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

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。

权利要求

1.一种用于生成相对于多个原子频率参考被稳定的射频信号或微波信号的设备，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射频信号，所述射频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，与所述原子参考设备和所述光学谐振器光通信，其中，所述光学Mach-Zehnder干涉仪被定位以接收从所述光学谐振器耦合出的所述光，其中所述Mach-Zehnder干涉仪被配置为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，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中的相同的原子跃迁或分子跃迁相关联，并且所述Mach-Zehnder干涉仪进一步被配置为将所述第一光学束和所述第二光学束引导至所述原子参考设备。

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。

12.一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：通过光耦合将来自第一激光器的第一频率的第一激光和来自第二激光器的第二频率的第二激光引导至光学谐振器中，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，其中所述第一频率对应于所述光学谐振器的第一光学谐振器模式，所述第二频率对应于所述光学谐振器的第二光学谐振器模式；

将来自所述第一激光器的第三激光和来自所述第二激光器的第四激光引导至原子蒸气室，所述原子频率参考展现与所述第一频率对应的第一原子跃迁或分子跃迁以及与所述第二频率对应的第二原子跃迁或分子跃迁；

通过光耦合将所述光学谐振器内的所述受限激光释放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；以及通过光耦合将所述光学谐振器输出引导至光电检测器中，以产生在所述两个光学谱分量间频率差的频率的射频信号，所述检测器信号相对于所述原子频率参考被稳定。

13.如权利要求12所述的方法，包括：

操作所述第一激光器，其中所述第一频率对应于与所述光学谐振器的第一光学谐振器模式相对应的第一激光载波频率；

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；

操作所述第二激光器，以产生在第二激光载波频率的所述第二激光，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。

14.如权利要求13所述的方法，包括：

通过所述光学谐振器相对于彼此锁定所述第一激光器和所述第二激光器。

15.如权利要求12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。

16.如权利要求15所述的方法，包括：

通过光耦合将来自所述光学谐振器输出的光引导至所述原子频率参考中，以生成误差信号；以及在反馈环路中使用所述误差信号，以相对于所述原子频率参考锁定所述光学谐振器。

17.用于生成相对于多个原子频率参考被稳定的射频信号或微波信号的方法，包括：通过光耦合将来自激光器的激光引导至光学谐振器，其中所述激光包括载波频率，所述光学谐振器为支持回音壁模式的回音壁模式谐振器；

在所述回音壁模式谐振器内，通过所述光学谐振器中的非线性波混频生成包括所述载波频率和一个或多个边带频率的光梳；

通过光耦合对来自所述回音壁模式谐振器的、包括所述光梳的输出光进行引导；

将所述输出光的第一部分引导至第一光学滤波器并将所述输出光的第二部分引导至第二光学滤波器，所述第一光学滤波器被配置为透过包括第一频率的第一过滤光，所述第二光学滤波器被配置为透过包括第二频率的第二过滤光；

将所述第一过滤光引导至第一原子频率参考，其中所述第一原子频率参考由对应于所述第一频率的第一原子跃迁或分子跃迁表征；

将所述第二过滤光引导至与所述第一原子频率参考不同的第二原子频率参考，其中所述第二原子参考频率由对应于所述第二频率的第二原子跃迁或分子跃迁表征；

相对于所述第一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；以及将所述输出光的第三部分引导至光检测器，以产生射频或微波输出，其中所述射频或微波输出相对于所述第一和第二原子频率参考被稳定。

18.一种用于生成相对于多个原子频率参考被稳定的射频信号或微波信号的设备，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；

第一原子参考设备，包括提供与所述光梳的第一频率对应的第一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第一输出光；

相同的原子参考设备的第二原子跃迁或分子跃迁对应于所述光梳的第二频率，并且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第二输出光；

第一光学检测器，从所述原子参考设备接收所述第一输出光，以产生第一检测器输出；

第二光学检测器，从所述原子参考设备接收所述第二输出光，以产生第二检测器输出；

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射频信号，所述射频信号在频率上相对于所述第一和第二原子跃迁或分子跃迁被稳定。

说明书

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

[0001] 优先权要求和相关申请的交叉引用

[0002] 本专利文献要求于2011年6月30日提交的题为“Compact Optical Atomic Clocks and Applications Using Whispering Gallery Mode Resonators（紧凑光学原子钟和使用回音壁模式谐振器的应用）”的第61/503,584号美国临时申请的优先权。上述专利申请的全部公开通过引用并入本公开作为本公开的一部分。

[0003] 背景

[0004] 本专利文献涉及用于生成稳定的振荡信号和时钟信号的设备和技术，其包括具有光学回音壁模式谐振器的光子、RF和微波设备。

[0005] 精确振荡和时钟信号广泛地用于各种应用。原子跃迁（例如，铯或铷中的碱超精细跃迁）可用作原子钟，以生成时钟参考。RF或微波振荡器或设备可在频率上被稳定至原子钟。

发明内容

[0006] 本文献提供了使用由非线性光学材料制成的光学谐振器提供非线性波混频和原子参考的用于生成稳定的RF或微波信号的技术和设备。

[0007] 在一方面，提供了一种设备，其包括光学谐振器、激光器、激光锁定结构、以及原子参考设备，其中光学谐振器由展现光学非线性的光学材料形成且基于所述光学非线性引起的非线性波混频产生光频梳；激光器是可调谐的并产生激光，该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；以及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来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。

[0008] 在另一方面，提供了一种设备，其包括：光学谐振器、激光器、以及光学耦合器，其中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。该设备还包括原子参考设备和锁定电路，其中原子参考设备包括提供原子跃迁或分子跃迁作为频率参考的原子或分子；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的至少一个，以稳定不同频率的所述光梳。

[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。

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 clock based 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 sideband modulators based on electro-optic optical whispering gallery mode resonators and their application（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。这种原子的示例包括两个超精细基态之间具有约9.2GHz间隙的铯和两个超精细基态之间具有6.8GHz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 population trapping），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1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之上，其中非线性光波混频产生具有不同频率的光梳。

[0028] 在图1A中，激光器1和谐振器100基于合适的锁定机制相对于彼此在频率上被锁定。例如，可通过使用光学耦合器2实施注入锁定，以耦合谐振器2中的光，从而导致激光器1与光学谐振器100之间的注入锁定，其中该谐振器2使初始耦合到谐振器100内的激光反向传播以生成激光器1的反馈激光束。作为另一示例，Pound-Drever-Hall（PDH）激光器反馈锁定方案可用于使激光器1和光学谐振器100彼此锁定。

[0029] 而且如图1A所示，原子室20被提供作为原子参考并被耦合以接收耦合出光学谐振器100的光，以产生携带原子参考信息的输出光。光学检测器24（例如，光电二极管）被放置以接收来自原子室20（例如，光学透射）的输出光，以产生作为反馈信号的检测器输出。反馈电路4接收检测器输出并产生反馈信号，并且反馈电路4耦合至激光器1或光学谐振器100中至少之一，以施加反馈信号来稳定激光器1或光学谐振器100中的上述至少之一。

[0030] 在图1A所示的示例中，反馈电路4包括作为电路一部分的锁定放大器，以生成偏置控制信号，其中该偏置控制信号用于控制将相对于原子室200中的原子参考被稳定的谐振器100。该偏置控制信号致使光学谐振器100的谐振偏移，以减少或使从具体原子频率参考的频率的不期望的漂移最小化。在这方面，光学谐振器100在频率方面可调谐，并且谐振器100的这种调谐可响应于偏置控制以各种配置实现。例如，谐振器100的温度可用于调谐谐振器的谐振；谐振器100可通过致动器（例如，诸如挤压器的机械致动器或压电致动器）挤压以改变其尺寸来调谐谐振器的谐振；或谐振器100可由电光材料制成，以使得可施加外电压，以通过电光效应改变折射率来调谐谐振器。

[0031] 作为反馈信号的光电检测器24的检测器输出为误差信号，其指示光学谐振器100的距离具体原子频率参考的谐振漂移。这可通过较低抖动调制使光学谐振器100的谐振抖动来生成。光学谐振器100的谐振的这种抖动调制在通过光电检测器24产生的检测器信号中致使变化，以指示光学谐振器的谐振距具体原子频率参考的漂移的量和方向。设置有振荡源3，以生成被标记为“FSR调制”的处于较低抖动频率的振荡信号，该振荡信号被施加至激光器1和谐振器100，以致使处于激光载波频率ω的激光载波的抖动调制。光学谐振器100的自由谱范围（FSR）被设置为等于上述的共享共同激发态的两个原子跃迁的两个基态之间的频率差ωR（F RF或微波频率）。谐振器100内的激光在谐振器100的非线性材料内经历非线性参数化波混频，以通过利用来自在光载波频率ω的激光的能量导致参数化放大，从而生成与谐振器谐振或谐振器谐振的谐波对应的在一个或多个新光学频率的光。该非线性波混频和参数化放大的结果是在谐振器100内生成的光梳。

[0032] 图1B、图1C和图1D示出了非线性波混频和参数化放大中涉及的频率。图1D示出了参数化放大的频率分量。图1B和图1C分别在频域和能量级中的频率。图1D示出了当激光载波被调谐为在谐振器谐振ω0谐振并表示在谐振器100内生成的光梳的频率分量时光学谐振器100的谱。

[0033] 图1A中从谐振器100耦合输出的光被显示为光梳输出5。快速光电检测器可被放置在光梳输出5的光路中，以将光梳输出5变换成RF输出，该RF输出的频率也相对于由原子室20提供的原子参考被稳定。

[0034] 在图1A中光梳输出5被引导至Mach-Zehnder干涉仪10，干涉仪10包括分束器BS1，分束器BS1将接收的光分成第一束和第二束，其中第一束沿着具有第一镜M1的第一光路，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=ωRF，其中RF频率ωRF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ωRF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1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1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ω-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ω-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模式表示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。直径约为10～102微米的石英微球已用于形成Q值大于109的紧凑光学谐振器。这种高Q WGM谐振器可用于产生具有高谱纯度和低噪声的震荡信号。光能一旦耦合到回音壁模式中可在长光子寿命内在球体赤道处或球体赤道附近循环。

[0041] 由晶体制成的WGM谐振器可光学地优于由熔融二氧化硅制成的WGM谐振器。由晶体CaF2制成的WGM谐振器可产生等于或大于1010的Q因数。这种高Q值允许各种应用，包括由于Kerr非线性效应而生成千赫光学谐振和低阈值光学超参数化振荡。下面的部分首先描述用于晶体WGM谐振器的示例性几何体，然后描述由不同材料制成的WGM谐振器的特性。在下面描述的一些示例中，除了用于WGM谐振器的材料的非线性光学特性之外，材料还可响应于外部施加的控制信号（例如，RF信号）呈现电光效应以提供用于调整谐振器谐振的调谐机制。

[0042] 图2A、图2B和图3示出了三个示例性WGM谐振器。图2A示出了球形WGM谐振器100，其中该球形WGM谐振器100为实心电介质球体。球体100具有位于面102中的赤道，面102绕z轴101对称。面102的周边为圆并且面102为圆形横截面。WG模式存在于球体外表面内的赤道周围并在谐振器100内循环。外表面在赤道面102周围的球体曲率提供沿z方向及其垂直方向的空间限制，以支持WG模式。球体100的偏心率通常较低。

[0043] 图2B示出了示例性类球形微谐振器200。谐振器200可通过绕沿短椭圆轴线101（z）的对称轴线旋转椭圆形成。因此，类似于图2A中的球形谐振器，图2B中的面也具有圆形周边并为圆形横截面。不同于图2A的设计，图2B中的面102为非球形类球体的、且在类球体的短椭圆轴线周围的圆形横截面。谐振器100的偏心率为（1-b2/a2）1/2并且通常较高，例如大于10-1。因此，谐振器200的外表面不是球体的一部分并沿z方向提供比球形外表更多的对于模式的空间限制。更具体地，腔在Z所在的面（例如，zy或zx面）的几何形状为椭圆形。位于谐振器200中央处的赤道面102垂直于轴线101（z），并且WG模式在谐振器200内在面102的周边附近传播。

[0044] 图3示出了具有非球形外表的另一示例性WGM谐振器300，其中外表轮廓基本呈锥形，其在数学上可由笛卡尔坐标的二次方程式表示。类似于图1和图2的几何体，外表面在面102的方向和与面102垂直的z方向上提供曲率，以限制和支持WG模式。这种非球形、非椭圆形表面除其他的以外可以是抛物线或双曲线。注意，图3中的面102为圆形横截面，并且WG模式绕赤道中的圆循环。

[0045] 上面图2A、图2B和图3中的三个示例性几何体共享公共的几何特征，其都绕轴线101（z）轴向地或柱形地对称，其中WG模式在面102中绕轴线101传播。弯曲的外表面在面102周围是光滑的，并且在面102周围提供二维限制，以支持WG模式。

[0046] 注意，WG模式在每个谐振器中沿z方向101的空间范围被限制在面102的上方和下方，因此它可不必具有球体100、类球体200或锥形300的整体。相反地，整体形状的仅在面102周围的一部分可用于形成WGM谐振器，其中该部分大到足以支持回音壁。例如，由球体的适当部分形成环、盘和其他几何体可用作球形WGM谐振器。

[0047] 图4A和图4B分别示出了盘形WGM谐振器400和环形WGM谐振器420。在图4A中，实心盘400具有位于中央面102上方的顶面401A和位于面102下方的底面401B，顶面401A与底面401B具有距离H。距离H的值足够大，以支持WG模式。在中央面102上方的该足够大的距离之外，谐振器可具有图3、4A和4B所示的锐边。外部弯曲表面402可选自图1、图2和图3所示的任一形状，以实现期望的WG模式和谱特性。图4B中的环形谐振器420可通过从图4A的实心盘
400移除中央部分410形成。由于WG模式存在于环420在外表面402附近的外部部分附近，因此环的厚度h可被设置为足够大，以支持WG模式。

[0048] 光学耦合器通常用于通过消逝耦合将光能耦合至WGM谐振器内和耦合出WGM谐振器。图5A和图5B示出了接合至WGM谐振器的两个示例性光学耦合器。光学耦合器可直接与谐振器的外表面接触或与谐振器的外表面间隔间隙，以实现期望的临界耦合。图5A示出了作为WGM谐振器的耦合器的角度抛光的光纤末端。具有成角端部切面的波导（例如，平面型波导或其他波导）也可用作耦合器。图5B示出了作为用于WGM谐振器的耦合器的微棱柱。还可使用其他消逝耦合器，例如由光子带隙材料形成的耦合器。

[0049] WGM谐振器可用于提供在长时间段内将光子限制在小体积内的有效方式。如此，WGM谐振器在基础研究和实际设备中具有广泛的应用。例如，WGM谐振器可用于利用线性光学器件存储光，作为原子光存储的替代，以及在可调谐光学延迟线中，用于基于原子的慢光实验的替代。除了其他应用外，WGM谐振器还可用于光学滤波和光电振荡器。

[0050] 在室温下具有千赫范围谐振带宽且具有高谐振对比度（50%及更大）的晶体WGM谐振器适合集成到高性能光学网络中。由于小模式体积和极窄的单光子谐振，可基于小宽带非线性磁化率在WGM谐振器中观察到各种低阈值非线性效应。作为示例，下文中报告观察到晶体谐振器中的热光不稳定性，报告得越早，则得到越小体积的高Q二氧化硅微球体。

[0051] 用于制造具有光学非线性行为的高Q谐振器的非线性材料的一个示例是氟化钙（CaF2）。此材料因为其在193nm和157nm的紫外线光刻应用中的使用而在各种应用中非常有用。已生长出适于宽孔径光学器件的此材料的超纯晶体，并且其可商业获得。根据最近报告的对CaF2的散射的测量在193nm为I=3x10-5cm-1，极小散射可被投射到与Q在1013水平的限制相对应的近红外带。

[0052] 在该波长的晶格吸收可从中间红外多光子边缘的位置进行预测，并产生甚至更小的Q限制。由于残留掺杂和非化学计量性，散射和吸收都存在并且它们在实际谐振器中减小Q。Q限制的额外源可以是由抛光技术导致的残留表面不均匀性产生的散射。在传统光学抛光质量（平均粗糙度σ＝2nm）的极限下，基于用于WGM表面散射的波导模式的估计产生Q～1011。

[0053] 研究了用氟化钙和由LiNbO3、LiTaO3和Al2O3制成的其他晶体材料制造的WGM谐振器，并测量了其品质因数。CaF2谐振器通过对柱状预型件进行取芯钻随后将预型件的边沿抛光成类球形几何体而被制造。制造的谐振器具有4-7毫米的直径和0.5-1mm的厚度。制造的氟化钙谐振器具有约2x1010的Q因数。

[0054] Q的测量通过使用棱柱耦合方法实现。固有Q是从在欠耦合情况下观察到的谐振的带宽测量的。由于谐振器中的不同折射率，使用用于硅（n=1.44）和氟化钙（n=1.43）的BK7玻璃棱柱（n=1.52）、用于铌酸锂（n=2.10,2.20）的金刚石（n=2.36）、以及用于蓝宝石（n=1.75）的铌酸锂棱柱（n=2.10）。使用波长在760nm的扩展腔二极管激光器、波长在1550nm的分布式反馈半导体激光器和波长在1319nm的固态YAG激光器作为光源。

[0055] 高Q非线性WGM谐振器可用于实现低阈值光学超参数化振荡。该振荡起因于由于材料的Kerr非线性而发生的谐振增强的四波混频导致。由于谐振模式的窄带宽和谐振频率变换的高效率，振荡产生泵浦、信号和闲频波的稳定的窄带拍音。描述了该过程的理论模型。

[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>5x109）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。

[0062]

[0063]

[0064]

[0065] 其中Γ0＝i(ω0-ω)+Κ0和 Κ0，Κ+和y_以及ω0、ω+和ω-分别是光学腔模式的衰减率和本征频率；ω是外部泵浦(A)的载波频率， 和 是生成的光载波频率（分别为B+和B-）。这些频率由振荡过程确定并且不能从外部控制。然而它们之间存在以下关系（能量守恒定律）： 无量纲缓慢改变的振幅A、B+和B-被归一化，使得|A|2、|B+|2和|B-|2描述相应模式中的光子数目。耦合常数可从下面的等式得到：

[0066]

[0067] 其中n2是表征光学非线性的强度的光学常数，n0是材料的线性折射率，V是模式体积，以及c是光在真空中的速度。推导该耦合常数时，假设模式几乎几何重叠，如果模式之间的频率差较小则该假设是真的。力F0代表系统的外部泵浦F0=（2K0P0/ω0）1/2，其中P0是从外部施加的模式的泵浦功率。

[0068] 为了简化起见，假设模式是相同的，即Κ+=Κ-=Κ0，这可通过用实际的谐振器观察进行证实。然而，通过在稳态下求解组（1）-（3），发现用于生成的场的振荡频率[0069]

[0070] 即，拍音频率仅取决于谐振器模式之间的频率差并且不取决于从泵浦模式失谐的激光器或光功率。因此，电子频率锁定电路改变泵浦激光器的载波频率，但是不改变泵浦激光器的拍音的频率和生成的边带。

[0071] 阈值光学功率可从用于腔内场的慢振幅的三等式组的稳态求解得到：

[0072]

[0073] 其中数字因数1.54来自自相位调制效应对振荡阈值的影响。实验中阈值的理论值为Pth≈0.3mW，其中n0=1.44是材料的折射率，n2=3.2x10-16cm2/W是氟化钙的非线性系数，V=-4 3 910 cm是模式体积，Q=6x10，以及Σ＝1.32μm。

[0074] 上面的等式表明参数化过程的效率随模式体积的减小而增加。因制造方便，所以使用较大的WGM谐振器。减少谐振器的尺寸可导致振荡的阈值的显著减少。因为模式体积可被粗略估计为V＝2πΣR2，所以很显然将半径R减少一个数量级将导致参数化过程的阈值减少2个数量级。这样可将WGM谐振器与基于原子相干性的振荡器置于相同的类内。然而，不同于原子振荡器中边带之间的频率差，WGM振荡器的频率可与功率（交流Stark）偏移无关。

[0075] 基于描述系统量子行为的朗之万方程的分析表明拍音的相位扩散小，并类似于原子相干媒介中的超参数化过程的低相位扩散。接近振荡阈值，相位扩散系数为

[0076]

[0077] 其中PBout为边带中的输出功率。相应的阿伦偏差（Allan deviation）为σbeat/ωbeat=(2Dbeat/tω2beat)1/2。可估计阿伦偏差如下：

[0078]

[0079] 对于K0=3x105rad/s，PBout=1mW，ω0=1.4x1015rad/s和ωbeat=5x1010rad/s。将在其他部分中公开一般情况中的振荡稳定性的后续研究。

[0080] 实验表明超过上面三个相互作用模式的更多数量的模式可参与此过程。参与的模式的数量由谐振器中的模式间隔的变化确定。一般地，由于几何弥散和材料的二阶色散，谐振器的模式不是等距。引入D=（2ω0-ω+-ω-）/K0以考虑到谐振器的二阶色散。如果|D|≥1，则模式不是等距，因此多谐波的生成是不可能的。

[0081] 对于具有半径R的谐振器，WGM谐振器的主模式序列的几何弥散为D～0.41c/(K0Rn0m5/3)，ω+、ω0和ω-假设为谐振器（ωmRnωm=mc，m>>1）的m+1、m和m-1模式。对于R=0.4cm，K0=2x105rad/s，m=3x104，获得D=7x10-4，因此几何弥散在该情况下较小。然而，材料的色散足够大。通过使用Sellmeier色散等式，得到在泵浦激光器波长的D～0.1。这意味着可在系统中生成约三个边带对（在实验中仅观察到两个）。

[0082] 此外，实验中的拉曼信号的缺少表明媒介的有效拉曼非线性低于之前测量的值。基于来自预测的数字的理论估计几乎等于用于拉曼和超参数化过程的泵浦功率阈值。通过使用为SRS阈值推导的表达式PR～π2n02V/GΣ2Q2，其中G～2x10-11cm/W是CaF2的拉曼增益系数，估计对于由CaF2制成的谐振器Pth/PR≈1。然而，如上所提到的，在实验中没有观察到任何SRS信号。

[0083] 因此，由于泵浦光与材料的长相互作用时间，甚至CaF2的小三次非线性导致窄带光学边带的有效生成。此过程可用于解释新的全光学频率参考。而且振荡有成为压缩光（squeezed light）的光源的前途，因为在超参数化过程中生成的边带光子对通常是量子相关的。

[0084] 光子微波振荡器可基于复色光的生成和随后解调被建立，以产生良好限定且稳定的拍音信号。基于非线性WGM光学谐振器的超参数化振荡器可用于生成超稳定微波信号。这种微波振荡器具有小尺寸和低输出功率的优点，并且可生成任何期望频率的微波，其中上述任何期望频率由谐振器的尺寸确定。

[0085] 超参数化光学振荡是基于通过将泵浦束中的两个泵浦光子转变成一个信号光子和一个闲频光子的两个泵浦、信号、和闲频光子之间的四波混频。此混频以泵浦波为代价导致由于真空涨落的信号光学边带和闲频光学边带的生长。高精细WGM中的高腔内强度基于类似于hω+hω→h(ω+ωM)+h(ω-ωM)的四光子过程导致χ(3)，其中ω是外部泵浦的载波频率，以及ωM是由谐振器的自由谱范围确定ωM≈ΩFSR。过程的级联和生成多个等距信号谐波和闲频谐波（光梳）在该振荡器中也是可能的。振荡器的光学输出通过快速光电二极管的解调导致在频率ωM的高频微波信号的生成。信号的谱纯度随着增加WGM的Q因数和生成的信号和闲频的光学功率而增加。振荡的泵浦阈值可与用于具有超高Q因数的谐振器的微瓦特级一样小。

[0086] 存在阻碍超参数化振荡的直接应用的多个问题。这些问题之一涉及逃离WGM谐振器的光学信号大多数情况下被相位调制的事实。因此，快速光电二极管上信号的直接检测不会导致微波的生成。为了绕过此矛盾，非线性WGM谐振器可被置于Mach-Zehnder干涉仪的臂内，并且干涉仪的另一个臂中具有附加的延迟线。来自两个臂的光的光学干涉允许将相位调制的信号转变成振幅调制信号，振幅调制信号由光学检测器检测，以产生微波信号。

[0087] 图6示出了RF光电振荡器中非线性WGM谐振器的示例。激光器1用于将激光引导至非线性WGM谐振器100。光学耦合器用于将来自WGM谐振器100的输出光分成设备的光学输出和另一束，其中该另一束到达光电二极管用于生成设备的RF输出。该具体RF振荡器中不存在外部RF环路。振荡器在有源光学微谐振器内生成多个光学谐波。RF信号通过解调快速光电二极管上的谐波而生成。这种设备可用于构造各种设备，例如超参数化振荡器、模式锁定（拉曼）激光器、光学机械振荡器、强非简并RF光学参数化振荡器等。这些设备通过利用来自光学泵浦的能量生成频率略微不同于光泵浦的频率的光学谐波。解调的光学信号变成稳定RF信号源。

[0088] 图7示出了成光学干涉仪配置的超参数化微波光子振荡器的示例，其中第一光路611具有非线性WGM谐振器630和第二光路612具有长延迟线。来自激光器601的光被分成两路611和612。两个耦合棱柱631和632或其他光学耦合器可用于将谐振器630光耦合至第一光路611。谐振器630的输出光在耦合棱柱632之后被收集到单模光纤并且与来自光学延迟线的光组合。组合的光被发送至光电二极管PD650，光电二极管PD650产生作为具有低噪声的窄带微波信号的拍信号。信号放大器660和谱分析器660可在光电二极管650的下游使用。

[0089] 图8示出了超参数化微波光子振荡器的示例，其中振荡器能够在上面图7的干涉仪配置中没有延迟的情况下生成微波信号。这简化了将该设备封装的过程。

[0090] 图9示出了振荡器，其中激光二极管601直接耦合至光学耦合元件CP1（631，例如耦合棱柱），光学耦合元件CP1与WDM非线性谐振器630光耦合，第二光学耦合元件CP2（632，例如耦合棱柱）与谐振器630耦合以产生光学输出。光电二极管PD650耦合至CP2，以将通过光电二极管650接收的光学输出变换成低噪声RF/微波信号。

[0091] 上面没有光学延迟线或OEO环路的设计可基于发生在谐振器中的单边带四波混频过程。单边带信号不需要任何干涉技术以在光电二极管上生成微波信号。

[0092] 超参数化振荡器产生用于在光电检测器的输出处生成的微波信号的高谱纯度。已测量了信号的相位噪声并发现其是散粒噪声受限的并且相位噪声下限可达到至少-126dBc/Hz级。为了提高谱纯度，可使振荡器过饱和并生成光梳。通过解调光梳而生成的微波信号与单边带振荡器相比具有更好的谱纯度。光梳与系统中的模式锁定相对应，其中该模式锁定导致了相位锁定的光学谐波和短光学脉冲的生成。已发现通过解调具有持续时间t和重复率T的光脉冲列生成的微波信号的相位噪声由具有下式给出的功率谱密度的散粒噪声给出：

[0093]

[0094] 其中ω0是光泵浦的频率，Pave是生成的脉冲列的平均光功率，α是往返光学损失。因此，与重复率相比脉冲越短，相位噪声越小。另一方面，知道T/t约为光梳中模式的数目N。
因此，希望光梳与具有一个或两个边带的通常的超参数化振荡器相比具有更低（N^2）的相位噪声。

[0095] 具有三阶非线性的非线性WGM谐振器（例如，CaF2WGM谐振器）可用于构造可调谐光梳生成器。CaF2WGM谐振器用于生成具有25m GHz频率间隔（m是整数）的光梳。间隔（数目m）通过相对于选择的WGM频率选择泵浦激光器的载波频率的合适失谐而被可控地改变。光梳通过快速光电二极管的解调可用于生成在光梳重复频率或光梳间隔的高频微波信号。生成的25GHz信号的线宽小于40Hz。

[0096] 这种光梳生成器包括激光器，以产生泵浦激光束，并包括非线性WGM谐振器和光学耦合模块，以将泵浦激光束耦合到非线性WGM谐振器中和将光从非线性WGM谐振器耦合出。光梳中频率的调谐可通过调谐泵浦激光束的频率来实现，并且光梳间隔可通过将激光束锁定至非线性WGM谐振器和控制泵浦激光器的锁定条件来调整。

[0097] 在当泵浦功率接近超参数化振荡的阈值时WGM谐振器在低输入级被光学泵浦的情况下，不生成光梳并且观察到受激拉曼散射（SRS）和FWM过程的竞争。在测试中使用的WGM谐振器具有高Q WGM的多模式族。发现在属于基本模式序列的模式的直接泵浦情况下，SRS与FWM振荡过程相比具有更低的阈值。这是不期望的结果，因为在具有相同参数的模式中，SRS过程与超参数化振荡相比具有更小的阈值。该差异是因为不同模式族具有由模式中的场分布给出的不同的品质因数和耦合器位置。测试设置以WGM的基本序列与更高阶横向模式相比具有更低的Q因数（更高负载）的方式进行布置。SRS过程在更高Q的模式中开始，即使更高Q的模式具有更大体积V。这是因为SRS阈值功率与VQ2成反比。

[0098] 具有更大光功率的基本模式序列的泵浦通常导致随SRS一起发生的超参数化振荡。图10示出了来自光学载波的在约9.67THz的SRS的测量频谱和在被泵浦至属于基本模式序列的模式的CaF2谐振器中观察到的超参数化振荡。线的结构由谱下面的插图示出。加载的品质因数Q为109，并且被发送至模式的泵浦功率为8mW。我们的测试指示超参数化和SRS过程在更高Q的模式中开始。参与这些过程的模式之间的频率分离远小于谐振器的FSR，并且模式明显具有横向属性。这也解释了SRS光与载波之间不存在FWM的原因。

[0099] 如图10所示，由FWM生成的光子对离泵浦频率约8THz。这是因为CaF2在1550nm附近具有其零色散点。这种远离泵浦的光子对的生成使基于WGM谐振器的超参数化振荡器非常适合量子通信和量子密码网络。与基于χ(2)下转换过程的传统双光子源相比，这种振荡器避免在光子对被发射到通信光纤时出现的大耦合损失。此外，可容易地获得窄带光子的无损分离，其中该窄带光子的载波频率分离若干太赫兹。

[0100] 在进行的测试中，光梳可在泵浦功率增加到远大于振荡阈值时生成。稳定的光梳在激光器的频率被锁定至高Q横向WGM时生成。以这种方式，观察到与SRS过程相比具有更低阈值的超参数化振荡。由于光梳线的快速生长，即使光学泵浦功率的显著增加也不会引起SRS过程的开始。

[0101] 图11示出了在利用10mW的1550nm光泵浦的谐振器中观察的超参数化振荡的示例。谱（a）和谱（b）对应于泵浦从WGM谐振频率的不同失谐。测量的谱（a）示出了当分离25GHz的载波和第一Stokes边带生成在12.5GHz频率的光子时的光子叠加过程的结果。该过程由于WGM的高密度而是可能的并且在单模式族谐振器中被禁止。

[0102] 光梳的生长具有多个特性。在一些情况下，图11所示的信号和闲频边带的生长中存在显著的非对称性。这种非对称性不能用通常的预言对称边带的生成的超参数化振荡的理论解释。一个可能解释是谐振器的高模式密度。在实验中，激光器不泵浦单模，而泵浦几乎简并的模式集群。横向模式族具有略微不同的几何弥散，所以集群的形状随频率而改变并且每个模式族导致其自己的超参数化振荡。这些振荡的信号和闲频模式几乎简并，所以其可干扰，并且干扰在载波的任一侧导致边带抑制。这导致在测试中观察到的“单边带”振荡。干扰光梳不应认为是独立的，因为生成的边带具有不同的相位依赖，如在通过光梳解调生成微波信号中所示。

[0103] 图12示出了（a）通过功率为50mw的泵浦激光束泵浦的CaF2WGM谐振器生成的光梳和（b）（a）中的测量的放大的中间部分。生成的光梳具有等于谐振器的一个和四个FSR的两个确定的重复频率。图13示出了当激光器锁定的级别和相位改变时图12所示的光梳的修改。图13（b）示出了图13（a）中的测量的放大的中间部分。

[0104] 当泵浦功率进一步增加超过生成单边带振荡的泵浦阈值时，信号和闲频谐波的相互作用变得更加明显。图12和图13示出了观察到的具有大于30THz频率宽度的光梳。光梳的包络被调制并且可从图13（b）推断出调制的原因。光梳在形状随频率而改变的模式集群上生成。

[0105] 基于上面描述的非线性WGM谐振器的光梳生成器可被调谐并且光梳重复频率的可控调谐通过改变泵浦激光器的频率来实现。保持其他的实验条件不变（例如，谐振器的光耦合和温度），激光器锁定的级别和相位可被改变以导致光梳频率间隔的改变。图11-图13中所示的测量提供了用于调谐的示例。基于非线性WGM谐振器的光梳生成器的这种调谐能力在各种应用中都是有用的。

[0106] 基于非线性WGM谐振器的光梳生成器的另一特征是光梳的不同模式是相干的。生成的Kerr（超参数化）频率光梳的解调可由快速光电二极管直接检测，以产生在光梳重复频率的微波信号或高频RF。这是光梳线相干的结果和指示。信号的谱纯度随着增大WGM的Q因数、生成的边带的光学功率和光梳的谱宽度而增加。快速光电二极管的输出是由光梳中不同谱分量之间的相干干扰导致的RF或微波拍信号。为了解释光梳的相干特性，具有25GHz的主频率间隔的光梳被引导至光学带为1480-1640nm的快速40-GHz光电二极管中。图14示出了记录的由40-GHz光电二极管生成的微波拍信号。图14（a）示出了在对数标度中的信号和图14（b）示出了在线性标度中的相同信号。图14（c）示出了被引导至40-GHz光电二极管中的光梳的谱。微波线的线性拟合的结果指示生成的微波拍信号具有小于40Hz的线宽、指示拍信号的高相干性。该实验中使用的微波谱分析器（Agilent8564A）具有10Hz视频带宽、未平均化，并且内部微波衰减为10dB（实际的微波噪声底限为更低的量级）。不涉及光学信号的光学后置滤波。

[0107] 图14还指示微波信号被不均匀加宽至40Hz。噪声底限对应于测量带宽（约4Hz）。加宽来自WGM谐振频率相对于泵浦激光载波频率的热折射抖动。基于在测试中使用的8kHz调制的激光器锁定电路不够快来补偿此抖动。更快的锁定（例如，10MHz）可用于允许测量微波信号的更窄带宽。

[0108] 图14（c）中的使用在微波生成中的光梳呈不对称状。不同于图12和图13中的几乎对称的光梳，该光梳位移至载波的蓝色侧。为了产生图14（c）中的光梳，激光器被锁定至属于基本模式序列的模式之一。观察到当泵浦功率增加时被转变成等距光梳的在图10中用于更低泵浦功率的两个模式振荡过程。SRS过程被抑制。

[0109] 在不同的测试中，外部调制光学信号被发送至非线性WGM谐振器作为光泵浦。图15示出了在非线性WGM谐振器的光学输出中被测量的测量的混沌振荡。谐振器利用在25786kHz被调制并具有50mW功率的在1550nm的激光泵浦。生成的谱不会显著宽于用cw泵浦的谐振器产生的谱，并且模式不等距。

[0110] 因此，光学频率光梳可通过光学地泵浦WGM晶体谐振器生成，以提供与谐振器的FSR对应的可调谐光梳频率间隔。光梳具有大谱宽度（例如，超过30THz）和模式的良好相对相干。生成的光梳的特性取决于光学地泵浦的模式的选择，以及激光器锁定至谐振器的级别和相位。

[0111] 上述在WGM谐振器中使用光学三次非线性的光梳生成可使用激光器锁定，以使生成的光梳信号的频率稳定。Pound-Drever-Hall（PDH）激光器反馈锁定方案可用于将产生泵浦光的激光器锁定至非线性WGM谐振器。PDH锁定是基于反馈锁定电路的激光器锁定技术，其使用谐振器的耦合的光，以产生电控制信号来将激光器锁定至谐振器。锁定的级别和相位对振荡和非振荡谐振器是不同的。将锁定的激光器的功率增加到振荡的阈值之上导致锁定不稳定性。激光束的这种锁定可便于谱纯的微波信号的生成。测试指示未锁定的光梳信号趋于具有比具有锁定的激光器的光梳生成器生成的线宽（例如，如图14所示的小于40Hz）更宽的线宽（例如，约MHz）。

[0112] 作为Pound-Drever-Hall（PDH）激光器反馈锁定的替代，固态环形谐振器或WGM谐振器内的瑞利散射可用于以自注入锁定形式将激光器锁定至这种谐振器。通过在合适的相位匹配条件下将在激光器的激光光学泵浦下的非线性谐振器的光学输出的光注回到激光器，这种注入锁定将激光器锁定至产生超参数化频率光梳的非线性谐振器。从非线性谐振器至激光器的反馈光的光学相位被调整以满足相位匹配条件。

[0113] 两种反馈机制可用于将来自非线性谐振器的光引导至激光器用于锁定激光器。第一反馈机制使用通过非线性谐振器内的瑞利散射产生的信号。由瑞利散射导致的光沿来自激光器的原始泵浦光的光路以从非线性谐振器行进至激光器。

[0114] 第二反馈机制使用放置于非线性谐振器的输出光路上的反射器（例如，附加的部分透明的镜），以生成回到非线性谐振器然后回到激光器的反射。图16示出了设备1600的示例，设备1600将激光器1601锁定至非线性谐振器1610。非线性谐振器1610可以是环形谐振器、盘形谐振器、球形谐振器或非球形谐振器（例如，类球形谐振器）。可以是如图所示的耦合棱柱的光学耦合器1620用于向谐振器1610提供光学输入和提供来自谐振器1610的光学输出。激光器1601产生激光束1661并将激光束1661引导至耦合棱柱1620，耦合棱柱1620将激光束1661耦合至谐振器1610中作为在谐振器1610内的在逆时针方向上循环的束1662。循环束1662的光通过光学耦合器1620被光耦合出作为谐振器输出束1665。反射器1640在谐振器输出束1665的光路中放置在耦合棱柱1620之后，以将谐振器输出束1665的至少一部分反射回耦合棱柱1620。光学准直仪1602和1631可用于准直光。反射器1640可以是部分反射器，以透射谐振器输出束1663的一部分和反射谐振器输出束的一部分作为返回束1665。反射器1640还可以是全反射器，其将束1663的所有光反射回作为返回束1665。反馈束1665被耦合至谐振器1610中作为反向传播束1666，反向传播束1666通过耦合棱柱1620被耦合作为朝向激光器1601的反馈束1667。反馈束1667进入激光器1601并且导致激光器通过注入锁定锁定至谐振器1610。

[0115] 当从谐振器1610至激光器1601的反馈束1667的光学相位满足用于注入锁定的匹配条件时，可建立上述的基于谐振器1610内的瑞利散射或外部反射器1640的基于来自非线性谐振器1610的光学反馈的激光器锁定。相位控制机制可实施在瑞利散射方案中的反馈束1667或使用外部反射器1640的方案中的一个或多个束1661、1662、1663、1665、1666和1667的光路中，以调整和控制反馈束1667的光学相位。如图所示，在此相位控制机制的一个实施中，反射器1640可以是可移动反射器，其可被控制以改变其沿束1663的光路的位置来调整反馈束1667的光学相位。返回信号1667的相位还可通过放置在激光器1601与耦合器1620之间的相位旋转器1603或放置在耦合器1620或准直器1631与外部反射器或镜1640之间的相位旋转器1663被调整。还可使用联合配置，其使用谐振器1610内的瑞利散射和外部反射器
1640。配置的选择取决于操作条件，其中操作条件包括将谐振器1610加载有耦合器1620以及谐振器1610内的瑞利散射的强度。可使用这种锁定技术，从而允许避免与使用PDH锁定和其他锁定设计相关联的技术难度。

[0116] 在本文献中描述的设备和技术使用光学处理以通过稳定具有期望频率分离的至少两个光学谱分量的光学信号，有益于光域中原子或分子中原子或分子的光学跃迁的高精度和稳定性。光电二极管上被稳定的光学信号的两个光学谱分量之间的拍生成具有原子钟的频率精度或稳定性的RF或微波信号。返回参照图1A，光梳生成设备使用作为单独光源的激光器1和非线性WGM谐振器100中的非线性光学混合以产生光梳中的光学频率。两个或更多光学谱分量可通过非线性波混频在没有生成光梳的情况下生成，其中非线性光学谐振器可被不具有光学非线性的光学谐振器更换。例如，在两个激光载波频率的两个不同激光器可被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。

[0117] 图17示出了使用被锁定至谐振器100的两个不同模式的两个独立激光器1和1701的设备。在该示例中，谐振器100可以是线性WGM谐振器。可替代地，还可使用如图1A中的非线性谐振器100。两个激光器1和1701分别被调谐，以操作在与共享相同激发态的两个原子跃迁谐振的两个不同的光学载波频率。两个激光载波频率分离RF频率ωRF，ωRF可等于或为谐振器100的FSR的谐波。来自激光器1701的第一激光束通过第一光学耦合器或分束器1703（例如，光纤耦合器）分成两个第一激光束：一个束被引导至第一偏振控制器1721以处于第一光学偏振，另一束通过可选的第一光学滤波器1711朝向光学谐振器100被引导。来自激光器1的第二激光束被第二光学耦合器或分束器1704（例如，光纤耦合器）分成两个第二激光束：一个束被引导至第二偏振控制器1722以处于与第一光学偏振垂直的第二光学偏振，另一束通过另一可选的光学滤波器1712朝向光学谐振器100被引导。PBS12将来自两个偏振控制器1721和1722的两个正交偏振束组合成组合束，组合束被引导至原子室20用于在检测器24处产生反馈信号。

[0118] 来自两个激光器的朝向谐振器100被引导的两个束通过光学耦合器2被耦合至谐振器100中。光学耦合器1705（例如，光纤耦合器）将在两个不同激光载波频率的两个束组合成一个束，该一个束通过光学耦合器2被耦合至谐振器100中。该一个束在由RF频率ωRF分离的两个不同激光载波频率处具有两个谱峰，并且被引导至光学耦合器2，光学耦合器2将光耦合至谐振器100。两个光学滤波器1711和1722是可选的并且被提供为确保通过耦合器2耦合至谐振器100中的两个束处于与两个光学原子跃迁对应的期望光学频率。

[0119] 在具有两个激光器1和1701的该设计中，光学谐振器100可以是无源谐振器，其不展现用于光学非线性波混频的非线性，由于输出5中的在两个激光载波频率的光可在光电二极管24处彼此混合以生成在RF频率ωRF的RF输出。可替代地，光学谐振器100这里还可由非线性材料制成，以在谐振器100中致使非线性混合和参数化放大以及生成光梳输出5。

[0120] 激光器1和1701通过使用合适的锁定机制（例如，光学注入锁定、PDH锁定）被锁定至谐振器100的不同模式。光梳通过在两个载波频率的两个不同泵浦之间的四波混频生成。一个激光器相位锁定至另一激光器允许实现稳定的RF拍音。锁定至原子室10导致在光电二极管处生成的RF信号的绝对稳定性，其中该光电二极管接收光学输出5，如果谐振器100为线性谐振器，光学输出5可以是具有两个频率的光学输出，或如果谐振器100是提供期望的非线性波混频的非线性谐振器，则光学输出5可以是光梳。

[0121] 反馈电路4使用反馈信号来生成谐振器100的偏置信号。不同于图1A，相位调整设备1710放置于激光器1的输出处，该相位调整设备1710接收来自信号源3的在抖动频率的抖动信号和来自反馈电路4的反馈信号。该相位调整设备1710在通过偏振控制器1722的束的频率中形成抖动，因此在由检测器24输出的反馈信号中形成变化以指示谐振器100的频率漂移的方向和量，谐振器100被调整为减少或使该漂移最小化来实现相对于原子参考的稳定性。

[0122] 使用一个激光器和非线性光学谐振器（例如，非线性WGM谐振器）可在产生具有原子钟精度或稳定性的RF或微波方面简化设备结构（例如，通过使用一个激光器而不是两个激光器和通过避免用于将两个激光器彼此锁定的附加电路）。图18-图21描述了基于非线性WGM谐振器中的光梳的生成和这种光梳至一个或多个原子频率参考的锁定的附加的设备设计。

[0123] 图18示出了为了其稳定性将光梳直接锁定至光学原子跃迁而不是RF超精细跃迁的光梳生成设备的示例。来自激光器1的激光被分成由两个光纤携带的两个激光束：一个激光束用于泵浦谐振器100，另一激光束用于生成相对于原子参考中的光学原子跃迁的误差信号。不同于图1A和图17，在激光载波频率的一个激光束被引导通过原子蒸气室20，并且光电检测器1822（例如，慢速光电二极管）用于测量原子室20的光学透射。提供了电子处理电路1824，以接收光电检测器1822的检测器输出以生成指示激光载波频率距原子跃迁频率的偏差的误差信号。该误差信号用于操作腔控制单元1810，腔控制单元1810调谐或调制谐振器100的谐振，其中光梳通过非线性波混频和参数化放大生成。因此，光梳谐波被相位锁定至来自激光器的泵浦光，激光器通过腔控制单元1810致使的光学谐振器100的调制和激光器1与谐振器100之间的注入锁定被锁定至光学原子跃迁。光纤准直仪1802使用在光纤的终端用于接收或输出激光。

[0124] 图18示出了作为腔控制器单元1810的压电控制器的具体示例。压电控制器1810包括接合至谐振器100以调谐谐振器谐振的压电致动器。激光器1由于基于谐振器100中发生的瑞利散射的注入锁定、热光效应或锁定电路（例如PDH锁定）被锁定至谐振器100。谐振器100的频率使用压电-光学效应或热折射效应被缓慢地调制或抖动。谐振器100的抖动调制通过从谐振器100至激光器1的导致注入锁定的反馈光致使激光频率的调制。激光频率的抖动调制或谐振器谐振通过穿过原子室20（还考虑了这里未示出的反射多普勒自由配置）的光导致误差信号的生成。误差信号通过电子处理器1824电子地处理并被反馈到压电控制器
1810中。在进行的测试中，光学WGM频率的锁定/确定的精确度为约10Hz每秒（Q=5x1010），该-14 -1/2
精确度对应于约10 s 的阿伦方差（Allan variance）。在快速光电二极管上通过调制的光生成的RF信号具有相同的阿伦方差。

[0125] 图19示出了为了稳定性将光梳锁定至光学跃迁而不是RF超精细跃迁的光梳生成设备的另一示例。来自激光器1的激光的一部分被分束器BS分成频率监视束，频率监视束被引导通过原子室20，并且第一慢速光电二极管1822用于接收原子室20的光学透射，以生成第一误差信号，第一误差信号指示激光载波频率距原子参考的频率偏差。第一锁定电路1910被提供以使用第一误差信号将谐振器100锁定至原子参考。在示出的示例中，第一锁定电路1910可以是PDH锁定电路。

[0126] 激光器1的输出中的BS将激光引导至光学调制器1901（例如光学Mach-Zehnder调制器），光学调制器1901调制激光以在激光束上产生用于在原子室20的输出处生成误差信号的抖动调制。因此，此光学调制器1901执行与图17中的设备1710的功能相似的功能。光学耦合器2将被调制的激光束耦合到谐振器100用于非线性波混频和参数化放大以生成光梳输出5，光梳输出5从另一光学耦合器1902耦合至快速光电检测器1821以生成设备的RF输出。光学耦合器2产生光学输出，该光学输出被引导至第二慢速光电二极管1822，第二慢速光电二极管1822产生第二误差信号，第二误差信号指示激光载波频率距谐振器100的谐振器模式的频率偏差。可以是例如PDH锁定电路的第二锁定电路1920被提供以供给第二误差信号，以使得将激光器1锁定至谐振器100。由于谐振器100通过第一锁定电路1910锁定至原子参考，因此第二锁定电路1920也通过谐振器100相对于原子参考锁定激光器。

[0127] 图20示出了基于图19的设计的另一示例，其中激光器1和谐振器100通过快速注入锁定被直接相互锁定。锁定电路1910被提供以将激光器1和谐振器100锁定至原子参考。锁定电路1920被提供为将激光器1锁定至谐振器100，并且可以是例如PDH锁定电路。锁定的激光器1可由例如外部腔半导体激光器实施并可通过调谐谐振器100的频率而被调谐。激光器/谐振器组合被锁定至原子跃迁（例如87Rb D1线）。为了执行锁定，激光器的频率通过WGM谐振器的温度调制被调制，并且误差信号被反馈回以纠正谐振器的温度。由于改变激光器电流还改变谐振器的温度，所以从锁定电路1910提供了附加的（快速的）锁定环路，以除了自注入锁定之外控制激光器1。

[0128] 在图20的设备上进行的测试中，原子线具有小于106Hz/K的热漂移。锁定至谐振器的激光器的频率可被保持在100kHz内以免原子跃迁。WGM频率可相对于激光频率漂移小于模式的半极大处全宽度，其通常为约100kHz。因此，原子室200在约100mK的热稳定性可导致比100kHz更好的光学模式的绝对长期稳定性。当谐振器100的FSR漂移不超过2.5Hz时，如果ω0/FSR=4x104。因此，振荡器的如通过其阿伦偏差确定的期望的短期稳定性为约2.5x10-10（对于10GHzFSR）。阿伦偏差在足够长的观察时间内按τ-1减小。因此，可期望的该设备极好的长期稳定性。

[0129] 图21示出了使用两个原子室提供用于两个分离锁定点的两个原子参考的光梳生成设备的示例。光梳的频率稳定性可以两类频率参数为特征：光梳中的每个谱分量的频率和光梳中的两个相邻谱分量之间的频率间隔或FSR。现有的示例使用一个原子参考作为一个频率锁定参考点。在不同光学参考频率处存在两个原子室2121和2122允许锁定点提供更好的锁定稳定性。

[0130] 在图21中，激光器1和谐振器100可通过注入锁定或其他锁定方法相互锁定。来自谐振器100的光梳光学输出5基于谐振器100内的非线性光学波混频和参数化放大而生成。该光梳5通过第一分束器BS1分开，其中束的一小部分被引导至快速检测器1821以产生RF输出。第二分束器BS2从BS1接收束并且将接收的束分成第一束和第二束。第一束被引导通过第一可选的光学带通滤波器2111以产生在第一光学频率的第一滤波束，而第二束被引导通过第二可选的光学带通滤波器2112以产生在不同于第一光学频率的第二光学频率的第二滤波束。该设备将两个光梳线分别锁定至两个原子室2121和2122的两个不同的原子跃迁。
在谐振器100中生成的光梳5应覆盖原子室2121和原子室2122的多个光学线。WGM谐振器100被构造为具有包括在两个原子跃迁的最近的附近中的频率的两个模式。第一光学检测器
2131用于接收与第一误差信号对应的第一原子室2121的光学透射，第一误差信号指示激光频率或谐振器谐振相对于第一原子室2121的第一原子跃迁的频率误差。第二光学检测器
2132用于接收与第二误差信号对应的第二原子室2122的光学透射，第二误差信号指示激光频率或谐振器谐振相对于第二原子室2122的第二原子跃迁的频率误差。这两个误差信号被引导至反馈控制电路2140，反馈控制电路2140生成第一反馈信号至相位调整设备1710用于产生抖动调制，并且生成第二反馈信号至谐振器100用于调谐谐振器100来减少频率误差。

[0131] 两个原子频率参考可分离远大于非线性光学谐振器100的FSR或/或光梳重复频率的频率差。图21中通过两个反馈环路至相位调整设备1710和可调谐WGM谐振器100的在两个原子频率参考的频率锁定不仅稳定激光器1或谐振器100，而且将频率光梳重复率锁定至两个原子频率参考间频率差的一部分。

[0132] 上面示出的设备示例可实施在半导体基板（例如，硅晶片）上的平面架构中。在一些实施中，光学WGM谐振器可以各种配置单片集成到基底中，例如，光学WGM谐振器可集成在平面半导体结构上。光学WGM谐振器可以是集成在基板上的光学盘形或环形谐振器，设备的其他部件（包括电子电路元件）也可集成在基底上。光学谐振器和上面示例中描述的某些其他部件的集成提供了可在各种应用中实施的紧凑的光电芯片。

[0133] 尽管本文包含许多细节，这些细节不应该被解释成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专有细节的描述。在本文中在分别实施方式的背景中描述的一些特征还可在一个实施方式中组合地实施。相反，在一个实施方式的背景中描述的各个特征还可单独或以任何合适的子组合的方式实施在多个实施方式中。而且，尽管特征可在上文中描述成在某些组合中作用和甚至初始如此要求保护，但是要求保护的组合的一个或多个特征可在一些情况下从组合去除，并且要求保护的组合可被引导至子组合或子组合的变型。

[0134] 仅公开了一些实施。所描述的实施和其他实施可基于在本文中描述和示出的内容进行改变和增补。