JP2002535853A

JP2002535853A - 光共振器を備えた光電子発振器

Info

Publication number: JP2002535853A
Application number: JP2000595408A
Authority: JP
Inventors: エックススティーブヤオ; ルートマレキ; ブラディミールイルチェンコ
Original assignee: California Institute of Technology
Current assignee: California Institute of Technology
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2002-10-22
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: US20030160148A1; US6567436B1; AU3855300A; WO2000044074A1; CN1338135B; US6873631B2; JP4174182B2; CA2361527A1; EP1155479A4; CN1338135A; CA2361527C; EP1155479A1

Abstract

(57)【要約】光電子発振器（１００）内のフィードバックループ（１２０）の光部の中に光共振器（１２１）を組みこむシステムと技法。この光共振器（１２１）は、十分に長いエネルギー貯蔵時間を提供するので、線幅が狭くかつ位相ノイズの低い発振を行う。特定のモード整合条件が必要である。例えば、光共振器（１２１）のモード間隔は、変調光信号を受信して電気発振信号を生成する光電子フィードバックループのモード間隔の、一モード間隔または整数倍のモード間隔に等しい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本願は、１９９９年１月２７日付けで出願された米国仮特許願第６０／１１７
，５６８号、１９９９年１月２６日付けで出願された米国仮特許願第６０／１１
７，４５２号、および１９９９年１月２６日付けで出願された米国仮特許願第６
０／１１７，４５１号の特典を主張するものである。

【０００２】

【開示の出所】

本願に記載のシステムと技法はＮＡＳＡとの契約に基づいた研究を実行する際
につくられたものであるので、公法９６−５１７（３５ＵＳＣ２０２）の規定に
従わねばならず、契約者は権利を保持することを選んだ。

【０００３】

【発明の背景】

本願は、発振信号を生成する方法と装置に関し、より具体的に述べると、光電
子発振器を使用して発振信号を生成することに関する。

【０００４】発振信号は、エネルギー貯蔵要素を有する各種タイプの発振器を使用して生成
させることができる。エネルギー貯蔵要素のクオリティーファクターＱ、または
エネルギー貯蔵期間によって、それぞれの発振信号のスペクトル線幅を決定する
ことができる。前記クオリティーファクターＱまたはエネルギー貯蔵期間を増大
すると、発振信号のスペクトル線幅を小さくすることができるので、その信号の
スペクトル純度を改善することができる。

【０００５】スペクトル純度が高い無線周波（ＲＦ）発振器は、ＲＦキャリアを生成し、追
尾し、クリーニングし、増幅しそして分配するために使用できる。このようなＲ
Ｆキャリアは、無線周波スペクトル範囲内の通信システム、放送システムおよび
受信システムに重要な用途がある。特に、フェーズロックループを有する電圧制
御ＲＦ発振器は、とりわけ、クロックリカバリー、キャリアリカバリー、信号の
変調および復調、ならびに周波数合成に利用できる。

【０００６】ＲＦ発振器は、電子要素と光学要素の使用により、光電子発振器（「ＯＥＯ」
）を形成するように構築することができる（例えば、YaoとMalekiの米国特許第
５，７２３，８５６号とYaoの米国特許第５，７７７，７７８号参照）。このよ
うなＯＥＯは、電気的に制御可能な光変調器、および光検出器によって相互に接
続された光部と電気部を有する少なくとも一つのアクティブ光電子フィードバッ
クループを備えている。その光電子フィードバックループは、変調された光出力
を変調器から受け取って、電気信号に変換し、変調器を制御する。前記光電子フ
ィードバックループは、前記アクティブ光電子ループと他の追加のフィードバッ
クループの全ループ利得が全損失を超えると、所要の遅延を生じ、同位相の電気
信号を変調器に供給して、無線周波スペクトルの、光変調と電気発振の両者を行
って維持する。

【０００７】ＯＥＯは、光変調を利用して、光スペクトルの範囲を超えた周波数スペクトル
範囲、例えばＲＦおよびマイクロ波周波数の発振を生成する。生成した発振信号
は、周波数を調整することができるので、他のＲＦ発振器やマイクロ波発振器が
生成する信号と比べて、スペクトル線幅を狭くし位相ノイズを少なくすることが
できる。ＯＥＯは、特に光と電子のハイブリッド装置なので、光通信の装置とシ
ステムに使用できる。

【０００８】各種のＯＥＯを、上記原理に基づいて構築し、特定の作動特性と利点を達成で
きる。例えば、他のタイプのＯＥＯは、YaoとMalekiの米国特許第５，９２９，
４３０号に記載の結合光電子発振器（coupled opto-electronic oscillator）（
「ＣＯＥＯ」である。このようなＣＯＥＯは、光フィードバックループにおける
レーザ発振を、光電子フィードバックループにおける電気発振に、直接結合する
。また、光電子発振器は、誘導ブリュアン散乱に基づいた電気変調信号を生成す
る少なくとも一つのアクティブ光電子フィードバックループを設けることによっ
て実現できる（Yaoの米国特許第５，９１７，１７９号）。このようなブリュア
ンＯＥＯは、フィードバックループ内にブリュアン光媒体（Brillouin optical
medium）を有し、ブリュアン散乱の固有の狭い線幅（natural narrow line widt
h）を使用して、単一の発振モードを選択する。

【０００９】

【発明の概略】

本願には、電気的に制御可能なフィードバックループに少なくとも一つの高Ｑ
光共振器を備えた光電子発振器が開示されている。少なくとも一つの電気制御信
号に応答して光信号を変調する電気光学変調器が設けられている。光部と電気部
を有する少なくとも一つの光電子フィードバックループは、前記電気光学変調器
に結合されて、電気制御信号を、正のフィードバックとして生成する。前記フィ
ードバックループの電気部は、前記フィードバックループの光部に結合された変
調光信号の一部を、電気信号に変換して、少なくともその一部を電気制御信号と
して、前記電気光学変調器に送る。

【００１０】前記高Ｑ光共振器を、前記光電子フィードバックループの光部にまたは前記光
電子フィードバックループに結合された別の光フィードバックループに配置し、
十分に長いエネルギー貯蔵時間を提供して、線幅が狭くかつ位相ノイズの少ない
発振を行うことができる。上記光共振器のモード間隔（mode spacing）は、前記
光電子フィードバックループの一モード間隔またはモード間隔の整数倍に等しい
。さらに、ＯＥＯの発振周波数は、前記光共振器の一モード間隔またはモード間
隔の整数倍に等しい。

【００１１】上記光共振器は、いくつもの配置構成で実現することができ、例えばファブリ
ーペロ共振器、ファイバーリング共振器およびウィスパリングギャラリーモード
で作動する微小球共振器がある。これらのおよびその外の光共振器の配置構成に
よって、ＯＥＯの物理的大きさを小さくすることができるので、ＯＥＯを他の光
共振器や光要素と、単一の半導体チップのようなコンパクトなパッケージに集積
することができる。

【００１２】本発明のこれらのおよび他の側面と付随する利点は、本願の詳細な説明、添付
図面および特許請求の範囲に照らしてより明らかになるであろう。

【００１３】

【発明の実施の形態】

高Ｑ光共振器は、光電子発振器の光部分に、エネルギー貯蔵要素として組み込
まれると、その発振器にいくつもの効果をもたらすことができる。第一に、光共
振器は、エネルギー貯蔵要素として意図されている場合、その発振器のエネルギ
ー貯蔵時間を増大することができるので、光電子発振のスペクトル線幅を小さく
しかつ位相ノイズを小さくすることができる。

【００１４】第二に、光共振器は、他のフィードバックループが起こすモードに加えて、発
振器に、光共振器自体の共振器モードを生成する。これには、発振器内の共振器
モードと他のモードとの間に特定のモード整合（モードマッチング）を行って、
光電子発振器全体を適正に作動させる必要がある。

【００１５】第三に、光共振器が、発振器の他のモード間隔より大きいモード間隔を有する
ように配置構成されると、そのモード整合条件によって、光電子発振のモード間
隔が強制的に共振器のモード間隔になる。その結果、その共振器の空洞長は、発
振のモード間隔が、電気的ろ過によって、発振のため単一モードを容易に選択で
きるように十分大きくなるように、小さくすることができる。

【００１６】光共振器を備えた各種配置構成の光電子発振器の実施例およびそれらそれぞれ
のモード整合条件を以下に例示する。

【００１７】図１は、光共振器１２１を備えた単一ループの光電子発振器（ＯＥＯ）の一実
施態様１００を示す。単一の光電子ループに基づいたこの装置と他の装置で、光
共振器なしの装置は、Yaoの米国特許第５，７２３，８５６号に記載されている
。なお、この特許は、全体を本願に援用するものである。上記ＯＥＯは、光源１
０１、電気光学（「ＥＯ」）変調器１１０、およびＥＯ変調器１１０に結合され
た光電子フィードバックループ１２０を備えている。光源１０１からの光ビーム
１０２は、ＥＯ変調器１１０に連結され、そして、駆動ポート１１５に加えられ
る、フィードバックループ１２０からのフィードバック信号に応答して変調され
る。

【００１８】ＥＯ変調器１１０において、入力光結合器１１１は、ビーム１０２を、異なる
位相変調または偏光変調を受ける二つのチャネル１１２と１１４に分割する。バ
イアスポート１１３を使用して、電気バイアスを加え、変調を外部ソースによっ
てオフセットする。この光変調は、バイアスポート１１３における電圧バイアス
および駆動ポート１１５におけるフィードバック電圧の両者によって制御される
。後者は、光変調を、ＲＦ周波数などの所望の周波数で発振させる。出力光結合
器１１６は、変調された二つのチャネル１１２と１１４からの光を再結合して、
ＲＦ変調信号を、コヒレント干渉によって生成させる。出力光結合器１１６は、
変調器１１０の結合された出力の一部を光出力１１７として、および別の部分を
フィードバック１１８として、光電子フィードバックループ１２０中に送る。光
電子フィードバックループ１２０とＥＯ変調器１１０は、クローズドループを作
成して光電子発振を維持する。

【００１９】光電子フィードバックループ１２０は、一般に、光部１２２と、その光部１２
２に連結されている電気部１２４を備えている。光検出器１２７は、光信号を電
気信号に変換することによって、光部１２２と電気部１２４を相互に接続してい
る。光結合器１２５を使用して、外部光信号１２６を光部１２２の出力に結合し
、光部１２２からの光信号と外部信号１２６との全合計が光検出器１２７によっ
て測定される。

【００２０】光部１２２は、光共振器１２１と、光ファイバーなどの光導波素子１２３を備
えている。その光導波素子１２３は、出力１１８を共振器１２１に連結して、共
振器１２１の出力を光検出器１２７に案内する。光共振器１２１は、高いＱ値を
有し、ＯＥＯ１００に最長の遅延を起こさせるように配置構成されている。ルー
プ１２０とＥＯ変調器１１０が形成するクローズドループのループ利得が１より
大きいとき、共振器１２１のモード、発振器(ＯＥＯ)１００の発振周波数、およ
びフィードバックループ１２０のモードが、光電子発振を維持するために、互い
に所要のモード整合関係をもっていなければならないように、発振器１００は配
置構成されている。

【００２１】光導波素子１２３の長さは、光共振器１２１が起こす遅延に加えて、所要の遅
延を起こす配置構成の長さである。光部１２２の遅延は、例えば共振器１２１の
空洞の長さを変えることによって調節できる。その上に、光導波素子１２３の長
さを変えて光部１２２の遅延を変えることができる。これを達成するため、ファ
イバーストレッチャー（fiber stretcher）を使用できる。

【００２２】光電子フィードバックループ１２０の電気部１２４は、電気増幅器１３０と電
気信号バンドパスフィルタを備え、電気部１２４中の所要のスペクトル成分を、
ポート１１５に対するフィードバック駆動信号として選択する。その上に、電気
信号結合器１４０が、電気部１２４内に設けられ、外部電気信号１４１を注入し
そして電気出力１４２を生成する。さらに、電気部１２４の可変電気遅延１６０
を用い、電気部１２４内の信号遅延を変えてフィードバックループ１２０内の全
遅延を変えることができる。

【００２３】光電子フィードバックループ１２０からＯＥ変調器１１０へのフィードバック
は、発振を起こすためには正である。これは、フィードバックループ１２０の全
遅延または全移相を制御することによって達成することができる。フィードバッ
クループ１２０とＯＥ変調器１１０によって形成されるクローズドループの全利
得は１より大である。すなわち、その利得は、ループ内の循環波の損失を超えて
いる。上記ループ利得は、電気増幅器１３０、注入される信号１２６もしくは１
４１、またはこれらの組合せを用いて、制御し維持することができる。明確に、
発振器１００内の電気信号と光信号の両者は、フィードバックループ１２０内に
あるので、本質的に相互接続されている。どちらかの信号が変化すると、残りの
信号も変化する。

【００２４】一般に、多くのモードが単一ループのＯＥＯ１００内で同時に発振することが
できる。ＲＦフィルタなどのフィルタ１５０を使用して、他の発振モードを抑圧
することによって単一モードの発振が達成される。フィルタ１５０は、発振周波
数を粗調整するのに使用することもできる。また、周波数の調整は、バイアスポ
ート１１３においてバイアスを行うこと、およびＲＦ駆動ポート１１５における
電圧入力によって達成できる。光部１２２の遅延を使用して、発振周波数を制御
しかつ微調整することができる。この単一ループのＯＥＯの位相ノイズは、フィ
ードバックループ１２０の全遅延が増大するにつれて有意に減少する。

【００２５】光共振器１２１の空洞長は、フリースペクトルレンジ、すなわち、共振器１２
１からの寄与を含む、ループ１２０とＯＥ変調器１１０が形成する光電子ループ
のモードのモード間隔より大きい２つの隣接する空洞モード間の間隔を有するよ
うに設定される。その結果、ＯＥＯ１００のモード間隔は、共振器１２１のモー
ド間隔によって、主として決定される。共振器１２１の空洞長は、共振器のモー
ド間隔が、バンドパスフィルタ１５０が不必要なモードをろ過して除くのに全体
として十分に大きく、かつ発振器１００を単一モードで作動させるように、十分
に小さく設定できる。また、光共振器１２１が提供する大きなモード間隔は、不
必要な残留サイドモードが、たとえ存在していても、ろ過して外部に除去できる
ので、レーダなどの用途にも有利である。

【００２６】損失より大きいループ利得をもって発振を維持するため、ＯＥＯ１００に対す
る特定のモード整合条件が満たされねばならない。モード整合条件を満たすこと
ができないモードは、フィードバックループ１２０とＯＥ変調器１１０によって
形成された光電子クローズドループの他の損失に加えて、許容可能な固有光電子
発振モードと許容可能な共振器モードのスペクトルプロフィルによって起こる有
意な損失を受ける。

【００２７】上記モード整合条件には以下の（１）〜（３）が含まれている。（１）レーザ１０１からの入力ビーム１０２のレーザ中心周波数ν_laserは、光
共振器１２１の複数の伝送ピークのうちの一つの中にあるので、十分な光が光検
出器に到達して１より大きい光電子ループのオープンループ利得を保証すること
ができる。すなわち、 ν_laser＝Ｍ・ＦＳＲ_rで表され、上記式中、Ｍは正の整数であり、そしてＦＳＲ_rは光共振器１２１のフリースペ
クトルレンジである；

【００２８】（２）光共振器のフリースペクトルレンジＦＳＲ_rは、光電子ループの固有モー
ドのモード間隔Δν_{OE Loop}の一つもしくは整数倍に等しい。すなわち、ＦＳＲ_r＝Ｎ・Δν_{OE Loop}で表され、上記式中、Ｎは正の整数（１、２、３、・・・）である；および

【００２９】（３）ＯＥＯ１００の光電子発振の周波数Δν_OEOは、共振器１２１のフリース
ペクトルレンジＦＳＲ_rの整数倍に等しい。すなわち Δν_OEO＝Ｋ・ＦＳＲ_rで表され、上記式中、Ｋも正の整数（１、２、３、・・・）である。

【００３０】図２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄは、上記モード整合条件を示す。図２Ａは、光
学的周波数レンジにおける光共振器１２１の許容可能な共振モードを示す。図２
Ａと同じ周波数の尺度で、図２Ｂは、ＥＯ変調器１１０が、モード整合条件（１
）のもとで、図２Ａに示す複数の共振器モードのうちの一つと共振しているかま
たはオーバーラップしている、入力ビーム１０２のレーザ周波数ν_laserの状態
を示す。図２Ｃは、モード整合条件（２）（但しΝ＝２）のもとでのＯＥＯ１０
０の光電子発振の周波数レンジ（例えばＲＦ周波数レンジ）における光電子ルー
プの固有モードを示す。図２Ｄは、光電子発振周波数ν_OEOが、モード整合条件
（３）のもとで、２ＦＳＲ_r（Ｋ＝２）で与えられることを示している。

【００３１】ＥＯ変調器１１０が、入力ビーム１０２を変調して、一つ以上の変調側波帯を
生成する。図２Ｂは側波帯の最初の二つのオーダー（order）を示す。モード整
合条件（３）であるから、各変調側波帯は、共振器モードで共振している。した
がって、レーザ中心周波数が共振器モード２１０とオーバーラップすると、＋１
側帯波が共振器モード２１４とオーバーラップし、および−１側帯波が共振器モ
ード２１２とオーバーラップする。これは、変調器が生成する光側帯波が、最小
限の損失で、共振器を通過することを自動的に保証する。

【００３２】上記三つのモード整合条件が満たされると、ＯＥＯ１００のモード間隔は、共
振器１２１のフリースペクトルレンジＦＳＲ_rになる。単一モードを選択するた
め、図２Ｃに示すように、帯域幅が共振器１２１のフリースペクトルレンジＦＳ
Ｒ_rより小さいバンドパスフィルタ１５０を使用できる。特定の実施態様で、共
振器１２１のＦＳＲ_rは、光電子発振のモード間隔Δν_{OE Loop}よりはるかに大き
く形成してもよく、例えばファイバー遅延ラインベースのＯＥＯのそれの約１０
０倍（１０ＭＨｚ以上の程度）でもよい。それ故に、光共振器１２１なしの単一
ループのＯＥＯとは異なり、ＲＦフィルタ１５０の帯域幅は狭くする必要がない
。例えば１０ＧＨｚのオーダーのキャリア周波数において、数百ＫＨｚのオーダ
ーの帯域幅は達成することが困難である。むしろ、フィルタ１５０の帯域幅は、
１０ＭＨｚ以上の程度であってもよく、このようなＲＦフィルタは入手可能であ
る。したがって、単一ループのＯＥＯ１００内に光共振器１２１を設置すると、
ループ１２０内の全遅延を増大して位相ノイズを減らすのみならず、単一モード
の作動を保証する周波数選択機構を提供する。

【００３３】実際に使用している際の環境条件の変動と装置部品の老化、例えば温度、応力
または他のタイプの外乱の変動が、レーザ１０１からのレーザ周波数ν_laserお
よび共振器１２１の伝送ピーク周波数の両者を変化させる。それ故、制御機構が
ないと、レーザ周波数ν_laserと、共振器１２１のそれぞれの共振伝送ピークと
の相対値が時間の経過とともに変化する。このような変化は、ある範囲を超える
と、モード整合条件（１）を破壊するので、図１に示すＯＥＯ１００の機能不良
を起こす。

【００３４】したがって、レーザ周波数ν_laserと、共振器１２１のそれぞれの伝送ピーク
との差を制御してモード整合条件（１）を維持することが望ましい。これは、レ
ーザ１０１の周波数ν_laserを共振器１２１のそれぞれの伝送ピークにアクティ
ブにロックするか、または代わりに共振器１２１をレーザ１０１にアクティブに
ロックすることによって達成できる。これら二つの周波数ロッキング法のどちら
を選ぶかは、特定の用途において、どちらの方法が環境面でより安定であるかに
よって決まる。両者のアクティブロッキング法では、監視機構を使用して、レー
ザ周波数ν_laserと、共振器１２１のそれぞれの伝送ピークとの差を監視してエ
ラー信号を生成する。次いで、このエラー信号に応答して、周波数修正機構を使
用し、前記周波数の差を、許容可能な差の範囲の値まで小さくする。

【００３５】図３Ａと３Ｂは、レーザ１０１と共振器１２１の間の相対周波数のアクティブ
制御の二つの実施態様を示す。これら両者の実施態様では、周波数の差を検出し
て、レーザ１０１または共振器１２１の空洞に制御信号を印加する周波数制御回
路３１０を使用する。回路３１０の入力は、光共振器１２１の光出力から変換さ
れた電気信号を受信するように連結されている。表示されている光検出器３３０
を使用して回路３１０に対する入力を生成することができる。あるいは、この入
力は、図１に示すＯＥＯ１００のフィードバックループ１２０の二つの部分１２
０と１２４を相互に接続する光検出器１２７の出力から得ることができる。

【００３６】周波数制御回路３１０の一実施態様は、信号の位相検波器（signal phase det
ector）３１４、ローパスフィルタ３１６、ディザリング信号発生器（dithering
signal generator）３１８およびシグナルアダー３２０を備えている。信号増
幅器３１２を使用して、位相検波器３１４への入力信号を増幅することができる
。ディザ３１８は、周波数ｆ_dの正弦ディザを生成し、そのディザ信号をアダー
３２０と位相検波器３１４の両者に与えるように連結されている。作動中、位相
検波器３１４は、ディザ信号の位相と、共振器１２１からの出力の位相を比較し
て第１エラー信号を生成する。ローパスフィルタ３１６でろ過した後、前記第１
エラー信号とディザ信号を合算して第２エラー信号をつくり、これを、図３Ａに
示すレーザ１０１または図３Ｂに示す共振器１２１に送って、周波数の差を小さ
くする。

【００３７】図４Ａと４Ｂは，レーザ１０１または共振器１２１をディザリングすることか
ら生成したエラー信号に基づいた周波数制御回路３１０の作動を示す。図４Ａは
、共振器１２１の伝送スペクトルピークをレーザ周波数と関連させて示す。レー
ザの中心周波数ν_laserを、共振器１２１の所望の伝送ピークと一致させると、
検出される信号は、ｆ_dでゼロになり２ｆ_dで最大になる。レーザ周波数ν_laser
が伝送ピークの左側にある場合（ν＜ν_０）、ｆ_dにおいて検出されるエラー信
号はゼロではなく、印加されたディザリング信号と位相が同じである。一方、レ
ーザ周波数が伝送ピークの右側にある場合（ν＞ν_０）、ｆ_dで検出されるエラ
ー信号は、印加されたディザリング制御信号の位相と逆の位相を有している。

【００３８】位相検知エラー信号（phase sensitive error signal）を生成するための位相
検波器３１４とアダー３２０の作動による位相検知検出方式を利用することによ
って、レーザ１０１と共振器１２１の相対周波数を、所望の範囲内にアクティブ
にロックして、モード整合条件（１）を維持することができる。

【００３９】他のアクティブ周波数ロッキング法も使用できる。例えば、別の一方法が、Ap
plied Physics B、３１巻９７〜１０５頁(１９８３年)のR. Dreverらの報告「La
ser phase and frequency stabilization using an optical cavity」に記載さ
れている。他の代わりの技法が、Optics communications、３５巻４４１〜４４
４頁(１９８０年)のHanschとCouillaudの報告「Laser frequency stabilization
by polarization spectroscopy of a reference cavity」に記載されている。

【００４０】別の実施態様では、周波数制御回路３１０への入力は、共振器１２１から反射
された光信号から変換される。図５はこの配置構成を示す。光サーキュレータま
たはビームスプリッタ５１０を、ＥＯ変調器１１０と共振器１２１の間に配置し
て、反射された光信号を光検出器３３０に導くことができる。

【００４１】光共振器１２１を、異なる配置構成で設置して、光エネルギー貯蔵要素として
作動させることができる。例えばファイバーファブリーペロ共振器、ファイバー
リング共振器、光微小球共振器および他のマイクロ共振器を使用してＯＥＯを構
築することができる。光共振器は、高Ｑ値を有しているためＯＥＯの大きさを有
意に小さくすることができる。特に、光微小球共振器および他のタイプのマイク
ロ共振器を使用して、ＯＥＯをチップ上に集積することができる。

【００４２】光ファイバー６０３のセグメントの二つの末端に、高度に反射性のコーティン
グ６０１と６０２を形成してファイバーファブリペロ共振器をつくることによっ
て、コンパクトで軽重量のファブリーペロ共振器を構築することができる。図６
はこのようなファイバーファブリーペロ共振器を示す。ファイバーファブリーペ
ロ共振器をつくる別の方法は、ファイバーブラッグ格子を、両末端にまたはその
近くにつくって、前記反射性コーティング６０１と６０２の代わりに使用する方
法である。共振器に結合する光は、共振器からでる前に、共振器内で行ったり来
たりするので、有効エネルギー貯蔵時間が劇的に増大する。光キャリヤのＲＦ信
号の場合、ファイバーファブリーペロ共振器の有効エネルギー貯蔵時間τ_effは
、下記式： τ_eff＝τ_d・（１＋Ｒ）／（１−Ｒ）（式中、Ｒは前記コーティングの反射率であり、そしてτ_dはファイバーの伝送
遅延である）で表される。フリースペクトルレンジは下記式：ＦＳＲ_r＝Ｃ／２ｎ_effＬ_r （式中、Ｃは真空中の光の速度であり、ｎ_effは共振器の実効インデックスであ
り、そしてＬ_rは共振器の長さである）で表される。

【００４３】Ｒ＝０.９９という妥当な反射率の場合、τ_eff＝１９９τ_dである。したがっ
て、与えられたファイバー長に対する有効遅延時間は１９９倍に増大するか、ま
たは与えられた必要なエネルギー貯蔵時間τ_effに対して必要なファイバー長は
１／１９９になる。適正な反射性コーティングを用いて、２０ｍ長のファイバー
を有するファイバーファブリーペロ共振器は、３ｋｍ長のファイバーによる遅延
に等しい有効遅延時間を有するように使用できる。

【００４４】光共振器１２１の他の配置構成は図７に示すファイバーリング共振器である。
このようなリング共振器は、二つのファイバー方向性結合器７１０と７１２を、
ファイバーリング７１４に結合することによって製作することができる。ファイ
バーリング７１４に結合された光は、出る前に、リング７１４内を多数回循環す
る。得られる有効エネルギー貯蔵時間は、結合器７１０と７１２の結合比と過剰
損失によって決まる。リング共振器のフリースペクトルレンジは下記式：ＦＳＲ_r＝Ｃ／ｎ_effＬ_r （式中、Ｌｒはリング７１４の円周である）で表される。図７Ａと７Ｂは、ファ
イバーリング共振器に基づいた二つの代表的な単一ループの共振器を示す。

【００４５】図８Ａは、上記共振器より大きさと重量がいっそう小さいマイクロウィスパリ
ングギャリーモードの共振器８００を示す。この共振器８００は、透明な微小球
、リングまたは空洞としてのディスク８０１、および二つの光結合器８０２と８
０４を備えている。このような共振器のクオリティファクターは、材料中での光
の減衰と表面の異質物による光の散乱によって限定され、マイクロリングとディ
スク内で１０⁴〜１０⁵かつ微小球内で１０¹⁰まで高くすることができる（例えば
、Suzukiら、IEEE Photon. Technol. Lett.、４巻１２５６〜１２５８頁(１９９
２年)；Littleら、J. Lightwave Technol.、１５巻９９８〜１００５頁(１９９
７年)；Braginskyら、phys. Lett. A、１３７巻３９３〜３９７頁(１９８９年)
およびGorodetskyら、Opt. Lett. ２１巻４５３〜４５５頁(１９９６年)参照）
。空洞８０１の材料は、光ファイバー用の損失の低い材料である溶融シリカを含
む各種の絶縁材料である。このような結合器はプリズムまたは他の形態のもので
もよい。

【００４６】光は、マイクロ共振器８００中におよびマイクロ共振器８００から、ウィスパ
リングギャラリーモードで、球８０１の外側で指数関数的に減衰する球８０１の
表面のエバネッセント場を通じて、結合される。光は、一旦、球８０１に結合さ
れると、光が光ファイバー中を伝播するのと類似の方式で、球８０１の表面で、
全体が内部反射される。有効光路長は、このような循環によって、ファイバーリ
ング共振器の場合と同様に増大する。

【００４７】直径が数百ミクロンであり１５５０ｎｍで作動するマイクロ共振器の有効光路
長は、１０ｋｍという長さであり、その材料の固有の減衰によって限定されると
予想される。また、高Ｑ微小球が、２５ｋｍまでの長さを有するＯＥＯの光ファ
イバーの遅延を有効に代替することも分かっており、これは、30ＧＨｚにおける
１９００万のＱ値に相当する。このような高Ｑ共振器を使用して、ＯＥＯの３０
ＧＨｚキャリアから１Ｈｚ離れて−６０ｄＢより小さい位相ノイズを達成して、
深淵宇宙(空間)のＫａバンド通信の要件を満たすことができる。

【００４８】図８Ｂは、二つのファイバー８１０と８２０を結合器として使用する別の微小
球共振器８１０を示す。両結合器８１０と８２０の末端面は所要の角度で切断さ
れ、次に磨かれてマイクロプリズムが形成される。この二つのファイバー結合器
８１０と８２０は、ＯＥＯを単一チップに集積するのに使用される基板に形成さ
れた二つの導波管を使って実現することができる。

【００４９】図８Ａと８Ｂに示すウィスパリングギャラリーモードの共振器は、ＯＥＯにお
ける光共振器としての機能に加えて、基板に集積された特殊なコンパクト形ＯＥ
Ｏを製造するのに使用できる。光電子フィードバックループは、特に適正に配置
構成すると、例えば、図１のＯＥＯ１００に示す電気増幅器１３０を除くことに
よって簡略化することができる。

【００５０】図９は、そのすべての要素が半導体基板９０１の上に製作された集積ＯＥＯ９
００の一実施態様を例示している。集積ＯＥＯ９００は、半導体レーザ９１０、
半導体電気吸収変調器９２０、第１導波管９３０、ウィスパリングギャラリーモ
ードのマイクロ共振器９４０、第２導波管９５０、および光検出器９６０を備え
ている。電気リンク９７０、例えば導電経路も、基板９０１上に形成されて、検
出器９６０を変調器９２０に電気的に結合する。マイクロ共振器９４０は、微小
球、マイクロディスクまたはリングであってもよく、ウィスパリングギャラリー
モードで作動する。マイクロ共振器９４０は、高Ｑエネルギー貯蔵要素として使
用され、低い位相ノイズと微小の大きさを達成する。単一モードの発振を保証す
るため、ＲＦフィルタをリンク９７０内に配置してもよい。このようなフィルタ
がない場合、周波数ろ過効果は、変調器９２０と検出器９６０との間の狭帯域イ
ンピーダンス整合によって達成することができる。

【００５１】導波管９３０と９５０の両者はそれぞれ結合領域９３２と９５２を有し、マイ
クロ共振器９４０の二つの異なる位置で適正な光結合を行う。第１導波管９３０
は、変調器９２０に結合されて変調された光出力を受け取る一方の末端と、ＯＥ
Ｏ９００の光出力を提供する他方の末端を有している。第２導波管９５０は、マ
イクロ共振器９４０からの光エネルギーを検出器９６０に結合してそのエネルギ
ーを送達する。

【００５２】完全な光電子クローズドループが、変調器９２０、第１導波管９３０、マイク
ロ共振器９４０、第２導波管９５０、検出器９６０および電気リンク９７０で形
成されている。このクローズドループの位相遅延は、検出器９６０から変調器９
２０へのフィードバック信号が正になるように設定される。その上に、全オープ
ンループ利得が全損失を超えて、光電子発振を維持する。先に記載したモード整
合条件も必要である。

【００５３】一般に、電気信号増幅器が検出器９６０と変調器９２０の間に接続される。検
出器９６０と変調器９２０の固有インピーダンスが高く、例えば約数キロオーム
であるが、光検出器と変調器は、伝送ラインまたは他のマイクロ波要素のインピ
ーダンスに整合させるため、通常５０オームインピーダンスでターミネート（te
rminate）される。その結果、光検出器９６０が生成した光電圧（photovoltage
）は、その光電流に５０オームを掛け算したものに等しく、低すぎて変調器９２
０を有効に駆動することができない。したがって、変調器９２０を適正に駆動す
るため、信号増幅器をリンク９７０内に使用することが必要になる。

【００５４】しかし、このような高電力の要素は、ＯＥＯ９００のような高度に集積された
オンチップ設計には望ましくない。例えば、高電力の増振器は、その高い熱放射
性のため問題を起こす。また、その増幅器はノイズまたはひずみを導入すること
があり、そしてチップ上の他の電子要素の作動を妨げることさえある。

【００５５】ＯＥＯ９００の独特の特徴は、電気吸収変調器９２０と光検出器９６０の間のイ
ンピーダンスを高いインピーダンス値で整合をとることによって、リンク９７０
内の前記信号増幅器を取り除くことである。所望の整合インピーダンスは、変調
器９２０に、増幅なしで送られる光電圧が、変調器９２０を適正に駆動するのに
十分に高いという値である。特定のシステムでは、例えば、この整合インピーダ
ンスは約１キロオームかまたは数キロオームのインピーダンスである。電気リン
ク９７０を信号増幅器なしで使用して、光検出器９６０と変調器９２０を直接接
続してそれらの高いインピーダンスを保持する。また、このような直接電気リン
ク９７０は、二つの装置９２０と９６０の間の、最大のエネルギー移行を保証す
る。例えば、１０００オームで整合をとっている一対の検出器と変調器は、５０
オームで整合をとっている一対の検出器と変調器の２０倍の電圧利得を有してい
る。

【００５６】図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃに示す先に述べた周波数制御回路３１０を、同様に図９
に示すＯＥＯ９００に設置して、モード整合条件（１）を維持することができる
。マイクロ共振器９４０の空洞長を調節するため、回路３１０の出力信号を使用
して、例えば圧電変換器を通じて共振器９４０にメカニカルスクイ−ズ（mechan
ical squeeze）を起こさせることができる。

【００５７】単一ループＯＥＯに光共振器と周波数制御回路を上記のように設置することは、
他の配置構成のＯＥＯに利用して、適正なモード整合条件下での光電子発振の位
相ノイズを減らすことができる。このような他のＯＥＯとしては限定されないが
、マルチループＯＥＯ類、ブリュアンＯＥＯ類および結合ＯＥＯ類がある。以下
に、これら異なるＯＥＯのいくつかの代表的実施態様を示す。

【００５８】マルチループＯＥＯは、少なくとも二つのフィードバックループのうちの一方の
光電子フィードバックループの少なくとも一つのファイバーループを、エネルギ
ー貯蔵要素として使用する。このような装置は、Yaoの米国特許第５，７７７，
７７８号に開示されている。なお、この特許は、全体を本願に援用するものであ
る。異なるフィードバックループは、異なる遅延を有している。最長の遅延を有
する光電子フィードバックループを使用して、低い位相ノイズと狭いスペクトル
線幅を達成する。また、このループは、そのモード間隔が、他のいずれのフィー
ドバックループより小さいので周波数の微調整を行うのに利用できる。一方、光
電子的もしくは純粋に電子的な、最も短い遅延と最も幅広のモード間隔を有する
フィードバックループを使用して、周波数の粗調整を行い、幅広の連続調整範囲
を達成する。マルチプルループの全オープンループ利得は、全損失を超えて、光
電子発振を維持しなければならないが、各ループは、オープンループ利得がその
ループの損失より小さくてもよい。

【００５９】本発明の一実施態様は、図１に示すＯＥＯ１００の光共振器１２１を、米国特許
第５，７７７，７７８号に示唆されているように、マルチループＯＥＯの光電子
ループの光部分中に配置して、光電子発振の位相ノイズとスペクトル線幅をさら
に小さくしている。この光共振器１２１を、最も長い遅延を有する光電子ループ
内に配置して、ＯＥＯのファイバーの量、物理的大きさ、およびコストを小さく
することができる。先に述べた三つのモード整合条件を満たすことに加えて、発
振モードは、各フィードバックループの一つのモードと共振していなければなら
ない。すなわち、各ループの一つのモードは、各ループからおよびあらゆる他の
ループからの一つのモードとオーバーラップしていなければならない。図３Ａ、
３Ｂおよび３Ｃに示す周波数制御回路３１０を、同様に設置して、モード整合条
件（１）を維持することができる。

【００６０】図１０Aと１０Bは、光共振器１２１を有するデュアルループＯＥＯの二つの実施
例を示す。図１０Ａに示すＯＥＯは二つの光電子ループ１００１と１００２を有
し、これら光電子ループはそれぞれ、ＥＯ変調器１１０の二つの電気ポートを駆
動して、その光変調を制御する。その光共振器１２１は長い方のループ１００２
に配置されている。バイアスされたティー（Tee）などのＲＦ信号スプリッタを
、検出器１２７と増幅器１３０の間に結合して、高周波数の信号成分を変調器１
１０に送信し、かつ低周波数の成分を周波数制御回路３１０に導き、この回路３
１０はこの入力に応答してレーザ１０１を制御することができる。先の説明から
みて、回路３１０を設置する他の配置構成も可能である。

【００６１】図１０Ｂは、一つの電気ループと一つの光電子ループを有するデュアルループＯ
ＥＯを示す。電気信号結合器（electrical signal combiner）１０１０を使用し
て、上記２ループの電気信号を結合して合計信号を生成して、ＥＯ変調器１１０
の単一ポートを駆動する。一般に、信号結合器をこの方式で使用して、二つ以上
のループからの電気信号を結合することができる。図１０Ａに示すシステムと同
様に、図１０Ｂの周波数制御回路３１０は、検出器１２７と結合器１０１０の間
に結合された、バイアスされたティー（Tee）の低周波出力から、その入力を受
け取ってレーザ１０１を制御する。

【００６２】ブリュアン光電子発振器は、ループ内のブリュアン光媒体内の誘導ブリュアン散
乱に基づいて電気変調信号を生成する少なくとも一つのアクティブ光電子フィー
ドバックループを使用する（例えば、Yaoの米国特許第５，９１７，１７９号を
参照、なお、この特許は全体を本願に援用するものである）。光ポンプレーザビ
ームをブリュアン光媒体中に注入して、エレクトロレストリクティブ効果（elec
trorestrictive effect）によって、ポンプレーザビームの方向に移動する音響
グレーティングを生成させる。このグレーティングは、ポンプレーザビームと相
互に作用して、ドップラーシフトν_Dによってポンプレーザビームの周波数ν_Ｐ
より小さい周波数ν_Bすなわちν_B＝ν_P−ν_Dの後方散乱のブリュアン散乱信号を
生成する。このブリュアン散乱信号は、光電子フィードバックループ内の光検出
器によって、電気変調信号に変換される。

【００６３】図１１は、本発明の一実施態様によって光共振器１２１と周波数制御回路３１０
を備えたブリュアンＯＥＯを示す。ＥＯ変調器１１０１は、フィードバックルー
プ１１０４の電気変調信号を使用して、レーザ１０１によって生成される光キャ
リアを変調し、発振周波数ｆ_OSC＝｜ν_B−ν_S｜＝｜ν_P−ν_S−ν_D｜で変調され
る変調光キャリア信号を生成する。ブリュアン媒体はループ１１０４内の光ファ
イバー１１０３のセグメントである。ポンプレーザ１１１２は、結合器１１１０
によってファイバー１１０３中に、ループ１１０４中に結合された変調光キャリ
ヤの方向と逆の方向に結合されている。ブリュアン散乱信号は、光キャリア信号
の方向の信号である。光検出器１２７がブリュアン散乱信号と光キャリア信号を
受信して、電気変調信号を生成する。周波数制御回路３１０が結合されて、共振
器１２１の光伝送の一部分から変換された電気信号を受信する。

【００６４】図１２は、ブリュアンＯＥＯ１１００のモード整合条件を示す。図２Ｂ〜２Ｄで
述べたモード整合条件に加えて、下記のモード整合条件を満たさねばならない。ｆ_OSC＝｜ν_B−ν_S｜＝｜ν_P−ν_S−ν_D｜＝Ｊ・ＦＳＲ_r 上記式中Ｊは整数である。したがって、発振周波数ｆ_OSCは、ポンプレーザ１１
１２の周波数ν_Pまたは信号レーザ１０１の周波数ν_Sまたは両方の周波数を調節
することによって調整できる。

【００６５】ブリュアンＯＥＯ１１００は、二つの別個のレーザ１０１と１１１２を使用す
る。これには、これら二つのレーザの周波数が、お互いに対して比較的安定であ
ることが必要である。図１３は、単一のレーザを使用してポンプレーザと信号レ
ーザの両方を生成するブリュアンＯＥＯ１３００を示す。光サーキュレータ１３
０３を使用して、レーザの出力の一部を、ポンプビームとしてループ１３１０に
結合する。ブリュアン効果による追加のモード整合は、ｆ_OSC＝ν_D＝Ｊ・ＦＳＲ _r になるように修正される。したがって、発振周波数ｆ_OSCは、ドップラーシフト
によって決定され、一般に調整することができない。

【００６６】一つ以上の補助フィードバックループを、ブリュアン光電子フィードバックルー
プに追加して設置し、マルチループブリュアンＯＥＯを製造することができる。
補助フィードバックループはいずれのタイプのものでもよく、電気フィードバッ
クループ、光ループ、非ブリュアン光電子ループまたは他のブリュアン光電子ル
ープがある。各ループは、オープンループ利得が１より小さくてもよく、全ルー
プの全オープンループ利得が１より大きい限り発振を維持することができる。図
１４は、ブリュアン光電子ループ１４２０と非ブリュアン光電子ループ１４１０
を備えている代表的なデュアルループブリュアンＯＥＯ１４００を示す。図１０
Ａに示すシステムと同様に、バイアスティー（Tee）が、検出器１２７の出力に
結合されて低周波数成分を周波数制御回路３１０に送る。

【００６７】別のタイプのＯＥＯは結合光電子発振器（equpled optoelectronic oscillator(
「ＣＯＥＯ」)である（例えばYaoとMalekiの米国特許第５，９２９，４３０号参
照。なお、この特許は全体を本願に援用するものである。）このようなＣＯＥＯ
は、光フィードバックループのレーザ発振を、光電子フィードバックループの電
子発振に直接結合する。上記レーザ発振と電気発振は互いに関連して、一方の発
振のモードと安定性が、他方の発振のモードと安定性とに結合される。光フィー
ドバックループは、１より大きいループ利得を生成する利得媒体を有し、レーザ
発振を実行する。この光ループは、ファブリーペロ共振器、リング共振器、その
外の共振配置構成でもよい。この光電子ループのオープンループ利得も、損失を
超えていて,電気発振を維持する。二つのフィードバックループ間の結合は、光
ループのループ利得を、光電子フィードバックループが生成する電気信号で制御
することによって達成される。ＣＯＥＯは、ＲＦバンドパスフィルタまたは追加
の光電子フィードバックループなしで、単一モードのＲＦ発振を達成できる。マ
ルチモードレーザを使用できる。

【００６８】先に述べた他の代表的なＯＥＯと比べると、ＣＯＥＯの光電子フィードバックル
ープまたは光フィードバックループには光共振器を配置することができる。前者
の配置構成は、周波数制御回路を使用して、レーザモードの周波数を、共振器の
伝送ピークにロックする必要がある。代わりに、二つの光共振器をそれぞれ、光
ループと光電子ループに同時に配置することができる。

【００６９】図１５Ａは、光フィードバックループ１５１０と光電子ループ１５２０を有する
ＣＯＥＯ１５００の一実施態様を示す。光共振器１２１が光ループ１５１０内に
配置されている。その光ループ１５１０は、光増幅器１５１２とＥＯ変調器１５
１４を備えたリングレーザであることが分かる。光アイソレータ１５１６を使用
して、ループ１５１０内の光波が単向性であることを保証する。そのリングは光
ファイバー１５１１または他の光導波管でつくることができる。光増幅器１５１
２とＥＯ変調器１５１４を組み合わせるとレーザ利得媒体が実現し、レーザ利得
を、光電子ループ１５２０からの電気制御信号によって制御し変調することがで
きる。例えば、半導体の光増幅器を使用して、増幅器１５１２と変調器１５１４
の組合せとして機能させることができる。

【００７０】光ループ１５１０内に光共振器１２１を配置する利点の一つは、光ループ１５１
０内の光モードが、光共振器１２１のモードによって制御され、すなわち共振器
１２１のモードとオーバーラップするループ１５１０のモードだけが、発振する
のに十分な利得を有することができるということである。したがって、レーザの
光周波数は、共振器１２１の伝送ピークと自動的に合わされる。この配置構成に
よれば、光ループ１５１０と共振器１２１は、他のＯＥＯでは互いに光共振器で
ロックされるのに比べて、ロックする必要がない、その上に、光ループ１５１０
内の共振器１２１が、光ループ１５１０内で生成した光信号および光電子ループ
１５２０内で生成したＲＦ信号の両者の特性を決定する。これは、両方の信号が
、まさに同じエネルギー貯蔵要素である共振器１２１を共有しているからである
。ファイバー増幅器に基づいたＣＯＥＯの場合、図６に示すファイバーファブリ
ーペロ共振器と図７に示すファイバーリング共振器を含む、光ファイバーで構築
された高Ｑ光共振器が好ましい。

【００７１】図１５Ｂは、共振器の伝送ピーク、レーザモード、光電子発振モードおよびＲＦ
フィルターの中心周波数と帯域幅のスペクトルの関連を示す。光ループ１５１０
の空洞長は、共振器の長さの寄与を含んでいるので、そのモード間隔は、一般に
共振器１２１のＦＳＲより小さい。その結果、共振器１２１の伝送ピークと一致
するレーザモードのモード間隔だけが発振できる。

【００７２】光電子フィードバックループ１５２０は、一般に、レーザ１５１０の空洞長より
はるかに長いので、対応するモード間隔はリングレーザ１５１０のモード間隔よ
り小さい。ＲＦバンドパスフィルタ１６０の中心周波数は、リングレーザ１５１
０の異なるモードのＲＦビート周波数に等しくなるように選択される。フィルタ
１６０の帯域幅は、そのモードのビート周波数の間隔（共振器１２１のＦＳＲに
等しい）より狭くなるように選択される。多くのＯＥＯモードが、帯域内で、発
振しようと競合する。しかし、競合に勝つのは、レーザの縦モードのビート周波
数に最も近い周波数を有するモードである。なぜならば、このＯＥＯモードだけ
がレーザ１５１０からエネルギーを得ることができるからである。このモードは
、フィードバックされて、リングレーザ１５１０の利得を変調し、そしてリング
レーザを効果的にモードロックする。このモードロッキングによって、レーザの
モード間隔が、発振ＯＥＯモードの周波数（共振器のＦＳＲの整数倍である）に
等しくなる。

【００７３】モードロックされたレーザの１５１０の発振モードはすべて、同位相になるよう
に強制されるので、二つの隣接するレーザモード間のすべてのモードビート信号
は同位相で合計されて、発振ＯＥＯモードの周波数で強い信号を生成する。この
高められたモードビート信号は、次により多くの利得を発振ＯＥＯモードに与え
て、その発振を補強する。

【００７４】したがって発振の条件は次のとおりである。（１）光ループ１５１０（レーザ空洞）の全長は共振器１２１の空洞長の整数倍
である（または共振器１２１のフリースペクトルレンジはレーザのモード間隔の
整数倍である）；（２）光電子ループ１５２０の長さは共振器の空洞の長さの整数倍である（また
は共振器のフリースペクトルレンジは光電子ループのモード間隔の整数倍である
）；（３）ＲＦフィルタ１６０の中心周波数は共振器１２１のフリースぺクトルレン
ジの整数倍である；および（４）ＲＦフィルタ１６０の帯域幅は共振器１２１のＦＳＲより小さい。

【００７５】図１５Ｃは、図１５Ａに示すシステムに基づいた二つの光共振器を有するＣＯＥ
Ｏを示す。周波数制御回路３１０を使用して、光電子ループ１５２０内の光共振
器１５３０のモードを、光ループ１５１０のモードに対してロックする。この実
施例では、光ループ１５１０の全空洞長を制御することによって制御を達成でき
る。上記モード整合条件に加えて、光共振器１５３０のモード間隔はレーザモー
ドの整数倍でなければならず、そして共振器１５３０のモードと共振器１２１の
モードは、いくつかのオーバーラップしたモードをもっていなければならない。

【００７６】図１６は、ウィスパリングギャラリーモードのマイクロ空洞に基づいたＣＯＥＯ
オンチップ１６００の一実施態様を示す。この装置は半導体基板１６０１上に形
成され、かつ二つの導波管１６１０と１６２０を備え、これらの導波管は図に示
す微小球などの高Ｑマイクロ空洞１６０２に結合されている。導波管１６１０と
１６２０はそれぞれ、傾斜面の末端１６１６と１６２６を備え、エバネッセント
結合によってマイクロ空洞１６０２に結合している。導波管１６１０の他方の末
端は、電気絶縁層１６１１、電気吸収変調器セクション１６１２、および高レフ
レクタ(high reflector)１６１４を備えている。この高レフレクタ１６１４は、
変調器１６１２内にパルスの衝突を誘発する作動を行い、モードロッキング性能
を高める。導波管１６２０の他方の末端は研磨面１６２４であり、光検出器１６
２２から、ギャップ１６２１の間隔をとって配置されている。その面１６２４は
部分ミラーとして働き、光の一部分を反射して導波管１６２０に戻し、そして残
りの部分を光検出器１６２２に伝送して、光出力と電気信号を生成する。電気リ
ンク１６３０を変調器１６１２と光検出器１６２２の間に結合させて電気出力を
生成させ、そしてその信号を送ってすなわちその電気信号を送って変調器１６１
２を制御する。

【００７７】その結果、二つの結合されたフィードバックループが装置１６００内に形成され
る。光ループが、ファブリーペロ共振器の配置構成の形態であり、高レフレクタ
１６１４と導波管１６２０の面１６２４との間に、変調器１６１２、導波管１６
１０、マイクロ空洞１６０２および導波管１６２０を介して形成されている。ギ
ャップ１６２１、検出器１６２２および電気リンク１６３０は、前記光ループに
結合されているもう一つの光電子ループを形成している。したがって、ＣＯＥＯ
１６００の配置構成は、図１５Ａに示すＣＯＥＯ１５００に利用されている配置
構成に類似している。それ故、同じモード整合条件が当てはまる。

【００７８】導波管１６１０と１６２０は、前記光ループが駆動電流によって活性化されたと
きレーザとして作動するように、活性でかつ利得媒体としても機能するようにド
ーピングされている。この電流は、電源に結合された適正な電気接点から流すこ
とができる。レーザの利得は、光検出器１６２２からの電気信号に応答して、変
調器１６１２によって電気的に変調される。

【００７９】光検出器１６２２は、構造が電気吸収変調器１６１２と同一であるが、特別にバ
イアスされて光検出器として作動する。その結果、光検出器１６２２と変調器１
６１２は、例えば数キロオームの程度の類似のインピーダンスを有しているので
、ほぼインピーダンスが整合している。変調器のスイッチング電圧２ボルト、お
よび変調器１６１２と光検出器１６２２のインピーダンス１キロオームという一
般的な値をとると、ＲＦ発振を維持するのに必要な光出力は、光検出器の応答度
が０．５Ａ／Ｗの場合、約１．２８ｍＷと推定される。このような光出力は、半
導体レーザで容易に得ることができる。したがって、インピーダンス整合条件下
で、図９に示す集積ＯＥＯ９００の場合のような、電気リンク１６３０中のＲＦ
増幅器は除くことができる。

【００８０】二つの導波管１６１０と１６２０は、基板１６０１上に、互いに隣接しかつ平行
に配置されて、光検出器１６２２と変調器１６１２は互いに接近している。この
配置によって、光検出器１６２２と変調器１６１２の間のワイヤボンディングな
どの接続手段を容易に利用できる。

【００８１】ごく少数の実施態様を説明してきたが、各種の変形と増強を、本願の特許請求の
範囲から逸脱することなく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、光共振器を有する単一ループの光電子発振器の一実施態様
を示す。

【図２Ａ】図１に示す発振器のモード整合条件を示す。

【図２Ｂ】図１に示す発振器のモード整合条件を示す。

【図２Ｃ】図１に示す発振器のモード整合条件を示す。

【図２Ｄ】図１に示す発振器のモード整合条件を示す。

【図３Ａ】図１に示す発振器のレーザと共振器の間の相対周波数（relative f
requency）のアクティブ制御の実施態様を示す。

【図３Ｂ】図１に示す発振器のレーザと共振器の間の相対周波数（relative f
requency）のアクティブ制御の実施態様を示す。

【図４Ａ】レーザまたは共振器をディザリングすることから生成するエラー信
号に基づいた周波数制御回路の作動を示す。

【図４Ｂ】レーザまたは共振器をディザリングすることから生成するエラー信
号に基づいた周波数制御回路の作動を示す。

【図５】光電子発振器の光共振器によって反射された光信号からその入力を受
け取る周波数制御回路の一実施態様を示す。

【図６】本発明の光電子発振器に使用できる光共振器の実施例を示す。

【図７】本発明の光電子発振器に使用できる光共振器の実施例を示す。

【図８Ａ】本発明の光電子発振器に使用できる光共振器の実施例を示す。

【図８Ｂ】本発明の光電子発振器に使用できる光共振器の実施例を示す。

【図９】そのすべての要素が半導体基板上に制作されている本発明の集積光電
子発振器の一実施態様を示す。

【図１０Ａ】光共振器を有する本発明のデュアルループ光電子発振器の実施例
を示す。

【図１０Ｂ】光共振器を有する本発明のデュアルループ光電子発振器の実施例
を示す。

【図１１】光共振器と周波数制御回路を備えた本発明の一実施態様のブリュア
ン光電子発振器を示す。

【図１２】図１１に示すブリュアン光電子発振器のモード整合条件を示す。

【図１３】単一レーザを使用してポンプレーザと信号レーザの両方を生成する
ブリュアン光電子発振器を示す。

【図１４】ブリュアン光電子ループと非ブリュアン光電子ループを有する代表
的なデュアルループのブリュアン光電子発振器を示す。

【図１５Ａ】光フィードバックループと光電子ループを有する結合光電子発振
器の一実施態様を示す。

【図１５Ｂ】図１５Ａに示す装置の共振器伝送ピーク、レーザモード、光電子
発振モードおよびＲＦフィルタの中心周波数と帯域幅のスペクトル関係を示す。

【図１５Ｃ】図１５Ａに示すシステムに基づいた二つの光共振器を有する結合
光電子発振器を示す。

【図１６】ウィスパリングギャラリーモードのマイクロ空洞に基づいた集積結
合光電子発振器の一実施態様を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号６０／１１７，５６８ (32)優先日平成11年１月27日(1999．1．27) (33)優先権主張国米国（ＵＳ） (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ヤオエックススティーブアメリカ合衆国カリフォルニア州 91109 パサデナメールコード298 オークグローブドライブ 4800 カリフォルニアインスティテュートオブテクノロジー (72)発明者マレキルートアメリカ合衆国カリフォルニア州 91109 パサデナメールコード298 オークグローブドライブ 4800 カリフォルニアインスティテュートオブテクノロジー (72)発明者イルチェンコブラディミールアメリカ合衆国カリフォルニア州 91109 パサデナメールコード298 オークグローブドライブ 4800 カリフォルニアインスティテュートオブテクノロジーＦターム(参考） 2H079 AA02 AA05 AA12 AA13 BA01 EA05 EA07 HA11 5F072 FF06 GG09 JJ05 JJ13 KK06 KK30 LL02 MM03 MM07 MM16 SS01 YY15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気変調信号を受けとる電気入力ポートおよび光キャリア周波数で入力光キャ
リア信号を受信する光入力ポートを有し、前記電気変調信号に関連した発振周波
数で変調された出力光キャリア信号を生成する光変調器と、前記出力光キャリア信号の少なくとも一部を受信するように結合された光部分
、および前記電気入力ポートに結合されて前記電気変調信号を生成する電気部分
を有し、前記電気変調信号に遅延を起こさせて、正のフィードバックを前記光変
調器に提供する光電子ループと、前記光電子ループの前記光部分に結合されている光共振器であって、フリース
ペクトルレンジが、前記光電子ループのモード間隔より第１の整数倍大きく、前
記光キャリア周波数より第２の整数倍小さく、そして前記発振周波数より第３の
整数倍小さい光共振器とを備えてなる光電子装置。
【請求項２】前記光変調器および前記光電子ループは、全ループ損失を超える全ループ利得
を有するクローズドループを形成する請求項1に記載の装置。
【請求項３】前記光変調器と前記光電子ループの一方に結合された周波数制御回路であって
、前記光共振器のモード周波数と前記光キャリアの周波数との差を示す信号を受
信して、前記差を、許容差範囲より小さくさせる制御信号を生成する周波数制御
回路をさらに備えている請求項１に記載の装置。
【請求項４】前記周波数制御回路は、前記光共振器の空洞長を調節するように結合されて、
前記モード周波数を、前記光キャリア周波数に関連して維持する請求項３に記載
の装置。
【請求項５】前記出力光キャリア信号を生成するためのレーザであって、前記周波数制御回
路に結合されて前記光キャリア周波数を前記モード周波数に関連して調節しかつ
維持するレーザをさらに備えている請求項３に記載の装置。
【請求項６】前記光共振器は、ファブリーペロ共振器を含んでいる請求項１に記載の装置。
【請求項７】前記ファブリーペロ共振器は、光ファイバーのセグメントを含んでいる請求項
６に記載の装置。
【請求項８】前記光共振器は、リング空洞を含んでいる請求項１に記載の装置。
【請求項９】前記リング空洞は、ファイバーリングで形成されている請求項８に記載の装置
。
【請求項１０】前記光共振器は、ウィスパリングギャラリーモードの共振器を含んでいる請求
項１に記載の装置。
【請求項１１】前記共振器は、誘電体の球体を含んでいる請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】前記光部分に接続されて、光エネルギーを、前記共振器におよび前記共振器か
ら、エバネッセント結合によって結合する二つの光結合器をさらに備えている請
求項１０に記載の装置。
【請求項１３】前記光電子ループは、前記光部分と電気部分の間に接続された光検出器を含ん
でいる請求項１に記載の装置。
【請求項１４】前記光電子ループは、前記電気部分に、電子バンドパスフィルタを含んでいる
請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】前記光電子ループは、前記電気部分に電気信号増幅器を含んでいる請求項１３
に記載の装置。
【請求項１６】前記光検出器および前記光変調器は、実質的に整合のとれたインピーダンスを
有している請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】前記電気部分は、前記光検出器と前記光変調器の間に信号増幅器を備えていな
い請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】前記光変調器の光変調に作用する追加の電気変調信号を、前記光変調器からの
出力信号に応答して生成するように結合された追加のフィードバックループであ
って、前記光電子ループの前記遅延と異なる遅延を有する少なくとも一つの追加
のフィードバックループをさらに備えている請求項１に記載の装置。
【請求項１９】前記追加のフィードバックループは、光電子ループである請求項１８に記載の
装置。
【請求項２０】前記光電子ループおよび前記追加のフィードバックループは、全ループ損失よ
り大きい全ループ利得を有している請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】前記光電子ループと前記追加のフィードバックループの少なくとも一方は、そ
れぞれのループ損失より小さいループ利得を有している請求項２０に記載の装置
。
【請求項２２】基板をさらに備え、その基板上に、前記光変調器、前記光電子ループおよび前
記光共振器が集積されている請求項１に記載の装置。
【請求項２３】レーザ発振を生成するレーザ共振器をさらに備え、前記レーザ共振器はその内
部の前記レーザ発振の光路に前記光変調器を含み、そして前記レーザ発振は前記
レーザ共振器のモードとオーバーラップする前記光共振器のモードのうち一つの
モード内にある請求項１に記載の装置。
【請求項２４】前記レーザ共振器は、リング共振器である請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】前記光変調器は、半導体の光吸収器を備えている請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】前記レーザ共振器は、ファブリーペロ共振器である請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】前記光共振器は、前記レーザ共振器内に配置されている請求項２３に記載の装
置。
【請求項２８】前記光共振器は、ウィスパリングギャラリーモードの共振器を含んでいる請求
項２７に記載の装置。
【請求項２９】ウィスパリングギャラリーモードの前記共振器は、誘電体の球体を含んでいる
請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】前記光電子ループの前記光部分は、前記出力光キャリア信号の方向のブリュア
ン散乱信号を、前記光キャリア信号の逆方向に伝搬する光ポンプ信号に応答して
生成するタイプの光媒体を含んでいる請求項１に記載の装置。
【請求項３１】前記入力光キャリア信号の一部を、前記光ポンプ信号として前記光部分に結合
する光結合要素をさらに備えている請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】前記入力光キャリア信号を生成する信号レーザ、および前記光ポンプ信号を生
成するポンプレーザをさらに備えている請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】半導体製の基板と、前記基板上に形成されて、レーザビームを生成する半導体レーザと、前記基板上に形成され、電気変調信号に応答して、前記半導体からの前記レー
ザビームを受け取って変調する半導体光変調器と、前記基板上に形成され、かつ前記光変調器から変調された光信号を受信するよ
うに結合されている第１導波管と、前記基板上に形成され、かつ前記変調された光信号の一部を受信するように前
記第１導波管に結合されている光共振器と、前記基板上に形成され、かつ前記光共振器内の前記変調された光信号の一部を
受信するように結合された第２導波管と、前記基板上に形成され、前記第２導波管からの光出力を受け取って電気信号に
変換する半導体の光検出器と、前記基板上に形成され、かつ前記光検出器と前記光変調器の間に結合されて、
前記電気変調信号を前記電気信号から生成する電気リンクとを備えている光電子装置。
【請求項３４】前記光共振器は、ウィスパリングギャラリーモードのマイクロ共振器である請
求項３３に記載の装置。
【請求項３５】前記マイクロ共振器は、誘電体の球体である請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】前記第１および第２導波管は、光エネルギーをエバネッセント結合によって、
前記マイクロ共振器におよび前記マイクロ共振器から結合するため、前記マイク
ロ共振器に隣接した結合部分を備えている請求項３４に記載の装置。
【請求項３７】前記光検出器および前記光変調器は、実質的に整合のとれたインピーダンスを
有している請求項３３に記載の装置。
【請求項３８】前記電気リンクは、前記光検出器と前記光変調器の間に、信号増幅器を備えて
いない請求項３３に記載の装置。
【請求項３９】前記光変調器は、電気吸収変調器である請求項３３に記載の装置。
【請求項４０】前記光検出器は、前記電気吸収変調器と構造が同一の装置であるが、バイアス
されて光検出器として作動する請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】前記光共振器は、前記光変調器、前記第１および第２導波管、前記光検出器、
ならびに前記電気リンクによって形成された光電子ループのモードのモード間隔
より整数倍大きいフリースペクトルレンジを有している請求項３３に記載の装置
。
【請求項４２】電気変調信号に応答して変化する１より大きい第１ループ利得を有するアクテ
ィブ光フィードバックループを有するレーザと、前記アクティブ光フィードバックループに結合され、前記レーザからのレーザ
出力に応答して前記電気変調信号を生成する光電子フィードバックループとを備えた光電子装置であって、前記光電子フィードバックループを、前記レーザからの前記レーザ出力の一部を受け取るように結合された光共振器
と、前記光共振器からの光出力を、電気信号に変換するように結合された光検出器
とで構成した光電子装置。
【請求項４３】前記レーザに結合されて、レーザ周波数を、前記光共振器の伝送ピークの周波
数に維持する装置をさらに備えている請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】前記光共振器に結合されて、前記光共振器の伝送ピークの周波数を、前記レー
ザのレーザ周波数に維持する装置をさらに備えている請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】前記レーザの前記アクティブ光フィードバックループ内に配置された第２光共
振器をさらに備えている請求項４２に記載の装置。
【請求項４６】半導体製の基板と、前記基板上に形成されて、電気変調信号に応答し、光ビームを変調する半導体
光変調器であって、光路を画成する第１サイドと反対側の第２サイドを有する半
導体光変調器と、前記光変調器の前記第１サイドに形成された光レフレクタと、前記基板上に形成された第１導波管であって、前記光変調器から変調された光
信号を受信しかつ前記光変調器から絶縁されている第１末端、および傾斜面を有
する第２末端を有する第１導波管と、ウィスパリングギャラリーモードで作動し、前記基板上に形成されそして前記
第１導波管の前記傾斜面にエバネッセント結合によって結合されている光共振器
と、前記基板上に形成された第２導波管であって、前記光共振器にエバネッセント
結合によって結合されている傾斜面を有する第１末端、および第２末端を有する
第２導波管と、前記基板上に形成された半導体光検出器であって、前記第２導波管の第２末端
から間隔をおいて配置され、前記第２導波管から光出力を受け取って電気信号に
変換する半導体光検出器と、前記基板上に形成された電気リンクであって、前記光検出器と前記光変調器の
間に結合されて、前記電気信号から前記電気変調信号を生成する電気リンクとを備えてなり、前記第１と第２の導波管は、光利得を生成するようにドーピングされて、前記
光レフレクタと前記第２導波管の前記第２末端との間に形成されたレーザ空洞に
レーザ発振を生成する光電子装置。
【請求項４７】前記光検出器および前記光変調器は、実質的に整合のとれたインピーダンスを
有する請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】前記電気リンクは、前記光検出器と前記光変調器の間に信号増幅器を備えてい
ない請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】前記光変調器は、電気吸収変調器である請求項４６に記載の装置。
【請求項５０】前記光検出器は、前記電気吸収変調器と構造が同一の装置であるが、バイアス
されて光検出器として作動する請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】前記光共振器は、前記光変調器、前記第１および第２導波管、前記光検出器、
ならびに前記電気リンクによって形成された光電子ループのモードのモード間隔
より整数倍大きいフリースペクトルレンジを有している請求項４６に記載の装置
。
【請求項５２】前記光共振器は、誘電体で製造された球体である請求項４６に記載の装置。
【請求項５３】前記追加のフィードバックループは、前記光変調器に関連する電気信号に遅延
を生じさせる電気ループである請求項１８に記載の装置。