特許 5998214 ウィスパリングギャラリーモード光共振器におけるパラメトリック非線形光混合に基づいたコンパクトな光原子時計および用途

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5998214

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】ウィスパリングギャラリーモード光共振器におけるパラメトリック非線形光混合に基づいたコンパクトな光原子時計および用途

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/39 20060101AFI20160915BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/39

【請求項の数】28

【全頁数】34

(21)【出願番号】特願2014-519239(P2014-519239)

(86)(22)【出願日】2012年7月2日

(65)【公表番号】特表2014-523002(P2014-523002A)

(43)【公表日】2014年9月8日

(86)【国際出願番号】US2012045317

(87)【国際公開番号】WO2013003859

(87)【国際公開日】20130103

【審査請求日】2014年2月5日

(31)【優先権主張番号】61/503,584

(32)【優先日】2011年6月30日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】512074984

【氏名又は名称】オーイーウェイブス，インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100109634

【弁理士】

【氏名又は名称】舛谷 威志

(72)【発明者】

【氏名】アナトリー Ａ．サフチェンコ

(72)【発明者】

【氏名】リュート マーレキー

(72)【発明者】

【氏名】アンドレイ Ｂ．マツコ

(72)【発明者】

【氏名】デビッド セイデール

【審査官】 林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０２０４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５２２８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１３５８６０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０７１８０６５７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２８６６０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１１８３７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 L. Maleki, et al.，"All-Optical Integrated rubidium Atomic Clock"，Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS), 2011 Joint Conference of the IEEE International ，２０１１年 ５月 ２日，p.1-5

【文献】 S. Vladimir, et al.，"Miniature Oscillators Based on Optical WhisperingGallery Mode Resonators"，Frequency Control Symposium, 2008 IEEE International ，２００８年 ５月１９日，p.305-308

【文献】 L.Maleki, et al.，"High performance, miniature hyper-parametric microwave photonic oscillator"，Frequency Control Symposium (FCS), 2010 IEEE International ，２０１０年 ６月 １日，p.558-563

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／３５−１／３９

Ｈ０１Ｓ ３／００−３／３０

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

デバイスであって、
光非線形性を示す光学材料によって形成され、前記光非線形性によって発生する非線形波混合に基づいて光周波数コムを生成する光共振器と、
調節可能であり、前記光周波数コムを生成するため、前記非線形波混合に基づいて前記光共振器の前記光学材料と相互作用するレーザー光を生成するレーザーと、
前記レーザーを前記光共振器へと同期させるレーザー同期機構と、
原子遷移または分子遷移を提供する原子または分子を含み、前記原子遷移または前記分子遷移の情報を搬送する出力光を生成するため、前記光共振器から放射された光を受信するよう結合された原子リファレンスデバイスと、
前記原子リファレンスデバイスからの前記出力光を受信し、第１の検出器出力を生成する第１の光検出器と、
前記レーザーまたは前記光共振器の少なくとも１つに結合され、前記第１の検出器出力を受信し、フィードバック信号を生成し、前記フィードバック信号を供給して前記レーザーまたは前記光共振器のうち少なくとも１つを安定させるフィードバック回路と、
前記光周波数コムを前記原子リファレンスデバイスの前記原子遷移または前記分子遷移に対して周波数安定な無線周波数（ＲＦ）信号へ変換するため、光カプラによって前記光共振器から放射された光を受信する第２の光検出器と、
を含む、デバイス。

【請求項2】

前記光共振器は、光ウィスパリングギャラリーモード共振器である、
請求項１のデバイス。

【請求項3】

前記光共振器は、非線形結晶質材料によって構成される、
請求項１のデバイス。

【請求項4】

前記レーザーおよび前記光共振器は、注入同期を介して互いに同期され、前記レーザー同期機構は、前記レーザー光を前記光共振器中に結合させ、さらに、前記レーザーを前記光共振器へと注入同期させるため、前記光共振器から外部へ出ていく光を再度前記レーザーへと結合させる光カプラを含む、
請求項１のデバイス。

【請求項5】

前記レーザー同期機構は、前記レーザーおよび前記光共振器を互いに同期させる同期回路を含む、
請求項１のデバイス。

【請求項6】

前記同期回路は、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）回路である、
請求項５のデバイス。

【請求項7】

前記デバイスは、前記原子リファレンスデバイスおよび前記光共振器と光学的に連絡する光マッハツェンダー干渉計を含み、ここで、前記光マッハツェンダー干渉計は、前記光共振器から放射された光を受信するように配置され、前記光マッハツェンダー干渉計は、前記光共振器から放射された光が、前記原子リファレンスデバイス中の第１の原子遷移と共振する第１の光ビームおよび前記原子リファレンスデバイス中の第２の異なる原子遷移と共振する第２の光ビームに処理されるように配置され、さらに前記光マッハツェンダー干渉計は、前記光を処理した後に、前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームを前記原子リファレンスデバイス中へと方向付けるように配置されている、請求項１のデバイス。

【請求項8】

前記レーザーは、前記レーザーまたは前記光共振器を安定させるための前記フィードバック信号に関連したディザー変調を有するレーザー光を生成するように変調される、
請求項７のデバイス。

【請求項9】

前記原子リファレンスデバイスは原子蒸気セルを含む、
請求項１のデバイス。

【請求項10】

前記原子リファレンスデバイスは原子トラップを含む、
請求項１のデバイス。

【請求項11】

前記原子リファレンスデバイスは原子ビームを含む、
請求項１のデバイス。

【請求項12】

デバイスであって、
光非線形性を示し、光ウィスパリングギャラリーモードをサポートするウィスパリングギャラリーモード共振器として構成される光共振器と、
調節可能であり、かつレーザー光を生成するレーザーと、
前記光共振器中の非線形波混合に基づいて異なる周波数の光コム信号を生成するため、前記レーザー光を前記光共振器中へと結合させる光カプラと、
原子遷移または分子遷移を周波数リファレンスとして提供する原子または分子を含む原子リファレンスデバイスと、
前記異なる周波数の光コムを安定させるため、前記光共振器または前記レーザーのうち少なくとも１つを前記原子リファレンスデバイスの前記原子遷移または前記分子遷移に周波数同期させる同期回路と、
を含む、デバイス。

【請求項13】

前記同期回路は、前記光共振器からの光を再度前記レーザーへと方向付けて、前記光共振器のモードに対する前記レーザーの注入同期を発生させる、
請求項１２のデバイス。

【請求項14】

前記同期回路は、前記光共振器から外部へ出ていく光を結合させ、前記結合された光を再度前記レーザーへと方向付ける光カプラを含む、
請求項１３のデバイス。

【請求項15】

前記同期回路は、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）回路を含む、
請求項１２のデバイス。

【請求項16】

原子周波数リファレンスに対して安定した無線周波数（ＲＦ）またはマイクロ波信号を生成する方法であって、
光共振器の自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）または前記ＦＳＲの高調波によって分離された少なくとも２つの異なる光共振器モードにおける前記光共振器内部に閉じ込めレーザー光を生成するため、レーザー光を前記光共振器内に光結合によって方向付ける工程と、
前記少なくとも２つの異なる光共振器モードに対応する２つの光スペクトルコンポーネントを有する光共振器出力として、前記光共振器内の前記閉じ込めレーザー光を光結合によって放出する工程と、
前記光共振器出力内の前記少なくとも２つの異なる光共振器モードに対応する前記２つの光スペクトルコンポーネントを安定させるため、前記光共振器を原子周波数リファレンスの２つの原子遷移に対して同期させる工程と、
前記原子周波数リファレンスに対して安定な前記２つの光スペクトルコンポーネント間の周波数差の周波数における検出器信号を生成するため、前記光共振器出力を光検出器内へと光結合によって方向付ける工程と、
を含む、方法。

【請求項17】

前記光共振器の第１の光共振器モードに対応する第１のレーザー搬送波周波数における前記レーザー光の第１の部分を生成するよう第１のレーザーを動作させる工程と、
前記第１のレーザーを前記光共振器の前記第１の光共振器モードに同期させる工程と、
前記光共振器の第２の光共振器モードに対応する第２のレーザー搬送波周波数における前記レーザー光の第２の部分を生成するように第２の別個のレーザーを動作させる工程と、
前記第２のレーザーを前記光共振器の前記第２の光共振器モードに同期させる工程と、
を含む、請求項１６の方法。

【請求項18】

前記第１のレーザーおよび前記第２のレーザーを前記光共振器を介して互いに同期させる工程、
を含む、請求項１７の方法。

【請求項19】

前記光共振器内部の非線形波混合を介して光周波数コムを生成するため、非線形光共振器として前記光共振器を構成する工程を含み、
前記生成された光周波数コムは、前記少なくとも２つの異なる光共振器モードを含む、請求項１６の方法。

【請求項20】

エラー信号を生成するため、前記光共振器出力からの光を前記原子周波数リファレンス内へと光結合によって方向付ける工程と、
前記光共振器を前記原子周波数リファレンスへ同期させるため、フィードバックループ内の前記エラー信号を用いる工程と、
を含む、請求項１９の方法。

【請求項21】

前記原子周波数リファレンス内の第１の原子遷移と共振する第１の光周波数における第１のビームと、前記第１の原子遷移と共通励起状態を共有する前記原子周波数リファレンス内の第２の原子遷移と共振する第２の異なる光周波数における第２のビームとを生成するために、前記光共振器出力の前記光を干渉計によって処理する工程と、
前記エラー信号を生成するため、前記第１の原子遷移および前記第２の原子遷移によって発生した電磁誘導透過を用いる工程と、
を含む、請求項２０の方法。

【請求項22】

前記レーザー光を生成するようレーザーを動作させる工程と、
前記レーザー光を前記光共振器に方向付ける工程の前に、エラー信号を生成するため、前記原子周波数リファレンスを通過して伝搬するよう前記レーザー光の一部を分割する工程と、
前記光共振器を前記原子周波数リファレンスへ同期させるため、フィードバックループ内の前記エラー信号を用いる工程と、
を含む、請求項１６の方法。

【請求項23】

光コムを生成し、原子周波数リファレンスに対して安定化させる方法であって、
レーザー光を生成するようレーザーを動作させる工程と、
前記レーザー光を、光非線形性を示し、光共振器中の非線形波混合に基づいて異なる周波数の光コム信号を生成するために充分なパワーによって光ウィスパリングギャラリーモードをサポートする前記光共振器内に光結合によって方向付ける工程と、
前記レーザーおよび前記光共振器を互いに同期させる工程と、
前記異なる周波数の光コムを安定させるため、前記レーザーまたは前記光共振器を原子周波数リファレンスへ同期させる工程と、
を含む、方法。

【請求項24】

前記光共振器から前記レーザーへの光フィードバックに基づいた注入同期を介して、前記レーザーおよび前記光共振器を互いに同期させる工程、
を含む、請求項２３の方法。

【請求項25】

Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）回路を介して前記レーザーおよび前記光共振器を互いに同期させる工程、
を含む、請求項２３の方法。

【請求項26】

原子蒸気または分子蒸気中の電磁誘導透過に基づいて、前記レーザーまたは前記光共振器を原子周波数リファレンスへ同期させる工程、
を含む、請求項２３の方法。

【請求項27】

前記原子周波数リファレンスと異なる第２の原子周波数リファレンスを提供する工程と、
前記レーザーまたは前記光共振器を、前記原子周波数リファレンスおよび前記第２の原子周波数リファレンスの双方へ同期させる工程と、
を含む、請求項２３の方法。

【請求項28】

デバイスであって、
光非線形性を示す結晶質材料によって形成され、光ウィスパリングギャラリーモードをサポートするウィスパリングギャラリーモード共振器として構成される光共振器と、
調節可能であり、かつレーザー光を生成するレーザーと、
前記レーザー光を、前記結晶質材料の前記光非線形性に基づいて異なる周波数の光コムを発生させる前記光共振器中へと結合させ、さらに、前記光共振器への前記レーザーの注入同期を発生させるため、前記光共振器内から外部へ出ていく前記光共振器内の光を再度前記レーザーへと結合させる光カプラと、
原子遷移または分子遷移を提供する原子または分子を含み、前記原子遷移または前記分子遷移の情報を搬送する出力光を生成するため、前記光共振器から放射された光を受信するよう接続された原子リファレンスデバイスと、
第１の検出器出力を生成するため、前記原子リファレンスデバイスからの前記出力光を受信する第１の光検出器と、
前記レーザーまたは前記光共振器のうち少なくとも１つに接続され、前記第１の検出器出力を受信し、フィードバック信号を生成し、前記フィードバック信号を供給して前記レーザーまたは前記光共振器のうち少なくとも１つを安定させるフィードバック回路と、
前記異なる周波数の光コムを、前記原子リファレンスデバイスの前記原子遷移または前記分子遷移に対して周波数安定な第２の検出器信号へ変換するため、光カプラによって前記光共振器から放射された光を受信する第２の光検出器と、
を含む、デバイス。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

優先権の主張および関連出願への相互参照。本出願は、米国仮出願第６１／５０３，５８４号（名称：「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｏｍｉｃ Ｃｌｏｃｋｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｕｓｉｎｇ Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ Ｍｏｄｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、出願日：２０１１年６月３０日」の優先権を主張する。該特許出願の開示の全ては、参照されることにより、本出願の開示の一部として組み込まれる。

【技術分野】

【0002】

本出願は、安定な発振信号およびクロック信号を生成するためのデバイスおよび技術（例えば、光ウィスパリングギャラリーモード共振器を有するフォトニック、ＲＦおよびマイクロ波デバイス）に関する。

【0003】

高精度の発振信号およびクロック信号は、多様な用途において広範に用いられている。原子遷移（例えば、セシウムまたはルビジウム中のアルカリ超微細遷移）は、クロックリファレンスを生成する原子時計として用いることができる。ＲＦもしくはマイクロ波発振器、またはデバイスを原子時計に対して周波数安定させることができる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本文書は、光共振器に基づいた技術およびデバイスを提供する。これらの技術およびデバイスは、安定なＲＦまたはマイクロ波信号を生成するための非線形波混合および原子リファレンスを提供するため、非線形光学材料製の光共振器を用いる。

【0005】

一様態において、光非線形性を示す光学材料によって形成され、光非線形性によって発生する非線形波混合に基づいて光周波数コムを生成する光共振器と、調節可能であり、光周波数コムを生成するため、非線形波混合に基づいて光共振器の光学材料と相互作用するレーザー光を生成するレーザーと、レーザーを光共振器へと同期させるレーザー同期機構と、原子遷移または分子遷移を提供する原子または分子を含み、原子遷移または分子遷移の情報を搬送する出力光を生成するため、光共振器の外部において結合された光を受信するよう結合された原子リファレンスデバイスと、原子リファレンスデバイスから出力光を受信し、第１の検出器出力を生成する第１の光検出器と、レーザーまたは光共振器のうち少なくとも１つに結合され、第１の検出器出力を受信し、フィードバック信号を生成し、フィードバック信号を供給してレーザーまたは光共振器のうち少なくとも１つを安定させるフィードバック回路と、光周波数コムを原子リファレンスデバイスの原子遷移または分子遷移に対して周波数安定な第２の検出器信号へ変換するため、光共振器の外部において光カプラによって結合された光を受信する第２の光検出器と、を含むデバイスが提供される。

【0006】

別の様態において、光非線形性を示し、光ウィスパリングギャラリーモードをサポートするウィスパリングギャラリーモード共振器として構成される光共振器と、調節可能であり、かつレーザー光を生成するレーザーと、光共振器中の非線形波混合に基づいて異なる周波数の光コム信号を発生させるため、レーザー光を光共振器中へと結合させる光カプラと、原子遷移または分子遷移を周波数リファレンスとして提供する原子または分子を含む原子リファレンスデバイスと、異なる周波数の光コムを安定させるため、光共振器またはレーザーのうち少なくとも１つを原子リファレンスデバイスの原子遷移または分子遷移に対して周波数同期させる同期回路と、を含むデバイスが提供される。

【0007】

別の様態において、原子周波数リファレンスに対して安定した無線周波数（ＲＦ）またはマイクロ波信号を生成する方法が提供される。この方法は、光共振器の自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）またはＦＳＲの高調波によって分離された少なくとも２つの異なる光共振器モードにおける光共振器内部に閉じ込めレーザー光を生成するため、レーザー光を光共振器内に方向付ける工程と、少なくとも２つの異なる光共振器モードに対応する２つの光スペクトルコンポーネントを有する光共振器出力として、光共振器内部の閉じ込めレーザー光を外部に結合させる工程と、光共振器出力内の少なくとも２つの光共振器モードに対応する２つの光スペクトルコンポーネントを安定させるため、光共振器を原子周波数リファレンスに同期させる工程と、原子周波数リファレンスに対して安定な２つの光スペクトルコンポーネント間の周波数差の周波数における検出器信号を生成するため、光共振器出力を光検出器内へと方向付ける工程と、を含む。

【0008】

別の様態において、光コムを生成し、原子周波数リファレンスに対して安定化させる方法が提供される。この方法は、レーザー光を生成するようレーザーを動作させる工程と、レーザー光を、光非線形性を示し、光共振器中の非線形波混合に基づいて異なる周波数の光コム信号を生成するために充分なパワーによって光ウィスパリングギャラリーモードをサポートする光共振器内に方向付ける工程と、レーザーおよび光共振器を互いに同期させる工程と、異なる周波数の光コムを安定させるため、レーザーまたは光共振器を原子周波数リファレンスへ同期させる工程と、を含む。

【0009】

さらに別の様態において、光非線形性を示す結晶質材料によって形成され、光ウィスパリングギャラリーモードをサポートするウィスパリングギャラリーモード共振器として構成される光共振器と、調節可能であり、かつレーザー光を生成するレーザーと、レーザー光を、結晶質材料の光非線形性に基づいて異なる周波数の光コムを発生させる光共振器中へと結合させ、さらに、光共振器へのレーザーの注入同期を発生させるため、光共振器から外部へ出ていく光共振器内の光を再度レーザーへ結合させる光カプラと、原子遷移または分子遷移を提供する原子または分子を含み、原子遷移または分子遷移の情報を搬送する出力光を生成するため、光共振器の外部において結合された光を受信するよう接続された原子リファレンスデバイスと、第１の検出器出力を生成するため、原子リファレンスデバイスから出力光を受信する第１の光検出器と、レーザーまたは光共振器のうち少なくとも１つに結合され、第１の検出器出力を受信し、フィードバック信号を生成し、フィードバック信号を供給してレーザーまたは光共振器のうち少なくとも１つを安定させるフィードバック回路と、異なる周波数の光コムを、原子リファレンスデバイスの原子遷移または分子遷移に対して周波数安定な第２の検出器信号へ変換するため、光カプラによって光共振器の外部において結合された光を受信する第２の光検出器と、を含むデバイスが提供される。

【0010】

上記のおよび他の様態ならびに実施様態について、図面、記載および特許請求の範囲中に詳細に示す。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1A】は、原子リファレンスに対して安定な光コム生成デバイスの一例を示す。

【図1B-1D】は、原子リファレンスに対して安定な光コム生成デバイスの一例を示す。

【0012】

【図2A-2B】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。

【図3】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。

【図4A-4B】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。

【図5A-5B】は、ＷＧＭ共振器および光結合構成の例を示す。

【0013】

【図6】は、ＯＥＯループを用いない非線形ＷＧＭ共振器に基づいたＲＦ発振器を示す。

【0014】

【図7】は、非線形ＷＧＭ共振器に基づいたＲＦ発振器またはマイクロ波発振器の例を示す。

【図8】は、非線形ＷＧＭ共振器に基づいたＲＦ発振器またはマイクロ波発振器の例を示す。

【図9】は、非線形ＷＧＭ共振器に基づいたＲＦ発振器またはマイクロ波発振器の例を示す。

【0015】

【図10】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。

【図11】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。

【図12】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。

【図13】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。

【図14】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。

【図15】は、光コム信号を生成するサンプル非線形ＷＧＭ共振器の測定を示す。

【0016】

【図16】は、外部反射器を用いることによりレーザーを共振器へ同期する一例を示す。

【0017】

【図17】は、原子リファレンスに対して安定な異なる光コム生成デバイスを示す。

【図18】は、原子リファレンスに対して安定な異なる光コム生成デバイスを示す。

【図19】は、原子リファレンスに対して安定な異なる光コム生成デバイスを示す。

【図20】は、原子リファレンスに対して安定な異なる光コム生成デバイスを示す。

【図21】は、原子リファレンスに対して安定な異なる光コム生成デバイスを示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

光コムは、周期的な周波数もしくはスペクトルコンポーネントの光信号、または光高調波であり、個々の周波数コンポーネントの光周波数、または周波数コンポーネントおよび周波数コンポーネントの周波数間隔もしくは繰り返し周波数のうちの少なくとも１つの光周波数の組み合わせによって特徴付けられ得る。本文書中に記載のデバイスおよび技術は、原子周波数リファレンスもしくはクロック信号に基づいて、または原子周波数リファレンスもしくはクロック信号に対して、非線形光共振器（例えば、結晶性ウィスパリングギャラリーモード共振器）中の４波混合および／またはハイパーパラメトリック発振に基づいて生成された光コムの繰り返し周波数を（レーザーからのレーザー光による適切な光ポンピングの下において）安定させる。本文書中に記載される実施例は、単一の原子周波数リファレンスを、光コムまたは２つの異なる原子周波数リファレンスの安定化のために用いて、２つの異なる周波数同期または安定点を提供し、これにより、光コム信号のよりロバストな安定を実現することができる。このような安定した光コム信号は、関連する原子周波数リファレンスまたはクロックの代表的なものであり、多様な実際の用途において、原子時計として取り扱うことができる。このような安定した光コム信号は、光コム信号をＲＦまたはマイクロ波信号へ変換する光検出器によって検出することができる。光検出器および対応する回路の帯域幅に応じて、ＲＦまたはマイクロ波信号は、隣接する周波数コンポーネント間の周波数間隔および／またはこの周波数間隔の他の周波数高調波に対応するＲＦまたはマイクロ波周波数を含み得る。光検出器およびその対応する回路は、ＲＦまたはマイクロ波信号中の１つ以上のＲＦまたはマイクロ波周波数を選択するように構成され得る。

【0019】

本文書中に記載されるデバイスおよび技術は、光領域中の原子または分子中の高精度の光学原子遷移または光学分子遷移（すなわち、原子時計）の利点を利用し、光信号（例えば、光コム）を原子時計に対して安定させるための光学処理を用いる。その後、安定した光信号を光検出器によってＲＦまたはマイクロ波領域へと変換して、ＲＦまたはマイクロ波信号を原子時計の高い周波数精度または安定性によって入手する。このような光安定化および光領域からＲＦまたはマイクロ波領域への変換のスキームは、少なくとも２つの異なる光スペクトルコンポーネントを含む光信号を、所望のＲＦまたはマイクロ波周波数に対応する周波数分離を用いて、かつ光コム信号を用いずに生成することにより、実施することができる。光コム信号が不要であるため、光非線形性を示さない光共振器を、非線形光共振器の代わりに用いることができる。本文書中に記載される一例は、２つのレーザー搬送波周波数における２つの異なるレーザーを原子周波数リファレンスへ同期させるために用いられ、２つのレーザー搬送波周波数の周波数差は、所望のＲＦまたはマイクロ波周波数に設定される。

【0020】

以下において、光コムを生成する非線形光共振器における非線形光波混合に基づいた実施様態について説明する。これらの非線形光共振器は、多様な光共振器構成をとりえる。非線形ウィスパリングギャラリーモード共振器がとりわけ有利であり得る１つの理由として、このような共振器は、低出力レベルにおいて効率的な非線形波混合が提供できるような高Ｑ値で作製することができ、また、コンパクトな形態でパッケージするかまたはＲＦチップ上に集積させることが可能であるからである。他の共振器構成（例えば、ファブリーペロー共振器）をとる非線形光共振器を用いて、本文書中に記載するデバイスおよび技術を実施することも可能である。

【0021】

いくつかの実施様態において、適切に選択された光高調波（「光コム」）は、光学結晶性ウィスパリングギャラリーモード共振器内において生成され、原子リファレンス（例えば、原子蒸気セル、原子トラップまたは原子ビーム）中へと注入され、その結果、原子リファレンス周波数の情報を搬送する出力光信号が生成される。この出力光信号は、レーザーおよび光学結晶性ウィスパリングギャラリーモード共振器のうち一方または双方を安定化させるためのフィードバック信号を生成するために用いられる。例えば、高調波の適切な偏光調整下において、原子リファレンスからの光の光検出がフォトダイオードにおいて実行され、フォトダイオードの出力からの処理されたＲＦ信号からフィードバックが生成され、共振器または共振器そのもののを光学的にポンピングするために用いられるレーザーへ送られる。このフィードバックは、原子リファレンスへ同期された周波数安定性のＲＦまたはマイクロ波信号を生成するための、高速フォトダイオード上において復調され得る光コムの安定化を達成するために用いられる。よって、この原子リファレンスを用いたウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）共振器ベースのハイパーパラメトリック発振器により、原子遷移の安定性を、高速フォトダイオード上の可視光線のＲＦビートへと送ることができる。

【0022】

このような、光コムの生成のための非線形ＷＧＭ共振器の利用と、生成された光コムの原子リファレンスへの同期との組み合わせを用いて、コンパクトであり、低コストでありかつ適合性の高いＲＦまたはマイクロ波発振器を、高い原子リファレンス精度によって得ることができる。例えば、このようなデバイスは、原子リファレンスにおける光学遷移に基づいた原子時計として用いることができ、さらに、コンパクトなサイズで構成し、低パワーにおいて動作することができる。

【0023】

原子リファレンスは、原子遷移または分子遷移に基づいた多様な構成において実施することができる。例えば、米国特許第６，７６２，８６９号（名称：「Ａｔｏｍｉｃ ｃｌｏｃｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」）において、発振器の発振周波数を原子周波数リファレンス（例えば、原子蒸気セル）に対して安定させるための周波数同期機構を有する光電子発振器の例についての記載がある。別の例として、米国特許第８，１５９，７３６号（名称：「Ｔｕｎａｂｌｅ ｓｉｎｇｌｅ ｓｉｄｅｂａｎｄ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ ｇａｌｌｅｒｙ ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」）において、ＲＦまたはマイクロ波振動を安定化させるための光電子ループの光学部分において原子蒸気セルを用いつつ、電気光学材料によって形成されるウィスパリングギャラリーモード共振器における調節可能な単一のサイドバンド（ＳＳＢ）変調に基づいた光電子発振器の例についての記載がある。上記の米国特許出願の開示内容は、参照されることにより、本文書の開示内容の一部として組み込まれる。

【0024】

原子セル中の原子（例えば、アルカリ蒸気（例えば、ルビジウムまたはセシウム））は、本文書に記載のデバイスを安定させるための安定した原子周波数リファレンスを提供するために用いることができる。このような安定した原子周波数リファレンスは、多様な方法で生成することができる。例えば、特定の光学原子遷移における吸収ピークをこのような安定した原子リファレンスとして直接用いることができ、この場合、このような遷移における原子蒸気セルの光透過（または、あるいは吸収）を測定して、レーザーまたは光共振器共振の周波数あるいは信号中の周波数のシフトを示すことができる。別の例として、量子干渉効果（電磁誘導透過として知られる）に基づいた３つのエネルギーレベルに関連する原子遷移を、このような安定した原子周波数リファレンスとして用いることができる。ルビジウムまたはセシウムにおいて、２つの基底状態超微細レベルおよび共通励起状態を用いて、原子リファレンスを提供することができる。この原子リファレンスにおいて、２つの基底状態超微細レベルの間の周波数差は、所望のＲＦまたはマイクロ波周波数に対応する。このような原子の例を挙げると、２つの超微細基底状態間のギャップが約９．２ＧＨｚであるセシウムや、２つの超微細基底状態間のギャップが約６．８ＧＨｚであるルビジウムがある。一般的には、共通励起状態を介した光ポンピングが無い場合、これら２つの基底状態は互いに分離されている。光場が１つのみ存在し、２つの光学遷移のうちいずれかと共振している場合、全ての電子は最終的には、１つの光場と共振している原子遷移に関連付けられた１つの基底状態から、１つの光場と共振していない他方の基底状態へと転移する。その結果、原子セルは、１つの光場に対して透過となる。第２の光場が他方の原子遷移へ同時に供給され、第１の光場に対してコヒーレントである場合、２つの基底状態は互いに分離されなくなる。２つの供給された光場が、２つの原子遷移と高精度に共振すると、量子力学的コヒーレントポピュレーショントラッピングが発生し、２つの基底状態が相互に量子力学的に干渉し合った結果、位相外れ重畳状態が形成され、共通励起状態から接合解除される。この条件下において、重畳状態と励起状態との間に許容可能な双極子モーメントは無い。そのため、２つの基底状態のうちいずれにおいても、光学的に励起して励起状態へ移行可能な電子は無い。その結果、原子セルは、共通励起状態を共有している２つの原子遷移とそれぞれ共振している光場の双方に対して透過になる。２つの供給された光場のうちいずれかが対応する共振から離隔方向に調節された場合、基底状態にある原子は再度光学的に吸収性となる。この電磁誘導透過に起因して、２つの同時供給された光場のうちのいずれかの周波数離調に対する透過スペクトルピークが狭くなる。この信号は、ＷＧＭ共振器もしくはレーザーまたは双方を安定させるためのフィードバックとして用いることができる。

【0025】

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは、非線形光ＷＧＭ共振器に基づいた原子リファレンスに対して安定な例示的な光コム生成デバイスの構造および動作を示す。このデバイスは、調節可能なレーザー１を含む（例えば、光カプラ２（例えば、光エバネッセント結合のためのプリズムカプラ）を介して非線形光ＷＧＭ共振器１００中へと結合されるレーザー光を生成するダイオードレーザーまたは半導体レーザー）。非線形光ＷＧＭ共振器１００は、光非線形性を示す結晶質材料によって形成され、共振器１００は、光ウィスパリングギャラリーモードをサポートするように構成される。レーザー１は、レーザー光の充分なレーザーパワーを生成するように動作される。このレーザー光は、異なる周波数の光コムを生成する非線形光波混合用の閾値を超えるように、共振器１００内に結合される。

【0026】

図１Ａにおいて、レーザー１および共振器１００は、適切な同期機構に基づいて、相互に周波数同期される。例えば、注入同期は、レーザー１から光共振器１００への注入同期を発生させるためのレーザー１に対するフィードバックレーザービームを生成するため、共振器１００中の光を結合させ、共振器１００中へ初期結合されているレーザー光を逆伝搬させる光カプラ２を用いて実行される。別の例として、レーザー１および光共振器１００を互いに同期させるために、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）レーザーフィードバック同期スキームを用いることができる。

【0027】

また、図１Ａに示すように、原子セル２０が原子リファレンスとして設けられ、光共振器１００の外部において結合された光を受信して、原子リファレンスの情報を搬送する出力光を生成するように接続される。光検出器２４（例えば、フォトダイオード）が、原子セル２０からの出力光（例えば、光透過）を受信して、検出器出力をフィードバック信号として出力するように、配置される。フィードバック回路４は、検出器出力を受信し、フィードバック信号を生成する。フィードバック回路４は、レーザー１または光共振器１００のうち少なくとも１つへ接続されており、レーザー１または光共振器１００のうち少なくとも１つを安定させるため、フィードバック信号を供給する。

【0028】

図１Ａに示す例において、フィードバック回路４は、共振器１００が原子セル２０中の原子リファレンスに対して安定するように共振器１００を制御するためのバイアス制御信号を生成する回路の部分としてのロックイン増幅器を含む。このバイアス制御信号は、光共振器１００の共振をシフトさせて、特定の原子周波数リファレンスからの望ましくない周波数ドリフトを低減または最小化させる。この点について、光共振器１００は周波数が調節可能であり、共振器１００のこの調節は、バイアス制御に応じた多様な構成において実行することができる。例えば、共振器共振を調節するために、共振器１００の温度を用いることができる。共振器１００をアクチュエータ（例えば、機械的アクチュエータ（例えば、スクイーザーまたは圧電アクチュエータ））によってスクイーズすることにより、その寸法を変化させ、これにより共振器共振を調節する。あるいは、共振器１００を電気光学材料によって構成することもでき、その場合、外部電圧を共振器共振へ供給することにより、電気光学効果を介して屈折率を変更し、共振器共振を調節することができる。

【0029】

フィードバック信号としての光検出器２４の検出器出力は、特定の原子周波数リファレンスからの光共振器１００の共振のドリフトを示すエラー信号である。これは、比較的低速のディザリング変調を介して、光共振器１００の共振をディザリングすることにより、発生させることができる。このような光共振器１００の共振におけるディザリング変調は、光検出器２４によって生成された検出器信号を変化させるので、特定の原子周波数リファレンスからの光共振器の共振のドラフトの量および方向を示すことができる。「ＦＳＲ変調」と記載される比較的遅いディザー周波数における発振信号を生成するために、発振源３が設けられる。この発振信号は、レーザー１および共振器１００双方へと供給されて、レーザー搬送波周波数ωにおいてレーザー搬送波のディザー変調が行われる。光共振器１００の自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）は、上記したような共通励起状態を共有する２つの原子遷移の２つの基底状態間の周波数差ω_ＲＦ（ＲＦまたはマイクロ波周波数）に等しく設定される。共振器１００内部のレーザー光は、共振器１００の非線形材料内部の非線形パラメトリック波混合を経て、これにより、光搬送波周波数ωにおけるレーザー光からエネルギーをとって、パラメトリック増幅を発生させ、共振器共振または共振器共振の高調波に対応する１つ以上の新規の光周波数における光を生成する。この非線形波混合およびパラメトリック増幅の結果、共振器１００内部に光コムが生成される。

【0030】

図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは、非線形波混合およびパラメトリック増幅に関わる周波数を示す。図１Ｄは、パラメトリック増幅における周波数コンポーネントを示す。図１Ｂおよび図１Ｃは、周波数領域およびエネルギーレベルにおける周波数をそれぞれ示す。図１Ｄは、レーザー搬送波が共振器共振ω_０において共振するように調節された場合における光共振器１００のスペクトルを示し、共振器１００内部において生成された光コムの周波数コンポーネントを示す。

【0031】

図１Ａ中、共振器１００の外部において結合された光を光コム出力５として示す。光コム出力５をＲＦ出力へ変換するように、高速光検出器を光コム出力５の光経路内に配置することができる。また、このＲＦ出力は、原子セル２０から提供される原子リファレンスに対して周波数安定している。

【0032】

光コム出力５は、図１Ａ中のマッハツェンダー干渉計１０へと方向付けられる。マッハツェンダー干渉計１０は、ビームスプリッターＢＳ１を含む。ビームスプリッターＢＳ１は、受信した光を、第１の鏡Ｍ１を有する第１の光経路に沿った第１のビームと、第２の鏡Ｍ２を有する第２の光経路に沿った第２のビームとに分割する。第２のビームスプリッターＢＳ２を用いて、これら２つのビームが空間的に重複しかつ光学的に干渉するようにこれら２つのビームを組み合わせ、これにより、第３の鏡Ｍ３へと向かう第１の出力ビームと、第４の鏡Ｍ４へと向かう第２の出力ビームとを生成する。干渉計１０のＢＳ２における２つの出力ビームは、２つの異なる光周波数における２つの光信号であり、上記したような同一の共通励起状態を共有する２つの基底状態に関連する２つの異なる光学遷移とそれぞれ共振する。偏光回転子（例えば、半波長板）をこれら２つのビームのうち１つに配置して、１つのビームの偏光を９０度回転させて、これら２つのビームを互いに直交偏光させる。次に、これら２つの直交偏光したビームを偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）において互いに組み合わせ、重複させて合成ビームとし、原子セル２０へ進入させる。原子セル２０中のこれら２つの直交偏光したビームは、電磁誘導透過のため、上記したような共通励起状態を共有する２つの原子遷移と共振する。すなわち、１つのビームは１つの遷移と共振し、他方のビームは別の遷移と共振する。原子セル２０の光透過は、光偏光子２２を通過して、光検出器２４へ到達するよう方向付けられる。線形偏光子２２は、光検出器２４に双方のビームが到達するように、２つの直交偏光したビームのいずれかの偏光に対して４５度配向している。

【0033】

図１Ａにおいて、結晶性ウィスパリングギャラリーモード共振器１００における４波混合およびハイパーパラメトリック発振により、調節可能な光コム５が生成される。コム５の周波数安定性は、共振器１００の共振器モードの周波数安定性によって得られる。その結果、コムモード間の周波数分離が多様な要素（例えば、共振器１００における熱プロセス）に起因して経時的にドリフトする。コム高調波間の周波数差を安定させるために、絶対的周波数安定性（例えば、原子セル２０からの周波数リファレンス）を所有するリファレンスへコムを同期させることができる。

【0034】

共振器１００は、ｍ＊ＦＳＲ＝ω_ＲＦとなるような自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）を有する構造で作製することができる。ここで、ＲＦ周波数ω_ＲＦは、原子または分子（例えば、アルカリまたは他の種類の原子／イオン）の基底状態超微細遷移のＲＦ周波数であり、ｍは整数である。よって、ＲＦ周波数ω_ＲＦは、共振器１００のＦＳＲの高調波に等しくすることができる。原子／イオンの基底状態は、クロック遷移を有し、二色性光によって調査した場合、電磁誘導透過現象を示す。共振器１００をレーザー１からのレーザー光によってポンピングすると、共振器１００は共振器モードおよび原子セル２０中における対象光学原子遷移のうちの１つと共振する。レーザーＣＷ光のパワーは、共振器１００中の光ハイパーパラメトリック発振の閾値を超える程度に充分に強力である。注入同期、ＰＤＨ同期または他の同期技術を介して、レーザー１を適切な共振器モードへ同期させる。

【0035】

図１Ａに示すように、生成された光コム出力５を、１つまたはいくつかのマッハツェンダー干渉計を用いて処理して、原子／イオンの２つの光学超微細遷移と共振する２つの光学コンポーネントが異なる光経路をたどるように、コム周波数コンポーネントを分離する。空間的に分離されたコム高調波の偏光は、線形直交または逆回転に変更される。その後、これらのビームは、原子セル２０へと方向付けられる。

【0036】

図１Ａ中のデバイスの動作において、原子セル２０中の原子サンプルとの相互作用時における、反対方向に偏光した光高調波によって得られた相対的位相シフトの測定により、光コムを原子セル２０中の原子リファレンスへ同期させるためのエラー信号が生成される。エラー信号の特性スペクトル幅は、電磁誘導透過共振のスペクトル幅に等しい。

【0037】

図１Ａ中のデバイスおよび本文書中に記載の他のデバイスにおいて、結晶性ウィスパリングギャラリーモード共振器１００における４波混合（ＦＷＭ）の非線形プロセスは、三次非線形性を示す（例えば、フッ化カルシウムまたは他の非線形材料）。図１Ｄを参照して、ＦＷＭにおいて、高フィネスまたは高ＱＷＧＭ共振器１００中の高い場の強度により、レーザー搬送波周波数ωにおける２つのポンプ光子がω_＋およびω_−１における２つのサイドバンド光子（すなわち、信号光子およびアイドラー光子）へ変換される。ω_＋およびω_−１において生成された光子の周波数の合計は、エネルギー保存則に起因して、ポンピング光の周波数の２倍に等しくなる。

【0038】

光共振器は、光ウィスパリングギャラリー−モード（「ＷＧＭ」）共振器として構成され、ウィスパリングギャラリー（「ＷＧ」）モードとして知られている共振器モードの特殊な１組をサポートする。これらのＷＧモードは、境界における全反射に起因する共振器表面近傍の内部領域内に閉じ込められた光場を示す。例えば、誘電体球を用いてＷＧＭ共振器を形成することができる。このＷＧＭ共振器において、ＷＧＭモードは、球境界における全反射に起因する赤道周囲の球表面近傍の内部領域内に閉じ込められた光場を示す。直径１０〜１０^２ミクロンオーダーのクオーツ微小球は、Ｑ値が１０^９を超えるコンパクトな光共振器を形成するために用いられている。このような高ＱＷＧＭ共振器を用いて、高スペクトル純度および低ノイズの発振信号を生成することができる。ウィスパリングギャラリーモードへと結合された光エネルギーは、長い光子寿命にわたって、球赤道またはその近傍において循環することができる。

【0039】

結晶製のＷＧＭ共振器は、溶融シリカ製のＷＧＭ共振器よりも光学的に優れている。結晶質ＣａＦ_２製のＷＧＭ共振器は、１０^１０以上のＱ係数を提供することができる。このような高いＱ値により、多様な用途が可能になる（例えば、カー非線形効果に起因するキロヘルツ光共振および低閾値光ハイパーパラメトリック発振の発生）。以下の記載において、先ず結晶性ＷＧＭ共振器のジオメトリの例について説明した後、異なる材料によって構成されたＷＧＭ共振器の特性について説明する。以下に説明する例のうちいくつかにおいて、ＷＧＭ共振器用材料の非線形光特性に加えて、材料は、外部から供給された制御信号（例えば、ＲＦ信号）に応答して、電気光学効果も示すことができ、これにより光変調が可能となる。

【0040】

図２Ａ、図２Ｂおよび図３は、３つの例示的なＷＧＭ共振器を示す。図２Ａは、球状ＷＧＭ共振器１００を示す。球状ＷＧＭ共振器１００は、固体の誘電体球である。球１００は、平面１０２内において赤道を有する。平面１０２は、ｚ軸１０１周りにおいて対象である。平面１０２の外周は円形であり、平面１０２の断面は円状である。ＷＧモードは、球状外面内の赤道周囲において存在し、共振器１００内において循環する。赤道平面１０２周囲の外面の球曲率により、ｚ方向およびそれに垂直な方向双方に沿って空間的制限が提供され、これによりＷＧモードがサポートされる。球１００の偏心度は概して低い。

【0041】

図２Ｂは、例示的な回転楕円体微小共振器２００を示す。この共振器２００は、（軸方向長さａおよびｂの）楕円を、短楕円軸１０１（ｚ）に沿って対称軸周りに回転させることにより、形成することができる。よって、図２Ａ中の球状共振器と同様に、図２Ｂ中の平面１０２も、円形の外周および円形の断面を有する。図２Ａ中の構成と異なり、図２Ｂ中の平面１０２は、回転楕円体の短楕円体軸周りの非球状回転楕円体の円形断面である。共振器１００の偏心は（１−ｂ^２／ａ^２）^１／２であり、概して高い（例えば、１０^−１よりも高い）。そのため、共振器２００の外面は、球の一部ではなく、球状外部の場合よりも、ｚ方向に沿ったモードでの空間的制限を増加させることができる。より詳細には、Ｚを含む平面（例えば、ｚｙまたはｚｘ平面）内のキャビティーのジオメトリは楕円である。共振器２００の中心における赤道平面１０２は、軸１０１（ｚ）に対して垂直であり、ＷＧモードは、共振器２００内の平面１０２の外周の近傍において循環する。

【0042】

図３は、別の例示的なＷＧＭ共振器３００を示す。ＷＧＭ共振器３００は、非球状外部を有し、その外部外形は概して円錐形状であり、デカルト座標の二次方程式によって数学的に表すことができる。図１および図２中のジオメトリと同様に、この外面により、平面１０２内の方向および平面１０２に対して垂直なｚ方向において曲率が得られ、ＷＧモードが制限およびサポートされる。このような非球状の非楕円表面は、例えば放物線または双曲線であり得る。図３中の平面１０２は円形断面であり、ＷＧモードが赤道中の円周囲に循環する点に留意されたい。

【0043】

図２Ａ、図２Ｂおよび図３中の上記の３つの例示的なジオメトリは全て、ＷＧモードが平面１０２内において循環する軸１０１（ｚ）周りにおいて、軸方向または円筒状に対称であるという、共通的なジオメトリ特徴を有している。曲線状の外面は、平面１０２の周囲において平滑であり、平面１０２の周囲における二次元制限を提供し、これによってＷＧモードをサポートする。

【0044】

顕著なことに、各共振器内におけるＷＧモードのｚ方向１０１に沿った空間的範囲は、平面１０２の上下方向において制限されるため、球１００、回転楕円体２００、または円錐形状３００の全体を設ける必要は無い場合がある。その代わりに、形状全体のうちウィスパリングギャラリーモードをサポートするのに充分な大きさの一部のみを平面１０２の周囲に設けることにより、ＷＧＭ共振器を形成することができる。例えば、球の適切な一部から形成されたリング、ディスクおよび他のジオメトリを球状ＷＧＭ共振器として用いることができる。

【0045】

図４Ａおよび図４Ｂは、ディスク状のＷＧＭ共振器４００と、リング状のＷＧＭ共振器４２０とをそれぞれ示す。図４Ａにおいて、固体ディスク４００は、中央平面１０２上方の上面４０１Ａと、平面１０２下側の下面４０１Ｂとを有し、上面４０１Ａと下面４０１Ｂとの間は距離Ｈ離間している。距離Ｈの値は、ＷＧモードをサポートできる程度に充分に大きい。中央平面１０２の上方のこの充分な距離を超えて、共振器は、図３、図４Ａおよび図４Ｂに示すような先鋭縁部を持ち得る。外部曲線状表面４０２は、所望のＷＧモードおよびスペクトル特性を達成するように、図１、図２および図３に示す形状から選択することができる。図４Ｂ中のリング共振器４２０は、図４Ａ中の固体ディスク４００から中央部４１０を除去することにより、形成することができる。ＷＧモードは外面４０２の近傍のリング４２０の外部近傍に存在するため、リングの厚さｈをＷＧモードをサポートできる程度に充分に大きく設定することができる。

【0046】

光カプラは、エバネッセント結合によって光エネルギーをＷＧＭ共振器中へ、またはＷＧＭ共振器中から外部へ結合させる際に用いられることが多い。図５Ａおよび図５Ｂは、２つの例示的な光カプラがＷＧＭ共振器へ係合する様子を示す。光カプラは、所望の臨界結合が得られるように、共振器外面と直接接触させてもよいし、共振器外面から隙間を空けて配置してもよい。図５Ａは、ＷＧＭ共振器のためのカプラとしての角度研磨されたファイバ先端を示す。角度付きの端面を有する導波管（例えば、平面導波管または他の導波管）も、カプラとして用いてもよい。図５Ｂは、ＷＧＭ共振器のためのカプラとしてのマイクロプリズムを示す。他のエバネッセントカプラも利用可能である（例えば、フォトニックバンドギャップ材料から形成されたカプラ）。

【0047】

ＷＧＭ共振器を用いることにより、光子を小体積中に長期間にわたって有効に閉じ込めることができる。そのため、ＷＧＭ共振器は、基礎研究および実際のデバイスの双方において、広範な用途において用いられている。例えば、ＷＧＭ共振器は、原子光保存の代替策として線形光学を用いた光保存のために用いることができ、あるいは、原子ベースの低速光実験の代替策として、調節可能な光遅延線のために用いることも可能である。他にも、ＷＧＭ共振器は、光フィルタリングおよび光電子発振器のために用いることもできる。

【0048】

結晶性ＷＧＭ共振器のうち、キロヘルツ範囲の共振帯幅を室温において有し、かつ高共振コントラスト（５０％以上）を有するものは、高性能光ネットワークへの集積化において有望である。モード体積が小さくまた単一光子共振も極めて狭いため、小型ブロードバンド非線形感受率に基づいて、多様な低閾値非線形効果をＷＧＭ共振器において確認することができる。一例として、我々は、より小体積の高Ｑシリカ微小球として既述した、結晶性共振器の熱光学不定度の観察について以下に説明する。

【0049】

光非線形挙動を示す高ＱＷＧＭ共振器の作製のための非線形材料の一例として、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）がある。この材料が多様な用途において有用である理由として、１９３ｎｍおよび１５７ｎｍにおける紫外線リソグラフィー用途における用途がある点がある。幅広アパチャ光学に適したこの材料の超高純度結晶が生成され、市販されている。ＣａＦ_２中の散乱についての最近報告された測定によれば、１９３ｎｍにおいてＩ＝３ｘ１０^−５ｃｍ^−１であり、１０^１３のレベルにおけるＱ制限に対応する近赤外線帯において極めて小さな散乱を予測することができる。

【0050】

この波長における格子吸収は、中赤外線多フォノン縁部の位置から予測することができ、さらに低いＱ制限が得られる。残留ドーピングおよび不定比性に起因して、散乱および吸収双方が得られ、実際の共振器中のＱが低下する。Ｑ制限のさらなる原因として、研磨技術に起因する残留表面の不均一性に起因する散乱がある。従来の光学研磨品質の限界（平均粗さs＝２ｎｍ）において、ＷＧＭ表面散乱の導波路モデルに基づいた推定は、Ｑ~１０^１１である。

【0051】

フッ化カルシウムおよびＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３およびＡｌ_２Ｏ_３製のいくつかの他の結晶質材料によって作成されたＷＧＭ共振器について調査し、これらの材料の品質係数を測定した。ＣａＦ_２共振器の作製は、円筒状母材のコア穿孔と、母材リムの回転楕円体ジオメトリ状への研磨とにより行った。作製された共振器の直径は４〜７ミリメートルであり、厚さは０．５〜１ｍｍであった。作製されたフッ化カルシウム共振器のＱ係数は、約２ｘ１０^１０であった。

【0052】

Ｑの測定は、プリズム結合方法を用いて行った。固有のＱを、アンダーカップリングレジーム中で観測された共振の帯域幅から測定した。共振器中の屈折率は異なるため、シリカ（ｎ＝１．４４）およびフッ化カルシウム（ｎ＝１．４３）用にＢＫ７ガラスプリズム（ｎ＝１．５２）を用い、ニオブ酸リチウム（ｎ＝２．１０、２．２０）用にダイヤモンド（ｎ＝２．３６）を用い、サファイア（ｎ＝１．７５）用にニオブ酸リチウムプリズム（ｎ＝２．１０）用いた。光源として、７６０ｎｍの拡張キャビティーダイオードレーザーと、１５５０ｎｍの分散型フィードバック半導体レーザーと、１３１９ｎｍの固体ＹＡＧレーザーを用いた。

【0053】

高Ｑ非線形ＷＧＭ共振器を用いて、低閾値光ハイパーパラメトリック発振を実現することができる。材料のカー非線形性によって発生する共振増強四波混合に起因して、発振が発生する。共振器モードの狭帯域幅および高効率の共振周波数変換に起因して、発振により、ポンプの安定した狭帯ビート（うなり）、信号、およびアイドラー波が発生する。このプロセスの理論モデルについて説明する。

【0054】

低光レベルにおける効率的な非線形光相互作用の実現は、非線形光学の発端からの主な目標の１つである。光共振器は、この目標達成に大きく貢献する。なぜならば、小体積中に光を長期間閉じ込めることにより、非線形光相互作用が増加するからである。光ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）共振器は、この目的に特に適している。高品質係数（Ｑ）および小モード体積により、アモルファス材料製のＷＧＭ共振器における低閾値レーザー発振の観測および効率的な非線形波混合が既に得られている。

【0055】

ファイバ光学における変調不安定性として現れる光ハイパーパラメトリック発振は、材料の低い非線形性によって妨害されることが多いため、光ハイパーパラメトリック発振の観測のためには、高出力光パルスが必要となる。ＣａＦ_２の非線形性は溶融シリカよりもさらに低いものの、低出力連続波ポンプ光を用いて、共振器の高Ｑ（Ｑ＞５Ｘ１０^９）から、共振器モード間の強い非線形相互作用を観測することができた。この相互作用に起因して、新たな場が発生した。

【0056】

高速フォトダイオード上におけるポンプと発生したサイドバンドとの混合によって得られたマイクロ波信号の周波数は安定しており、自己位相および相互位相変調効果に起因して発生し得る周波数シフトがない。逆に、例えばコヒーレントな原子媒体においては、相互位相変調効果（ａｃ Ｓｔａｒｋシフト）に起因する周波数不整合を補償するよう、発振周波数がシフトする。我々のシステムにおいては、発振周波数はモード構造によって与えられるため、記共振器寸法の変更により発振周波数を調節することができる。アモルファス材料および液体によって作製された共振器と異なり、高Ｑ結晶性共振器により、三次非線形プロセスと、高純度のハイパーパラメトリック発振信号の観測との区別が容易になる。その結果、ハイパー発振器は、全ての光二次周波数リファレンスの用途において有望となる。

【0057】

ハイパーパラメトリック発振は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）および他の非線形効果によってマスキングすることができる。例えば、ＷＧＭシリカ微小共振器を用いたＳＲＳ実験における光学ポンピング線近傍における二次線の観測は、（媒体の電子カー非線形性に基づいた４光子パラメトリックプロセスというよりは）ポンプと、共振器中に発生した２つのラマン波との間の四波混合として解釈することができる。多様な誘導非線形プロセス間の相互作用についても観測されており、これを液滴球状微小キャビティーにおいて調査した。

【0058】

偏光選択則をＷＧＭのジオメトリ選択則と共に用いることにより、結晶性ＷＧＭ共振器中の結晶の電子非線形性のみに起因して発生する非線形プロセスの観測が可能になる。対称軸に対して円筒対称性を有するホタル石ＷＧＭ共振器について検討する。立方昌系結晶中の屈折率の線形指数は均一かつ等方性であるため、モードについての一般的記述が共振器についても有効である。ＷＧＭのＴＥおよびＴＭファミリの偏光方向は、対称軸に対してそれぞれ平行および直交である。光学ポンピング光がＴＥモードへ送られると、ラマン信号を同一モードファミリにおいて生成することができなくなる。なぜならば、立方昌系結晶（例えば、ＣａＦ_２）中には、三重縮退したラマン−活性振動が対称なＦ_２ｇで１つだけ存在するからである。最後に、超高Ｑの結晶性共振器において、材料およびジオメトリ分散に起因して、ラマン離調周波数における自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）の値は、搬送波周波数におけるＦＳＲと（モードスペクトル幅を超える量だけ）異なる。そのため、ラマン信号と搬送波との間の周波数混合が大きく抑制される。ＴＥモードファミリにおける電界生成は電子非線形性のみに起因し、ラマン散乱はＴＭモードにおいて発生する。

【0059】

以下の３つのキャビティーモードについて検討する：ポンプレーザーによる共振に近い１つのキャビティーモード、および生成された光サイドバンドによる共振に近い２つのキャビティーモード。キャビティー内の場の低速振幅について、以下の方程式を用いて、分析を開始した。

式中、ｎ_２は、光非線形性の強度を特徴付ける光学定数である。ｎ_ｏは、材料の線形屈折率である。Ｖはモード体積であり、ｃは、真空中の光速度である。この結合定数を導出することにより、我々は、これらのモードのジオメトリはほぼ重複していると仮定した。このような重複は、これらのモード間の周波数差が小さい場合に当てはまる。力Ｆ_ｏは、システムの外部ポンピングがＦ_ｏ＝（２K_ｏＰ_ｏ／w_ｏ）^１／２であることを示す。ここで、Ｐ_ｏは、外部から付加されたモードのポンプ出力である。

【0060】

簡潔にするため、これらのモードが同一である（すなわち、Ｋ_＋＝Ｋ_＿＝Ｋ_ｏ）と仮定する。この仮定は、実際の共振器を用いた観測によって正当化される。その後、（１）〜（３）の定常状態における解を解くことにより、発生した場の発振周波数が発見される。

すなわち、ビート周波数は、共振器モード間の周波数差のみに依存し、ポンピングモードからの光出力またはレーザー離調には依存しない。その結果、電子周波数同期回路は、ポンプレーザーの搬送波周波数を変化させるが、ポンピングレーザーのビートの周波数および生成されたサイドバンドを変化させない。

【0061】

閾値光出力を、キャビティー内の場の低速振幅についての１組の３つの方程式の定常状態解から得ることができる。

ここで、数値ファクター１．５４は、発振閾値に対する自己位相変調効果の影響によるものである。我々の実験における閾値の理論値は、Ｐ_ｔｈ≒０．３ｍＷであり、ここで、ｎ_ｏ＝１．４４は材料の屈折率であり、ｎ_２＝３．２Ｘ１０^−１６ｃｍ^２／Ｗはフッ化カルシウムの非線形係数であり、Ｖ＝１０^−４ｃｍ^３はモード体積であり、Ｑ＝６ｘ１０^９であり、Σ＝１．３２μｍである。

【0062】

上記の方程式から、モード体積の低下と共に、パラメトリックプロセスの効率が増加することが分かる。比較的大きなＷＧＭ共振器を用いた理由は、作製上の便宜のためである。共振器サイズを小型化した場合、発振閾値を大幅に低下させることができる。モード体積はおよそＶ＝２πΣＲ^２と見積もられるため、半径Ｒを１桁分低減した場合、パラメトリックプロセスの閾値は２桁分低減する。そのため、ＷＧＭ共振器を原子コヒーレンスに基づいた発振器と同クラスのものとして用いることが可能になる。しかし、原子発振器中のサイドバンド間の周波数差と異なり、ＷＧＭ発振器の周波数は、出力（ａｃ Ｓｔａｒｋ）シフトが無い。

【0063】

システムの量子力学的挙動を記述するランジュバン方程式に基づいた分析を行ったところ、原子コヒーレント媒体中のハイパーパラメトリックプロセスの低位相拡散と同様に、ビートの位相拡散は小さいことが分かった。発振閾値に近く、位相拡散係数は、以下のようになる。

【0064】

我々の実験から、上記３つの相互作用モードを超える数のモードが、プロセスへ関与することが可能である。参加モードの数は、共振器中のモード間隔の変化によって決定される。一般的に、共振器のモードは、材料の二次分散およびジオメトリ分散に起因して、等距離にならない。ここで、我々は、Ｄ＝（２w_ｏ−w_＋−w＿）／K_ｏを導入して、共振器の二次分散を考慮に入れた。｜Ｄ｜≧１である場合、これらのモードは等距離ではないため、複数の高調波生成が不可能となる。

【0065】

ＷＧＭ共振器の主要モードシークエンスのジオメトリ分散は、半径Ｒの共振器については、Ｄ~０．４１ｃ／（K_０Ｒｎ_０ｍ^５／３）であり、ω_＋、ｗ_０およびω_＿は、共振器のｍ＋１モード、ｍモードおよびｍ−１モードと仮定される（w_ｍＲｎ_wｍ＝ｍｃ，ｍ>>１）。Ｒ＝０．４ｃｍ、Ｋ_０＝２Ｘ１０^５ｒａｄ／ｓ、ｍ＝３Ｘ１０^４の場合、Ｄ＝７Ｘ１０^−４が得られ、我々の場合のジオメトリ分散は比較的小さい。しかし、材料の分散は充分に大きい。Ｓｅｌｌｍｅｉｅｒ分散式を用いてポンプレーザー波長においてＤ~０．１を得た。これは、約３つのサイドバンド対をシステムにおいて生成することができることを意味している（実験においては、２つのみが確認された）。

【0066】

さらに、我々の実験におけるラマン信号の不在は、媒体の有効ラマン非線形性が先行して測定された値よりも低いことを示す。数に基づいた理論的推定によれば、ラマンおよびハイパーパラメトリックプロセス双方の場合において、ほぼ等しいポンプ出力閾値が予測される。ＳＲＳ閾値用に導出された式Ｐ_Ｒ~p２ｎ_０^２Ｖ／ＧS^２Ｑ^２（（式中、Ｇ~２Ｘ１０^−１１ｃｍ／ＷはＣａＦ_２についてのラマン利得係数である）を用いて、ＣａＦ_２製の任意の共振器についてＰ_ｔｈ／Ｐ_Ｒ≒１を推定する。しかし、上記したように、実験においてＳＲＳ信号は全く観察されなかった。

【0067】

よって、ポンピング光と材料とが長時間相互作用するため、ＣａＦ_２の三次非線形性が小さい場合でも、狭帯光サイドバンドの生成を効率的に行うことができる。このプロセスは、新規の種類の全光周波数リファレンスの実証に用いることが可能である。さらに、これらの発振は、スクイーズド光の発生源として有望である。なぜならば、ハイパーパラメトリックプロセスにおいて生成されたサイドバンド光子対には、一般的に量子相関があるからである。

【0068】

フォトニックマイクロ波発振器は、明確に規定されかつ安定したビート信号を生成するための多色光の生成およびその後の復調に基づいて、構築することができる。非線形ＷＧＭ光共振器に基づいたハイパーパラメトリック発振器を用いて、超安定マイクロ波信号を生成することができる。このようなマイクロ波発振器の場合、サイズが小さい点および入力電力が低い点において有利であり、マイクロ波信号を任意の所望の周波数において生成することができる。この任意の所望の周波数は、共振器のサイズによって決定される。

【0069】

ハイパーパラメトリック光発振は、ポンプビーム中の２つのポンプ光子を１つの信号光子および１つのアイドラー光子へ変化することによる、２つのポンプ、信号、およびアイドラー光子間の四波混合に基づいている。この混合を行うことにより、ポンピング波を費やした真空ゆらぎから、信号およびアイドラー光サイドバンドが成長する。高フィネスＷＧＭ中の高キャビティー内強度により、４光子プロセス（例えば、hω+hω→h(ω+ωM)+h(ω-ωM)）に基づくχ（３）を得ることができる。式中、ωは、外部ポンピングの搬送波周波数であり、ωＭは、共振器の自由スペクトル範囲によって決定されるωＭ≒ΩFSRである。プロセスのカスケードおよび複数の等距離信号およびアイドラー高調波（光コム）の生成も、この発振器において可能である。発振器の光出力の復調を高速フォトダイオードによって行うことにより、周波数ωＭにおける高周波数マイクロ波信号が生成される。信号のスペクトル純度は、ＷＧＭのＱ係数および生成された信号およびアイドラーの光出力の増加と共に増加する。発振のポンピング閾値は、超高Ｑ係数を有する共振器のマイクロワットレベルと同程度に小さくすることができる。

【0070】

ハイパーパラメトリック発振の直接的な適用を妨害する問題がいくつか存在する。これらの問題のうち１つは、ＷＧＭ共振器から出ていく光信号がほとんど位相変調されているという事実に関連する。そのため、高速フォトダイオード上で信号を直接検出しても、マイクロ波は生成されない。この相違を回避するために、非線形ＷＧＭ共振器を、さらなる遅延線が干渉計の別のアームに配置されたマッハツェンダー干渉計のアーム内に配置することができる。これら２つのアームからの光の光学干渉により、位相変調信号を振幅復調信号へ変換することができ、この振幅復調信号を光検出器によって検出することにより、マイクロ波信号を生成することができる。

【0071】

図６は、ＲＦフォトニック発振器内の非線形ＷＧＭ共振器の一例を示す。レーザー１を用いて、レーザー光を非線形ＷＧＭ共振器１００中へ方向付ける。光カプラ３を用いて、ＷＧＭ共振器１００からの出力光を、デバイスのＲＦ出力の生成のために、デバイスの光出力と、フォトダイオード４への別のビームに分割する。この特定のＲＦ発振器において、外部ＲＦループは存在しない。発振器は、いくつかの光高調波をアクティブ光微小共振器内において生成する。高速フォトダイオード４上において高調波を復調することにより、ＲＦ信号を生成する。このようなデバイスを用いて、多様なデバイスを構築することができる（例えば、ハイパーパラメトリック発振器、モード同期（ラマン）レーザー、光学機械発振器、高度非縮退ＲＦ光パラメトリック発振器）。これらのデバイスは、光ポンプからエネルギーをとることにより、光ポンプの周波数とわずかに異なる周波数で光高調波を生成する。復調された光信号は、安定したＲＦ信号の発生源となる。

【0072】

図７は、光干渉計構成内のハイパーパラメトリックマイクロ波フォトニック発振器の一例を示す。この光干渉計構成は、非線形ＷＧＭ共振器６３０を有する第１の光経路６１１と、長い遅延線を有する第２の光経路６１２とを有する。レーザー６０１からの光は、分割されて２つの経路６１１および６１２中へ進入する。２つの結合プリズム６３１および６３２または他の光カプラを用いることにより、共振器６３０を第１の光経路６１１へと光学的に結合させることができる。共振器６３０の出力光が結合プリズム６３２後のシングルモードファイバ中に収集され、光遅延線からの光と組み合わされる。組み合わされた光がフォトダイオードＰＤ６５０へ送られると、結合プリズム６３２は、ビート信号を低ノイズの狭帯マイクロ波信号として生成する。信号増幅器６６０およびスペクトルアナライザ６６０は、フォトダイオード６５０の下流において用いられ得る。

【0073】

図８は、ハイパーパラメトリックマイクロ波フォトニック発振器の一例を示す。この例において、発振器は、（図７中の上記干渉計構成における遅延を用いること無く）マイクロ波信号を生成することができる。その結果、デバイスのパッケージングが簡略化される。

【0074】

図９に示す発振器において、レーザーダイオード６０１は、ＷＤＭ非線形共振器６３０へ光学的に結合された光結合要素ＣＰ１（６３１、例えば、結合プリズム）へ直接結合される。第２の光結合要素ＣＰ２（６３２、例えば、結合プリズム）は、共振器６３０へと結合されて、光出力を生成する。フォトダイオードＰＤ６５０は、ＣＰ２に結合されて、フォトダイオード６５０によって受信された光出力を低ノイズＲＦ／マイクロ波信号へ変換する。

【0075】

光遅延線またはＯＥＯループを用いていない上記の構成は、共振器内において発生する単一のサイドバンド四波混合プロセスに基づく。単一のサイドバンド信号は、フォトダイオード上にマイクロ波信号を生成させるための干渉技術を全く必要としない。

【0076】

ハイパーパラメトリック発振器は、光検出器の出力において生成されたマイクロ波信号の高スペクトル純度を生成する。これらの信号の位相ノイズを測定したところ、これは限定されたショットノイズであり、位相ノイズフロアは少なくとも−１２６ｄＢｃ／Ｈｚレベルに到達し得ることが判明した。スペクトル純度の向上のために、発振器を過飽和させ、光コムを生成することができる。光コムの復調によって生成されたマイクロ波信号は、単一のサイドバンド発振器と比較して高いスペクトル純度を有する。光コムは、システム内におけるモデル同期に対応し、その結果、同相同期光高調波が発生し、短光パルスが生成される。光パルス列を持続時間ｔおよび繰り返し率Ｔで復調することによって得られたマイクロ波信号の位相ノイズは、以下によって得られる出力スペクトル密度を有するショットノイズによって得られることが分かった。

式中、ω_０は光ポンプ周波数であり、Ｐ_ａｖｅは、生成されたパルス列の平均光出力であり、αは、往復光損失である。よって、パルスが繰り返し率と比較して短いほど、位相ノイズも小さくなる。一方、Ｔ／ｔは、コムＮ内のモード数にほぼ等しいことが分かった。よって、１つまたは２つのサイドバンドを有する通常のハイパーパラメトリック発振器と比較して、コムの（Ｎ＾２）位相ノイズがずっと小さくなることが予測される

【0077】

三次非線形性を有する非線形ＷＧＭ共振器（例えば、ＣａＦ_２ＷＧＭ共振器）を用いて、調節可能な光コム生成器を構築することができる。ＣａＦ_２ＷＧＭ共振器を用いて、光コムを２５ｍＧＨｚ周波数間隔（ｍは整数）で生成した。選択されたＷＧＭ周波数についてポンプレーザーの搬送波周波数の適切な離調を選択することにより、この間隔（数ｍ）を制御可能に変更した。高速フォトダイオードによる光コムの復調を用いて、コム繰り返し周波数またはコム間隔において高周波数マイクロ波信号を生成することができる。生成された２５ＧＨｚ信号の線幅は、４０Ｈｚ未満であった。

【0078】

このようなコム生成器は、ポンプレーザービームを生成するレーザーと、非線形ＷＧＭ共振器と、ポンプレーザービームを非線形ＷＧＭ共振器内へ結合し、さらに、非線形ＷＧＭ共振器の外部への光を結合させる光結合モジュールとを含む。光コムの周波数の調節は、ポンプレーザービームの周波数の調節によって達成することができる。ポンプレーザーを非線形ＷＧＭ共振器へ同期し、ポンプレーザーの同期状態を制御することにより、コム間隔を調節することができる。

【0079】

ＷＧＭ共振器が低入力レベルにおいて光学的にポンピングされ、ポンピング出力がハイパーパラメトリック発振の閾値に近づくと、光コムは生成されず、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）およびＦＷＭプロセスの競合が観測された。我々の試験において用いられたＷＧＭ共振器は、高ＱＷＧＭの複数のモードファミリを有していた。基本モードシークエンスに属するモードの直接ポンピングを行った場合、ＳＲＳの閾値がＦＷＭ発振プロセスの場合よりも低いことが判明した。これは、予期しなかった結果である。なぜならば、同一パラメータを有するモードにおいて、ＳＲＳプロセスは、ハイパーパラメトリック発振と比較して、若干低い閾値を有するからである。この相違の原因としては、モードファミリが異なれば、モード中の場分布によって得られる品質係数も異なり、カプラ位置も異なる点がある。試験設定については、より高次の横モードと比較してＷＧＭの基本シークエンスのＱ係数がより低く（またはローディングがより高く）なるような設定にした。モードの体積Ｖがより高い場合でも、ＳＲＳプロセスは、より高いＱモードにおいて開始する。これは、ＳＲＳ閾値出力がＶＱ^２に逆比例するためである。

【0080】

基本モードシークエンスのポンピングをより大きな光出力によって行った場合、ハイパーパラメトリック発振がＳＲＳと共に発生する場合が多い。図１０は、基本モードシークエンスに属するモードへポンピングされたＣａＦ_２共振器内において観測された光搬送波およびハイパーパラメトリック発振から約９．６７ＴＨｚにおいて測定されたＳＲＳ周波数スペクトルを示す。線の構造を、スペクトル下側の挿入によって示す。ロードされた品質係数Ｑは１０^９であり、モードへ送られたポンプ出力は８ｍＷであった。試験の結果、ハイパーパラメトリックプロセスおよびＳＲＳプロセスはより高いＱモードにおいて開始することが判明した。これらのプロセスに関与したモード間の周波数分離は、共振器のＦＳＲよりもずっと小さく、モードは明らかに横方向である。この点も、ＳＲＳ光と搬送波との間にＦＷＭが無いことを説明できる。

【0081】

ＦＷＭによって生成された光子対は、図１０に示すようにポンプ周波数から約８ＴＨｚだけ離れている。その理由として、ＣａＦ_２のゼロ分散点が１５５０ｎｍ近傍に存在する点がある。このようなポンプから遠く離れた光子対が生成されることにより、ＷＧＭ共振器ベースのハイパーパラメトリック発振器を量子通信および量子暗号ネットワークに対して非常に適したものとすることが可能になる。発振器により、χ（２）下方変換プロセスに基づいた従来の二光子源と対照的に、光子対が通信ファイバ内に送り込まれた際に発生する高い結合損失を回避する。さらに、搬送波周波数と数テラヘルツで離隔している狭帯光子の無損失分離も容易に可能である。

【0082】

実行した試験において、ポンプ出力が発振閾値をはるかに超えて増加した際、光コムが生成された。レーザーの周波数を高Ｑ横ＷＧＭへ同期した際、安定した光コムが生成された。このようにして、ＳＲＳプロセスと比較して閾値が低いハイパーパラメトリック発振が観測された。さらに、光ポンプ出力が大幅に増加した場合も、光コム線の高速成長により、ＳＲＳプロセスは開始しなかった。

【0083】

図１１は、共振器を１５５０ｎｍ光の１０ｍＷによってポンピングした際に観測されたハイパーパラメトリック発振の例を示す。スペクトル（ａ）および（ｂ）は、ＷＧＭ共鳴周波数からのポンプの異なる離調に対応する。測定されたスペクトル（ａ）は、２５ＧＨｚだけ分離した搬送波および第１のストークスサイドバントによって、１２．５ＧＨｚ周波数における光子を生成した場合の光子加算プロセスの結果を示す。このプロセスは、高密度ＷＧＭによって可能であり、単一のモードファミリ共振器中において禁止されている。

【0084】

コムの成長は、いくつかの特性を有する。いくつかの場合において、図１１に示すように、信号およびアイドラーサイドバンドの成長において大きな非対称性が存在した。この非対称性は、対称サイドバンドの生成を予測するハイパー−パラメトリック発振の通常の理論では説明されない。これを説明可能な１つの理論として、共振器の高モード密度がある。実験において、レーザーは、単一のモードをポンピングするのではなく、ほぼ縮退したモードクラスターをポンピングする。横モードファミリは光学的に異なるジオメトリ分散を有するため、クラスター形状も周波数と共に変化し、各モードファミリは、固有のハイパーパラメトリック発振をもたらす。これらの発振の信号モードおよびアイドラーモードはほぼ縮退しているため、これらは相互に干渉することができ、干渉に起因して、搬送波のいずれかの側部上において、サイドバンド抑制が発生する。その結果、我々の試験において観測された「単一のサイドバント」発振が発生する。干渉したコムは独立したものとしてみなされるべきではない。なぜならば、コム復調によるマイクロ波信号の生成において示されるように、生成されたサイドバンドは明確に区別できる位相従属性を有するからである。

【0085】

図１２は、（ａ）出力５０ｍＷのポンプレーザービームによってポンピングされたＣａＦ_２ＷＧＭ共振器によって生成された光コムと、（ｂ）（ａ）における測定の中央部分の拡大とを示す。生成された光コムは、共振器の１つのＦＳＲおよび４つのＦＳＲに等しい２つの明確な繰り返し周波数を有する。図１３は、レーザー同期のレベルおよび位相を変更した場合の図１２に示すコムの変更例である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）における測定の中央部分の拡大を示す。

【0086】

ポンプ出力がさらに増加して、単一のサイドバンド発振が発生するポンプ閾値を超えた場合、信号およびアイドラー高調波の相互作用はより顕著となる。図１２および図１３は、周波数スパンが３０ＴＨｚを超えた場合に観測されたコムを示す。コムのエンベロープが変調されており、この変調の理由は、図１３（ｂ）から推測することができる。このコムは、周波数とともに形状が変化するモードクラスターにわたって生成される。

【0087】

上記した非線形ＷＧＭ共振器ベースの光コム生成器は調節可能であり、コム繰り返し周波数の制御可能な調節は、ポンプレーザーの周波数を変更することにより、達成することができる。他の実験条件は不変のままにしておき（例えば、共振器の温度および光結合）、レーザー同期のレベルおよび位相を変更することにより、コム周波数間隔を変化させることができる。図１１〜図１３に示す測定により、調節の例が得られる。非線形ＷＧＭ共振器ベースのコム生成器のこの調節能力は、多様な用途において有用である。

【0088】

非線形ＷＧＭ共振器ベースのコム生成器の別の特徴として、光コムの異なるモードがコヒーレントである点がある。このようにして生成されたカー（ハイパーパラメトリック）周波数コムの復調は、高速フォトダイオードによって直接検出することができ、これにより、高周波数ＲＦまたはマイクロ波信号がコム繰り返し周波数において生成される。これは必然的に導かれる結果であり、コム線がコヒーレントであることを示す。信号のスペクトル純度は、ＷＧＭのＱ係数、生成されたサイドバンドの出力およびコムのスペクトル幅の増加と共に増加する。高速フォトダイオードの出力は、ＲＦまたはマイクロ波ビート信号であり、コム中の異なるスペクトルコンポーネント間のコヒーレントな干渉に起因して発生する。コムのコヒーレント特性を示すために、一次周波数間隔が２５ＧＨｚであるコムを光帯１４８０〜１６４０ｎｍで、高速４０ＧＨｚフォトダイオード中へと方向付けた。図１４は、４０ＧＨｚフォトダイオードによって記録されたマイクロ波ビート信号出力を示す。図１４（ａ）は、信号を対数スケールによって示し、図１４（ｂ）は、同じ信号を線形スケールによって示す。図１４（ｃ）は、４０ＧＨｚフォトダイオード中へ方向付けられた光コムのスペクトルを示す。マイクロ波線の線形フィッティング結果は、生成されたマイクロ波ビート信号の線幅が４０Ｈｚ未満であることを示し、ビート信号の高コヒーレンス性を示す。この実験において用いられるマイクロ波スペクトルアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ８５６４Ａ）は、１０Ｈｚビデオ帯域幅を有し、平均化は行わず、内部マイクロ波減衰は１０ｄＢである（実際のマイクロ波ノイズフロアは１桁小さい）。光信号の光ポストフィルタリングは行わなかった。

【0089】

図１４はまた、マイクロ波信号が不均一に４０Ｈｚまで拡大していることを示す。ノイズフロアは、測定帯域幅（約４Ｈｚ）に対応する。この拡大は、ポンプレーザー搬送波周波数に対するＷＧＭ共振周波数の熱屈折ジッターに起因して発生する。この試験において用いられる８ｋＨｚ変調に基づいたレーザー同期回路は、このジッターを補償するほどには充分に高速ではない。より高速の同期（例えば、１０ＭＨｚ）を用いれば、より狭帯域幅のマイクロ波信号の測定が可能となる。

【0090】

図１４（ｃ）におけるマイクロ波生成において用いられるコムは、非対称な形状を有する。図１２および図１３中のほぼ対称のコムと異なり、このコムは、搬送波の青色側へとシフトしている。図１４（ｃ）中のコムを生成するために、レーザーを基本モードシークエンスに属するモードのうちの１つへ同期した。図１０中におけるようなより低いポンプ出力のための２つのモード発振プロセスは、ポンプ出力の増加と共に等距離コムへと変化したことが観測された。ＳＲＳプロセスは抑制された。

【0091】

異なる試験において、外部変調光信号を光ポンプとして非線形ＷＧＭ共振器へと送った。図１５は、非線形ＷＧＭ共振器の光出力中に測定されたカオス発振を示す。共振器を、２５７８６ｋＨｚにおいて変調されかつ出力５０ｍＷを有するレーザー光によって１５５０ｎｍにおいてポンピングした。生成されたスペクトルは、ｃｗポンプされた共振器によって生成されたスペクトルよりも顕著に拡大しておらず、これらのモードは等距離ではない。

【0092】

よって、ＷＧＭ結晶性共振器を光学的にポンピングすることにより、光周波数コムを生成し、これにより、共振器のＦＳＲに対応する調節可能なコム周波数間隔を提供することができる。これらのコムは、大きなスペクトル幅（例えば、３０ＴＨｚを超えるもの）と、モードの良好の相対的コヒーレンスとを有する。生成されたコムの特性は、光ポンプされたモードの選択と、共振器へのレーザー同期のレベルおよび位相とに依存する。

【0093】

ＷＧＭ共振器中の光三次非線形性を用いた光コムの上記した生成は、レーザー同期を用いて、生成された光コム信号の周波数を安定させることができる。Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）レーザーフィードバック同期方式を用いて、非線形ＷＧＭ共振器へのポンプ光を生成するレーザーを同期させることができる。ＰＤＨ同期は、共振器の光結合を用いて電気制御信号を生成し、レーザーを共振器へと同期するフィードバック同期回路に基づいたレーザー同期技術の一例である。同期のレベルおよび位相は、発振共振器および非発振共振器で異なる。レーザー同期周波数が発振閾値を超えて増加した場合、同期が不安定になる。このレーザー同期により、スペクトル純度が高いマイクロ波信号の生成が促進される。試験結果によれば、同期されていないコム信号は、同期されたレーザー（例えば、図１４に示すような４０Ｈｚ未満）を用いたコム生成器によって生成された線幅の場合よりも、より広い線幅（例えば、約数ＭＨｚ）を有する傾向となる。

【0094】

Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）レーザーフィードバック同期の代わりに、ＷＧＭ共振器または固体リング共振器の内側のレイリー散乱を用いて、レーザーを自己注入同期の形態でこのような共振器へ同期することができる。この注入同期により、レーザーが、適切な位相整合条件下において、レーザー光をレーザーに再度注入することにより、ハイパーパラメトリック周波数コムを生成する非線形共振器へ同期される。位相整合条件を満たすように、非線形共振器からレーザーへのフィードバック光の光位相を調節する。

【0095】

２つのフィードバック機構を用いて、非線形共振器からの光をレーザーへと方向付けて、レーザーを同期することができる。第１のフィードバック機構は、非線形共振器の内側のレイリー散乱を介して生成された信号を用いる。レイリー散乱によって生成された光は、レーザーからのオリジナルのポンプ光の光経路を追随して、非線形共振器からレーザーへと伝搬する。

【0096】

第２のフィードバック機構は、反射器（例えば、非線形共振器の出力光経路に配置された追加的な部分的に透明な鏡）を用いて、非線形共振器へ戻り、その後レーザーへ向かう反射を提供する。図１６は、デバイス１６００の一例を示す。デバイス１６００は、レーザー１６０１を非線形共振器１６１０へと同期する。非線形共振器１６１０は、リング共振器、ディスク共振器、球状共振器または非球状共振器（例えば、回転楕円体共振器）であり得る。図示のような結合プリズムであり得る光カプラ１６２０を用いて、光入力を共振器１６１０へ提供し、共振器１６１０から光出力を提供する。レーザー１６０１は、レーザービーム１６６１を生成し、レーザービーム１６６１を結合プリズム１６２０へと方向付ける。結合プリズム１６２０は、レーザービーム１６６１をビーム１６６２として共振器１６１０中へと結合させる。ビーム１６６２は、反時計回り方向において共振器１６１０内で循環する。循環ビーム１６６２の光は、共振器出力ビーム１６６３として光カプラ１６２０によって光学的に結合される。反射器１６４０は、共振器出力ビーム１６６３の光経路内において結合プリズム１６２０の後部に配置され、これにより、共振器出力ビーム１６６３のうち少なくとも一部を結合プリズム１６２０へと戻すよう反射させる。光コリメータ１６０２および１６３１を用いて、光をコリメートすることができる。反射器１６４０は部分反射器であってもよく、共振器出力ビーム１６６３の部分を出力ビーム１６６４として透過し、共振器出力ビームの一部を返送ビーム１６６５として反射する。反射器１６４０は全反射器であってもよく、その場合、ビーム１６６３の光全てを返送ビーム１６６５として反射する。フィードバックビーム１６６５は、逆伝搬ビーム１６６６として共振器１６１０中へと結合される。逆伝搬ビーム１６６６は、結合プリズム１６２０によってレーザー１６０１へ向かうフィードバックビーム１６６７として結合される。フィードバックビーム１６６７は、レーザー１６０１に進入し、注入同期を介してレーザーを共振器１６１０へと同期する。

【0097】

共振器１６１０からレーザー１６０１へのフィードバックビーム１６６７の光位相が注入同期についての位相整合条件を満たす場合、共振器１６１０内のレイリー散乱または外部反射器１６４０のいずれかに基づいた非線形共振器１６１０からの光フィードバックに基づいた上記のレーザー同期を確立することができる。位相制御機構は、レイリー散乱方式のフィードバックビーム１６６７の光経路内において実装してもよいし、またはフィードバックビーム１６６７の光位相の調節および制御のための外部反射器１６４０を用いた方式内の１つ以上のビーム１６６１、１６６２、１６６３、１６６５、１６６６および１６６７の光経路内において実装してもよい。図示のように、この位相制御機構の一実施様態において、反射器１５４０は可動鏡であり、ビーム１６６３の光経路に沿って位置を変更するよう制御されることにより、フィードバックビーム１６６７の光位相を調節することができる。レーザー１６０１とカプラ１６２０との間に配置された位相回転子１６０３あるいはカプラ１６２０またはコリメータ１６３１と外部反射器または鏡１６４０との間に配置された位相回転子１６６３により、フィードバックビーム１６６７の位相も調節することができる。また、共振器１６１０の内側のレイリー散乱および外部反射器１６４０の双方を用いた統合構成を用いることもできる。構成の選択は、動作条件に依存する（例えば、カプラ１６２０による共振器１６１０のロード、共振器１６１０中のレイリー散乱の強度）。このような同期技術を用いることにより、ＰＤＨ同期および他の同期設計の利用に関連する技術的困難の回避が可能になる。

【0098】

本文書中に記載されるデバイスおよび技術は、光学処理を用いて、少なくとも２つの光スペクトルコンポーネントを含む光信号を所望の周波数分離によって安定させることにより、光領域中の原子または分子における光学原子遷移または光学分子遷移の高い精度および安定性を達成する。光検出器上の安定な光信号中の２つの光スペクトルコンポーネント間のビートは、ＲＦまたはマイクロ波信号を、原子時計の高い周波数精度または安定性によって生成する。再度図１Ａを参照して、光コム生成デバイスは、レーザー１を非線形ＷＧＭ共振器１００における唯一の光源および非線形光混合として用いて、光コム中の光周波数を生成する。このような２つ以上の光スペクトルコンポーネントは、非線形光共振器を用いた非線形波混合による光コム信号生成を実行することなく、生成することができる。この非線形波混合において、非線形光共振器は、光非線形性を示さない光共振器によって置き換え可能である。例えば、２つのレーザー搬送波周波数における２つの異なるレーザーを、原子周波数リファレンスに同期させることができ、２つのレーザー搬送波周波数の周波数差は、所望のＲＦまたはマイクロ波周波数へ設定される。

【0099】

図１７は、共振器１００の２つの異なるモードへ同期された２つの独立なレーザー１および１７０１を用いたデバイスを示す。本例では、共振器１００は、線形ＷＧＭ共振器である。あるいは、図１Ａに示すような非線形共振器１００を用いてもよい。２つのレーザー１および１７０１は、同一の励起状態を共有する２つの原子遷移とそれぞれ共振する２つの異なる光搬送波周波数において動作するよう調整される。２つのレーザー搬送波周波数は、共振器１００のＦＳＲの高調波に等しいまたは高調波そのものであるＲＦ周波数ω_ＲＦによって分離される。レーザー１７０１からの第１のレーザービームは、第１の光カプラまたはスプリッター１７０３（例えば、ファイバカプラ）によって２つの第１のレーザービームへ分割される。そのうち１つのビームは、第１の光偏光となるように第１の偏光コントローラ１７２１へ方向付けられ、別のビームは、任意選択の第１の光学フィルタ１７１１を介して光共振器１００へと方向付けられる。レーザー１からの第２のレーザービームは、第２の光カプラまたはスプリッター１７０４（例えば、ファイバカプラ）によって２つの第２のレーザービームへ分割される。そのうち１つのビームは、第１の光偏光に直交する第２の光偏光となるように第２の偏光コントローラ１７２２へ方向付けられる。別のビームは、別の任意選択の光学フィルタ１７１２を介して光共振器１００へと方向付けられる。ＰＢＳ１２は、２つの偏光コントローラ１７２１および１７２２から外部へ出ていく２つの直交偏光するビームを組み合わせて、合成ビームを得る。この合成ビームを原子セル２０中へと方向付けて、検出器２４においてフィードバック信号を生成する。

【0100】

共振器１００へ方向付けられた２つのレーザーからの２つのビームは、光カプラ２によって共振器１００中へと結合される。光カプラ１７０５（例えば、ファイバカプラ）は、２つの異なるレーザー搬送波周波数におけるこれらの２つのビームを単一のビームとして組み合わせる。このビームは、光カプラ２によって共振器１００中へと結合される。このビームは、ＲＦ周波数ω_ＲＦによって分離された２つの異なるレーザー搬送波周波数において２つのスペクトルピークを有し、光カプラ２へと方向付けられる。光カプラ２は、この光を共振器１００中へと結合する。２つの光学フィルタ１７１１および１７２２は任意選択であり、カプラ２を介して共振器１００中へと結合される２つのビームが２つの光学原子遷移に対応する所望の光周波数にあることを保証するために設けられる。

【0101】

２つのレーザー１および１７０１を用いたこの構成において、光共振器１００は、光非線形波混合用の非線形性を示さないパッシブ共振器とすることが可能である。なぜならば、出力５中の２つのレーザー搬送波周波数における光は、ＲＦ周波数ω_ＲＦにおけるＲＦ出力を生成するために、フォトダイオード２４において相互にビートすることができるからである。あるいは、光共振器１００は、ここで、共振器１００内で非線形混合およびパラメトリック増幅を発生させ、光コム出力５を生成する非線形材料によって構成することもできる。

【0102】

レーザー１および１７０１は、適切な同期機構（例えば、光注入同期、ＰＤＨ同期）を用いることにより、共振器１００の異なるモードに同期される。光コムは、２つの搬送波周波数における２つの異なるポンプ間の４波混合を介して生成される。１つのレーザーの他方のレーザーへの位相同期により、安定したＲＦビートを実現することができる。原子セル２０への同期を行うことにより、フォトダイオードにおいて生成されるＲＦ信号の絶対的安定性が得られる。このフォトダイオードは、光出力５を受信する。光出力５は、共振器１００が線形共振器である場合は２つの周波数を含む光出力であり、または、共振器１００が所望の非線形波混合を提供する非線形共振器である場合は光コムである。

【0103】

フィードバック回路４は、共振器１００へのバイアス信号を生成するため、フィードバック信号を用いる。図１Ａと異なり、位相調節デバイス１７１０は、ディザリング信号をディザリング周波数において信号源３から受信し、バイアス信号をフィードバック回路４から受信するレーザー１の出力に配置される。この位相調節デバイス１７１０は、偏光コントローラ１７２２を通過するビームの周波数中のディザーを生成し、これによって、共振器１００の周波数のドリフトの方向および量を示すために、検出器２４によるフィードバック信号出力の変化を生成する。共振器１００の周波数は、このドリフトを低減または最小化するように調節され、これにより、原子リファレンスに対する安定化が達成される。

【0104】

高い原子時計精度または安定性によってＲＦまたはマイクロ波を生成する際において、単一のレーザーおよび非線形光共振器（例えば、非線形ＷＧＭ共振器）の利用により、デバイス構造が簡略化される（例えば、２つのレーザーの代わりに単一のレーザーを用いることおよび２つのレーザーを互いに同期させるためのさらなる回路を回避することにより）。図１８〜図２１は、非線形ＷＧＭ共振器中の光コムの生成と、このような光コムの１つ以上の原子周波数リファレンスへの同期とに基づいたさらなるデバイス構成を示す。

【0105】

図１８は、安定性のために、ＲＦ超微細遷移の代わりに、光コムを光学原子遷移へ直接同期させる光コム生成デバイスの一例を示す。レーザー１からのレーザー光は、２つのファイバによって搬送される２つのレーザービームへ分割される。そのうち１つのレーザービームは、共振器１００のポンピングに用いられ、別のレーザービームは、原子リファレンスにおける光学原子遷移に対するエラー信号を生成するために用いられる。図１Ａおよび図１７と異なり、レーザー搬送波周波数における単一のレーザービームは、原子蒸気セル２０を通過するよう方向付けられ、光検出器１８２２（例えば、低速フォトダイオード）は、原子セル２０の光透過を測定するために用いられる。電子プロセッサ回路１８２４は、原子遷移周波数からのレーザー搬送波周波数の偏差を示すエラー信号を生成するため、光検出器１８２２の検出器出力を受信するよう設けられる。このエラー信号を用いて、キャビティー制御ユニット１８１０を作動させる。キャビティー制御ユニット１８１０は、共振器１００の共振（単数または複数）を調節および変調させる。共振器１００において、光コムは、非線形波混合およびパラメトリック増幅を介して生成される。よって、コム高調波は、キャビティー制御ユニット１８１０、およびレーザー１と共振器１００と間の注入同期に起因する光共振器１００中の変調を介して光学原子遷移へ同期されたレーザーからのポンピング光へ位相同期される。ファイバコリメータ１８０２は、レーザー光を入力または出力するファイバの端部において用いられる。

【0106】

図１８は、キャビティー制御ユニット１８１０としての圧電コントローラの特定の例を示す。圧電コントローラ１８１０は、共振器共振を調節するように共振器１００へ係合された圧電アクチュエータを含む。レーザー１は、共振器１００内で発生するレイリー散乱、熱光学効果または同期回路（例えば、ＰＤＨ同期）に基づいた注入同期によって、共振器１００へ同期される。共振器１００の周波数は、圧電光学効果または熱屈折効果のうちいずれかを用いて低速で変調またはディザーされる。共振器１００のディザー変調に起因して、レーザー周波数の変調が（共振器１００からレーザー１への）フィードバック光を介して行われ、その結果、注入同期が行われる。レーザー周波数または共振器共振のこのディザー変調の結果、原子セル２０を通過する光によりエラー信号が生成される（ここに図示していない反射ドップラー自由構成も考えられる）。エラー信号は、電子プロセッサ１８２４によって電気的に処理され、圧電コントローラ１８１０中へと返送される。実行された試験において、光ＷＧＭ周波数の同期／決定精度は、約１０Ｈｚ／秒（Ｑ＝５ｘ１０^１０）であった。これは、アラン分散約１０^−１４ｓ^−１／２に対応する。高速フォトダイオード上の変調光によって生成されたＲＦ信号は、同一のアラン分散を有していた。

【0107】

図１９は、安定化のために、ＲＦ超微細遷移の代わりに、光コムを光学遷移へ同期させる光コム生成デバイスの別の例を示す。レーザー１からのレーザー光のうち一部は、ビームスプリッターＢＳによって周波数モニタビームへと分割される。周波数モニタビームは、原子セル２０を通過するよう方向付けられる。第１低速フォトダイオード１８２２を用いて、原子セル２０の光透過を受信して、第１のエラー信号を生成する。第１のエラー信号は、レーザー搬送波周波数の原子リファレンスからの周波数偏移を示す。第１の同期回路１９１０は、第１のエラー信号を用いて共振器１００を原子リファレンスへ同期させるよう設けられる。図示の例において、第１の同期回路１９１０は、ＰＤＨ同期回路であり得る。

【0108】

レーザー１の出力中のＢＳは、レーザー光を光学変調器１９０１（例えば、光学マッハツェンダー変調器）へと方向付ける。光学変調器１９０１は、原子セル２０の出力におけるエラー信号を生成するためのレーザービーム上にディザー変調を生成するために、レーザー光を変調する。よって、この光学変調器１９０１は、図１７中のデバイス１７１０と同様の役割を果たす。光カプラ２は、別の光カプラ１９０２によって、デバイスのＲＦ出力を生成する高速光検出器１８２１に結合される光コム周波数５を生成する非線形波混合およびパラメトリック増幅のために、変調されたレーザービームを、共振器１００内へ結合させる。光カプラ２は、第２の低速フォトダイオード１８２２へと方向付けられた光出力を生成する。第２の低速フォトダイオード１８２２は、レーザー搬送波周波数の共振器１００の共振器モードからの周波数偏移を示す第２のエラー信号を生成する。第２の同期回路１９２０は、例えばＰＤＨ同期回路であり得、レーザー１を共振器１００へ同期させるための第２のエラー信号を供給するように設けられる。共振器１００は第１の同期回路１９１０によって原子リファレンスへ同期されるため、第２の同期回路１９２０はまた、共振器１００を介して、レーザー１を原子リファレンスへ同期させる。

【0109】

図２０は、図１９中の構成に基づいた別の例を示す。この例において、レーザー１および共振器１００は、高速注入同期を介して互いに直接同期される。同期回路１９１０は、レーザー１および共振器１００双方を原子リファレンスへ同期させるために設けられている。同期回路１９２０は、レーザー１を共振器１００へ同期させるために設けられている。同期回路１９２０は、例えばＰＤＨ同期回路であり得る。同期されたレーザー１は、例えば外部キャビティー半導体レーザーによって実施することができ、共振器１００の周波数を調節することによって調節することができる。レーザー／共振器の組み合わせは、原子遷移（例えば、８７ＲｂＤ１線）へ同期される。同期を行うため、レーザーの周波数が、ＷＧＭ共振器の温度変調を介して変調され、エラー信号が、共振器の温度を修正するために返送される。レーザー電流の変化は、共振器の温度も変化させるため、自己注入同期に加えて、同期回路１９１０からのさらなる（高速）同期ループがレーザー１を制御するために提供される。

【0110】

図２０におけるデバイスに対する試験において、原子線は、１０^６Ｈｚ／Ｋ未満の熱ドリフトを有していた。共振器へ同期されたレーザーの周波数は、原子遷移から１００ｋＨｚ以内に保持することができる。ＷＧＭ周波数は、通常１００ｋＨｚオーダーであるモードの半値全幅未満でレーザー周波数に対してドリフトし得る。そのため、約１００ｍＫのレベルの原子セル２０の熱安定性によって、光モードの絶対的長期安定性を１００ｋＨｚよりも高くすることができる。ω０／ＦＳＲ＝４×１０^４である場合、共振器１００ＦＳＲは、２．５Ｈｚを超えてドリフトしない。そのため、アラン分散によって決定される発振器の予測される短期安定性は、２．５×１０^―１０（１０ＧＨｚＦＳＲの場合）のオーダーである。アラン分散は、長期観測時間と共に、τ^―１として低下する。そのため、このデバイスにおいて優れた長期安定性を期待することができる。

【0111】

図２１に示す例の光コム生成デバイスは、２つの原子セルを用いて、２つの別個の同期点について２つの原子リファレンスを提供する。光コムの周波数安定性は、２種類の周波数パラメータ（すなわち、光コム中の各スペクトルコンポーネントの周波数および光コム中の２つの隣接するスペクトルコンポーネント間の周波数間隔またはＦＳＲ）によって特徴付けられ得る。上記の例においては、単一の原子リファレンスを単一の周波数同期リファレンス点として用いる。異なる光学リファレンス周波数において２つの原子セル２１２１および２１２２が存在するため、同期点からの同期安定性の向上が得られる。

【0112】

図２１において、レーザー１および共振器１００は、注入同期または他の同期方法を介して互いに同期され得る。共振器１００からの光コム光出力５は、共振器１００内部における非線形光波混合およびパラメトリック増幅に基づいて生成される。この光コム５は、第１のビームスプリッターＢＳ１によって分割され、ここで、ビームの小量の部分は、高速検出器１８２１へ方向付けられて、ＲＦ出力を生成する。第２のビームスプリッターＢＳ２は、ＢＳ１からビームを受信し、受信したビームを第１のビームおよび第２のビームに分割する。第１のビームは、第１の任意選択の光バンドパスフィルタ２１１１を通過するよう方向付けられ、その結果、第１のフィルタされたビームが第１の光周波数において生成され、第２のビームは、第２の任意選択の光学バンドパスフィルタ２１１２を通過するよう方向付けられ、その結果、第２のフィルタされたビームが第１の光周波数と異なる第２の光周波数において生成される。このデバイスにより、２つの光コム線が、２つの原子セル２１２１および２１２２それぞれの２つの異なる原子遷移へ同期される。共振器１００において生成された光コム５は、原子セル２１２１および２１２２のいくつかの光学線をカバーするはずである。ＷＧＭ共振器１００は、２つの原子遷移の最も近隣の周波数を有する２つのモードを有するように構成される。第１の光検出器２１３１を用いて、（第１の原子セル２１２１の第１の原子遷移に対するレーザー周波数または共振器共振の周波数エラーを示す）第１のエラー信号に対応する第１の原子セル２１２１の光透過を受信する。第２の光検出器２１３２を用いて、（第２の原子セル２１２２の第２の原子遷移に対するレーザー周波数または共振器共振の周波数エラーを示す）第２のエラー信号に対応する第２の原子セル２１２２の光透過を受信する。これらの２つのエラー信号は、フィードバック制御回路２１４０へと方向付けられる。フィードバック制御回路２１４０は、ディザー変調を生成するための位相調節デバイス１７１０への第１のフィードバック信号を生成し、周波数エラー低減のために共振器１００を調節するための共振器１００への第２のフィードバック信号を生成する。

【0113】

２つの原子周波数リファレンスは、非線形光共振器１００のＦＳＲおよび／または光コム繰り返し周波数よりずっと大きな周波数差によって分離され得る。位相調節デバイス１７１０および調節可能なＷＧＭ共振器１００に対する２つのフィードバックループを介して図２１中の２つの原子周波数リファレンスにおける周波数同期を行うことにより、レーザー１または共振器１００が安定化されるだけでなく、周波数コム繰り返しレートが、２つの原子周波数リファレンス間の周波数差の分率へと同期される。

【0114】

上記の図示のデバイス例は、半導体基板（例えば、シリコンウェーハ）上の平面アーキテクチャとして実施することができる。いくつかの実施様態において、光ＷＧＭ共振器を多様な構成における基板上に一体的に集積することができる（例えば、光ＷＧＭ共振器を平面半導体構造上に統合することができる）。光ＷＧＭ共振器は、光ディスクまたはリング共振器であり得、基板上に集積される。上記の例に記載した光共振器および特定の他のコンポーネントのこのような一体化により、多様な用途において実行することが可能なコンパクトな光電子チップが得られる。

【0115】

この文書中、多数の具体例について記載してきたが、これらの例は本発明の範囲または特許請求の範囲の制限として解釈されるべきではなく、本発明の特定の実施形態の特有の特徴の記載として解釈されるべきである。別個の実施形態の文脈において本文書中に記載された特定の特徴を単一の実施形態において組み合わせて実施することも可能である。逆に、単一の実施形態の文脈において記載される多様な特徴を複数の実施形態において別個にまたは任意の適切な組み合わせで実施することも可能である。さらに、特徴について特定の組み合わせとしておよびさらには最初の特許請求に記載のように機能するものとして上記してきたが、請求項の組み合わせからの１つ以上の特徴を当該組み合わせから実施することも可能であり、請求項に記載の組み合わせをさらなる組み合わせまたはさらなる組み合わせの改変例に用いることも可能である。

【0116】

いくつかの実施様態について開示した。記載の実施様態および他の実施様態の変更例および改良例は、この文書中に記載および図示される内容に基づき得る。

【図1A】

【図1B-1D】

【図2A-2B】

【図3】

【図4A-4B】

【図5A-5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】