Les systèmes photoniques à micro-ondes Basé sur des résonateurs-galerie-mode de chuchotement
Summary
Les techniques personnalisées développées dans notre laboratoire pour construire des systèmes photoniques micro-ondes basé sur Q chuchotement mode galerie résonateurs ultra-hautes sont présentés. Les protocoles d'obtenir et de caractériser ces résonateurs sont détaillés, et une explication de certaines de leurs applications à micro-ondes photonique est donné.
Abstract
Systèmes photoniques à micro-ondes s'appuient fondamentalement sur l'interaction entre les micro-ondes et signaux optiques. Ces systèmes sont extrêmement prometteurs dans divers domaines de la technologie et des sciences appliquées, telles que l'aéronautique et génie des communications, la détection, la métrologie, la photonique non linéaire, et l'optique quantique. Dans cet article, nous présentons les principales techniques utilisées dans notre laboratoire pour construire des systèmes photoniques à base de micro-ondes Q chuchotement mode galerie résonateurs ultra-haute. Première détaillé dans cet article est le protocole pour le polissage résonateur, qui est basé sur une technique grind-and-polonais proche de ceux utilisés pour polir composants optiques tels que des lentilles ou des miroirs de télescope. Ensuite, un léger Mesures profilomètre rugosité de surface blanc interférométrique, qui est un paramètre clé pour caractériser la qualité du polissage. Pour l'amorçage de la lumière dans le résonateur, une fibre de silice conique avec un diamètre de l'ordre du micromètre est utilisé. Pour atteindre un tel petit diamètres, nous adoptons la technique "flamme-brossage", en utilisant des moteurs simultanément contrôlés par l'ordinateur pour tirer la fibre à part, et un chalumeau pour chauffer la zone fibre à être effilé. Le résonateur et la fibre effilée sont ensuite approchés les uns aux autres de visualiser le signal de résonance des modes de galerie à l'aide d'un laser de longueur d'onde de balayage. En augmentant la puissance optique dans les phénomènes non linéaires de résonateur, sont déclenchées jusqu'à la formation d'un peigne de fréquence optique Kerr est observée avec un spectre composé de raies spectrales équidistantes. Ces spectres de peigne Kerr ont des caractéristiques exceptionnelles qui conviennent à plusieurs applications de la science et de la technologie. Nous considérons que la demande liée à la synthèse ultra-stable fréquence micro-ondes et de démontrer la génération d'un peigne Kerr avec une fréquence intermodal GHz.
Introduction
Whispering Gallery Mode résonateurs sont des disques ou sphères de la micro-ou millimétrique rayon 1,2,3,4. Pourvu que le résonateur est presque parfaitement en forme (taille nanométrique rugosité de surface), la lumière laser peut être piégée par réflexion interne totale dans ses modes propres, qui sont habituellement désignés comme modes murmure-galerie (WGMS). Leur gamme spectrale libre (ou fréquence intermodal) peut varier d'GHz à THz selon le rayon du résonateur, tandis que leur facteur de qualité Q peut être exceptionnellement élevé 5, allant de 7 octobre au 11 octobre. En raison de leur propriété unique de stockage et de ralentir la lumière, résonateurs optiques WGM ont été utilisés pour effectuer de nombreuses tâches de traitement de signaux optiques 3: filtrage, amplification, le temps retardement, etc. Avec l'amélioration continue des technologies de fabrication, leurs facteurs de qualité sans précédent rendent approprié pour une application encore plus exigeante en matière de métrologie ou quantum applications basées 6-13.
Dans ces résonateurs ultra-Q élevé, le faible volume de confinement, une forte densité de photons, et durée de vie du photon de longueur (proportionnelle à Q) induisent une interaction lumière-matière très forte, ce qui peut exciter les différents WGMS par divers effets non linéaires, comme Kerr, Raman ou Brillouin par exemple de 14 à 19. Utilisant des phénomènes non linéaires en chuchotant Mode Galerie résonateurs a été proposé comme un changement de paradigme prometteur pour micro-ondes ultra-pure et la production d'ondes lumineuses. Le fait que ce sujet recoupe de nombreux domaines de la science et de la technologie fondamentale est un indicateur clair de son impact potentiel très fort sur un large éventail de disciplines. En particulier, les technologies d'ingénierie aérospatiale et de la communication ont actuellement besoin de micro-ondes polyvalent et le signal d'onde lumineuse avec une cohérence exceptionnelle. La technologie WGM a plusieurs avantages par rapport aux méthodes existantes futurs ou autre: simplicité conceptuelle, hENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR robustesse, petite consommation d'énergie, une plus longue vie, immunité aux interférences, volume très compact, la polyvalence de fréquence, l'intégration de la puce facile, ainsi qu'un fort potentiel pour intégrer le courant dominant de composants photoniques standards pour les technologies micro-ondes et ondes lumineuses.
En génie aérospatial, oscillateurs à quartz sont largement dominante en tant que sources de micro-ondes pour les deux principaux systèmes de navigation (avions, satellites, engins spatiaux, etc) et les systèmes de détection (radars, capteurs, etc.) Cependant, il est unanimement reconnu aujourd'hui que la fréquence performances de stabilité des oscillateurs à quartz atteint son plancher, et ne va pas améliorer significativement plus. Dans la même ligne, leur versatilité de fréquence est limitée et ne sera guère permettre la génération de micro-ondes ultra-stable au-delà de 40 GHz. Micro-ondes photoniques oscillateurs sont attendus pour surmonter ces limitations. D'autre part, en communication ingénierie, micro-ondes photonOn s'attend également oscillateurs ic être des éléments clés dans les réseaux de communication optique où ils exerceraient l'onde lumineuse / micro-ondes conversion avec une efficacité sans précédent. Ils sont également compatibles avec la tendance actuelle des composants optiques compacts plein dans la technologie d'ondes lumineuses qui permettent un traitement ultra-rapide [up / down conversion, (de) modulation, amplification, de multiplexage, de mixage, etc] sans avoir besoin de manipuler massif (et puis, lentement) électrons. Ce concept de circuits photoniques compacts où les photons contrôlent photons via les médias non-linéaires vise à contourner le goulot d'étranglement provenant de la bande passante optique pratiquement illimitée contre limité la vitesse de traitement opto-électronique. Systèmes de communications optiques sont aussi très exigeants pour les micro-ondes de bruit ultra-faible de phase afin de satisfaire à la fois d'horloge (faible bruit de phase est équivalent à temps faible jitter) et la bande passante (débits augmenter proportionnellement à la fréquence d'horloge) exigences. En effet, en haut-débit communles réseaux de ication, tels oscillateurs ultra-stables sont des références fondamentales pour plusieurs objectifs oscillateur local (pour le haut / conversion de fréquence vers le bas, la synchronisation du réseau, de la synthèse de support, etc.)
Phénomènes non linéaires dans les résonateurs WGM ouvrent également de nouveaux horizons de recherche pour d'autres applications, telles que les lasers Raman et Brillouin. Plus généralement, ces phénomènes peuvent être fusionnés dans la perspective plus large de phénomènes non linéaires dans les cavités optiques et guides d'ondes, et c'est un paradigme fécond pour la photonique silicium cristallin ou. Le fort confinement et de très longue durée de vie des photons dans les WGMS en forme de tore offrent également un banc d'essai excellente pour enquêter sur des questions fondamentales en la matière condensée et de la physique quantique. La course au toujours plus grande précision des signaux électromagnétiques contribue également à répondre à des questions par excellence en physique, liés à la relativité (tests d'invariance de Lorentz), ou la mesure des constantes physiques fondamentales d'unend leur possible évolution dans le temps.
Dans cet article, les différentes étapes nécessaires à l'obtention-galerie-mode chuchotement résonateurs optiques cristallins (WGM) sont décrits et leur caractérisation est expliqué. Également présenté est le protocole pour obtenir la fibre conique de haute qualité nécessaire à la lumière laser couple dans ces résonateurs. Enfin, une application phare de ces résonateurs dans le domaine des micro-ondes photonique, à savoir ultra-stable génération de micro-ondes en utilisant Kerr peignes, est présenté et discuté.
Dans la première section, nous détaillons le protocole suivi pour obtenir des ultra-hautes Q WGM résonateurs. Notre méthode repose sur une approche grind et polonais, qui n'est pas sans rappeler les techniques classiques utilisées pour polir les composants optiques tels que des lentilles ou des miroirs de télescope. La deuxième section est consacrée à la caractérisation de la rugosité de surface. Nous utilisons un non-blanc contact profilomètre interférométrique la lumière pour mesurer la surface roughness qui mène à la surface des pertes induites par la diffusion et abaisser ainsi la performance du facteur Q. Cette étape est un test expérimental important d'évaluer la qualité du polissage. La troisième section porte sur la fabrication d'une fibre de silice conique avec un diamètre dans la gamme du micromètre, afin de lancer la lumière dans le résonateur. Pour atteindre ces petits diamètres, nous adoptons la technique "flamme-brossage", en utilisant des moteurs simultanément contrôlés par l'ordinateur pour tirer la fibre à part, et un chalumeau pour chauffer la zone fibre à être effilé 20. Dans la quatrième section, le résonateur et la fibre effilée sont approchés les uns aux autres de visualiser le signal de résonance des modes de galerie à l'aide d'un laser de longueur d'onde de balayage. Nous montrons dans la cinquième section comment, en augmentant la puissance optique dans le résonateur, on arrive à déclencher des phénomènes non linéaires jusqu'à ce que nous observons la formation de Kerr fréquence optique peignes, avec un spectre composé de raies équidistantes. Comme emphasized ci-dessus, ces spectres en peigne Kerr ont des caractéristiques exceptionnelles qui conviennent à plusieurs applications à la fois la science et la technologie 21-23. Nous allons examiner l'une des applications les plus remarquables de résonateurs WGM en démontrant un signal multi-longueur d'onde optique dont la fréquence intermodal est un micro-ondes ultra-stable.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole permet de produire des résonateurs optiques haute-Q, pour coupler la lumière en eux et déclencher des phénomènes non linéaires pour diverses applications photoniques.
La première étape de dégrossissage devrait donner sa forme à résonateur. Après une heure de broyage avec de la poudre abrasive de 10 um, d'un côté de la jante du résonateur doit être idéalement en forme (voir schéma 2). L'étape suivante sera lisser la surface du …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
YCK reconnaît le soutien financier du Conseil européen de la recherche à travers le projet NextPhase (ERC StG 278616). Les auteurs reconnaissent également le soutien du Centre National d'Etudes Spatiales (CNES, France) à travers le SHYRO projet (action R-S10/LN-0001-004/DA R & T: 10.076.201), du projet ANR ORA (Blanchard 031202), et de la région de Franche-Comté, France.
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 |
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