激光器对光学谐振器的反馈增强的自注入锁定

摘要

通过基于反射反馈的自注入锁定将激光器锁定和稳定到光学谐振器的技术和设备。可以实施回音壁模式的光学谐振器以基于来自光学谐振器外部的反馈光学装置的反射反馈来提供光滤波和注入反馈。

说明书

优先权声明和相关申请

本文要求2010年8月10日提交的、题为“改进激光器对介质谐振器的 自注入锁定的新的反馈结构”的第61/372,389号美国临时申请的优先权， 通过引用将其并入本文以作为本文说明书的一部分。

技术领域

本申请涉及激光器和激光器的稳定。

背景技术

激光器可以碰到多种干扰和变化，因而激光器的操作可不利地受到 这些干扰和变化的影响。例如，温度波动和振动可使激光器在激光波长、 激光功率级和激光的光学相位进行波动。多种激光器稳定技术可用于稳 定激光器以避免干扰和变化并且用来减小激光器线宽。

发明内容

本文公开了通过基于反射反馈的自注入锁定将激光器锁定和稳定到 光学谐振器的技术和装置的实施例和实施方式。可以实施回音壁模式光 学谐振器以基于来自光学谐振器外面的反馈光学装置的反射反馈来提供 光学滤波和注入反馈。

在一个方面中，激光器设备可以配置为包括：激光器，在激光器频 率产生激光束；光学谐振器，构造为支持在光学谐振器中循环的回音壁 模式，将光学谐振器光学地耦合至激光器以将激光束的一部分以一个或 多个回音壁模式接收到光学谐振器中，以在光学谐振器中循环。第一光 学耦合器位于激光束的光路，以将激光束的至少一部分耦合到光学谐振 器中以在光学谐振器中沿第一方向进行循环，和以将光学谐振器中沿与 第一方向相反的第二方向循环的光耦合出光学谐振器，以作为反馈到激 光器的反馈光以稳定激光器频率和减小激光器的线宽；以及第二光学耦 合器在相对于光学谐振器与第一光学耦合器的位置不同的位置处耦合至 光学谐振器，第二光学耦合器将光学谐振器中沿第一方向循环的光耦合 出光学谐振器以作为输出光束。激光器设备包括反馈光学装置，反馈光 学装置位于通过第二光学耦合器输出的输出光束的光路中，以接收输出 光束和将输出光束的至少一部分反射回第二光学耦合器以作为反射光 束。第二光学耦合器将反射光束的至少一部分沿第二方向耦合到光学谐 振器中以增加在光学谐振器沿第二方向循环的光的光学能量，以增强通 过第一光学耦合器反馈回激光器的光学能量，以实现激光器对光学谐振 器的注入锁定。

在另一个方面中，可以实现用于锁定激光器的方法，以包括操作激 光器以产生激光器频率的激光束；操作第一光学耦合器，以(1)将激光 束一部分耦合到构造为支持回音壁模式的光学谐振器中，以在光学谐振 器内部沿第一方向进行循环，并且以(2)将在光学谐振器中沿与第一方 向相反的第二方向循环的光耦合出光学谐振器，作为反馈到激光器的反 馈光以稳定激光器频率和减小激光器的线宽；操作在相对于光学谐振器 与第一光学耦合器位置不同的位置处的第二光学耦合器，以将在光学谐 振器中沿第一方向循环的光耦合出光学谐振器作为输出光束；操作位于 第二光学耦合器输出光学能量输出光束的光路中的反馈光学装置，以接 收输出光束和将输出光束的至少一部分反射回第二光学耦合器作为反射 光束，并且以将反射光束的至少一部分沿第二方向耦合到光学谐振器中， 以增加光学谐振器中沿第二方向循环的光的光学能量，以增强通过第一 光学耦合器反馈回激光器的光学能量，以实现激光器对光学谐振器的注 入锁定。在此方法的一个实施方式中，可以将激光器的激光束的一小部 分耦合到光学谐振器，以减小由光学谐振器内部的激光束所引起光学非 线性或热不稳定性。在此方法的另一个实施方式中，可以将半导体激光 器用作激光器，以将电流施加到半导体激光器以产生激光束和反馈光学 装置的反射率，第一和第二光学耦合器可以配置为增加电流的范围，其 中通过超出电流范围的注入锁定将半导体激光器以频率方式锁定到光学 谐振器，以用于保持没有反馈光学装置的情况下的注入锁定。

在又一个方面，可以实现激光器设备以包括反射光的第一光学反射 器；半导体光学放大器(SOA)位于第一光学反射器的一侧和配置为产 生光学增益和放大光；光学谐振器构造为支持在光学谐振器中以两个相 反的方向循环的光学模式，光学谐振器光学地耦合到SOA以接收来自 SOA的光；将第一光学耦合器定位，以将来自SOA的光耦合到光学谐振 器中以在光学谐振器中沿第一方向进行循环，并且以将光学谐振器中沿 与第一方向相反的第二方向循环的光耦合出光学谐振器以作为反馈到 SOA的反馈光，其中SOA位于第一光学反射器和第一光学耦合器之间。 此激光器设备包括在相对于光学谐振器与第一光学耦合器的位置不同的 位置处的耦合到光学谐振器的第二光学耦合器，第二光学耦合器将光学 谐振器中沿第一方向循环的光耦合出光学谐振器以作为输出光束。反馈 光学装置位于通过第二光学耦合器输出一输出光束的光路中，以接收输 出光束，反馈光学装置包括将输出光束的至少一部分反射回第二光学耦 合器以作为反射光束的第二反射器，其中第二光学耦合器将反射光的至 少一部分沿第二方向耦合到光学谐振器中，以增加光学谐振器中沿第二 方向循环的光的光学能量，以增强通过第一光学耦合器反馈回SOA的光 学能量，以实现由第一和第二光学反射器形成以产生激光的激光谐振器。

在本文中描述的上述多种实施和其它的装置和方法中，激光器可以 是可调激光器和可以响应控制信号进行调谐以产生激光器频率的激光 束。光学谐振器可以构造为支持在光学谐振器中循环的回音壁模式；和 光学谐振器光学地耦合到激光器，以将激光束的一部分以一个或多个回 音壁模式接收到光学谐振器，并且以将回音壁模式的光学谐振器中的激 光反馈回激光器以将激光器频率稳定在回音壁模式的频率和以减小激光 器的线宽。光学谐振器可以配置为可调谐振器，以改变其回音壁模式的 谐振或频率。在描述的激光器设备和方法的多种技术特征可以实现以下 方面，实现诸如增强的和稳固的激光锁定性能的一个或多个技术优点或 益处，并且包括在集成光学芯片上提供自注入锁定激光器的紧凑的激光 器设备设计。

在附图、具体实施方式和权利要求中详细地描述了这些或其它方面、 它们的示例和实施。

附图简要说明

图1示出了激光器设备的实施例，其中激光器光学地耦合至回音壁模 式光学谐振器，并且经由基于光学反馈设计的来自光学谐振器的光学反 馈，将激光器稳定到光学谐振器。

图2包括示出用于图1的激光器设备的反射器的设计的图2a、2b、2c 和2d。

图3A和3B示出基于图1和2b的设计的试验激光器设备的测量。

图4示出基于图1的光学反馈设计的激光器设备的另一个实施例。

图5A、5B、6、7A和7B示出支持回音壁模式的多种示例性光学谐振 器结构。

图8A和8B示出可调的电光WGM谐振器的实施例。

图9示出基于集成芯片设计的激光器设备的实施例。

图10、11、12和13示出用于激光器设备的集成的多种部件的实施例。

具体实施方式

本文描述的技术和设备的实施例和实施方式可以使用多种结构的光 学谐振器，以基于反射反馈用于自注入锁定。在以下实施例中提供的具 体实施例包括光环谐振器、和包括盘形和环形WGM谐振器的球形和非球 形回音壁模式(WGM)谐振器。回音壁模式光学谐振器可以配置为提供 高谐振器Q因数，以基于来自光学谐振器外部的反馈光学装置的反射反馈 来提供光滤波和注入反馈。光学WGM谐振器限定回音壁模式中的光，该 光在闭环光路中被全反射。在适当的耦合条件下，可以将限定在WGM谐 振器中的光经由WG模式的迅衰场耦合出WGM谐振器的闭环光路的外表 面。光学耦合器可用于经由该迅衰场将光耦合到WGM谐振器中或者耦合 出WGM谐振器。作为一个例子，可以经由光学注入设计中的光学耦合将 半导体激光器直接耦合到高品质因数Q回音壁模式谐振器(WGM)以稳 定激光器。将通过谐振器的光的一部分反射回激光器，以将激光器的频 率(波长)锁定到谐振器的高Q模式的频率，并使其光谱线变窄。如果将 WGM谐振器进行稳定以免诸如温度变化或振动的环境干扰，则谐振器的 模态频率的稳定传送到激光器的频率或波长。

自注入锁定可以明显地增加多种结构的激光器的稳定性和光谱纯 度。锁定是基于以激光器进行泵浦的主腔的存在。自注入是基于光学谐 振器内部的光的共振瑞利散射(没有频率变化的散射)，以在来自首次 耦合到光学谐振器中的激光器的激光束的反方向上产生反传播光束。光 学谐振器内部的反传播光束回注到激光器。基于回注到激光器的光的功 率级，可在激光器中设立多种操作条件，其中在某些情况下，因为后向 散射，激光器频率可以变为锁定到瑞利散射起源的主腔的光学泵浦模式。 如果光学反馈在某一阈值水平上足够强，主腔可以被认为是用于激光器 以实现注入锁定和激光器操作的激射阈值的变化的外腔，其中主腔修改 激射的阈值条件。当来自主腔的光学反馈在某一阈值水平下较弱时，激 光器的激射阈值没有通过光学反馈进行明显的改变，但是激光器的稳定 性可以经由注入锁定明显地提高。如果瑞利散射太弱，来自注入的光学 反馈可以处于低水平，该低水平不足以形成激光频率对主腔模式的注入 锁定。本文中的反射反馈技术可用于提供期望的或最优的用于注入锁定 的反馈体系。在应用中，本文中描述的激光器设备可用于多种设备，例 如光电振荡器、光学/光子RF和微波接收器、光学梳状波发生器和窄线宽 激光器。

注入锁定范围、噪音、和注入锁定激光器的稳定性或光电振荡器或 射频/微波接收器中生成的RF或微波信号，可以基于反馈强度和激光腔 内部的强度之间的比率。光学谐振器中的瑞利散射或来自WGM谐振器的 表面瑕疵/结构的散射可用于提供注入锁定所需要的反馈信号，但是不能 满足某些应用，例如具有非常高的品质因数的WGM谐振器，在这些应用 中，在谐振器材料或表面结构内的散射被最小化或者明显地减少到不能 实现期望注入锁定的水平。本文中描述的基于反射反馈的自注入锁定实 施反馈光学装置以经由光学谐振器产生反馈光，并且可以配置为实现使 用者控制的光学注入反馈。可以实施公开的技术以优化激光器的注入锁 定和激光器的稳定性。

图1示出了激光器设备的实施例，其中激光器1光学地耦合至回音壁 模式(WGM)的光学谐振器4，并且通过经自注入锁定的来自光学谐振 器4的光学反馈光束1b稳定至光学谐振器4。激光器1在激光器频率产生激 光束1a，并且激光器1可以是多种激光器结构。基于半导体的激光器，例 如分布反馈(DFB)半导体激光器、半导体二极管激光器或半导体激光泵 浦固体激光器，可用作图1中的激光器1。其它激光器也可以用作激光器1。 激光器1耦合至激光控制电路，激光控制电路可以是将电流提供给激光器 1中的激光二极管的二极管激光器驱动电路。激光器1的激光器频率可因 多种因素而漂移或波动。将光学谐振器4构造为支持在光学谐振器4中循 环的回音壁模式，并且将光学谐振器4光学地耦合至激光器1，以将激光 束1a的一部分接收到一个或多个回音壁模式的光学谐振器4中从而在光学 谐振器4中进行循环。

在图1中，示出了一个或多个回音壁模式的光学谐振器4中的两个反 向传播光束5a和5b。第一光学耦合器4a设置在激光束1a的光路中，以将激 光束1a的至少一部分耦合到光学谐振器4中作为在光学谐振器4中沿第一 方向(例如图1所示的顺时针方向)循环的光束5a，以及将光学谐振器4 中沿与第一方向相反的第二方向(例如，如图1所示的逆时针方向)循环 的光束5b耦合出光学谐振器，以作为反馈至激光器1的反馈光1b，以稳定 激光器频率和减小激光器1的线宽。在与第一耦合器4a不同的位置处，第 二光学耦合器4b耦合到光学谐振器4，并用于将光学谐振器4中的顺时针 光束5a中的光作为输出光束6a耦合出光学谐振器4。

值得注意的是，反馈光学装置8位于由第二光学耦合器4b输出的输出 光束6a的光路中，以接收输出光束6a和将输出光束6a的至少一部分作为反 射光束6b反射回第二光学耦合器4b。第二光学耦合器4b将反射光束6b的 至少一部分沿如图1所示的逆时针方向耦合到光学谐振器4中，以增加光 学谐振器4中的逆时针光束5b的光学能量，从而增强通过第一光学耦合器 4a反馈到激光器1的反馈光1b的光学能量，以实现激光器1对于光学谐振器 4的注入锁定。

可以以多种结构实现反馈光学装置8。例如，在一种结构中，反馈光 学装置8可以包括由反射镜支撑件8c(例如基片)所支撑的反射镜8a，以 将输出光束6a的一部分反射到谐振器4中，以便相对于谐振器4中的瑞利散 射的效率独立地增加反馈到激光器1的光学反馈1b。可以使用与第一光学 耦合器4a分开的第二光学耦合器4b来放置反射镜8a，第二光学耦合器4b 作为用于耦合反射镜8a和谐振器4之间光的迅衰场耦合器。在操作中，耦 合出谐振器4的输出光束6a已经通过谐振器4进行一次光滤波，通过第二光 学耦合器4b耦合回谐振器4的反射光束6b将通过谐振器4第二次进行光滤 波。一旦光耦合到谐振器4中，光就被限定到回音壁模式并在谐振器4内 部进行循环直到所限定光的一部分被耦合出。因此，通过反馈光学装置8 进行的反射提供了通过谐振器4的进行的反馈光1b的附加的光滤波，因此 与没有反馈光学装置8的情况下产生的反馈光相比，反馈光1b具有更少的 噪声和更好的光谱纯度。因额外光滤波的反馈光束1b具有增强的光谱纯 度和被进一步抑制的噪音，因此反馈光束1b可用于提高反馈的光谱纯度 和增强图1的激光器-谐振器系统的激光器锁定和稳定。

最初，在激光束1a的光首先耦合到光学谐振器4中以作为顺时针光束 5a之前，在光学谐振器4中没有光。在将光束5a引入光学谐振器4之后，谐 振器材料和/或在存在回音壁模式的情况下的光学谐振器表面上的表面结 构引起的被接收光束5a在光学谐振器4内部的散射(例如瑞利散射)，可 以致使逆时针光束5b的初始生成。可设计反馈光学装置8以产生反射光束 6b，反射光束6b是用于生成逆时针光束5b和反馈至激光器1的反馈光1b的 主要来源。对于某些被设计以产生高Q因数的WGM谐振器，可以将由谐 振器材料和/或表面结构所引起散射最小化或减少到不足以引起注入锁定 的水平。在此情况下，通过反馈光学装置8产生反馈光1b的期望水平。

在多个实施方式中，从谐振器4到激光器1的反馈光1b将提供谱纯频 率(spectrally pure frequency)基准，经由注入锁定将激光器锁定到谱纯 频率基准。在这些实施方式中，理想的是，将反馈光1b在没有其它光谱 成分的情况下耦合出单回音壁的谐振器4，并且谐振器4中的激光具有足 够低的光学功率，该光学功率不会在谐振器4的内部导致明显的非线性、 热效应或不稳定性，从而引起除了谐振器4中的单回音壁所需要的谱纯频 率之外的其它光谱成分。因此，第一光学耦合器4a配置为以低的光能级将 激光器1的激光束1a的一小部分耦合到光学谐振器4中，低的光能级减小了 由光学谐振器4内部的激光束所引起的光学非线性或热不稳定性。如图1 所示，第一光学耦合器4a将激光的一小部分耦合到谐振器4中，同时将激 光束1a中的剩余光输出为输出光7的一部分。基于第一光学耦合器4a的具 体结构，第一光学耦合器4a还可将顺时针光束5a的光的一部分耦合出谐振 器4，以作为输出光束7的一部分。

在图1中，可以使用其它部件。在激光器1和光学谐振器4之间的光路 中，可以在某些装置设计中提供相位调整装置2和透镜3。相位调整装置2 可以是相位旋转器，以控制反馈到激光器1的反馈光束1b的相位，以确保 用于注入锁定的期望的相位。透镜3可以是对反馈光1b进行准直或集中的 透镜。在反馈光学装置8中，透镜8b可以放置在反射镜8a和第二光学耦合 器4b之间。反射镜8b将光束沿相同的光路反射回谐振器4中。

图2a、2b、2c和2d示出了用于实现图1的反馈光学装置8的四个实施例。 在图2a中，准直透镜与反射镜8a分开，以便对来自第二光学耦合器4b的发 散输出光束6a沿基本相同的光路通过反射镜8a进行准直和反射。在图2b 中，提供聚焦透镜，并且聚焦透镜将输出光束6a集中到反射镜8a上，反射 镜8a位于透镜的焦点或焦面上、或者接近透镜的焦点或焦面。反射镜8a 将光作为反射光束6b反射回第二光学耦合器4b。在图2c中，将使用梯度折 射率(GRIN)透镜，反射镜8a可以设置在GRIN透镜的输出面上，具有高 反射率的反射介质膜可以形成在GRIN透镜的端面上，以作为反射镜8a。 图2d进一步示出反射器和法拉弟旋转器，反射器用作端部镜以将光束6a 反射回去作为反射光束6b，法拉弟旋转器放在第二光学耦合器4b和反射 器之间的光路中以作为图1的反馈光学装置8的一部分。在某些实施方式 中，可以设置法拉弟旋转器以在单向将光学偏振旋转45度，因此反射光 光束6b被旋转90度。

根据图1和图2b的设计来构造试验设备，其中使用棱镜迅衰耦合器来 实现两个光学耦合器4a和4b。半导体激光器1的光通过棱镜耦合器4a耦合 到WGM谐振器4中。通过适当地选择在激光器1和棱镜耦合器4a之间的耦 合透镜3来匹配数值孔径。第二棱镜耦合器4b用于将光的一部分耦合出谐 振器4。另一个透镜8b用于对输出光束6a进行准直或集中。WGM谐振器4 中的反向传播光通过第一棱镜耦合器4a耦合出，并反馈回激光器1以实现 注入锁定。通过放置在激光器1和棱镜耦合器4a的相位旋转器2来调节返回 信号的相位。基本上，反射镜8a提供反馈信号，WGM谐振器4作为用于 反馈到激光器1的反馈信号1b的窄带光滤波器。通过反射镜8a的反射率、 两个耦合棱镜4a和4b处模态耦合效率、和与谐振器4的固有损耗相比的两 个棱镜耦合器4a和4b的承载(loading)的结合，来确定反馈到激光器1的 反馈信号1b的信号强度。可以通过控制反射镜8a的反射率、棱镜4a和4b 的承载和装置光学设计，在零和100％之间的数值处，选择用于反馈光束 1b的光学反射率。

图3A和3B示出了由上述试验设备做出的测量。图3A示出实际设备。 图3A以L-I曲线形式示出了作为激光器1的激光器电流(I)和激光器输出 (L)的函数的注入锁定曲线。使用光电二极管(PD)测量激光器输出， 被测量的PD信号示出为表示激光器输出。激光器电流I被线性地扫描，通 过谐振器4的模态频率扫描激光器的频率。下落表示注入锁定的发生，宽 度表示注入锁定的范围。以“没有反馈反射镜的注入锁定”标注的线表 示典型的L-I曲线，其中没有反馈反射镜的情况下主要通过瑞利散射来提 供锁定。以“具有反馈反射镜的注入锁定”标注的线表示当增加来自反 射镜的反馈时的L-I曲线。应当注意，在测量期间两个棱镜耦合器的承载 保持相同。测量数据容易地示出注入锁定的范围基本上通过反馈反射镜 增加。在没有来自反射镜的反馈的情况下，就激光器的电流而言用于试 验设备的典型锁定范围大约是1mA或更小。在增加来自反射镜的反馈之 后，注入锁定范围增加到将近10mA。

图3B示出的测量表示激光锁定范围可以通过增加两个棱镜耦合器的 承载被进一步的增加。通过在如图3B所示的两个相邻的模式之间的模态 跳变来限定激光锁定范围。具有低模态密度或单模的光学谐振器可用于 增加激光锁定范围。

因此，可以通过以下方式锁定激光器：操作激光器以在激光器频率 下产生激光束；操作第一光学耦合器，以便(1)将激光束的一部分耦合 到构造为支持回音壁模式的光学谐振器中以在光学谐振器内部沿第一方 向进行循环，以及(2)将光学谐振器中沿与第一方向相反的第二方向循 环的光耦合出光学谐振器，以作为反馈到激光器的反馈光，从而稳定激 光器频率和减小激光器的线宽；操作在相对于光学谐振器与第一光学耦 合器的位置不同的位置处的第二光学耦合器，以将光学谐振器中沿第一 方向循环的光耦合出光学谐振器以作为输出光束；以及，操作位于通过 第二光学耦合器输出的输出光束的光路中的反馈光学装置，以接收输出 光束并将输出光束的至少一部分作为反射光束反射回第二光学耦合器、 和以将反射光束的至少一部分沿第二方向耦合到光学谐振器，以便增加 光学谐振器中沿第二方向循环的光的光学能量，从而增强通过第一光学 耦合器反馈回激光器的光学能量，以实现对光学谐振器的激光器的注入 锁定。在此方法的一个实施方式中，可以将半导体激光器用作激光器， 以将电流施加到半导体激光器以产生激光束和反馈光学装置的反射率， 第一和第二光学耦合器可以配置为增加电流的范围，其中通过超出电流 范围的注入锁定将半导体激光器在频率上锁定到光学谐振器，以用于在 没有反馈光学装置的情况下保持注入锁定。

图4示出了基于图1的反馈注入锁定的另一个示例性激光器设备。在 此实施例中，图1的激光器1可以是半导体光学放大器(SOA)，通过来 自控制电路的电流对半导体光学放大器进行电激励以产生期望的光学增 益，以用于通过将电能转换成光来产生激光。SOA配置为具有一个端面， 该端面是光学反射的，以形成一个用于激光器设备的高反射器11，光学 谐振器4的另一侧的反射器8a形成激光器设备的第二高反射器。在此设计 中，激光腔是形成在高反射器之间的法布里-珀罗型谐振器，其中激光被 来回反射并被放大。WGM谐振器4插入到法布里-珀罗谐振器的内部以作 为内腔光滤波器。两个光学模式选择器/准直器装置9a和9b设置在WGM谐 振器4的两侧。装置9a插入在SOA10和第一光学耦合器4a之间，装置9b是 反馈光学装置8的一部分并被放置在反射镜8a和第二光学耦合器4b之间。 装置9a或9b的每一个都可以包括一个或多个透镜及其它的光学元件(例如 相位调整装置)。可以包括空间孔径以提供期望的空间滤波。例如，诸 如小孔的光学空间滤波器可以插入在反射器8a和第二光学耦合器4b之间， 以传输某些光，同时阻挡光学空间滤波器的不同位置处的其它成分。空 间滤波的使用可以从期望模式提供可选的反馈。此特征减小激光器的噪 音。瑞利散射将来自所有模式的光反射到激光器，同时反射镜或具有孔 径(例如小孔)的镜可以分开属于不同模式族的模式并反射用于期望模 式的光。装置9a和9b示出，上述模式选择可以在WGM谐振器4的一侧或 两侧实施。

WGM谐振器4可以是可调的，以稳定回音壁模式避免环境干扰，从 光学谐振器到激光器的激光反馈将光学谐振器的回音壁模式的稳定性传 送到激光器。可以提供谐振器调谐机构以控制和调谐回音壁模式的频率。 在注入锁定状态下，谐振器4的调谐通过从光学谐振器4到激光器1的激光 的反馈来调谐激光器1的激光器频率。在一个实施方式中，谐振器调谐机 构控制和调谐光学谐振器4的温度，以基于热效应调谐激光器1的激光器 频率。在另一个实施方式中，谐振器调谐机构应用和控制施加在光学谐 振器上的压力，以调谐激光器的激光器频率。在又一个实施方式中，光 学谐振器4包括响应施加到光学谐振器4的电势来改变折射率的电光材 料，并且谐振器调谐机构施加和控制电势以调谐激光器1的激光器频率。 谐振器调谐机构还可以配置为调节电势以调节光学谐振器4的回音壁模 式的频率和激光器1的激光器频率。可以同时使用对于激光器1和谐振器4 的控制，以增加激光器的频率调谐范围，因此可以应用控制机构以对光 学谐振器4的回音壁模式的频率和激光器1的激光器频率进行调节，同时 将激光器频率稳定在回音壁模式的频率。

可以以多种结构来实现图1和4中的WGM谐振器4及本文中其它装 置。图5A、5B、67A和7B示出了用于实现上述WGM谐振器的示例性几何 结构。

图5A示出了球形WGM谐振器100，其为固体介质球。球形WGM谐振 器100具有在平面102中绕Z轴101对称的赤道。平面102的周线是圆，并且 平面102是圆形截面。在球形外表面内，在赤道周围存在WG模式，并且 WG模式在谐振器100之内进行循环。绕赤道平面102的外表面的球面曲率 沿z向和其垂直方向提供空间界限以支持WG模式。球面100的偏心率基本 较低。

图5B示出了示例性的球形微谐振器200。可以通过旋转沿短椭圆轴 101(z)绕对称轴的椭圆(具有轴向长度a和b)来形成谐振器200。因此， 与图5A的球形谐振器类似，图5B中的平面102也具有圆形的周线并且是圆 形截面。与图5A中的设计不同，图5B中的平面102是非球形的球状体的圆 形截面并且围绕球状体的短椭圆轴。谐振器100的偏心率是(1-b²/a²)^1/2并且通常较高，例如大于10^-1。因此，谐振器200的外表面不是球面的一 部分，并且与球形表面相比在沿z向的模式上提供了更多的空间限定。更 具体地，在Z所处的诸如zy或zx平面的平面中的腔几何结构是椭圆的。在 谐振器200的中心的赤道平面102与轴101(z)垂直，并且WG模式靠近谐 振器200内的平面102的周线进行循环。

图6示出另一个示例性的WGM谐振器300，谐振器300具有非球形表 面，其中表面轮廓是大体圆锥形，该圆锥形可以通过笛卡儿坐标的二次 方程式来进行算术表示。与图5A和5B的几何结构相类似，外表面在平面 102中的方向上和与平面102垂直的z的方向上设置曲度，以限定和支持 WG模式。该非球形、非椭圆表面可以例如是抛物线或双曲线。图6中的 平面102是圆形截面，WG模式绕赤道中的圆周进行循环。

图5A、5B和6中的上述三个示例性几何结构共享共同的几何特征，它 们全部绕轴101(z)轴向地或圆柱地对称，WG模式绕轴101在平面102中 循环。弯曲的外表面绕平面102是平滑的，并且提供绕平面102的二维限 定以支持WG模式。

值得注意的是，沿z向101的每个谐振器中的WG模式的空间范围限制 为平面102以上或以下，因此不必具有完整的球面100、球状体200或圆锥 形300。替代地，足够大以支持回音壁模式的绕平面102的全部形状的仅 一部分可用于WGM谐振器。例如，从球面的适当区域形成的环状、圆盘 形或其它几何结构可以用作球形WGM谐振器。

图7A和7B分别示出圆盘形WGM谐振器400和环形的WGM谐振器 420。在图7A中，实心圆盘400具有在中心面102之上的上表面401A和在平 面102之下的下表面401B，上表面和下表面之间的距离是H。距离H的值 足够大以支持WG模式。在中心面102之上超过此足够距离，谐振器可具 有如示出的WGM几何结构实施例的锐缘。可以从上面示出的任何形状中 选择外部曲面402，以获得期望WG模式和频谱特性。图7B中的环形谐振 器420可以通过从图7A的实心圆盘400移去中心部分410而形成。因为WG 模式存在于靠近外表面402的环420的外部部分，可以将环的厚度h设成足 够大以支持WG模式。

光学耦合器通常用于通过迅衰耦合将光学能量耦合到WGM谐振器 中或者耦合出WGM谐振器。光学耦合器可以与谐振器的外表面直接接触 或通过间隙与谐振器的外表面分开，以实现期望的临界耦合。例如，斜 面精磨光纤针尖可用作用于WGM谐振器的耦合器。具有倾斜端面的波 导，例如平面型波导或其它波导，也可用作耦合器。如图1和4所示，微 棱镜可用作用于WGM谐振器的耦合器。也可使用其它迅衰耦合器，例如 由光子带隙材料形成的耦合器。

在具有均匀指数的WGM谐振器中，WG模式的电磁场的一部分位于 谐振器的外表面。通常需要在光学耦合器和具有均匀指数的WGM谐振器 之间的间隙，以获得适当的光学耦合。此间隙用于适当地“未承载”WG 模式。通过WGM谐振器的介质材料的特性、谐振器的形状、外部条件和 通过耦合器(例如棱镜)的耦合强度来确定WG模式的Q因数。当适当地 平衡参数以获得临界耦合状态时，可以获得最高的Q因数。在具有均匀指 数的WGM谐振器中，如果诸如棱镜的耦合器接触谐振器的外表面，则耦 合较强并且此承载可以使Q因数变小。因此，在表面和耦合器之间的间隙 用于减小耦合并用于增加Q因数。通常，此间隙是非常小的，例如小于将 耦合到WG模式中的光的一个波长。诸如压电元件的精确定位装置可用于 将此间隙控制和保持在适当值处。

可以以电光材料制作WGM谐振器，并且可以通过变化施加到材料的 电控信号来调谐WGM谐振器。因为光学注入锁定，可以利用施加到谐振 器的DC电压来调谐激光器波长或频率。此外，通过将微波或RF场施加到 具有与谐振器的一个或多个自由光谱范围相匹配的频率的WGM谐振器， 激光器频率可以进行相位和/或幅度调节。因为可以通过温度、压力的应 用、或在利用电光材料制作谐振器的情况下通过施加的DC电势来改变谐 振器的模态频率，激光器的频率(波长)也可以被调谐。此外，如果通 过微波信号的应用将激光器的频率调制到施加于激光器的DC电流，激光 器在频率(波长)上对谐振器保持锁定。因此可以得到可调节的、窄线 宽的激光器。当WGM谐振器由电光材料制成时，可以将微波或RF场用于 具有适当的耦合电路的谐振器以调节激光器的强度，激光器继续保持对 WGM谐振器的锁定。

图8A和8B示出了适用于本申请中的激光器设备的可调电光WGM谐 振器1000的实施例。用于谐振器1000的电光材料可以是任何适当的材料， 包括诸如铌酸锂和半导体多量子阱结构的电光晶体。可以将一个或多个 电极1011和1012形成在谐振器1000上，以在存在WG模式的区域中施加控 制电场，以控制电光材料的指数并改变谐振器的滤波功能。假设谐振器 1000具有如图6A或6B所示的圆盘形或环形几何结构，可以将电极1011形 成在谐振器的顶部，并且可以将电极1012形成在如图8B的装置的侧视图 所示的谐振器的底部。在一个实施方式中，电极1011和1012可构成RF或 微波谐振器以施加RF或微波信号，从而与期望的光学WG模式一起共同传 播。电极1011和1012可以是微带线电极。改变的DC电压可以被用于调谐 WGM频率，并且RF或微波信号可以被施加以调节WGM频率。

在用于图1的设计的某些实施方式中，可以提供激光控制单元以通过 调谐激光器或调节激光器来控制激光器1，并且提供谐振器控制部件以调 谐或调节WG谐振器4。激光控制单元和谐振器控制部件可以彼此通信， 以根据注入锁定的操作条件同时控制激光器1和谐振器4。例如，可以以 同步的方式调谐激光器1的激光器频率和谐振器4的WGM频率。这可以通 过以下方式实现，通过谐振器控制部件将施加到谐振器4的电压分离为激 光控制单元的信号。激光控制单元应用此分离信号以控制驱动激光器1的 电流。同时调谐激光器1和谐振器4的操作可以增加激光器设备的频率调 谐范围。

基于以上所述，可以通过将激光器输出耦合到由电光材料制成的光 学谐振器中以支持回音壁模式，并通过将激光从回音壁模式中的激光耦 合出，而由回音壁模式光学谐振器来控制和调谐可调激光器。然后，将 耦合出光学谐振器的激光光学地回注到激光器中，以将激光器频率稳定 在回音壁模式的频率下并减小激光器的线宽。对激光器的控制信号和施 加到光学谐振器的电光材料的电压的一个或者两个可以被控制以调谐激 光器频率，同时将激光器频率稳定在回音壁模式的频率下。根据此方案， 可以实现多种操作。例如，可以调节施加到光学谐振器的电光材料的电 压以调节激光器频率。对于另一个实施例，可以调节施加到光学谐振器 的电光材料的电压以调节激光器外的激光器输出，以及，同时调谐对激 光器的控制信号以调谐激光器频率。

可以在集成的芯片设计中实现上述装置设计。图9示出一个实施例， 其中在芯片900上形成各个部件。集成部件的实施例包括激光器或 SOA10、装置9a和9b、和WGM谐振器4。在不同部件之间，将光波导形成 在芯片900上以引导光。如图所示，在激光器/SOA10、反射器和装置9a 和9b之间形成互连的光波导。利用耦合到谐振器4的两个光波导耦合器替 代图1和4中的第一和第二光学耦合器4a和4b。在某些实施方式中，可以在 波导耦合器与谐振器4接合的位置处在波导耦合器中形成光栅，以便于耦 合。

图10示出了集成两个芯片的实施例。第一芯片是包括多种电子器件 的硅芯片。第二芯片是另一个硅芯片或其它材料形成的芯片，用于支持 光波导和WGM谐振器。可以将WGM谐振器放置在第二芯片上，并且将 WGM谐振器光学地耦合至光波导，用于使光进入和离开谐振器。

图11示出了集成两个芯片的另一个实施例。在此实施例中，谐振器 是放置在第二芯片上或者嵌入在第二芯片上形成的封装中的圆盘形谐振 器。

图12示出了另一个耦合方案，其中将微谐振器定位和保持在形成激 光器设备的衬底之上。两个GRIN(梯度折射率)透镜用于(1)将二氧化 硅微谐振器保持和支撑在衬底(例如硅)之上的设计位置，和(2)提供 与微谐振器适当的光学耦合。与微谐振器接触的每个GRIN透镜的端面是 倾斜的以提供相位匹配耦合状态。反向端面固定到在对应波导之上的衬 底。在波导和GRIN透镜的交接位置处形成光栅耦合器，以通过将竖直方 向和水平方向之间的光进行改向来提供在GRIN透镜和波导之间的光学耦 合。因此，一个光栅耦合器用作输入耦合器以将来自一个波导的输入光 引导到微谐振器中，同时另一个光栅耦合器用作输出耦合器以将离开微 谐振器的光引导进另一个波导中。图12中的上述设计可提供好的耦合效 率。可以选择每个GRIN透镜的材料和角度面，以用于谐振器的最佳耦合。 作为一个例子，可以使用直径约为1mm和1.8mm的的二氧化硅GRIN透镜。 替换地，可以通过具有斜面的光纤(例如单模光纤)来替换图12中的两 个GRIN透镜。在光纤端面和光栅耦合器之间的耦合损耗在某些实施方式 中可以是约2dB或更少。

图13进一步示出了集成设计，其中光学谐振器是由芯片上的闭环波 导形成环形谐振器。在本文的多种设计中，可以通过该环形谐振器来替 代WGM谐振器。

虽然本文包括许多具体方面，但是这些方面不应视为对本发明的范 围或所要求保护的范围的限制，而是作为本发明的具体实施方式的具体 特征的描述。在独立的实施方式的情况下本文中描述的某些特征还可以 结合在单个实施方式中实现。相反地，在单个实施方式的情况下描述的 各个特征还可以以多个独立的实施方式的形式或者以任何适当再组合的 形式来实现。此外，虽然可以将特征如上描述为在某些结合的方式来实 现甚至同样地开始要求某些结合，来自要求的结合的一个或多个特征可 以在某些情况下从结合中删除，要求的结合可以指向再组合或再组合的 变型。

虽然仅公开了几种实施方式。但是，应当理解基于本文中描述的和 示出的内容，可以做出变型、改进及其它实施。