発明の詳細な説明 本願は、２００２年４月９日出願の米国仮出願第６０／３７１，０５５号の特典を請求し、その全開示を引用して本願の一部として本明細書に組み込む。 発明の起源
本明細書に記載するシステムおよび手法はＮＡＳＡとの契約下での作業を実施する中で得られたものであり、契約者が権利の留保を選択したことから、Ｐｕｂｌｉｃ Ｌａｗ ９６−５１７（３５ＵＳＣ２０２）の各条項の制約を受ける。 発明の背景
本願は、光−電子発振器およびその応用に関する。 デジタル形式またはアナログ形式いずれの情報も電気発振信号を用いて搬送できる。 振幅変調、位相変調および他の変調手法のしかるべき変調により情報を電気信号に組み込むことができる。 電気信号中の情報は、様々な方法、例えば電気搬送波を人工的に変調するか、または搬送波と相互作用する媒体に電気搬送波を載せることにより創り出せる。 このような信号は、空間または導電ケーブルもしくは電線を介して送信される。 よく知られているように、光波を搬送波として用いて、光変調によりデジタル形式またはアナログ形式のいずれであっても情報を搬送できる。 このような光変調は、例えば、しかるべき光変調器を用いて、光搬送波の位相と振幅の一方または両方を変調することにより行える。 信号送信および光領域の処理は、電磁干渉のイミュニティ、搬送波あたりの広い信号帯域幅、そして光波長分割多重（ＷＤＭ）手法などの特定の局面では、電気の領域を超える利点を有する。 特定の装置およびシステムは、電気−光「ハイブリッド」構成となるように設計され、その設計では、光信号および電気信号の両方を用いてそれぞれの性能の利点、利便性、実用的特徴を探求する。 重要な点は、光−電子発振器（ＯＥＯ）を電子的および光学的構成要素を用いて形成し、例えば、マイクロ波のスペクトル範囲から無線周波数（ＲＦ）のスペクトル範囲までの周波数範囲で発振信号を生成する点である。 ＯＥＯの例の幾つかについては、例えば米国特許第５，７２３，８５６号、第５，７７７，７７８号、第５，９２９，４３０号および第５，９１７，１７９号を参照されたい。 かかるＯＥＯは、電気的に制御可能な光変調器を含むとともに、光検出器のような光−電気変換素子により相互接続された光部と電気部とを備えた少なくとも一つのアクティブな光−電子フィードバックループを含むのが普通である。 光−電子フィードバックループは変調器から光変調出力を受信し、それを電気信号に変換して変調器を制御する。 ループは所望の遅延を生成し、同位相の電気信号を変調器に送り、アクティブな光−電子ループおよび他の付加的フィードバックループの全ループゲインが全損失を超える時、光変調および電気発振の両方を生成し、これを維持する。 生成した発振信号は周波数同調が可能であり、他のＲＦ発振器およびマイクロ波発振器が発生する信号に比較して、狭いスペクトル線幅と低位相ノイズを持つ。 例えば、ＧＨｚおよび数１０ＧＨｚオーダーの周波数帯など、高いＲＦスペクトル範囲では、他の発振器に比較してＯＥＯは特に有利である。 発明の概要
本願の手法および装置は、ＯＥＯの発振周波数の長期安定性および正確さが様々な用途で望まれているという認識に一部基づいている。 従って、他にも特徴があるが、信頼できる周波数基準に対して、またはその周波数で、ＯＥＯの発振周波数を安定化させて、著しく安定な信号を提供するメカニズムを本願が開示する。 更に、高い精度または正確さでＯＥＯの発振周波数の絶対的な値を決定できる。 信頼できる周波数基準は、例えば、原子の２つのエネルギー準位により定義される基準周波数でもよい。 従って、かかるＯＥＯは、原子基準周波数と結合して安定化し、原子時計として動作できる。 例示の一実施形態では、本願に基づく装置が、互いに結合した光−電子発振器、および原子基準モジュールを含んでもよい。 光−電子発振器は、発振周波数で発振を生成するよう動作可能な光部と電気部をもつ光−電子ループを含んでもよい。 原子基準モジュールは、少なくとも光部の光信号部分を受信し、相互作用するように結合されて、フィードバック信号を生成するようにしてもよい。 光−電子発振器はこのフィードバック信号に応じて、原子基準モジュールの原子周波数基準に対して発振周波数を安定化するよう動作可能である。 例示の別の実施形態では、本願に基づく装置は、光変調器、光−電子ループ、周波数基準モジュール、およびフィードバックモジュールを含んでもよい。 光変調器は、電気変調信号に応じた変調周波数で光搬送波信号を変調して、光搬送波信号に変調帯域を生成させるよう動作可能である。 光−電子ループは、光搬送波信号の第１部分を受信するよう結合された光部、および光搬送波信号の第１部分に基づいて電気変調信号を生成する電気部を有する。 光−電子ループは、光変調器へ正のフィードバックがもたらされるように電気変調信号を遅延させる。 周波数基準モジュールは、変調帯域中の選択変調帯域と共鳴する原子遷移を持ち、光搬送波信号の第２部分を受信するよう結合する。 第２部分は原子遷移と相互作用して、光モニタ信号を生成する。 フィードバックモジュールは光モニタ信号を受信し、光モニタ信号の情報に応じて光変調器を制御して、変調周波数を原子遷移に同期させるよう動作可能である。 本願はまた、光−電子発振器を動作させたり、制御させたりする様々な方法を開示する。 例えば一方法では、コヒーレントレーザービームを変調周波数で変調して変調光ビームを生成する。 次に、遅延を生じさせるために光遅延素子を介して変調光ビームの一部を伝送する。 光遅延素子からのその光信号の一部は電気信号に変換される。 続いて、この電気信号を用いてコヒーレントレーザービームの変調を制御して変調周波数で発振させる。 次に、原子周波数基準からの変調周波数の偏差が得られる。 そして、コヒーレントレーザービームの変調を調整することにより偏差を小さくする。 本願の装置および手法のこれら実施形態および他の実施形態を以下で更に詳細に説明する。 詳細な説明
図１は、ＯＥＯ、およびＯＥＯの発振周波数を原子遷移に同期させる制御メカニズムを有する装置１００の一実施形態を示す。 図示の実施例では、ＯＥＯは、レーザ１０１により生成された搬送波周波数（ν 0 ）で光ビーム１０２を受信し、電気制御光変調器１１０を用いてレーザービーム１０２を変調周波数（ν mod ）で変調する。 光変調器１１０は、そのポート１１２に印加される電気変調信号１２８に応じて動作し、また、そのポート１１１でＤＣバイアス信号１５２を受信するように構成してもよい。 このバイアスは、変調器１１０の動作点をシフトすることにより変調周波数を変える。 変調器１１０が動作すると、変調により発生した多数のスペクトル成分を含む変調光信号１１４が生成される。 光変調器１１０は、光信号の振幅を周期的に変化させる振幅変調器、または、光信号の位相を周期的に変化させる位相変調器であってもよい。 図２Ａを参照すると、振幅変調は、上変調側波帯（＋１）および下変調側波帯（−１）を生成し、ともに搬送波周波数（ν 0 ）から同じ量だけ、つまり変調周波数（ν mod ）分だけ偏移する。 しかし、位相変調では、変調信号１１４に二つを超える側波帯が現れる。 図２Ｂに、位相変調信号１１４のスペクトル成分を図示する。 直に隣り合う両帯域は、変調周波数（ν mod ）だけ離間する。 図１に戻って、ＯＥＯは、光検出器１２４のような光−電気変換素子により相互接続された光部と電気部を備える少なくとも一つのアクティブな光−電子フィードバックループを含んでもよい。 光スプリッタ１１５を用いて、変調信号１１４を、光−電子フィードバックループのための信号１１７と、ＯＥＯを安定化するための原子遷移をもたらす周波数基準モジュールのための信号１１６とに分割してもよい。 スプリッタ１１５を用いて装置１００の光出力を生成してもよい。 光−電子フィードバックループの光部を用いて、ファイバループまたは光共振器などの光遅延素子１２０を持たせることにより、変調信号１２８に信号遅延を生成する。 光−電子フィードバックループの全遅延量は、ＯＥＯ発振モードのモード間隔を決める。 加えて、長い遅延は、ＯＥＯモード線幅および位相ノイズを減少させる。 従って、長い光遅延を達成するのが望ましい。 光共振器を遅延素子１２０として用いる場合は、光共振器の高いＱファクタが長いエネルギー蓄積時間をもたらして、狭い線幅および低位相ノイズの発振を生ずる。 他の光遅延素子とは異なり、光遅延素子としての光共振器は、モード整合条件が必要である。 第１に、レーザ１０１のレーザ搬送波周波数は、ゲインが十分あるように共振器の伝送ピーク内になければならない。 この用途では、レーザ１０１が安定化されているので、共振器をアクティブに制御して、この条件を維持するようにその長さを調整してもよい。 第２に、光共振器のモード間隔は、光−電子フィードバックループの一つのモード間隔、または多数のモード間隔に等しい。 更に、ＯＥＯの発振周波数は、光共振器の一つのモード間隔または多数のモード間隔に等しい。 遅延素子１２０用の光共振器は、幾つかの構成で実施でき、例えば、ファブリ−ペロ共振器、ファイバリング共振器、球の赤道部からささやき回廊モードまでを含むマイクロ共振器（例えば、ディスクまたはリングキャビティ）、および軸対称の非球キャビティを含む。 非球共振器は、偏球の回転楕円面マイクロキャビティ、または、楕円短軸に沿う対称軸廻りに楕円を回転させることにより形成されるマイクロトーラスなどのように、球を変形して非球形状に形成して、意図的に偏心を大きくしてもよい。 ささやき回廊モードキャビティのための光結合はエバネッセント結合により達成できる。 テーパ付きのファイバ先端、マイクロプリズム、フォトニックバンドギャップ材料により形成された結合器、または他のしかるべき光結合器を用いることができる。 光−電子ループの電気部は、単一ＯＥＯモードを選択して発振するように、増幅器１２５および帯域通過フィルタ１２６を含んでもよい。 信号結合器は、電気部に加算して電気出力を生成してもよい。 光検出器１２４の出力は、この電気部により処理され、光変調器１１０への所望の変調信号１２８を生成する。 特に、ループは、所望の遅延を生成して変調器へ同相の電気信号を送り、アクティブな光−電気ループの全ループゲインが全損失を超える時、光変調および電気発振をともに生成して、これを維持する。 異なるループ遅延をもつ二つ以上の光−電子フィードバックループを実装して、ＯＥＯに追加の同調能力および柔軟性を持たせてもよい。 重要な点は、装置１００は周波数基準モジュールを実装して、位相同期ループを形成し、ＯＥＯ発振周波数を原子遷移に対して動的に安定化することである。 光−電子フィードバックループと同様に、本モジュールもフィードバック制御に基づいて動作する。 しかし、光−電子フィードバックループと違って、本フィードバックループは、位相同期ループであり、どのような発振も避けるよう設計され、発振しているＯＥＯモードのドリフトまたはジッタを原子遷移に対して補正するように動作する。 装置１００の周波数基準モジュールは、所望の原子遷移をもつ原子を含む原子セル１３０を含む。 光信号１１６はセル１３０に送られ、透過光１３２は、ＯＥＯループの周波数変化を監視するための光モニタ信号として用いられる。 セル１３０は、原子遷移と共鳴する光エネルギーを透過させる狭帯域通過フィルタなので、原子光フィルタとしても部分的に動作する。 セル１３０は周波数基準としても動作する。 なぜなら、光モニタ信号１３２は、原子の２つのエネルギー準位間の不変の間隔に対応する周波数に基づく所望発振周波数からの、ＯＥＯ発振周波数の偏差についての情報を含むからである。 原子セル１３０がＯＥＯループの外側にある図１の構成の場合は、光モニタ信号１３２のこの情報は、以下に説明する差信号法により読み出す必要がある。 セル１３０に加えて、周波数基準モジュールはさらに、ＯＥＯループの光部の光信号と、光モニタ信号１３２とを比較してＯＥＯ発振周波数の周波数偏差を取得する差検出器を含む。 この差検出器は、２つの光検出器１４１と１４２、および２つの検出器出力を減算する電気要素１５０を含む。 要素１５０は、例えば、信号混合器または差動増幅器でもよい。 光スプリッタ１２３をＯＥＯループの光部に配置して、検出器１４１へ変調光信号の一部を分岐してもよい。 検出器１４１および１４２からの信号の差は、光変調器１１０のＤＣバイアスを制御するために用いる差信号１５２となる。 位相同期ループ回路を実装して、信号１５２に応答してＤＣバイアスに実質的な制御を実行してもよい。 差検出器に対する代替の実施形態として、光スプリッタ１２３および光検出器１４１を除いてもよい。 信号１５２を生成する２つの入力信号のうちの一つとして要素１５０に送る必要がある場合は、代わりに、検出器１２４からの出力の一部を分岐し、増幅してもよい。 この実施形態の一例を図５に示す。 原子セル１３０の原子は、量子干渉効果「電磁誘導透過」を生成することができる３エネルギー準位をもつよう選定する。 図３は、適当な原子の３エネルギー準位３１０、３２０、３３０の一例を図示する。 エネルギー準位３１０および３２０は、基底状態の超微細準位などの２つの下位エネルギー準位であり、エネルギー準位３３０は、準位３１０および３２０双方に共通する、つまり双方に共有される上位励起状態準位である。 光伝送３３１および３３２は、基底状態３１０および３２０の双方から励起状態３３０へのそれぞれの双極子遷移を経れば可能である。 ただし、光遷移は２つの基底状態３１０および３２０間では起きない。 ここで仮定しているのは、２つの下位状態３１０および３２０間の非放射緩和速度が小さく、励起状態３３０から基底状態３１０および３２０に至る崩壊定数と比較して実用的には無視できるということである。 ２つの光遷移３３１および３３２間の周波数差は、例えば、ＲＦ、マイクロ波、またはミリメートルスペクトル範囲の電気領域の所望変調周波数（ν mod ）に一致する。 図３の例示の原子構造において、この所望変調周波数は、２つの下位状態３１０および３２０間の間隙３１２である。 このような原子の例は、２つの超微細基底状態間のおよそ９．２ＧＨｚの間隙をもつセシウムや、２つの超微細基底状態間のおよそ６．８ＧＨｚの間隙をもつルビジウムなどのアルカリ原子を含む。 異なるエネルギー準位構造を有する異なる原子を、異なるＯＥＯに対して選択して、異なる変調周波数で動作させることができる。 図３のこの原子では、基底状態３１０の電子は、遷移３３１と共鳴するフォトンを吸収でき、基底状態３１０から励起状態３３０に励起される。 同様に、基底状態３２０の電子は、遷移３３２と共鳴するフォトンを吸収することにより励起状態３３０に励起される。 一旦、励起状態３３０へ励起されると、電子はフォトンを放出することにより、いずれかの基底状態３１０および３２０に崩壊する。 光学場が一つだけ存在する場合、すなわち、２つの光遷移のいずれかと共鳴している例えば遷移３３１の場合、すべての電子は、光遷移３３１の一つの基底状態３１０から、光遷移３３１にない別の基底状態３２０へ最終的に転位する。 従って、原子セル１３０は、遷移３３１と共鳴しているビームに対して透明になる。 第２光学場が遷移３３２へ同時に加えられ、かつ、第１光学場とコヒーレントである場合、２つの基底状態３１０および３２０は、もはや互いに孤立しない。 事実、加えられた２つの光学場が正確に２つの光遷移３３１および３３２と共鳴している場合、ラマン共鳴状態のもとでは、量子力学的なコヒーレント集団トラッピングが発生し、その状態では２つの基底状態３１０および３２０が量子力学的に互いに干渉して、位相がずれた重畳状態を形成し、共通の励起状態３３０から切り離される。 この条件のもとでは、重畳状態と励起状態３３０との間の双極子モーメントは存在できないので、２つの基底状態３１０および３２０のいずれかの電子を、励起状態３３０に光励起できる。 その結果、原子セル１３０は、遷移３３１および３３２とそれぞれ共鳴する２つの光学場に対して透明になる。 ２つの光学場のいずれかの同調が、対応する共鳴から離れた場合、基底状態３１０および３２０の原子は、再び光を吸収するようになる。 この電磁誘導透過は、同時に加えられた２つの光学場のいずれかの同調が外れた周波数に対して、非常に狭い透過スペクトルのピークを持っている。 この狭い透過ピークは、セル１３０を通って透過する光モニタ信号１３２内に存在する。 一実施形態では、上記の差検出器を伴う差検出は、光−電子ループの光信号を基準として、２つの光学場の光周波数の偏差の方向と量を決定する。 電磁誘導透過のための２重共鳴状態が起きるように、レーザ１０１を適切な搬送波周波数（ν 0 ）で安定化していると仮定しているので、共鳴状態からのどのような偏差も、ＯＥＯループ内の偏移または変動が原因で生じる。 差検出器が示すこの偏差を補正するために、光変調器１１０のＤＣバイアスをしかるべく調整して実時間で偏差を補正する。 このフィードバック動作は、ＯＥＯの発振周波数を、２つの光遷移３３１および３３２との間の周波数間隔３１２で同期させる。 この周波数間隔は、図３に示す特殊なエネルギー構造における２つの基底状態３１０および３２０間のエネルギー間隔である。 この状況で装置１００は原子時計として動作する。 図２Ａを参照する。 光変調器１１０が振幅を変調した場合、レーザ１０１は、遷移３３１または３３２のいずれの共鳴に同調してもよいが、上下の側波帯は他方の遷移と共鳴する。 変調光信号１１４の２つの隣り合うどの帯域を用いてもよいが、通常は、搬送波帯域と、別の強い側波帯を用いるのが実用的である。 原子セル１３０には他の原子エネルギー構造をもつ原子を用いてもよい。 ２つの下位状態が一つの共通励起状態を共有する図３の３準位エネルギー構造は、λ構成と呼ばれる。 代替として、Ｖ構成の共通基底状態を共有する２つの励起状態をもつ原子を用いてもよい。 更に、ラダー構成の連続３エネルギー準位を用いてもよく、その場合、中間のエネルギー準位は、対応する下位状態としての最下位エネルギー準位をもつ第１光遷移の励起状態であると同時に、対応する励起状態としての最上位準位をもつ第２光遷移のための下位状態でもある。 セル１３０の原子は、気相でもよく、さもなければ、充分狭い原子遷移が獲得できるように、原子を物理的に保持するマトリックスを提供する適切な固体材料に組み込んでもよい。 気相原子セル１３０を用いる代表的な実施形態は、セル内に十分な原子密度が得られるように、温度を上昇させた真空セル１３０に原子を密封する。 図４は別の実施形態を示し、ここで原子セル１３０は、ＯＥＯ４００のループの光部に狭帯域光フィルタとして挿入される。 本設計の動作原理は、差検出およびそのフィードバックループが削除されていることを除けば、図１の装置１００の場合と同様である。 ＯＥＯループ内の原子セル１３０は、光信号に直にフィルタをかけるよう動作して、２重共鳴ラマン条件を満たす光信号だけを透過させる。 それ以外の光信号は原子セル１３０により除去される。 従って、レーザ搬送波周波数は固定されていると仮定しているので、ＯＥＯループは十分なループゲインを提供するだけで、電磁誘導透過のために２つの光遷移の周波数差と等しい発振周波数で信号を増幅し、これを維持できる。 従って、図４の原子周波数基準への周波数同期は、図１で実装された外部差検出なしでもＯＥＯループ内に組み込まれる。 この状況で図４のＯＥＯは自己発振原子時計である。 本設計では、装置の構造が著しく簡素化され、ループ損失を超える全ループゲインを維持するのに十分なセル１３０の光透過がある狭い範囲でＯＥＯの発振周波数が変動またはドリフトする場合、図１の装置１００と同じ安定化動作を達成できる。 ＯＥＯの周波数変動が、発振を維持できる原子セル１３０の透過スペクトル範囲を超える場合、ＯＥＯを調整して発振および原子基準への自動周波数同期を再確立する必要がある。 これと比較すると、図１の装置１００は、ＯＥＯループの外部に差検出に基づく位相同期ループを持っているので、かかる大きな周波数変動を自動的に補正できる。 上記の装置では、レーザ１０１は所望のレーザ搬送波周波数（ν 0 ）で安定化されていると仮定している。 レーザ１０１の周波数が変化した場合、ＯＥＯの電磁誘導透過のための２重共鳴ラマン条件が破られることもあり、従って、上記ＯＥＯの原子周波数基準への同期も失敗する。 本願の別の局面は、同一の原子周波数基準を用いてレーザ１０１を同期する動的なレーザ安定化メカニズムを提供することにあり、複数のレーザーパラメータを調整することによりそのレーザ周波数を同調可能とする。 図５および図６は、図１および図４それぞれの設計に基づくＯＥＯのための２つの実施形態を図示する。 図５のＯＥＯは、光検出器１４２の出力部で電気信号スプリッタを用いて、信号５１０を生成する。 光周波数同期ユニット５２０は、この信号５１０を受信し、処理して、所望の搬送波周波数からのレーザ搬送波周波数の偏差を表す誤差信号を生成する。 フィードバック制御信号５２２をユニット５２０による誤差信号に基づいて生成して、レーザ１０１のレーザ周波数を調整する。 種々の方法でレーザ１０１の調整を行い、具体的なレーザ構成によって決まるレーザ周波数を同調できる。 例えば、単純なダイオードレーザでは、駆動電流、ダイオード温度、またはその両方を制御信号５２２に応じて調整して、レーザ周波数を同調させる。 図６のレーザ同期メカニズムは、フィードバック信号５１０が、ＯＥＯループの検出器１２４の出力から分岐していることを除き同じである。 その意図は、その他のレーザ安定化方法を用いてもレーザ１０１を制御できるということである。 例えば、レーザ制御に、原子セル１３０の原子が提供する原子周波数基準とは無関係の周波数基準を用いてもよい。 図１および図４〜６のＯＥＯの光変調器１１０を、様々な構成で実施することができる。 広く用いられる電気−光材料を用いるマッハツェンダー変調器は、確かに変調器１１０として使えるが、このような従来の変調器は概してかさ張り、しかも電力効率がよくない。 本願の以下のセクションでは、小型または超小型ＯＥＯの実施例を幾つか説明する。 これら実施例は、ささやき回廊モード（ＷＧＭ）に対応可能なマイクロキャビティを用いて、携帯電話通話システム、宇宙船通信およびナビゲーション、およびＧＰＳ受信器を含む多様な用途に適したエネルギー効率が高くて小型の原子時計を提供する。 図７は、光強度変調器および電気フィルタとして電気−光材料で形成したマイクロＷＧＭキャビティ７１０をＯＥＯループ内で用いるＯＥＯ７００の一実施例を示す。 更に、ＷＧＭキャビティ７１０は、クオリティファクタＱが高いことからＯＥＯループ内の光遅延素子としても用いられるので、別途光遅延素子を設けなくても単純な光ループ１２０を用いて光フィードバックを提供することができる。 図示のように、基板７０１を設けてＯＥＯ７００のマイクロキャビティ７１０および他の構成部品を支持する。 レーザ１０１は、基板７０１に一体化しても、図示のようにＯＥＯの他の部分とは別体にしてもよい。 キャビティ７１０の形状は、ひとつまたはそれ以上のＷＧモードに対応可能とするよう設計するが、マイクロ球であっても、ディスクあるいはリングのような赤道を含む部分球で形成したキャビティであっても、非球マイクロキャビティであってもよい。 電気制御部７１２をキャビティ７１０上に形成して、光の振幅を変調するために電気−光材料の屈折率を変調するＷＧモードが存在する領域に制御用電界を加える。 電気制御部７１２は、キャビティ７１０上に二つ以上の電極を含むのが一般的である。 一実施形態では、これら電極がＲＦまたはマイクロ波共振器を形成してＲＦまたはマイクロ波信号を与え、光を変調する所望の光ＷＧモードとともに共伝搬させる。 このＲＦまたはマイクロ波共振器はそれ自体で電気信号フィルタとしても動作して、ＯＥＯループ内の電気信号にフィルタをかける。 従って、図１に示すようなフィルタ１２６を別に設ける必要はない。 ＤＣバイアス電極７１１をキャビティ７１０上に形成して変調器のＤＣバイアスを制御してもよい。 ＯＥＯ７００は、レーザ１０１からの入力光をキャビティ７１０にエバネッセント光で結合するとともに、キャビティからＷＧモードの光を抽出して光出力、ＯＥＯループへの光フィードバック、および原子セル１３０への光モニタ信号を生成するための光結合器７２０を含む。 このエバネッセント結合器の例としてマイクロプリズムを示す。 ２つのエバネッセント結合器を用いてもよいのは言うまでもなく、一つは入力用、もう一つは出力用である。 光スプリッタ１１５を用いて、ファイバループのような光ループおよび原子セル１３０の双方へ、キャビティ７１０による変調光信号出力を分岐する。 加えて、スプリッタ１１５はＯＥＯ用の光出力を生成してもよい。 上に説明した幾つかの他のＯＥＯと同様に、光検出器１２４を光遅延１２０に接続して光信号１１７を電気検出器信号に変換し、その検出器信号を必要に応じて増幅した後、キャビティ７１０内の光変調を制御するために電気制御部７１２へ送る。 光検出器１４２は、セル１３０を通って透過した光モニタ信号１３２を、光変調のＤＣバイアスを制御するために用いる信号１５２へ変換する。 原子セル１３０に基づいても、あるいは基づかなくてもよいが、レーザ安定化メカニズムをレーザ１０１の安定化のために含めてもよい。 ＷＧキャビティ７１０の上記光変調器は、光共振器の光共振条件を制御して共振器内の光を変調できるという考えに基づいている。 対応可能な共振器モードの光波は共振器内を循環する。 循環する光波の位相遅延はＮ２π（Ｎ＝１、２、３、…）であり、光共振器は、共振状態で動作し、光エネルギーは、最小損失を伴って共振器内に蓄積される。 この共振条件にある共振器から光エネルギーを取り出して結合すると、共振器の出力は最大化する。 しかし、共振器内を再循環する波の位相遅延がＮ２πではない場合、共振器内に蓄積された光エネルギーの量は減少し、それが結合出力となる。 光キャビティ内の位相遅延を変調できれば、光共振器からの出力の変調が達成できる。 キャビティ内の再循環波の位相遅延の変調は、共振条件のための位相遅延の値と、非共振条件のための別の値との間を切り換えることと等価である。 実施形態では、位相遅延の最初の値（すなわち、共振と同調しない値）を、位相遅延の変化が出力エネルギーの最大変化を生み出す値でバイアスしてもよい。 図８Ａは、ニオブ酸リチウム等の任意の電気−光材料で形成されたＷＧＭキャビティ８１０に基づくこの形式の光変調器の一般的な設計を示す。 電気−光変調を介して共振器の屈折率を変化させることにより、光フィードバックの位相遅延（すなわち、光キャビティ共振の位置）を変化させる。 外部電気信号を用いて、ささやき回廊モード条件、および出力結合を変化させるために共振器内の光位相を変調する。 この光変調器は、ミリボルトレンジの低い動作電圧で動作でき、数１０ギガヘルツ以上の高い変調速度と、すべてを納めたパッケージの小型化を達成するために用いることができる。 図示のように、光入力結合器および光出力結合器として、２つの光結合器８２１および８２２をそれぞれ共振器８１０の近くに配置する。 レーザ１０１からの入力光ビームを結合器８２１によりささやき回廊モードで内部循環する光波８１２として共振器８１０へ結合する。 エバネッセント結合では、球の表面のエバネッセントフィールドは球の外側で指数的に減衰する。 共振器内に一旦結合されると、光はキャビティ表面で内部全反射を受ける。 光パスの実効長はこの循環により増加する。 光結合器８２２は、共振器８１０内を循環する光エネルギーの一部を結合し、同様にエバネッセント結合を介して、出力ビーム１１４を生成する。 代替として、光結合器８２１を用いて図７に示すような出力１１４を生成してもよい。 電気結合器８３０を共振器８１０の近傍に配置して、電気−光効果に起因して誘電体定数の変化を引き起こす電気の波を結合する。 電子駆動回路８４０を実装して、かかる電気の波を電気結合器８３０に供給する。 ＯＥＯループ内の検出器１２４からの制御信号１２８を回路８４０に送って電気の波を変調することができる。 次いで、この変調は、共振器８１０の光出力１１４内の変調に伝達される。 高いＱファクタをもつ共振器８１０は幾つかの利点を有する。 例えば、ＷＧモードの光信号の繰り返し循環は、電気−光変調のための実効相互作用長を増加させる。 共振器８１０も、光エネルギーまたは電気エネルギーのいずれかに対するエネルギー蓄積時間の増加に影響を与えるので、スペクトル線幅および位相ノイズが減少する。 また、モード整合条件は、光変調器を信号フィルタとしても動作させるので、モード整合条件を欠く他の信号を排除することにより、特定の入力光ビームだけを共振器８１０により結合して変調出力を生成する。 図８Ｂは、図８Ａの設計に基づく変調器ハウジング８８０内の別の光変調器を示す。 光ファイバ８５１および８５４を用いて、入出力光ビーム１０２、１１４をそれぞれ導く。 傾斜屈折率レンズ等のマイクロレンズ８５２および８５３を用いて、ファイバに出入りする光ビームを結合する。 ２個のプリズム８２１および８２２は、エバネッセント光結合器として動作して、ささやき回廊モード共振器８１０とのエバネッセント結合を提供する。 電気モードに対応可能とするために、単独で共振器８１０を用いる代わりに、ＲＦマイクロストリップライン電極８６０を共振器８１０と組み合わせて電気モードに対応可能とするＲＦ共振器を形成する。 マイクロストリップラインで形成した入力のＲＦ結合器８６１を実装して、電気エネルギーをＲＦ共振器に入力する。 回路基板８７０を用いて、マイクロストリップラインと、変調器用の他のＲＦ回路素子とを支持する。 この変調器は、ＲＦ出力を生成するために第２のＲＦ結合器８６２（基板８７０上のマイクロストリップラインで形成してもよい）も含む。 この信号は、変調器の動作のための監視として、または処理追加や他の構成要素を駆動するための電気出力として用いることができる。 図９は、半導体基板９０１上に製作した全構成要素を集積したＯＥＯ９００の例を図示する。 図１の遅延１２０と等価な光遅延素子としてマイクロＷＧＭキャビティ９４０を用いる。 集積装置ＯＥＯ９００は、半導体レーザービーム１０１、半導体電気吸収変調器９２０、第１導波路９３０、第２導波路９５０、および光検出器９６０も含む。 この集積化設計において、検出器９６０は図１の検出器１２４と等価である。 例えば導電パスのような電気接続９７０も基板に形成して、検出器９６０を変調器９２０に電気接続する。 マイクロ共振器９４０を高いＱをもつエネルギー蓄積器素子として用いて、低位相ノイズおよび微少サイズを達成する。 ＲＦフィルタ１２６を接続９７０に配置して、シングルモード発振を確保する。 かかるフィルタがない場合は、変調器９２０と検出器９６０間の挟帯域インピーダンス整合により達成できる。 導波路９３０および９５０はそれぞれ結合領域９３２および９５２を持ち、マイクロ共振器９４０内の異なる二ヶ所で所望のエバネッセント光結合を提供する。 第１導波路９３０は、変調器９２０に結合された一端を有して変調光出力を受信し、他端はＯＥＯ９００の光出力を提供する。 第２導波路９５０はマイクロ共振器９４０からの光エネルギーを結合し、検出器９６０にエネルギーを供給する。 完全に閉じた光−電気ループは変調器９２０、第１導波路９３０、マイクロ共振器９４０、第２導波路９５０、検出器９６０、および電気接続９７０により形成される。 閉ループの位相遅延は、検出器９６０から変調器９２０へのフィードバック信号が正になるように設定する。 更に、光−電気発振を維持するために全開ループのゲインを、全損失を超えるようにする。 共振器９４０と全ループとの間の適切なモード整合条件も必要である。 レーザ搬送波周波数は共振器９４０の透過ピークに合わせて発振を維持しなければならないので、マイクロ共振器９４０のキャビティ長を動的に調整してこの条件を維持することが望ましい。 これは、キャビティ制御回路の共振器９４０からの光出力の一部を用いてこの条件からの偏差を検出し、例えば圧電変換器などにより、共振器９４０に機械的圧力を加えて偏差を低下させることにより達成できる。 検出器９６０と変調器９２０間に電気信号増幅器１２５を接続するのが一般的である。 しかし、このような高出力要素は、ＯＥＯ９００のような高度に集積されたオンチップ設計では好ましくない。 例えば、増幅器の高出力はその高い熱放散による問題を引き起こす。 また、増幅器はノイズや歪みを招くこともあるし、チップ上の他の電子部品の動作に干渉することすらある。 ＯＥＯ９００の特徴の一つは明らかに、電気吸収変調器９２０と光検出器９６０間のインピーダンスを、高いインピーダンス値に整合させることにより、接続９７０にあるような信号増幅器を取り除くことにある。 所望の整合インピーダンスは、変調器９２０へ伝送した増幅前の光電圧が変調器９２０を適切に駆動できる程十分高い値である。 例えば、あるシステムでは、この整合インピーダンスは約１ｋΩまたは数ｋΩである。 信号増幅器を使わないで、電気接続９７０を用いて光検出器９６０と変調器９２０とを直接接続し、その高いインピーダンスを保つ。 このような直接電気接続９７０は、２つの装置９２０と９６０間の最大エネルギー伝送を確実なものにする。 例えば、１０００Ωで整合した一対の検出器および変調器は、５０Ωで整合した同一対の２０倍の電圧ゲインを有することになる。 図１０は、小型原子時計の実施に好適な別の集積結合化ＯＥＯを示す。 このＯＥＯは半導体基板１００１上に形成され、Ｑの高いマイクロＷＧＭキャビティ１００２に結合される２つの導波路１０１０および１０２０を含む。 導波路１０１０および１０２０は、角度を成す端部１０１６および１０２６をそれぞれ有し、エバネッセント結合によりマイクロキャビティ１００２に結合する。 導波路１０１０の他端は、電気絶縁層１０１１、電気吸収変調器部１０１２、および高反射器１０１４を含む。 この高反射器１０１４は、変調器１０１２内で衝突するパルスを生成するよう動作し、その結果モード同期能力を強化する。 導波路１０２０の他端は研磨面１０２４であり、光検出器１０２２から間隙１０２１だけ離間している。 この面１０２４は部分ミラーとして働き、一部の光を導波路１０２０に反射して戻し、残りの光を光検出器１０２２に透過させて光出力および電気信号を生成する。 電気接続１０３０は変調器１０１２と光検出器１０２２間を結合して電気出力を生成し、信号を送り、そして電気信号を送って変調器１０１２を制御する。 重要な点は、２つの結合したフィードバックループが、装置１０００に形成されることである。 光ループは、ファブリ−ペロ共振器構成内にあり、高反射器１０１４と、変調器１０１２、導波路１０１０、マイクロキャビティ１００２および導波路１０２０を通って、導波路１０２０の表面１０２４との間に形成される。 間隙１０２１、検出器１０２２および電気接続１０３０は、上記光ループに結合されるもう一つの光−電気ループを形成する。 本実施形態では、上記光ループはレーザを形成して、本願で説明する他のＯＥＯの別のレーザ１０１を置き換える。 導波路１０１０および１０２０は光学的にアクティブであり、内部にイオンが添加されて増幅媒体としても機能するので、光ループが駆動電流により活性化されるとレーザとして動作する。 この電流は、電気源に接続される適切な電気接点から注入される。 レーザーゲインは、光検出器１０２２からの電気信号に応じて変調器１０１２により電気変調される。 ２個の導波路１０１０および１０２０を、光検出器１０２２と変調器１０１２が互いに近くなるように、基板１００１上で互いに隣り合うように平行に配置してもよい。 この編成によって、光検出器１０２２と変調器１０１２間のワイヤーボンディングまたは他の接続手段の接続が容易になる。 光検出器１０２２は、電気吸収変調器１０１２と構造的に同一であってもよいが、バイアスを特別に加えて光検出器として動作させる。 従って、光検出器１０２２および変調器１０１２は、例えば数ｋΩオーダーの同一インピーダンスを有するので、基本的にインピーダンス整合がとれている。 変調器のスイッチング電圧を典型的な２Ｖとし、変調器１０１２と光検出器１０２２のインピーダンスを１ｋΩとすると、検出器の応答が０．５Ａ／Ｗの場合、ＲＦ発振を維持するのに必要な光パワーは約１．２８ｍＷと推定される。 この光パワーは、半導体レーザで容易に得られる。 従って、インピーダンス整合されていれば、ＲＦ増幅器は、図９の集積装置ＯＥＯ９００の場合のように、電気接続１０３０内になくてもよい。 上記小型ＷＧＭキャビティ装置では、原子セル１３０を光パスに挿入して、図４および図６に示すような小型自己発振原子時計を形成してもよい。 一実施例として、図１１に、図６の設計に基づく集積自己発振原子時計１１００を更に例示する。 図７のＷＧＭキャビティ変調器を用いてＯＥＯループ内の光変調および光遅延をともに実行する。 レーザ１０１からのレーザービーム１０２は、ＷＧＭキャビティ７１０に結合される前に、レンズ１１０によりコリメートされる。 回路１１２０は、ＯＥＯループの電気部とレーザ周波数制御回路５２０の両方を含む。 代替として、図１および図５に図示するように、ＯＥＯを原子周波数基準に同期するための別の位相同期ループ内で原子セル１３０を用いてもよい。 集積化した小型のＯＥＯベース原子時計の上記実施例で装置集積化の別の方法を説明する。 例えば、一方法は、光遅延素子１２０または光変調１１０に超小型デバイスを用いる等、小型部品を用いて、ＯＥＯ全体の物理的サイズを小型化する。 図７、８Ａ、８Ｂ、９、１０および１１のＯＥＯ装置は、この方法の実施例を表わしており、ＷＧＭマイクロ共振器または集積半導体電気吸収変調器のいずれかを用いて、従来のかさ張る変調器を置き換える。 また、ＷＧＭマイクロ共振器を用いて、かさ張る光遅延素子を使わずにＯＥＯループ内の所望の光遅延が得られるようにする。 別の方法では、ＯＥＯ内の単一ユニットに光変調器１１０および光遅延素子１２０を集積して、装置全体を超小型化する。 図７、８Ａ、８Ｂおよび１１は、この方法の実施例を表す。 図８Ａでは、共振器８１０のＱ値が高いので、変調された光出力１１４を、ＯＥＯループ内の別の光遅延素子を通さずに光検出器１２４に送ってもよい。 更に、図１２はこの方法によるＯＥＯベースの原子時計を示す。 重要なことは、特別な光変調器１２１０を用いて、光変調および光遅延をともに提供するということである。 ＯＥＯループは、変調器１２１０および検出器１２４により形成される。 この変調器１２１０は、例えば、図７、８Ａ、８Ｂおよび１１のＷＧＭ共振器変調器を実装してもよい。 レーザ１０１を安定化するための光レーザ周波数フィードバックループも図１２に示す。 検出器１４２からの一入力、および変調器１２１０と混合器との間に接続された位相同期ループからの別の入力を受信するための信号混合器を図示する。 他の実施例に示すように、混合器１５０への第２入力は、ＯＥＯループの検出器１２４の出力から取り込んでもよい。 更に、光周波数同期回路４２０からの出力は、信号１５２と組み合わせて変調器１２１０を制御してもよい。 図１０は、ＯＥＯベース原子時計集積化の更に別の方法を示唆しており、ＯＥＯおよび光変調器に光パワーを与えるレーザ光源を単一ユニットとして集積してもよい。 図１０のＯＥＯ１０００では、電気吸収変調器１０１２は、反射器１０１４および１０２４で形成されたレーザ共振器内にある。 従って別の光変調器は必要ない。 レーザおよび光変調器のこの組み合わせは、ダイオードレーザやダイオードベースレーザ等の変調レーザ内に実装してもよく、そこではレーザ駆動電流を直接変調して、レーザの内部ゲインを変化させて、変調光出力を生成してもよい。 図１３Ａおよび図１３Ｂは、ＯＥＯベース原子時計の２例を示し、単一の直接変調レーザ１３１０を用いて、レーザ搬送波を生成するとともに、レーザ搬送波の変調を提供する。 図１３ＡのＯＥＯ１３０１は、原子セルを伴う外部周波数同期ループを有する。 図１３ＢのＯＥＯ１３０２は自己発振ＯＥＯである。 両装置１３０１および１３０２のレーザ１３１０は同調可能レーザであり、直接変調が可能である。 光遅延素子１２０は、ＷＧＭマイクロキャビティにより実装してもよい。 図１３Ａでは、２つの別々のフィードバックループが用いられる。 すなわち、一つは光遅延素子１２０を有するＯＥＯループであり、もう一つは、変調レーザ出力１１４の変調周波数を、原子セル１３０の所望の原子周波数基準に同期するための位相同期ループである。 位相同期制御およびＯＥＯループフィードバック信号１２８を組み合わせてレーザ１０１の変調を制御してもよい。 更に、別の位相同期ループを用いて、レーザ１３１０のレーザ搬送波周波数を安定化してもよい。 図１３Ｂで、原子セル１３０はＯＥＯループの光部にあるので、レーザ１３１０の搬送波周波数が安定化されていれば、ＯＥＯループのフィードバック信号１２８は、原子セル１３０が提供する原子周波数基準にＯＥＯを同期させる。 検出器１２４の出力から分岐された信号５１０に基づく追加の位相同期ループを用いて、例えば、レーザのキャビティ長を制御することにより、レーザ１３１０のレーザ搬送波周波数を安定化してもよい。 上記方法の組み合わせあるいは改変に基づく他の集積構成が可能であるのは明白である。 要約すると、ＯＥＯベース原子時計の幾つかの実施形態だけを開示した。 しかし、言うまでもなく改変や改良をすることができる。
図１は、ＯＥＯを原子周波数基準に同期させるための位相同期ループに基づく光−電子発振器原子時計の一実施形態を示す。 図２Ａは、変調光信号の例示のスペクトル成分を図示する。 図２Ｂは、変調光信号の例示のスペクトル成分を図示する。 図３は、原子周波数基準を提供する、原子時計の原子についての一例としての３準位原子エネルギー構造を示す。 図４は、自己発振ＯＥＯベースの原子時計の一実施例を示す。 図５は、同一の原子周波数基準に基づくレーザ安定化モジュールを有するＯＥＯベースの２つの原子時計を示す。 図６は、同一の原子周波数基準に基づくレーザ安定化モジュールを有するＯＥＯベースの２つの原子時計を示す。 図７は、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 図８Ａは、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 図８Ｂは、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 図９は、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 図１０は、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 図１１は、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 図１２は、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 図１３Ａは、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 図１３Ｂは、様々な「ささやき回廊モード」マイクロキャビティ、およびＯＥＯベースの小型原子時計用の設計を示す。 |
