Mikrovågsfotonik Systems Baserat på Whispering-gallery-läge resonatorer

Summary

De anpassade tekniker som utvecklats i vårt labb för att bygga mikrovågsfotonik system baserat på ultra-höga Q VISKGALLERI läge resonatorer presenteras. De protokoll för att erhålla och karakterisera dessa resonatorer är detaljerade, och en förklaring av några av deras ansökningar i mikrovågsugn fotonik ges.

Abstract

Mikrovågsfotonik system förlitar sig fundamentalt på samspelet mellan mikro-och optiska signaler. Dessa system är mycket lovande för olika teknikområden och tillämpad vetenskap, såsom flyg-och kommunikationsteknik, avkänning, metrologi, olinjära fotonik, och kvantoptik. I den här artikeln presenterar vi de viktigaste teknikerna som används i vårt laboratorium för att bygga mikrovågsfotonik system baserade på ultra-höga Q VISKGALLERI läge resonatorer. Först beskrivs i den här artikeln är det protokoll för resonatorn polering, som bygger på en grind-och-polish teknik nära de som används för att polera optiska komponenter såsom linser eller speglar teleskop. Sedan, ett vitt ljus interferometrisk profilometer åtgärder ytråhet, som är en viktig parameter för att karakterisera kvaliteten på polering. I syfte att inleda ljus i resonatorn, är en avsmalnande kiseldioxidfiber med diameter i mikrometerområdet användas. För att nå en sådan liten diameters, antar vi att "flame-borstning" teknik med användning samtidigt datorstyrda motorer att dra fibern isär, och en blåslampa för att värma fibern området vara avsmalnande. Resonatorn och den avsmalnande fibern senare närmade till varandra för att visualisera resonanssignalen av de VISKGALLERI lägen med en våglängd-scanning laser. Genom att öka den optiska effekten i resonatorn, ickelinjära fenomen utlöses tills bildningen av en Kerr optisk frekvenskamstekniken observeras med ett spektrum gjord av ekvidistanta spektrallinjer. Dessa Kerr kam spektra har exceptionella egenskaper som lämpar sig för flera olika tillämpningar inom vetenskap och teknik. Vi anser att ansökan avser ultrastabil mikrovågsfrekvensen syntes och demonstrera generering av en Kerr kam med GHz intermodala frekvens.

Introduction

VISKGALLERI läge resonatorer är skivor eller sfärer av mikro-eller millimeterprecision radie ^1,2,3,4. Förutsatt att resonatorn är nästan perfekt formad (nanometer-storlek ytjämnhet), kan laserljus fångas av total inre reflektion inom dess egenmoder, som vanligtvis hänvisas till som viska-gallery lägen (WGMS). Deras fria spektralområdet (eller intermodal frekvens) kan variera från GHz till THz beroende på resonatorn radie, medan deras kvalitetsfaktor Q kan vara exceptionellt hög ^5, från ¹⁰ juli-10 november. Tack vare sin unika egenskap av lageruppbyggnad och bromsa ljus, har WGM optiska resonatorer använts för att utföra många optiska uppgifter signalbehandling ^3: filtrering, förstärkning, tidsfördröjande osv. Med den kontinuerliga förbättringen av tillverkning teknik, deras oöverträffade kvalitetsfaktorer gör dem lämpliga för ännu mer krävande tillämpning inom mätteknik eller quantum-baserade applikationer ^6-13.

I dessa extremt höga Q-resonatorer, den lilla volymen av instängdhet, hög fotondensiteten, och långa fotonen livslängd (proportionell mot Q) inducerar en mycket stark ljus-materia växelverkan, som kan uppväcka de olika WGMS genom olika icke-linjära effekter, liksom Kerr, Raman, eller Brillouin exempelvis ^14-19. Använda ickelinjära fenomen i viskande resonatorer galleri läge föreslogs som en lovande paradigmskifte för ultrarent mikrovågsugn och lightwave generation. Det faktum att detta ämne skär så många områden av grundläggande vetenskap och teknik är en tydlig indikator på sitt mycket starka potentiella effekter på ett brett spektrum av discipliner. I synnerhet, flyg-och kommunikations teknik teknik är för närvarande i behov av mångsidig mikrovågsugn och Ijusvågssignalen med enastående sammanhållning. Den WGM tekniken har flera fördelar jämfört med befintliga eller annan blivande metoder: konceptuell enkelhet, higher robusthet, mindre strömförbrukning, längre livslängd, immunitet mot störningar, mycket kompakt volym, frekvens mångsidighet, enkel chip integration, samt en stark potential för integrering huvudfåra vanliga fotoniska komponenter för både mikrovågsugn och lightwave teknik.

I flygteknik, Kvartsoscillatorer är helt dominerande som viktiga mikrovågskällor för både navigationssystem (flygplan, satelliter, rymdfarkoster, etc.) och detektionssystem (radar, sensorer, etc.). Det är dock enhälligt erkänt idag att frekvensstabilitet prestanda Kvartsoscillatorer når sin våning, och kommer inte att förbättras betydligt längre. Längs samma linje, är deras frekvens mångsidighet begränsad och kommer knappast möjligt för ultra-stabil mikrovågsugn generation än 40 GHz. Mikrovågsfotoniksystem oscillatorer förväntas övervinna dessa begränsningar. Å andra sidan, i kommunikation Engineering, mikrovågsugn fotonenic oscillatorer förväntas också vara viktiga komponenter i optiska kommunikationsnät där de skulle utföra ljusvågen / micro konvertering med oöverträffad effektivitet. De är också kompatibla med den pågående trenden med kompakta full optiska komponenter i lightwave teknik, som möjliggör ultrasnabb behandling [upp / ned konvertering, (de) modulering, förstärkning, multiplexing, mixning, etc] utan att manipulera massiva (och sedan, långsamt) elektroner. Detta koncept av kompakta fotonikkretsar där fotoner styr fotoner via ickelinjära media syftar till att kringgå flaskhalsen kommer från praktiskt taget obegränsad optisk bandbredd kontra begränsad optoelektroniska processorhastighet. Optiska kommunikationssystem är också mycket krävande för ultra-låga mikrovågor fas buller för att uppfylla både klockning (lågt fasbrus motsvarar låg tid-jitter) och bandbredd (bithastigheter ökar proportionellt med klockfrekvens) krav. I själva verket, i hög hastighet communblue nätverk, sådana ultra-stabila oscillatorer är grundläggande referenser för flera ändamål (lokaloscillator för upp / ner frekvensomvandling, nätverk, bärvågsfas syntes, etc.).

Ickelinjära fenomen i WGM resonatorer också öppna nya horisonter av forskning för andra tillämpningar, såsom Raman och Brillouin lasrar. Mer allmänt kan dessa fenomen slås samman i ett bredare perspektiv av icke-linjära fenomen i optiska hålrum och vågledare, och det är en givande paradigm för kristallint eller kisel fotonik. Den starka instängdhet och mycket lång livslängd fotoner in i torusliknande WGMS erbjuder också en utmärkt testbänk för att undersöka grundläggande frågor i kondenserad materia och kvantfysik. Loppet till ständigt ökade noggrannhet i elektromagnetiska signaler bidrar också till att besvara kvintessensen frågor i fysik, relaterade till relativitetsteorin (tester för Lorentz invarians), eller mätning av fundamentala fysikaliska konstanter and deras möjliga variation med tiden.

I den här artikeln, är de olika steg som krävs för att erhålla kristallina optiska viskande-gallery-läge (WGM) resonatorer beskrivs och deras karakterisering förklaras. Dessutom presenteras är protokollet för att erhålla den höga kvaliteten avsmalnande fiber som behövs för att par laserljus in i dessa resonatorer. Slutligen är ett flaggskepp tillämpning av dessa resonatorer inom mikro fotonik, nämligen ultrastabil mikrovågsugn generation med Kerr kammar, presenteras och diskuteras.

I det första avsnittet, vi detalj det protokoll följas för att erhålla extremt höga Q WGM resonatorer. Vår metod bygger på en slipa och polera synsätt, vilket påminner de vanliga tekniker som används för att polera optiska komponenter såsom linser eller speglar teleskop. Den andra delen ägnas åt karakterisering av ytfinhet. Vi använder en icke-kontakt vitt ljus interferometrisk profilometer att mäta ytan roughness vilket leder till yt-scattering-inducerade förluster och därigenom sänka Q-faktor prestanda. Detta steg är ett viktigt experimentellt test för att utvärdera kvaliteten på polering. Den tredje delen avser framställningen en avsmalnande kiseldioxidfiber med diameter i mikrometerområdet i syfte att inleda ljus i resonatorn. För att nå så små diametrar, antar vi att "flame-borstning" teknik med användning samtidigt datorstyrda motorer att dra fibern isär, och en blåslampa för att värma fibern området vara avsmalnande ^20. I det fjärde avsnittet, är resonatorn och den avsmalnande fibern närmade till varandra för att visualisera resonanssignalen av de VISKGALLERI lägen med en våglängd-scanning laser. Vi visar i det femte avsnittet hur, genom att öka den optiska effekten i resonatorn, vi lyckas utlösa ickelinjära fenomen tills vi observera bildandet av Kerr optisk frekvens kammar, med ett spektrum som görs av ekvidistanta spektrallinjer. Eftersom emphasized ovan, dessa Kerr kam spektra har exceptionella egenskaper som lämpar sig för flera olika tillämpningar inom både vetenskap och teknik ^21-23. Vi kommer att överväga en av de mest anmärkningsvärda tillämpningar av WGM resonatorer genom att visa en optisk multi-våglängd signal vars intermodala frekvens är en ultra-stabil mikrovågsugn.

Protocol

Protokollet består av fem huvudsakliga faser: I den första, den viskande-gallery-mode resonator gjort. För att styra utvecklingen av polering av resonatorn, är yttillstånd mätningar genomförts. I det tredje steget, fabricera vi det verktyg som kommer att lansera ljuset i resonatorn. När dessa två verktyg har tillverkats, använder vi dem för att visualisera optiska high-Q resonanser. Slutligen, med hjälp av en hög-power beam input laser, beter resonatorn på ett icke-linjärt sätt och Kerr kammar p…

Representative Results

Detta fem steg protokollet möjliggör att erhålla WGM resonatorer med mycket höga kvalitetskrav för mikrovågsfotoniksystem applikationer. Det första steget syftar till att ge till resonatorn den önskade formen, såsom representeras på schema 2. Den största svårigheten här är att tillverka en skiva vars fälg är vass nog så att det kan starkt begränsa de fångade fotoner, utan att leda till strukturella bräcklighet ur mekanisk synpunkt. Denna polering torn bes…

Discussion

Detta protokoll möjliggör produktion av hög-Q optiska resonatorer, att par ljus i dem och utlösa ickelinjära fenomen för olika mikrovågsfotonik applikationer.

Det första steget av grovslipning bör ge sin form för att resonatorn. Efter en timme av slipning med den 10 | im slipmedel bör en sida av fälgen hos resonatorn vara enkelt formade (se Schema 2). Följande steg kommer att jämna till ytan av resonatorn och när den nått skedet av 1 ^ m diameter sli…

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