紧凑光学原子钟和基于回音壁模式光学谐振器中的参数化非线性光学混频的应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供了基于由非线性光学材料制成的光学谐振器和非线性波混频的技术和设备，以生成相对于原子参考被稳定的光梳。
【专利说明】2用。原子跃迁(例如，铯或铷中的碱超精细波振荡器或设备可在频率上被稳定至原子
制成的光学谐振器提供非线性波混频和原和设备。
封皆振器、激光器、激光锁定结构、以及原子光学材料形成且基于所述光学非线性引起3并产生激光，该激光基于所述非线性波混义产生所述光频梳；激光器锁定机构将所述:备包括提供原子跃迁或分子跃迁的原子或的光来产生携带所述原子跃迁或分子跃迁客、反馈电路、以及第二光学检测器，其中第&输出光以产生第一检测器输出；反馈电路反馈电路耦合至所述激光器或所述光学谐[0009]在另一方面，提供了一种生成相对于原子频率参考稳定的射频(RF)信号或微波信号的方法。该方法包括:引导激光至光学谐振器中，以在所述光学谐振器内以至少两个不同的光学谐振器模式产生受限激光，所述至少两个不同的光学谐振器模式以所述光学谐振器的自由谱范围(FSR)或所述FSR的谐波分离；将所述光学谐振器内的所述受限激光耦合出作为光学谐振器输出，所述光学谐振器输出具有与所述至少两个不同的光学谐振器模式相对应的两个光学谱分量；相对于原子频率参考锁定所述光学谐振器，以稳定所述光学谐振器输出中的与所述至少两个不同的光学谐振器模式相对应的所述两个光学谱分量；以及引导所述光学谐振器输出至所述光电检测器内，以产生在所述两个光学谱分量间频率差的频率的检测器信号，所述检测器信号相对于所述原子频率参考被稳定。
[0010]在另一方面，提供了一种生成光梳和相对于原子频率参考稳定所述光梳的方法。该方法包括:操作激光器，以产生激光；引导所述激光至光学谐振器内，所述光学谐振器具有光学非线性并以充足的功率支持光学回音壁模式，以基于所述光学谐振器中的非线性波混频生成不同频率的光梳信号；相对于彼此锁定所述激光器和所述光学谐振器；以及相对于原子频率参考锁定所述激光器或所述光学谐振器以稳定不同频率的所述光梳。
[0011]在又一方面，提供了一种设备，其包括:光学谐振器、激光器、光学耦合器、以及原子参考设备，其中光学谐振器由展现光学非线性的晶体材料形成并被配置成支持回音壁模式的回音壁模式谐振器；激光器是可调谐的并产生激光；光学耦合器将所述激光耦合至所述光学谐振器内，所述光学谐振器基于所述晶体材料的光学非线性产生不同频率的光梳并将所述光学谐振器内的光从所述光学谐振器耦合回到所述激光器，以导致所述激光器被注入锁定至所述光学谐振器；原子参考设备包括提供原子跃迁或分子跃迁的原子或分子并被耦合以接收从所述光学谐振器耦合出的光，以产生携带所述原子跃迁或分子跃迁的信息的输出光。该设备还包括第一光学检测器、反馈电路、以及第二光学检测器，其中第一光学检测器接收来自所述离子参考设备的所述输出光，以产生第一检测器输出；反馈电路接收所述第一检测器输出并产生反馈信号，所述反馈电路耦合至所述激光器或所述光学谐振器中的至少之一，以应用所述反馈信号来稳定所述激光器或所述光学谐振器中的所述至少之一；以及第二光学检测器接收通过所述光学耦合器耦合出所述光学谐振器的光，以将不同频率的所述光梳变换成第二检测器信号，所述第二检测器信号在频率上相对于所述原子参考设备的所述原子跃迁或分子跃迁被稳定。
[0012]在附图、说明书和权利要求中详细描述了这些及其他方面和实施。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1A、图1B、图1C和图1D示出了被稳定至原子参考的光梳生成设备的一个示例；
[0014]图2A、图2B、图3、图4A、图4B、图5A和图5B示出了 WGM谐振器和光学耦合设计的示例；
[0015]图6示出了基于没有OEO环路的非线性WGM谐振器的RF振荡器；
[0016]图7、图8和图9示出了基于非线性WGM谐振器的RF或微波振荡器的示例；
[0017]图10-图15示出了用于生成光梳信号的样本非线性WGM谐振器的测量；
[0018]图16示出了用于通过使用外反射器将激光器锁定至谐振器的示例；以及
[0019]图17、图18、图19、图20和图21示出了被稳定至原子参考的不同光梳生成设备。【具体实施方式】
[0020]光梳是具有周期性频率或谱分量或光学谐波的光学信号，并且其特征为各个频率分量的光学频率、或频率分量中至少之一的光学频率和频率分量的频率间隔或重复频率的组合。本文中描述的设备和技术包括基于或相对于原子频率参考或时钟信号，使在通过来自激光器的激光提供的合适的光泵浦下、基于非线性光学谐振器(例如，晶体回音壁模式谐振器)中的超参数化振荡和/或四波混频生成的光梳的重复频率稳定的设备和技术。本文中描述的实施示例可使用用于稳定光梳的一个原子频率参考或用于提供两个不同频率锁定点或稳定点以实现光梳信号的更健壮的稳定性的两个不同原子频率参考。这种被稳定的光梳信号表示相关原子频率参考或时钟，并且对于各种实际应用可被当作原子钟。这种被稳定的光梳信号可通过光检测器检测，光电检测器将光梳信号变换成RF或微波信号。根据光电检测器和相应的电路系统的带宽，RF或微波信号可包括与相邻的频率分量之间的频率间隔和/或此频率间隔的其他频率谐波对应的RF或微波频率。光电检测器及其相应的电路系统可配置为在RF或微波信号中选择一个或多个RF或微波频率。
[0021]本文中描述的设备和技术使用光学处理来利用光域中的原子或分子中的光学原子或分子跃迁(即，原子钟)的高精度和相对于原子钟稳定光学信号(例如，光梳)。被稳定的光学信号然后通过光电检测器变换到RF或微波域，以获得具有原子钟的频率精度或稳定性的RF或微波信号。这种光学稳定和将光域变换至RF或微波域的方案可通过在不使用光梳信号的情况下生成具有至少两个不同光学谱分量的光学信号实施，其中该至少两个不同光学谱分量具有与期望的RF或微波频率对应的频率分离。在不需要光梳信号的情况下，非线性光学谐振器可由不呈现光学非线性的光学谐振器替换。本文中提供的一个示例是将在两个激光载波频率的两个不同激光器锁定至原子频率参考，其中两个激光载波频率的频率差被设置为期望的RF或微波频率。
[0022]下面的部分描述了基于用于生成光梳的非线性光学谐振器中的非线性光波混频的实施。非线性光学谐振器可成各种光学谐振器配置。非线性回音壁模式谐振器可以是特别有利的，部分因为这种谐振器可被制造为具有高Q值，以在低功率级提供有效的非线性波混频并可以紧凑形式封装或集成到RF芯片上。其他谐振器配置中的非线性光学谐振器(如Fabry-Perot谐振器)还可用于实施本文中描述的设备和技术。
[0023]在一些实施中，适当选择的光学谐波(“光梳”)生成在光学晶体回音壁模式谐振器中并被注入至原子参考(例如，原子蒸气室、原子阱、或原子束)中，以产生携带原子参考频率的信息的输出光学信号。该输出的光学信号用于生成反馈信号，其中该反馈信号用于稳定激光器和光学晶体回音壁模式谐振器之一或这两者。例如，在谐波的适当偏振制备的情况下，来自原子参考的光的光学检测在光电二极管处执行，并且反馈从来自光电二极管的输出的被处理的RF信号生成并被反馈至激光器、或谐振器本身，其中该激光器用于光学地泵浦谐振器。该反馈用于实现光梳的稳定，其中光梳可在快速光电二极管上被解调，以产生被锁定至原子参考的具有频率稳定性的RF或微波信号。因此，该具有原子参考的基于回音壁模式(WGM)谐振器的超参数化振荡器可将原子跃迁的稳定性传递至快速光电二极管上的光学线的RF拍。
[0024]使用非线性WGM谐振器生成光梳和将生成的光梳锁定至原子参考的组合可用于提供紧凑、低成本和可高度适应的具有原子参考精度的RF或微波振荡器。例如，这种设备可用作基于所使用的原子参考中的光学跃迁的原子钟并可配置成紧凑尺寸且工作在低功率下。
[0025]原子参考可以基于原子或分子跃迁的各种配置实施。例如，名为“Atomic clockbased on an opto-electronic oscillator (基于光电振荡器的原子钟)”的第 6, 762, 869号美国专利描述了具有频率锁定机制以将振荡器的振荡频率稳定至原子频率参考的光电振荡器(例如，原子蒸气室)的示例。作为另一示例，名为“Tunable single sidebandmodulators based on electro-optic optical whispering gallery mode resonators andtheir applicat1n (基于电光光学回音壁模式谐振器的可调谐的边带调制器及其应用)”的第8，159，736号美国专利描述了由电光材料形成的、基于回音壁模式谐振器中的可调谐单边带(SSB)调制并且在光电环路的光学部分中使用原子蒸气室稳定RF或微波振荡的光电振荡器的示例。上面提到的美国专利的公开通过引用被并入作为本文的公开的一部分。
[0026]原子室中的原子(例如，碱蒸气，例如铷或铯)可用于提供用于使本文中描述的设备稳定的稳定的原子频率参考。这种稳定的原子频率参考可以各种方式生成。例如，具体光学原子跃迁处的吸收峰可直接用作这种稳定的原子参考，其中原子蒸气室的这种跃迁处的光学透射(或者，可替代地，吸收)可被测量，以指示信号的频率或光学谐振器谐振或激光器的频率偏移。作为另一示例，基于被称为电磁感应透明的量子干涉效应的与三个能量级相关联的原子跃迁也可用作这种稳定的原子频率参考。在铷或铯中，两个基态超精细级和公共的激发态可用于提供原子参考，其中两个基态超精细级之间的频率差对应于期望的RF或微波频率。这种原子的不例包括两个超精细基态之间具有约9.2GHz间隙的艳和两个超精细基态之间具有6.SGHz间隙的铷。通常，两个基态在缺少光学泵浦的情况下通过公共的激发态彼此隔离。如果仅存在一个光学场并且该光学场与两个光学跃迁中的任一个谐振，则所有的电子将最终从与这个光学场谐振的、与原子跃迁相关联的一个基态转移至不与这个光学场谐振的另一基态。这将使原子室对这个光学场透明。如果第二光学场同时施加至另一原子跃迁并且与第一光学场相干，则这两个基态不再彼此隔离。当这两个施加的光学场精确地与两个原子跃迁谐振时，发生量子力学的相干布居数囚禁(coherent populat1ntrapping)，在量子力学的相干布居数囚禁中两个基态彼此量子力学地干涉以形成不同相叠加态并变为与公共的激发态去耦合。在这种情况下，叠加态与激发态之间不存在可允许的偶极矩，因此两个基态中的任一个的没有电子可被光学地激发至激发态。因此，原子室变为对分别与共享公共激发态的两个原子跃迁谐振的两个光学场透明。当施加的两个光学场中的任一个被调谐以远离其相应的谐振时，处于基态的原子再次变为光学地吸收。此电磁感应透明导致相对于同时施加的两个光学场的任一个的频率失谐的窄传输谱峰。此信号可被用作用于稳定WGM谐振器、或激光器、或这两者的反馈。
[0027]图1A、图1B、图1C和图1D示出了示例性光梳生成设备的结构和操作，其中光梳生成设备基于非线性光学WGM谐振器被稳定至原子参考。该设备包括可调谐的激光器1，例如产生通过光学耦合器2 (例如可以是用于光学消逝耦合的棱柱耦合器)耦合到非线性光学WGM谐振器100的激光的二极管激光器或半导体激光器。非线性光学WGM谐振器100由呈现光学非线性的晶体材料形成并且谐振器100配置为支持光学回音壁模式。激光器I被操作为生成激光的充足激光功率，该激光在谐振器100内耦合到用于非线性光波混频的阈值对于原子室200中的原子参考被稳定的谐)的谐振偏移，以减少或使从具体原子频率光学谐振器100在频率方面可调谐，并且谐
0置实现。例如，谐振器100的温度可用于对如，诸如挤压器的机械致动器或压电致动皆振器100可由电光材料制成，以使得可施振器。
器输出为误差信号，其指示光学谐振器100I较低抖动调制使光学谐振器100的谐振抖制在通过光电检测器24产生的检测器信号子频率参考的漂移的量和方向。设置有振斗动频率的振荡信号，该振荡信号被施加至氧的激光载波的抖动调制。光学谐振器:享共同激发态的两个原子跃迁的两个基态内的激光在谐振器100的非线性材料内经:波频率0的激光的能量导致参数化放大，路，第二束沿着具有第二镜M2的第二光路。第二分束器BS2用于组合两个束，以致使两个束空间重叠和光学干涉来产生第一输出束至第三反射器M3和第二输出束至第四镜M4。干涉仪10的BS2处的两个输出束为分别与两个不同光学跃迁谐振的在两个不同光学频率的两个光学信号，其中该两个不同光学跃迁与上述的共享相同公共激发态的两个基态相关联。偏振旋转器(例如，半波片)可被放置在两个束之一中，以使一个束的偏振旋转90度，因此两个束正交偏振。两个正交偏振束然后在偏振分束器(PBS)处彼此组合和重叠成组合束，该组合束进入原子室20。原子室20中的两个正交偏振的束与用于电磁感应透明的上述共享公共激发态的两个原子跃迁谐振:一个束与一个跃迁谐振而另一个束与另一个跃迁谐振。原子室20的光学透射被引导通过光学偏振器22，然后被引导至光学检测器24。线性偏振器22被定向为相对于两个正交偏振束的任一偏振成45度，以允许两个束到达光学检测器24。
[0035]在图1A中，晶体回音壁模式谐振器100中的四波混频和超参数化振荡生成可调谐的光梳5。光梳5的频率稳定性由谐振器100的谐振器模式的频率稳定性给出。因此，光梳模式之间的频率分离因各种因素(例如，谐振器100中的热过程)随时间漂移。为了实现光梳谐波之间的稳定的频率差，光梳可锁定至具有绝对频率稳定性的参考，例如来自原子室20的频率参考。
[0036]谐振器100可制造为具有自由谱范围(FSR)的结构，以使得m*FSR= ω KF，其中RF频率ωκρ是原子或分子(例如，碱或其他类型的原子/离子)的基态超精细跃迁的RF频率，m是整数。因此，RF频率coKF可等于或为谐振器100的FSR的谐波。原子/离子的基态应该具有时钟跃迁并且应该在利用双色光询问时展示电磁感应透明现象。谐振器100利用来自激光器I的激光被泵浦并应该与原子室20中所关心的光学原子跃迁和谐振模式之一谐振。激光器CW光的功率应足够强大，以超过谐振器100中的光学超参数化振荡的阈值。激光器I应通过注入锁定、PDH锁定或其他锁定技术被锁定至合适的谐振模式。
[0037]如图1A所示，生成的光梳输出5可使用一个或多个Mach-Zehnder干涉仪进行处理，以分离光梳频率分量，从而使得与原子/离子的两个光学超精细跃迁谐振的两个光学分量遵循不同的光路。空间分离的光梳谐波的偏振应改变至线性正交或圆形反向旋转。然后激光束应被引导至原子室20。
[0038]在图1A的设备的操作中，用于将光梳锁定至原子室20中的原子参考的误差信号通过测量由相反地偏振光学谐波在其与原子室20中的原子样本相互作用期间获取的相对相移生成。误差信号的特征谱宽度等于电磁感应透明谐振的谱宽度。
[0039]在图1A的设备和本文中描述的其他设备中，晶体回音壁模式谐振器100中的四波混频(FWM)的非线性过程呈现立方非线性，例如氟化钙或其他非线性材料。参考图1D，在FWM中，高精细度或高QWGM谐振器100中的大场密度将处于激光载波频率ω的两个泵浦光子转变成处于ω +和《_的两个边带光子，即信号光子和闲频光子(idler photon)。生成的处于ω +和《_的光子的频率总和因能量守恒定律等于处于激光载波频率ω的泵浦光的频率的两倍。
[0040]光学谐振器是支持被称为回音壁(“WG”)模式的一组特殊的谐振模式的光学回音壁模式(“WGM”)谐振器。这些WG模式表示因边界处的总内部反射被局限在接近谐振器表面的内部区域中的光学场。例如，电介质球体可用于形成WGM谐振器,其中WGM模式表不因球体边界处的总内部反射被限制在接近球体赤道周围的表面的内部区域中的光学场。直径.面102为圆形横截面。呢模式存在于球体、表面在赤道面102周围的球体曲率提供沿:。球体100的偏心率通常较低。
丨0。谐振器200可通过绕沿短椭圆轴线1012八中的球形谐振器，图28中的面也具有圆3 28中的面102为非球形类球体的、且在类00的偏心率为(产并且通常较高，球体的一部分并沿2方向提供比球形外表所在的面(例如，27或0面)的几何形状为I直于轴线101 (2),并且呢模式在谐振器
丨性1(通谐振器300，其中外表轮廓基本呈锥不。类似于图1和图2的几何体，夕卜表面在由率，以限制和支持呢模式。这种非球形、每线。注意，图3中的面102为圆形横截面，用于光学滤波和光电振荡器。
I'高谐振对比度(50%及更大)的晶体1(通谐文体积和极窄的单光子谐振，可基于小宽带宣非线性效应。作为示例，下文中报告观察,0得到越小体积的高0 二氧化硅微球体。谱振器的非线性材料的一个示例是氟化钙-线光刻应用中的使用而在各种应用中非常I勺超纯晶体，并且其可商业获得。根据最近)50111 \极小散射可被投射到与0在1013水
七子边缘的位置进行预测，并产生甚至更小和吸收都存在并且它们在实际谐振器中减残留表面不均匀性产生的散射。在传统光；于用于表面散射的波导模式的估计产
八1203制成的其他晶体材料制造的1(通谐振型。
[0056]在低光级实现有效非线性光学相互作用从一开始就是非线性光学的主要目标之一。因为在长时间段内将光限制在小体积内导致增加的非线性光学相互作用，所以光学谐振器对实现该目标贡献显著。光学回音壁模式(WGM)谐振器尤其适于该目的。高品质因数(Q)和小模式体积的特征已导致在由非晶材料制成的WGM谐振器中观察到低阈值的发射激光和有效非线性波混频。
[0057]光学超参数化振荡(被称为光纤光学器件中的调制不稳定性)通常被材料的小非线性阻碍，因此需要高功率光脉冲用于其观察。尽管CaF2的非线性甚至小于熔融二氧化硅的非线性，但是能够利用低功率连续波泵浦光观察到由谐振器的高Q (Q>5xl09)导致的谐振模式之间的强非线性相互作用。由于该相互作用生成了新的场。
[0058]通过在快速光电二极管上混合泵浦和生成的边带产生的微波信号的频率是稳定的并且不具有可能因自相位调制和交叉相位调制效应发生的频移。相反地，在例如相干原子媒介中，振荡频率偏移以补偿因交叉相位调制效应(交流Stark偏移)导致的频率不匹配。在我们的系统中，振荡频率由模式结构给出，因此振荡频率可通过改变谐振器尺寸而被调谐。不同于用非晶材料和液体制造的谐振器，高Q晶体谐振器允许更好地区分三阶非线性过程和观察纯超参数化振荡信号。因此，超振荡器作为全光学次要频率参考适合多个应用。
[0059]超参数化振荡可用受激拉曼散射(SRS)和其他非线性效应遮蔽。例如，具有WGM二氧化硅微谐振器的SRS实验中的光学泵浦线附近的次级线的观察被解释为泵浦与在谐振器中生成的两个拉曼波之间的四波混频，而非基于媒介的电子Kerr非线性的四光子参数化过程。各种受激非线性过程中的相互影响也已经在液滴球形微腔中被研究和观察。
[0060]偏振选择规则和WGM的几何体选择规则允许观察到仅由于晶体WGM谐振器中的晶体的电子非线性导致的非线性过程。下面考虑具有具有对称轴线的柱对称性的氟石WGM谐振器。立方晶体中的线性折射率是一致的和各向同性的，因此模式的通常描述对谐振器有效。WGM的TE族和TM族分别具有与对称轴线平行和正交的偏振方向。如果光学泵浦光被发送到TE模式，拉曼信号不能在相同的模式族中生成，因为在立方晶体(例如CaF2)中仅存在一个具有对称性F2g的三重简并拉曼活性振动。最后，在超高Q晶体谐振器中，由于材料以及几何弥散，拉曼失谐频率处的自由谱范围(FSR)的值与载波频率处的FSR不同之处在于超过模式谱宽度的量。因此，拉曼信号和载波之间的频率混合被强烈抑制。TE模式族中的任何场生成仅由于电子非线性，并且拉曼散射发生在TM模式中。
[0061]考虑三个腔模式:一个模式几乎与泵浦激光器谐振，另外两个模式几乎与生成的光学边带谐振。分析从下面用于腔内的慢振幅的等式开始。
【权利要求】
1.一种设备，包括： 光学谐振器，由展现光学非线性的光学材料形成并基于由所述光学非线性导致的非线性波混频产生光频梳； 激光器，能够调谐并产生激光，所述激光基于所述非线性波混频与所述光学谐振器的所述光学材料相互作用，以产生所述光频梳； 激光器锁定机构，将所述激光器锁定至所述光学谐振器； 原子参考设备，包括提供原子跃迁或分子跃迁的原子或分子，并被耦合以接收从所述光学谐振器耦合出的光，以产生携带所述原子跃迁或分子跃迁的信息的输出光； 第一光学检测器，接收来自所述原子参考设备的所述输出光，以产生第一检测器输出； 反馈电路，接收所述第一检测器输出并产生反馈信号，所述反馈电路被耦合至所述激光器或所述光学谐振器中至少之一，以应用所述反馈信号来稳定所述激光器或所述光学谐振器中的所述至少之一；以及 第二光学检测器，接收通过所述光学耦合器从所述光学谐振器耦合出的光，以将所述光频梳变换成第二检测器信号，所述第二检测器信号在频率上相对于所述原子参考设备的所述原子跃迁或分子跃迁被稳定。
2.如权利要求1所述的设备，其中： 所述光学谐振器为光学回音壁模式谐振器。
3.如权利要求1所述的设备，其中： 所述光学谐振器由非线性晶体材料制成。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述激光器和所述光学谐振器通过注入锁定被相互锁定，所述激光锁定机构包括光学耦合器，所述光学耦合器将所述激光耦合至所述光学谐振器中并将光从所述光学谐振器耦合出回到所述激光器，以将所述激光器注入锁定至所述光学谐振器。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述激光锁定机构包括锁定电路，所述锁定电路将所述激光器和所述光学谐振器相互锁定。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述锁定电路为Pound-Drever-Hall(PDH)电路。
7.如权利要求1所述的设备，包括： 光学Mach-Zehnder干涉仪，耦合在所述原子参考设备与所述光学谐振器之间，并被耦合以接收从所述光学谐振器耦合出的所述光，并且在将从所述光学谐振器耦合出的所述光处理为与所述原子参考设备中的第一原子跃迁谐振的第一光学束和与所述原子参考设备中的不同的第二原子跃迁谐振的第二光学束之后，将从所述光学谐振器耦合出的所述光引导至所述原子参考设备， 其中，所述第一原子跃迁和所述第二原子跃迁与所述原子参考设备的所述原子跃迁或分子跃迁相关联。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述激光器被调制为产生激光，所述激光具有与用于稳定所述激光器或所述光学谐振器的所述反馈信号相关的抖动调制。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述原子参考设备包括原子蒸气室。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述原子参考设备包括原子阱。
11.如权利要求1所述的设备，其中所述原子参考设备包括原子束。
12.—种设备,包括: 光学谐振器，展现光学非线性并被配置为支持光学回音壁模式的回音壁模式谐振器； 激光器，能够调谐并产生激光； 光学耦合器，将所述激光耦合至所述光学谐振器中，以基于所述光学谐振中的非线性波混频生成不同频率的光梳信号； 原子参考设备，包括提供作为频率参考的原子跃迁或分子跃迁的原子或分子；以及锁定电路，在频率上相对于所述原子参考设备的所述原子跃迁或分子跃迁锁定所述光学谐振器或所述激光器中至少之一，以稳定不同频率的所述光梳。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述锁定电路将来自所述光学谐振器的光引导回所述激光器，以将所述激光器相对于所述光学谐振的模式注入锁定。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述锁定电路包括光学耦合器，所述光学耦合器将光耦合出所述光学谐振器，并将耦合的所述光引导回所述激光器。
15.如权利要求12所述的设备，其中所述锁定电路包括Pound-Drever-Hall(TOH)电路。
16.一种生成相对于原子频率参考被稳定的射频(RF)信号或微波信号的方法，包括: 引导激光至光学谐振器中，以在所述光学谐振器内以至少两个不同的光学谐振器模式产生受限激光，所述至少两个不同的光学谐振器模式以所述光学谐振器的自由谱范围(FSR)或所述FSR的谐波分离； 将所述光学谐振器内的所述受限激光耦合出作为光学谐振器输出，所述光学谐振器输出具有与所述至少两个不同的光学谐振器模式相对应的两个光学谱分量； 相对于原子频率参考锁定所述光学谐振器，以使所述光学谐振器输出中的与所述至少两个不同的光学谐振器模式相对应的所述两个光学谱分量稳定；以及 引导所述光学谐振器输出至光电检测器中，以产生在所述两个光学谱分量间频率差的频率的检测器信号，所述检测器信号相对于所述原子频率参考被稳定。
17.如权利要求16所述的方法，包括: 操作第一激光器，以产生所述激光的在第一激光载波频率的第一部分，所述第一激光载波频率与所述光学谐振器的第一光学谐振器模式相对应； 锁定所述第一激光器至所述光学谐振器的所述第一光学谐振器模式； 操作分离的第二激光器，以产生所述激光的在第二激光载波频率的第二部分，所述第二激光载波频率与所述光学谐振器的第二光学谐振器模式相对应；以及锁定所述第二激光器至所述光学谐振器的所述第二光学谐振器模式。
18.如权利要求17所述的方法，包括: 相对于彼此锁定所述第一激光器和所述第二激光器。
19.如权利要求16所述的方法，包括: 配置所述光学谐振器作为非线性光学谐振器，以通过所述光学谐振器内的非线性波混频生成光频梳，其中生成的所述光频梳包括至少两个不同的光学谐振器模式。
20.如权利要求19所述的方法，包括: 引导所述光学谐振器输出的光至所述原子频率参考中，以生成误差信号；以及使用所述误差信号，以相对于所述原子频率参考锁定所述光学谐振器。
21.如权利要求20所述的方法，包括: 处理所述光学谐振器输出的所述光，以生成在第一光学频率的第一束和在不同的第二光学频率的第二束，所述第一束与所述原子频率参考中的第一原子跃迁谐振，所述第二束与所述原子频率参考中的第二原子跃迁谐振，所述第二原子跃迁与所述第一原子跃迁共享公共的激发态；以及 使用通过所述第一原子跃迁和所述第二原子跃迁产生的电磁感应透明，以生成所述误差?目号。
22.如权利要求16所述的方法，包括: 操作激光器，以生成所述激光； 在引导所述激光至所述光学谐振器中之前，分开所述激光的一部分，以穿过所述原子频率参考来生成误差信号；以及 使用所述误差信号，以相对于所述原子频率参考锁定所述光学谐振器。
23.一种生成光梳和相对于原子频率参考稳定所述光梳的方法，包括: 操作激光器，以产生激 光； 引导所述激光至光学谐振器中，所述光学谐振器展现光学非线性并以充足的功率支持光学回音壁模式，以基于所述光学谐振中的非线性波混频生成不同频率的光梳信号；相对于彼此锁定所述激光器和所述光学谐振器；以及 相对于原子频率参考锁定所述激光器或所述光学谐振器，以稳定不同频率的所述光梳。
24.如权利要求23所述的方法，包括: 基于从所述光学谐振器至所述激光器的光学反馈通过注入锁定相对于彼此锁定所述激光器和所述光学谐振器。
25.如权利要求23所述的方法，包括: 通过Pound-Drever-Hall (PDH)电路相对于彼此锁定所述激光器和所述光学谐振器。
26.如权利要求23所述的方法，包括: 基于原子蒸气或分子蒸气中的电磁感应透明相对于原子频率参考锁定所述激光器或所述光学谐振器。
27.如权利要求23所述的方法，包括: 提供与所述原子频率参考不同的第二原子频率参考；以及 相对于所述原子频率参考和所述第二原子频率参考锁定所述激光器或所述光学谐振器。
28.—种设备,包括: 光学谐振器，由展现光学非线性的晶体材料形成并被配置成支持回音壁模式的回音壁模式谐振器； 激光器，能够调谐并产生激光； 光学耦合器，将所述激光耦合至所述光学谐振器中，所述光学谐振器基于所述晶体材料的光学非线性产生不同频率的光梳，以及将所述光学谐振器内的光从所述光学谐振器耦合出回到所述激光器，以将所述激光器注入锁定至所述光学谐振器；原子参考设备，包括提供原子跃迁或分子跃迁的原子或分子并被耦合以接收从所述光学谐振器耦合出的光，以产生携带所述原子跃迁或分子跃迁的信息的输出光； 第一光学检测器，从所述离子参考设备接收所述输出光，以产生第一检测器输出； 反馈电路，接收所述第一检测器输出并产生反馈信号，并且耦合至所述激光器或所述光学谐振器中的至少之一，以应用所述反馈信号来使所述激光器或所述光学谐振器中的所述至少之一稳定；以及 第二光学检测器，接收通过所述光学耦合器耦合出所述光学谐振器的光，以将不同频率的所述光梳变换成第二检测器信号，所述第二检测器信号在频率上相对于所述原子参考设备的所述原子跃 迁或分子跃迁被稳定。
【文档编号】H01S3/08GK104040808SQ201280042568
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年7月2日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】阿纳托利·A·萨夫琴科夫, 鲁特·梅尔基, 安德烈·B·马茨科, 大卫·赛德尔 申请人:Oe电波公司