周波数安定化レーザー・システム
【課題】周波数安定化レーザ・システムを提供する。
【解決手段】レーザー安定化システム１００は、第１の端部及び第２の端部を備えたレーザー源１０４と、第１の端部及び第２の端部を備えた第１の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部がレーザー源１０４の第１の端部に結合される第１の導波管部と、第１の端部及び第２の端部を備えた第２の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部がレーザー源１０４の第２の端部に結合される第２の導波管部と、第１の導波管部の第２の端部と第２の導波管部の第２の端部との間に結合された共鳴振動数を備えたマイクロキャビティ１０２から成る。さらに、マイクロキャビティ１０２とレーザー源１０４との間に結合された電子ロッキングループ１０８が、レーザー源１０４をマイクロキャビティ１０２の共鳴振動数に電子的にロックする。
【解決手段】レーザー安定化システム１００は、第１の端部及び第２の端部を備えたレーザー源１０４と、第１の端部及び第２の端部を備えた第１の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部がレーザー源１０４の第１の端部に結合される第１の導波管部と、第１の端部及び第２の端部を備えた第２の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部がレーザー源１０４の第２の端部に結合される第２の導波管部と、第１の導波管部の第２の端部と第２の導波管部の第２の端部との間に結合された共鳴振動数を備えたマイクロキャビティ１０２から成る。さらに、マイクロキャビティ１０２とレーザー源１０４との間に結合された電子ロッキングループ１０８が、レーザー源１０４をマイクロキャビティ１０２の共鳴振動数に電子的にロックする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願についてのクロス・リファレンス
[0001] 本出願は、2011年5月24日に米国に仮出願された出願番号第61/489,659号に基づく優先権を有し、その開示はリファレンスとしてここに組み入れられる。
【背景技術】
【０００２】
[0002] より大きなレーザー技術が、2、3のヘルツ（Hz）のライン幅のレーザー源を提供することができ、より大きなレーザーシステムの高い電力消費および物理的なサイズは、レーザー・ジャイロスコープ、原子時計および分配されたファイバー光学センシングのような多くの市販用途に関しては容認できない。
【０００３】
[0003] いくつかのレーザー技術がレーザーのライン幅を減らすために波長選択フィルタとしてマイクロキャビティを使用すると共に、多くのマイクロキャビティのライン幅はマイクロキャビティの大きな自由なスペクトル範囲（FSR）のために、全く大きい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004] レーザー安定化システムは、
第１の端部及び第２の端部を備えたレーザー源と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第１の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部が前記レーザー源の第１の端部に結合されることを特徴とする第１の導波管部と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第２の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部が前記レーザー源の第２の端部に結合されることを特徴とする第２の導波管部と、
前記第１の導波管部の第２の端部と前記第２の導波管部の第２の端部との間に結合されたマイクロキャビティであって、該マイクロキャビティが共鳴振動数を備えることを特徴とするマイクロキャビティと、
前記マイクロキャビティと前記レーザー源との間に結合された電子ロッキングループであって、該電子ロッキングループが、前記レーザー源を前記マイクロキャビティの共鳴振動数に電子的にロックし、前記第１の導波管部が、前記マイクロキャビティと前記レーザー源との間に結合された光学ロッキングループであり、前記光学ロッキングループが、前記レーザー源を前記マイクロキャビティの共鳴振動数に光学的にロックする、ことを特徴とする電子ロッキングループと、
前記マイクロキャビティと結合するマイクロキャビティ安定化ループであって、該マイクロキャビティ安定化ループが、リファレンス周波数に対して前記マイクロキャビティの共鳴振動数を安定化させることを特徴とする、マイクロキャビティ安定化ループと、
前記レーザー安定化システムから光を出力するための出力部と、
を有することを特徴とする。
【０００５】
[0005] 図面は典型的な実施形態だけを表し、したがって、限定するように解釈されるべきではなく、典型的な実施形態は添付の図面および詳細な説明によってで追加的な特性を理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】[0006] 図１は、本発明の周波数安定化レーザー・システムのブロック図である。
【図２】[0007] 図２は、本発明のレーザーを安定化させる方法200を例示しているフローチャートである。
【図３】[0008] 図３は、本発明の図１に示される周波数安定化レーザー・システムを利用する光ファイバ・ジャイロスコープのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0009] 一般の慣行によれば、種々の記載されている特徴は、一定の比率で描かれず、典型的な実施形態に関連する特定の特徴を強調するように描かれる。
[0010] 以下の詳細な説明では、本願発明の一部を形成する図面を参照して説明特定の例示の実施形態を介して示される。しかし、他の実施形態が利用されることができ、論理的、機械的、および、電気的な変更がなされ得ると理解されよう。さらに、図面および明細書に示される方法は、個々のステップが実行されることができる命令を制限することとして解釈されることになっていない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味にはとられない。
【０００８】
[0011] この説明は、ウェーハレベルの狭いライン幅の異成分から成る単一の周波数レーザーを含む、マイクロキャビティを備える周波数安定化レーザー・システムの方向性である。ある実施態様では、これらの周波数安定化レーザー・システムは、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）互換性を持つシリコン基板または他の適当な基板材料上に製造される。ある実施態様では、これらの周波数安定化レーザー・システムが、レーザー・ジャイロスコープ、原子時計、分配されたファイバー光学センシングおよび他の商用光学的センシングアプリケーションで使われる。
【０００９】
[0012] 実施形態によっては、非常に狭いライン幅を有する安定したリファレンスキャビティが、含まれる。キャビティの技巧は、100KHzのレベルにキャビティのライン幅に達するために極めて高いことを必要とする。whispering-gallery-modes（WGMs）に基づくマイクロキャビティは、高いスタンドアロン品質要因（Ｑファクタ）を提供することができる。マイクロキャビティが波長選択構成要素および光学的電動転送ツールとして使われるときに、高いＱファクタは導波管とマイクロキャビティとの間の高いカップリング損失によって減少する。カップリング損失は、マイクロキャビティのライン幅の増加を引き起こすことができる。
【００１０】
[0013] 図１は、本発明によるレーザー安定化システム100（また、マイクロキャビティ周波数安定化レーザー・システムと称される）のブロック図である。典型的な実施形態において、システム100はレーザーの周波数を安定させる周波数安定化レーザー・システムである。システム100は、２つの別々の係止環状線によって安定する。具体的には、システム100は、受動的なマイクロキャビティのwhispering-gallery-mode (WGM)に、レーザーダイオードを安定させるために、自己注入光学ロッキングとPound-Drever-Hall (PDH)エレクトロニックフィードバックロッキングとの間で用いる。
【００１１】
[0014] PDHロッキングループ108は、予め定められた周波数にまで、レーザー源（例えば単一の周波数レーザー104）をロックするのに用いる。具体的には、PDHロッキング・ループ108は、Hzレベルでレーザーライン幅を制御するのに用いる。ある実施態様では、シリコンチップ上のヘテロジニアス設計は、それをCMOSエレクトロニクスと互換性を持つようにする。このように、システム100は、小さなシリコン-オン-絶縁体（SOI）チップ上にCMOS互換性を持つヘテロジニアス非常に狭いライン幅半導体レーザ（例えば単一の周波数レーザー104）を含む。図１の図示した実施形態において、大きいサイズのマイクロキャビティ102（例えばマイクロ・ディスク、マイクロ・リングまたは他の適当なマイクロキャビティ）が、単一の周波数レーザー104（例えばマルチ電極（配布されたフィードバック）DFBレーザー）を安定させるためにリファレンスキャビティとして使われる。他の実施形態では、他のレーザー源が、単一の周波数レーザー104の代わりに使われる。より高いQマイクロキャビティを製造することはより容易であるのでそれがよりかなりのキャビティサイズを有する、大きいサイズ・マイクロキャビティがマイクロキャビティ102のために好まれると共に、他の実施態様はマイクロキャビティ102のためのより小さいサイズ・マイクロキャビティを使用する。マイクロキャビティ102が、Pound-Drever-Hallロッキング信号として使われることができる反射信号を出力するためにリファレンスキャビティとして使われる。ある実施態様では、大部分のレーザーパワーは、リファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）の前に、Y-カプラ（例えばY-カプラ114）から放射される。レーザーの少ない分だけは、パッシブリファレンスマイクロキャビティ102にロックされるのに用いられ、それゆえ、リファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）が、キャビティの内部でハイパワーによって妨げられるのを得ない。
【００１２】
[0015] 図１に示されるシステム100において、マイクロキャビティ102は、大きいサイズのマイクロキャビティ（例えば400ミクロンを超える）である。ある実施態様では、大きなサイズのマイクロキャビティ102は、ほぼ107（ほぼ1000万）または109（ほぼ10億）のレベルでＱファクタを可能にする。かかる高いQ値は、ほぼ100-200KHzのライン幅を有するマイクロキャビティ102に結果としてなる。マイクロキャビティ102の高いＱファクタを維持するために、結合導波管106は、あまりマイクロキャビティ102に近くないように配置される。導波管106が図1に示されるシステム100の実施態様で使われると共に、他の実施態様は導波管106の代わりにファイバーを使用する。
【００１３】
[0016] 重大なカップリング状態が達されるとき、導波管106（それは、また、PDHロッキング理論のマイクロキャビティから、反射ポートと考慮される）の伝達ポートは、シャープなディップ（sharp dip）を見る。シャープなディップは、ほぼ100KHz以下のライン幅から生じる。シャープなディップが、Pound-Drever-Hall（PDH）ロック機構110のための判別式として使われることができる。共鳴振動数と同様に、リファレンスキャビティの屈折率は、注入-電流誘導された電気光学効果によって、能動的に制御されることができる。速い制御ループ（自己注入ロッキングループ107の光学位相変調）および遅い制御ループ（PDHロッキングループ108の電子直流変調）は、レーザー周波数を安定させるのに用いられる。実施形態によっては、第3の安定化ループ（例えばマイクロリング安定化ループ109）は、高いQマイクロキャビティ（例えばマイクロキャビティ102）の共鳴振動数を安定させるのに用いる。
【００１４】
[0017] 導波管ベースの位相変調器は、PDHロッキングループ108のための高周波領域で、位相を調整するのに用いられる。図１に示される実装において、位相変調器は単一の周波数レーザー104に組み込まれる。（PDHロッキングループ108によって）レーザーの直流変調は、低速でレーザーを調整するのに用いられる。導波管ベースの光アイソレータ112は、後方のレーザーを遮断するのに用いられる。Y-カプラ114は、出力部116からのシステム100およびPDHロッキングループ108のために使われるリファレンスレーザービームから発されるメイン・レーザービームを切り離すのに用いられる。導波管ベースの光アイソレータ118は、システム100に出力部116から来ているいかなる光も遮断するのに用いられる。典型的な実施形態では、導波管ベースの光アイソレータ118は、サーキュレータの一部である。システム100において、PDHロッキングループのために使用されるレーザービームを伝播するのに用いられる導波管の近くで、大きいサイズのマイクロキャビティ102（例えばマイクロ・ディスク、マイクロ・リング）は、作られる。ある実施態様では、マイクロキャビティは、109より大きいＱファクタおよび200KHz未満のライン幅を有する。いくらかの実装において、導波管とマイクロキャビティとの間のカップリング効率は、重大なカップリング状態に達するために調整されることができる。
【００１５】
[0018] ある実施態様では、マイクロキャビティの屈折率は、ガスチャンバ120に入る時計回りの光線の強度のいかなる変化からも、フィードバックに基づいて注入電流の誘導された電気光学効果によって調整されることができる。強度の変化は、マイクロキャビティ102の共鳴振動数の変化を表す。強度の変化は、フォトディテクタ122（または他の適当な探知器）によって検出され、そして、この情報は、位相変調器124（例えば熱位相変調器）を共鳴振動数を修正するために制御するのに用いられる。
【００１６】
[0019] 自己注入ロッキングループ107は、予め定められた周波数まで、レーザー源（例えば単一の周波数レーザー104）をロックするのに用いられる。具体的には、自己注入光学フィードバック信号は、自己注入ロッキングループ107のマイクロキャビティ102（または高いQマイクロ・リングキャビティ）の後、送信されたCCW光線から来る。フィードバック・ビームは、高いQマイクロキャビティフィルタ効果のために、高いフーリエ周波数での低いノイズと非常に狭いライン幅を有する。自己注入ロッキングループ107によって提供される自己注入光学フィードバックは、何十デシベル（dB）によってDFBレーザーライン幅を減らすのを助ける。自己注入ロッキングループ107によって提供された自己注入光学フィードバックは、レーザー周波数にマイクロキャビティ102の共鳴振動数に続く（または、ロックする）ことを強いて、より安定しているPDHロッキングループ108を作るのを助ける。
【００１７】
[0020] 標準の単一の周波数半導体レーザ（例えば単一の周波数レーザー104）は、電界の位相と振幅との間でその低いQキャビティおよび強いカップリングのために高い位相ノイズを示す。自己注入光学フィードバックは、マイクロキャビティ102（または安定したマイクロリングリファレンスキャビティ）に、レーザーをロックするのに用いることができる。加えて、PDHロッキング技術は、PDHロッキングループ108でより堅くてより多くの安定したロッキングを成し遂げるのに用いられる。PDHロッキングループ108は、非常に高い変調周波数領域を探査することによって周波数安定化の高い感度を有する。マイクロキャビティ102からの時計回りの他のレーザービームが、吸収線測定のために使われる。マイクロキャビティ102上の位相変調器124（例えば熱位相変調器）は、吸収線測定から誤差信号に基づいてマイクロキャビティの光路を調整するのに用いられる。
【００１８】
[0021] マイクロキャビティ102は、システム100のダイオードレーザ安定化のためのリファレンスキャビティとして役立つ。ある実施態様では、マイクロキャビティ102は、高品質ファクター（Q）を有する非常に安定した受動的なマイクロリングキャビティである。ある実施態様では、安定したリファレンスキャビティとして使用されるマイクロキャビティ102は、このヘテロジニアス・レーザーアプローチの安定したリファレンスキャビティとしての窒化ケイ素の高いQマイクロ・リングである。ある実施態様では、モノリシック設計は、マイクロキャビティ102の感度を音響振動に対して下げるのに用いられる。窒化ケイ素（Si3N4）の熱光学係数（TOC）は、SiO2（1*10-5）の同じレベルにあって、シリコン（2.3*10-4）のTOCより１桁低い。リファレンスキャビティの熱安定は、窒化ケイ素を用いて利用されるが、真空キャビティと比較してまだ熱的にノイズが多い。このように、ネガティブフィードバック制御は、熱的にそれを安定しているようにするのに必要である。
【００１９】
[0022] マイクロリング安定化ループ109を有する典型的な実施形態では、分子吸収線が、熱雑音に対してマイクロキャビティ102を安定させるのに参照として使われる。図１に示すように、マイクロキャビティ102（例えばマイクロ・リング）からの時計回りのレーザービームが、吸収線測定のために使われる。マイクロキャビティ102上の位相変調器124（例えば熱位相変調器）は、吸収線測定から誤差信号に基づいて光路を調整するのに用いられる。
【００２０】
[0023] 自己注入ロック機構（例えば自己注入ロッキングループ107）は、マイクロキャビティ102の共鳴振動数に、単一の周波数レーザー104のレーザー周波数をロックするのに用いられる。外部の電界音に対するレーザーダイオード（例えば単一の周波数レーザー104）の高い感度は位相ノイズ周波数域の高水準に結果としてなることがありえるが、それもレーザーダイオード（例えば単一の周波数レーザー104）のレーザービームを出している特徴を修正することを弱い外部の光学フィードバックを使用する可能性があるようにする。自己注入ロッキングループ107（または他の光学フィードバックループ）は、DFBレーザー（単一の周波数レーザー104）にリファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）の共鳴器周波数に続いて、それをPDHロッキングループ108（または他の電子ロック・ループ）がロックするのがより容易にすることを強いることができる。光学フィードバックループ（自己注入ロッキングループ107）の遅い位相変調器は、マイクロキャビティ102の反響するピークに安定ロッキングを維持するのに役立つ。高いQリファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）も、２、３桁ダイオードレーザライン幅を減らすのを助ける。自己注入ロッキング理論によれば、最終的なライン幅減少は、注入力の一部およびDFBレーザーキャビティ（単一の周波数レーザー104）、および、リファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）と間のキャビティライン幅の比率と比例している。図１に示すように、光学フィードバック信号は、マイクロ・リング（マイクロキャビティ102）からの反時計回りの送信された（CCW）レーザービームである。マイクロキャビティ102もまた、そのライン幅より高い周波数構成要素で、相対的な強度音（RIN）および位相ノイズにフィルタをかけるために光学フィルタとして作用する。
【００２１】
[0024] ある実施態様では、単一の周波数レーザー104は、遅いおよび速い位相変調器を有する単一の周波数半導体レーザーである。単一の周波数レーザー104は、２、３百MHzまでフラットな周波数変調（FM）反応を有する。
【００２２】
[0025] PDHロッキングループ108において使用されるPound-Drever-Hall（PDH）ロッキング技術は、非常に高い変調周波数地域を探査することによって周波数安定化の高い感度を有する。単一の周波数レーザー104として複数電極DFBレーザーを使用することにより、広いバンド幅平面周波数変調にレーザーダイオードへの（FM）反応を提供する。複数電極DFBレーザーの周波数変調速度は、2、3数百MHzものレベルに達することができ、PDHロッキングループ108のPDHロッキング感度を改良する。PDHロッキングループ108では、DFBレーザー（単一の周波数レーザー104）の右側の側面（HRファセット）からのキャリア・ビームは、マイクロキャビティ102（またはマイクロリングリファレンスキャビティ）に連結され、一方、反響の外側である変調側波帯は、直接フォトディテクタ126に発信される。次いで、電気フィードバックループ（PDHロッキングループ108）のための誤差信号を与える受け取られる正弦波信号の位相は、正弦波参照RFのそれと比較される。
【００２３】
[0026] 用途によっては、例えばジャイロ・アプリケーションに関して、システム100のレーザー周波数は、異なる回転方向の下でジャイロ共鳴器と共鳴するために調整できなければならない。提案されたヘテロジニアスの単一の周波数レーザー104の周波数は、異なる直接的な現在の（DC）レベルに、PDHロッキングループ108のPDH誤差信号をロックすることによって調整されることができる。より広いチューニング範囲が要求される場合、より大きい周波数シフトはマイクロキャビティ102上に取り付けられる位相変調器124（例えば熱位相変調器）を調整することによって成し遂げられることができる。ある実施態様では、位相変調器124（例えば熱位相変調器）がマイクロキャビティ102の安定化のためにも使われる。追加的な外部の変調信号については、キャビティ共鳴振動数は、2、3KHz速度で調整されることができる。
【００２４】
[0027] 図２は、本発明のレーザーを安定させる方法200を例示しているフローチャートである。方法200は、レーザーが予め定められた周波数に光学的ロックされる202から始まる。レーザーが予め定められた周波数に電子的に係止される所で、次の方法200は204へ進む。他の実施形態では、追加的なステップは、また、レーザーを安定させるには必要とされる。例えば、マイクロリング安定化ループ109を有する典型的な実施形態は、マイクロキャビティ102の共鳴振動数変化に応答し、マイクロキャビティ102の位相を調整する。典型的な実施形態において、位相変調器124（例えば熱位相変調器）はマイクロキャビティ102の共鳴振動数変化に応答して、マイクロキャビティ102の位相を調整するのに用いられる。
【００２５】
[0028] 図３は、本発明の図１に示される周波数安定化レーザー・システム100を利用している光ファイバ・ジャイロスコープ300のブロック図である。光ファイバ・ジャイロスコープは、少なくとも単一のマイクロキャビティ周波数安定化レーザー・システム（例えばシステム100および光ファイバ・コイル302）を含む。システム100および光ファイバ・コイル302に加えて、光ファイバ・ジャイロスコープはまた、ソフトウェア・プログラム、ファームウェアまたはさまざまな方法、方法作業、算出および制御機能を実行するための他の計算機可読の指示を含むかまたは機能する処理ユニットを含むことができ、光ファイバ・ジャイロスコープ300において使われる。
【００２６】
[0029] これらの指示は、概して計算機可読の指示またはデータ構造の記憶のために使用されるいかなる適切な計算機可読の媒体にも保存される。計算機可読の媒体は、汎用であるか特別な目的のコンピュータまたはプロセッサによってアクセスされることができるいかなる利用できるメディアもまたはいかなるプログラム可能な論理装置としても実装されることができる。適切なプロセッサで読取り可能なメディアは、磁気であるか光学的メディアのような記憶装置またはメモリ・メディアを含むことができる。例えば、記憶またはメモリ・メディアは、従来のハードディスク、コンパクトディスク−読み取り専用メモリ（CD-ROM）、揮発性または不揮発性媒体（例えばランダムアクセスメモリ（RAM））（シンクロナスなダイナミックランダムアクセスメモリ（SDRAM）、ダブルデータレート（DDR）RAM、RAMBUSダイナミックRAM（RDRAM）、静的なRAM（SRAM）その他のものを含むがこれらに限定されない）、読み取り専用メモリ（ROM）電気的消去書込み可能な読出し専用メモリ（EEPROM）およびフラッシュメモリ、その他）を含むことができる。適切なプロセッサで読取り可能なメディアはまた、電気であるか、電磁気であるかデジタル信号のような伝達メディアを含むことができ、通信媒体（例えばネットワークおよび／または無線リンク）を経て伝えられる。
【００２７】
[0030] 典型的な実施形態では、周波数安定化レーザー・システムが複数電極DFBレーザー源、高いQマイクロキャビティ、導波管/繊維、循環器、マスター出力、光アイソレータ、レシーバ（例えばフォトディテクタ）、ロック・サーボ1PDHループ、ガスチャンバおよび探知器そして、熱位相変調器を含む。マルチ電極DFBレーザー源は、２つの別々のロッキングループによって安定する。第一に、自己注入ロッキングループは、予め定められた周波数に複数電極DFBレーザー源をロックするのに用いられる。第２に、PDHロッキングサーボループは、予め定められた周波数に複数電極DFBレーザー源をロックするのに用いられる。加えて、第３のマイクロリング安定化ループは、高いQマイクロキャビティの共鳴振動数を安定させるのに用いられる。
【００２８】
[0031] 特定の実施形態が例示され、本願明細書において記載されていたにもかかわらず、いかなる装置（それは同じ目的を達成するために算出される）も特定の図示した実施形態と置換されることができることは従来技術において通常の技術のそれらによって認められる。したがって、本発明が請求項およびそれの等価物だけによって制限されることを明白に意図される。
例示の実施形態
[0032] 実施形態１は、レーザー安定化システム（１００）であって、
第１の端部及び第２の端部を備えたレーザー源（１０４）と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第１の導波管部（１０６）であって、第１の導波管部（１０６）の第１の端部が前記レーザー源（１０４）の第１の端部に結合されることを特徴とする第１の導波管部（１０６）と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第２の導波管部（１０６）であって、第１の導波管部（１０６）の第１の端部が前記レーザー源（１０４）の第２の端部に結合されることを特徴とする第２の導波管部（１０６）と、
前記第１の導波管部（１０６）の第２の端部と前記第２の導波管部（１０６）の第２の端部との間に結合されたマイクロキャビティ（１０２）であって、該マイクロキャビティ（１０２）が共鳴振動数を備えることを特徴とするマイクロキャビティ（１０２）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）と前記レーザー源（１０４）との間に結合された電子ロッキングループ（１０８）であって、該電子ロッキングループ（１０８）が、前記レーザ源（１０４）を前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数に電子的にロックし、前記第１の導波管部（１０６）が、前記マイクロキャビティ（１０２）と前記レーザー源（１０４）との間に結合された光学ロッキングループ（１０７）であり、前記光学ロッキングループ（１０７）が、前記レーザー源（１０４）を前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数に光学的にロックする、ことを特徴とする電子ロッキングループ（１０８）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）と結合するマイクロキャビティ安定化ループ（１０９）であって、該マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）が、リファレンス周波数に対して前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数を安定化させることを特徴とする、マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）と、
前記レーザー安定化システム（１００）から光を出力するための出力部（１１６）と、
を有することを特徴とする。
【００２９】
[0033] 第２の実施形態は、実施形態１のシステムを含み、マイクロキャビティ安定化ループは、マイクロキャビティに結合する熱位相変調器を含み、熱位相変調器は、ガスチャンバを介してマイクロキャビティから放射されるレーザービームの吸収線測定に基づいて変化するフィードバック信号を受信する。
【００３０】
[0034] 実施形態３は、実施形態２のシステムを含み、マイクロキャビティ安定化ループはさらに、マイクロキャビティに結合した吸収線を有するガスチャンバ、および、ガスチャンバに連結するフォトディテクタを更に含み、レーザービームがガスチャンバを通過したあと、フォトディテクタは、マイクロキャビティから放射されるレーザービームの強度を測定し、フィードバック信号は、強度に基づいて異なり、強度の変化は、マイクロキャビティの共鳴振動数の変化を表すことを特徴とする。
【００３１】
[0035] 実施形態４は、実施形態１乃至３のいずれかの１つのシステムを含み、マイクロキャビティ安定化ループは、熱的ノイズに対して熱的にマイクロキャビティを安定させることを特徴とする。
【００３２】
[0036] 実施形態５は実施形態１乃至４のいずれかのシステムを含み、レーザー源は単一の周波数レーザーである。
[0037] 実施形態６は実施形態１乃至５のいずれかのシステムを含み、レーザー源は複数電極分配されたフィードバック・レーザーである。
【００３３】
[0038] 実施形態７は、実施形態１乃至６のいずれかのシステムを含み、マイクロキャビティは、ほぼ107を超える品質ファクター（Q）を有する受動的なマイクロリングキャビティである。
【００３４】
[0039] 実施形態８は、実施形態１乃至７のいずれかのシステムを含み、マイクロキャビティはマイクロ・ディスクかマイクロ・リングである。
[0040] 実施形態９は、実施形態１乃至８のいずれかのシステムを含み、電子ロック・ループはPound-Drever-Hallロック・ループからなる。
【００３５】
[0041] 実施形態１０は実施形態１乃至９のいずれかのシステムを含み、電子ロック・ループは、電気光学効果によって誘導された注入電流によって、共鳴振動数に対してレーザー源を電子的にロックすることを特徴とする。
【００３６】
[0042] 実施形態１１は、レーザーを安定化させる方法を含み、
光学的ロッキングループを使用しているマイクロキャビティの共鳴振動数にレーザーを光学的にロックするステップと、
電子ロッキングループを使用してマイクロキャビティの共鳴振動数にレーザーを電子的にロックするステップと、
マイクロキャビティ安定化ループを使用してリファレンス周波数にマイクロキャビティの共鳴振動数を安定させるステップと、を含むことを特徴とする。
【００３７】
[0043] 実施形態１２は、実施形態１１の方法を含み、マイクロキャビティの共鳴振動数を安定させることは、マイクロキャビティからのレーザービームの吸収線測定から受け取られる誤差信号に基づいてマイクロキャビティの光路を調整することを含む。
【００３８】
[0044] 実施形態１３は、実施形態１１または１２の方法を含み、マイクロキャビティの共鳴振動数を安定させるステップは、
吸収線を有するガスチャンバを介してマイクロキャビティからレーザービームを通過させるステップと、
レーザービームが、吸収線を有するガスチャンバを通過した後、マイクロキャビティからレーザービームの強度を検出するステップと、
レーザービームが吸収線を有するガスチャンバを通過した後、レーザービームの強度に基づいて熱位相変調器を使用してマイクロキャビティの光路を調整するステップと、
を有することを特徴とする。
【００３９】
[0045] 実施形態１４は、実施形態１１乃至１３のいずれかの方法を含み、共鳴振動数にレーザーを光学的にロックするステップが、自己注入ロッキングループのレーザーの位相を光学的に調整するステップを更に含むことを特徴とする。
【００４０】
[0046] 実施形態１５は、実施形態１１乃至１４のいずれかの方法を含み、共鳴振動数にレーザーを電子的にロックするステップは、Pound-Drever-Hallロック・ループの直流電流を電子的に調整するステップを更に含むことを特徴とする。
【００４１】
[0047] 実施形態１６は、実施形態１１乃至１５のいずれかの方法を含み、マイクロキャビティ安定化ループを使用してリファレンス周波数に、マイクロキャビティの共鳴振動数を安定させるステップは、熱的雑音に対してマイクロキャビティを熱的に安定させるステップから成ることを特徴とする。
【００４２】
[0048] 実施形態１７は、光ファイバ・コイルから成る光ファイバ・ジャイロスコープと、光ファイバ・コイルに結合されたマイクロキャビティ周波数安定化レーザー・システムとを有し、マイクロキャビティ周波数安定化レーザー・システムが、
第１の端部および第２の端部を備えたレーザー源と、
第１の端部および第２の端部を備えた第１の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部がレーザー源の第１の端部に結合されることを特徴とする第１の導波管部と、
第１の端部および第２の端部を備えた第２の導波管部であって、第２の導波管部の第１の端部がレーザー源の第２端部に結合することを特徴とする第２の導波管部と、
第１の導波管部の第２の端部と第２の導波管部の第２の端部との間に結合されるマイクロキャビティであって、マイクロキャビティが共鳴振動数を備えることを特徴とするマイクロキャビティと、
前記マイクロキャビティと前記レーザー源との間に結合された電子ロッキングループであって、該電子ロッキングループが、前記レーザー源を前記マイクロキャビティの共鳴振動数に電子的にロックし、前記第１の導波管部が、前記マイクロキャビティと前記レーザー源との間に結合された光学ロッキングループであり、前記光学ロッキングループが、前記レーザー源を前記マイクロキャビティの共鳴振動数に光学的にロックする、ことを特徴とする電子ロッキングループと、
前記マイクロキャビティと結合するマイクロキャビティ安定化ループであって、該マイクロキャビティ安定化ループが、リファレンス周波数に対して前記マイクロキャビティの共鳴振動数を安定化させることを特徴とする、マイクロキャビティ安定化ループと、
レーザー安定化システムから光を出力するための出力部と、
を有することを特徴とする。
【００４３】
[0049] 実施形態１８は、実施形態１７の光ファイバ・ジャイロスコープを含み、マイクロキャビティ安定化ループは、マイクロキャビティに連結する熱位相変調器を含み、熱位相変調器は、マイクロキャビティから放射されるレーザービームの吸収線測定に基づいて変化するフィードバック信号を受信する。
【００４４】
[0050] 実施形態１９は、実施形態１７または１８の光ファイバ・ジャイロスコープを含み、電子ロック・ループは、Pound-Drever-Hallロッキングループからなることを特徴とする。
【００４５】
[0051] 実施形態２０は、実施形態１７乃至１９のいずれかの光ファイバ・ジャイロスコープを含み、電子ロッキングループは、電気光学効果によって誘導された注入電流によって、共鳴振動数にレーザー源を電子的にロックする。
【技術分野】
【０００１】
関連出願についてのクロス・リファレンス
[0001] 本出願は、2011年5月24日に米国に仮出願された出願番号第61/489,659号に基づく優先権を有し、その開示はリファレンスとしてここに組み入れられる。
【背景技術】
【０００２】
[0002] より大きなレーザー技術が、2、3のヘルツ（Hz）のライン幅のレーザー源を提供することができ、より大きなレーザーシステムの高い電力消費および物理的なサイズは、レーザー・ジャイロスコープ、原子時計および分配されたファイバー光学センシングのような多くの市販用途に関しては容認できない。
【０００３】
[0003] いくつかのレーザー技術がレーザーのライン幅を減らすために波長選択フィルタとしてマイクロキャビティを使用すると共に、多くのマイクロキャビティのライン幅はマイクロキャビティの大きな自由なスペクトル範囲（FSR）のために、全く大きい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004] レーザー安定化システムは、
第１の端部及び第２の端部を備えたレーザー源と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第１の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部が前記レーザー源の第１の端部に結合されることを特徴とする第１の導波管部と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第２の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部が前記レーザー源の第２の端部に結合されることを特徴とする第２の導波管部と、
前記第１の導波管部の第２の端部と前記第２の導波管部の第２の端部との間に結合されたマイクロキャビティであって、該マイクロキャビティが共鳴振動数を備えることを特徴とするマイクロキャビティと、
前記マイクロキャビティと前記レーザー源との間に結合された電子ロッキングループであって、該電子ロッキングループが、前記レーザー源を前記マイクロキャビティの共鳴振動数に電子的にロックし、前記第１の導波管部が、前記マイクロキャビティと前記レーザー源との間に結合された光学ロッキングループであり、前記光学ロッキングループが、前記レーザー源を前記マイクロキャビティの共鳴振動数に光学的にロックする、ことを特徴とする電子ロッキングループと、
前記マイクロキャビティと結合するマイクロキャビティ安定化ループであって、該マイクロキャビティ安定化ループが、リファレンス周波数に対して前記マイクロキャビティの共鳴振動数を安定化させることを特徴とする、マイクロキャビティ安定化ループと、
前記レーザー安定化システムから光を出力するための出力部と、
を有することを特徴とする。
【０００５】
[0005] 図面は典型的な実施形態だけを表し、したがって、限定するように解釈されるべきではなく、典型的な実施形態は添付の図面および詳細な説明によってで追加的な特性を理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】[0006] 図１は、本発明の周波数安定化レーザー・システムのブロック図である。
【図２】[0007] 図２は、本発明のレーザーを安定化させる方法200を例示しているフローチャートである。
【図３】[0008] 図３は、本発明の図１に示される周波数安定化レーザー・システムを利用する光ファイバ・ジャイロスコープのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0009] 一般の慣行によれば、種々の記載されている特徴は、一定の比率で描かれず、典型的な実施形態に関連する特定の特徴を強調するように描かれる。
[0010] 以下の詳細な説明では、本願発明の一部を形成する図面を参照して説明特定の例示の実施形態を介して示される。しかし、他の実施形態が利用されることができ、論理的、機械的、および、電気的な変更がなされ得ると理解されよう。さらに、図面および明細書に示される方法は、個々のステップが実行されることができる命令を制限することとして解釈されることになっていない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味にはとられない。
【０００８】
[0011] この説明は、ウェーハレベルの狭いライン幅の異成分から成る単一の周波数レーザーを含む、マイクロキャビティを備える周波数安定化レーザー・システムの方向性である。ある実施態様では、これらの周波数安定化レーザー・システムは、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）互換性を持つシリコン基板または他の適当な基板材料上に製造される。ある実施態様では、これらの周波数安定化レーザー・システムが、レーザー・ジャイロスコープ、原子時計、分配されたファイバー光学センシングおよび他の商用光学的センシングアプリケーションで使われる。
【０００９】
[0012] 実施形態によっては、非常に狭いライン幅を有する安定したリファレンスキャビティが、含まれる。キャビティの技巧は、100KHzのレベルにキャビティのライン幅に達するために極めて高いことを必要とする。whispering-gallery-modes（WGMs）に基づくマイクロキャビティは、高いスタンドアロン品質要因（Ｑファクタ）を提供することができる。マイクロキャビティが波長選択構成要素および光学的電動転送ツールとして使われるときに、高いＱファクタは導波管とマイクロキャビティとの間の高いカップリング損失によって減少する。カップリング損失は、マイクロキャビティのライン幅の増加を引き起こすことができる。
【００１０】
[0013] 図１は、本発明によるレーザー安定化システム100（また、マイクロキャビティ周波数安定化レーザー・システムと称される）のブロック図である。典型的な実施形態において、システム100はレーザーの周波数を安定させる周波数安定化レーザー・システムである。システム100は、２つの別々の係止環状線によって安定する。具体的には、システム100は、受動的なマイクロキャビティのwhispering-gallery-mode (WGM)に、レーザーダイオードを安定させるために、自己注入光学ロッキングとPound-Drever-Hall (PDH)エレクトロニックフィードバックロッキングとの間で用いる。
【００１１】
[0014] PDHロッキングループ108は、予め定められた周波数にまで、レーザー源（例えば単一の周波数レーザー104）をロックするのに用いる。具体的には、PDHロッキング・ループ108は、Hzレベルでレーザーライン幅を制御するのに用いる。ある実施態様では、シリコンチップ上のヘテロジニアス設計は、それをCMOSエレクトロニクスと互換性を持つようにする。このように、システム100は、小さなシリコン-オン-絶縁体（SOI）チップ上にCMOS互換性を持つヘテロジニアス非常に狭いライン幅半導体レーザ（例えば単一の周波数レーザー104）を含む。図１の図示した実施形態において、大きいサイズのマイクロキャビティ102（例えばマイクロ・ディスク、マイクロ・リングまたは他の適当なマイクロキャビティ）が、単一の周波数レーザー104（例えばマルチ電極（配布されたフィードバック）DFBレーザー）を安定させるためにリファレンスキャビティとして使われる。他の実施形態では、他のレーザー源が、単一の周波数レーザー104の代わりに使われる。より高いQマイクロキャビティを製造することはより容易であるのでそれがよりかなりのキャビティサイズを有する、大きいサイズ・マイクロキャビティがマイクロキャビティ102のために好まれると共に、他の実施態様はマイクロキャビティ102のためのより小さいサイズ・マイクロキャビティを使用する。マイクロキャビティ102が、Pound-Drever-Hallロッキング信号として使われることができる反射信号を出力するためにリファレンスキャビティとして使われる。ある実施態様では、大部分のレーザーパワーは、リファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）の前に、Y-カプラ（例えばY-カプラ114）から放射される。レーザーの少ない分だけは、パッシブリファレンスマイクロキャビティ102にロックされるのに用いられ、それゆえ、リファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）が、キャビティの内部でハイパワーによって妨げられるのを得ない。
【００１２】
[0015] 図１に示されるシステム100において、マイクロキャビティ102は、大きいサイズのマイクロキャビティ（例えば400ミクロンを超える）である。ある実施態様では、大きなサイズのマイクロキャビティ102は、ほぼ107（ほぼ1000万）または109（ほぼ10億）のレベルでＱファクタを可能にする。かかる高いQ値は、ほぼ100-200KHzのライン幅を有するマイクロキャビティ102に結果としてなる。マイクロキャビティ102の高いＱファクタを維持するために、結合導波管106は、あまりマイクロキャビティ102に近くないように配置される。導波管106が図1に示されるシステム100の実施態様で使われると共に、他の実施態様は導波管106の代わりにファイバーを使用する。
【００１３】
[0016] 重大なカップリング状態が達されるとき、導波管106（それは、また、PDHロッキング理論のマイクロキャビティから、反射ポートと考慮される）の伝達ポートは、シャープなディップ（sharp dip）を見る。シャープなディップは、ほぼ100KHz以下のライン幅から生じる。シャープなディップが、Pound-Drever-Hall（PDH）ロック機構110のための判別式として使われることができる。共鳴振動数と同様に、リファレンスキャビティの屈折率は、注入-電流誘導された電気光学効果によって、能動的に制御されることができる。速い制御ループ（自己注入ロッキングループ107の光学位相変調）および遅い制御ループ（PDHロッキングループ108の電子直流変調）は、レーザー周波数を安定させるのに用いられる。実施形態によっては、第3の安定化ループ（例えばマイクロリング安定化ループ109）は、高いQマイクロキャビティ（例えばマイクロキャビティ102）の共鳴振動数を安定させるのに用いる。
【００１４】
[0017] 導波管ベースの位相変調器は、PDHロッキングループ108のための高周波領域で、位相を調整するのに用いられる。図１に示される実装において、位相変調器は単一の周波数レーザー104に組み込まれる。（PDHロッキングループ108によって）レーザーの直流変調は、低速でレーザーを調整するのに用いられる。導波管ベースの光アイソレータ112は、後方のレーザーを遮断するのに用いられる。Y-カプラ114は、出力部116からのシステム100およびPDHロッキングループ108のために使われるリファレンスレーザービームから発されるメイン・レーザービームを切り離すのに用いられる。導波管ベースの光アイソレータ118は、システム100に出力部116から来ているいかなる光も遮断するのに用いられる。典型的な実施形態では、導波管ベースの光アイソレータ118は、サーキュレータの一部である。システム100において、PDHロッキングループのために使用されるレーザービームを伝播するのに用いられる導波管の近くで、大きいサイズのマイクロキャビティ102（例えばマイクロ・ディスク、マイクロ・リング）は、作られる。ある実施態様では、マイクロキャビティは、109より大きいＱファクタおよび200KHz未満のライン幅を有する。いくらかの実装において、導波管とマイクロキャビティとの間のカップリング効率は、重大なカップリング状態に達するために調整されることができる。
【００１５】
[0018] ある実施態様では、マイクロキャビティの屈折率は、ガスチャンバ120に入る時計回りの光線の強度のいかなる変化からも、フィードバックに基づいて注入電流の誘導された電気光学効果によって調整されることができる。強度の変化は、マイクロキャビティ102の共鳴振動数の変化を表す。強度の変化は、フォトディテクタ122（または他の適当な探知器）によって検出され、そして、この情報は、位相変調器124（例えば熱位相変調器）を共鳴振動数を修正するために制御するのに用いられる。
【００１６】
[0019] 自己注入ロッキングループ107は、予め定められた周波数まで、レーザー源（例えば単一の周波数レーザー104）をロックするのに用いられる。具体的には、自己注入光学フィードバック信号は、自己注入ロッキングループ107のマイクロキャビティ102（または高いQマイクロ・リングキャビティ）の後、送信されたCCW光線から来る。フィードバック・ビームは、高いQマイクロキャビティフィルタ効果のために、高いフーリエ周波数での低いノイズと非常に狭いライン幅を有する。自己注入ロッキングループ107によって提供される自己注入光学フィードバックは、何十デシベル（dB）によってDFBレーザーライン幅を減らすのを助ける。自己注入ロッキングループ107によって提供された自己注入光学フィードバックは、レーザー周波数にマイクロキャビティ102の共鳴振動数に続く（または、ロックする）ことを強いて、より安定しているPDHロッキングループ108を作るのを助ける。
【００１７】
[0020] 標準の単一の周波数半導体レーザ（例えば単一の周波数レーザー104）は、電界の位相と振幅との間でその低いQキャビティおよび強いカップリングのために高い位相ノイズを示す。自己注入光学フィードバックは、マイクロキャビティ102（または安定したマイクロリングリファレンスキャビティ）に、レーザーをロックするのに用いることができる。加えて、PDHロッキング技術は、PDHロッキングループ108でより堅くてより多くの安定したロッキングを成し遂げるのに用いられる。PDHロッキングループ108は、非常に高い変調周波数領域を探査することによって周波数安定化の高い感度を有する。マイクロキャビティ102からの時計回りの他のレーザービームが、吸収線測定のために使われる。マイクロキャビティ102上の位相変調器124（例えば熱位相変調器）は、吸収線測定から誤差信号に基づいてマイクロキャビティの光路を調整するのに用いられる。
【００１８】
[0021] マイクロキャビティ102は、システム100のダイオードレーザ安定化のためのリファレンスキャビティとして役立つ。ある実施態様では、マイクロキャビティ102は、高品質ファクター（Q）を有する非常に安定した受動的なマイクロリングキャビティである。ある実施態様では、安定したリファレンスキャビティとして使用されるマイクロキャビティ102は、このヘテロジニアス・レーザーアプローチの安定したリファレンスキャビティとしての窒化ケイ素の高いQマイクロ・リングである。ある実施態様では、モノリシック設計は、マイクロキャビティ102の感度を音響振動に対して下げるのに用いられる。窒化ケイ素（Si3N4）の熱光学係数（TOC）は、SiO2（1*10-5）の同じレベルにあって、シリコン（2.3*10-4）のTOCより１桁低い。リファレンスキャビティの熱安定は、窒化ケイ素を用いて利用されるが、真空キャビティと比較してまだ熱的にノイズが多い。このように、ネガティブフィードバック制御は、熱的にそれを安定しているようにするのに必要である。
【００１９】
[0022] マイクロリング安定化ループ109を有する典型的な実施形態では、分子吸収線が、熱雑音に対してマイクロキャビティ102を安定させるのに参照として使われる。図１に示すように、マイクロキャビティ102（例えばマイクロ・リング）からの時計回りのレーザービームが、吸収線測定のために使われる。マイクロキャビティ102上の位相変調器124（例えば熱位相変調器）は、吸収線測定から誤差信号に基づいて光路を調整するのに用いられる。
【００２０】
[0023] 自己注入ロック機構（例えば自己注入ロッキングループ107）は、マイクロキャビティ102の共鳴振動数に、単一の周波数レーザー104のレーザー周波数をロックするのに用いられる。外部の電界音に対するレーザーダイオード（例えば単一の周波数レーザー104）の高い感度は位相ノイズ周波数域の高水準に結果としてなることがありえるが、それもレーザーダイオード（例えば単一の周波数レーザー104）のレーザービームを出している特徴を修正することを弱い外部の光学フィードバックを使用する可能性があるようにする。自己注入ロッキングループ107（または他の光学フィードバックループ）は、DFBレーザー（単一の周波数レーザー104）にリファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）の共鳴器周波数に続いて、それをPDHロッキングループ108（または他の電子ロック・ループ）がロックするのがより容易にすることを強いることができる。光学フィードバックループ（自己注入ロッキングループ107）の遅い位相変調器は、マイクロキャビティ102の反響するピークに安定ロッキングを維持するのに役立つ。高いQリファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）も、２、３桁ダイオードレーザライン幅を減らすのを助ける。自己注入ロッキング理論によれば、最終的なライン幅減少は、注入力の一部およびDFBレーザーキャビティ（単一の周波数レーザー104）、および、リファレンスキャビティ（マイクロキャビティ102）と間のキャビティライン幅の比率と比例している。図１に示すように、光学フィードバック信号は、マイクロ・リング（マイクロキャビティ102）からの反時計回りの送信された（CCW）レーザービームである。マイクロキャビティ102もまた、そのライン幅より高い周波数構成要素で、相対的な強度音（RIN）および位相ノイズにフィルタをかけるために光学フィルタとして作用する。
【００２１】
[0024] ある実施態様では、単一の周波数レーザー104は、遅いおよび速い位相変調器を有する単一の周波数半導体レーザーである。単一の周波数レーザー104は、２、３百MHzまでフラットな周波数変調（FM）反応を有する。
【００２２】
[0025] PDHロッキングループ108において使用されるPound-Drever-Hall（PDH）ロッキング技術は、非常に高い変調周波数地域を探査することによって周波数安定化の高い感度を有する。単一の周波数レーザー104として複数電極DFBレーザーを使用することにより、広いバンド幅平面周波数変調にレーザーダイオードへの（FM）反応を提供する。複数電極DFBレーザーの周波数変調速度は、2、3数百MHzものレベルに達することができ、PDHロッキングループ108のPDHロッキング感度を改良する。PDHロッキングループ108では、DFBレーザー（単一の周波数レーザー104）の右側の側面（HRファセット）からのキャリア・ビームは、マイクロキャビティ102（またはマイクロリングリファレンスキャビティ）に連結され、一方、反響の外側である変調側波帯は、直接フォトディテクタ126に発信される。次いで、電気フィードバックループ（PDHロッキングループ108）のための誤差信号を与える受け取られる正弦波信号の位相は、正弦波参照RFのそれと比較される。
【００２３】
[0026] 用途によっては、例えばジャイロ・アプリケーションに関して、システム100のレーザー周波数は、異なる回転方向の下でジャイロ共鳴器と共鳴するために調整できなければならない。提案されたヘテロジニアスの単一の周波数レーザー104の周波数は、異なる直接的な現在の（DC）レベルに、PDHロッキングループ108のPDH誤差信号をロックすることによって調整されることができる。より広いチューニング範囲が要求される場合、より大きい周波数シフトはマイクロキャビティ102上に取り付けられる位相変調器124（例えば熱位相変調器）を調整することによって成し遂げられることができる。ある実施態様では、位相変調器124（例えば熱位相変調器）がマイクロキャビティ102の安定化のためにも使われる。追加的な外部の変調信号については、キャビティ共鳴振動数は、2、3KHz速度で調整されることができる。
【００２４】
[0027] 図２は、本発明のレーザーを安定させる方法200を例示しているフローチャートである。方法200は、レーザーが予め定められた周波数に光学的ロックされる202から始まる。レーザーが予め定められた周波数に電子的に係止される所で、次の方法200は204へ進む。他の実施形態では、追加的なステップは、また、レーザーを安定させるには必要とされる。例えば、マイクロリング安定化ループ109を有する典型的な実施形態は、マイクロキャビティ102の共鳴振動数変化に応答し、マイクロキャビティ102の位相を調整する。典型的な実施形態において、位相変調器124（例えば熱位相変調器）はマイクロキャビティ102の共鳴振動数変化に応答して、マイクロキャビティ102の位相を調整するのに用いられる。
【００２５】
[0028] 図３は、本発明の図１に示される周波数安定化レーザー・システム100を利用している光ファイバ・ジャイロスコープ300のブロック図である。光ファイバ・ジャイロスコープは、少なくとも単一のマイクロキャビティ周波数安定化レーザー・システム（例えばシステム100および光ファイバ・コイル302）を含む。システム100および光ファイバ・コイル302に加えて、光ファイバ・ジャイロスコープはまた、ソフトウェア・プログラム、ファームウェアまたはさまざまな方法、方法作業、算出および制御機能を実行するための他の計算機可読の指示を含むかまたは機能する処理ユニットを含むことができ、光ファイバ・ジャイロスコープ300において使われる。
【００２６】
[0029] これらの指示は、概して計算機可読の指示またはデータ構造の記憶のために使用されるいかなる適切な計算機可読の媒体にも保存される。計算機可読の媒体は、汎用であるか特別な目的のコンピュータまたはプロセッサによってアクセスされることができるいかなる利用できるメディアもまたはいかなるプログラム可能な論理装置としても実装されることができる。適切なプロセッサで読取り可能なメディアは、磁気であるか光学的メディアのような記憶装置またはメモリ・メディアを含むことができる。例えば、記憶またはメモリ・メディアは、従来のハードディスク、コンパクトディスク−読み取り専用メモリ（CD-ROM）、揮発性または不揮発性媒体（例えばランダムアクセスメモリ（RAM））（シンクロナスなダイナミックランダムアクセスメモリ（SDRAM）、ダブルデータレート（DDR）RAM、RAMBUSダイナミックRAM（RDRAM）、静的なRAM（SRAM）その他のものを含むがこれらに限定されない）、読み取り専用メモリ（ROM）電気的消去書込み可能な読出し専用メモリ（EEPROM）およびフラッシュメモリ、その他）を含むことができる。適切なプロセッサで読取り可能なメディアはまた、電気であるか、電磁気であるかデジタル信号のような伝達メディアを含むことができ、通信媒体（例えばネットワークおよび／または無線リンク）を経て伝えられる。
【００２７】
[0030] 典型的な実施形態では、周波数安定化レーザー・システムが複数電極DFBレーザー源、高いQマイクロキャビティ、導波管/繊維、循環器、マスター出力、光アイソレータ、レシーバ（例えばフォトディテクタ）、ロック・サーボ1PDHループ、ガスチャンバおよび探知器そして、熱位相変調器を含む。マルチ電極DFBレーザー源は、２つの別々のロッキングループによって安定する。第一に、自己注入ロッキングループは、予め定められた周波数に複数電極DFBレーザー源をロックするのに用いられる。第２に、PDHロッキングサーボループは、予め定められた周波数に複数電極DFBレーザー源をロックするのに用いられる。加えて、第３のマイクロリング安定化ループは、高いQマイクロキャビティの共鳴振動数を安定させるのに用いられる。
【００２８】
[0031] 特定の実施形態が例示され、本願明細書において記載されていたにもかかわらず、いかなる装置（それは同じ目的を達成するために算出される）も特定の図示した実施形態と置換されることができることは従来技術において通常の技術のそれらによって認められる。したがって、本発明が請求項およびそれの等価物だけによって制限されることを明白に意図される。
例示の実施形態
[0032] 実施形態１は、レーザー安定化システム（１００）であって、
第１の端部及び第２の端部を備えたレーザー源（１０４）と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第１の導波管部（１０６）であって、第１の導波管部（１０６）の第１の端部が前記レーザー源（１０４）の第１の端部に結合されることを特徴とする第１の導波管部（１０６）と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第２の導波管部（１０６）であって、第１の導波管部（１０６）の第１の端部が前記レーザー源（１０４）の第２の端部に結合されることを特徴とする第２の導波管部（１０６）と、
前記第１の導波管部（１０６）の第２の端部と前記第２の導波管部（１０６）の第２の端部との間に結合されたマイクロキャビティ（１０２）であって、該マイクロキャビティ（１０２）が共鳴振動数を備えることを特徴とするマイクロキャビティ（１０２）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）と前記レーザー源（１０４）との間に結合された電子ロッキングループ（１０８）であって、該電子ロッキングループ（１０８）が、前記レーザ源（１０４）を前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数に電子的にロックし、前記第１の導波管部（１０６）が、前記マイクロキャビティ（１０２）と前記レーザー源（１０４）との間に結合された光学ロッキングループ（１０７）であり、前記光学ロッキングループ（１０７）が、前記レーザー源（１０４）を前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数に光学的にロックする、ことを特徴とする電子ロッキングループ（１０８）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）と結合するマイクロキャビティ安定化ループ（１０９）であって、該マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）が、リファレンス周波数に対して前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数を安定化させることを特徴とする、マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）と、
前記レーザー安定化システム（１００）から光を出力するための出力部（１１６）と、
を有することを特徴とする。
【００２９】
[0033] 第２の実施形態は、実施形態１のシステムを含み、マイクロキャビティ安定化ループは、マイクロキャビティに結合する熱位相変調器を含み、熱位相変調器は、ガスチャンバを介してマイクロキャビティから放射されるレーザービームの吸収線測定に基づいて変化するフィードバック信号を受信する。
【００３０】
[0034] 実施形態３は、実施形態２のシステムを含み、マイクロキャビティ安定化ループはさらに、マイクロキャビティに結合した吸収線を有するガスチャンバ、および、ガスチャンバに連結するフォトディテクタを更に含み、レーザービームがガスチャンバを通過したあと、フォトディテクタは、マイクロキャビティから放射されるレーザービームの強度を測定し、フィードバック信号は、強度に基づいて異なり、強度の変化は、マイクロキャビティの共鳴振動数の変化を表すことを特徴とする。
【００３１】
[0035] 実施形態４は、実施形態１乃至３のいずれかの１つのシステムを含み、マイクロキャビティ安定化ループは、熱的ノイズに対して熱的にマイクロキャビティを安定させることを特徴とする。
【００３２】
[0036] 実施形態５は実施形態１乃至４のいずれかのシステムを含み、レーザー源は単一の周波数レーザーである。
[0037] 実施形態６は実施形態１乃至５のいずれかのシステムを含み、レーザー源は複数電極分配されたフィードバック・レーザーである。
【００３３】
[0038] 実施形態７は、実施形態１乃至６のいずれかのシステムを含み、マイクロキャビティは、ほぼ107を超える品質ファクター（Q）を有する受動的なマイクロリングキャビティである。
【００３４】
[0039] 実施形態８は、実施形態１乃至７のいずれかのシステムを含み、マイクロキャビティはマイクロ・ディスクかマイクロ・リングである。
[0040] 実施形態９は、実施形態１乃至８のいずれかのシステムを含み、電子ロック・ループはPound-Drever-Hallロック・ループからなる。
【００３５】
[0041] 実施形態１０は実施形態１乃至９のいずれかのシステムを含み、電子ロック・ループは、電気光学効果によって誘導された注入電流によって、共鳴振動数に対してレーザー源を電子的にロックすることを特徴とする。
【００３６】
[0042] 実施形態１１は、レーザーを安定化させる方法を含み、
光学的ロッキングループを使用しているマイクロキャビティの共鳴振動数にレーザーを光学的にロックするステップと、
電子ロッキングループを使用してマイクロキャビティの共鳴振動数にレーザーを電子的にロックするステップと、
マイクロキャビティ安定化ループを使用してリファレンス周波数にマイクロキャビティの共鳴振動数を安定させるステップと、を含むことを特徴とする。
【００３７】
[0043] 実施形態１２は、実施形態１１の方法を含み、マイクロキャビティの共鳴振動数を安定させることは、マイクロキャビティからのレーザービームの吸収線測定から受け取られる誤差信号に基づいてマイクロキャビティの光路を調整することを含む。
【００３８】
[0044] 実施形態１３は、実施形態１１または１２の方法を含み、マイクロキャビティの共鳴振動数を安定させるステップは、
吸収線を有するガスチャンバを介してマイクロキャビティからレーザービームを通過させるステップと、
レーザービームが、吸収線を有するガスチャンバを通過した後、マイクロキャビティからレーザービームの強度を検出するステップと、
レーザービームが吸収線を有するガスチャンバを通過した後、レーザービームの強度に基づいて熱位相変調器を使用してマイクロキャビティの光路を調整するステップと、
を有することを特徴とする。
【００３９】
[0045] 実施形態１４は、実施形態１１乃至１３のいずれかの方法を含み、共鳴振動数にレーザーを光学的にロックするステップが、自己注入ロッキングループのレーザーの位相を光学的に調整するステップを更に含むことを特徴とする。
【００４０】
[0046] 実施形態１５は、実施形態１１乃至１４のいずれかの方法を含み、共鳴振動数にレーザーを電子的にロックするステップは、Pound-Drever-Hallロック・ループの直流電流を電子的に調整するステップを更に含むことを特徴とする。
【００４１】
[0047] 実施形態１６は、実施形態１１乃至１５のいずれかの方法を含み、マイクロキャビティ安定化ループを使用してリファレンス周波数に、マイクロキャビティの共鳴振動数を安定させるステップは、熱的雑音に対してマイクロキャビティを熱的に安定させるステップから成ることを特徴とする。
【００４２】
[0048] 実施形態１７は、光ファイバ・コイルから成る光ファイバ・ジャイロスコープと、光ファイバ・コイルに結合されたマイクロキャビティ周波数安定化レーザー・システムとを有し、マイクロキャビティ周波数安定化レーザー・システムが、
第１の端部および第２の端部を備えたレーザー源と、
第１の端部および第２の端部を備えた第１の導波管部であって、第１の導波管部の第１の端部がレーザー源の第１の端部に結合されることを特徴とする第１の導波管部と、
第１の端部および第２の端部を備えた第２の導波管部であって、第２の導波管部の第１の端部がレーザー源の第２端部に結合することを特徴とする第２の導波管部と、
第１の導波管部の第２の端部と第２の導波管部の第２の端部との間に結合されるマイクロキャビティであって、マイクロキャビティが共鳴振動数を備えることを特徴とするマイクロキャビティと、
前記マイクロキャビティと前記レーザー源との間に結合された電子ロッキングループであって、該電子ロッキングループが、前記レーザー源を前記マイクロキャビティの共鳴振動数に電子的にロックし、前記第１の導波管部が、前記マイクロキャビティと前記レーザー源との間に結合された光学ロッキングループであり、前記光学ロッキングループが、前記レーザー源を前記マイクロキャビティの共鳴振動数に光学的にロックする、ことを特徴とする電子ロッキングループと、
前記マイクロキャビティと結合するマイクロキャビティ安定化ループであって、該マイクロキャビティ安定化ループが、リファレンス周波数に対して前記マイクロキャビティの共鳴振動数を安定化させることを特徴とする、マイクロキャビティ安定化ループと、
レーザー安定化システムから光を出力するための出力部と、
を有することを特徴とする。
【００４３】
[0049] 実施形態１８は、実施形態１７の光ファイバ・ジャイロスコープを含み、マイクロキャビティ安定化ループは、マイクロキャビティに連結する熱位相変調器を含み、熱位相変調器は、マイクロキャビティから放射されるレーザービームの吸収線測定に基づいて変化するフィードバック信号を受信する。
【００４４】
[0050] 実施形態１９は、実施形態１７または１８の光ファイバ・ジャイロスコープを含み、電子ロック・ループは、Pound-Drever-Hallロッキングループからなることを特徴とする。
【００４５】
[0051] 実施形態２０は、実施形態１７乃至１９のいずれかの光ファイバ・ジャイロスコープを含み、電子ロッキングループは、電気光学効果によって誘導された注入電流によって、共鳴振動数にレーザー源を電子的にロックする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー安定化システム（１００）であって、
第１の端部及び第２の端部を備えたレーザー源（１０４）と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第１の導波管部（１０６）であって、第１の導波管部（１０６）の第１の端部が前記レーザー源（１０４）の第１の端部に結合されることを特徴とする第１の導波管部（１０６）と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第２の導波管部（１０６）であって、第１の導波管部（１０６）の第１の端部が前記レーザー源（１０４）の第２の端部に結合されることを特徴とする第２の導波管部（１０６）と、
前記第１の導波管部（１０６）の第２の端部と前記第２の導波管部（１０６）の第２の端部との間に結合されたマイクロキャビティ（１０２）であって、該マイクロキャビティ（１０２）が共鳴振動数を備えることを特徴とするマイクロキャビティ（１０２）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）と前記レーザー源（１０４）との間に結合された電子ロッキングループ（１０８）であって、該電子ロッキングループ（１０８）が、前記レーザ源（１０４）を前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数に電子的にロックし、前記第１の導波管部（１０６）が、前記マイクロキャビティ（１０２）と前記レーザー源（１０４）との間に結合された光学ロッキングループ（１０７）であり、前記光学ロッキングループ（１０７）が、前記レーザー源（１０４）を前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数に光学的にロックする、ことを特徴とする電子ロッキングループ（１０８）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）と結合するマイクロキャビティ安定化ループ（１０９）であって、該マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）が、リファレンス周波数に対して前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数を安定化させることを特徴とする、マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）と、
前記レーザー安定化システム（１００）から光を出力するための出力部（１１６）と、
を有することを特徴とするレーザー安定化システム（１００）。
【請求項２】
前記マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）が、
前記マイクロキャビティ（１０２）に結合された熱位相変調器（１２４）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）に結合された吸収線を備えたガスチャンバ(120)と、
前記ガスチャンバ(120)に結合されたフォトディクタ（１２２）と、
を有し、
レーザービームが前記ガスチャンバ（１２０）の中を通過した後、前記フォトディテクタ（１２２）は、前記マイクロキャビティ（１０２）から放射されたレーザービームの強度を測定し、該強度に基づいて変化するフィードバック信号を生成させ、
強度の変化が、前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数における変化の強度であることを特徴とする請求項１に記載のシステム（１００）。
【請求項３】
光学ロッキングループ（１０７）を用いてマイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数にレーザー（１０４）を光学的にロックするステップ（２０２）と、
電子的ロッキングループ（１１０）を用いてマイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数にレーザー（１０４）を電子的にロックするステップ（２０４）と、
マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）を用いてリファレンス周波数にマイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数を安定化させるステップと
を有することを特徴とするレーザーを安定化させる方法（２００）。
【請求項１】
レーザー安定化システム（１００）であって、
第１の端部及び第２の端部を備えたレーザー源（１０４）と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第１の導波管部（１０６）であって、第１の導波管部（１０６）の第１の端部が前記レーザー源（１０４）の第１の端部に結合されることを特徴とする第１の導波管部（１０６）と、
第１の端部及び第２の端部を備えた第２の導波管部（１０６）であって、第１の導波管部（１０６）の第１の端部が前記レーザー源（１０４）の第２の端部に結合されることを特徴とする第２の導波管部（１０６）と、
前記第１の導波管部（１０６）の第２の端部と前記第２の導波管部（１０６）の第２の端部との間に結合されたマイクロキャビティ（１０２）であって、該マイクロキャビティ（１０２）が共鳴振動数を備えることを特徴とするマイクロキャビティ（１０２）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）と前記レーザー源（１０４）との間に結合された電子ロッキングループ（１０８）であって、該電子ロッキングループ（１０８）が、前記レーザ源（１０４）を前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数に電子的にロックし、前記第１の導波管部（１０６）が、前記マイクロキャビティ（１０２）と前記レーザー源（１０４）との間に結合された光学ロッキングループ（１０７）であり、前記光学ロッキングループ（１０７）が、前記レーザー源（１０４）を前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数に光学的にロックする、ことを特徴とする電子ロッキングループ（１０８）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）と結合するマイクロキャビティ安定化ループ（１０９）であって、該マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）が、リファレンス周波数に対して前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数を安定化させることを特徴とする、マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）と、
前記レーザー安定化システム（１００）から光を出力するための出力部（１１６）と、
を有することを特徴とするレーザー安定化システム（１００）。
【請求項２】
前記マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）が、
前記マイクロキャビティ（１０２）に結合された熱位相変調器（１２４）と、
前記マイクロキャビティ（１０２）に結合された吸収線を備えたガスチャンバ(120)と、
前記ガスチャンバ(120)に結合されたフォトディクタ（１２２）と、
を有し、
レーザービームが前記ガスチャンバ（１２０）の中を通過した後、前記フォトディテクタ（１２２）は、前記マイクロキャビティ（１０２）から放射されたレーザービームの強度を測定し、該強度に基づいて変化するフィードバック信号を生成させ、
強度の変化が、前記マイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数における変化の強度であることを特徴とする請求項１に記載のシステム（１００）。
【請求項３】
光学ロッキングループ（１０７）を用いてマイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数にレーザー（１０４）を光学的にロックするステップ（２０２）と、
電子的ロッキングループ（１１０）を用いてマイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数にレーザー（１０４）を電子的にロックするステップ（２０４）と、
マイクロキャビティ安定化ループ（１０９）を用いてリファレンス周波数にマイクロキャビティ（１０２）の共鳴振動数を安定化させるステップと
を有することを特徴とするレーザーを安定化させる方法（２００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２４４１８２（Ｐ２０１２−２４４１８２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１１６４５３（Ｐ２０１２−１１６４５３）
【出願日】平成２４年５月２２日（２０１２．５．２２）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１１６４５３（Ｐ２０１２−１１６４５３）
【出願日】平成２４年５月２２日（２０１２．５．２２）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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