ميكروويف أنظمة الضوئيات بناء على الرنانون توشوش-معرض واسطة
Summary
يتم عرض التقنيات المتقدمة المخصصة في مختبرنا لبناء أنظمة الضوئيات الميكروويف على أساس فائقة يهمس مرنانات وضع الصور س. وترد تفاصيل بروتوكولات للحصول على وتوصيف هذه مرنانات، ويعطى تفسيرا لبعض تطبيقاتها في الميكروويف الضوئيات.
Abstract
نظم الضوئيات الميكروويف تعتمد بشكل أساسي على التفاعل بين الميكروويف والإشارات الضوئية. هذه النظم واعدة للغاية لمختلف مجالات التكنولوجيا والعلوم التطبيقية، مثل الفضاء وهندسة الاتصالات، والاستشعار والقياس وغير الخطية الضوئيات، والبصريات الكمومية. في هذا المقال سنتطرق التقنيات الرئيسية المستخدمة في المختبر لبناء أنظمة الضوئيات الميكروويف على أساس فائقة يهمس مرنانات وضع الصور س. أولا بالتفصيل في هذه المقالة هو بروتوكول لتلميع مرنان، والتي تقوم على تقنية طحن والبولندية وثيقة لتلك المستخدمة لتلميع المكونات البصرية مثل العدسات أو المرايا التلسكوب. ثم، وعلى ضوء التداخل profilometer التدابير خشونة السطح الأبيض، والذي هو مفتاح معلمة لتوصيف نوعية التلميع. من أجل إطلاق الضوء في مرنان، يتم استخدام الألياف السيليكا مدبب مع قطر في نطاق ميكرومتر. للوصول إلى هذا القطر الصغيرق، ونحن اعتماد "اللهب بالفرشاة تقنية"، وذلك باستخدام نفس الوقت موتورز الكمبيوتر التي تسيطر عليها لسحب الألياف عن بعضها البعض، وموقد اللحام لتسخين المنطقة الألياف ليكون مدبب. واقترب من مرنان والألياف مدبب في وقت لاحق إلى واحد آخر لتصور إشارة صدى من وسائط معرض يهمس باستخدام الليزر الطول الموجي المسح. عن طريق زيادة الطاقة الضوئية في مرنان والظواهر غير الخطية يتم تشغيلها حتى لوحظ تشكيل كير مشط التردد الضوئي مع طائفة مصنوعة من الخطوط الطيفية مسافة واحدة. هذه الأطياف مشط كير لها خصائص استثنائية التي هي مناسبة لعدة تطبيقات في العلوم والتكنولوجيا. ونحن نعتبر أن تطبيق المتصلة فائقة مستقر الميكروويف توليف تردد وإظهار جيل من مشط كير مع غيغاهرتز الوسائط تردد.
Introduction
يهمس مرنانات وضع الصور هي الأقراص أو مجالات دائرة نصف قطرها الصغير أو الملليمتري 1،2،3،4. شريطة أن يكون مرنان هو تقريبا تماما على شكل (حجم النانومتر خشونة السطح)، وعلى ضوء الليزر يمكن حوصروا بسبب الانعكاس الداخلي الكامل في غضون eigenmodes، والتي عادة ما يشار إليها باسم وسائط يهمس-معرض (WGMs). يمكن مداها خالية من الطيفية (أو الوسائط تردد) تختلف من غيغاهرتز إلى THz للاعتمادا على نصف قطر مرنان، بينما عامل جودتها س يمكن أن تكون عالية بشكل استثنائي 5، بدءا من 10 يوليو – 10 نوفمبر. ونظرا لخاصية فريدة من نوعها للتخزين وتباطؤ ضوء، وقد استخدمت مرنانات WGM البصرية لأداء العديد من المهام معالجة الإشارات البصرية 3: تصفية، والتضخيم، والوقت وبذلك يؤخر، الخ. مع التحسن المستمر للتكنولوجيات التصنيع وعواملها لم يسبق لها مثيل جودة جعلها مناسبة للتطبيق حتى أكثر تطلبا في المقاييس أو ضليع في الرياضياتتطبيقات أم المستندة إلى 6-13.
في هذه مرنانات س فائقة، وحجم صغير من الحبس، وكثافة عالية الفوتون، وعمرها الفوتون طويل (يتناسب مع س) لحث على التفاعل خفيفة المسألة قوي جدا، والتي قد تثير مختلف WGMs من خلال مختلف الآثار غير الخطية، مثل كير، رامان، أو بريلوين على سبيل المثال 14-19. باستخدام الظواهر غير الخطية في يهمس مرنانات وضع معرض اقترح باعتبارها نقلة نوعية واعدة للميكروويف نقي للغاية وتوليد الخفيفه. حقيقة أن هذا الموضوع يتقاطع مناطق كثيرة من العلم والتكنولوجيا الأساسية هو مؤشر واضح من تأثيره المحتمل قوي جدا على مجموعة واسعة من التخصصات. على وجه الخصوص، والتكنولوجيات هندسة الطيران والفضاء والاتصالات هي حاليا في حاجة إلى الميكروويف تنوعا وإشارة الخفيفه مع تماسك استثنائية. التكنولوجيا WGM ديها العديد من المزايا مقارنة مع الطرق القائمة المحتملين أو غيره: البساطة المفاهيمي، حigher متانة، أصغر استهلاك الطاقة، وأطول عمرا، والحصانة إلى التدخل، وحجم صغير جدا، وبراعة تردد، والتكامل رقاقة سهلة، فضلا عن احتمال قوي لدمج التيار الرئيسي للمكونات الضوئية القياسية لكلا الميكروويف والتكنولوجيات الخفيفه.
في هندسة الطيران، مؤشرات التذبذب الكوارتز هي المهيمنة بأغلبية ساحقة كمصادر الميكروويف المفتاح لكلا أنظمة الملاحة (الطائرات والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، الخ)، وأنظمة الكشف عن (الرادارات، وأجهزة الاستشعار، وما إلى ذلك). ومع ذلك، فإنه من المسلم بالإجماع اليوم أن أداء الاستقرار تردد من التذبذب الكوارتز هو الوصول إلى أرضيتها، ولن تتحسن بشكل ملحوظ بعد الآن. وعلى نفس الخط، وبراعة وتيرتها محدودة وسوف يسمح بالكاد لتوليد الميكروويف فائقة مستقر أكثر من 40 غيغاهيرتز. ومن المتوقع أن التغلب على هذه القيود الميكروويف مؤشرات التذبذب الضوئية. من ناحية أخرى، في هندسة الاتصالات، ميكروويف الفوتونومن المتوقع أيضا أن تكون مؤشرات التذبذب IC المكونات الرئيسية في شبكات الاتصالات البصرية حيث أنها إجراء تحويل الخفيفه / ميكروويف مع كفاءة لم يسبق لها مثيل. بل هي أيضا متوافقة مع الاتجاه المستمر للمكونات البصرية الكاملة المدمجة في تكنولوجيا الخفيفه، التي تمكن المعالجة فائقة السرعة [أعلى / أسفل التحويل، (دي) التشكيل، والتضخيم، مضاعفة، والاختلاط، إلخ] دون الحاجة للتلاعب واسعة النطاق (ثم، وبطء) الإلكترونات. هذا المفهوم من الدوائر الضوئية المدمجة حيث السيطرة على الفوتونات الفوتونات عبر وسائل الاعلام غير الخطية تهدف إلى الالتفاف على عنق الزجاجة التي تنشأ من عرض النطاق الترددي البصري غير محدودة تقريبا مقابل محدودية سرعة المعالجة الضوئية. نظم الاتصالات الضوئية هي أيضا صعبة جدا لمنخفضة للغاية أفران ميكروويف الضوضاء المرحلة من أجل إرضاء كل من قطع مسافة السباق (انخفاض الضوضاء المرحلة ما يعادل انخفاض الوقت غضب) وعرض النطاق الترددي (معدلات بت زيادة يتناسب مع تردد على مدار الساعة) المتطلبات. في الواقع، في COMMUN عالية السرعةشبكات ication، مثل مؤشرات التذبذب فائقة مستقر إشارات الأساسية لعدة أغراض (مذبذب المحلية لأعلى / أسفل تحويل تردد، تزامن الشبكة، والتوليف الناقل، الخ).
الظواهر غير الخطية في مرنانات WGM أيضا فتح آفاق جديدة للبحث عن التطبيقات الأخرى، مثل أشعة الليزر رامان وبريلوين. أكثر عموما، يمكن دمج هذه الظواهر ضمن منظور أوسع من الظواهر غير الخطية في تجاويف البصرية والدليل الموجي، وأنه هو النموذج المثمر لالبلورية أو السيليكون الضوئيات. الحبس قوية وعمرها طويل جدا من الفوتونات في WGMs مثل الحيد أيضا توفر مقاعد البدلاء اختبار ممتاز للتحقيق في القضايا الأساسية في المادة المكثفة وفيزياء الكم. السباق إلى زيادة دقة من أي وقت مضى في الإشارات الكهرومغناطيسية يسهم أيضا في الإجابة على الأسئلة الجوهرية في الفيزياء، تتعلق النسبية (اختبارات لورنتز الثبات)، أو قياس الثوابت الفيزيائية الأساسية علىالثانية الاختلاف المحتمل مع مرور الوقت.
في هذه المقالة، وصفت مختلف الخطوات المطلوبة للحصول البلورية يهمس-معرض واسطة (WGM) مرنانات بصري وأوضح توصيف بهم. كما قدم هو بروتوكول للحصول على الألياف مدبب عالية الجودة المطلوبة لزوجين ضوء الليزر في هذه مرنانات. وأخيرا، يتم تقديم الطلب الرئيسي من هذه مرنانات في مجال الضوئيات الميكروويف، وهي فائقة مستقر جيل الميكروويف باستخدام كير أمشاط، ومناقشتها.
في القسم الأول، ونحن من التفصيل يتبع بروتوكول للحصول فائقة س مرنانات WGM. تعتمد طريقتنا على نهج طحن والبولندية، التي تذكر أن التقنيات القياسية المستخدمة لتلميع المكونات البصرية مثل العدسات أو المرايا التلسكوب. ويخصص القسم الثاني لتوصيف خشونة السطح. ونحن نستخدم profilometer التداخل ضوء عدم الاتصال البيضاء لقياس سطح Roughness الأمر الذي يؤدي إلى السطح الخسائر الناجمة عن تشتت وبالتالي انخفاض أداء العامل س. هذه الخطوة هو اختبار تجريبي هامة لتقييم جودة تلميع. وتشعر القسم الثالث مع تلفيق الألياف السيليكا مدبب مع قطر في نطاق ميكرومتر من أجل إطلاق الضوء في مرنان. للتوصل إلى مثل أقطار صغيرة، ونحن اعتماد "اللهب بالفرشاة تقنية"، وذلك باستخدام نفس الوقت موتورز الكمبيوتر التي تسيطر عليها لسحب الألياف عن بعضها البعض، وموقد اللحام لتسخين المنطقة الألياف ليكون مدبب 20. في القسم الرابع، واقترب من مرنان والألياف مدبب إلى بعضها البعض لتصور إشارة صدى من وسائط معرض يهمس باستخدام الليزر الطول الموجي المسح. نعرض في القسم الخامس كيف، من خلال زيادة الطاقة الضوئية في مرنان، تمكنا من تحريك الظواهر غير الخطية حتى نلاحظ تشكيل كير البصرية تردد أمشاط، مع طائفة مصنوعة من الخطوط الطيفية مسافة واحدة. كما هmphasized أعلاه، هذه كير أطياف مشط لها خصائص استثنائية التي هي مناسبة لعدة تطبيقات في كل من العلم والتكنولوجيا 21-23. وسوف تنظر في واحد من التطبيقات الأكثر بروزا من مرنانات WGM من قبل مما يدل على إشارة متعددة الطول الموجي البصري الذي تردد المتعدد الوسائط هو الميكروويف فائقة مستقر.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح هذا البروتوكول إنتاج مرنانات البصرية عالية-Q، إلى ضوء الزوجان الى لهم وتؤدي الظواهر غير الخطية لمختلف التطبيقات الضوئيات الميكروويف.
ينبغي أن تكون الخطوة الأولى من طحن الخام يعطي شكله للمرنان. بعد ساعة من طحن مع مسحوق ج…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر YCK الدعم المالي من مجلس البحوث الأوروبي من خلال مشروع NextPhase (ERC جنيها استرلينيا 278616). الكتاب أيضا أن نعترف بدعم من المركز الوطني للدراسات الفضائية (CNES، فرنسا) من خلال SHYRO مشروع (عمل R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201)، من المشروع ORA ANR (بلان 031202)، و من الإقليم دي سانتر، فرنسا.
Materials
| Material Name | Company |
| Step motors 50 mm course | Thorlabs |
| 3 axis nanostage | Physik Instrumente |
| TUNICS tunable laser source | Yenista |
| Optical spectrum analyzer APEX | APEX Technologies |
References
- Oraevsky, A. N. Whispering-gallery waves. Quantum Electronics. 32, 377-400 (2002).
- Matsko, A. B., Ilchenko, V. S. Optical Resonators With Whispering-Gallery Modes-Part I: Basics. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 3-14 (2006).
- Ilchenko, V. S., Matsko, A. B. Optical Resonators With Whispering-Gallery Modes-Part II: Applications. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 15-32 (2006).
- Maker, A. J., Armani, A. M. Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators. J. Vis. Exp. (65), e4164 (2012).
- Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Maleki, L. Optical resonators with ten million finesse. Optics Express. 15, 6768-6773 (2007).
- Sprenger, B., Schwefel, H. G. L., Lu, Z. H., Svitlov, S., Wang, L. J. CaF2 whispering-gallery-mode-resonator stabilized-narrow-linewidth laser. Optics Letters. 35, 2870-2872 (2010).
- Vahala, K. . Optical Microcavities. , (2004).
- Matsko, A. B., Savchenkov, A. A., Yu, N., Maleki, L. Whispering-gallery-mode resonators as frequency references. I. Fundamental limitations. J. Opt. Soc. Am. B. 24, 1324-1335 (2007).
- Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Yu, N. Whispering-gallery mode resonators as frequency references. II. Stabilization. J. Opt. Soc. Am. B. 24, 2988-2997 (2007).
- Chembo, Y. K., Baumgartel, L. M., Yu, N. Toward whispering-gallery mode disk resonators for metrological applications. SPIE Newsroom. , (2012).
- Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature. 421, 925-929 (2003).
- Hofer, J., Schliesser, A., Kippenberg, T. J. Cavity optomechanics with ultrahigh-Q crystalline microresonators. Phys. Rev. A. 82, 031804 (2010).
- Fürst, J. U., Strekalov, D. V., Elser, D., Aiello, A., Andersen, U. L., Marquardt, C. h., Leuchs, G. Quantum Light from a Whispering-Gallery-Mode Disk Resonator. Phys. Rev. Lett. 106, 113901-1-113901-4 (2011).
- Del’Haye, P., Schliesser, A., Arcizet, O., Wilken, T., Holzwarth, R., Kippenberg, T. J. Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator. Nature. 450, 1214-1217 (2007).
- Kippenberg, T. J., Holzwarth, R., Diddams, S. A. Microresonator-Based Optical Frequency Combs. Science. 322, 555-559 (2011).
- Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature. 415, 621-623 (2002).
- Liang, W., Ilchenko, V. S., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Seidel, D., Maleki, L. Passively Mode-Locked Raman Laser. Phys. Rev. Lett. 154, 143903-1-143903-4 (2010).
- Grudinin, I. S., Matsko, A., Maleki, L. Brillouin lasing with a CaF2 whispering gallery mode resonator. Phys. Rev. Lett. 102, 043902-1-043902-4 (2009).
- Werner, C. S., Beckmann, T., Buse, K., Breunig, I. Blue-pumped whispering gallery optical parametric oscillator. Optics Letters. 37, 4224-4226 (2012).
- Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. Phase-matched excitation of whispering gallery-mode resonances by a fiber taper. Opt. Lett. 22, 1129-1131 (1997).
- Chembo, Y. K., Yu, N. Modal expansion approach to optical-frequency-comb generation with monolithic whispering-gallery-mode resonators. Phys. Rev. A. 82, 033801-1-033801-18 (2010).
- Chembo, Y. K., Strekalov, D. V., Yu, N. Spectrum and Dynamics of Optical Frequency Combs Generated with Monolithic Whispering Gallery Mode Resonators. Phys. Rev. Lett. 104, 103902-1-103902-4 (2010).
- Chembo, Y. K., Yu, N. On the generation of octave-spanning optical frequency combs using monolithic whispering-gallery-mode microresonators. Opt. Lett. 35, 2696-2698 (2010).
- Brown, N. J. Optical fabrication. Report MISC 4476 1LLNL. , (1990).
- Strekalov, D. V., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Yu, N. Efficient upconversion of subterahertz radiation in a high-Q whispering gallery resonator. Optics Letters. 34, 713-715 (2009).
- Dumeige, Y., Trebaol, S., Ghisa, L., Ngan Nguyen, T. K., Tavernier, H., Feron, P. Determination of coupling regime of high-Q resonators and optical gain of highly selective amplifiers. J. Opt. Soc. Am. B. 12, 2073-2080 (2008).
- Gorodetsky, M. L., Ilchenko, V. S. Optical microsphere resonators: optimal coupling to high-Q whispering-gallery modes. J. Opt. Soc. Am. B. 16, 147-154 (1999).
- Ilchenko, V. S., Yao, X. S., Maleki, L. Pigtailing the high-Q microsphere cavity: a simple fiber coupler for optical whispering-gallery modes. Opt. Let. 24, 723-725 (1999).
- Del’Haye, P., Arcizet, O., Schliesser, A., Holzwarth, R. Kippenberg T.J. Full stabilization of a microresonator frequency comb. Phys. Rev. Let. 101, 053903 (2008).
