Mikrobølgeovn Photonics Systems Basert på Whispering-gallery-mode Resonators

Summary

Den tilpassede teknikker utviklet i vårt laboratorium for å bygge mikrobølgeovn fotonikk systemer basert på ultra-høye Q Whispering Gallery Mode resonatorer presenteres. Protokollene til å fremskaffe og karakterisere disse resonatorer er detaljert, og en forklaring på noen av sine søknader i mikrobølgeovn fotonikk er gitt.

Abstract

Mikrobølgeovn fotonikk systemer er avhengige fundamentalt på samspillet mellom mikrobølgeovn og optiske signaler. Disse systemene er svært lovende for ulike områder av teknologi og anvendt vitenskap, som luftfart og kommunikasjon engineering, sensing, Justervesenet, ikke-lineær fotonikk, og quantum optikk. I denne artikkelen presenterer vi de viktigste teknikkene som brukes i vårt laboratorium for å bygge mikrobølgeovn fotonikk systemer basert på ultra-høye Q Whispering Gallery Mode resonatorer. Først beskrevet i denne artikkelen er protokollen for resonator polering, som er basert på en slipe-og-polsk teknikk nær de som brukes til å polere optiske komponenter som linser eller teleskop speil. Deretter, et hvitt lys interferometrisk profilometer tiltak overflateruhet, som er en viktig parameter for å karakterisere kvaliteten av polering. For å kunne starte lampen i resonatoren, er en konisk silika fiber med diameter i mikrometer området som benyttes. For å nå en slik liten diameters, har vi adoptert "flamme-børsting" teknikk, bruker samtidig datastyrte motorer å trekke fiber fra hverandre, og en blåselampe for å varme opp fiber område å være konisk. Resonatoren og den koniske fiberen blir senere nærmet til hverandre for å visualisere resonans-signalet fra galleriet Whispering modusene med en bølgelengde-scanning laser. Ved å øke den optiske effekt i resonatoren, ulineære fenomener blir utløst inntil dannelsen av et optisk Kerr frekvens kam er observert med et spektrum laget av ekvidistante spektrallinjer. Disse Kerr kam spektra har eksepsjonelle egenskaper som passer til flere applikasjoner innen vitenskap og teknologi. Vi anser søknaden knyttet til ultra-stabile mikrobølgeovn frekvenssyntese og demonstrere generasjon av en Kerr kam med GHz intermodal frekvens.

Introduction

Whispering Gallery Mode resonatorer er disker eller kuler av mikro-eller millimetric radius ^1,2,3,4. Forutsatt at resonator er nesten perfekt formet (nanometer-størrelse overflateruhet), kan laserlys bli fanget av total intern refleksjon innenfor sine eigenmodes, som vanligvis omtales som hvisking-galleri moduser (WGMs). Deres gratis-spektralområdet (eller intermodal frekvens) kan variere fra GHz til THz avhengig resonator sin radius, mens kvaliteten faktor Q kan være eksepsjonelt høy ^fem, fra ¹⁰ juli til 10 november. På grunn av sin unike egenskapen lagring og bremse ned lys, har WGM optiske resonatorer blitt brukt til å utføre mange optiske signalbehandling oppgaver ^3: filtrering, forsterkning, tid-utsettelse osv. Med kontinuerlig forbedring av fabrikasjon teknologier, deres enestående kvalitet faktorer gjør dem egnet for enda mer krevende program i metrologi eller Quantum-baserte applikasjoner ^6-13.

I disse ultra-høye Q resonatorer, den lille volumet av innesperring, høy foton tetthet og lang foton levetid (proporsjonal med Q) indusere en veldig sterk lys-saken interaksjon, som kan opphisse de ulike WGMs gjennom ulike ikke-lineære effekter, som Kerr, Raman, eller Brillouin for eksempel ^14-19. Ved hjelp av ikke-lineære fenomener i hviskende galleri modus resonatorer ble foreslått som en lovende paradigmeskifte for ultrarent mikrobølgeovn og lightwave generasjon. Det faktum at dette temaet skjærer så mange områder av grunnleggende vitenskap og teknologi er en klar indikator på sin meget sterk mulige innvirkning på et bredt spekter av fagområder. Spesielt luftfart og kommunikasjon engineering teknologier er for tiden i behov av allsidig mikrobølgeovn og lysbølgesignalet med eksepsjonell sammenheng. Den WGM-teknologien har flere fordeler fremfor eksisterende eller andre potensielle metoder: konseptuell enkelhet, higher robusthet, mindre strømforbruk, lengre levetid, immunitet mot forstyrrelser, svært kompakt volum, frekvens allsidighet, enkel chip integrasjon, samt et stort potensial for å integrere hovedstrømmen av standard fotoniske komponenter for både mikrobølgeovn og Lightwave teknologier.

I luftfart engineering, kvarts oscillatorer er overveldende dominerende som viktige mikrobølgeovn kilder for begge navigasjonssystemer (fly, satellitter, romfartøy, osv.) og gjenkjenning systemer (radarer, sensorer, etc.). Det er imidlertid enstemmig anerkjent i dag at frekvensen stabilitet ytelse av kvarts oscillatorer er nå sitt gulv, og vil ikke øke vesentlig lenger. Langs samme linje, er deres frekvens allsidighet begrenset og vil neppe gi rom for ultra-stabile mikrobølgeovn generasjon utover 40 GHz. Mikrobølgeovn fotoniske oscillatorer forventes å overvinne disse begrensningene. På den annen side, i kommunikasjon engineering, mikrobølgeovn fotonic oscillatorer er også ventet å være viktige komponenter i optisk kommunikasjon nettverk hvor de skulle utføre lightwave / mikrobølgeovn konvertering med enestående effektivitet. De er også kompatible med den pågående trenden med kompakte full optiske komponenter i lightwave teknologi, som gjør ultra-rask behandling [opp / ned konvertering, (de) modulasjon, forsterkning, multipleksing, miksing, etc.] uten behov for å manipulere massive (og deretter, langsomt) elektroner. Dette konseptet av kompakte fotoniske kretser der fotoner styrer fotoner via lineære medier som mål å omgå flaskehalsen stammer fra nesten ubegrenset optisk båndbredde versus begrenset optoelektroniske prosessorhastigheten. Optiske kommunikasjonssystemer er også svært krevende for ultra-lave fasestøyfunksjoner mikrobølgeovn for å tilfredsstille både klokkes (lav fase støy tilsvarer lav time-jitter) og båndbredde (bithastigheter øke proporsjonalt med klokkefrekvensen) krav. Faktisk, i høy hastighet kommunication nettverk, slike ultra-stabile oscillatorer er grunnleggende referanser for flere formål (lokal oscillator for opp / ned frekvens konvertering, nettverk synkronisering, carrier syntese, etc.).

Ikke-lineære fenomener i WGM resonatorer også åpne nye horisonter av forskning for andre programmer, for eksempel Raman og Brillouin lasere. Mer generelt kan disse fenomenene slås sammen innenfor den bredere perspektiv av ikke-lineære fenomener i optiske hulrom og bølgeledere, og det er et fruktbart paradigme for krystallinsk eller silisium fotonikk. Den sterke innesperring og svært lang levetid av fotoner inn i torus-lignende WGMs tilbyr også en utmerket test-benken for å undersøke grunnleggende spørsmål i kondensert materie og kvantefysikk. Løpet til stadig økt nøyaktighet i elektromagnetiske signaler bidrar også til å svare på typiske spørsmål i fysikk, knyttet til relativitetsteorien (tester for Lorentz invariance), eller måling av grunnleggende fysiske konstanter ennd deres mulig variasjon med tiden.

I denne artikkelen, er de ulike trinnene som kreves for å oppnå krystallinske optiske hviskende-gallery-mode (WGM) resonatorer beskrevet og deres karakterisering er forklart. Også presentert er protokollen for å oppnå høy kvalitet konisk fiber for å par laserlys inn i disse resonatorer. Endelig er en flaggskip anvendelsen av disse resonatorer innen mikrobølgeovn fotonikk, nemlig ultra-stabil mikrobølgeovn generering ved hjelp av Kerr kammer, presentert og diskutert.

I den første delen, vi detalj protokollen følges for å få ultra-høye Q WGM resonatorer. Vår metode er avhengig av en stresset og polsk tilnærming, som minner til standard teknikker som brukes til å polere optiske komponenter som linser eller teleskop speil. Den andre delen er viet til karakterisering av overflateruhet. Vi bruker en ikke-kontakt hvitt lys interferometrisk profilometer å måle overflatetemperatur roughness som fører til overflaten scattering-induserte tap og derved senke Q-faktoren ytelse. Dette trinnet er et viktig eksperimentell test for å evaluere kvaliteten av polering. Den tredje seksjon er opptatt med fremstillingen en konisk silika fiber med diameter i området mikrometer for å starte lampen i resonatoren. For å nå slike små diametre, har vi adoptert "flamme-børsting" teknikk, bruker samtidig datastyrte motorer å trekke fiber fra hverandre, og en blåselampe for å varme opp fiber område å være konisk ^20. I den fjerde delen, er det resonator og den koniske fiber nærmet seg til hverandre for å visualisere resonans signal av de hviskende galleri modusene ved hjelp av en bølgelengde-scanning laser. Vi viser i den femte seksjon hvordan man ved å øke den optiske effekt i resonatoren, vi klarer å utløse ulineære fenomener til vi observere dannelsen av Kerr optisk frekvens kammer, med et spektrum laget av ekvidistante spektrallinjer. Som emphasized ovenfor, disse Kerr kam spektra har eksepsjonelle egenskaper som egner seg for flere programmer i både vitenskap og teknologi ^21-23. Vi vil vurdere en av de mest bemerkelsesverdige anvendelser av WGM resonatorer ved å demonstrere en optisk flere bølgelengder signal som intermodal frekvens er en ultra-stabil mikrobølgeovn.

Protocol

Protokollen består i fem hovedtrinn: I den første, er den hviskende-gallery-modus resonator laget. For å kunne styre fremdriften av polering av resonatoren, er overflateaktive state målinger som er foretatt. I den tredje fasen, bearbeider det verktøy som vil starte lys i resonatoren. Når disse to viktigste verktøy er produsert, bruker vi dem til å visualisere optiske high-Q resonanser. Til slutt, ved hjelp av en high-strøminntak laserstråle, oppfører resonator i en ikke-lineær måte og Kerr kammer b…

Representative Results

Denne fem-trinns-protokollen gjør det mulig å få WGM resonatorer med svært høy kvalitet faktorer for mikrobølgeovn fotoniske anvendelser. Det første trinnet er å gi til resonatoren den ønskede form, som representert i Skjema 2. Den største vanskeligheten her er å produsere en disk som rim er skarp nok til at det kan sterkt begrense de fangede fotoner, uten å føre til strukturelle skjørhet fra et mekanisk ståsted. Dette polering tårnet besitter også bemerkels…

Discussion

Denne protokollen tillater produksjon av høy-Q optiske resonatorer, til par lys inn i dem og utløse lineære fenomener for ulike mikrobølgeovn fotonikk applikasjoner.

Det første trinnet av grov sliping bør gi sin form til resonator. Etter en time for sliping med 10 mikrometer slipende pulver, bør den ene siden av kanten av resonatoren være beleilig formet (se skjema 2). Følgende trinn vil glatte overflaten av resonatoren, og når de når fasen av en mikromet…

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