基于經由回音壁模式光學諧振器中的非線性光學混頻的光學再生和光電反饋的參數再生 ...的制作方法
【專利摘要】基于由非線性光學材料制成的光學諧振器和非線性波混頻以使用有源光電環路生成RF或微波振蕩的裝置和技術。
【專利說明】基于經由回音壁模式光學諧振器中的非線性光學混頻的光學再生和光電反饋的參數再生式振蕩器
[0001 ] 相關申請的優先權聲明和交叉引用
[0002]本專利文獻要求命名為“參數再生式振蕩器”并且提交于2011年6月23日的第61/500, 542號美國專利臨時申請的優先權。上述專利文獻的全部公開通過引用并入為本文獻的公開的一部分。
【背景技術】
[0003]本申請涉及基于光子設備的信號振蕩器。
[0004]用于生成RF和微波頻率信號的射頻(RF)和微波振蕩器被廣泛用于包含電路、通信裝置以及其他的應用中。通過使用電子和光學器件，這種RF和微波振蕩器可以構成為“混合(hybrid)”裝置以形成光電振蕩器(簡稱為“0E0”)。例如，參見第5，723，856、5，777，778,5, 929，430 和 6，567，436 號美國專利。
[0005]例如，這種OEO可以包括:電控光學調制器和至少一個有源光電反饋環路，其中該有源光電反饋環路包括通過光檢測器互聯的光學部分和電子部分。光電反饋環路從調制器接收經調制的光學輸出并且將經調制的光學輸出轉換成電信號，該電信號被適用為控制調制器。當任意其他附加的反饋環路和有源光電環路的總環路增益超出總損耗時，反饋環路在環路的光學部分中產生期望的長延遲以抑制相位噪聲并且將在相位中經轉換的電信號反饋到調制器以生成光學調制并且將電振蕩生成并維持在RF或者微波頻率中。這種光電環路是有源、同相環路，在特定的穩定運行條件或狀態下該環路是對裝置進行振蕩而傳統的環路是對裝置進行穩定，因此光電環路與傳統的反饋環路不同。與通過其它RF和微波振蕩器所產生的信號相比，所生成的振蕩信號是頻率可調的并且可以具有窄光譜線寬和低相位噪聲。

【發明內容】

[0006]本文獻基于提供基于由非線性光學材料制成的光學諧振器的裝置和技術，從而提供非線性波混頻的并且作為有源光電環路的部分以產生低噪RF信號。
[0007]一方面，提供了基于來自光學回音壁模式諧振器中的光學非線性的光學再生振蕩產生低噪RF信號的方法。該方法包括:將處于光學泵浦頻率的激光耦合到支持回音壁模式并且表現出光學非線性的光學回音壁模式諧振器中，以通過從處于光學泵浦頻率的激光獲取能量來引起參數放大和非線性光學混頻，從而生成處于與光學泵浦頻率不同的一個或多個新的光學頻率的光；基于射頻信號使在激光中引起調制的調制裝置運行，其中射頻信號包含射頻頻率和射頻頻率的一個或多個射頻諧波，并且射頻信號被施加到調制裝置以在光學回音壁模式諧振器內產生具有與射頻頻率和一個或多個射頻諧波對應的調制頻帶的經調制的激光并且在光學回音壁模式諧振器中引起處于光學泵浦頻率和調制頻帶的光的非線性光學混頻以將功率從光學泵浦頻率轉換為調制頻帶；將離開光學回音壁模式諧振器的光耦合到光檢測器中以基于在光檢測器處對處于光學泵浦頻率和調制頻帶的光的解調產生處于射頻頻率和射頻頻率的一個或多個射頻諧波的射頻檢測器輸出；將射頻檢測器輸出引導至基于射頻檢測器輸出對射頻信號進行處理的射頻電路中；以及使光學回音壁模式諧振器、調制裝置、光檢測器和射頻電路運行以形成有源光電振蕩器環路以維持光電振蕩，從而在射頻電路中維持包含射頻頻率的一個或多個射頻諧波和射頻頻率中的至少一些的射頻信號，并且通過非線性光學混頻以及通過光學回音壁模式諧振器的濾波來減少射頻信號中的相位噪聲。
[0008]另一方面，提供了一種裝置以基于通過在光學回音壁模式諧振器中的基于通過光學非線性的再生的光產生低噪RF信號。該裝置包括:激光器，該激光器用于產生處于光學泵浦頻率的激光；光學回音壁模式諧振器，該光學回音壁模式諧振器支持回音壁模式并且表現出光學非線性以通過從處于光學泵浦頻率的激光獲取能量而取得引起非線性光學混頻和參數放大，從而生成處于與光學泵浦頻率不同的一個或多個新的光學頻率的光；光學耦合器，該光學耦合器將來自激光器的激光耦合到光學回音壁模式諧振器中；以及光學調制器，該光學調制器位于激光器與光學回音壁模式諧振器之間的光學路徑中，該光學調制器可操作為基于RF信號引起激光中的調制，其中RF信號包含RF頻率和RF頻率的一個或多個RF諧波，并且RF信號并且被施加到調制裝置從而產生具有與RF頻率和一個或多個RF諧波對應的調制頻帶的經調制的激光。光學回音壁模式諧振器內處于光學泵浦頻率和調制頻帶的經調制的激光經歷非線性光學混頻以將處于光學泵浦頻率的功率轉換為與調制頻帶對應的光學頻率。該裝置包括:光檢測器，該光檢測器耦合成接收從光學回音壁模式諧振器輸出的光以基于在光檢測器處對處于光學泵浦頻率和調制頻帶的解調而產生處于RF頻率和RF頻率的一個或多個RF諧波的RF檢測器輸出；以及RF電路，該RF電路耦合成接收RF檢測器輸出并且可操作為基于RF檢測器輸出對RF信號進行處理。在該裝置中，光學調制器、光學回音壁模式諧振器、光檢測器和RF電路被配置成形成有源光電振蕩器環路以維持在射頻電路中維持包含射頻頻率的一個或多個射頻諧波和射頻頻率中至少一些的射頻信號的光電振蕩，并且通過有源光電振蕩器環路中的光學回音壁模式諧振器的非線性光學混頻和濾波來減少射頻信號中的相位噪聲。
[0009]又一方面，提供了一種裝置以基于通過光學回音壁模式諧振器中的光學非線性的再生光產生低噪RF信號。該裝置包括:激光器，該激光器用于產生處于光學泵浦頻率的激光；光學回音壁模式諧振器，該光學回音壁模式諧振器支持回音壁模式并且表現出光學非線性以通過從處于光學泵浦頻率的激光取得能量而引起非線性光學混頻和參數放大，從而生成處于與光學泵浦頻率不同的一個或多個新的光學頻率的光，該光學回音壁模式諧振器表現出光電效應；電極，該電極形成在光學回音壁模式諧振器上以將包含RF頻率和RF頻率的一個或多個RF諧波的射頻(RF)信號施加到光學回音壁模式諧振器以通過光電效應引起光學回音壁模式諧振器內的光的光學調制；以及光學耦合器，該光學耦合器將來自激光器的激光耦合到光學回音壁模式諧振器中，耦合到光學回音壁模式諧振器內的激光被調制為包括與RF頻率和一個或多個RF諧波對應的調制頻帶，其中光學回音壁模式諧振器內的處于光學泵浦頻率和調制頻帶的經調制的激光經歷非線性光學混頻從而將處于光學泵浦頻率的功率轉換為調制頻帶。該裝置包括:光檢測器，該光檢測器耦合成接收從光學回音壁模式諧振器輸出的光以基于在光檢測器處對處于光學泵浦頻率和調制頻帶的解調而產生處于RF頻率和RF頻率的一個或多個RF諧波的RF檢測器輸出；以及RF電路，該RF電路耦合成接收RF檢測器輸出并且可操作為基于RF檢測器輸出對RF信號進行處理。該RF電路被耦合到光學回音壁模式諧振器上的電極以施加RF信號從而在光學回音壁模式諧振器內引起光學調制。光學調制器、光學回音壁模式諧振器、光檢測器和RF電路被配置成形成有源光電振蕩器環路以維持在RF電路中維持用于維持包含RF頻率的一個或多個RF諧波和RF頻率中至少一些的RF信號的光電振蕩，并且通過有源光電振蕩器環路中的光學回音壁模式諧振器的非線性光學混頻和濾波來減少射頻信號中的相位噪聲。
[0010]這些和其他方面和實施被詳細描述在附圖、描述和權利要求中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1示出基于通過光學回音壁模式諧振器和有源OEO環路中的光學非線性的再生光產生低噪RF信號的振蕩器裝置的兩個示例。
[0012]圖2A、圖2B、圖3、圖4A、圖4B、圖5A和圖5B示出WGM諧振器和光耦合設計的示例。
[0013]圖6示出基于非線性WGM諧振器而沒有OEO環路的RF振蕩器。
[0014]圖7、圖8和圖9示出基于非線性WGM諧振器的RF或者微波振蕩器的示例。
[0015]圖10至圖15示出用于生成光梳信號的樣本非線性WGM諧振器的測量。
[0016]圖16示出通過使用外部反射器將激光器鎖定到諧振器的示例。
【具體實施方式】
[0017]本專利文獻描述基于諸如氟化鈣或者具有立方非線性的另一種材料的晶體回音壁模式諧振器中的四波混頻(FWM)的非線性過程的光子RF或者微波振蕩器的實施。這種裝置可以被封裝成小包裝。在FWM中，高精細度WGM中的大場強將兩個泵浦管子轉換成兩個邊帶光子，即，信號光子和空載光子。因為能量守恒定律，所生成的光子的頻率之和等于泵浦光的頻率的兩倍。通過使振蕩器過飽和并且使用在諧振器中生成的多重光學諧波(光梳)，所描述的振蕩器可以減少相位噪聲并且增加諸如光電二極管的快速光學檢測器上生成的RF或者微波信號的頻譜純度。此外，所公開的光子RF或者微波振蕩器實施有源光電反饋環路以生成并維持光電振蕩從而進一步減少相位噪聲和振蕩器的穩定性。
[0018]光學諧振器可以被配置成支持已知為回音壁(簡稱為“WG”)模式的一組特殊的諧振器模式的光學回音壁模式(簡稱為“WGM”)諧振器。這些WG模式表示因邊界處的全內反射而密閉在靠近諧振器表面的內部區域中的光場。例如，介質球可用于形成WGM諧振器，其中WGM模式表示因球界處的全內反射而密閉在靠近繞著其赤道的球表面的內部區域中的光場。具有IO-1O2微米數量級的直徑的石英微球已被用于形成具有大于IO9的Q值的緊湊型光學諧振器。這種高Q型WGM諧振器可用于產生具有高頻譜純度和低噪聲的振蕩信號。一旦被耦合到回音壁模式中，光能可以在球赤道處或附近循環一個較長的光子續航時間。
[0019]此處描述的振蕩器基于以參數放大為基礎的光學回音壁模式諧振器中的光學非線性混頻和再生生成具有改善的頻譜純度的RF、微波或毫米波信號。在基于非線性(有源)光學微諧振器的RF光子振蕩器中采用光學參數增益(基于二次或三次光學、射頻、聲學和/或機械非線性)或者光學相位獨立的增益可實現低噪RF信號的生成。與i)生成在環路中具有線性(無源)光學微諧振器的其他RF光子振蕩器中的信號的頻譜純度；以及ii)基于自激振蕩非線性(有源)光學微諧振器的RF光子振蕩器的頻譜純度相比，那些信號的頻譜純度可以得到改善。
[0020]在本文獻中描述的技術和裝置中基于光學非線性混頻和參數放大的光學再生和有源光電環路的組合提供了有源光電環路與光學再生之間的耦合，該耦合與在耦合的光電振蕩器(COEO)中激光振蕩與有源光電環路的耦合相似。該耦合可實現比具有相似環路長度(即，相同或相似的環路中光纖的長度)的其他光電振蕩器(OEO )的相位噪聲低的相位噪聲。COEO是具有光學和RF增益(有源光學和RF環路)的再生裝置，并且未直接耦合在激光振蕩和OEO環路之間的多種OEO具有無源光學環路和有源RF環路。因為COEO的有效RF質量(Q)因素取決于生成在有源光學環路中的光譜寬度并且遠遠大于用于OEO中的相同長度的無源光纖環路的有效Q因素，所以COEO更加高效。
[0021]在下面的示例中將對基于上述組合的光子振蕩器以及基于光學非線性混頻和參數放大的光學再生與有源光電環路的耦合進行詳細描述。
[0022]由晶體制成的WGM諧振器的光學性可以優于由熔凝硅石制成的WGM諧振器。由晶體CaF2制成的WGM諧振器可以產生處于或大于1010的Q因素。這種高Q值可用于多種應用，包括因克爾(Kerr)非線性效應而導致的低閾值光學超參數振蕩和千赫茲光學諧振的生成。下面的段落首先描述晶體WGM諧振器的示例性幾何結構，然后描述由不同材料制成的WGM諧振器的特性。在一些以下描述的示例中，除了用于WGM諧振器的材料的非線性光學特性以外，材料還可以表現出響應于外部施加的控制信號(例如，RF信號)的電光效應以提供光學調制。
[0023]圖1示出基于通過光學回音壁模式諧振器和有源OEO環路中的光學非線性的再生光產生低噪RF信號的振蕩器裝置的兩個示例。圖1所示的裝置結合基于WGM諧振器中的非線性混頻和參數放大的純光學RF信號生成器與OEO裝置中的OEO環路以將相位噪聲減少至通過包括其他OEO裝置的其他裝置難以實現的水平。改善的原因在于有源RF和光學環路兩者的使用以及有源RF和光學環路的耦合。光學信號的再生導致所生成的RF信號的相位噪聲的改善。此外，通過將選擇性RF濾波器插入到RF環路中可調諧生成在光學環路中的光譜的特性。
[0024]在圖1所示的兩個示例中，處于光學泵浦頻率的激光被耦合到支持回音壁模式并且表現出光學非線性的光學回音壁模式諧振器100中以通過從處于光學泵浦頻率的激光取得能量而生成處于與光學泵浦頻率不同的一個或多個新的光學頻率的光進而引起非線性光學混頻和參數放大?；谏漕l(RF)信號15，調制裝置被設置為在位于WGM諧振器100內側或者外側的激光中引起調制，其中RF信號15包含RF頻率和RF頻率的一個或多個RF諧波。該RF信號被施加到調制裝置以在光學回音壁模式諧振器100內產生具有與RF頻率和一個或多個RF諧波對應的調制頻帶的經調制的激光并且以引起處于調制頻帶和光學泵浦頻率的光的非線性光學混頻從而將處于光學泵浦頻率的功率轉換為與調制頻帶對應的光學頻率。諧振器100內的光被耦合出到光檢測器4中以基于在光檢測器4處對處于光學泵浦頻率和調制頻帶的光的解調而產生處于RF頻率的RF檢測器輸出5和RF頻率的一個或多個RF諧波。RF檢測器輸出被引導至基于RF檢測器輸出5產生RF信號15的RF電路10中。光學回音壁模式諧振器100、調制裝置、光檢測器4和RF電路10被配置成形成有源光電振蕩器環路以在RF電路10中維持光電振蕩從而維持包含RF頻率和RF頻率的一個或多個RF諧波中至少一些的RF信號15，并且在有源光電振蕩器環路中通過非線性光學混頻以及通過光學回音壁模式諧振器100的濾波減少RF信號15中的相位噪聲。
[0025]在RF電路10中，有源光電振蕩器環路中的RF電路10被配置成實現RF通頻帶或者傳輸頻帶，該RF通頻帶或者傳輸頻帶用于選擇RF頻率中的一些和待進入RF信號的RF頻率的一個或多個RF諧波同時消除了其他RF頻率。除了建立在OEO環路中的這種RF濾波以外，一些實施可以在RF電路10中提供RF濾波器12 (例如，帶通RF濾波器)以通過RF電路選擇RF頻率中的一些和RF頻率的一個或多個RF諧波同時消除其他RF頻率而對在光學回音壁模式諧振器100內通過的非線性光學混頻而生成的光的光譜進行調節。帶通RF濾波器12可以在多種配置中，包括由電子電路部件形成的RF濾波器和由電子電路部件和光學部件形成的光子RF濾波器(例如，高Q光學諧振器)。RF電路10可以包括RF放大器11，該RF放大器11用于放大RF信號以確保環路中的RF增益足夠大以超出RF環路進而生成并維持RF振蕩。
[0026]在光子RF濾波器的一些實施中，一部分處理被執行在RF和微波域中，例如將微波或RF輸入信號施加到光學調制器以控制光的光學調制，而另一部分處理被執行在光學域中，例如經調制的光的濾波以將一個或多個期望的微波或RF頻譜分量選擇為濾波輸出。通過對被光學調制器調制的光的頻率進行調諧或者通過用于對經調制的光束進行光學濾波的光學濾波器，可以對經選擇的頻譜分量的頻率進行調諧。光子RF濾波器使用用于接收微波或RF信號的輸入端和用于輸出經濾波的微波或RF信號的輸出端。輸入信號通過連續波光束的光學調制被轉換到光學域中，而后經調制的光束被光學濾波以選擇期望的微波或RF頻譜分量。具有高質量因素的光學濾波器可以產生超窄線寬以光學選擇攜帶于經調制的光束中的一個或多個期望的微波或RF頻譜分量。這種微波或RF頻譜分量的光學濾波避免了使用傾向于遭受由電子微波或RF電路元件施加的一些限制的微波或RF濾波器。經濾波的光學信號和一部分相同連續波光束相結合并且被發送到光學檢測器中。光學檢測器的輸出被用作經濾波的或者經處理的非光學信號。與信號濾波相似，例如，通過光學調制器對經調制的光束的頻率進行調諧或者通過用于對經調制的光束進行濾波的光學濾波器，在這些實施中的濾波的頻率調諧還可以光學地實現在一些實施中?？梢栽谟糜诳烧{諧射頻和微波光子濾波器的第7，587，144號美國專利、用于基于光子技術的寬帶接收器的第7，634，201號美國專利以及用于在馬赫-曾德爾配置中基于光學濾波的RF或者微波信號的可調諧濾波的第7，389，053號美國專利找到光子RF濾波器的示例，這些專利通過引用并入本文作為本專利文獻的公開的一部分。
[0027]參照圖1 (a)，裝置包括用于產生處于光學泵浦頻率的激光的激光器I。激光器I可以是半導體激光器或者另一種合適的激光器，例如CW二極管激光器。激光器I和諧振器100可以鎖定到彼此以改善裝置的穩定性。該鎖定可以通過使用激光器鎖定電路或者使用通過對從諧振器100返回激光器I的光進行注入的光學注入鎖定技術而實現。
[0028]圖1 (a)所示的調制裝置是用于從OEO環路的RF電路10接收RF信號15的光學調制器2。該光學調制器2被定位在激光器I與光學回音壁模式諧振器100之間的光學路徑中并且是可操作的，以基于RF信號15引起激光中的調制以產生具有與RF頻率和一個或多個RF諧波對應的調制頻帶的經調制的激光。光學回音壁模式諧振器100內處于光學泵浦頻率和調制頻帶的經調制的激光經歷非線性光學混頻和參數放大以將處于光學泵浦頻率的功率轉換為與調制頻帶對應的光學頻率。光學調制器2、回音壁模式諧振器100、光檢測器4和RF電路10被配置以形成有源光電振蕩器環路。在該裝置中，諧振器100通過非線性光學混頻和參數放大再生光學光，并且諧振器100的高Q因素減少相位噪聲并增強頻譜純度。光學微諧振器100扮演RF光子濾波器在OEO環路中的作用。
[0029]圖1 (b)示出另一種示例，在該示例中光學調制器2被消除而且由除了用于期望的光學波混頻的非線性光學特性之外還具有電光效應的諧振器100替代。一個或多個RF電極6被形成在諧振器100上以施加RF信號15以通過電光效應在諧振器100內引起光學調制。在該示例中，諧振器100扮演RF光子濾波器和光學調制器的作用。此處，因為無法振蕩，所以在該特殊方案中光學微諧振器構成為無源器件。
[0030]圖2A、圖2B和圖3示出三種示例性WGM諧振器。圖2A示出作為實心介質球的球體WGM諧振器100。該球體100在平面102中具有繞著z軸101對稱的赤道。平面102的周長是個圓并且平面102是圓形橫截面。WG模式繞著球形外表面內的赤道存在并且在諧振器100內循環。繞著赤道平面102的外表面的球面曲率沿著z方向和z方向的垂直方向提供空間限制以支持WG模式。球100的離心率通常是低的。
[0031]圖2B示出示例性回轉橢圓形微諧振器200。該諧振器200可以通過繞著沿短橢圓軸101的對稱軸旋轉橢圓(具有軸向長度a和b)而形成。因此，與圖2A所示的球形諧振器相似，圖2B所示的平面102也具有圓形周長并且是圓形橫截面。與圖2A所示的設計不同，圖2B所示的平面102是非球形回轉橢圓體的圓形橫截面并且繞著回轉橢圓體的短橢圓軸。諧振器100的離心率是(l-b2/a2)1/2并且通常是高的，即，大于10'因此，諧振器200的外表面并不是球體的一部分并且相比于球形外觀在沿著z方向的模式中提供了更多空間限制。更具體地，腔在平面(其中Z位于如zy或者ZX平面)中的幾何形狀是橢圓形的。處于諧振器200中心的赤道平面102與軸101 (z)垂直并且WG模式循環在諧振器200內的平面102的周界附近。
[0032]圖3示出另一種示例性WGM諧振器300，該WGM諧振器300具有外部輪廓為一般圓錐形的非球形外觀，其中該外部輪廓可以通過笛卡爾坐標的一元二次方程在數學上表示。與圖1和圖2所示的幾何結構相似，外表面在平面102中的方向和與平面102垂直的z方向上提供曲率以限制和支持WG模式。這種非球形、非橢圓形表面可以在其中包括拋物線或雙曲線。需要注意，圖3所示的平面102是圓形橫截面并且WG模式繞著赤道中的圓進行循環。
[0033]圖2A、圖2B和圖3所示的上述三種示例性幾何結構共享共同的幾何特征，即它們都是繞著軸101 (Z)的軸向或圓柱形對稱，繞著該軸101 (Z)WG模式循環在平面102中。彎曲的外表面在平面102周圍是平滑的，并且在平面102周圍提供二維限制以支持WG模式。
[0034]尤其是，在每個諧振器中沿著z方向101的WG模式的空間延伸被限制在平面102上方和下方，并因此其可以不必具有圓錐形狀300、回轉橢圓體200或球100的整體。反而，可以使用大到足以支持回音壁模式的平面102周圍的整個形狀的僅僅一部分以形成WGM諧振器。例如，環、盤和形成自球體的適當部分的其他幾何結構可以被用作球體WGM諧振器。
[0035]圖4A和圖4B分別示出盤狀WGM諧振器400和環狀WGM諧振器420。在圖4A中，實心盤400具有的位于中心平面102上方的頂表面401A和位于平面102下方的底表面401B，其中頂表面401A與底表面401B相隔間距H。間距H的值大到足以支持WG模式。在中心平面102的上方的該足夠間距的遠端，諧振器可以具有如圖3、圖4A和圖4B所示的銳邊。外部曲面402可選自圖2A、圖2B和圖3中所示形狀中任意形狀以實現期望的WG模式和光譜特性。圖4B所示的環諧振器420可以是通過從圖4A所示的實心盤400去除中心部分410而形成的。因為WG模式存在于外表面402附近的環420的外部部分附近，所以環的厚度h可以被設成大到足以支持WG模式。
[0036]光學耦合器通常用于通過漸逝耦合將光能耦合到或耦合出WGM諧振器。圖5A和圖5B示出接合到WGM諧振器的兩種示例性光學耦合器。光學耦合器可以與諧振器的外表面直接接觸或者通過間隙與諧振器的外表面分離以實現期望的臨界耦合。圖5A示出角拋光后的光纖末端作為WGM諧振器的耦合器。具有傾斜端面的波導(例如，平面狀波導或其他波導)也可以被用作耦合器。圖5B示出微棱鏡作為WGM諧振器的耦合器。也可以使用其他漸逝耦合器，例如形成自光子帶間隙材料的耦合器。
[0037]WGM諧振器可以被用于提供有效方式以在長時間段內將光子限制在小體積中。因此，WGM諧振器在基礎研究和實際裝置中具有廣泛的應用范圍。例如，作為原子光存儲的替代，WGM諧振器可以被用于存儲具有線性光學的光，以及在可調光延遲線中，作為基于原子的慢光實驗的替代品。在其他應用中，WGM諧振器也可以被用于光學濾波和光電振蕩器。
[0038]在特征為WGM諧振器的許多參數(如輸入和輸出耦合，模量，自由光譜范圍等的效率)中，質量因素Q是基礎參數。與光能在諧振器模式τ中的續航時間相關的Q因素為Q=2n υ τ，其中V為模式的線性頻率。與具有Q=2X101CI和波長Σ =1.3 T m的模式對應的振鈴時間為15 T s，由此使得超高Q諧振器作為光存儲裝置而具有潛在的吸引力。此外，一些晶體足夠透明以允許極高Q回音壁模式，同時具有重要的非線性特征以允許WGM特征的連續操作并進一步擴大它們的用處。
[0039]在電介質諧振器中，最大的質量因素不能超過0_=2πη(ι/(Σ I )，其中η0是材料的折射率，Σ是光在真空中的波長，并且I是電介質材料的吸收系數。吸收越小，則Qmax越大。因此，為了預測WGM的越窄越好的線寬K= τ_\人們需要知道在透明電介質(在它們的透明窗內，在該透明窗內對于絕大多數的應用，損失被認為是可忽略不計的)中的光學衰減值。因為缺乏具有足夠靈敏度的測量方法，關于剩余的基本吸收的該問題對于大多數材料仍然懸而未決。幸運的是，高Q回音壁模式本身表示用于在多種透明材料中測量非常小的光學衰減的獨特工具。
[0040]通過適用于非晶材料的熱回流方法制造的WGM諧振器進行的以往的實驗導致了 Q因素小于9Χ109。測量是通過熔凝硅石微腔執行的，其中近乎完美的諧振器表面所產生的表面張力，產生經測量的Q因素，該經測量的Q因素接近由材料吸收確定的基本限制。因為晶體理論上具有完美晶格而沒有總是存在于非晶體材料中的夾雜物和不均勻性，據預測，光學晶體將具有比熔凝硅石小的損失。用于許多晶體材料透明度的窗是遠比熔凝硅石的窗寬。因此，通過足夠高純度的材料，在透明窗口中間的更小的衰減可以被預測為分別朝著紫外和紅外區域推向進一步遠離的瑞利(Rayleigh)散射邊緣和多聲子吸收邊緣。此外，晶體可能受到更少或者根本不受到由OH離子和水的化學吸附而導致的外在的吸收效果，對透明窗底部附近的熔凝硅石的Q所報告的限制因素為1.55 μ m。
[0041]直到最近，在結晶質的WGM諧振器的實現中所剩下的一個問題是不存在可以產生回轉橢圓形表面的納米級平滑度以消除表面散射的制造工藝。而就在最近這個問題得到了解決。機械光學拋光技術已被用于制造具有接近IO9的Q的超高Q晶體WGM諧振器。在本文獻中，將進一步描述在通過透明晶體制造的WGM諧振器中的高質量因素(Q=2X101CI)。
[0042]具有高諧振對比(50%和更高)以及在室溫下具有千赫茲范圍內的諧振帶寬的晶體WGM諧振器融入到高性能光學網絡中是有希望的。因為小模量和極窄單光子諧振，多種低閾值非線性效果是可以在基于小寬帶非線性磁化率的WGM諧振器中觀察到的。作為一個示例，我們在下面報告晶體諧振器中熱光學不穩定性的觀察報告，早些的報告是對于體積小得多的高Q硅石微球的。
[0043]幾乎沒有關于光學晶體的透明窗內的小光學衰減的一致的實驗數據。例如，僅僅因為數公里的制造自材料中的光纖，專門準備的熔凝硅石(在Σ=1.55Τπι處1=0.2dB/km)的最小吸收的高靈敏度測量(-1 > IO-7CnT1)變得可能。可惜的是，該方法不適用于晶體材料。纖維也已經產自諸如藍寶石的晶體，但是那些(數dB/米)衰減是通過他們的表面散射而確定的。用于在透明電介質中測量光吸收的量熱方法給出了-1 > IO-7CnT1數量級的誤差。一些透明材料的剩余吸收已通過量熱方法進行了測試，而其他材料已通過直接散射實驗進行了特征化，且都產生了與IOltl級的Q限制對應的數ppm/cm級的線性衰減?，F在的問題在于，如果這些基本限制或測量結果受到所使用的晶體的不完整性的限制。
[0044]用于最高Q的WGM諧振器的材料選定必需基于基本面因素，諸如，最寬的透明窗、高純度等級以及環境穩定性。因對大氣濕度的敏感性以及吸濕性導致堿金屬鹵化物可能是不合適的。實心透明材料中散裝損失可以通過下面的現象學關系式得出近似值。
[0045]
【權利要求】
1.一種基于根據光學回音壁模式諧振器中的光學非線性的光學再生振蕩產生低噪射頻信號的方法，包括: 將處于光學泵浦頻率的激光耦合到支持回音壁模式并且表現出光學非線性的光學回音壁模式諧振器中，以通過從處于所述光學泵浦頻率的所述激光獲取能量來引起參數放大和非線性光學混頻，從而生成處于與所述光學泵浦頻率不同的一個或多個新的光學頻率的光; 基于射頻(RF)信號使在所述激光中引起調制的調制裝置運行，其中所述射頻信號包含射頻頻率和所述射頻頻率的一個或多個射頻諧波，并且所述射頻信號被施加到所述調制裝置以在所述光學回音壁模式諧振器內產生具有與所述射頻頻率和所述一個或多個射頻諧波對應的調制頻帶的經調制的激光并且在所述光學回音壁模式諧振器中引起處于所述光學泵浦頻率和所述調制頻帶的光的非線性光學混頻以將功率從所述光學泵浦頻率轉換為所述調制頻帶； 將離開所述光學回音壁模式諧振器的光耦合到光檢測器中以基于在所述光檢測器處對處于所述光學泵浦頻率和所述調制頻帶的光的解調產生處于所述射頻頻率和所述射頻頻率的一個或多個射頻諧波的射頻檢測器輸出； 將所述射頻檢測器輸出引導至基于所述射頻檢測器輸出對所述射頻信號進行處理的射頻電路中；以及 使所述光學回音壁模式諧振器、所述調制裝置、所述光檢測器和所述射頻電路運行以形成有源光電振蕩器環路以維持光電振蕩，從而在所述射頻電路中維持包含所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中的至少一些的所述射頻信號，并且通過所述非線性光學混頻以及通過所述光學 回音壁模式諧振器的濾波來減少所述射頻信號中的相位噪聲。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述調制裝置是位于所述光學回音壁模式諧振器外部的光學調制器，并且所述方法還包括: 將所述激光引導至所述光學調制器以產生經調制的激光；以及 將通過所述光學調制器調制的激光輸出引導至所述光學回音壁模式諧振器中以引起所述非線性光學混頻。
3.如權利要求1所述的方法，其中 所述光學回音壁模式諧振器響應于所述射頻信號而表現出光電效應，并且所述調制裝置包括至少一個電極，所述至少一個電極形成在所述光學回音壁模式諧振器上并且耦合到所述射頻電路以將所述射頻信號施加到所述光學回音壁模式諧振器以通過所述光電效應引起所述激光的光學調制。
4.如權利要求1所述的方法，包括: 將所述射頻電路配置在所述有源光電振蕩器環路中以實現射頻通頻帶，所述射頻通頻帶選擇所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中的一些同時消除其他射頻頻率。
5.如權利要求1所述的方法，包括: 將射頻濾波器耦合在所述有源光電振蕩器環路的所述射頻電路中以通過所述射頻電路對所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中的一些的選擇以及對其他射頻頻率的消除而對通過所述光學回音壁模式諧振器內的所述非線性光學混頻而生成的光的光譜進行調節。
6.如權利要求1所述的方法，包括: 將射頻放大器耦合在所述光電振蕩器環路的所述射頻電路中以對所述射頻信號進行放大。
7.如權利要求1所述的方法，包括: 將通過所述光學回音壁模式諧振器中的所述非線性光學混頻產生并輸出的光的一部分耦合為光學輸出，其中所述光學輸出包含處于與所述調制頻帶對應的所述光學頻率和所述光學泵浦頻率的光。
8.如權利要求7所述的方法，包括: 使所述有源光電振蕩器環路運行以引起所述光學回音壁模式諧振器的所述光學輸出中的光學頻率的模式鎖定以產生相位鎖定的光學諧波和光學脈沖。
9.一種基于通過光學回音壁模式諧振器中的光學非線性的再生光產生低噪射頻(RF)信號的裝置，所述裝置包括: 激光器，所述激光器用于產生處于光學泵浦頻率的激光； 光學回音壁模式諧振器，所述光學回音壁模式諧振器支持回音壁模式并且表現出光學非線性以通過從處于所述光學泵浦頻率的所述激光獲取能量而引起非線性光學混頻和參數放大，從而生成處于與所述光學泵浦頻率不同的一個或多個新的光學頻率的光； 光學耦合器，所述光學耦合器將來自所述激光器的所述激光耦合到所述光學回音壁模式諧振器中； 光學調制器，所述光學調制器位于所述激光器與所述光學回音壁模式諧振器之間的光學路徑中，所述光學調制器可操作為基于射頻信號引起所述激光中的調制，其中所述射頻信號包含射頻頻率和所述射頻頻率的一個或多個射頻諧波，并且所述射頻信號被施加到所述調制裝置以產生具有與所述射頻頻率和所述一個或多個射頻諧波對應的調制頻帶的經調制的激光，其中所述光學回音壁模式諧振器內的處于所述光學泵浦頻率和所述調制頻帶的所述經調制的激光經歷非線性光學混頻以將處于所述光學泵浦頻率的功率轉換為與所述調制頻帶對應的光學頻率； 光檢測器，所述光檢測器耦合成接收從所述光學回音壁模式諧振器輸出的光以基于在所述光檢測器處對處于所述光學泵浦頻率和所述調制頻帶的解調產生處于所述射頻頻率和所述射頻頻率的一個或多個射頻諧波的射頻檢測器輸出；以及 射頻電路，所述射頻電路耦合成接收所述射頻檢測器輸出并且可操作為基于所述射頻檢測器輸出對所述射頻信號進行處理， 其中所述光學調制器、所述光學回音壁模式諧振器、所述光檢測器和所述射頻電路被配置成形成有源光電振蕩器環路以維持在所述射頻電路中維持包含所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中至少一些的所述射頻信號的光電振蕩，并且通過所述有源光電振蕩器環路中的所述光學回音壁模式諧振器的所述非線性光學混頻和濾波來減少所述射頻信號中的相位噪聲。
10.如權利要求9所述的裝置，其中: 所述有源光電振蕩器環路中的所述射頻電路被配置成實現射頻通頻帶，所述射頻通頻帶選擇待位于所述射頻信號中的所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中的一些同時消除其他射頻頻率。
11.如權利要求9所述的裝置，其中: 所述射頻電路包括射頻濾波器以通過所述射頻電路對所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中的一些的選擇以及對其他射頻頻率的消除而對通過所述光學回音壁模式諧振器內的所述非線性光學混頻而生成的光的光譜進行調節。
12.如權利要求9所述的裝置，其中: 所述射頻電路包括對所述射頻信號進行放大的射頻放大器。
13.如權利要求9所述的裝置，包括:: 輸出光學耦合器，將通過所述光學回音壁模式諧振器中的所述非線性光學混頻產生并輸出的光的一部分耦合為光學輸出，其中所述光學輸出包含處于與所述調制頻帶對應的所述光學頻率和所述光學泵浦頻率的光。
14.一種基于通過光學回音壁模式諧振器中的光學非線性的再生光產生低噪射頻(RF)信號的裝置，所述裝置包括: 激光器，所述激光器用于產生處于光學泵浦頻率的激光； 光學回音壁模式諧振器，所述光學回音壁模式諧振器支持回音壁模式并且表現出光學非線性以通過從處于所述光學泵浦頻率的所述激光獲取能量而引起非線性光學混頻和參數放大，從而生成處于與所述光學泵浦頻率不同的一個或多個新的光學頻率的光，所述光學回音壁模式諧振器表現出光電效應； 電極，所述電極形成在所述光學回音壁模式諧振器上以將包含射頻頻率和所述射頻頻率的一個或多個射頻諧波的射頻(RF)信號施加到所述光學回音壁模式諧振器以通過所述光電效應引起所述光學回音壁模式諧振器內的光的光學調制； 光學耦合器，所述光學耦合器將來自所述激光器的所述激光耦合到所述光學回音壁模式諧振器中，耦合到所述光學回音壁模式諧振器內的所述激光被調制為包括與所述射頻頻率和所述一個或多個射頻諧波對應的調制頻帶，其中所述光學回音壁模式諧振器內的處于所述光學泵浦頻率和所述調制頻帶的所述經調制的激光經歷所述非線性光學混頻以將處于所述光學泵浦頻率的功率轉換為所述調制頻帶； 光檢測器，所述光檢測器耦合成接收從所述光學回音壁模式諧振器輸出的光以基于在所述光檢測器處對處于所述光學泵浦頻率和所述調制頻帶的解調產生處于所述射頻頻率和所述射頻頻率的一個或多個射頻諧波的射頻檢測器輸出；以及 射頻電路，所述射頻電路耦合成接收所述射頻檢測器輸出并且可操作為基于所述射頻檢測器輸出對所述射頻信號進行處理，其中所述射頻電路被耦合到所述光學回音壁模式諧振器上的所述電極以施加所述射頻信號從而在所述光學回音壁模式諧振器內引起光學調制， 其中所述光學調制器、所述光學回音壁模式諧振器、所述光檢測器和所述射頻電路被配置成形成有源光電振蕩器環路以維持在所述射頻電路中維持包含所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中至少一些的所述射頻信號的光電振蕩，并且通過所述有源光電振蕩器環路中的所述光學回音壁模式諧振器的所述非線性光學混頻和濾波來減少所述射頻信號中的相位噪聲。
15.如權利要求14所述的裝置，其中: 所述有源光電振蕩器環路中的所述射頻電路被配置成實現射頻通頻帶，所述射頻通頻帶選擇待位于所述射頻信號中的所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中的一些同時消除其他射頻頻率。
16.如權利要求14所述的裝置，其中: 所述射頻電路包括射頻濾波器以通過所述射頻電路對所述射頻頻率的所述一個或多個射頻諧波和所述射頻頻率中的一些的選擇以及對其他射頻頻率的消除而對通過所述光學回音壁模式諧振器內的所述非線性光學混頻而生成的光的光譜進行調節。
17.如權利要求14所述的裝置，其中: 所述射頻濾波器包括光學部件和電子部件，所述光學部件和所述電子部件形成在所述光學域中執行所述濾波的一部分的光子射頻濾波器。
18.如權利要求14所述的裝置，其中: 所述射頻電路包括對所述射頻信號進行放大的射頻放大器。
19.如權利要求14所述的裝置，包括: 輸出光學耦合器，將通過所述光學回音壁模式諧振器中的所述非線性光學混頻產生并輸出的光的一部分耦合為光學輸出，其中所述光學輸出包含處于與所述調制頻帶對應的所述光學頻率和 所述光學泵浦頻率的光。
【文檔編號】H01S3/098GK103733123SQ201280030915
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年6月25日 優先權日:2011年6月23日
【發明者】安德烈·B·馬茨科, 盧特·馬利基 申請人:Oe電波公司