Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

Summary

Die angepasste Techniken in unserem Labor entwickelt, um Mikrowelle Photonik Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren bauen werden vorgestellt. Die Protokolle zu erhalten und zu charakterisieren diese Resonatoren sind detailliert, und eine Erklärung von einigen ihrer Anwendungen in Photonik Mikrowelle gegeben ist.

Abstract

Mikrowelle Photonik Systeme stützen sich grundsätzlich auf die Wechselwirkung zwischen Mikrowellen-und optische Signale. Diese Systeme sind äußerst viel versprechend für verschiedene Bereiche der Technik und angewandte Wissenschaft, wie der Luftfahrt-und Kommunikationstechnik, Sensorik, Messtechnik, nichtlineare Photonik und Quantenoptik. In diesem Artikel präsentieren wir Ihnen die wichtigsten Techniken in unserem Labor verwendet werden, um Mikrowellen Photonik-Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren zu bauen. Erste in diesem Artikel beschrieben ist das Protokoll für Resonator Polieren, die auf einem Schleifen-und polnisch-Technik nahe denen, die verwendet werden, um optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel polieren Teleskop basiert. Dann wurde ein weißes Licht interferometrischen Profilometer Maßnahmen Oberflächenrauhigkeit ist die einer der wichtigsten Parameter, um die Qualität der Poliervorrichtung zu charakterisieren. Um Licht in dem Resonator zu starten, wird ein verjüngter Silica-Faser mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich eingesetzt. Um einen solchen kleinen Durchmesser erreichens, nehmen wir die "Flamme-Bürsten"-Technik, mit gleichzeitig computergesteuerte Motoren, um die Faser auseinander zu ziehen und eine Lötlampe, um die Faser zu beheizen verjüngt werden. Der Resonator und der sich verjüngende Faser später aneinander genähert, um das Resonanzsignal der Flüstergangmoden Modi unter Verwendung einer Wellenlänge Laserstrahlabtastung visualisieren. Durch die Erhöhung der optischen Leistung in dem Resonator, nichtlineare Phänomene ausgelöst werden, bis die Bildung eines Kerr optischen Frequenzkamm mit einem Spektrum von äquidistanten Spektrallinien beobachtet wird. Diese Kerr Kamm Spektren haben außergewöhnliche Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technik sind. Wir betrachten die Anwendung im Zusammenhang mit ultra-stabile Mikrowellen-Frequenz-Synthese und demonstrieren die Erzeugung eines Kerr Kamm mit intermodalen GHz Frequenz.

Introduction

Whispering Gallery Mode-Resonatoren sind Scheiben oder Kugeln aus Mikro-oder Millimeterbereich Radius ^1,2,3,4. Vorausgesetzt, dass der Resonator fast perfekt geformte (Nanometer-Größe Oberflächenrauhigkeit) ist, kann Laserlicht durch Totalreflexion innerhalb seiner Eigenmoden, die üblicherweise als Flüstern-Galerie-Modi (WGMs) bezeichnet werden gefangen werden. Ihre freie Spektralbereich (oder intermodale Frequenz) von GHz bis THz je nach Radius des Resonators variieren, während ihre Güte Q als außerordentlich hoch kann ^5, die von ^{7. Oktober} – ^{11. Oktober.} Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaft von Lagerung und Verlangsamung Licht, haben WGM optischen Resonatoren verwendet worden, um viele optische Signalverarbeitung Aufgaben ³ durchzuführen: Filterung, Verstärkung, Zeit-Verzögerung usw. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Fertigungstechnologien, um ihre beispiellose Qualität Faktoren sie für noch anspruchsvollere Anwendung in der Messtechnik oder Quantum-basierte Anwendungen ^6-13.

In diesen ultra-hohen Q-Resonatoren, induzieren das geringe Volumen der Entbindung, hohe Photonen-Dichte und lange Photonenlebensdauer (proportional zu Q) eine sehr starke Licht-Materie-Wechselwirkung, die die verschiedenen WGMs durch verschiedene nichtlineare Effekte können begeistern, wie Kerr, Raman oder Brillouin zum Beispiel ^14-19. Mit nichtlineare Phänomene in Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren wurde als vielversprechender Paradigmenwechsel für ultra-reinen Mikrowelle und Lichtwellenerzeugung vorgeschlagen. Die Tatsache, dass dieses Thema so vielen Bereichen der Grundlagenforschung und Technologie schneidet ist ein klarer Indikator für die sehr starken potenziellen Auswirkungen auf ein breites Spektrum von Disziplinen. Insbesondere sind Luftfahrt-und Nachrichtentechnik Technologien, die derzeit in der Notwendigkeit vielseitiger Mikrowelle und Lichtwellensignals mit außergewöhnlichen Kohärenz. Der WGM-Technologie hat mehrere Vorteile gegenüber bestehenden oder anderen potenziellen Methoden: konzeptionelle Einfachheit höhere Robustheit, geringer Stromverbrauch, lange Lebensdauer, Unempfindlichkeit gegenüber Störungen, sehr kompaktes Volumen, Frequenz Vielseitigkeit, einfache Chip-Integration, sowie ein großes Potenzial für die Integration der Mainstream der Standard photonischen Komponenten sowohl für Mikrowelle und Lichtwelle Technologien.

In Luft-und Raumfahrttechnik, sind Quarz Oszillatoren überwältigend dominant als Schlüssel Mikrowellen-Quellen für beide Navigationssysteme (Flugzeuge, Satelliten, Raumfahrzeuge, etc.) und-Detection-Systeme (Radare, Sensoren, etc.). Es wird jedoch einstimmig heute anerkannt, dass Frequenzstabilität Leistung von Quarz-Oszillatoren an seine Etage und wird nicht wesentlich mehr zu verbessern. Entlang der gleichen Linie, ist ihre Häufigkeit Vielseitigkeit begrenzt und wird kaum für ultra-stabile Mikrowelle Generation über 40 GHz ermöglichen. Mikrowelle photonischen Oszillatoren sollen diese Einschränkungen zu überwinden. Auf der anderen Seite, in der Nachrichtentechnik, Mikrowelle Photonic Oszillatoren werden auch erwartet, dass wichtige Komponenten werden in optischen Kommunikationsnetzwerken, wo sie die Lichtwelle / Mikrowelle Umwandlung mit beispielloser Effizienz durchführen würde. Sie sind auch kompatibel mit dem anhaltenden Trend der kompakten Full-optischen Komponenten in Lichtwelle Technologie, die ultra-schnelle Verarbeitung ermöglichen [up / down Konvertierung (de) Modulation, Verstärkung, Multiplexing, Mischen, etc.], ohne die Notwendigkeit zu manipulieren massiven (und dann langsam) Elektronen. Dieses Konzept der kompakten photonischen Schaltkreisen, wo Photonen steuern Photonen über nichtlineare Medien zielt darauf ab, den Engpass, die aus nahezu unbegrenzte optische Bandbreite gegenüber begrenzten optoelektronischen Verarbeitungsgeschwindigkeit zu umgehen. Optische Kommunikationssysteme sind auch sehr anspruchsvoll für ultra-geringes Phasenrauschen Mikrowellen, um sowohl die Taktung (geringes Phasenrauschen ist äquivalent zu niedrig Zeit-Jitter) und Bandbreite (Bitraten proportional zur Taktfrequenz) erfüllen. In der Tat, in der High-Speed-communication Netzwerke, wie zum Beispiel extrem stabilen Oszillatoren grundlegenden Artikeln für verschiedene Zwecke (lokalen Oszillator zum Aufwärts / Abwärts Frequenzumsetzung Netzwerk-Synchronisations-, Träger-Synthese, etc.).

Nichtlineare Phänomene in WGM-Resonatoren auch neue Horizonte eröffnen der Forschung für andere Anwendungen, wie z. B. Raman-und Brillouin Lasern. Ganz allgemein lassen sich diese Phänomene in der breiteren Perspektive der nichtlineare Phänomene in optischen Resonatoren und Wellenleiter zusammengeführt werden, und es ist eine fruchtbare Paradigma für kristalline Silizium-Photonik oder. Die starke Beschränkung und sehr lange Lebensdauer der Photonen in den torusartigen WGMs bieten auch eine ausgezeichnete Prüfstand zu grundlegenden Fragen in der kondensierten Materie und der Quantenphysik untersuchen. Der Wettlauf um immer höhere Genauigkeit in elektromagnetische Signale trägt auch zur Quintessenz Fragen in der Physik, im Zusammenhang mit Relativitätstheorie (Tests für Lorentzinvarianz) oder die Messung von Naturkonstanten eine Antwortnd ihre mögliche Variation mit der Zeit.

In diesem Artikel werden die verschiedenen Schritte, die zum kristallinen optischen Flüstern-Galerie-Modus (WGM) erhalten Resonatoren beschrieben und deren Charakterisierung erläutert. Ebenfalls vorgestellt wird das Protokoll, um die hohe Qualität verjüngten Faser benötigt paar Laserlicht in dieser Resonatoren zu erhalten. Schließlich ist ein Flaggschiff Anwendung dieser Resonatoren im Bereich der Mikrowellen Photonik, nämlich ultra-stabile Mikrowelle Generation mit Kerr Kämme, vorgestellt und diskutiert.

Im ersten Abschnitt werden wir ausführlich das Protokoll gefolgt, um ultra-hohen Q WGM-Resonatoren zu erhalten. Unsere Methode beruht auf einem Ansatz schleifen und polieren, die erinnert an die Standard-Techniken verwendet, um optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel Teleskop polieren ist. Der zweite Abschnitt ist für die Charakterisierung der Oberflächenrauhigkeit gewidmet. Wir verwenden eine berührungslose weißes Licht interferometrischen Profilometers, um die Oberfläche zu messen roughness die Streuung induzierte Verluste Oberfläche und dadurch den Q-Faktor Performance führt. Dieser Schritt ist ein wichtiger experimentellen Test, um die Qualität des Polierens zu bewerten. Der dritte Abschnitt ist mit der Herstellung eine konische Silica-Faser mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich vorgenommen wird, um Licht in dem Resonator zu starten. Um solch kleinen Durchmessern zu erreichen, nehmen wir die "Flamme-Bürsten"-Technik, mit gleichzeitig computergesteuerte Motoren, um die Faser auseinander zu ziehen und eine Lötlampe, um die Faser Bereich verjüngt werden ²⁰ erhitzen. Im vierten Abschnitt werden der Resonator und die sich verjüngenden Lichtleitfasern zueinander genähert, um das Resonanzsignal der Flüstergangmoden Modi unter Verwendung einer Wellenlänge Laserstrahlabtastung visualisieren. Wir zeigen im fünften Abschnitt, wie durch Erhöhung der optischen Leistung im Resonator, wir nichtlineare Phänomene auslösen, bis wir die Bildung von optischen Kerr Frequenzkämme beobachten zu verwalten, mit einem Spektrum von äquidistanten Spektrallinien. Als emphasized erwähnt, haben diese Kerr Kamm Spektren außergewöhnlichen Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technik ^21-23 sind. Wir werden eine der bemerkenswertesten Anwendungen von WGM-Resonatoren durch den Nachweis eines optischen Multi-Wellenlängen-Signal, dessen Frequenz intermodalen ist ein ultra-stabile Mikrowelle zu betrachten.

Protocol

Das Protokoll besteht aus 5 Phasen: In der ersten, das Flüstern-Galerie-Resonator besteht. Um den Fortschritt des Poliervorgangs des Resonators zu steuern, sind Oberflächenzustand Messungen durchgeführt. In der dritten Stufe herzustellen man das Werkzeug, das Licht in dem Resonator wird gestartet. Sobald diese zwei wichtigsten Instrumente hergestellt werden, nutzen wir sie zu optischen High-Q-Resonanzen zu visualisieren. Schließlich mit einem High-Power-Input Laserstrahl verhält sich der Resonator in einem…

Representative Results

Das Fünf-Schritt-Protokoll ermöglicht, WGM-Resonatoren mit sehr hoher Qualität Faktoren für Mikrowellen photonische Anwendungen zu erhalten. Der erste Schritt zielt darauf ab, mit dem Resonator in die gewünschte Form zu geben, wie in Schema 2 dargestellt. Die größte Schwierigkeit ist hier, um eine Scheibe, deren Rand ist scharf genug, so dass es stark beschränken können die eingefangenen Photonen, ohne dass es zu strukturellen Fragilität von einem mechanischen Stan…

Discussion

Dieses Protokoll ermöglicht die Herstellung qualitativ Q optischen Resonatoren, um Licht in ihnen auslösen und nichtlineare Phänomene für verschiedene Mikrowellen-Photonik-Anwendungen.

Der erste Schritt des Grobschleifen sollte seine Form Resonator ergeben. Nach einer Stunde Mahlen mit 10 um abrasive Pulver sollte einen Seite des Randes des Resonators sich bequem geformt (siehe Schema 2). Im folgenden Schritt wird die Oberfläche glätten des Resonators und bei …

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