КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ИСТОЧНИКА ДВОЙНЫХ ГРЕБЁНОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВ И СПОСОБ ГЕТЕРОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЯХ Российский патент 2019 года по МПК G02F1/39 G01J3/45 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области высокоточной оптической метрологии, и, в частности, к способу гетеродинного детектирования в метрологических применениях с использованием генерации двойных оптических гребёнок на основе оптических микрорезонаторов, к компактному устройству для гетеродинного детектирования в метрологических применениях, содержащему источник двойных оптических гребёнок на основе оптических микрорезонаторов. Более конкретно, изобретение может быть использовано в различных высокоточных метрологических применениях, таких как, но не ограничиваясь, оптическая Фурье спектроскопия с использованием двойной гребенки, когерентный ЛИДАР, обеспечивающий измерение расстояния с субмикронной точностью на малых и больших расстояниях, другие компактные радиочастотные устройства, обеспечивающие возможность преобразования с понижением частоты высокочастотных оптических сигналов в радиочастотный диапазон посредством оптического гетеродинирования частотных гребёнок и т.д.

Уровень техники

Существуют различные подходы к реализации источника двойных частотных гребёнок для оптических измерений, которые можно рассматривать как известные аналоги настоящего изобретения. Кроме того, источники информации, приведённые ниже, могут помочь специалисту в данной области техники в понимании физических принципов и/или конкретных материально-технических средств, лежащих в основе настоящего изобретения.

Один подход, описанный, например, в источниках A. Hugi и др. All solid state mid-infrared dual-comb spectroscopy platform based on QCL technology \\ Proc. Of SPIE Vol. 9370, 93701, 2015 г. ([1]), и G. Villares и др. Dual-comb spectroscopy based on quantum-cascade-laser frequency combs \\ Nature Communications, 5:5192, 2014 г. ([2]) основан на квантово-каскадных лазерах (QCL), доступных в среднем инфракрасном диапазоне спектра (λ~4-9 мкм) для молекулярной вращательно-колебательной абсорбционной спектроскопии. Два QCL, работающих в режиме частотных гребёнок при длине волны около λ~7 мкм, обеспечивали две оптических частотных гребёнки, имеющих расстояние между модами 7,451 ГГц и 7,464 ГГц, соответственно (разность или отстройка частот упомянутых двух оптических частотных гребёнок составляет 12,6 МГц). Первая частотная гребёнка была разделена на измерительный пучок и опорный пучок. Измерительный пучок пропускали через газовую камеру. Оба измерительный и опорный пучок объединяли со второй частотной гребёнкой и регистрировали посредством двух фотодетекторов. Обработка и сравнение двух интерферограмм обеспечивали спектр оптического поглощения, который был преобразован в радиочастотный диапазон. Спектральная ширина оптических частотных гребёнок QCL не превышает 50 см^-1, что обеспечивает узкий диапазон для спектрального измерения. Кроме того, работа QCL ограничивается только средним инфракрасным диапазоном спектра. Напротив, оптические частотные гребёнки, которые генерируются в оптических микрорезонаторах, охватывают широкий спектральный диапазон от длин волн видимого света до среднего инфракрасного диапазона и имеют спектральную ширину вплоть до октавной полосы частот.

Первые демонстрации генерации двойной частотной гребёнки и спектроскопии на основе двойной гребёнки с использованием пары интегрированных на чипе оптических микрорезонаторов представлены в источниках Avik Dutt и др. Spectrally Generation of Dual Frequency Combs using Cascaded Microring Resonators \\ CLEO: 2016 OSA ([4]), Myoung-Gyun Suh и др. Microresonator Soliton Dual-Comb Spectroscopy \\ arXiv:1607.08222v1 ([5]). В публикации [4] источник двойной гребёнки состоит из двух микрокольцевых резонаторов с немного различающимися радиусами, независимо соединенных с одним и тем же шинным волноводом. Источник двойной гребёнки изготовлен на платформе нитрида кремния. Встроенные микронагреватели с высокой степенью локализации теплового потока используются для совмещения резонансов обоих резонаторов для генерирования гребёнок с использованием одного лазера в качестве источника накачки. Сложность реализации двух частотных гребёнок с малой отстройкой расстояния между модами для измерений в широком спектральном диапазоне состоит в необходимости точного подбора радиусов двух резонаторов (Δr/r~Δf/f; где r, f - радиус и расстояние между модами резонаторов, соответственно, Δr, Δf - разность радиусов и отстройка расстояния между модами, соответственно). Подбор резонаторов требует их изготовления с субмикронной точностью размеров. В источнике [4] расстояние между модами микрорезонаторов составляет 444,6 ГГц и 453,3 ГГц, что обеспечивает Δf/f~2·10^-2. Были продемонстрированы радиочастотные (RF) биения, имеющие расстояние между модами 8,7 ГГц.

В публикации [5] более точный подбор двух резонаторов обеспечивает отстройку Δf~2,6 МГц для резонаторов, имеющих расстояние между модами f~22 ГГц (Δf/f~10^-4). Возможность такой малой отстройки была обеспечена путём точного литографического контроля производства клиновидных резонаторов методом химического травления. Было продемонстрировано преобразование с понижением частоты оптического спектра шириной 30 нм в районе длины волны λ~1550 нм в радиочастотный диапазон и генерирование радиочастотной гребёнки с расстоянием между модами 2,6 МГц.

Другой источник двойных оптических гребёнок описан в US2014/0192363A1, ʺSpectroscopy assemblyʺ, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Menlo Systems GmbH ([6]), и его можно рассматривать в качестве прототипа по отношению к настоящему изобретению. Известный источник двойной оптической гребёнки содержит спектроскопическую сборку, имеющую первый оптический микрорезонатор и второй оптический микрорезонатор, каждый из которых выполнен из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления. Спектроскопическая сборка дополнительно включает в себя по меньшей мере один волновод, который направляется вдоль оптического микрорезонатора на некотором расстоянии таким образом, что луч лазера с непрерывным излучением может быть введен в оптический микрорезонатор, и частотная гребёнка, сгенерированная в оптическом микрорезонаторе светом лазера с непрерывным излучением, может быть выведена из волновода. Оптические микрорезонаторы и по меньшей мере один волновод располагаются на общей подложке. Прототип относится к планарной спектроскопической сборке, т.е. к сборке на чипе, который может быть использован для спектроскопической характеризации молекул, газов или жидкостей. Главная особенность прототипа состоит в том, что для спектроскопической сборки необходимы по меньшей мере два микрорезонатора, таким образом, необходим подбор двух резонаторов для обеспечения необходимой отстройки оптических частотных гребёнок.

Раскрытие изобретения

С учётом охарактеризованных выше технических проблем предлагаемое изобретение будет теперь описано в качестве примера, но не ограничения, с обращением к описанию и чертежам, приведённым ниже.

Данное раскрытие предваряет подробное описание конкретных примерных вариантов выполнения для обеспечения обзора аспектов заявляемого изобретения, которые будут дополнительно пояснены ниже, и не предназначено для определения или ограничения объёма настоящего изобретения каким-либо образом.

Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства для гетеродинного детектирования, содержащего компактный источник двойной оптической гребёнки, которое может быть использовано в различных метрологических применениях, а также к способу гетеродинного детектирования с использованием устройства с компактным источником двойной оптической гребёнки.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении компактности устройства за счёт более компактного источника двойной оптической гребёнки. Кроме того, настоящее изобретение повышает стабильность и надежность источника двойной оптической гребёнки за счёт меньшего количества требуемых оптических компонентов, и, таким образом, оно повышает точность оптических измерений.

В одном аспекте настоящего изобретения предложен способ гетеродинного детектирования с использованием генерации двойной оптической гребёнки на основе оптических микрорезонаторов, причём способ содержит этапы, на которых: генерируют первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты, соответственно, причём первое значение и второе значения являются отличными друг от друга, причём упомянутая генерация содержит этап, на котором вводят излучение по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением, имеющее спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам мод, ответственных за генерирование оптических частотных гребёнок, в по меньшей мере один оптический микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности (т.е. интенсивности излучения) показатель преломления при уровне мощности выше пороговой величины накачки, таким образом, чтобы обеспечить параметрически сгенерированную первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку; и выводят первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку из, по меньшей мере одного, упомянутого оптического микрорезонатора.

В другом аспекте предложен способ гетеродинного детектирования с использованием генерации двойной оптической гребёнки на основе оптического микрорезонатора, причём способ содержит этапы, на которых: генерируют первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты, соответственно, причём первое значение и второе значения являются отличными друг от друга, причём упомянутая генерация содержит этап, на котором вводят излучение по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением, с электрооптически модулированным излучением, для генерирования боковых полос, соответствующих резонансным частотам мод, ответственных за генерацию оптических частотных гребёнок, в один оптический микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления при уровне мощности выше пороговой величины накачки, таким образом, чтобы обеспечить параметрически сгенерированные оптические частотные гребёнки; и выводят первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку из упомянутого оптического микрорезонатора.

В варианте выполнения способ согласно изобретению может дополнительно содержать этапы, на которых: разделяют первую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве сигнала, на измерительную оптическую частотную гребёнку и опорную оптическую частотную гребёнку; выполняют оптическое измерение с использованием измерительной оптической частотной гребёнки таким образом, что измерительная оптическая частотная гребёнка изменяется в результате оптического измерения; объединяют вторую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве гетеродина, с опорной оптической частотной гребёнкой и измерительной оптической частотной гребёнкой, которая изменена в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать два объединенных пучка двойных гребёнок; выполняют фотодетектирование объединенных пучков двойных гребёнок таким образом, чтобы сгенерировать радиочастотные (РЧ-) или микроволновые гетеродинные сигналы.

В другом варианте выполнения способ согласно изобретению может дополнительно содержать этапы, на которых: объединяют первую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве сигнала, и вторую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве гетеродина, в пучок двойной гребёнки; разделяют пучок двойной гребёнки на измерительный пучок двойной гребёнки и опорный пучок двойной гребёнки; выполняют оптическое измерение с использованием измерительного пучка двойной гребёнки таким образом, что пучок двойной гребёнки изменяется в результате оптического измерения; выполняют фотодетектирование опорного пучка двойной гребёнки и измерительного пучка двойной гребёнки, измененного в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать РЧ- или микроволновые гетеродинные сигналы.

Способ согласно изобретению может дополнительно содержать этап, на котором выполняют синхронизацию частот по меньшей мере одного лазера с непрерывным излучением с соответствующими резонансными частотами по меньшей мере одного оптического микрорезонатора посредством механизма синхронизации. Упомянутая синхронизация может содержать инжекционную самосинхронизацию путём ввода света, рассеянного в обратном направлении в по меньшей мере одном оптическом микрорезонаторе, назад в по меньшей мере один компактный лазер с непрерывным излучением.

В другом аспекте изобретения предложено устройство для гетеродинного детектирования, содержащее источник двойной оптической гребёнки на основе оптических микрорезонаторов, причём источник содержит: по меньшей мере, один оптический микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления; по меньшей мере один лазер с непрерывным излучением, имеющий спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам мод, ответственных за генерацию оптических частотных гребёнок, и направляемые для взаимодействия по меньшей мере с одним оптическим микрорезонатором, таким образом, чтобы обеспечить генерацию первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты, соответственно, причём первое значение и второе значение являются отличными друг от друга; по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью ввода излучения из упомянутого по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением, в упомянутый по меньшей мере один оптический микрорезонатор; и по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью вывода луча, содержащего первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку, из упомянутого по меньшей мере одного оптического микрорезонатора.

В другом аспекте предложено устройство для гетеродинного детектирования, содержащее источник двойной оптической гребёнки на основе оптического микрорезонатора, причём источник содержит: один оптический микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления; по меньшей мере, один лазер с непрерывным излучением, с электрооптически модулированным излучением, для генерирования боковых полос, соответствующих резонансным частотам мод, ответственных за генерирование оптических частотных гребёнок, и направляемые для взаимодействия с оптическим микрорезонатором, таким образом, чтобы обеспечить генерирование первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты, соответственно, причём первое значение и второе значение являются отличными друг от друга; по меньшей мере, один оптический элемент связи, выполненный с возможностью ввода излучения из упомянутого по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением в упомянутый оптический микрорезонатор; и по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью вывода луча, содержащего первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку, из упомянутого оптического микрорезонатора.

В варианте выполнения источника согласно изобретению упомянутый по меньшей мере один оптический резонатор расположен один под другим, имеют общую ось вращения и выполнены из одного кристалла. Упомянутый по меньшей мере один оптический микрорезонатор и/или упомянутый по меньшей мере один лазер и/или упомянутый по меньшей мере один оптический элемент связи интегрированы на общем полупроводниковом чипе.

В другом варианте выполнения устройство согласно изобретению может дополнительно содержать: делитель пучка, выполненный с возможностью разделения первой оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве сигнала, на измерительную оптическую частотную гребёнку и опорную оптическую частотную гребёнку; среду оптического измерения, в которой выполняется оптическое измерение с использованием измерительной оптической частотной гребёнки таким образом, что измерительная оптическая частотная гребёнка изменяется в результате оптического измерения; по меньшей мере один объединитель пучка, выполненный с возможностью объединения второй оптической частотной гребёнки с опорной оптической частотной гребёнкой и измерительной оптической частотной гребёнкой, которая изменена в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать два объединенных пучка двойных гребёнок; по меньшей мере один фотодетектор, выполненный с возможностью приема объединенных пучков двойных гребёнок и генерирования РЧ- или микроволновых гетеродинных сигналов.

В другом варианте выполнения устройство согласно изобретению может дополнительно содержать: объединитель пучка, выполненный с возможностью объединения первой оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве сигнала, и второй оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве гетеродина, в пучок двойной гребёнки; делитель пучка, выполненный с возможностью разделения пучка двойной гребёнки на измерительный пучок двойной гребёнки и опорный пучок двойной гребёнки; среду оптического измерения, в которой выполняется оптическое измерение с использованием измерительного пучка двойной гребёнки таким образом, что измерительный пучок двойной гребёнки изменяется в результате оптического измерения; и по меньшей мере, один фотодетектор, выполненный с возможностью приема опорного пучка двойной гребёнки и измерительного пучка двойной гребёнки, измененного в результате оптического измерения, и генерирования РЧ- или микроволновых гетеродинных сигналов.

В ещё одном варианте выполнения устройство согласно изобретению может дополнительно содержать лазерный механизм синхронизации, выполненный с возможностью синхронизации частоты по меньшей мере одного лазера с соответствующими резонансными частотами по меньшей мере одного оптического микрорезонатора. Лазерный механизм синхронизации может быть лазерным диодным механизмом синхронизации, основанным на инжекционной самосинхронизации путём ввода света, рассеянного в обратном направлении в по меньшей мере одном оптическом микрорезонаторе, назад в по меньшей мере один лазер.

Краткое описание чертежей

После приведённой выше общей характеристики задачи настоящего изобретения и его аспектов обратимся теперь к конкретным примерным вариантам выполнения заявляемого изобретения, которые представлены в подробном описании, приведённом ниже, которое предназначено для изучения вместе с сопровождающими чертежами и не предназначено для определения или ограничения объёма изобретения каким-либо образом, но обеспечивает конкретные примеры его реализации. Специалистам в данной области техники будет понятно, что другие варианты выполнения, модификации или эквивалентные замены могут быть очевидны на основании сведений настоящего описания, и все такие варианты выполнения, модификации и эквивалентные замены считаются входящими в объём настоящего изобретения.

Чертежи приведены исключительно в целях иллюстрации в качестве помощи при прочтении и для понимания описания, и не должны рассматриваться каким-либо образом как определяющие или ограничивающие объём изобретения. На чертежах:

На Фиг. 1-4 показана архитектура генерации оптических частотных гребёнок, оптического измерения с использованием оптических частотных гребёнок, и гетеродинирования в различных вариантах выполнения заявляемого изобретения, которые приводят к генерированию радиочастотных (РЧ) или микроволновых сигналов в процессе оптических измерений.

На Фиг. 5A-E и Фиг. 6A-F показаны различные схемы оптической системы, которая реализует генерацию оптических частотных гребёнок с использованием оптических микрорезонаторов в соответствии с различными вариантами выполнения заявляемого изобретения.

Фиг. 7 иллюстрирует примерную структуру двойного оптического микрорезонатора в соответствии с одним из вариантов выполнения заявляемого изобретения, в котором оптические микрорезонаторы расположены один под другим на одной общей оси вращения.

Фиг. 8 иллюстрирует способ ввода лазерного луча в оптические микрорезонаторы в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения, в котором лазерный луч вводится в структуру двойного оптического микрорезонатора посредством конических волокон;

Фиг. 9 иллюстрирует способ ввода лазерного луча в оптические микрорезонаторы в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения, в котором лазерный луч вводится в структуру двойного оптического микрорезонатора посредством призмы.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение было выполнено с учётом различных решений из уровня техники, продемонстрированных выше, и направлено, в частности, на устранение и/или уменьшение по меньшей мере некоторых из недостатков вышеупомянутых решений из уровня техники. В частности, варианты выполнения заявляемого изобретения, перечисленные выше, обеспечивают устройство для гетеродинного детектирования в метрологических применениях, основанное на особенно компактном источнике двойных оптических частотных гребёнок, и способ гетеродинного детектирования с использованием упомянутого источника двойных оптических частотных гребёнок, которые обеспечивают возможность высокоточных оптических измерений. Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные примерные варианты выполнения заявляемого изобретения ни в коем случае не должны быть истолкованы как определяющие или ограничивающие объём заявляемого изобретения, и что другие материально-технические средства, эквивалентные или очевидным образом аналогичные перечисленным ниже, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники для выполнения различных операций, функция, этапов способа и т.п., описанных ниже. Настоящее подробное описание не предназначено для определения или ограничения объёма заявляемого изобретения, который должен определяться только путём обращения к приложенной формуле изобретения.

В данном описании понятия «частотная гребёнка», «оптическая частотная гребёнка», «гребёнка» наделены одинаковым смыслом и могут использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста. Понятия «двойная гребёнка», «двойная оптическая частотная гребёнка» или «двойная частотная гребёнка» означают одно и то же и могут использоваться взаимозаменяемо либо в отношении оптического пучка в свободном пространстве или волновода, объединяющего первую гребёнку и вторую гребёнку, или в отношении радиочастотного сигнала, получаемого гетеродинированием двух гребёнок, в зависимости от контекста. Гетеродинирование частотных гребёнок является методикой обработки радиосигнала, которая генерирует новый частотный сигнал после понижающего преобразования, в частности двойную частотную гребёнку, путём объединения или смешивания двух гребёнок. Упомянутые две оптических гребёнки объединяются в устройстве обработки нелинейного сигнала, таком как фотодиод, обычно называемом микшером. Понятие «микрорезонатор» означает кольцевой резонатор, имеющий характерный размер 0,1-10 мм и обеспечивающий возможность распространения «мод шепчущей галереи». «Моды шепчущей галереи» или «волны шепчущей галереи» представляют собой тип волны, которая может распространяться вокруг вогнутой поверхности. Впервые они были обнаружены у звуковых волн в шепчущей галерее собора Св. Павла в Лондоне, и они могут существовать у световых и других волн. В данном описании понятия «микрорезонатор мод шепчущей галереи», «микрорезонатор», «резонатор» наделены одинаковым смыслом и могут использоваться взаимозаменяемо в зависимости от контекста.

В настоящем изобретении по меньшей мере один микрорезонатор необходим для генерирования двух оптических частотных гребёнок, и это преодолевает проблему точного подбора двух резонаторов, связанную с их изготовлением с субмикронной точностью размера.

В то же время, источник оптических гребёнок на основе оптических микрорезонаторов, лежащий в основе устройства согласно изобретению, не требует внешнего высокочастотного генератора, в отличие, например, от источника двойных гребёнок для высокоточного измерения расстояния, описанного в публикации C. Weimann и др. Silicon Photonics Integrated Circuit for Fast Distance Measurement with Frequency Combs \\ CLEO 2014 OSA ([3]), и таким образом источник частотных гребёнок согласно изобретению может быть более компактным. За счёт меньшего фазового шума в генерируемой микрорезонатором оптической частотной гребёнке может быть значительно повышена точность измерений на её основе, в частности точность измерений расстояния посредством источника двойных гребёнок, содержащего такой микрорезонатор, может достигать субмикронного уровня. Источники двойных частотных гребёнок, раскрытые в источниках [4, 5], с парой интегрированных на чипе резонаторов все же не являются компактными из-за громоздких перестраиваемых лазеров, используемых для их накачки. Настоящее изобретение основано на генерировании гребёнок в резонаторе, накачиваемом посредством компактного лазерного диода, частота которого захвачена с резонансной частотой резонатора посредством внешней обратной связи.

Известно, что оптический микрорезонатор из кристаллического MgF₂, накачиваемый компактным лазером с распределённой обратной связью (DFB), частота которого захвачена с резонансной частотой оптического резонатора посредством внешней обатной связи, обеспечивает компактный источник оптических гребёнок (см., например, US 8111722 B1, Low-noise RF oscillation and optical comb generation based on nonlinear optical resonator, OEwaves, Inc. ([7]), W. Liang и др. Spectrally Pure RF Photonics Source Based on a Resonant Optical Hyper-Parametric Oscillator \\ Proc. of SPIE, Vol. 8960, 896010, 2010 ([8]), или W. Liang и др. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator \\ Nature Communications, 6:7957, август 2015 г. ([9])). Когда DFB-лазер соединён с оптическим микрорезонатором с использованием призмы с полным внутренним отражением, часть света рассеивается обратно в DFB-лазер за счёт резонансного рэлеевского рассеяния, включая инжекционную самосинхронизацию лазера с частотой выбранной моды оптического микрорезонатора. Этот эффект инжекционной самосинхронизации приводит к уменьшению ширины линии лазера на 3-4 порядка по сравнению с шириной линии свободно распространяющегося DFB-лазера, что необходимо для эффективного ввода лазерного луча в оптический микрорезонатор и генерации оптической частотной гребёнки. Однако поскольку одночастотный DFB-лазер (с шириной линии в ~1-10 МГц) имеет спектральную составляющую, которая соответствует только одной резонансной частоте моды оптического микрорезонатора, только одна оптическая частотная гребёнка может быть сгенерирована в одном оптическом микрорезонаторе. В то же время, в настоящем изобретении предложено генерирование двух оптических частотных гребёнок в одном оптическом микрорезонаторе или в двух отдельных оптических микрорезонаторах с использованием только одного лазера с непрерывным излучением, в частности многомодового лазера, имеющего спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам, ответственным за оптические частотные гребёнки. Однако настоящее изобретение не обязательно ограничено использованием только одного лазера с непрерывным излучением, и могут также быть использованы два лазера с непрерывным излучением, каждый из которых обеспечивает накачку одного из оптических микрорезонаторов.

Первое усовершенствование по сравнению с уровнем техники для настоящего изобретения состоит в возможности использования только одного оптического микрорезонатора, выполненного из материала, который имеет зависящий от интенсивности показатель преломления, для генерации двух частотных гребёнок со слегка различным расстоянием между модами. Исследования показали возможность генерирования двух частотных гребёнок посредством одного и того же микрорезонатора, таким образом обеспечивая возможность спектроскопии посредством двойной оптической гребёнки с одним оптическим микрорезонатором, и исключение необходимости субмикронной точности при подборе радиусов двух оптических микрорезонаторов, чтобы отстройка расстояния между модами была достаточно небольшой. Обычно расстояние между модами или свободный спектральный диапазон оптической частотной гребёнки определяется радиусом r оптического микрорезонатора в виде ~c/2πr·n, где c - скорость света, n - показатель преломления материала, из которого состоит оптический микрорезонатор. Более конкретно, r означает радиус траектории света в микрорезонаторе или эффективный радиус моды света, который может быть слегка отличным от геометрического радиуса микрорезонатора для определённой моды света. Различие между геометрическим и эффективным радиусами микрорезонатора указывает на глубину распространения моды света от поверхности микрорезонатора. Микрорезонатор с определённой геометрией может обеспечивать возможность распространения различных наборов мод с различными эффективными радиусами на различные глубины от поверхности оптического микрорезонатора. Частотные гребёнки с различным расстоянием между модами могут соответствовать различным наборам мод резонатора. Одновременная генерация двух оптических гребёнок в одном микрорезонаторе требует спектральных компонентов в спектре лазера, обеспечивающего накачку, которые соответствуют резонансным частотам мод из упомянутых различных наборов. Одна возможность состоит в использовании двух лазеров с непрерывным излучением, настроенных на резонансные частоты двух мод. Другая возможность состоит в использовании одного лазера с непрерывным излучением, настроенного на первую резонансную моду, в сочетании с электрооптическим модулятором для генерирования оптических боковых полос, одна из которых соответствует второй резонансной моде. Ещё одна возможность состоит в использовании одного двухчастотного лазера с непрерывным излучением или многомодового лазера с непрерывным излучением, имеющего спектральные компоненты, которые соответствуют резонансным частотам двух мод из различных наборов мод оптического микрорезонатора для генерации гребёнок.

Таким образом, второе усовершенствование по сравнению с уровнем техники для настоящего изобретения состоит в возможности использования только одного лазера с непрерывным излучением со спектральными компонентами, которые соответствуют резонансным частотам мод оптического микрорезонатора, для накачки двух оптических частотных гребёнок с немного различающимся расстоянием между модами. В частности, обеспечивающий накачку лазер с непрерывным излучением может быть двухчастотным лазером или многомодовым лазером, имеющим две частоты для генерирования двух гребёнок.

Третье усовершенствование по сравнению с уровнем техники для настоящего изобретения состоит в использовании компактных полупроводниковых лазерных диодов вместо громоздких перестраиваемых лазеров с внешеним резонатором для генерации частотных гребёнок. Генерация частотных гребёнок в оптическом микрорезонаторе, накачиваемом компактным DFB-лазером, который синхронизирован посредством инжекционной самосинхронизации с оптическим микрорезонатором, описано в источниках [7-9]. Механизм синхронизации реализован посредством оптической обратной связи благодаря резонансному рэлеевскому обратному рассеиванию света, циркулирующего в резонаторе с высокой добротностью (Q). В результате синхронизации DFB-лазерный диод автоматически настраивается на резонансную частоту моды резонатора и эффективно производит накачку мощностью моды резонатора с увеличенной спектральной плотностью света, таким образом генерируя гребёнку. В данном случае микрорезонатор с высокой добротностью служит как для генерации лазерного излучения с использованием внешнего резонатора, так и для генерации частотных гребёнок.

В настоящем изобретении предложен аналогичный механизм синхронизации для генерирования частотных гребёнок с использованием любого лазерного диода, который имеет спектральные компоненты, соответствующие резонансной частоте моды резонатора, в частности многомодового лазерного диода. В случае синхронизации мощность лазерного излучения перераспределяется в спектральной области в пользу резонансных частот моды резонатора для генерирования гребёнки. Механизм синхронизации также обеспечивает эффективную накачку для двух частотных гребёнок с различным расстоянием между модами, если лазерный диод имеет спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам мод, соответствующих одному и тому же или различным микрорезонаторам. Так, две частотных гребёнки для источника двойных гребёнок могут быть сгенерированы с использованием только одного микрорезонатора и одного лазерного диода с непрерывным излучением, синхронизированного посредством инжекционной самосинхронизации с резонатором и имеющего спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам мод, ответственных за генерацию гребёнок.

Основные усовершенствования по сравнению с уровнем техники в отношении генерации двойной гребёнки, описанные выше, упрощают структуру источника двойной гребёнки, лежащего в основе устройства согласно изобретению, и обеспечивают большую стабильность и надежность, повышая точность измерений и компактность, и таким образом обеспечивая возможность встраивания источника двойной гребёнки в мобильные датчики.

В общем случае, заявляемое устройство содержит источник двойной гребёнки, содержащий по меньшей мере один лазер с непрерывным излучением, который имеет спектральные компоненты, которые соответствуют резонансным частотам мод, ответственных за генерацию оптических частотных гребёнок, и направляемые для взаимодействия с одним или двумя микрорезонаторами для генерации двух гребёнок по меньшей мере один оптический элемент связи, который вводит лазерный луч в упомянутые один или два оптических микрорезонатора, и по меньшей мере один оптический элемент связи, который выводит луч из упомянутых одного или двух оптических микрорезонаторов. Данный источник двойной гребёнки генерирует основу устройства для гетеродинного детектирования в различных метрологических применениях согласно изобретению за счёт обеспечения двойной оптической гребёнки, которая используются для выполнения измерений, результат которых в конечном итоге выводят посредством упомянутого гетеродинирования.

Варианты выполнения устройства с источником двойной гребёнки содержат различные средства для интерферометрического объединения частотных гребёнок в двойные гребёнки до оптического измерения и после него, фотодетекторы для гетеродинирования оптических гребёнок и генерирования микроволновых или радиочастотных сигналов, которые являются результатом понижающего преобразования измеренных оптических сигналов в радиочастотные сигналы. В вариантах выполнения заявляемого изобретения используются примерные варианты кристаллического двойного резонатора в качестве части источника двойной оптической гребёнки, которые обеспечивают возможность гнерации двух оптических частотных гребёнок, имеющих немного различающееся расстояния между модами.

Обращаясь теперь к Фиг. 1-4, на которых показана архитектура генерации оптических частотных гребёнок, оптического измерения с использованием оптических частотных гребёнок и гетеродинирования в различных вариантах выполнения заявляемого изобретения, результатом которых являются радиочастотные (РЧ) или микроволновые сигналы, в процессе оптических измерений, оптические частотные гребёнки 1, 2, генерируемые в оптических микрорезонаторах и имеющие множество мод, разнесённых на первое значение частоты и второе значение частоты, соответственно, при этом первое и второе значения являются отличными друг от друга, объединяются в двойную гребёнку для гетеродинного измерения.

На Фиг. 1-2 схематично показан один вариант выполнения настоящего изобретения, в котором первая оптическая частотная гребёнка 1, действующая в качестве сигнала, разделяется посредством делителя пучка 9 на измерительную оптическую частотную гребёнку 3 и опорную оптическую частотную гребёнку 4. Измерительная оптическая частотная гребёнка 3, измененная в результате измерения, выполняемого в среде 15 оптического измерения, и опорная оптическая частотная гребёнка 4 объединяются со второй оптической частотной гребёнкой 2 посредством объединителей пучка 11, 12 таким образом, чтобы сгенерировать две двойных гребёнки 7, 8, соответственно. Фотодетектирование двойных гребёнок 7, 8 выполняется с использованием двух фотодетекторов 13, 14 (как показано на Фиг. 1) или одного фотодетектора 13 (как показано на Фиг. 2). В различных вариантах выполнения среда 15 оптического измерения может быть реализована, не ограничиваясь, в виде камеры для образца в спектроскопическом датчике, подобном описанному в вышеупомянутом источнике информации [1], или в виде свободного пространства, в котором необходимо выполнить измерение расстояния, в случае датчика для измерения расстояния. В настоящей заявке вышеупомянутые камера для образца или свободное пространство названы «средой оптического измерения», а пропускание измерительной оптической частотной гребёнки 3 через них названо в общем этапом «выполнения оптического измерения» в контексте настоящего изобретения. В результате процесса оптического измерения через среду оптического измерения, которая схематично показана ссылочной позицией 15, могут изменяться амплитуды (спектральная огибающая) и фазы каждой моды измерительной оптической частотной гребёнки 3. Затем результат оптического измерения выводят после сравнения измерительной двойной оптической гребёнки 7 и опорной двойной оптической гребёнки 8, регистрируемых в радиочастотном диапазоне. Варианты выполнения, показанные на Фиг. 1-2, могут быть предпочтительными, если для оптического измерения в спектральном диапазоне, определяемом частотными гребёнками, требуется не только амплитудная, но и фазовая информация, поскольку сравнение измерительной двойной гребёнки 7 и опорной двойной гребёнки 8, объединенных после пропускания через среду 15 оптического измерения, является чувствительным к изменению амплитуды и фазы измерительной двойной гребёнки 7 в среде 15 оптического измерения. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, используются два фотодетектора при одновременном измерении измерительной двойной гребёнки 7 и опорной двойной гребёнки 8, как в спектрометре, и среда 15 оптического измерения представляет собой газовую камеру или образец, через который осуществляется пропускание. Вариант выполнения, показанный на Фиг. 2, в котором имеется только один фотодетектор, может использоваться, когда происходит задержка измерительной двойной гребёнки 7 по сравнению с опорной двойной гребёнкой 8, что имеет место главным образом в дальномерных датчиках и лидарах, в которых среда 15 оптического измерения представляет собой свободное пространство на измеряемом расстоянии.

В любом случае, специалист в данной области техники признает, что сам по себе тот факт, что какие-либо из вариантов выполнения, описанные в настоящей заявке, называются «преимущественными» или «предпочтительными» в определённом отношении, не означает, что такие варианты являются в общем случае «предпочтительными» по отношению к другим вариантам, описанным в данном документе.

На Фиг. 3-4 схематично показан другой вариант выполнения, в котором оптические частотные гребёнки 1, 2 сначала объединяются в пучок 16 двойной оптической гребёнки посредством одного объединителя 11 пучка, затем пучок 16 двойной оптической гребёнки разделяется на измерительный пучок 17 двойной гребёнки и опорный пучок 18 двойной гребёнки посредством одного делителя 9 пучка. Пучок 17 двойных гребёнок, который изменяется в результате оптического измерения в среде 15 оптического измерения аналогично тому, что было описано выше с обращением к Фиг. 1-2, и опорный пучок 18 двойной гребёнки регистрируются двумя фотодетекторами 13, 14 (как показано на Фиг. 3) или одним фотодетектором 13 (как показано на Фиг. 4). Варианты выполнения, показанные на Фиг. 3-4, являются предпочтительными, когда для оптического измерения в спектральном диапазоне, определяемом гребёнками, необходима только амплитудная информация (т.е. изменение спектральной огибающей мод частотной гребёнки), поскольку сравнение измерительного пучка 17 двойной гребёнки и опорного пучка 18 двойной гребёнки, объединенных перед средой 15 оптического измерения, является нечувствительным к изменению фазы в среде 15 оптического измерения. Аналогично описанному выше, в варианте выполнения по Фиг. 3 используются два фотодетектора, когда измерительный пучок 17 двойной гребёнки, измененный после пропускания через среду 15 оптического измерения, и опорный пучок 18 двойной гребёнки измеряются одновременно, как в спектрометре. Вариант выполнения по Фиг. 4, в котором имеется только один фотодетектор, используется, когда имеет место задержка измерительного пучка 17 двойной гребёнки по сравнению с опорным пучком 18 двойной гребёнки.

Следует отметить, что Фиг. 1-4 являются чисто схематичными, и компоновка компонентов, представленных на Фиг. 1-4, ни в коем случае не предназначена для демонстрации фактической пространственной компоновки, которая может быть использована в вариантах выполнения настоящего изобретения на практике. Другие пространственные компоновки компонентов, упомянутых выше, могут быт очевидны специалисту в данной области техники.

Фиг. 5-6 схематично иллюстрируют оптическую систему, реализующую настоящее изобретение, в которой реализовано генерирование первой и второй оптических частотных гребёнок 1, 2 с использованием оптических микрорезонаторов 21, 22.

В вариантах выполнения, показанных на Фиг. 5A-E, используется только один компактный лазер 19 с непрерывным излучением для накачки обоих оптических микрорезонаторов 21, 22.

В случае, если излучение компактного лазера 19 с непрерывным излучением имеет спектральные компоненты, которые соответствуют резонансным частотам мод резонатора, не требуется электрооптический модулятор 23 (показанный пунктирной линией на Фиг. 5С).

В соответствии с аспектами настоящего изобретения, охарактеризованными в Раскрытии изобретения, способ согласно изобретению содержит генерирование первой оптической частотной гребёнки 1 и второй оптической частотной гребёнки 2, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты, соответственно, причём первое значение и второе значение являются отличными друг от друга, причём упомянутое генерирование содержит ввод излучения по меньшей мере одного компактного лазера 19 с непрерывным излучением, имеющего спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам мод, ответственных за генерацию оптических частотных гребёнок, по меньшей мере в один оптический микрорезонатор 21 (Фиг. 5C), выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, при уровне мощности выше пороговой величины накачки, таким образом, чтобы обеспечить параметрически сгенерированные первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку; и вывод первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки из по меньшей мере одного оптического микрорезонатора. В данном варианте выполнения также используется механизм 26 синхронизации, который синхронизирует частоты компактного лазера 19 с непрерывным излучением с соответствующими резонансными частотами по меньшей мере одного оптического микрорезонатора 21 (Фиг. 5C).

Как показано на Фиг. 5A, лазерный луч 24 вводится в оптические микрорезонаторы посредством элемента связи 27, а также выводится из оптических микрорезонаторов 21, 22 посредством того же элемента связи 27.

В других вариантах выполнения, например как показано на Фиг. 5B, элемент связи 29 может быть выполнен с возможностью ввода лазерного луча 24 в оптические микрорезонаторы 21, 22.

В варианте выполнения по Фиг. 5C используется только один элемент связи 27 как для ввода лазерного луча 24 в единственный оптический микрорезонатор 21 и вывода лазерного луча из оптического микрорезонатора 21.

На Фиг. 5D проиллюстрирован вариант выполнения, в котором используются два оптических микрорезонатора 21, 22, и механизм 26 синхронизации синхронизирующий частоты компактного лазера 19 с непрерывным излучением с соответствующими резонансными частотами оптических микрорезонаторов 21, 22. В данном случае лазерное излучение из компактного лазера 19 с непрерывным излучением разделяется посредством делителя пучка (не показан) на лазерные лучи 24 и 25, которые вводятся в оптические микрорезонаторы 21, 22 посредством элементов связи 27, 28, соответственно.

На Фиг. 5E показан другой вариант выполнения, в котором лазерное излучение из компактного лазера 19 с непрерывным излучением разделяется на лазерные лучи 24 и 25 посредством делителя пучка (не показан), используется механизм 26 синхронизации для синхронизации частот компактного лазера 19 с непрерывным излучением с соответствующими резонансными частотами оптических микрорезонаторов 21, 22, элементы связи 29, 30 вводят лазерные лучи 24, 25, соответственно, в оптические микрорезонаторы 21, 22, и элементы связи 31, 32 используются в данном варианте выполнения для вывода лазерных лучей из оптических микрорезонаторов 21, 22 соответственно.

В соответствии с аспектом, способ содержит генерирование первой оптической частотной гребёнки 1 и второй оптической частотной гребёнки 2, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты, соответственно, причём первое значение и второе значение отличны друг от друга, причём упомянутое генерирование содержит ввод по меньшей мере одного компактного лазера 19 с непрерывным излучением с электрооптически модулированным излучением 23 для генерирования боковых полос, соответствующих резонансным частотам мод, ответственных за генерирование оптических частотных гребёнок, в оптический микрорезонатор 21 (Фиг. 5C), выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, с уровнем мощности выше пороговой величины накачки, таким образом, чтобы обеспечить параметрически сгенерированные оптические частотные гребёнки; и вывод первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки из оптического микрорезонатора.

Результатом работы вариантов выполнения оптической системы, проиллюстрированных на Фиг. 5A-E, являются первая оптическая частотная гребёнка 1 и вторая оптическая частотная гребёнка 2. Варианты выполнения, показанные на Фиг. 5B, 5E, являются предпочтительными, если необходимо отфильтровать сгенерированные оптические частотные гребёнки 1, 2 от луча лазера накачки, что повышает точность измерения. С другой стороны, дополнительные элементы связи 31, 32, которые выводят оптические частотные гребёнки из оптических микрорезонаторов 21, 22, снижают нагруженную добротность оптических микрорезонаторов, причём данное снижение может быть негативным для определённых применений. Один оптический микрорезонатор 21 (Фиг. 5C), генерирующий две частотных гребёнки 1, 2 и накачиваемый одним компактным лазером 19 с непрерывным излучением, имеющим спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам для генерирования гребёнок, обеспечивает наиболее компактный источник двойных гребёнок, но возможное взаимное влияние частотных гребёнок, которое нежелательно для некоторых применений, требует генерирования отдельных оптических частотных гребёнок посредством двух оптических микрорезонаторов 21, 22.

Фиг. 6A-F схематично иллюстрируют генерирование первой и второй оптических частотных гребёнок 1, 2 с использованием двух компактных лазеров 19, 20 с непрерывным излучением. В данном случае, опять же, в различных вариантах выполнения используется один оптический микрорезонатор 21 или два оптических микрорезонатора 21, 22. Опять же, как и на Фиг. 5A-E, описанных выше, элемент связи 27 или элементы связи 27, 28 могут использоваться как для ввода лазерного луча 24 или лазерных лучей 24, 25 в оптические микрорезонаторы 21, 22, так и для вывода их из оптических микрорезонаторов 21, 22, соответственно, или элемент связи 29 или элементы связи 29, 30 могут использоваться для ввода лазерного луча 24 или лазерных лучей 24, 25 в оптические микрорезонаторы 21, 22, соответственно, а элементы связи 31, 32 могут использоваться для вывода лазерного луча из микрорезонаторов 21, 22, соответственно.

На Фиг. 6A показан вариант выполнения, в котором лазерные лучи 24, 25 подаются компактными лазерами 19, 20 с непрерывным излучением в элементы связи 29, 30, соответственно, которые вводят лазерные лучи 24, 25 в оптические микрорезонаторы 21, 22, соответственно. Показаны механизмы 26 синхронизации, каждый из которых предназначен для синхронизации частоты соответствующего одного из компактных лазеров 19, 20 с непрерывным излучением с соответствующей резонансной частотой соответствующего одного из оптических микрорезонаторов 21, 22 для соответствующего одного из лазерных лучей 24, 25. Элементы связи 31, 32 выводят лазерные лучи из оптических микрорезонаторов 21, 22, соответственно.

На Фиг. 6B структура оптической системы является в основном такой же, как описано выше с обращением к Фиг. 6A, за исключением того, что в варианте выполнения по Фиг. 6B используется только один элемент связи 31 для вывода лазерных лучей из оптических микрорезонаторов 21, 22.

На Фиг. 6C показан вариант выполнения, в котором лазерные лучи 24, 25 подаются компактными лазерами 19, 20 с непрерывным излучением в элементы связи 27, 28, соответственно, которые выполнены с возможностью как ввода лазерных лучей 24, 25 в оптические микрорезонаторы 21, 22, так и вывода лазерных лучей из оптических микрорезонаторов 21, 22, соответственно. Опять же, показаны механизмы 26 синхронизации, каждый из которых предназначен для синхронизации частоты соответствующего одного из компактных лазеров 19, 20 с непрерывным излучением с соответствующей резонансной частотой соответствующего одного из оптических микрорезонаторов 21, 22 для соответствующего одного из лазерных лучей 24, 25.

На Фиг. 6D проиллюстрирован вариант выполнения, в котором лазерное излучение, обеспечиваемое двумя компактными лазерами 19, 20 с непрерывным излучением, объединяется в один лазерный луч 24, 25 посредством объединителя 11 пучка. Лазерный луч 24, 25 вводится в один оптический микрорезонатор 21 посредством одного элемента связи 27, который также используется для вывода лазерного луча из одного оптического микрорезонатора 21. Также показан один механизм 26 синхронизации, который синхронизирует частоты обоих из компактных лазеров 19, 20 с непрерывным излучением с соответствующими резонансными частотами одного оптического микрорезонатора 21.

На Фиг. 6E показан другой вариант выполнения заявляемого изобретения, в котором представлена другая структура оптической системы. Вариант выполнения по Фиг. 6E основан на использовании двух компактных лазеров 19, 20 с непрерывным излучением и одного оптического микрорезонатора 21, а также двух механизмов 26 синхронизации для синхронизации частот двух компактных лазеров 19, 20 с непрерывным излучением с резонансными частотами одного оптического микрорезонатора 21. В данном варианте выполнения элемент связи 27 выполнен с возможностью ввода лазерного луча 24 от компактного лазера 19 с непрерывным излучением в оптический микрорезонатор 21, а элемент связи 29 выполнен с возможностью ввода лазерного луча 25 от компактного лазера 20 с непрерывным излучением в оптический микрорезонатор 21. В то же время, оба лазерных луча выводятся из одного оптического микрорезонатора 21 посредством элемента связи 27.

Фиг. 6F иллюстрирует вариант выполнения, в котором оптическая система, реализующая настоящее изобретение, содержит два компактных лазера 19, 20 с непрерывным излучением, один оптический микрорезонатор 21 и два механизма 26 синхронизации для синхронизации частот компактных лазеров 19, 20 с непрерывным излучением с резонансной частотой одного оптического микрорезонатора 21 для каждого из лазерных лучей 24, 25, как в варианте выполнения по Фиг. 6E, описанном выше. В отличие от предыдущего варианта выполнения, на Фиг. 6F показаны элементы связи 27, 28, каждый из которых выполнен с возможностью ввода соответствующего одного из лазерных лучей 24, 25 в один оптический микрорезонатор 21 и вывода его из оптического микрорезонатора 21, соответственно.

Два компактных лазера 19, 20 с непрерывным излучением из вариантов выполнения, представленных на Фиг. 6A-F, могут быть использованы, когда необходим более мощный луч лазерной накачки или более мощные сгенерированные оптические частотные гребёнки. Варианты выполнения отличаются друг от друга по компактности, нагруженной добротности микрорезонаторов, чистоте генерируемых оптических гребёнок от излучения накачки, взаимному влиянию оптических частотных гребёнок и/или лазеров. Выбор определённого варианта выполнения зависит от конкретного применения заявляемого изобретения.

Следует отметить, что компоновки компонентов оптической системы, реализующей настоящее изобретение, показанные на Фиг. 5 и 6, являются чисто схематичными, и что Фиг. 5 и 6 ни в коем случае не предназначены для того, чтобы отражать фактическую пространственную компоновку компонентов оптической системы, при этом различные пространственные компоновки компонентов, описанных выше, могут быть очевидными специалисту в данной области техники в той мере, в которой взаимодействия между этими компонентами соответствуют тому, что описано выше. В частности, хотя на Фиг. 5 и 6 оптические микрорезонаторы 21, 22 указаны кружками, которые расположены рядом друг с другом, но отдельно друг от друга, специалисту в данной области техники будет понятно, что в предпочтительном варианте выполнения заявляемого изобретения оптические микрорезонаторы 21, 22 могут быть размещены друг над другом на общей оси 33 вращения, как описано ниже. Как указано выше, механизм 26 синхронизации синхронизирует частоты компактных лазеров 19, 20 с непрерывным излучением с резонансными частотами соответствующих оптических микрорезонаторов 21, 22. На практике по меньшей мере в одном из вариантов выполнения механизм 26 синхронизации может быть основан на инжекционной синхронизации путём ввода света, обратно рассеиваемого в оптических микрорезонаторах 21, 22, обратно в компактные лазеры 19, 20 с непрерывным излучением. Как показано выше, на Фиг. 5C и 6D, E, F оптические частотные гребёнки 1, 2, имеющие различное расстояние между модами, генерируются в одном оптическом микрорезонаторе 21. По меньшей мере в одном из вариантов выполнения оптические частотные гребёнки 1, 2 могут соответствовать различным наборам резонансных мод. Оптические частотные гребёнки 1, 2, генерируемые в результате работы вариантов выполнения оптической системы, проиллюстрированной на Фиг. 5 и 6, затем объединяются в двойные гребёнки для измерения и гетеродинирования в соответствии со схемами, которые описаны выше с обращением к Фиг. 1-4.

Фиг. 7 схематично иллюстрирует один из возможных вариантов выполнения двойного оптического микрорезонатора в соответствии с настоящим изобретением. На Фиг. 7 оптические микрорезонаторы 21, 22, реализованные в форме тел вращения, выполненные из одного кристалла на одном цилиндре, расположены друг над другом и имеют одну общую ось 33 вращения. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что такая компоновка оптических микрорезонаторов 21, 22 приведена только в качестве примера и ни в коем случае не предназначена для ограничения объёма заявляемого изобретения таким частным вариантом выполнения, однако такой вариант выполнения можно рассматривать как обладающий преимуществами и/или предпочтительный в определённых отношениях, в частности, среди прочего, поскольку он может способствовать компактности источника оптических частотных гребёнок согласно изобретению.

Фиг. 8 иллюстрирует способ ввода лазерных лучей в оптический микрорезонатор в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения, в котором лазерные лучи вводятся в структуру двойного оптического микрорезонатора посредством конических волокон, которые обычно имеют форму биконического волокна с узкой частью, имеющей характерный размер ~1 мкм, изготовленного химическим травлением или вытягиванием под нагревом одномодового оптоволокна. На Фиг. 8, лазерный луч 24, 25 вводится в структуру двойного оптического микрорезонатора, содержащую оптические микрорезонаторы 21, 22, посредством двух конических волокон 34, 35, которые контактируют с оптическими микрорезонаторами своими узкими частями. Этот пример соответствует схемам оптической системы, которая реализует генерирование оптических частотных гребёнок, в соответствии с Фиг. 5D, 6C.

Фиг. 9 иллюстрирует другой возможный способ ввода лазерных лучей в оптический микрорезонатор в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения, в котором лазерные лучи вводятся в структуру двойного оптического микрорезонатора посредством призмы. На Фиг. 9 лазерный луч 24 вводится в структуру двойного оптического микрорезонатора, содержащую оптические микрорезонаторы 21, 22, через одну оптическую призму связи 36. Клиновидный делитель 38 пучка, наполовину введённый в лазерный луч 24, разделяет лазерный луч 24 путём отклонения его части на определённый угол, и имеется фокусирующая линза 37, которая фокусирует лазерный луч перед его попаданием в оптическую призму связи 36. В данной схеме необходима только одна соединительная призма для двух оптических микрорезонаторов.

Специалисту в данной области техники будет понятно, что Фиг. 8 и 9 демонстрируют лишь два из множества возможных примеров материально-технических средств, которые могут вводить лазерные лучи в структуру двойного оптического микрорезонатора, как описано выше. Примеры, представленные на Фиг. 8 и 9, ни в коем случае не предназначены для ограничения объёма вариантов выполнения настоящего изобретения.

Выше приведено подробное описание конкретных примерных вариантов выполнения изобретения, которые предназначены для иллюстрации, но не для ограничения материально-технических средств, которые реализуют источник двойной оптической гребёнки и способ гетеродинного детектирования с использованием упомянутого источника двойной оптической гребёнки, их функциональные свойства и взаимосвязь между ними, а также режим работы источника двойной оптической гребёнки и способа гетеродинного детектирования. Другие варианты выполнения, которые входят в объём настоящего изобретения, могут стать очевидными специалисту в данной области техники после внимательного прочтения приведённого выше описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объём настоящего изобретения. Порядок, в котором этапы способа согласно изобретению указаны в формуле, не обязательно определяет фактическую последовательность, в которой предполагается выполнение этапов способа, и некоторые этапы способа могут быть выполнены по существу одновременно, один за другим или в любой надлежащей последовательности, если иное не указано конкретно и/или не обусловлено контекстом настоящего изобретения. Определённые этапы способа также могут выполняться однократно или любое другое надлежащее количество раз, даже если это и не определено в формуле изобретения или где-либо ещё в материалах заявки.

Все непатентные источники информации, а также патентная литература, приведённые и рассмотренные в данном документе, настоящим включены в настоящее описание путём ссылки, насколько это применимо.

При том, что настоящее изобретение было показано и описано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалисту в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в форме и в подробностях, не выходящие за рамки объёма настоящего изобретения, который определяется только приложенной формулой изобретения и её эквивалентами.

Список литературы

[1] A. Hugi и др. All solid state mid-infrared dual-comb spectroscopy platform based on QCL technology\\ Proc. Of SPIE Vol. 9370, 93701, 2015 г.

[2] G. Villares и др. Dual-comb spectroscopy based on quantum-cascade-laser frequency combs \\ Nature Communications, 5:5192, 2014 г.

[3] C. Weimann и др. Silicon Photonics Integrated Circuit for Fast Distance Measurement with Frequency Combs \\ CLEO 2014 OSA

[4] Avik Dutt и др. Spectrally Generation of Dual Frequency Combs using Cascaded Microring Resonators \\ CLEO: 2016 OSA

[5] Myoung-Gyun Suh и др. Microresonator Soliton Dual-Comb Spectroscopy \\ arXiv:1607.08222v1

[6] US 2014/0192363 A1, Spectroscopy assembly, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Menlo Systems GmbH

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

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

[9] W. Liang и др. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator \\ Nature Communications, 6:7957, август 2015 г.

Изобретение относится к области оптической метрологии и касается способа гетеродинного детектирования с использованием генерирования двойной оптической гребёнки на основе оптических микрорезонаторов. Способ включает в себя генерацию двух оптических частотных гребёнок. Первая и вторая гребенки имеют множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты соответственно. Генерация включает в себя ввод излучения по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением, имеющего спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам мод, ответственных за генерацию оптических частотных гребёнок, по меньшей мере в один микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления. При этом выполняют синхронизацию частот по меньшей мере одного компактного лазера с резонансными частотами мод по меньшей мере одного микрорезонатора таким образом, чтобы превысить пороговую величину накачки и обеспечить параметрически сгенерированные первую и вторую оптические частотные гребёнки. Технический результат заключается в повышении компактности, стабильности и надежности источника двойной оптической гребенки. 4 н. и 16 з.п. ф-лы. 9 ил.

1. Способ гетеродинного детектирования с использованием генерирования двойной оптической гребёнки на основе оптических микрорезонаторов, причём способ содержит этапы, на которых:

- генерируют первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты соответственно, причём первое значение и второе значение являются отличными друг от друга, причём упомянутое генерирование содержит этапы, на которых:

вводят излучение по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением, имеющее спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам мод, ответственных за генерирование оптических частотных гребёнок, по меньшей мере в один оптический микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления, и

выполняют синхронизацию частот упомянутого по меньшей мере одного компактного лазера с соответствующими резонансными частотами мод упомянутого по меньшей мере одного оптического резонатора посредством механизма синхронизации таким образом, чтобы превысить пороговую величину накачки и обеспечить параметрически сгенерированные первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку; и

- выводят первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку из упомянутого по меньшей мере одного оптического микрорезонатора.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:

- разделяют первую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве сигнала, на измерительную оптическую частотную гребёнку и опорную оптическую частотную гребёнку;

- выполняют оптическое измерение с использованием измерительной оптической частотной гребёнки таким образом, что измерительная оптическая частотная гребёнка изменяется в результате оптического измерения;

- объединяют вторую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве гетеродина, с опорной оптической частотной гребёнкой и измерительной оптической частотной гребёнкой, которая изменена в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать два объединенных пучка двойных гребёнок;

- выполняют фотодетектирование объединенных пучков двойных гребёнок таким образом, чтобы сгенерировать радиочастотные (РЧ-) или микроволновые гетеродинные сигналы.

3. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:

- объединяют первую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве сигнала, и вторую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве гетеродина, в пучок двойной гребёнки;

- разделяют пучок двойной гребёнки на измерительный пучок двойной гребёнки и опорный пучок двойной гребёнки;

- выполняют оптическое измерение с использованием измерительного пучка двойной гребёнки таким образом, что пучок двойной гребёнки изменяется в результате оптического измерения;

- выполняют фотодетектирование опорного пучка двойной гребёнки и измерительного пучка двойной гребёнки, измененного в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать РЧ- или микроволновые гетеродинные сигналы.

4. Способ по п. 1, в котором упомянутая синхронизация содержит инжекционную синхронизацию путём ввода света, рассеянного в обратном направлении в по меньшей мере одном оптическом микрорезонаторе, назад в по меньшей мере один компактный лазер с непрерывным излучением.

5. Способ гетеродинного детектирования с использованием генерирования двойной оптической гребёнки на основе оптических микрорезонаторов, причём способ содержит этапы, на которых:

- генерируют первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты соответственно, причём первое значение и второе значение являются отличными друг от друга, причём упомянутое генерирование содержит этап, на котором вводят излучение по меньшей мере одного компактного лазера с электрооптически модулированным непрерывным излучением для генерирования боковых полос, соответствующих резонансным частотам мод, ответственных за генерирование оптических частотных гребёнок, в один оптический микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления при уровне мощности выше пороговой величины накачки, таким образом, чтобы обеспечить параметрически сгенерированные оптические частотные гребёнки; и

- выводят первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку из упомянутого одного оптического микрорезонатора.

6. Способ по п. 5, дополнительно содержащий этапы, на которых:

- разделяют первую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве сигнала, на измерительную оптическую частотную гребёнку и опорную оптическую частотную гребёнку;

- выполняют оптическое измерение с использованием измерительной оптической частотной гребёнки таким образом, что измерительная оптическая частотная гребёнка изменяется в результате оптического измерения;

- объединяют вторую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве гетеродина, с опорной оптической частотной гребёнкой и измерительной оптической частотной гребёнкой, которая изменена в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать два объединенных пучка двойных гребёнок;

- выполняют фотодетектирование объединенных пучков двойных гребёнок таким образом, чтобы сгенерировать РЧ- или микроволновые гетеродинные сигналы.

7. Способ по п. 5, дополнительно содержащий этапы, на которых:

- объединяют первую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве сигнала, и вторую оптическую частотную гребёнку, которая действует в качестве гетеродина, в пучок двойной гребёнки;

- разделяют пучок двойной гребёнки на измерительный пучок двойной гребёнки и опорный пучок двойной гребёнки;

- выполняют оптическое измерение с использованием измерительного пучка двойной гребёнки таким образом, что пучок двойной гребёнки изменяется в результате оптического измерения;

- выполняют фотодетектирование опорного пучка двойной гребёнки и измерительного пучка двойной гребёнки, измененного в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать РЧ- или микроволновые гетеродинные сигналы.

8. Устройство для гетеродинного детектирования, содержащее источник двойной оптической гребёнки на основе оптических микрорезонаторов, причём источник содержит:

- по меньшей мере один оптический микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления;

- по меньшей мере один компактный лазер с непрерывным излучением, имеющим спектральные компоненты, соответствующие резонансным частотам мод, ответственных за генерирование оптических частотных гребёнок, и направляемые для взаимодействия по меньшей мере с одним оптическим микрорезонатором;

- лазерный механизм синхронизации, выполненный с возможностью синхронизации частот упомянутого по меньшей мере одного компактного лазера с соответствующими резонансными частотами упомянутого по меньшей мере одного оптического микрорезонатора таким образом, чтобы обеспечить генерирование первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты соответственно, причём первое значение и второе значение являются отличными друг от друга;

- по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью ввода излучения из упомянутого по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением в упомянутый по меньшей мере один оптический микрорезонатор; и

- по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью вывода луча, содержащего первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку, из упомянутого по меньшей мере одного оптического микрорезонатора.

9. Устройство по п. 8, в котором

упомянутый по меньшей мере один оптический резонатор содержит два оптических резонатора, расположенные один под другим, имеющие общую ось вращения и выполненные из одного кристалла.

10. Устройство по п. 8, в котором

упомянутый по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью ввода излучения от упомянутого по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением в упомянутый по меньшей мере один оптический микрорезонатор, содержит по меньшей мере одно коническое волокно, выполненное с возможностью контактирования с упомянутым по меньшей мере одним оптическим микрорезонатором своей узкой частью.

11. Устройство по п. 8, в котором

упомянутый по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью ввода излучения от по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением в упомянутый по меньшей мере один оптический микрорезонатор, содержит оптическую призму связи, клиновидный делитель пучка, введённый наполовину в лазерный луч, выполненный с возможностью разделения лазерного луча путём отклонения его части на определённый угол, и фокусирующую линзу, выполненную с возможностью фокусирования лазерного луча до того, как он попадает в оптическую соединительную призму.

12. Устройство по п. 8, в котором

упомянутый по меньшей мере один оптический микрорезонатор, и/или упомянутый по меньшей мере один компактный лазер с непрерывным излучением, и/или упомянутый по меньшей мере один оптический элемент связи интегрированы на общем полупроводниковом чипе.

13. Устройство по п. 8, дополнительно содержащее:

- делитель пучка, выполненный с возможностью разделения первой оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве сигнала, на измерительную оптическую частотную гребёнку и опорную оптическую частотную гребёнку;

- среду оптического измерения, в которой выполняется оптическое измерение с использованием измерительной оптической частотной гребёнки таким образом, что измерительная оптическая частотная гребёнка изменяется в результате оптического измерения;

- по меньшей мере один объединитель пучка, выполненный с возможностью объединения второй оптической частотной гребёнки с опорной оптической частотной гребёнкой и измерительной оптической частотной гребёнкой, которая изменена в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать два объединенных пучка двойных гребёнок;

- по меньшей мере один фотодетектор, выполненный с возможностью приема объединенных пучков двойных гребёнок и генерирования РЧ- или микроволновых гетеродинных сигналов.

14. Устройство по п. 8, дополнительно содержащее:

- объединитель пучка, выполненный с возможностью объединения первой оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве сигнала, и второй оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве гетеродина, в пучок двойной гребёнки;

- делитель пучка, выполненный с возможностью разделения пучка двойной гребёнки на измерительный пучок двойной гребёнки и опорный пучок двойной гребёнки;

- среду оптического измерения, в которой выполняется оптическое измерение с использованием измерительного пучка двойной гребёнки таким образом, что измерительный пучок двойной гребёнки изменяется в результате оптического измерения; и

- по меньшей мере один фотодетектор, выполненный с возможностью приема опорного пучка двойных гребёнок и измерительного пучка двойных гребёнок, измененного в результате оптического измерения, и генерирования РЧ- или микроволновых гетеродинных сигналов.

15. Устройство по п. 8, в котором

лазерный механизм синхронизации является лазерным диодным механизмом синхронизации, основанным на инжекционной синхронизации путём ввода света, рассеянного в обратном направлении в по меньшей мере одном оптическом микрорезонаторе, назад в по меньшей мере один компактный лазер с непрерывным излучением.

16. Устройство для гетеродинного детектирования, содержащее источник двойной оптической гребёнки на основе оптических микрорезонаторов, причём источник содержит:

- один оптический микрорезонатор, выполненный из материала, имеющего зависящий от интенсивности показатель преломления;

- по меньшей мере один компактный лазер с электрооптически модулированным непрерывным излучением для генерирования боковых полос, соответствующих резонансным частотам мод, ответственных за генерирование оптических частотных гребёнок, и направляемых для взаимодействия с упомянутым одним оптическим микрорезонатором, таким образом, чтобы обеспечить генерирование первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки, причём каждая из первой оптической частотной гребёнки и второй оптической частотной гребёнки имеет множество мод, разнесённых на первое значение и второе значение частоты соответственно, причём первое значение и второе значение являются отличными друг от друга;

- по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью ввода лазерного излучения из упомянутого по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением в упомянутый один оптический микрорезонатор; и

- по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью вывода луча, содержащего первую оптическую частотную гребёнку и вторую оптическую частотную гребёнку, из упомянутого одного оптического микрорезонатора.

17. Устройство по п. 16, в котором

упомянутый по меньшей мере один оптический элемент связи, выполненный с возможностью ввода лазерного излучения от упомянутого по меньшей мере одного компактного лазера с непрерывным излучением в упомянутый один оптический микрорезонатор, содержит по меньшей мере одно коническое волокно, выполненное с возможностью контактирования с упомянутым одним оптическим микрорезонатором своей узкой частью.

18. Устройство по п. 16, в котором

упомянутый один оптический микрорезонатор, и/или упомянутый по меньшей мере один компактный лазер с непрерывным излучением, и/или упомянутый по меньшей мере один оптический элемент связи интегрированы на общем полупроводниковом чипе.

19. Устройство по п. 16, дополнительно содержащее:

- делитель пучка, выполненный с возможностью разделения первой оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве сигнала, на измерительную оптическую частотную гребёнку и опорную оптическую частотную гребёнку;

- среду оптического измерения, в которой выполняется оптическое измерение с использованием измерительной оптической частотной гребёнки таким образом, что измерительная оптическая частотная гребёнка изменяется в результате оптического измерения;

- по меньшей мере один объединитель пучка, выполненный с возможностью объединения второй оптической частотной гребёнки с опорной оптической частотной гребёнкой и измерительной оптической частотной гребёнкой, которая изменена в результате оптического измерения, таким образом, чтобы сгенерировать два объединенных пучка двойных гребёнок;

- по меньшей мере один фотодетектор, выполненный с возможностью приема объединенных пучков двойных гребёнок и генерирования РЧ- или микроволновых гетеродинных сигналов.

20. Устройство по п. 16, дополнительно содержащее:

- объединитель пучка, выполненный с возможностью объединения первой оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве сигнала, и второй оптической частотной гребёнки, которая действует в качестве гетеродина, в пучок двойной гребёнки;

- делитель пучка, выполненный с возможностью разделения пучка двойной гребёнки на измерительный пучок двойной гребёнки и опорный пучок двойной гребёнки;

- среду оптического измерения, в которой выполняется оптическое измерение с использованием измерительного пучка двойной гребёнки таким образом, что измерительный пучок двойной гребёнки изменяется в результате оптического измерения;

- по меньшей мере один фотодетектор, выполненный с возможностью приема опорного пучка двойной гребёнки и измерительного пучка двойной гребёнки, измененного в результате оптического измерения, и генерирования РЧ- или микроволновых гетеродинных сигналов.