оптическим переходам. Чтобы решить эту проблему, полупроводниковые оптические усилители (ПОУ), доступные в гораздо более широком диапазоне длин волн, используются для стабилизации в микрорезонаторах с предварительным сужением спектра генерации посредством резонатора с дифракционной решеткой [10]. Конфигурации с двумя резонаторами обычно приводят к сложным устройствам, которые не могут быть компактными.Tightening the laser generation frequency using WGM microresonators is mainly used to stabilize the frequency and narrow the spectrum of single-mode laser diodes, previously stabilized by a grating placed in the active medium of a laser, for example, POC lasers [6], or using any type of Bragg reflector. The main reason is the best stability of the laser frequency, when there is only one microcavity mode within the laser gain bandwidth, since undesired multimode generation and mode competition can occur when several modes create the same optical feedback. Usually WGM microcavities with ultra-high Q factor have a high spectral density of resonance modes, and the aforementioned lasers with preliminary stabilization have a relatively narrow line width, ~ 1-10 MHz, and a limited radiation power of the order of tens of milliwatts. It is also known that crystalline MgF 2 optical microcavity pumped by a compact distributed feedback laser (POC), the generation frequency of which is pulled by an optical resonator, provides a compact source of optical frequency combs [7–9]. When the POC laser is connected to the optical WGM microcavity through a prism of total internal reflection, part of the radiation is scattered back to the POC laser as a result of resonant Rayleigh scattering, causing the laser frequency to be pulled at the frequency of the selected mode of the optical microcavity. This effect of delaying the laser frequency leads to a narrowing of the laser line width by 3-4 orders of magnitude compared to the line width of the POC laser in the free-running mode, which is necessary for efficient transmission of radiation from the laser to the optical microcavity and generation of the optical frequency comb. However, more powerful lasers with a narrow line width, which are necessary for many applications, including coherent lidars and spectroscopy, require subsequent amplification, which leads to a loss of compactness. In addition, POC lasers are not available at all required wavelengths corresponding to specific atomic-optical transitions. To solve this problem, semiconductor optical amplifiers (POAs), available in a much wider range of wavelengths, are used for stabilization in microcavities with a preliminary narrowing of the generation spectrum by means of a resonator with a diffraction grating [10]. Dual resonator configurations typically result in complex devices that cannot be compact.

К другим важным прототипам настоящего изобретения относятся двухчастотные лазеры, необходимые для применения в спектроскопии [11], лидарах [12], голографической интерферометрии [13], оптических терагерцевых источниках [14] и других областях. Во-первых, двухчастотный прибор с широким разнесением (сотни нм) можно реализовать с использованием, например, двухчастотной генерации на двух различных ионах в одном твердотельном лазерном материале или одновременной генерации на двух длинах волн в одном ионе. Традиционно, двухчастотная генерация с небольшой разностью длин волн (до десятков нм) осуществлялась с использованием электрооптической или акустооптической модуляции одночастотного лазерного излучения. Однако такие устройства не очень компактны. На данный момент разработаны различные методы обеспечения работы на двух длинах волн компактной диодной лазерной системы, и их можно разделить на две основные категории: (1) монолитные двухчастотные диодные лазеры и (2) диодные лазерные системы на основе различных методов обратной связи от внешнего резонатора. Монолитные двухчастотные диодные лазеры демонстрируют стабильную работу на двух длинах волн, однако имеют ограниченный диапазон подстройки разности частот двух длин волн, и выходная мощность обычно составляет менее 500 мВт. В методах обратной связи от внешнего резонатора использовались различные селективные по частоте элементы, например, объемные дифракционные решетки для методов с внешними резонаторами с конфигурацией типа «двойной Литтман» и «двойной Литтров», двухволоконная брэгговская решетка, двухпериодный голографический элемент и одночастотные объемные брэгговские решетки или монолитная мультиплексная брэгговская решетка. Усиливающая среда в двухчастотной диодной лазерной системе с внешним резонатором обычно представляет собой одномодовый диодный лазер с гребешковым волноводом, поэтому выходная мощность этих лазерных систем обычно составляет несколько сотен милливатт.Other important prototypes of the present invention include dual-frequency lasers necessary for use in spectroscopy [11], lidars [12], holographic interferometry [13], terahertz optical sources [14] and other fields. Firstly, a two-frequency device with a wide diversity (hundreds of nm) can be realized using, for example, two-frequency generation at two different ions in one solid-state laser material or simultaneous generation at two wavelengths in one ion. Traditionally, two-frequency generation with a small difference in wavelengths (up to tens of nm) was carried out using electro-optical or acousto-optical modulation of single-frequency laser radiation. However, such devices are not very compact. At present, various methods have been developed to ensure operation of the compact diode laser system at two wavelengths, and they can be divided into two main categories: (1) monolithic two-frequency diode lasers and (2) diode laser systems based on various feedback methods from an external resonator. Monolithic dual-frequency diode lasers exhibit stable operation at two wavelengths, however, they have a limited tuning range for the difference in frequencies between the two wavelengths, and the output power is usually less than 500 mW. In feedback methods from an external resonator, various frequency-selective elements were used, for example, volume diffraction gratings for methods with external resonators with a configuration of the “double Littmann” and “double Litrov” type, a two-fiber Bragg grating, a two-period holographic element, and single-frequency volume Bragg gratings or monolithic multiplex Bragg grating. The amplifying medium in a two-frequency diode laser system with an external cavity is usually a single-mode diode laser with a scallop waveguide, so the output power of these laser systems is usually several hundred milliwatts.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Принимая во внимание изложенные выше технические проблемы, предлагаемое изобретение будет далее описано в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на описание и чертежи, представленные ниже.Given the above technical problems, the invention will be further described by way of example and not limitation, with reference to the description and drawings presented below.

Данное краткое изложение сущности изобретения предшествует подробному описанию конкретных примерных вариантов осуществления, чтобы дать общее представление аспектов заявленного изобретения, которые будут дополнительно объясняться ниже, и никоим образом не предназначено для определения или ограничения объема настоящего изобретения каким-либо образом.This summary of the invention precedes the detailed description of specific exemplary embodiments to give an overview of aspects of the claimed invention, which will be further explained below, and is in no way intended to define or limit the scope of the present invention in any way.

Задачей настоящего изобретения является предоставление компактного прибора на основе лазера с множеством продольных мод, стабилизированного высокодобротным микрорезонатором, для обеспечения одной или нескольких мощных узких лазерных линий, обычно имеющих ширину линии примерно 1 кГц или менее, а в некоторых случаях одной или нескольких параметрически генерируемых оптических частотных гребенок.The present invention is the provision of a compact laser-based device with many longitudinal modes, stabilized by a high-Q microcavity, to provide one or more powerful narrow laser lines, usually having a line width of about 1 kHz or less, and in some cases one or more parametrically generated optical frequency comb.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение мощности излучения лазерной генерации с узкой шириной линии без дополнительного усиления, сохраняя при этом компактный размер прибора с ограниченным числом оптических элементов. Повышение мощности излучения является результатом использования лазеров с множеством продольных мод широкого спектра, которые намного мощнее, чем традиционно используемые РОС-лазеры, стабилизированные МШГ-микрорезонатором для сужения спектра и генерации оптических частотных гребенок. В данном случае в отличие от лазерного прибора, упомянутого в [6], конкуренция продольных мод при условии резонансной оптической обратной связи приводит к эффективному перераспределению мощности лазера в пользу одной или нескольких узких лазерных линий на резонансных частотах высокодобротного микрорезонатора. Кроме того, настоящее изобретение позволяет получить более компактный и мощный двухчастотный или даже многочастотный лазерный прибор с генерацией узких линий, имеющий по меньшей мере один внешний высокодобротный резонатор. Также настоящее изобретение позволяет получить компактный мощный источник одной или нескольких параметрически генерируемых оптических частотных гребенок за счет использования упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора.The technical result of the present invention is to increase the laser radiation power with a narrow line width without additional amplification, while maintaining the compact size of the device with a limited number of optical elements. The increase in radiation power is the result of the use of lasers with many longitudinal modes of a wide spectrum, which are much more powerful than traditionally used ROS lasers stabilized by WGM microcavity for narrowing the spectrum and generating optical frequency combs. In this case, unlike the laser device mentioned in [6], the competition of the longitudinal modes under the condition of resonant optical feedback leads to an effective redistribution of the laser power in favor of one or several narrow laser lines at the resonant frequencies of the high-Q microcavity. In addition, the present invention allows to obtain a more compact and powerful dual-frequency or even multi-frequency laser device with the generation of narrow lines, having at least one external high-quality resonator. Also, the present invention allows to obtain a compact powerful source of one or more parametrically generated optical frequency combs through the use of the aforementioned at least one high-quality microcavity.

В одном аспекте настоящего изобретения лазерный прибор содержит по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод; по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор, связанный оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод; узел подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту; причем лазерный прибор выполнен с возможностью вывода выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты, и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.In one aspect of the present invention, the laser device comprises at least one laser with a plurality of longitudinal modes for generating laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes; at least one high-Q microcavity coupled by optical feedback to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes; a tuning unit for adjusting the spectrum of the plurality of longitudinal modes of the laser radiation so as to match each of at least one frequency of the individual longitudinal modes of the at least one laser with the plurality of longitudinal modes with the corresponding resonant frequency of the at least one high-Q microcavity, so as to obtain at least at least one agreed frequency; moreover, the laser device is configured to output the output laser radiation having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which at one of the at least one matched frequency, and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode.

Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, причем лазерный прибор дополнительно выполнен с возможностью получения по меньшей мере одной оптической частотной гребенки, и причем каждая из упомянутой по меньшей мере одной оптической частотной гребенки параметрически генерируется одной из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки генерации оптической частотной гребенки. According to one embodiment, said at least one high-Q microcavity is made of a material having an intensity-dependent refractive index, wherein the laser device is further configured to produce at least one optical frequency comb, and each of said at least one optical frequency comb parametrically generated by one of said at least one dominant longitudinal laser mode, if said at least one a dominant longitudinal laser mode has a higher pumping capacity threshold generating optical frequency comb.

Согласно одному варианту осуществления узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью как изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и изменения частоты каждой из отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод.According to one embodiment, the tuning unit is further configured to both vary the diversity of the longitudinal modes in the frequency domain and change the frequency of each of the individual longitudinal modes of the at least one laser with a plurality of longitudinal modes.

Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен с обеспечением оптической обратной связи с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод посредством генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты.According to one embodiment, said at least one high-Q microcavity is configured to provide optical feedback to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes by generating at least one counterpropagating mode, each of which is at one of said at least one matched frequency.

Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод представляет собой электрически запитываемый полупроводниковый лазерный диод.According to one embodiment, said at least one multi-longitudinal mode laser is an electrically powered semiconductor laser diode.

Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод и упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнены на одном кристалле с использованием микролитографии.According to one embodiment, said at least one multi-longitudinal-mode laser and said at least one high-Q microcavity are made on a single chip using microlithography.

Согласно другому варианту осуществления узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления током инжекции упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод и/или температурой активной среды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности.According to another embodiment, the tuning unit is further configured to control the injection current of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes and / or the temperature of the active medium of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes, preferably each of said at least one laser with many longitudinal modes separately.

Согласно еще одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод связан оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором посредством передачи излучения, рассеянного в упомянутом по меньшей мере одном высокодобротном микрорезонаторе, обратно в упомянутый меньшей мере один лазер с множеством продольных мод.According to yet another embodiment, said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is coupled by optical feedback to said at least one high-Q microcavity by transmitting radiation scattered in said at least one high-Q microcavity back to said at least one laser with a plurality longitudinal mod.

Согласно одному варианту осуществления один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод связан/связаны оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через элемент связи.According to one embodiment, one or more of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is coupled / connected by optical feedback to one or more of said at least one high-Q microcavity through a communication element.

Согласно одному варианту осуществления элемент связи представляет собой призму полного внутреннего отражения или коническое оптическое волокно или волновод.According to one embodiment, the coupling element is a prism of total internal reflection or a conical optical fiber or waveguide.

Согласно другому варианту осуществления один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора снабжен/снабжены дополнительным элементом связи.According to another embodiment, one or more of the at least one high-Q microcavity is provided with an additional coupling element.

Согласно одному варианту осуществления дополнительный элемент связи выполнен с возможностью вывода одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод, генерируемых в упомянутом одном или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, или упомянутой одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод и одной или нескольких оптических частотных гребенок, генерируемых в упомянутом одном или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра.According to one embodiment, the additional communication element is configured to output one or more dominant longitudinal laser modes generated in said one or more of said at least one high-Q microcavity, or said one or more dominant longitudinal laser modes and one or more optical frequency combs generated in said one or more of said at least one high-Q microcavity to filter Rowan non-resonant portion of the output spectrum.

Согласно другому варианту осуществления упомянутая по меньшей мере одна оптическая частотная гребенка является диссипативной солитонной керровской оптической гребенкой.According to another embodiment, said at least one optical frequency comb is a dissipative soliton Kerr optical comb.

Согласно еще одному другому варианту осуществления узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью подстройки резонансных частот высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора посредством как изменения разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и изменения резонансной частоты каждой из высокодобротных мод.According to yet another embodiment, the tuning unit is further configured to tune the resonant frequencies of the high-Q modes of said at least one high-Q microcavity by changing the diversity of high-Q modes in the frequency domain and changing the resonant frequency of each of the high-Q modes.

Согласно другому варианту осуществления узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления температурой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора и/или внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.According to another embodiment, the tuning unit is further configured to control the temperature of said at least one high-Q microcavity and / or the external pressure applied to said at least one high-Q microcavity, preferably to each of said at least one high-Q microcavity individually.

Согласно еще одному другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор изготовлен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на электромагнитное поле, прикладываемое к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, и причем узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.According to yet another embodiment, said at least one high-Q microresonator is made of electro-optical material that changes its refractive index in response to an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, and wherein the tuning unit is further configured to control the electromagnetic field, applied to said at least one high-Q microcavity, preferably to each of mentioned at least one high-quality microcavity separately.

Согласно еще одному другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор представляет собой МШГ-микрорезонатор.According to yet another embodiment, said at least one high-Q microcavity is a WGM microcavity.

Во втором аспекте изобретения способ преобразования лазерного спектра содержащий генерацию по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод; подстройку спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, связанного оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту; вывод выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.In a second aspect of the invention, a method for converting a laser spectrum comprising: generating at least one laser with a plurality of longitudinal modes of laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes; adjusting the spectrum of the plurality of longitudinal modes of laser radiation to match each of at least one frequency of a separate longitudinal mode of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes with a corresponding resonant frequency of at least one high-Q microcavity coupled by optical feedback with said at least one laser with many longitudinal modes, so as to obtain at least one matched frequency; the output of the output laser radiation having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which at one of said at least one matched frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode.

Согласно одному варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, и при этом способ дополнительно содержит параметрическую генерацию по меньшей мере одной оптической частотной гребенки каждой из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки генерации оптической частотной гребенки.According to one embodiment, said at least one high-Q microcavity is made of a material having an intensity-dependent refractive index, and the method further comprises parametric generation of at least one optical frequency comb of each of said at least one dominant longitudinal laser mode, if said at least one dominant longitudinal laser mode has a power above the pump threshold of the generation of an optical frequency comb.

Согласно одному варианту осуществления спектр множества продольных мод подстраивают как посредством изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и посредством изменения частоты каждой из отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод.According to one embodiment, the spectrum of the plurality of longitudinal modes is adjusted both 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 said at least one laser with a plurality of longitudinal modes.

Согласно другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен с обеспечением оптической обратной связи с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод путем генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты.According to another embodiment, said at least one high-Q microcavity is configured to provide optical feedback to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes by generating at least one counterpropagating mode, each of which at one of said at least one matched frequency.

Согласно другому варианту осуществления спектр множества продольных мод подстраивают путем управления током инжекции упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод и/или температурой активной среды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности.According to another embodiment, the spectrum of the plurality of longitudinal modes is adjusted by controlling the injection current of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes and / or the temperature of the active medium of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes, preferably each of said at least one laser with many longitudinal modes separately.

Согласно еще одному другому варианту осуществления упомянутую по меньшей мере одну встречно распространяющуюся моду, передаваемую обратно в упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод, генерируют в результате резонансного рэлеевского рассеяния в упомянутом по меньшей мере одном высокодобротном микрорезонаторе.According to yet another embodiment, said at least one counterpropagating mode transmitted back to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is generated by resonant Rayleigh scattering in said at least one high-Q microcavity.

Согласно одному варианту осуществления один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод связан/связаны оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через элемент связи.According to one embodiment, one or more of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is coupled / connected by optical feedback to one or more of said at least one high-Q microcavity through a communication element.

Согласно одному варианту осуществления элемент связи представляет собой призму полного внутреннего отражения или коническое оптическое волокно или волновод.According to one embodiment, the coupling element is a prism of total internal reflection or a conical optical fiber or waveguide.

Согласно другому варианту осуществления один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора снабжен/снабжены дополнительным элементом связи.According to another embodiment, one or more of the at least one high-Q microcavity is provided with an additional coupling element.

Согласно одному варианту осуществления одну или несколько доминантных продольных лазерных мод или упомянутую одну или несколько доминантных продольных лазерных мод и одну или несколько оптических частотных решеток выводят из одного или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через дополнительный элемент связи, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра.According to one embodiment, one or more dominant longitudinal laser modes or said one or more dominant longitudinal laser modes and one or more optical frequency gratings are removed from one or more of the at least one high-Q microcavity through an additional coupling element to filter out the non-resonant part of the output spectrum.

Согласно другому варианту осуществления резонансные частоты высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора подстраивают как посредством изменения разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и посредством изменения резонансной частоты каждой из высокодобротных мод.According to another embodiment, the resonant frequencies of the high-Q modes of said at least one high-Q microresonator are adjusted both by changing the diversity of the high Q modes in the frequency domain and by changing the resonant frequency of each of the high Q modes.

Согласно еще одному другому варианту осуществления способ дополнительно содержит управление температурой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора и/или внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.According to yet another embodiment, the method further comprises controlling the temperature of said at least one high-Q microcavity and / or the external pressure applied to said at least one high-Q microcavity, preferably each of said at least one high-Q microcavity individually.

Согласно другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор изготовлен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на электромагнитное поле, прикладываемое к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, и при этом способ дополнительно содержит управление электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.According to another embodiment, said at least one high-Q microcavity is made of electro-optical material that changes its refractive index in response to an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, and the method further comprises controlling an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, preferably to each of the at least one high-Q microcavity separately.

Согласно другому варианту осуществления упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор является МШГ-микрорезонатором.According to another embodiment, said at least one high-Q microcavity is an WGM microcavity.

В третьем аспекте изобретения способ работы лазерного прибора по любому из п.п.1-17, содержащий подстройку спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту; вывод выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.In a third aspect of the invention, a method of operating a laser device according to any one of claims 1 to 17, comprising adjusting a spectrum of a plurality of longitudinal modes of laser radiation to match each of at least one frequency of an individual longitudinal mode of at least one laser with a plurality of longitudinal modes with the corresponding resonant frequency of at least one high-Q microcavity, so as to obtain at least one matched frequency; the output of the output laser radiation having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which at one of said at least one matched frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Исходя из изложенных выше задачи настоящего изобретения и его аспектов, далее будут подробно описаны конкретные примерные варианты осуществления заявленного изобретения, которые следует рассматривать вместе с прилагаемыми чертежами и которые ни в коей мере не предназначены для определения или ограничения объема изобретения, а только раскрывают конкретные примеры его осуществления. Специалистам будут очевидны другие варианты осуществления, модификации или эквивалентные замены на основе данного описания, и все такие варианты осуществления, модификации и эквивалентные замены считаются включенными в настоящее изобретение.Based on the above objectives of the present invention and its aspects, specific exemplary embodiments of the claimed invention will be described in detail below, which should be considered together with the accompanying drawings and which are in no way intended to define or limit the scope of the invention, but only disclose specific examples of it implementation. Other embodiments, modifications or equivalent substitutions based on this description will be apparent to those skilled in the art, and all such embodiments, modifications and equivalent substitutions are considered to be included in the present invention.

Чертежи предоставлены исключительно с целью иллюстрации в качестве помощи при чтении и для понимания описания, и их не следует никоим образом рассматривать как определяющие или ограничивающие объем изобретения. На чертежах изображено следующее:The drawings are provided for the purpose of illustration only, as an aid to reading and to understand the description, and should not be construed in any way as defining or limiting the scope of the invention. The drawings show the following:

Фиг. 1а показывает один лазер L с множеством продольных мод, соединенный с одним кристаллическим оптическим высокодобротным микрорезонатором М, обеспечивающим распространение высокодобротных мод с использованием элемента связи, такого как призма С полного внутреннего отражения.FIG. 1a shows a single laser L with a plurality of longitudinal modes coupled to one crystalline optical high-Q microcavity M, which propagates high-Q modes using a coupling element such as prism C of total internal reflection.

Фиг. 1b показывает один лазер L с множеством продольных мод, соединенный с одним оптическим высокодобротным микрорезонатором M с использованием элемента C связи. Дополнительный элемент C2 связи может использоваться для отфильтровывания нерезонансной части генерируемого лазерного излучения.FIG. 1b shows a single laser L with a plurality of longitudinal modes coupled to one optical high-Q microcavity M using a coupling element C. An additional communication element C2 can be used to filter out the non-resonant part of the generated laser radiation.

Фиг. 2 схематично показывает пример одного лазера L1 с множеством продольных мод, стабилизированного одновременно несколькими параллельными высокодобротными микрорезонаторами M1… MN через несколько элементов связи C1… CN.FIG. 2 schematically shows an example of a single L 1 laser with many longitudinal modes stabilized simultaneously by several parallel high-Q microcavities M 1 ... M N through several coupling elements C 1 ... C N.

Фиг. 3 схематично показывает другой пример, в котором один лазер L1 с множеством продольных мод одновременно стабилизирован несколькими последовательными высокодобротными микрорезонаторами M1… MN через несколько элементов C1… CN связи.FIG. 3 schematically shows another example in which one L 1 laser with a plurality of longitudinal modes is simultaneously stabilized by several successive high-Q microcavities M 1 ... M N through several C 1 ... C N coupling elements.

Фиг. 4 схематично показывает еще один пример, в котором несколько лазеров L1… Lm с множеством продольных мод одновременно стабилизированы одним высокодобротным микрорезонатором M1.FIG. 4 schematically shows another example in which several lasers L 1 ... L m with many longitudinal modes are simultaneously stabilized by one high-Q microcavity M 1 .

Фиг. 5 показывает пример схемы с несколькими лазерами L1… Lm с множеством продольных мод, одновременно стабилизированными несколькими параллельными и последовательными N˟P высокодобротными микрорезонаторами MPN.FIG. 5 shows an example of a circuit with several lasers L 1 ... L m with many longitudinal modes stabilized simultaneously by several parallel and serial N˟P high-quality microcavities M PN .

Фиг. 6а показывает вариант конфигурации узла подстройки.FIG. 6a shows a configuration option of the tuning unit.

Фиг. 6b показывает пример схемы измерительного оборудования, используемого для управления преобразованиями спектра.FIG. 6b shows an example of a measurement equipment circuit used to control spectrum transforms.

Фиг. 7 показывает осциллограмму сигнала фотодетектора D с фиг. 1 (сплошная кривая), где частота лазера L с множеством продольных мод колеблется по оси абсцисс, и мощность резонансного обратного рэлеевского рассеяния (пунктирная кривая).FIG. 7 shows a waveform of the photodetector signal D of FIG. 1 (solid curve), where the frequency of a laser L with many longitudinal modes oscillates along the abscissa axis, and the power of resonant Rayleigh backscattering (dashed curve).

Фиг. 8 показывает пример преобразования спектра множества продольных мод лазера с продольными модами в выходной спектр выходного лазерного излучения, выдаваемого лазерным прибором, причем спектр имеет одну доминантную продольную лазерную моду, когда одна частота отдельной продольной моды согласуется с одной резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора.FIG. 8 shows an example of converting a spectrum of a plurality of longitudinal modes of a longitudinally-mode laser into an output spectrum of output laser radiation emitted by a laser device, the spectrum having one dominant longitudinal laser mode when one frequency of a separate longitudinal mode is consistent with one resonant frequency of a high-Q microcavity.

Фиг. 9а демонстрирует результат преобразования спектра по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, когда одна частота отдельной продольной моды согласуется с одной резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора.FIG. 9a shows the result of converting a spectrum of at least one laser with a plurality of longitudinal modes stabilized by at least one high-Q microcavity when one frequency of a separate longitudinal mode is consistent with one resonant frequency of at least one high-Q microcavity.

Фиг. 9b демонстрирует результат преобразования спектра упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, когда две частоты отдельных продольных мод согласуются с двумя резонансными частотами по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора.FIG. 9b shows the result of spectrum conversion of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes stabilized by at least one high-Q microcavity when two frequencies of individual longitudinal modes are consistent with two resonant frequencies of at least one high-Q microcavity.

Фиг. 9с демонстрирует результат преобразования спектра упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, когда четыре частоты отдельных продольных мод согласуются с четырьмя резонансными частотами по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора.FIG. 9c shows the result of spectrum conversion of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes stabilized by at least one high-Q microcavity when the four frequencies of the individual longitudinal modes are consistent with the four resonant frequencies of the at least one high-Q microcavity.

Фиг. 10а показывает результат преобразования спектра лазера с множеством продольных мод, стабилизированного высокодобротным микрорезонатором из фторида магния с генерацией одной доминантной продольной лазерной моды.FIG. 10a shows the result of converting a spectrum of a laser with many longitudinal modes stabilized by a high-quality microcavity of magnesium fluoride with the generation of one dominant longitudinal laser mode.

Фиг. 10b показывает пример оптического спектра параметрически сгенерированной оптической частотной гребенки в случае, показанном на фиг. 9а.FIG. 10b shows an example of an optical spectrum of a parametrically generated optical frequency comb in the case shown in FIG. 9a.

Фиг. 11а показывает оптический спектр двух одновременно сгенерированных оптических частотных гребенок (синие и красные кривые на фиг. 11а) в случае, когда лазер с множеством продольных мод стабилизирован высокодобротным микрорезонатором из фторида магния с генерацией двух доминантных продольных лазерных мод, осуществляющих накачку параметрически генерируемых частотных гребенок.FIG. 11a shows the optical spectrum of two simultaneously generated optical frequency combs (blue and red curves in Fig. 11a) in the case when a laser with many longitudinal modes is stabilized by a high-quality microcavity of magnesium fluoride with the generation of two dominant longitudinal laser modes pumping parametrically generated frequency combs.

Фиг. 11b показывает радиочастотный спектр биения узких мод гребенок.FIG. 11b shows a radio frequency beat spectrum of narrow comb modes.

Фиг. 12а схематично демонстрирует вид сверху лазерного прибора с по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод и по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, выполненными на одном кристалле с помощью микролитографии.FIG. 12a schematically shows a top view of a laser device with at least one laser with a plurality of longitudinal modes and at least one high-Q microcavity made on a single crystal using microlithography.

Фиг. 12b схематично демонстрирует вид сбоку лазерного прибора с фиг. 12а.FIG. 12b schematically shows a side view of the laser device of FIG. 12a.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION

Настоящее изобретение было создано с учетом ряда известных решений, продемонстрированных выше, и направлено, в частности, на устранение и/или смягчение по меньшей мере некоторых недостатков этих известных решений. В частности, варианты осуществления заявляемого изобретения, перечисленные выше, предусматривают лазерный прибор, содержащий по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод; по меньшей мере один оптический высокодобротный микрорезонатор, обеспечивающий распространение высокодобротных мод и связанный оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод, и узел подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Лазерный прибор выполнен с возможностью выдавать выходное лазерное излучение, имеющее преобразованный спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной моды. Кроме того, варианты осуществления заявленного изобретения предусматривают способ работы лазерного прибора.The present invention was created taking into account a number of known solutions shown above, and is aimed, in particular, to eliminate and / or mitigate at least some of the disadvantages of these known solutions. In particular, the embodiments of the claimed invention listed above provide a laser device comprising at least one laser with a plurality of longitudinal modes for generating laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes; at least one optical high-Q microcavity that propagates high-Q modes and is coupled by optical feedback to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes, and a tuning unit for adjusting the spectrum of the plurality of longitudinal modes of laser radiation to match each of at least one frequency individual modes of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes with a corresponding resonant frequency of said at least one is high soundly microcavity, so as to obtain at least one coherent frequency. The laser device is configured to provide output laser radiation having a transformed spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which is at one of said at least one matched frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal mode. In addition, embodiments of the claimed invention provide a method for operating a laser device.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные примерные варианты осуществления не следует ни в коем случае истолковывать как определяющие или ограничивающие объем заявляемого изобретения, и что специалистами могут быть предусмотрены другие материальные и технические средства, эквивалентные или явно аналогичные перечисленным ниже, для выполнения различных операций, функций, этапов способа и т.п., описанных ниже. Настоящее подробное описание не предназначено для определения или ограничения объема заявляемого изобретения, которое следует определять только посредством ссылки на прилагаемую формулу изобретения.Those skilled in the art will understand that the various exemplary embodiments should not be construed in any way as defining or limiting the scope of the claimed invention, and that other material and technical means equivalent or explicitly similar to those listed below may be provided by those skilled in the art to perform various operations, functions, method steps, etc. described below. The present detailed description is not intended to determine or limit the scope of the claimed invention, which should be determined only by reference to the attached claims.

Термин «высокодобротный микрорезонатор», используемый здесь, означает микрорезонатор, поддерживающий распространение волны, содержащий в себе излучение и имеющий характерный размер 0,01-10 мм, часто с около микрометрическим размером локализации светового поля в одном из направлений. Излучение отражается внутри на краях высокодобротного микрорезонатора в форме петли, которая создает серию оптических высокодобротных мод стоячей волны или высокодобротных резонансов, подобных тем, которые могут существовать на вибрирующей гитарной струне. В высокодобротном микрорезонаторе добротность Q высокодобротных мод превышает 105 и обычно составляет около 106-109, предпочтительно 108-109 и выше. В частности, высокодобротные микрорезонаторы могут быть сферическими, тороидальными, дисковыми или микрорезонаторами с любой другой формой высокодобротных мод шепчущей галереи (МШГ) с замкнутой траекторией излучения в полости резонатора, которые обеспечивают распространение мод шепчущей галереи, представляющих собой тип световых волн, которые могут распространяться по вогнутой поверхности. Моды шепчущей галереи, обнаруженные первоначально для звуковых волн в шепчущей галерее собора Святого Павла в Лондоне, могут существовать для световых и других волн. В другом частном случае высокодобротный микрорезонатор может представлять собой интегрированный резонатор различных конфигураций с замкнутой траекторией света вдоль волновода, позволяющей распространение высокодобротных специфических волноводных мод. Альтернативно, высокодобротные микрорезонаторы могут представлять собой линейный резонатор Фабри-Перо с замкнутым отрезком светового пути, равным удвоенной длине продольного резонатора, умноженной на показатель преломления материалов резонатора. В данном описании термины «микрорезонатор с высокой добротностью» и «высокодобротный микрорезонатор» используются в одном и том же значении и могут использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста. Термины «высокодобротная мода», «мода с высокой добротностью» используются в одном и том же значении для высокодобротной моды, которая распространяется в высокодобротном микрорезонаторе, и могут также использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста.The term "high-Q microcavity" as used here means a microcavity that supports wave propagation, containing radiation and having a characteristic size of 0.01-10 mm, often with about a micrometer size of localization of the light field in one direction. The radiation is reflected internally at the edges of a high-Q microcavity in the form of a loop, which creates a series of optical high-Q modes of a standing wave or high-Q resonances, similar to those that can exist on a vibrating guitar string. In a high-Q microcavity, the Q factor of the high-Q modes exceeds 10 5 and usually is about 10 6 -10 9 , preferably 10 8 -10 9 and higher. In particular, high-Q microresonators can be spherical, toroidal, disk, or microresonators with any other form of high-Q whispering gallery (WGM) modes with a closed radiation path in the cavity of the resonator, which ensure the propagation of whispering gallery modes, which are a type of light waves that can propagate along concave surface. Whispering gallery mods, originally discovered for sound waves in the whispering gallery of St Paul’s Cathedral in London, may exist for light and other waves. In another particular case, a high-Q microcavity can be an integrated resonator of various configurations with a closed light path along the waveguide, which allows the propagation of high-Q specific waveguide modes. Alternatively, high-Q microcavities can be a linear Fabry-Perot resonator with a closed segment of the light path equal to twice the length of the longitudinal resonator times the refractive index of the resonator materials. As used herein, the terms “high-Q microcavity” and “high-Q microcavity” are used in the same sense and can be used interchangeably depending on the context. The terms “high-Q mode”, “high-Q mode” are used in the same meaning for a high-Q mode, which is distributed in a high-Q microcavity, and can also be used interchangeably depending on the context.

В настоящем изобретении первое усовершенствование уровня техники заключается в увеличении мощности генерации излучения с узкой линией без дополнительного усиления, что позволяет получить прибор компактного размера с ограниченным числом оптических элементов. Увеличение мощности является результатом использования полупроводниковых лазеров с широким спектром излучения и с множеством продольных мод, которые намного мощнее, чем традиционно используемые полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (РОС), стабилизированные МШГ-микрорезонатором. Известно, что одномодовый РОС-лазер, имеющий характерную спектральную ширину 1-10 МГц, связанный с МШГ-микрорезонатором из фторида магния, обеспечивает лазерную генерацию с узкой (<1 кГц) шириной линии благодаря резонансной оптической обратной связи, создаваемой рэлеевским рассеянием в микрорезонаторе, выводимом обратно в РОС-лазер [5]. Также хорошо известен компактный источник оптической частотной гребенки, в котором кристаллический MgF2 оптический МШГ-микрорезонатор накачивается компактным лазером с распределенной обратной связью (РОС), который стабилизирован оптическим резонатором [7-9]. Когда РОС-лазер связан с оптическим МШГ-микрорезонатором через призму полного внутреннего отражения, часть света рассеивается обратно в РОС-лазер в результате резонансного рэлеевского рассеяния, вызывая затягивание частоты лазера на частоте выбранной оптической моды МШГ-микрорезонатора. Этот эффект затягивания частоты генерации лазера приводит к сужению ширины линии лазера на 3-4 порядка по сравнению с шириной линии РОС-лазера в режиме свободной генерации (1-10 МГц), что необходимо для эффективной передачи света из лазера в оптический МШГ-микрорезонатор и генерации оптической частотной гребенки.In the present invention, the first improvement of the prior art is to increase the power of generating radiation with a narrow line without additional amplification, which allows to obtain a compact device with a limited number of optical elements. The increase in power is the result of the use of semiconductor lasers with a wide spectrum of radiation and with many longitudinal modes, which are much more powerful than the conventionally used semiconductor lasers with distributed feedback (ROS), stabilized by an WGM microcavity. It is known that a single-mode POC laser with a characteristic spectral width of 1-10 MHz coupled to a WGM microcavity made of magnesium fluoride provides laser generation with a narrow (<1 kHz) line width due to resonant optical feedback generated by Rayleigh scattering in the microcavity, output back to the POC laser [5]. A compact optical frequency comb source is also well known, in which crystalline MgF 2 optical WGM microcavity is pumped by a compact distributed feedback laser (ROS), which is stabilized by an optical resonator [7–9]. When the POC laser is coupled to the optical WGM microcavity through a prism of total internal reflection, part of the light is scattered back to the POC laser as a result of resonant Rayleigh scattering, causing the laser frequency to be pulled at the frequency of the selected optical mode of the WGM microcavity. This effect of delaying the laser generation frequency leads to a narrowing of the laser line width by 3–4 orders of magnitude compared to the line width of the POC laser in the free-running mode (1–10 MHz), which is necessary for efficient light transmission from the laser to the optical WGM microcavity and generating an optical frequency comb.

Существующие РОС-лазеры имеют мощность излучения, ограниченную 50 мВт, и ограниченный рабочий спектральный диапазон. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обычный более мощный лазер с множеством продольных мод, также известный как лазер Фабри-Перо, связанный с высокодобротным микрорезонатором, аналогичным образом обеспечивает генерацию узкой линии излучения, но с повышенной мощностью. Генерация узкой линии излучения большой мощности может обеспечить параметрически генерируемую оптическую частотную гребенку высокой мощности. Лазер с множеством продольных мод содержит оптический резонатор Фабри-Перо, обычно содержащий два плоскопараллельных зеркала или два вогнутых зеркала и активную среду, заключенную внутри резонатора. Выходной спектр лазера имеет ширину, определяемую полосой усиления активной среды лазера, заполненной спектральными линиями, разнесенными на фиксированную частоту, обратно пропорциональную длине резонатора Фабри-Перо. Ширина спектральных линий зависит от отражательной способности зеркал резонатора Фабри-Перо. В данном описании термины «множество продольных мод» или «лазерные спектральные линии» имеют одно и то же значение и могут использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста. В контексте настоящей заявки термин «лазерная спектральная линия» подразумевает линию лазерной генерации отдельной продольной моды.Existing POC lasers have a radiation power limited to 50 mW and a limited working spectral range. In some embodiments of the present invention, a conventional, more powerful laser with many longitudinal modes, also known as a Fabry-Perot laser coupled to a high-Q microcavity, similarly provides generation of a narrow emission line, but with increased power. Generation of a narrow high power emission line can provide a parametrically generated high power optical frequency comb. A laser with many longitudinal modes contains a Fabry-Perot optical resonator, usually containing two plane-parallel mirrors or two concave mirrors and an active medium enclosed inside the resonator. The output spectrum of the laser has a width determined by the gain band of the active medium of the laser, filled with spectral lines spaced at a fixed frequency, inversely proportional to the length of the Fabry-Perot resonator. The width of the spectral lines depends on the reflectivity of the mirrors of the Fabry-Perot resonator. As used herein, the terms “multiple longitudinal modes” or “laser spectral lines” have the same meaning and can be used interchangeably depending on the context. In the context of this application, the term "laser spectral line" refers to the laser line of a separate longitudinal mode.

Авторы обнаружили, что для получения стабильной лазерной одночастотной генерации узкой линии в лазерных диодах не требуются первоначальный предварительный выбор мод и предварительная стабилизация, и высокодобротный микрорезонатор также может эффективно справиться с этими задачами. Следовательно, можно использовать более простые и дешевые лазерные диоды Фабри-Перо (ФП) большей мощности. Например, спектр обычного полупроводникового лазера ближнего инфракрасного диапазона с краевым излучением имеет спектральные линии шириной 20-40 МГц, разнесенные на частоту 15-40 ГГц в спектральном диапазоне шириной 10-20 нм. В одном аспекте вариантов осуществления настоящего изобретения, если такой лазер соединен с высокодобротным микрорезонатором, а частота одной из отдельных продольных мод лазера согласована с одной из резонансных частот высокодобротного микрорезонатора, на этой согласованной частоте происходит резонансная оптическая обратная связь от высокодобротного микрорезонатора. Далее, конкуренция продольных мод в условиях резонансной оптической обратной связи приводит к эффективному перераспределению мощности лазера в пользу одной доминантной продольной лазерной моды на согласованной частоте и уменьшению ее ширины линии вплоть до ширины линии резонансной моды микрорезонатора. Используемые в данном контексте термины «доминантные продольные лазерные моды» и «спектрально узкие лазерные линии» имеют одно и то же значение и могут использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста. В контексте настоящей заявки термин «спектрально узкая лазерная линия» означает линию генерации доминантной продольной лазерной моды, ширина линии которой уменьшена до ширины резонансной моды микрорезонатора благодаря взаимодействию с высокодобротным микрорезонатором.The authors found that to obtain stable single-frequency narrow-line laser generation in laser diodes, initial preliminary mode selection and preliminary stabilization are not required, and a high-Q microcavity can also effectively cope with these problems. Therefore, it is possible to use simpler and cheaper Fabry-Perot (FP) laser diodes of higher power. For example, the spectrum of a conventional near-infrared semiconductor laser with edge radiation has spectral lines 20-40 MHz wide spaced 15-40 GHz in the spectral range 10-20 nm wide. In one aspect of the embodiments of the present invention, if such a laser is connected to a high-Q microcavity, and the frequency of one of the individual longitudinal modes of the laser is matched to one of the resonant frequencies of the high-Q microcavity, resonant optical feedback from the high-Q microcavity occurs at this matched frequency. Further, the competition of longitudinal modes under conditions of resonant optical feedback leads to an effective redistribution of laser power in favor of one dominant longitudinal laser mode at a consistent frequency and a decrease in its line width up to the line width of the resonant mode of the microresonator. Used in this context, the terms “dominant longitudinal laser modes” and “spectrally narrow laser lines” have the same meaning and can be used interchangeably depending on the context. In the context of the present application, the term “spectrally narrow laser line” means a generation line of a dominant longitudinal laser mode, the line width of which is reduced to the width of the resonant mode of the microcavity due to interaction with a high-quality microcavity.

В контексте настоящей заявки термины «согласование», «согласованная частота» означают следующее. Обычно ширина отдельной продольной моды (20-40 МГц) намного шире, чем ширина резонансной моды микрорезонатора (100 кГц-1 МГц). Поэтому при подстройке лазерного спектра необходимо получить область наложения спектральной кривой отдельной продольной моды со спектральной кривой резонансной моды микрорезонатора в частотной области. При этом для обеспечения оптической обратной связи от микрорезонатора будет достаточно части лазерной мощности отдельной продольной моды, соответствующей области наложения. В этом случае упомянутая согласованная частота соответствует резонансной частоте микрорезонатора, а центр спектральной кривой отдельной продольной моды и центр спектральной кривой резонансной моды микрорезонатора могут не совпадать в частотной области и могут быть просто близки друг к другу. Обычно «согласование» может быть достигнуто, когда резонансная частота микрорезонатора находится на склоне спектральной кривой отдельной продольной моды. Очевидно, что возможны и другие относительные положения спектральных кривых отдельных продольных мод и спектральных кривых резонансных мод микрорезонатора, соответствующие их согласованию и обеспечивающие различные степени оптической обратной связи от микрорезонатора. Уровни степеней обратной связи нескольких одновременно стабилизированных отдельных продольных мод существенно влияют на их конкуренцию и перераспределение лазерной мощности в пользу одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод. Доминантные продольные лазерные моды соответствуют продольным лазерным модам на согласованных частотах, где их амплитуды мощности в несколько раз превышают амплитуды ближайших соседних мод или боковых мод в результате конкуренции мод. Кроме того, боковые моды подавляются в результате перераспределения лазерной мощности в пользу доминантных продольных мод. Степень доминирования моды обычно характеризует коэффициент подавления боковой моды (КПБМ), который представляет собой отношение амплитуды доминантной моды к амплитудам ближайших боковых мод. В соответствии с настоящим изобретением, КПБМ для стабилизированных мод, как правило, находится в диапазоне 30-60 дБ, предпочтительно в диапазоне 40-60 дБ. Например, 40 дБ часто обеспечивает достаточную степень доминирования моды для целей данного изобретения.In the context of this application, the terms “matching”, “agreed frequency” mean the following. Typically, the width of a single longitudinal mode (20–40 MHz) is much wider than the width of the resonant mode of a microresonator (100 kHz – 1 MHz). Therefore, when tuning the laser spectrum, it is necessary to obtain the overlap region of the spectral curve of a separate longitudinal mode with the spectral curve of the resonance mode of the microresonator in the frequency domain. In this case, to provide optical feedback from the microcavity, a part of the laser power of a separate longitudinal mode corresponding to the overlapping region will be sufficient. In this case, the agreed-upon frequency corresponds to the resonant frequency of the microresonator, and the center of the spectral curve of a separate 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 simply be close to each other. Usually, “matching” can be achieved when the resonant frequency of the microresonator is on the slope of the spectral curve of a separate longitudinal mode. Obviously, other relative positions of the spectral curves of individual longitudinal modes and the spectral curves of the resonance modes of the microresonator are possible, corresponding to their matching and providing various degrees of optical feedback from the microresonator. The levels of feedback degrees of several simultaneously stabilized individual longitudinal modes significantly affect their competition and the redistribution of laser power in favor of one or more dominant longitudinal laser modes. Dominant longitudinal laser modes correspond to longitudinal laser modes at matched frequencies, where their power amplitudes are several times higher than the amplitudes of the nearest neighboring modes or side modes as a result of mode competition. In addition, side modes are suppressed as a result of redistribution of laser power in favor of dominant longitudinal modes. The degree of mode dominance usually characterizes the side mode suppression coefficient (CBPM), which is the ratio of the amplitude of the dominant mode to the amplitudes of the nearest side modes. In accordance with the present invention, the CBMP for stabilized modes is typically in the range of 30-60 dB, preferably in the range of 40-60 dB. For example, 40 dB often provides a sufficient degree of mode dominance for the purposes of this invention.

В настоящем изобретении, поскольку обычные лазеры с множеством продольных мод намного мощнее (до 500 мВт в непрерывном режиме), чем РОС-лазеры, результирующая мощность генерации узкой линии увеличивается, и также увеличивается мощность потенциально генерируемой оптической частотной гребенки. Так как полупроводниковые лазеры Фабри-Перо охватывают более широкий спектральный диапазон, чем РОС-лазеры, можно получить генерацию узкой линии, используя связь с высокодобротным микрорезонатором на любой оптической частоте, необходимой для конкретного применения.In the present invention, since conventional lasers with many longitudinal modes are much more powerful (up to 500 mW in continuous mode) than POC lasers, the resulting narrow-line generation power is increased, and the power of a potentially generated optical frequency comb is also increased. Since Fabry-Perot semiconductor lasers cover a wider spectral range than POC lasers, narrow line generation can be obtained by using a coupling with a high-Q microcavity at any optical frequency necessary for a particular application.

Второе усовершенствование уровня техники с лазером с множеством продольных мод, стабилизированным высокодобротным микрорезонатором, заключается в возможности одновременной выдачи нескольких доминантных продольных лазерных мод, когда несколько частот нескольких продольных мод лазера с множеством продольных мод одновременно согласованы с несколькими резонансными частотами высокодобротного микрорезонатора. Это позволяет получить прибор компактного размера, содержащий всего один лазер с множеством продольных мод и один высокодобротный микрорезонатор, выступающий в качестве внешнего резонатора, в частности, позволяет создать наиболее компактный и мощный двухчастотный или даже многочастотный лазерный прибор со стабилизированными частотами и уменьшенной шириной линии.A second improvement of the prior art with a laser with a plurality of longitudinal modes stabilized by a high-Q microcavity is the possibility of simultaneously producing several dominant longitudinal laser modes when several frequencies of several longitudinal laser modes with many longitudinal modes are simultaneously matched with several resonant frequencies of a high-Q microcavity. This makes it possible to obtain a compact-sized device containing only one laser with many longitudinal modes and one high-Q microcavity acting as an external resonator, in particular, it allows to create the most compact and powerful two-frequency or even multi-frequency laser device with stabilized frequencies and reduced line width.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 1а, лазер L с множеством продольных мод связан оптической обратной связью с кристаллическим оптическим высокодобротным микрорезонатором М через элемент связи С, такой как призма связи с полным внутренним отражением. Высокодобротный микрорезонатор М обеспечивает распространение циркулирующих высокодобротных мод. В частном случае высокодобротный микрорезонатор M может представлять собой высокодобротный МШГ-микрорезонатор, обеспечивающий распространение циркулирующих мод шепчущей галереи (МШГ). Лазер генерирует лазерное излучение 1, имеющее спектр множества продольных мод. Лазерный прибор имеет узел TU подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения 1, генерируемого лазером L с множеством продольных мод. Узел TU подстройки выполнен с возможностью как изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и изменения частоты каждой из отдельных продольных мод лазера L для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды лазера L с соответствующей (в частотной области) резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора М, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Например, если «по меньшей мере одна», использованная в фразе «каждая из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды», равна единице, это означает, что каждая из одной частоты одной отдельной продольной моды лазера L с множеством продольных мод согласована с одной соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора. В этом случае одну согласованную частоту получают для одной пары частот. Если «по меньшей мере одна», использованная в фразе «каждая из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды», равна трем, это означает, что каждая из трех частот трех отдельных продольных мод лазера L с множеством продольных мод согласована с соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора. В этом случае получают три согласованные частоты для трех пар частот, где первая частота первой отдельной продольной моды согласована с первой резонансной частотой, вторая частота второй отдельной продольной моды согласована со второй резонансной частотой, третья частота третьей отдельной продольной моды согласована с третьей резонансной частотой. Если «по меньшей мере одна», используемая во фразе «каждая из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды», равна N, это означает, что N частот N отдельных продольных мод лазера L с множеством продольных мод согласовано с N соответствующих резонансных частот высокодобротного микрорезонатора, где N - число, равное или больше 1. В этом случае получают N согласованных частот для N пар частот, где 1-я частота 1-й отдельной продольной моды согласована с 1-й резонансной частотой, 2-я частота 2-й отдельной продольной моды согласована со 2-й резонансной частотой,..., N-я частота N-й отдельной продольной моды согласована с N-й резонансной частотой.In one embodiment of the present invention shown in FIG. 1a, a laser L with a plurality of longitudinal modes is coupled optical feedback with a crystalline optical high-Q microcavity M through a communication element C, such as a prism of communication with total internal reflection. High-Q microcavity M provides the distribution of circulating high-Q modes. In a particular case, a high-Q microcavity M can be a high-Q WGM microcavity, which ensures the propagation of circulating whispering gallery modes (WGM). The laser generates laser radiation 1 having a spectrum of a plurality of longitudinal modes. The laser device has a tuning unit TU for tuning the spectrum of a plurality of longitudinal modes of laser radiation 1 generated by a laser L with a plurality of longitudinal modes. The tuning unit TU is configured to both vary the longitudinal mode spacing in the frequency domain and change the frequency of each of the individual longitudinal laser modes L to match each of at least one frequency of a separate longitudinal laser mode L with the corresponding (in the frequency domain) high-Q resonant frequency microcavity M, so as to obtain at least one matched frequency. For example, if “at least one” used in the phrase “each of at least one frequency of a separate longitudinal mode” is equal to unity, this means that each of one frequency of one separate longitudinal mode of a laser L with many longitudinal modes is matched with one the corresponding resonant frequency of a high-Q microcavity. In this case, one matched frequency is obtained for one pair of frequencies. If “at least one” used in the phrase “each of at least one frequency of a separate longitudinal mode” is equal to three, this means that each of the three frequencies of three separate longitudinal modes of the laser L with many longitudinal modes is consistent with the corresponding resonant frequency high-quality microcavity. In this case, three matched frequencies are obtained for three pairs of frequencies, where the first frequency of the first individual longitudinal mode is matched with the first resonant frequency, the second frequency of the second individual longitudinal mode is matched with the second resonant frequency, and the third frequency of the third individual longitudinal mode is matched with the third resonant frequency. If “at least one” used in the phrase “each of at least one frequency of a separate longitudinal mode” is N, this means that N frequencies N of individual longitudinal laser modes L with many longitudinal modes are consistent with N corresponding high-quality resonant frequencies microcavity, where N is a number equal to or greater than 1. In this case, N matched frequencies are obtained for N frequency pairs, where the 1st frequency of the 1st separate longitudinal mode is matched with the 1st resonant frequency, the 2nd frequency is the 2nd separate longitudinal mode matched with the 2nd resonance frequency, ..., Nth frequency of the Nth separate longitudinal mode is consistent with the Nth resonant frequency.

Высокодобротный микрорезонатор M обеспечивает оптическую обратную связь с упомянутым по меньшей мере с одним лазером с множеством продольных мод посредством генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды (см. «мода-s» на фиг. 1a), каждая из которых на одной из по меньшей мере одной согласованной частоты. В некоторых вариантах осуществления, когда высокодобротный микрорезонатор M представляет собой МШГ-микрорезонатор с высокой добротностью, высокодобротный микрорезонатор M обеспечивает оптическую обратную связь с упомянутым по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод, посредством генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды шепчущей галереи (МШГ), причем каждая на одной из по меньшей мере одной согласованной частоты. Упомянутая по меньшей мере одна встречно распространяющаяся мода (мода-s) передается обратно в лазер L с множеством продольных мод. Лазерное излучение 2, поступающее на фотодетектор D, объединяет излучение, поступившее из высокодобротного микрорезонатора M через призму C связи с полным внутренним отражением, и лазерное излучение 1, не переданное в высокодобротный микрорезонатор M. Упомянутая по меньшей мере одна встречно распространяющейся мода (мода-s), переданная обратно в лазер L с множеством продольных мод в форме световой волны (волн) S, обеспечивается благодаря резонансному рэлеевскому рассеянию в высокодобротном микрорезонаторе М. При условии резонансной оптической обратной связи мощность лазера L с множеством продольных мод эффективно перераспределяется за счет конкуренции продольных мод в пользу по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, причем каждая на одной из по меньшей мере одной согласованной частоты. При этом лазерный прибор выполнен с возможностью выдавать выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой с уменьшенной шириной этой по меньшей мере одной доминантной продольной моды (по сравнению с соответствующей отдельной продольной модой лазера). Например, если было получено пять согласованных частот, в выходном спектре будет присутствовать пять доминантных продольных лазерных мод. В общем, вместо призмы полного внутреннего отражения можно использовать элемент C связи другого типа, такой как коническое оптическое волокно или волновод, как схематически показано на фиг. 1a. Вариант конического оптического волокна или волновода, соединенного с одной стороны с одним или несколькими лазерами с множеством продольных мод, также позволяет осуществлять связь одновременно с одним или несколькими микрорезонаторами. Например, коническое оптическое волокно можно соединить его узкой частью одновременно с двумя тороидальными микрорезонаторами с противоположных сторон. Волновод, установленный на одном и том же полупроводниковом кристалле с микрорезонаторами, можно соединить одновременно с тремя или более микрорезонаторами, расположенными на расстоянии менее длины волны от него.A high-Q microcavity M provides optical feedback to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes by generating at least one counterpropagating mode (see "mode-s" in Fig. 1a), each of which is at least one at least one agreed frequency. In some embodiments, when the high-quality microcavity M is a high-quality WGM microcavity, the high-quality microcavity M provides optical feedback to said at least one laser L with a plurality of longitudinal modes by generating at least one counterpropagating whispering gallery mode ( WGM), each on one of at least one matched frequency. Said at least one counterpropagating mode (mode s) is transmitted back to the laser L with a plurality of longitudinal modes. Laser radiation 2 supplied to photodetector D combines the radiation received from the high-Q microcavity M through the prism C of coupling with total internal reflection and laser radiation 1 not transmitted to the high-Q microcavity M. Mentioned at least one counterpropagating mode (mode-s ), transmitted back to the laser L with many longitudinal modes in the form of a light wave (s) S, is provided due to resonant Rayleigh scattering in a high-Q microcavity M. Under the condition of resonant optical second feedback laser power L with a plurality of longitudinal modes effectively redistributed by competing longitudinal modes in favor of at least one dominant longitudinal laser modes, each one of the at least one coherent frequency. In this case, the laser device is configured to emit output laser radiation having an output spectrum with said at least one dominant longitudinal laser mode with a reduced width of this at least one dominant longitudinal mode (as compared to the corresponding individual longitudinal laser mode). For example, if five matched frequencies were obtained, five dominant longitudinal laser modes will be present in the output spectrum. In general, instead of a prism of total internal reflection, another type of coupling element C, such as a conical optical fiber or waveguide, as schematically shown in FIG. 1a. A variant of a conical optical fiber or waveguide connected on one side to one or more lasers with many longitudinal modes also allows communication with one or more microresonators at the same time. For example, a conical optical fiber can be connected by its narrow part simultaneously with two toroidal microresonators from opposite sides. A waveguide mounted on the same semiconductor chip with microresonators can be connected simultaneously with three or more microresonators located at a distance less than the wavelength from it.

На фиг. 2 схематически показан пример одного лазера L1 с множеством продольных мод, одновременно стабилизированного несколькими параллельными высокодобротными микрорезонаторами M1… MN, предпочтительно, МШГ-микрорезонаторами, через несколько элементов C1… CN связи. Лазерное излучение 1, имеющее спектр множества продольных мод, разделяется так, что каждый высокодобротный микрорезонатор принимает лазерное излучение 1. Узел TU подстройки (не показан) подстраивает спектр множества продольных мод лазерного излучения 1 для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды лазера L1 с множеством продольных мод с резонансными частотами нескольких высокодобротных микрорезонаторов M1… MN, чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Например, можно получить четыре согласованные частоты для одного лазера L1 и трех высокодобротных микрорезонаторов M1, M2, M3, при этом первую согласованную частоту можно получить для лазера L1 и высокодобротного микрорезонатора M1, вторую и третью согласованные частоты - для лазера L1 и высокодобротного микрорезонатора M2, четвертую согласованную частоту - для лазера L1 и высокодобротного микрорезонатора M3. Также возможны другие комбинации. Каждый высокодобротный микрорезонатор M1… MN обеспечивает генерацию одной или нескольких встречно распространяющихся мод, причем каждой на одной из по меньшей мере одной согласованной частоты. В частности, как отмечалось выше для примера с одним лазером L1 и тремя высокодобротным микрорезонаторами M1, M2, M3, каждый из высокодобротных микрорезонаторов M1 и M3 генерирует одну встречно распространяющуюся моду, а высокодобротный микрорезонатор M2 генерирует две встречно распространяющиеся моды на соответствующих согласованных частотах. Упомянутая одна или несколько встречно распространяющихся мод (мода-s) передаются обратно в лазер L1 с множеством продольных мод в форме световой волны (волн) S1… SN, что обеспечивает оптическую обратную связь и перераспределение мощности лазера L1 с множеством продольных мод в пользу по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, причем каждая на одной из согласованных частот и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды. В частности, как отмечалось выше для примера с одним лазером L1 и тремя высокодобротными микрорезонаторами M1, M2, M3, мощность лазера L1 с множеством продольных мод может быть перераспределена в пользу четырех доминантных продольных лазерных мод с уменьшенными ширинами.In FIG. 2 schematically shows an example of a single L 1 laser with many longitudinal modes, simultaneously stabilized by several parallel high-Q microcavities M 1 ... M N , preferably WGM microcavities, through several C 1 ... C N coupling elements. Laser radiation 1 having a spectrum of a plurality of longitudinal modes is divided such that each high-Q microcavity receives laser radiation 1. A tuning unit TU (not shown) adjusts the spectrum of a plurality of longitudinal modes of laser radiation 1 to match each of at least one frequency of a separate longitudinal laser mode L 1 with many longitudinal modes with resonant frequencies of several high-Q microcavities M 1 ... M N to obtain at least one matched frequency. For example, you can get four matched frequencies for one laser L 1 and three high-Q microcavities M 1 , M 2 , M 3 , while the first matched frequency can be obtained for a laser L 1 and high Q microcavities M 1 , the second and third matched frequencies for a laser L 1 and high-Q microcavity M 2 , the fourth matched frequency for the laser L 1 and high-Q microcavity M 3 . Other combinations are also possible. Each high-Q microcavity M 1 ... M N provides the generation of one or more counterpropagating modes, each at one of at least one matched frequency. In particular, as noted above for the example with one laser L 1 and three high-Q microcavities M 1 , M 2 , M 3 , each of the high-Q microcavities M 1 and M 3 generates one counterpropagating mode, and the high-Q microcavity M 2 generates two counterpropagating modes at corresponding matched frequencies. The aforementioned one or more counterpropagating modes (mode s) are transmitted back to the L 1 laser with many longitudinal modes in the form of light wave (s) S 1 ... S N , which provides optical feedback and redistribution of the power of the L 1 laser with many longitudinal modes in favor of at least one dominant longitudinal laser mode, each at a consistent frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode. In particular, as noted above for the example with one L 1 laser and three high-Q microcavities M 1 , M 2 , M 3 , the power of a L 1 laser with many longitudinal modes can be redistributed in favor of four dominant longitudinal laser modes with reduced widths.

На фиг. 3 показан схематически другой пример, в котором лазер L1 с множеством продольных мод одновременно стабилизирован несколькими последовательными высокодобротными микрорезонаторами M1… MN, предпочтительно МШГ-микрорезонаторами, через несколько элементов C1… CN связи. Каждый высокодобротный микрорезонатор M1… MN связан с шинным волноводом и принимает лазерное излучение 1, имеющее спектр множества продольных мод. Узел TU подстройки (не показан) подстраивает спектр множества продольных мод лазерного излучения 1 для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды с соответствующей резонансной частотой высокодобротной моды нескольких высокодобротных микрорезонаторов M1… MN для получения по меньшей мере одной согласованной частоты. Каждый высокодобротный микрорезонатор M1… MN обеспечивает генерацию одной или нескольких встречно распространяющихся мод, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты. Световая волна (волны) S1… SN, резонансно рассеянная обратно от высокодобротного микрорезонатора M1… MN, обеспечивает оптическую обратную связь и перераспределение мощности лазера L1 с множеством продольных мод в пользу одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды. Каждая световая волна (волны) S1… SN может находиться в резонансе только с одним высокодобротным микрорезонатором для исключения их взаимодействия.In FIG. Figure 3 shows a schematic diagram of another example in which a L 1 laser with multiple longitudinal modes is simultaneously stabilized by several successive high-Q microcavities M 1 ... M N , preferably WGM microcavities, through several C 1 ... C N coupling elements. Each high-Q microcavity M 1 ... M N is connected to a bus waveguide and receives laser radiation 1 having a spectrum of many longitudinal modes. The tuning unit TU (not shown) adjusts the spectrum of a plurality of longitudinal modes of laser radiation 1 to match each of at least one frequency of a separate longitudinal mode with the corresponding resonant frequency of a high-Q mode of several high-Q microcavities M 1 ... M N to obtain at least one matched frequency. Each high-Q microcavity M 1 ... M N provides the generation of one or more counterpropagating modes, each of which at one of the aforementioned at least one matched frequency. The light wave (s) S 1 ... S N , resonantly scattered back from the high-Q microcavity M 1 ... M N , provides optical feedback and redistribution of the laser power L 1 with many longitudinal modes in favor of one or more dominant longitudinal laser modes, each of which at one of said at least one matched frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode. Each light wave (s) S 1 ... S N can be in resonance with only one high-Q microcavity to exclude their interaction.

На фиг. 4 схематично показан еще один вариант осуществления, в котором несколько лазеров L1… Lm с множеством продольных мод одновременно стабилизированы одним высокодобротным микрорезонатором M1, предпочтительно одним МШГ-микрорезонатором. Лазерное излучение 1 объединяется и передается в высокодобротный микрорезонатор M1 через элемент C1 связи. Высокодобротный микрорезонатор M1 принимает лазерное излучение 1, имеющее спектр множества продольных мод. Узел TU подстройки (не показан) подстраивает спектр множества продольных мод лазерного излучения 1 для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды с соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора M1, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Например, можно получить три согласованные частоты для трех лазеров L1, L2, L3 и одного высокодобротного микрорезонатора M1, при этом первую согласованную частоту можно получить для лазера L1 и высокодобротного микрорезонатора M1, вторую согласованную частоту можно получить для лазера L2 и высокодобротного микрорезонатора M1 и третью согласованную частоту можно получить для лазера L3 и высокодобротного микрорезонатора M1. Световая волна (волны) S1, резонансно рассеянная обратно от высокодобротного микрорезонатора M1 на согласованных частотах, обеспечивает оптическую обратную связь с каждым из лазеров и перераспределение мощности каждого из лазеров L1, L2, L3 с множеством продольных модам в пользу соответствующих доминантных продольных лазерных мод на согласованных частотах и с уменьшенной шириной.In FIG. 4 schematically shows another embodiment in which several lasers L1... Lm with many longitudinal modes simultaneously stabilized by one high-Q microcavity M1preferably one WGM microresonator. Laser radiation 1 is combined and transmitted to a high-Q microcavity M1 through element C1 communication. High Q microcavity M1 receives laser radiation 1 having a spectrum of a plurality of longitudinal modes. The tuning unit TU (not shown) adjusts the spectrum of the plurality of longitudinal modes of laser radiation 1 to match each of at least one frequency of a separate longitudinal mode with the corresponding resonant frequency of a high-Q microcavity M1so as to obtain at least one matched frequency. For example, you can get three matched frequencies for three lasers L1, L2, L3 and one high-quality microcavity M1while the first matched frequency can be obtained for the laser L1 and high-Q microcavity M1, the second matched frequency can be obtained for laser L2 and high-Q microcavity M1 and the third matched frequency can be obtained for laser L3 and high-Q microcavity M1. Light wave (s) S1 resonantly scattered back from a high-Q microcavity M1 at matched frequencies, provides optical feedback with each of the lasers and the redistribution of power of each of the lasers L1, L2, L3 with many longitudinal modes in favor of the corresponding dominant longitudinal laser modes at matched frequencies and with a reduced width.

На фиг. 5 показана схема более общего случая другого варианта осуществления изобретения, в котором лазеры L1… Lm с множеством продольных мод одновременно стабилизированы несколькими параллельными и последовательными высокодобротными микрорезонаторами MPN, предпочтительно МШГ-микрорезонаторами, через элементы CPN связи. Как и в предыдущих вариантах осуществления, каждый из высокодобротных микрорезонаторов MPN принимает лазерное излучение 1 от лазеров L1… Lm с множеством продольных мод, имеющих спектр множества продольных мод. Узел TU подстройки (не показан) подстраивает спектр множества продольных мод лазерного излучения 1 для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды с соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора MPN, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту. Резонансное обратное рассеяние SPN от высокодобротного микрорезонатора MPN на упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоте обеспечивает оптическую обратную связь и перераспределение мощности каждого из лазеров L1… Lm с множеством продольных мод в пользу соответствующих доминантных продольных лазерных мод, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.In FIG. 5 shows a diagram of a more general case of another embodiment of the invention in which lasers L 1 ... L m with many longitudinal modes are simultaneously stabilized by several parallel and sequential high-Q microcavities M PN , preferably WGM microcavities, via C PN coupling elements. As in the previous embodiments, each of the high-Q microcavities M PN receives laser radiation 1 from lasers L 1 ... L m with many longitudinal modes having a spectrum of many longitudinal modes. The tuning unit TU (not shown) adjusts the spectrum of the plurality of longitudinal modes of laser radiation 1 to match each of at least one frequency of a separate longitudinal mode with the corresponding resonant frequency of the high-Q microcavity M PN , so as to obtain at least one matched frequency. Resonant backscattering S PN from a high-quality microcavity M PN at the aforementioned at least one matched frequency provides optical feedback and power redistribution of each of the lasers L 1 ... L m with many longitudinal modes in favor of the corresponding dominant longitudinal laser modes, each of which is on one of said at least one matched frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode.

Настоящее изобретение не ограничено вариантами, показанными на фиг. 1-5. Возможны также другие конфигурации, основанные на комбинациях одного или нескольких вариантов с фиг. 2-4. Например, лазерный прибор может включать в себя несколько параллельных компонентов, как показано на фиг. 2, каждый из которых содержит лазер L1 с множеством продольных мод, одновременно стабилизированный несколькими последовательными высокодобротными микрорезонаторами M1… MN через несколько элементов C1… CN связи, как показано на фиг. 3. Кроме того, элемент C связи может быть выполнен в виде конического оптического волокна или волновода. В этом случае, как пояснялось выше, один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод может быть связан оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через один из упомянутых элементов связи.The present invention is not limited to the embodiments shown in FIG. 1-5. Other configurations are also possible based on combinations of one or more of the embodiments of FIG. 2-4. For example, a laser device may include several parallel components, as shown in FIG. 2, each of which contains a laser L 1 with many longitudinal modes, simultaneously stabilized by several consecutive high-Q microcavities M 1 ... M N through several communication elements C 1 ... C N , as shown in FIG. 3. In addition, the coupling element C may be made in the form of a conical optical fiber or waveguide. In this case, as explained above, one or more of the aforementioned at least one laser with a plurality of longitudinal modes can be connected by optical feedback to one or more of the aforementioned at least one high-Q microcavity through one of the aforementioned communication elements.

В одном варианте осуществления узел TU подстройки (см. фиг. 1a) может включать в себя несколько подузлов TL и TM, каждый из которых может быть связан с каждым из упомянутого по меньшей мере одного лазера (L) и упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора (M) или может быть выполнен как единый узел, связанный с каждым из упомянутого по меньшей мере одного лазера и упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора. Возможны также другие конфигурации узла TU подстройки. Узел подстройки может быть выполнен с возможностью управления параметрами упомянутого по меньшей мере одного лазера, в частности, током инжекции и/или температурой активной среды упомянутого по меньшей мере одного лазера. Предпочтительно, узел подстройки может быть выполнен с возможностью управления этими параметрами каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности. Кроме того, узел подстройки может быть выполнен с возможностью управлять параметрами упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, в частности его температурой, внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору в случае, если последний изготовлен из электрооптического материала. Предпочтительно, узел подстройки может быть выполнен с возможностью управления этими параметрами каждого из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности. Узел подстройки может быть снабжен или связан с таким измерительным оборудованием, как датчики температуры, датчики давления, датчики электромагнитного поля, регуляторы тока, которые используются при подстройке спектра. Узел подстройки может дополнительно осуществлять связь с измерительным оборудованием для управления преобразованиями спектра, таким как фотодетекторы, анализаторы оптического спектра, анализаторы электрического спектра, осциллографы и их аналоги, лазеры с эталонной узкой шириной линии для измерения ширины доминантных продольных мод, и так далее. Узел TU подстройки также может быть подключен или содержать управляющее оборудование, такое как нагревательные элементы, регуляторы тока, прижимные пьезокерамические элементы, радиочастотные антенны или конденсаторные пластины и волноводы, соединенные с упомянутым по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором и подающие на него внешнее электромагнитное поле для изменения его резонансных частот. Это измерительное и управляющее оборудование может быть выполнено с возможностью измерения и изменения вышеупомянутых параметров упомянутого по меньшей мере одного лазера и/или упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора. В одном варианте осуществления узел подстройки может дополнительно содержать процессор, выполненный с возможностью обеспечения аналитической обратной связи между измерительным и управляющим оборудованием для подстройки спектра множества продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера и/или для подстройки спектра резонансных частот высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора для получения согласованных частот. Процессор может быть функционально связан с компьютерной системой управления, которая может быть запрограммирована на управление узлом подстройки заданным образом, чтобы оптимизировать его работу.In one embodiment, the tuning unit TU (see FIG. 1a) may include several TL and TM subnodes, each of which may be associated with each of said at least one laser (L) and said at least one high-Q microcavity (M) or can be made as a single unit associated with each of said at least one laser and said at least one high-Q microcavity. Other configurations of the TU tuning node are also possible. The adjustment unit may be configured to control the parameters of the at least one laser, in particular, the injection current and / or the temperature of the active medium of the said at least one laser. Preferably, the tuning unit may be configured to control these parameters of each of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes individually. In addition, the tuning unit can be configured to control the parameters of the at least one high-Q microcavity, in particular its temperature, the external pressure applied to the at least one high-Q microcavity, an electromagnetic field applied to the at least one high-Q microcavity in case the latter is made of electro-optical material. Preferably, the tuning unit may be configured to control these parameters of each of the at least one high-Q microcavity separately. The tuning unit can be equipped with or connected to such measuring equipment as temperature sensors, pressure sensors, electromagnetic field sensors, current regulators, which are used for spectrum adjustment. The tuning unit can additionally communicate with measuring equipment for controlling spectrum transformations, such as photodetectors, optical spectrum analyzers, electric spectrum analyzers, oscilloscopes and their analogs, lasers with a reference narrow line width for measuring the width of dominant longitudinal modes, and so on. The tuning unit TU can also be connected or contain control equipment, such as heating elements, current regulators, clamp piezoceramic elements, radio frequency antennas or capacitor plates and waveguides connected to said at least one high-Q microresonator and supplying an external electromagnetic field to it to change its resonant frequencies. This measuring and control equipment can be configured to measure and change the aforementioned parameters of said at least one laser and / or said at least one high-Q microcavity. In one embodiment, the tuning unit may further comprise a processor configured to provide analytical feedback between the measurement and control equipment for adjusting the spectrum of the plurality of longitudinal modes of said at least one laser and / or for adjusting the resonance frequency spectrum of high-quality modes of said at least one high-quality microcavity to obtain consistent frequencies. The processor can be functionally connected to a computer control system, which can be programmed to control the tuning unit in a predetermined manner in order to optimize its operation.

В одном варианте, показанном на фиг. 1a, в котором лазерный прибор содержит один лазер L и один высокодобротный микрорезонатор M, узел TU подстройки может быть выполнен, как показано на фиг. 6a. Этот узел TU подстройки может содержать два подузла TL, TM, связанных с лазером L и высокодобротным микрорезонатором M, соответственно, для управления их параметрами, как описывалось выше.In one embodiment, shown in FIG. 1a, in which the laser device comprises one laser L and one high-Q microcavity M, the tuning unit TU can be made as shown in FIG. 6a. This tuning unit TU may contain two sub-nodes TL, TM connected to the laser L and high-Q microcavity M, respectively, for controlling their parameters, as described above.

На фиг. 6b показан конкретный пример части схемы измерительного оборудования, используемого для управления преобразованиями спектра. Лазерное излучение от диодного лазера L на основе фосфида индия (InP) с множеством продольных мод коллимируется с помощью линзы «Линза» (первая по ходу пучка лазера на фиг. 6b) и передается в высокодобротный микрорезонатор M из фторида магния (MgF2) через элемент C связи, такой как стеклянная призма связи с полным внутренним отражением. Излучение, подвергшееся резонансному обратному рэлеевскому рассеянию, возвращается в диодный лазер L с множеством продольных мод и вызывает затягивание частоты лазера резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора M. Выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр, коллимируется в одномодовом волокне с помощью двух линз (вторая Линза» и третья «Линза» по ходу лазерного пучка на фиг. 6b) и анализируется анализатором OSA оптического спектра на фотодиоде PD с осциллографом OSC и быстродействующим фотодиодом FPD с анализатором ESA электрических характеристик. Для равномерного разделения выходного лазерного сигнала между OSA и ESA используется светоразделитель 50/50. Чувствительный осциллограф OSC принимает 1% энергии лазера, предназначенной для OSA, с использованием светоделителя 99/1. Частота повторения солитонных импульсов контролируется быстрым фотодиодом FPD и анализатором ESA электрического спектра. Отстройка лазерной частоты от оптического резонанса контролируется на фотодиоде PD с помощью осциллографа OSC. Для измерения ширины гетеродинной линии используется перестраиваемый волоконный лазер FL с узкой линией.In FIG. 6b shows a specific example of a portion of a measuring equipment circuit used to control spectrum transforms. The laser radiation from an indium phosphide (InP) diode laser L with many longitudinal modes is collimated using a “Lens” lens (the first along the laser beam in Fig. 6b) and transmitted to a high-quality microcavity M from magnesium fluoride (MgF 2 ) through an element C communications, such as a glass prism of communication with total internal reflection. The radiation subjected to resonant Rayleigh backscattering returns to the diode laser L with many longitudinal modes and causes the laser frequency to be pulled by the resonant frequency of the high-Q microcavity M. The output laser radiation having the output spectrum is collimated in a single-mode fiber using two lenses (the second Lens and the third The "lens" along the laser beam in Fig. 6b) and is analyzed by the optical spectrum OSA analyzer on a PD photodiode with an OSC oscilloscope and a fast FPD photodiode with an ESA analyzer ctric characteristics. A 50/50 beam splitter is used to evenly split the laser output between the OSA and ESA. Sensitive Oscilloscope OSC accepts 1% of the laser energy for OSA using a 99/1 beam splitter. The repetition rate of soliton pulses is controlled by a fast photodiode FPD and an ESA analyzer of the electrical spectrum. The detuning of the laser frequency from the optical resonance is monitored on a PD photodiode using an OSC oscilloscope. To measure the width of the heterodyne line, a tunable narrow-wavelength FL laser is used.

В одном из конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения подузел TL узла TU подстройки (показанный на фиг. 1a, 6a, b) принимает данные, измеренные датчиком 1 тока и/или датчиком 2 температуры, и посылает их в процессор P. Подузел TM узла TU подстройки принимает данные, измеренные датчиком 8 давления, датчиком 9 температуры и/или датчиком 10 электромагнитного поля, и посылает их в процессор P. Процессор P может быть также выполнен с возможностью связи с анализатором OSA оптического спектра, фотодиодом PD с осциллографом OSC, быстрым фотодиодом FPD с анализатором ESA электрического спектра и эталонным лазером FL с узкой линией генерации для управления преобразованиями спектра, например, для измерения ширины доминантной продольной моды в режиме затягивания частоты генерации лазера. Процессор P обеспечивает аналитическую обратную связь между измерительным и управляющим оборудованием. Например, процессор P посылает управляющий сигнал в контроллер 3 тока, чтобы изменить ток инжекции связанного с ним лазера L с множеством продольных мод, и/или процессор P посылает управляющий сигнал в нагревательный элемент 4, чтобы изменить температуру лазерной активной среды связанного с ним лазера L с множеством продольных мод, в целях подстройки спектра лазера L с множеством продольных мод для получения одной или нескольких согласованных частот. Процессор P посылает управляющий сигнал в прижимной пьезокерамический элемент 5 для изменения давления, прикладываемого к связанному с ним высокодобротному микрорезонатору M, и/или процессор P посылает управляющий сигнал в нагревательный элемент 6 для изменения температуры связанного с ним высокодобротного микрорезонатора M с целью подстройки спектра высокодобротных мод по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М для получения согласованных частот. Кроме того, если высокодобротный микрорезонатор M изготовлен из электрооптического материала, процессор P посылает управляющий сигнал в регулятор 7 электромагнитного поля, чтобы изменить электромагнитное поле, прикладываемое к связанному с ним высокодобротному микрорезонатору M, с целью подстройки спектра высокодобротных мод по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M для получения одной или нескольких согласованных частот. Компьютерная система CCS управления может быть запрограммирована на управление узлом TU подстройки заранее определенным образом, чтобы оптимизировать его работу.In one specific embodiment of the present invention, the sub-node TL of the tuning unit TU (shown in FIGS. 1a, 6a, b) receives the data measured by the current sensor 1 and / or the temperature sensor 2 and sends them to the processor P. The TM sub-node of the tuning unit TU receives the data measured by the pressure sensor 8, the temperature sensor 9 and / or the electromagnetic field sensor 10, and sends them to the processor P. The processor P can also be configured to communicate with the optical spectrum OSA analyzer, PD photodiode with OSC oscilloscope, FPD fast photodiodeESA electric spectrum analyzer and FL reference laser line with a narrow generation spectrum management transformations, for example, to measure the width of the dominant mode in the longitudinal mode lasing frequency pulling. Processor P provides analytical feedback between the measurement and control equipment. For example, the processor P sends a control signal to the current controller 3 to change the injection current of the associated laser L with a plurality of longitudinal modes, and / or the processor P sends a control signal to the heating element 4 to change the temperature of the laser active medium of the associated laser L with many longitudinal modes, in order to adjust the spectrum of the L laser with many longitudinal modes to obtain one or more consistent frequencies. The processor P sends a control signal to the pressure-sensitive piezoceramic element 5 to change the pressure applied to the associated high-Q microcavity M, and / or the processor P sends a control signal to the heating element 6 to change the temperature of the associated high-Q microcavity M in order to adjust the spectrum of high-Q modes at least one high-quality microcavity M to obtain consistent frequencies. In addition, if the high-Q microcavity M is made of electro-optical material, the processor P sends a control signal to the electromagnetic field regulator 7 to change the electromagnetic field applied to the associated high-Q microcavity M in order to adjust the spectrum of high-Q modes of at least one high-Q microcavity M to obtain one or more matched frequencies. The CCS computer control system can be programmed to control the tuning unit TU in a predetermined manner in order to optimize its operation.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, узел подстройки может быть выполнен как содержащий один подузел TL, связанный с лазером L1 с множеством продольных мод, и N подузлов TM, связанных с каждым из высокодобротных микрорезонаторов M1… MN. В варианте, представленном на фиг. 5, узел подстройки может быть выполнен как содержащий M подузлов TL, связанных с каждым из лазеров L1… Lm с множеством продольных мод, и P*N подузлов TM, связанных с каждым из высокодобротных микрорезонаторов MPN. Однако возможны и другие конфигурации. Например, в варианте осуществления на фиг. 2 узел подстройки может содержать два подузла TL и TM, при этом подузел TM связан со всеми высокодобротными микрорезонаторами M1… MN.In the embodiment shown in FIG. 2, the tuning unit can be made as comprising a single TL subnode coupled to a L 1 laser with a plurality of longitudinal modes, and N TM subnodes associated with each of the high-Q microcavities M 1 ... M N. In the embodiment of FIG. 5, the tuning unit can be made as containing M subnodes TL associated with each of the lasers L 1 ... L m with many longitudinal modes, and P * N subnodes TM associated with each of the high-quality microcavities M PN . However, other configurations are possible. For example, in the embodiment of FIG. 2, the tuning unit can contain two TL and TM subnodes, while the TM subnode is connected to all high-Q microcavities M 1 ... M N.

В одном конкретном варианте осуществления спектр множества продольных мод лазерного излучения может быть слегка подстроен TL в частотной области путем регулировки тока инжекции лазера, чтобы достичь согласования каждой из одной или нескольких частот отдельных продольных мод по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности, с соответствующей резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора M посредством узла TU подстройки (см. фиг. 1). На фиг. 7 подстройка спектра множества продольных мод лазерного излучения показана в виде сигнала (сплошная кривая) от фотодетектора D (см. фиг. 1а). Падения пропускания, показанные на сигнале, - это резонансы высокодобротного микрорезонатора. Острые края резонансов обусловлены тем, что частота лазера вытягивается из частоты перестройки, когда лазер стабилизирован модами резонансных частот микрорезонатора. Мощность резонансного рэлеевского обратного рассеяния, распространяющегося в виде встречно распространяющихся мод (мода-s) (как показано на фиг. 1а), которое отвечает за оптическую обратную связь и сужение лазерного спектра при его передаче из высокодобротного микрорезонатора, показана на той же фиг. 7 (пунктирная линия), где мощность рэлеевского обратного рассеяния увеличивается в 100 раз по сравнению с мощностью LD в том же масштабе. Пик мощности резонансного рэлеевского обратного рассеяния соответствует резонансной частоте высокодобротного микрорезонатора, когда частота лазера регулируется током инжекции лазера. Когда ток инжекции лазера не перестраивается и частота одной из продольных мод лазера подстраивается для согласования с резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора, запускается процесс конкуренции продольных мод лазера в условиях резонансной оптической обратной связи.In one particular embodiment, the spectrum of the multiple longitudinal modes of laser radiation can be slightly tuned TL in the frequency domain by adjusting the injection current of the laser to achieve matching each of one or more frequencies of the individual longitudinal modes of at least one laser L with many longitudinal modes, preferably each from said at least one laser with a plurality of longitudinal modes individually, with a corresponding resonant frequency of a high-Q microcavity M through a node TU tuning (see Fig. 1). In FIG. 7, the spectrum tuning of a plurality of longitudinal modes of laser radiation is shown as a signal (solid curve) from the photodetector D (see Fig. 1a). The transmittance drops shown on the signal are resonances of a high-Q microcavity. The sharp edges of the resonances are due to the fact that the laser frequency is pulled out of the tuning frequency when the laser is stabilized by the resonance frequency modes of the microresonator. The power of resonant Rayleigh backscattering propagating in the form of counterpropagating modes (mode s) (as shown in Fig. 1a), which is responsible for optical feedback and the narrowing of the laser spectrum when it is transmitted from a high-Q microcavity, is shown in the same Fig. 7 (dashed line), where the power of Rayleigh backscattering increases 100 times compared to the power LD on the same scale. The power peak of the resonant Rayleigh backscattering corresponds to the resonant frequency of a high-Q microcavity when the laser frequency is controlled by the laser injection current. When the laser injection current does not tune and the frequency of one of the longitudinal modes of the laser is adjusted to match the resonant frequency of the high-Q microcavity, the process of competition of the longitudinal modes of the laser is started under conditions of resonant optical feedback.

Результат действия конкуренции мод в условиях оптической обратной связи проиллюстрирован на фиг. 8, где показан пример преобразования спектра лазера ближнего инфракрасного диапазона с множеством продольных мод в режиме свободной генерации (показан слева), содержащего несколько продольных мод в диапазоне от 1535 нм до 1550 нм с интервалом разнесения ~ 0,14 нм (что соответствует ~17 ГГц в частотной области) в выходной спектр, имеющий одну доминантную продольную моду (показана справа). Когда одна частота одной отдельной продольной моды спектра множества продольных мод согласуется с одной резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора, мощность многих продольных мод перераспределяется в пользу одной доминантной продольной лазерной моды, дополнительно суженной высокодобротным микрорезонатором в несколько тысяч раз, мощность которой значительно возрастает (фиг. 8).The result of mode competition under optical feedback conditions is illustrated in FIG. 8, which shows an example of the conversion of a near-infrared laser spectrum with many longitudinal modes in the free-running mode (shown on the left) containing several longitudinal modes in the range from 1535 nm to 1550 nm with a spacing interval of ~ 0.14 nm (which corresponds to ~ 17 GHz in the frequency domain) to the output spectrum having one dominant longitudinal mode (shown on the right). When one frequency of one separate longitudinal mode of the spectrum of many longitudinal modes is consistent with one resonant frequency of a high-Q microcavity, the power of many longitudinal modes is redistributed in favor of one dominant longitudinal laser mode, further narrowed by a high-Q microcavity several thousand times, the power of which increases significantly (Fig. 8) .

В одном варианте осуществления изобретения, когда ток лазерной инжекции не колеблется, спектр множества продольных мод лазерного излучения может быть подстроен узлом TU подстройки посредством изменения температуры активной среды по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности, что приводит к изменению его показателя преломления и, следовательно, к изменению интервала разнесения продольных мод в частотной области и изменению частоты каждой из отдельных продольных мод.In one embodiment of the invention, when the laser injection current does not fluctuate, the spectrum of the plurality of longitudinal modes of laser radiation can be tuned by the tuning unit TU by changing the temperature of the active medium of at least one laser with a plurality of longitudinal modes, preferably each of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes individually, which leads to a change in its refractive index and, consequently, to a change in the interval of separation of longitudinal modes in the frequency domain and changing the frequency of each of the individual longitudinal modes.

В еще одном варианте осуществления, когда ток инжекции лазера не колеблется, а температура активной среды лазера стабильна, узел TU подстройки может быть выполнен с возможностью подстройки резонансных частот высокодобротных мод по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M, что позволяет дополнительно подстроить по меньшей мере одну согласованную частоту в условиях оптической обратной связи. Узел подстройки способен управлять как интервалом разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и частотой каждой из отдельных высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора посредством управления температурой и/или внешним давлением, прикладываемым к высокодобротному микрорезонатору. Оба варианта приводят к изменению показателя преломления и/или размеров упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности, и, следовательно, к изменению его резонансных частот и/или разнесения высокодобротных мод.In yet another embodiment, when the laser injection current does not fluctuate, and the temperature of the active medium of the laser is stable, the tuning unit TU can be configured to adjust the resonant frequencies of high-quality modes of at least one high-quality microcavity M, which allows you to further fine-tune at least one matched frequency under optical feedback. The tuning unit is capable of controlling both the spacing interval of high-Q modes in the frequency domain and the frequency of each of the individual high-Q modes of the at least one high-Q microcavity by controlling the temperature and / or external pressure applied to the high-Q microcavity. Both options lead to a change in the refractive index and / or dimensions of the at least one high-Q microcavity, preferably each of the at least one high-Q microcavity individually, and therefore to a change in its resonant frequencies and / or diversity of the high Q modes.

В другом варианте осуществления по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор может быть изготовлен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на прикладываемое электромагнитное поле, и узел TU подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности. Изменение показателя преломления упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора приводит к изменению его резонансных частот, причем узел подстройки способен подстраивать резонансные частоты упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, что позволяет дополнительно подстраивать упомянутую по меньшей мере одну согласованную частоту в условиях оптической обратной связи. В качестве конкретных примеров электрооптических материалов для изготовления высокодобротного микрорезонатора можно назвать ниобат лития и фосфид индия.In another embodiment, at least one high-Q microcavity may be made of electro-optical material that changes its refractive index in response to an applied electromagnetic field, and the tuning unit TU is further configured to control an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, preferably each of said at least one high-Q microcavity individually. A change in the refractive index of said at least one high-Q microcavity leads to a change in its resonant frequencies, wherein the tuning unit is capable of adjusting the resonance frequencies of said at least one high-Q microcavity, which makes it possible to further fine-tune said at least one matched frequency under optical feedback conditions. As specific examples of electro-optical materials for the manufacture of a high-Q microcavity, lithium niobate and indium phosphide can be mentioned.

На фиг. 9а-9с показаны результаты преобразования спектра по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором, когда каждая из одной или одновременно нескольких частот отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера согласована с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора. В случаях, показанных на фиг. 9b и 9с, конкуренция продольных мод в условиях оптической обратной связи обеспечивает одновременную генерацию нескольких узких лазерных линий.In FIG. 9a-9c show the results of spectrum conversion of at least one laser with a plurality of longitudinal modes stabilized by at least one high-Q microcavity when each of one or several frequencies of separate longitudinal modes of said at least one laser is matched with a corresponding resonant frequency of said at least at least one high-quality microcavity. In the cases shown in FIG. 9b and 9c, the competition of longitudinal modes under optical feedback provides the simultaneous generation of several narrow laser lines.

На фиг. 9а показана генерация одной частоты, когда одна частота отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод согласована с одной резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М. В этом случае лазерный прибор выдает выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с одной доминантной продольной лазерной модой. На фиг. 9b показана двухчастотная генерация, когда две частоты отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод согласуются с двумя резонансными частотами упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М. В этом случае лазерный прибор выдает выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с двумя доминантными продольными лазерными модами. Фиг. 9c демонстрирует пример четырехчастотной лазерной генерации, при которой четыре частоты отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод согласуются с четырьмя резонансными частотами упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M. В этом случае лазерный прибор выдает выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с четырьмя доминантными продольными лазерными модами. Как пояснялось выше, мощность упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод перераспределяется в пользу одной или нескольких узких лазерных линий в результате конкуренции мод в условиях резонансной оптической обратной связи.In FIG. 9a shows the generation of one frequency when one frequency of a separate longitudinal mode of said at least one laser L with a plurality of longitudinal modes is matched with one resonant frequency of said at least one high-Q microcavity M. In this case, the laser device generates output laser radiation having an output spectrum with one dominant longitudinal laser mode. In FIG. 9b shows two-frequency generation when the two frequencies of the individual longitudinal modes of the at least one laser with a plurality of longitudinal modes are consistent with the two resonant frequencies of the at least one high-Q microresonator M. In this case, the laser device generates output laser radiation having an output spectrum with two dominant longitudinal laser modes. FIG. 9c shows an example of four-frequency laser generation in which the four frequencies of the individual longitudinal modes of the at least one laser L with the plurality of longitudinal modes are consistent with the four resonant frequencies of the at least one high-Q microresonator M. In this case, the laser device emits laser output having output spectrum with four dominant longitudinal laser modes. As explained above, the power of the at least one laser with many longitudinal modes is redistributed in favor of one or more narrow laser lines as a result of mode competition in resonant optical feedback.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных на фиг. 9b-9c, несколько отдельных продольных мод спектра множества продольных мод преобразуются в несколько доминантных продольных мод с уменьшенной шириной доминантных продольных лазерных мод в результате оптической обратной связи упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с упомянутым по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором и подстройки спектра множества продольных мод для согласования каждой из нескольких частот отдельных продольных мод с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить несколько согласованных частот. Такие варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают большую гибкость нескольких генераций с узкой линией на разных частотах, требуемых для конкретных применений, поскольку генерация нескольких узких лазерных линий может относиться к различным лазерам с множеством продольных мод и различным высокодобротным микрорезонаторам, как показано выше на фиг. 2-5. Это позволяет спроектировать выходной спектр, состоящий из узких лазерных линий на произвольных частотах, требуемых для конкретных применений, путем соответствующего выбора лазеров с множеством продольных мод и высокодобротных микрорезонаторов с определенными частотами для подстройки.In the embodiments of the present invention illustrated in FIG. 9b-9c, several individual longitudinal modes of the spectrum of a plurality of longitudinal modes are converted to several dominant longitudinal modes with a reduced width of dominant longitudinal laser modes as a result of optical feedback of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes with said at least one high-Q microcavity and tuning spectrum of a set of longitudinal modes for matching each of several frequencies of individual longitudinal modes with the corresponding resonant frequency of the aforementioned at least one high-quality microcavity, so as to obtain several consistent frequencies. Such embodiments of the present invention provide greater flexibility for multiple narrow-line oscillations at different frequencies required for specific applications, since the generation of several narrow laser lines can relate to different lasers with many longitudinal modes and different high-Q microcavities, as shown above in FIG. 2-5. This allows you to design the output spectrum, consisting of narrow laser lines at arbitrary frequencies required for specific applications, by appropriate selection of lasers with many longitudinal modes and high-quality microresonators with specific frequencies for tuning.

В одном из вариантов осуществления одна или несколько доминантных продольных лазерных мод могут выводиться из высокодобротного микрорезонатора M через дополнительный элемент связи C2 (см. фиг. 1b), представляющий собой призму полного внутреннего отражения. В других вариантах один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M могут быть снабжены одним дополнительным элементом C2 связи в форме конического оптического волокна или волновода, используемого вместо призмы полного внутреннего отражения, схематично показанной на фиг. 1b. Использование дополнительного элемента связи может значительно улучшить спектральную чистоту выходного спектра лазерного излучения, генерируемого лазерным прибором и содержащего доминантные продольные лазерные моды, путем отфильтровывания нерезонансной части выходного спектра. Спектральная чистота выходного спектра часто требуется для многих микрофотонных применений. На фиг. 1b лазерное излучение 1 и лазерное излучение 2, имеющее выходной спектр, выводятся из высокодобротного микрорезонатора M через элемент C связи (призму полного внутреннего отражения), как показано справа; эти лазерные излучения 1 и 2 содержат слабые нерезонансные лазерные продольные моды. Дополнительная призма C2 связи обеспечивает вывод из высокодобротного микрорезонатора M лазерного излучения 3, имеющего чистый спектр, состоящий только из доминантных продольных лазерных мод без нерезонансной части выходного лазерного излучения (показано слева). Иными словами, лазерное излучение 3 имеет доминантные продольные лазерные моды с более высоким параметром коэффициента подавления боковой моды (КПБМ), чем пояснялось выше, по сравнению с лазерным излучением 2. Как правило, в этом случае КПБМ может находиться в диапазоне 40-70 дБ, предпочтительно в диапазоне 50-70 дБ. Например, 60 дБ часто обеспечивает достаточное значение коэффициента подавления боковой моды для целей этого применения.In one embodiment, one or more dominant longitudinal laser modes can be derived from a high-Q microcavity M via an additional coupling element C2 (see Fig. 1b), which is a prism of total internal reflection. In other embodiments, one or more of the at least one high-Q microcavity M may be provided with one additional coupling element C2 in the form of a conical optical fiber or waveguide used in place of the total internal reflection prism shown schematically in FIG. 1b. The use of an additional coupling element can significantly improve the spectral purity of the output spectrum of laser radiation generated by a laser device and containing dominant longitudinal laser modes by filtering out the non-resonant part of the output spectrum. Spectral purity of the output spectrum is often required for many microphotonic applications. In FIG. 1b, laser radiation 1 and laser radiation 2 having an output spectrum are output from the high-Q microcavity M through the coupling element C (prism of total internal reflection), as shown on the right; these laser radiation 1 and 2 contain weak nonresonant laser longitudinal modes. An additional prism C2 coupling provides the output from the high-Q microcavity M of laser radiation 3 having a clean spectrum consisting only of dominant longitudinal laser modes without the non-resonant part of the output laser radiation (shown on the left). In other words, laser radiation 3 has dominant longitudinal laser modes with a higher lateral mode suppression coefficient (CPBM) parameter than was explained above compared to laser radiation 2. As a rule, in this case, the CPBM can be in the range of 40-70 dB, preferably in the range of 50-70 dB. For example, 60 dB often provides a sufficient lateral mode suppression factor for this application.

Другая группа вариантов осуществления настоящего изобретения включает варианты, в которых упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор изготовлен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, и в которых лазерный прибор дополнительно выполнен с возможностью генерации по меньшей мере одной оптической частотной гребенки, причем каждая из упомянутой по меньшей мере одной оптической частотной гребенки параметрически генерируется одной из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки для генерации оптической частотной гребенки. Существует много материалов, имеющих зависящий от интенсивности показатель преломления, таких как фториды, прозрачные в широком спектральном диапазоне: фторид кальция, фторид бария и фторид магния. Также стоит упомянуть кварц, кремний, нитрид кремния, алмаз и другие.Another group of embodiments of the present invention includes variants in which said at least one high-Q microcavity is made of a material having an intensity-dependent refractive index, and in which the laser device is further configured to generate at least one optical frequency comb, each of which of said at least one optical frequency comb is parametrically generated by one of said at least one dominant product laser mode if said at least one dominant longitudinal laser mode has a power above the pump threshold for generating an optical frequency comb. There are many materials with an intensity-dependent refractive index such as fluorides that are transparent over a wide spectral range: calcium fluoride, barium fluoride and magnesium fluoride. Also worth mentioning are quartz, silicon, silicon nitride, diamond and others.

На фиг. 10а показан пример преобразования спектра лазера с множеством продольных мод, стабилизированного высокодобротным МШГ-микрорезонатором из фторида магния с генерацией одной доминантной продольной лазерной моды, имеющей уменьшенную ширину, как пояснялось выше, поскольку только одна частота отдельной продольной моды согласована с одной резонансной частотой высокодобротного МШГ-микрорезонатора из фторида магния для получения одной согласованной частоты. Конкуренция мод в условиях оптической обратной связи, как и в оптической схеме с фиг. 1а, привела к перераспределению мощности лазера в пользу одной доминантной продольной лазерной моды на согласованной частоте. Коэффициент подавления боковой моды составляет около 30 дБ. Далее, на фиг. 10b выходное лазерное излучение с выходным спектром, имеющим одну доминантную продольную лазерную моду, эффективно переданное в высокодобротный микрорезонатор с уровнем мощности выше порога накачки, параметрически генерирует диссипативную солитонную керровскую гребенку (ДКГ). Солитонная керровская гребенка - это оптическая частотная гребенка, имеющая множество спектральных мод, разнесенных на фиксированное значение частоты, отличное от разнесения продольных мод лазера. На фиг. 10b показан сигнал сразу после призмы С связи, показанной на оптической схеме с фиг. 1а. Этот сигнал объединяет лазерное излучение 2, исходящее от высокодобротного микрорезонатора M, и нерезонансное лазерное излучение 2, прошедшее от лазера с множеством продольных мод L через призму C связи. В конкретном варианте осуществления, когда требуется очищенная оптическая частотная гребенка, может использоваться дополнительный элемент C2 связи (фиг. 1b) для отфильтровывания нерезонансной части выходного спектра.In FIG. 10a shows an example of a spectrum conversion of a laser with many longitudinal modes stabilized by a high-quality WGM microresonator from magnesium fluoride with the generation of one dominant longitudinal laser mode having a reduced width, as explained above, since only one frequency of a separate longitudinal mode is consistent with one resonant frequency of a high-quality WGM Magnesium fluoride microcavity for one consistent frequency. Mode competition under optical feedback conditions, as in the optical circuit of FIG. 1a, led to a redistribution of laser power in favor of a single dominant longitudinal laser mode at a consistent frequency. The side mode suppression ratio is about 30 dB. Further, in FIG. 10b, output laser radiation with an output spectrum having one dominant longitudinal laser mode, efficiently transmitted to a high-Q microcavity with a power level above the pump threshold, parametrically generates a dissipative soliton Kerr comb (DKG). A Kerr soliton comb is an optical frequency comb having a plurality of spectral modes spaced by a fixed frequency value other than spacing of the longitudinal laser modes. In FIG. 10b shows the signal immediately after the coupling prism C shown in the optical circuit of FIG. 1a. This signal combines laser radiation 2 emanating from a high-Q microcavity M and non-resonant laser radiation 2 transmitted from a laser with many longitudinal modes L through a prism C of coupling. In a specific embodiment, when a cleaned optical frequency comb is required, an additional coupling element C2 (FIG. 1b) can be used to filter out the non-resonant part of the output spectrum.

Конкретные измеренные данные, показанные на фиг. 10a, b были получены с использованием высокодобротного МШГ-микрорезонатора из фторида магния (MgF2) с диаметром 5,5 мм и радиусом кривизны края 500 мкм, что соответствует свободному спектральному диапазону (ССД) около 12,5 ГГц (обратно пропорционально времени прохождения импульса в микрорезонаторе в прямом и обратном направлении). Показатель преломления фторида магния зависит от интенсивности лазера, что позволяет генерировать ДКГ. Высокодобротный микрорезонатор был изготовлен методом прецизионного точения массивного кристалла однокристальным инструментом. Ультравысокий характерный коэффициент добротности, превышающий 109, был достигнут путем полировки алмазными суспензиями. Лазерный диод, используемый для получения конкретных данных измерений с фиг. 10a, b, имеет оптический спектр, состоящий из десятков продольных мод, охватывающих ~ 10 нм, с разнесением продольных мод f=17,68 ГГц вокруг центральной длины волны 1535 нм и с максимальной выходной мощностью 200 мВт. Интенсивность в области лазерного усиления приблизительно равномерно распределена между линиями. Путем постепенного изменения тока инжекции одна из продольных лазерных мод была согласована с резонансной модой микрорезонатора для получения оптической обратной связи и одной доминантной продольной моды с уменьшенной шириной.The specific measured data shown in FIG. 10a, b were obtained using a high-quality WGM microcavity made of magnesium fluoride (MgF 2 ) with a diameter of 5.5 mm and a radius of curvature of the edge of 500 μm, which corresponds to a free spectral range (SDS) of about 12.5 GHz (inversely proportional to the pulse propagation time in the microcavity in the forward and reverse direction). The refractive index of magnesium fluoride depends on the laser intensity, which allows you to generate DKG. A high-Q microcavity was made by precision turning of a massive crystal with a single-chip tool. An ultra-high characteristic quality factor exceeding 10 9 was achieved by polishing with diamond suspensions. The laser diode used to obtain the specific measurement data of FIG. 10a, b, has an optical spectrum consisting of dozens of longitudinal modes spanning ~ 10 nm, with a longitudinal mode spacing f = 17.68 GHz around a central wavelength of 1535 nm and with a maximum output power of 200 mW. The intensity in the laser gain region is approximately evenly distributed between the lines. By gradually changing the injection current, one of the longitudinal laser modes was matched with the resonant mode of the microresonator to obtain optical feedback and one dominant longitudinal mode with a reduced width.

Затем, постепенно отстраивая частоту диодного лазера на стороне низких частот с помощью тока инжекции, но оставаясь в режиме затягивания, авторы смогли плавно переключить систему в режим солитонной гребенки (преимущественно односолитонной) с очень характерной огибающей sech2 (x) (фиг. 10b). Солитонная гребенка имеет размах около 30 нм с разнесением линий 12,5 ГГц, соответствующим свободному спектральному диапазону микрорезонатора. В оптическом спектре видны дополнительные остаточные лазерные линии с разнесением 17,68 ГГц, хотя они являются слабыми и их можно отфильтровать с помощью конфигурации «drop-порт» с дополнительным элементом связи (см. фиг. 1b).Then, gradually adjusting the frequency of the diode laser on the low-frequency side using the injection current, but remaining in the tightening mode, the authors were able to smoothly switch the system to the soliton comb mode (mainly single-soliton comb) with a very characteristic envelope sech2 (x) (Fig. 10b). The soliton comb has a span of about 30 nm with a line spacing of 12.5 GHz corresponding to the free spectral range of the microresonator. In the optical spectrum, additional residual laser lines with a spacing of 17.68 GHz are visible, although they are weak and can be filtered using the drop-port configuration with an additional communication element (see Fig. 1b).

Другие варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя варианты, в которых несколько оптических частотных гребенок могут генерироваться несколькими доминантными продольными лазерными модами. На фиг. 11а показан оптический спектр двух одновременно генерируемых оптических частотных гребенок (синие и красные кривые на фиг. 11а) в случае диодного лазера с множеством продольных мод, стабилизированного высокодобротным МШГ-микрорезонатором из фтористого магния с генерацией доминантных продольных лазерных мод, осуществляющих накачку параметрически генерируемых частотных гребенок. Как и прежде, сначала подстраивают лазерное излучение, имеющее спектр множества продольных мод, чтобы согласовать две частоты продольных мод с двумя резонансными частотами высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить две согласованные частоты. Высокодобротный микрорезонатор принимает отдельные продольные моды лазерного излучения на согласованных частотах, соответствующих его резонансным частотам, для обеспечения оптической обратной связи за счет обратного рэлеевского рассеяния. Конкуренция мод в условиях оптической обратной связи приводит к перераспределению мощности лазера в пользу двух доминантных продольных мод на двух согласованных частотах. Когда мощность доминантных мод превышает порог накачки, генерируется оптическая частотная гребенка. Каждая из гребенок представляет собой множество узких спектральных мод, разнесенных на фиксированное значение частоты, отличное от разнесения между продольными лазерными модами. На фиг. 11b показан спектр радиочастотного биения узких мод гребенок, измеренный с помощью быстрого фотодиода и анализатора электрического спектра. Имеется два биения, соответствующие гребенкам. Ширина линий биений меньше 1 кГц, что демонстрирует узость мод этих частотных гребенок. Узкие спектральные моды двух гребенок разнесены на разные величины частоты с разностью около 10 МГц.Other embodiments of the present invention include those in which several optical frequency combs can be generated by several dominant longitudinal laser modes. In FIG. 11a shows the optical spectrum of two simultaneously generated optical frequency combs (blue and red curves in FIG. 11a) in the case of a diode laser with many longitudinal modes stabilized a high-quality WGM microcavity made of magnesium fluoride with the generation of dominant longitudinal laser modes pumping parametrically generated frequency combs. As before, laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes is first tuned in order to match two frequencies of the longitudinal modes with two resonant frequencies of a high-Q microcavity so as to obtain two consistent frequencies. A high-Q microcavity accepts individual longitudinal modes of laser radiation at matched frequencies corresponding to its resonant frequencies to provide optical feedback due to Rayleigh backscattering. Competition of modes under optical feedback leads to a redistribution of laser power in favor of two dominant longitudinal modes at two matched frequencies. When the power of the dominant modes exceeds the pump threshold, an optical frequency comb is generated. Each of the combs represents a plurality of narrow spectral modes spaced by a fixed frequency value, different from the spacing between longitudinal laser modes. In FIG. 11b shows the radio frequency beat spectrum of narrow comb modes measured using a fast photodiode and an electric spectrum analyzer. There are two beats corresponding to the combs. The width of the beat lines is less than 1 kHz, which demonstrates the narrowness of the modes of these frequency combs. The narrow spectral modes of the two combs are spaced apart at different frequencies with a difference of about 10 MHz.

В одном из вариантов осуществления по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор может быть изготовлен на полупроводниковом кристалле (нитрид кремния или кремний-на-изоляторе) вместе с по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод. Известен пример, в котором такая гибридная интеграция материалов группы III-V для ближнего инфракрасного диапазона с кремниевыми фотонными резонаторами была успешной. Таким образом, в одном из вариантов по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод и по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор могут быть выполнены на одном кристалле с помощью микролитографии. На фиг. 12а, b схематично показан кристалл, содержащий один лазер L с множеством продольных мод, имеющий зеркала M1, M2, и один высокодобротный микрорезонатор M, предпочтительно один МШГ-микрорезонатор. На виде сверху, показанном на фиг. 12а, лазер L с множеством продольных мод, интегрированный в материал 11 группы III-V, например фосфид индия (InP), соединен с волноводом 13 из кремний/нитрид кремния (Silicon/Si3N4) через специальный соединитель 12. Соединитель 12 соединяет слой материала 11 III-V со связанным слоем 13 из кремния/нитрида кремния (см. вид сбоку на фиг. 12b), который содержит шинный волновод и высокодобротный микрорезонатор M. Соединитель 12 может быть выполнен либо в виде вертикального соединения конических волноводов (см. вариант I на фиг. 12b, на котором показан увеличенный вид конуса 14), либо в виде вертикального соединения с брэгговской решеткой (см. вариант II на фиг. 12b, на котором показан увеличенный вид решетки 15) волноводов, изготовленных из разных материалов. В остальном лазер L с множеством продольных мод и высокодобротный микрорезонатор M, выполненные на кристалле, могут работать так же, как лазерный прибор с фиг. 1a, включая узел TU подстройки (не показан на фиг. 12a, b). В некоторых вариантах упомянутой по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод может быть связан оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через элемент С связи, выполненный в виде волновода, расположенного на субволновом расстоянии от упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора. Дополнительный элемент C2 связи, показанный пунктирной границей на фиг. 12a, может использоваться необязательно и может быть выполнен с возможностью вывода одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод, генерируемых в одном или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра. Для высокодобротных микрорезонаторов и лазеров с множеством продольных мод, выполненных на одном полупроводниковом кристалле, некоторые отдельные элементы подузлов TL и TM, связанные с лазерами и микрорезонаторами, могут быть соответствующим образом интегрированы в тот же кристалл. Такими элементами могут быть металлические микронагреватели для подстройки температуры активной среды микрорезонаторов или лазеров, фотодетекторы для измерения выходных сигналов и т.д.In one embodiment, the at least one high-Q microcavity can be fabricated on a semiconductor chip (silicon nitride or silicon-on-insulator) together with at least one laser with many longitudinal modes. An example is known in which such a hybrid integration of materials of group III-V for the near infrared range with silicon photonic resonators was successful. Thus, in one embodiment, at least one laser with many longitudinal modes and at least one high-Q microcavity can be performed on a single chip using microlithography. In FIG. 12 a, b schematically shows a crystal containing one laser L with a plurality of longitudinal modes having mirrors M1, M2, and one high-Q microcavity M, preferably one WGM microcavity. In the top view shown in FIG. 12a, a laser L with a plurality of longitudinal modes integrated in a material of group III-V 11, for example indium phosphide (InP), is connected to a silicon / silicon nitride waveguide 13 (Silicon / Si 3 N 4 ) through a special connector 12. Connector 12 connects a layer of material 11 III-V with a bonded layer 13 of silicon / silicon nitride (see side view in Fig. 12b), which contains a bus waveguide and a high-quality microcavity M. Connector 12 can be either in the form of a vertical connection of conical waveguides (see option I in Fig. 12b, which shows an enlarged view of the cone a 14), or in the form of a vertical connection with a Bragg grating (see option II in Fig. 12b, which shows an enlarged view of the grating 15) of waveguides made of different materials. Otherwise, a laser L with a plurality of longitudinal modes and a high-Q microcavity M made on a chip can operate in the same way as the laser device of FIG. 1a, including a tuning unit TU (not shown in FIG. 12a, b). In some embodiments, said at least one laser with a plurality of longitudinal modes may be coupled by optical feedback to one or more of said at least one high-Q microcavity through a coupling element C made in the form of a waveguide located at a subwavelength from said at least one high-quality microcavity. The additional communication element C2 shown by the dashed border in FIG. 12a may be optionally used and may be configured to output one or more dominant longitudinal laser modes generated in one or more of the aforementioned at least one high-Q microcavity in order to filter out the non-resonant part of the output spectrum. For high-Q microcavities and lasers with many longitudinal modes made on a single semiconductor chip, some individual elements of the TL and TM subnodes associated with lasers and microcavities can be appropriately integrated into the same crystal. Such elements can be metal microheaters for adjusting the temperature of the active medium of microresonators or lasers, photodetectors for measuring output signals, etc.

Далее будет описан способ преобразования лазерного спектра применительно к по меньшей мере одному лазеру L с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод, и по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору M, связанному оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод, изображенным на фиг. 1-5.Next, a method for converting a laser spectrum with respect to at least one laser L with a plurality of longitudinal modes for generating laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes and at least one high-Q microcavity M coupled by optical feedback to said at least one laser will be described. L with the plurality of longitudinal modes depicted in FIG. 1-5.

На первом этапе способа генерируют по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод лазерное излучение, имеющее спектр множества продольных мод.In a first step of the method, at least one laser L with a plurality of longitudinal modes generates laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes.

На втором этапе способа подстраивают спектр множества продольных мод лазерного излучения для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M, связанного оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту.In a second step of the method, a spectrum of a plurality of longitudinal modes of laser radiation is adjusted to match each of at least one frequency of a separate longitudinal mode of said at least one laser L with a plurality of longitudinal modes with a corresponding resonant frequency of at least one high-Q microresonator M coupled by optical feedback with said at least one laser L with a plurality of longitudinal modes, so as to obtain at least one matched frequency.

На третьем этапе способа выводят выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.In a third step of the method, output laser radiation is output having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which is at one of said at least one consistent frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode.

Следует отметить, что данный способ может включать в себя дополнительные этапы.It should be noted that this method may include additional steps.

Например, в том случае, когда упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор M изготовлен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, способ может содержать дополнительный этап параметрической генерации по меньшей мере одной оптической частотной гребенки каждой из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки генерации оптической частотной гребенки.For example, in the case when said at least one high-Q microresonator M is made of a material having an intensity-dependent refractive index, the method may comprise an additional step of parametric generation of at least one optical frequency comb of each of said at least one dominant longitudinal laser modes if said at least one dominant longitudinal laser mode has a power above the pump threshold of the generation of an optical frequency comb.

Способ может содержать дополнительный этап подстройки спектра множества продольных мод как путем изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и изменения частоты каждой из отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод.The method may include an additional step of adjusting the spectrum of the plurality of longitudinal modes, both by changing 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 laser L with a plurality of longitudinal modes.

Способ может содержать дополнительный этап обеспечения оптической обратной связи с упомянутым по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод путем генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты.The method may include an additional step of providing optical feedback to said at least one laser L with a plurality of longitudinal modes by generating at least one counterpropagating mode, each of which is at one of said at least one matched frequency.

Способ может содержать дополнительный этап подстройки спектра множества продольных мод путем управления током инжекции упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод и/или температурой активной среды каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера L с множеством продольных мод, предпочтительно, каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности.The method may include an additional step of adjusting the spectrum of the plurality of longitudinal modes by controlling the injection current of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes and / or the temperature of the active medium of each of said at least one laser L with a plurality of longitudinal modes, preferably each of said at least one laser with many longitudinal modes separately.

Способ может содержать дополнительный этап подстройки резонансных частот каждого из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M как путем изменения интервала разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и изменения резонансной частоты каждой из высокодобротных мод.The method may include an additional step for adjusting the resonance frequencies of each of the at least one high-Q microresonator M, both by changing the spacing of high-Q modes in the frequency domain and by changing the resonant frequency of each of the high Q modes.

Способ может содержать дополнительный этап управления температурой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора и/или внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору М, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.The method may include an additional step of controlling the temperature of said at least one high-Q microcavity and / or the external pressure applied to said at least one high-Q microcavity M, preferably to each of said at least one high-Q microcavity separately.

В случае, когда один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М снабжены дополнительным элементом С2 связи, способ может включать в себя дополнительный этап вывода одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод или одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод и одной или нескольких оптических частотных гребенок из одного или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через дополнительный элемент связи, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра.In the case where one or more of the at least one high-Q microresonator M is provided with an additional coupling element C2, the method may include an additional step of outputting one or more dominant longitudinal laser modes or one or more dominant longitudinal laser modes and one or more optical frequency comb from one or more of the aforementioned at least one high-Q microcavity through an additional communication element to filter the cut the back part of the output spectrum.

В случае, когда упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор M выполнен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на воздействие электромагнитного поля, прикладываемого к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, способ может содержать дополнительный этап управления электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора M, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.In the case where said at least one high-Q microcavity M is made of electro-optical material that changes its refractive index in response to the influence of an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, the method may include an additional step of controlling the electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity M, preferably to each of the at least one high-Q brotnogo microcavity separately.

Далее будет описан способ работы лазерного прибора применительно к по меньшей мере одному лазеру L с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющему спектр множества продольных мод, по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору М, связанному оптической обратной связью с по меньшей мере одним лазером L с множеством продольных мод, и узлу TU подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения, как показано на фиг. 1-6.Next, a method for operating a laser device with respect to at least one laser L with a plurality of longitudinal modes for generating laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes, at least one high-Q microcavity M coupled by optical feedback to at least one laser L c will be described. a plurality of longitudinal modes, and a tuning unit TU for tuning a spectrum of a plurality of longitudinal modes of laser radiation, as shown in FIG. 1-6.

На первом этапе способа подстраивают спектр множества продольных мод лазерного излучения посредством узла TU подстройки для согласования каждой из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора М, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту.In the first step of the method, the spectrum of a plurality of longitudinal modes of laser radiation is tuned by a tuning unit TU for matching each of at least one frequency of a separate longitudinal mode of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes with a corresponding resonant frequency of at least one high-Q microcavity M, to get at least one matched frequency.

На втором этапе способа из прибора выводят выходное лазерное излучение, имеющее выходной спектр с упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.In a second step of the method, output laser radiation is output from the device having an output spectrum with said at least one dominant longitudinal laser mode, each of which is at one of said at least one consistent frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode.

Следует отметить, что варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на различные объекты. Однако специалист в данной области техники поймет из вышеприведенного и последующего описания, что, если не указано иное, в дополнение к любой комбинации признаков, относящихся к одному типу объекта, любая комбинация признаков, относящихся к различным объектам, также считается раскрытой в настоящей заявке. Однако все признаки могут быть объединены с обеспечением синергетических эффектов, которые представляют собой нечто большее, чем простое суммирование признаков.It should be noted that embodiments of the invention are described with reference to various objects. However, one skilled in the art will understand from the above and the following description that, unless otherwise indicated, in addition to any combination of features related to one type of object, any combination of features related to different objects is also considered disclosed in this application. However, all features can be combined with synergistic effects, which are more than a simple summation of the features.

Хотя изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в предшествующем описании, эти чертежи и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, но не ограничительные. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники смогут предусмотреть и осуществить на практике другие вариации раскрытых вариантов осуществления в результате изучения чертежей, раскрытия и зависимых пунктов формулы изобретения.Although the invention has been illustrated in the drawings and described in detail in the foregoing description, these drawings and description should be considered as illustrative or exemplary, but not restrictive. The invention is not limited to the disclosed embodiments. Those skilled in the art will be able to envision and practice other variations of the disclosed embodiments as a result of a study of the drawings, disclosure, and dependent claims.

В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или компонентов, а единственное число не исключает множественного числа. Сам факт того, что некоторые меры упоминаются во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие его объем.In the claims, the word “comprising” does not exclude other elements or components, and the singular does not exclude the plural. The mere fact that certain measures are mentioned in mutually different dependent dependent claims does not mean that a combination of these measures cannot be used to advantage. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting its scope.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] L. Ricci et al. A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics \\ Opt. Commun. 117(5-6), 541-549, 1995;[1] L. Ricci et al. A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics \\ Opt. Commun. 117 (5-6), 541-549, 1995;

[2] Y. Zhao et al. High-finesse cavity external optical feedback DFB laser with hertz relative linewidth\\ Opt. Lett. 37, 4729-4731, 2012;[2] Y. Zhao et al. High-finesse cavity external optical feedback DFB laser with hertz relative linewidth \\ Opt. Lett. 37, 4729-4731, 2012;

[3] D.V. Strekalov et al. Nonlinear and quantum optics with whispering gallery resonators\\ J. Opt. 18, 123002 (2016);[3] D.V. Strekalov et al. Nonlinear and quantum optics with whispering gallery resonators \\ J. Opt. 18, 123002 (2016);

[4] S. Borri et al. Whispering gallery mode stabilization of quantum cascade lasers for infrared sensing and spectroscopy \\ Proc. SPIE 10090, Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XIX, 1009008, February 20, 2017;[4] S. Borri et al. Whispering gallery mode stabilization of quantum cascade lasers for infrared sensing and spectroscopy \\ Proc. SPIE 10090, Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XIX, 1009008, February 20, 2017;

[5] W. Liang et al. Whispering-gallery-mode-resonator-based ultranarrow linewidth external-cavity semiconductor laser \\Opt. Lett. 35, p. 2822, 2010;[5] W. Liang et al. Whispering-gallery-mode-resonator-based ultranarrow linewidth external-cavity semiconductor laser \\ Opt. Lett. 35, p. 2822, 2010;

[6] US7991025B2, Tunable lasers locked to whispering gallery mode resonators, GM Global Technology Operations LLC;[6] US7991025B2, Tunable lasers locked to whispering gallery mode resonators, GM Global Technology Operations LLC;

[7] US 8111722 B1, Low-noise RF oscillation and optical comb generation based on nonlinear optical resonator, OEwaves, Inc;[7] US 8111722 B1, Low-noise RF oscillation and optical comb generation based on nonlinear optical resonator, OEwaves, Inc;

[8] W. Liang et al. Spectrally Pure RF Photonics Source Based on a Resonant Optical Hyper-Parametric Oscillator \\ Proc. of SPIE, Vol. 8960, 896010, 2010;[8] W. Liang et al. Spectrally Pure RF Photonics Source Based on a Resonant Optical Hyper-Parametric Oscillator \\ Proc. of SPIE, Vol. 8960, 896010, 2010;

[9] W. Liang et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator \\ Nature Communications, 6:7957, August, 2015;[9] W. Liang et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator \\ Nature Communications, 6: 7957, August, 2015;

[10] Zhenda Xie et al, Opt. Lett., Vol. 40, 11, June 1, 2015;[10] Zhenda Xie et al, Opt. Lett., Vol. 40, 11, June 1, 2015;

[11] B. Sumpf et al. Dual-wavelength diode laser with electrically adjustable wavelength distance at 785  nm\\ Opt. Lett. 41, 3694-3697, 2016;[11] B. Sumpf et al. Dual-wavelength diode laser with electrically adjustable wavelength distance at 785 nm \\ Opt. Lett. 41, 3694-3697, 2016;

[12] R. Diaz et al. Lidar detection using a dual-frequency source\\ Opt. Lett. 31, 3600-3602, 2006;[12] R. Diaz et al. Lidar detection using a dual-frequency source \\ Opt. Lett. 31, 3600-3602, 2006;

[13] N. Ninane and M. P. Georges Holographic interferometry using two-wavelength holography for the measurement of large deformations\\ Appl. Opt. 34, 1923-1928, 1995;[13] N. Ninane and M. P. Georges Holographic interferometry using two-wavelength holography for the measurement of large deformations \\ Appl. Opt. 34, 1923-1928, 1995;

[14] C. Friedrich et al. New two-color laser concepts for THz generation\\ IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 14, 270, 2008.[14] C. Friedrich et al. New two-color laser concepts for THz generation \\ IEEE J. Sel. Top Quantum Electron. 14, 270, 2008.

Claims (51)

1. Лазерный прибор, содержащий:1. A laser device comprising: по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод для генерации лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод;at least one laser with many longitudinal modes for generating laser radiation having a spectrum of many longitudinal modes; по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор, связанный оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод;at least one high-Q microcavity coupled by optical feedback to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes; узел подстройки для подстройки спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту,a tuning unit for adjusting the spectrum of a plurality of longitudinal modes of laser radiation to match each of at least one frequency of a separate longitudinal mode of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes with a corresponding resonant frequency of said at least one high-Q microcavity, so as to obtain at least at least one agreed frequency причем лазерный прибор выполнен с возможностью вывода выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.moreover, the laser device is configured to output laser radiation having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which is at one of the at least one consistent frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode. 2. Лазерный прибор по п. 1,2. The laser device according to claim 1, причем упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления,wherein said at least one high-Q microcavity is made of a material having an intensity-dependent refractive index, причем лазерный прибор дополнительно выполнен с возможностью получения по меньшей мере одной оптической частотной гребенки, иmoreover, the laser device is additionally configured to receive at least one optical frequency comb, and причем каждая из упомянутой по меньшей мере одной оптической частотной гребенки параметрически генерируется одной из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки генерации оптической частотной гребенки.wherein each of said at least one optical frequency comb is parametrically generated by one of said at least one dominant longitudinal laser mode if said at least one dominant longitudinal laser mode has a power above the pump threshold of generation of the optical frequency comb. 3. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью как изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и изменения частоты каждой из отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод.3. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein the tuning unit is further configured to both vary the longitudinal mode spacing in the frequency domain and change the frequency of each of the individual longitudinal modes of the at least one laser with a plurality of longitudinal modes. 4. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен с обеспечением оптической обратной связи с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод посредством генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты.4. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein said at least one high-Q microcavity is configured to provide optical feedback to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes by generating at least one counterpropagating mode, each of which is on one of said at least one harmonized frequency. 5. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод представляет собой электрически запитываемый полупроводниковый лазерный диод.5. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is an electrically powered semiconductor laser diode. 6. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод и упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнены на одном кристалле с использованием микролитографии.6. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein said at least one laser with a plurality of longitudinal modes and said at least one high-Q microcavity are made on a single crystal using microlithography. 7. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления током инжекции упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод и/или температурой активной среды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, предпочтительно каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности.7. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein the tuning unit is further configured to control the injection current of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes and / or the temperature of the active medium of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes, preferably each of said at least one laser with many longitudinal modes separately. 8. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод связан оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним высокодобротным микрорезонатором посредством передачи излучения, рассеянного в упомянутом по меньшей мере одном высокодобротном микрорезонаторе, обратно в упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод.8. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is connected by optical feedback to said at least one high-Q microcavity by transmitting radiation scattered in said at least one high-Q microcavity back to said at least one laser with many longitudinal modes. 9. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод связан/связаны оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через элемент связи.9. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein one or more of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is coupled / connected by optical feedback to one or more of said at least one high-Q microcavity through a communication element. 10. Лазерный прибор по п. 9, причем элемент связи представляет собой призму полного внутреннего отражения или коническое оптическое волокно или волновод.10. The laser device according to claim 9, wherein the communication element is a prism of total internal reflection or a conical optical fiber or waveguide. 11. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора снабжен/снабжены дополнительным элементом связи.11. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein one or more of said at least one high-Q microcavity is provided with an additional communication element. 12. Лазерный прибор по п. 11, причем дополнительный элемент связи выполнен с возможностью вывода одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод, генерируемых в упомянутом одном или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, или упомянутой одной или нескольких доминантных продольных лазерных мод и одной или нескольких оптических частотных гребенок, генерируемых в упомянутом одном или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра.12. The laser device according to claim 11, wherein the additional communication element is configured to output one or more dominant longitudinal laser modes generated in said one or more of the at least one high-Q microresonator, or said one or more dominant longitudinal laser modes, and one or more optical frequency combs generated in said one or more of said at least one high-Q microcavity to filter non-resonant part of the output spectrum. 13. Лазерный прибор по п. 2, причем упомянутая по меньшей мере одна оптическая частотная гребенка является диссипативной солитонной керровской оптической гребенкой.13. The laser device according to claim 2, wherein said at least one optical frequency comb is a dissipative soliton Kerr optical comb. 14. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью подстройки резонансных частот высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора посредством как изменения разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и изменения резонансной частоты каждой из высокодобротных мод.14. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein the tuning unit is further configured to adjust the resonant frequencies of the high-Q modes of the at least one high-Q microresonator by changing the diversity of the high Q modes in the frequency domain and changing the resonant frequency of each of the high Q modes. 15. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления температурой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора и/или внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.15. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein the adjustment unit is further configured to control the temperature of said at least one high-Q microcavity and / or the external pressure applied to said at least one high-Q microcavity, preferably to each of said at least one high-Q microcavity individually. 16. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2,16. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, причем упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор изготовлен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на электромагнитное поле, прикладываемое к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, иwherein said at least one high-Q microcavity is made of electro-optical material that changes its refractive index in response to an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, and причем узел подстройки дополнительно выполнен с возможностью управления электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.moreover, the tuning unit is additionally configured to control an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, preferably to each of said at least one high-Q microcavity separately. 17. Лазерный прибор по любому из пп. 1 и 2, причем упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор представляет собой МШГ-микрорезонатор.17. The laser device according to any one of paragraphs. 1 and 2, wherein said at least one high-Q microcavity is an WGM microcavity. 18. Способ преобразования лазерного спектра, содержащий:18. A method for converting a laser spectrum, comprising: генерацию по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод лазерного излучения, имеющего спектр множества продольных мод;generating at least one laser with a plurality of longitudinal modes of laser radiation having a spectrum of a plurality of longitudinal modes; подстройку спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, связанного оптической обратной связью с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту;adjusting the spectrum of the plurality of longitudinal modes of laser radiation to match each of at least one frequency of a separate longitudinal mode of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes with a corresponding resonant frequency of at least one high-Q microcavity coupled by optical feedback with said at least one laser with many longitudinal modes, so as to obtain at least one matched frequency; вывод выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.the output of the output laser radiation having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which at one of said at least one matched frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode. 19. Способ по п. 18,19. The method according to p. 18, причем упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, иmoreover, said at least one high-Q microcavity is made of a material having an intensity-dependent refractive index, and причем способ дополнительно содержит параметрическую генерацию по меньшей мере одной оптической частотной гребенки каждой из упомянутой по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной моды, если упомянутая по меньшей мере одна доминантная продольная лазерная мода имеет мощность выше порога накачки генерации оптической частотной гребенки.moreover, the method further comprises parametric generation of at least one optical frequency comb of each of said at least one dominant longitudinal laser mode, if said at least one dominant longitudinal laser mode has a power above the pump threshold of generation of the optical frequency comb. 20. Способ по любому из пп. 18 и 19, причем спектр множества продольных мод подстраивают как посредством изменения разнесения продольных мод в частотной области, так и посредством изменения частоты каждой из отдельных продольных мод упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод.20. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19, the spectrum of the plurality of longitudinal modes being adjusted both 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 said at least one laser with a plurality of longitudinal modes. 21. Способ по любому из пп. 18 и 19, причем упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор выполнен с обеспечением оптической обратной связи с упомянутым по меньшей мере одним лазером с множеством продольных мод путем генерации по меньшей мере одной встречно распространяющейся моды, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты.21. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19, wherein said at least one high-Q microcavity is configured to provide optical feedback to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes by generating at least one counterpropagating mode, each of which is on one of said at least one harmonized frequency. 22. Способ по любому из пп. 18 и 19, причем спектр множества продольных мод подстраивают путем управления током инжекции упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод и/или температурой активной среды упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод, предпочтительно, каждого из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод в отдельности.22. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19, wherein the spectrum of the plurality of longitudinal modes is adjusted by controlling the injection current of said at least one laser with plurality of longitudinal modes and / or the temperature of the active medium of said at least one laser with plurality of longitudinal modes, preferably each of said at least one lasers with many longitudinal modes separately. 23. Способ по п. 21, причем упомянутую по меньшей мере одну встречно распространяющуюся моду, передаваемую обратно в упомянутый по меньшей мере один лазер с множеством продольных мод, генерируют в результате резонансного рэлеевского рассеяния в упомянутом по меньшей мере одном высокодобротном микрорезонаторе.23. The method of claim 21, wherein said at least one counterpropagating mode transmitted back to said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is generated by resonant Rayleigh scattering in said at least one high-Q microcavity. 24. Способ по любому из пп. 18 и 19, причем один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод связан/связаны оптической обратной связью с одним или несколькими из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через элемент связи.24. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19, wherein one or more of said at least one laser with a plurality of longitudinal modes is coupled / connected by optical feedback to one or more of said at least one high-Q microcavity through a communication element. 25. Способ по п. 24, причем элемент связи представляет собой призму полного внутреннего отражения или коническое оптическое волокно или волновод.25. The method according to p. 24, and the communication element is a prism of total internal reflection or a conical optical fiber or waveguide. 26. Способ по любому из пп. 18 и 19,26. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19 причем один или несколько из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора снабжен/снабжены дополнительным элементом связи.moreover, one or more of the aforementioned at least one high-Q microcavity is provided with an additional communication element. 27. Способ по п. 26, причем одну или несколько доминантных продольных лазерных мод или упомянутую одну или несколько доминантных продольных лазерных мод и одну или несколько оптических частотных решеток выводят из одного или нескольких из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора через дополнительный элемент связи, чтобы отфильтровать нерезонансную часть выходного спектра.27. The method according to p. 26, wherein one or more dominant longitudinal laser modes or said one or more dominant longitudinal laser modes and one or more optical frequency gratings are removed from one or more of the at least one high-Q microcavity through an additional communication element, to filter out the non-resonant part of the output spectrum. 28. Способ по любому из пп. 18 и 19, причем резонансные частоты высокодобротных мод упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора подстраивают как посредством изменения разнесения высокодобротных мод в частотной области, так и посредством изменения резонансной частоты каждой из высокодобротных мод.28. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19, wherein the resonant frequencies of the high-Q modes of the at least one high-Q microresonator are adjusted both by changing the diversity of the high Q modes in the frequency domain and by changing the resonant frequency of each of the high Q modes. 29. Способ по любому из пп. 18 и 19, причем способ дополнительно содержит управление температурой упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора и/или внешним давлением, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.29. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19, the method further comprising controlling the temperature of said at least one high-Q microcavity and / or the external pressure applied to said at least one high-Q microcavity, preferably each of said at least one high-Q microcavity individually. 30. Способ по любому из пп. 18 и 19,30. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19 причем упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор изготовлен из электрооптического материала, изменяющего свой показатель преломления в ответ на электромагнитное поле, прикладываемое к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, иwherein said at least one high-Q microcavity is made of electro-optical material that changes its refractive index in response to an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, and причем способ дополнительно содержит управление электромагнитным полем, прикладываемым к упомянутому по меньшей мере одному высокодобротному микрорезонатору, предпочтительно к каждому из упомянутого по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора в отдельности.moreover, the method further comprises controlling an electromagnetic field applied to said at least one high-Q microcavity, preferably to each of said at least one high-Q microcavity individually. 31. Способ по любому из пп. 18 и 19, причем упомянутый по меньшей мере один высокодобротный микрорезонатор является МШГ-микрорезонатором.31. The method according to any one of paragraphs. 18 and 19, wherein said at least one high-Q microcavity is a WGM microcavity. 32. Способ работы лазерного прибора по любому из пп.1-17, содержащий:32. The method of operation of the laser device according to any one of claims 1 to 17, comprising: подстройку спектра множества продольных мод лазерного излучения, чтобы согласовать каждую из по меньшей мере одной частоты отдельной продольной моды по меньшей мере одного лазера с множеством продольных мод с соответствующей резонансной частотой по меньшей мере одного высокодобротного микрорезонатора, так чтобы получить по меньшей мере одну согласованную частоту;adjusting the spectrum of the plurality of longitudinal modes of the laser radiation to match each of the at least one frequency of the individual longitudinal modes of the at least one laser with the plurality of longitudinal modes with the corresponding resonant frequency of the at least one high-Q microcavity so as to obtain at least one matched frequency; вывод выходного лазерного излучения, имеющего выходной спектр с по меньшей мере одной доминантной продольной лазерной модой, каждая из которых на одной из упомянутой по меньшей мере одной согласованной частоты и с уменьшенной шириной доминантной продольной лазерной моды.the output of the output laser radiation having an output spectrum with at least one dominant longitudinal laser mode, each of which at one of said at least one matched frequency and with a reduced width of the dominant longitudinal laser mode.
RU2019108976A 2019-03-27 2019-03-27 Compact device with lasers with multiple longitudinal modes, stabilized high-quality micro-resonators with generation of optical frequency combs RU2710002C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019108976A RU2710002C1 (en) 2019-03-27 2019-03-27 Compact device with lasers with multiple longitudinal modes, stabilized high-quality micro-resonators with generation of optical frequency combs
KR1020200019998A KR20200116023A (en) 2019-03-27 2020-02-18 Laser device and method for transforming a laser spectrum
US16/827,095 US11804694B2 (en) 2019-03-27 2020-03-23 Laser device and method of transforming laser spectrum

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019108976A RU2710002C1 (en) 2019-03-27 2019-03-27 Compact device with lasers with multiple longitudinal modes, stabilized high-quality micro-resonators with generation of optical frequency combs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2710002C1 true RU2710002C1 (en) 2019-12-23

Family

ID=69022852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019108976A RU2710002C1 (en) 2019-03-27 2019-03-27 Compact device with lasers with multiple longitudinal modes, stabilized high-quality micro-resonators with generation of optical frequency combs

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20200116023A (en)
RU (1) RU2710002C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114383740A (en) * 2021-12-13 2022-04-22 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 Chip wavelength standard acquisition device and wavelength measurement device
RU2797498C1 (en) * 2022-06-20 2023-06-06 Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант") Compact high-power radio-photon signal generator in the gigahertz and terahertz range

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114336252A (en) * 2021-12-29 2022-04-12 中红外激光研究院(江苏)有限公司 Narrow linewidth solid laser

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU680585A1 (en) * 1976-09-24 1991-02-15 Институт электроники АН БССР Laser
WO2000044074A1 (en) * 1999-01-26 2000-07-27 California Institute Of Technology Opto-electronic oscillators having optical resonators
WO2016138506A2 (en) * 2015-02-27 2016-09-01 Coriant Advanced Technology, LLC Multi-wavelength laser
RU2017118907A (en) * 2017-05-31 2018-11-30 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. A COMPACT DEVICE BASED ON THE SOURCE OF DOUBLE COMBES USING OPTICAL MICRO RESONATORS AND A METHOD FOR HETERODYN DETECTION IN METROLOGICAL APPLICATIONS
WO2019034138A1 (en) * 2017-08-18 2019-02-21 Huawei Technologies Co., Ltd. Efficient wavelength tunable hybrid laser

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU680585A1 (en) * 1976-09-24 1991-02-15 Институт электроники АН БССР Laser
WO2000044074A1 (en) * 1999-01-26 2000-07-27 California Institute Of Technology Opto-electronic oscillators having optical resonators
WO2016138506A2 (en) * 2015-02-27 2016-09-01 Coriant Advanced Technology, LLC Multi-wavelength laser
RU2017118907A (en) * 2017-05-31 2018-11-30 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. A COMPACT DEVICE BASED ON THE SOURCE OF DOUBLE COMBES USING OPTICAL MICRO RESONATORS AND A METHOD FOR HETERODYN DETECTION IN METROLOGICAL APPLICATIONS
WO2019034138A1 (en) * 2017-08-18 2019-02-21 Huawei Technologies Co., Ltd. Efficient wavelength tunable hybrid laser

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114383740A (en) * 2021-12-13 2022-04-22 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 Chip wavelength standard acquisition device and wavelength measurement device
RU2797498C1 (en) * 2022-06-20 2023-06-06 Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант") Compact high-power radio-photon signal generator in the gigahertz and terahertz range

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200116023A (en) 2020-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113168067B (en) Generating optical pulses via soliton states of an optical microresonator coupled to a chip-based semiconductor laser
US11804694B2 (en) Laser device and method of transforming laser spectrum
JP5883503B2 (en) Generation of optical combs in single optical tones, RF oscillation signals and triple oscillator devices based on nonlinear optical resonators
US6710914B2 (en) Tunable light source employing optical parametric oscillation near degeneracy
JP5998214B2 (en) Compact optical atomic clock and applications based on parametric nonlinear optical mixing in whispering gallery mode optical resonators
US7062131B2 (en) Optical coupling for whispering-gallery-mode resonators via waveguide gratings
US9748726B1 (en) Multiple-microresonator based laser
US7050212B2 (en) Active mode-locked lasers and other photonic devices using electro-optic whispering gallery mode resonators
US8619824B2 (en) Low white frequency noise tunable semiconductor laser source
US6724788B1 (en) Method and device for generating radiation with stabilized frequency
US20210026223A1 (en) Fully Integrated Chip Platform For Electrically Pumped Frequency Comb Generation
JP2013545107A (en) Broadband light source acousto-optic tunable filter (AOTF) for fluorescence measurement system
EP2702443A1 (en) Parametric regenerative oscillators based on opto-electronic feedback and optical regeneration via nonlinear optical mixing in whispering gallery mode optical resonators
JP2004193545A (en) Method of tuning laser by spectrally dependent spatial filtering and tunable laser therewith
RU2710002C1 (en) Compact device with lasers with multiple longitudinal modes, stabilized high-quality micro-resonators with generation of optical frequency combs
JP2020534571A (en) Adjustable light source with wideband output
US11870216B2 (en) Compact narrow-linewidth integrated laser
Liang et al. A low-RIN spectrally pure whispering-gallery-mode resonator-based semiconductor laser
JPH01500064A (en) optically controlled selector
Li et al. Chip-based Brillouin lasers as spectral purifiers for photonic systems
WO2004107033A1 (en) Frequency comb generator
Antman et al. Slaving a Highly Multi-Mode Laser to an On-Chip Single Mode Microresonator
McKinzie et al. Heterogeneously integrated InP widely tunable laser and SiN microring resonator for integrated comb generation
Winkler et al. Widely-tunable and narrow-linewidth hybrid-integrated diode laser at 637 nm
Kolodzie et al. Ultra-low Frequency Noise External Cavity Diode Laser Systems for Quantum Applications