ウィスパリングギャラリーモード共振器に基づいたマイクロ波フォトニクスシステム

Summary

超高Qささやきギャラリーモード共振器に基づいて、マイクロ波フォトニクスシステムを構築するために私たちの研究室で開発されたカスタマイズされた技術が提示される。これらの共振器を取得し、特徴付けるためのプロトコルが詳述されており、マイクロ波フォトニクスでのアプリケーションのいくつかの説明が与えられている。

Abstract

マイクロ波フォトニクスシステムは、マイクロ波と光信号間の相互作用に根本的に依存しています。これらのシステムは、非常に、航空宇宙および通信工学、センシング、計測、非線形フォトニクス、量子光学などの技術と応用科学の様々な分野、のために有望である。本稿では、超高Qささやきギャラリーモード共振器に基づいて、マイクロ波フォトニクスシステムを構築するために私たちの研究室で使用される主要な手法を提示する。この記事の最初の詳細な近いようなレンズや望遠鏡のミラーなどの光学部品の研磨に使用されるものにグラインドアンド磨く技術に基づいている共振器を研磨するためのプロトコルです。研磨の品質を特徴付ける重要なパラメータであり、その後、白色光干渉プロフィルを測定する表面粗。共振器内の光を送出するために、マイクロメートルの範囲の直径を有するテーパ状シリカ繊維が使用される。このような小さな直径に到達するS、我々は離れて繊維を引っ張って同時にコンピュータ制御モーターを使用して、 "難ブラッシング"技術と、テーパ状に繊維の領域を加熱するトーチを採用。共振器およびテーパファイバは、後述波長スキャンレーザーを用いたささやきの回廊モードの共鳴信号を可視化するために互いに接近している。カー光周波数コムの形成は、等距離スペクトル線からなるスペクトルが観察されるまで共振器内の光パワーを増加させることにより、非線形現象がトリガされる。これらのカー櫛スペクトルは、科学技術のいくつかのアプリケーションに適しています非常に優れた特性を持っています。私たちは、超安定マイクロ波周波数合成に関連するアプリケーションを検討し、GHzのインターモーダル周波数を持つカー櫛の生成を実証する。

Introduction

ウィスパリングギャラリーモード共振器は、マイクロまたはミリ半径^1,2,3,4のディスクや球である。共振器（ナノサイズの表面粗さ）は、ほぼ完璧な形であることが設けられ、レーザ光は、通常、ウィスパリングギャラリーモード（WGMs）と呼ばれ、その固有モード内で全内部反射によって捕捉することができる。 10 ^11から5非常に高くなることがありますQ、その品質係数ながら自由スペクトル範囲（またはインターモーダル周波数）10 ⁷に至るまで、共振器の半径に応じてGHz帯からテラヘルツに変えることができます。フィルタリング、増幅、時間遅延させる、 など ：備蓄の独自のプロパティに光を減速により、WGM光共振器は、多くの光信号処理タスク^3を実行するために使用されている。製造技術の継続的な改善により、彼らの前例のない品質係数は、計測またはクオンツでもより厳しいアプリケーションに適して作るUMベースのアプリケーション^6-13。

これらの超高Q共振器では、閉じ込めの小さい容積、高い光子密度、長い光子寿命は（Qに比例）、カーのように、様々な非線形効果を通してさまざまなWGMsを励起することが非常に強い光と物質の相互作用を誘発例^14-19のためのラマン、またはブリルアン。ギャラリーモード共振器をささやくの非線形現象を使用すると、超高純度のマイクロ波と光波の生成のための有望なパラダイムシフトとして提案された。このトピックでは、基本的な科学技術の多くの分野と交差するという事実は、専門分野の広い範囲で、非常に強力な潜在的な影響の明確な指標である。具体的には、航空宇宙、通信工学技術は汎用性が、電子レンジと非常に優れた一貫性と光波信号の必要性に現在ある。 WGM技術は、既存または将来の他の方法に勝るいくつかの利点を有する：概念的な単純さ、時間igher堅牢性、小さい消費電力、長寿命、干渉に対する耐性、非常にコンパクトなボリューム、周波数の汎用性、容易なチップの統合だけでなく、電子レンジ、光波技術の両方のための標準的なフォトニック部品の主流に統合するための強力な可能性。

航空宇宙工学において、水晶振動子は、ナビゲーションシステム（飛行機、衛星、宇宙船など ）と検出系（レーダー、センサーなど ）の両方の主要なマイクロ波源として圧倒的である。しかし、全会一致で水晶振動子の周波数安定性能は、その階に到達していることを今日認識され、大幅にもう改善されません。同じ線に沿って、その頻度の汎用性が限られており、ほとんどは40GHzを超え、超安定したマイクロ波発生を可能にしません。マイクロ波フォトニック発振器は、これらの制限を克服することが期待される。一方、通信工学、マイクロ波光子IC発振器はまた、彼らは前例のない効率で光波/マイクロ波変換を実行することになり、光通信ネットワークにおいて重要なコンポーネントであると予想される。彼らは大規模な操作を必要とせず、また超高速処理を可能にする光波技術のコンパクトなフル光学部品の継続傾向、[アップ/ダウンコンバージョン、（デ）変調、増幅、多重化、ミキシングなど ]と互換性があります（その後、遅く）電子。光子は非線形メディアを経由して、光子を制御するコンパクトフォトニック回路のこの概念は、制限された光電子処理速度に対する事実上無制限の光帯域幅から発信ボトルネックを回避することを目指しています。光通信システムはまた、非常にクロッキング（低位相雑音が時間ジッタが低いと等価）と帯域幅（ビットレートクロック周波数に比例して増加）両方の要件を満たすために、超低位相雑音マイクロ波に対して要求している。実際には、高速でCOMMUNicationネットワークは、このような超安定発振器はいくつかの目的（アップ/ダウン周波数変換、ネットワークの同期、キャリア合成等の局部発振器）のための基本的な参照です。

WGM共振器における非線形現象はまた、ラマンおよびブリルアンレーザーなどの他のアプリケーションのための研究の新たな地平を開く。より一般的には、これらの現象は、光共振器と導波路における非線形現象の広い視野内にマージされ、それは結晶シリコンフォトニクスのために有益なパラダイムであることができる。トーラスのようWGMsに光子の強い閉じ込めと非常に長い寿命も凝縮物質や量子物理学の根本的な問題を調査するための優れたテストベンチを提供しています。電磁信号で、これまで増加した精度のレースも相対性理論（ローレンツ不変性のテスト）、または基本的な物理定数の測定に関連して、物理学の典型的な質問に答えるために貢献ND時間とともにそれらの可能なバリエーション。

この記事では、結晶光学ウィスパリングギャラリーモード（WGM）共振器を得るために必要な様々なステップが記載されており、それらの特性評価について説明する。また、提示され、これらの共振器に結合レーザー光に必要な高品質テーパー繊維を得るためのプロトコルです。最後に、マイクロ波フォトニクス、カー櫛を使用して、すなわち、超安定したマイクロ波発生の分野でこれらの共振器の主力アプリケーションを提示し、議論されています。

最初のセクションでは、詳細プロトコルは、超高Q共振器WGMを得るために行った。我々の手法は、このようなレンズや望遠鏡のミラーなどの光学部品の研磨に使用される標準的な技術に彷彿とさせるグラインドと磨くアプローチに依存しています。第二セクションは、表面粗さの特性評価に専念しています。私たちは、表面を測定する非接触の白色光干渉プロフィルを使用するR散乱損失を誘起し、それによって表面Qファクタ性能を低下につながるoughness。このステップは、研磨の品質を評価するための重要な実験的試験である。第三節は、共振器内の光を送出するために、製造にマイクロメートルの範囲の直径を持つテーパーシリカ繊維を懸念している。このような小さな直径に到達するために、我々は離れて繊維を引っ張ると同時に、コンピュータ制御されたモータを使用して、 "難ブラッシング"技法、および²⁰テーパ状にファイバ領域を加熱するトーチを採用する。 4番目のセクションでは、共振器とテーパファイバは、波長走査レーザを用いたささやきの回廊モードの共鳴信号を可視化するために互いに接近している。私たちは、等距離スペクトル線で作られたスペクトルと、共振器内の光パワーを増加させることにより、我々はカー光周波数コムの形成を観察するまで、非線形現象をトリガーするために管理する方法、第五節で示す。 eと上記mphasized、これらのカー櫛スペクトルは、科学技術^21-23の両方でいくつかのアプリケーションに適しています非常に優れた特性を持っています。我々は、そのモーダル周波数の超安定した波である光多波長信号を示すことによってWGM共振器の最も注目すべきアプリケーションのいずれかを検討していきます。

Protocol

作られる最初のもので、ウィスパリングギャラリーモード共振器：プロトコルは、5つの主要な段階で構成されています。共振器の研磨の進行を制御するために、表面状態の測定が行われる。第三段階では、共振器内の光を起動するツールを製作。これら二つの主要なツールは、製造されていたら、我々は光学高Q共振を視覚化するためにそれらを使用しています。最後に、共振器が非?…

Representative Results

この5つのステッププロトコルは、マイクロ波フォトニックアプリケーションのための非常に高い品質因子とWGM共振器を得ることができる。 スキーム2に表されるように、最初のステップでは、共振器に所望の形状を与えることを目指しています。ここでの主な困難は、機械的な観点からの構造的脆弱性を招くことなく、その縁が強く閉じ込められた光子を閉…

Discussion

このプロトコルは、それらに光を結合し、高Q光共振器を生産することができ、様々なマイクロ波フォトニクスアプリケーション用の非線形現象を誘発する。

粗研削の最初のステップは、共振器にその形状を与える必要があります。 10μmの砥粒粉と粉砕時間後、共振器のリムの片側が（ スキーム2参照）便利な形でなければなりません。次のステップで…

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