Magnetron Fotonica Systemen op basis van Whispering-gallery-mode resonatoren
Summary
De aangepaste technieken ontwikkeld in ons laboratorium om microgolf fotonica systemen te bouwen op basis van ultra-hoge Q fluisteren gallery mode resonatoren worden gepresenteerd. De protocollen voor deze resonatoren te verkrijgen en te karakteriseren zijn gedetailleerd, en een uitleg van een aantal van hun toepassingen in de magnetron fotonica wordt gegeven.
Abstract
Magnetron fotonica systemen zijn gebaseerd fundamenteel op de interactie tussen een magnetron en optische signalen. Deze systemen zijn zeer belovend voor de verschillende gebieden van de technologie en toegepaste wetenschappen, zoals de ruimtevaart en communicatie techniek, sensing, metrologie, niet-lineaire fotonica, en quantum optica. In dit artikel presenteren we de belangrijkste technieken die worden gebruikt in ons lab te magnetron fotonica systemen op basis van ultra-hoge Q fluisteren gallery mode resonatoren bouwen. Eerste beschreven in dit artikel is het protocol voor resonator polijsten, dat is gebaseerd op een grind-en-polish techniek vlakbij degene die gebruikt om optische componenten zoals lenzen of spiegels telescoop polijsten. Vervolgens werd een wit licht interferometrische profilometer maatregelen oppervlakteruwheid, een belangrijke parameter voor de kwaliteit van het polijsten karakteriseren. Om licht in de resonator te lanceren, is een taps toelopende silica vezel met een diameter in de micrometer range gebruikt. Om dergelijke kleine diameter bereikens, we de 'flame-poetsen "-techniek waarbij gelijktijdig computer-gestuurde motoren aan de vezels uit elkaar te trekken, en een brander om de vezel ruimte te verwarmen om taps te nemen. De resonator en de taps toelopende vezels worden later benaderd om elkaar om de resonantie-signaal van de Whispering Gallery modi met een golflengte-scanning laser visualiseren. Door verhoging van het optische vermogen in de resonator, lineaire verschijnselen worden geactiveerd tot de vorming van een Kerr optical frequency comb is waargenomen met een spectrum uit equidistante spectraallijnen. Deze Kerr kam spectra hebben een uitzonderlijke eigenschappen die geschikt zijn voor diverse toepassingen in wetenschap en technologie zijn. We beschouwen de aanvraag betrekking ultrastabiele microgolffrequentie synthese en tonen de vorming van een Kerr kam met intermodale GHz frequentie.
Introduction
Whispering gallery mode resonatoren zijn schijven of bollen van micro-of millimetric straal 1,2,3,4. Op voorwaarde dat de resonator is bijna perfect gevormde (nanometerschaal oppervlakteruwheid), kunnen laserlicht gevangen worden door totale interne reflectie binnen zijn eigenmodes, die meestal worden aangeduid als gefluister-gallery modi (WGMs). Hun vrije-spectrale bereik (of intermodaal frequentie) kan variëren van GHz tot THz afhankelijk van de straal van de resonator's, terwijl hun kwaliteitsfactor Q kan zijn uitzonderlijk hoog 5, variërend van 10 juli – 10 november. Door hun unieke eigenschap van de aanleg van voorraden en het vertragen van licht, hebben WGM optische resonatoren is gebruikt om vele optische signaalverwerking taken 3 uitvoeren: filtering, versterking, tijdvertragende, enz. Met de voortdurende verbetering van fabricage technologieën, hun ongekende kwaliteit factoren geschikt te maken voor nog meer veeleisende toepassing in de metrologie of quantum-gebaseerde applicaties 6-13.
In deze ultra-hoge Q resonatoren, het kleine volume van de bevalling, hoge foton dichtheid, en een lange levensduur foton (evenredig met Q) leiden tot een zeer sterke licht-materie interactie, waarin de diverse WGMs kunnen prikkelen door middel van verschillende niet-lineaire effecten, zoals Kerr, Raman of Brillouin bijvoorbeeld 14-19. Met behulp van niet-lineaire fenomenen in fluisterende gallery mode resonatoren werd voorgesteld als een veelbelovende paradigmaverschuiving voor ultra-pure magnetron en lightwave generatie. Het feit dat dit onderwerp snijdt zoveel gebieden van fundamentele wetenschap en technologie is een duidelijke indicatie van de zeer sterke potentiële impact op een brede waaier van disciplines. In het bijzonder, ruimtevaart-en communicatie-engineering technologieën zijn momenteel behoefte aan veelzijdige magnetron en lightwave signaal met uitzonderlijke coherentie. De WGM-technologie heeft een aantal voordelen ten opzichte van bestaande of andere toekomstige methoden: conceptuele eenvoud, higher robuustheid, kleiner energieverbruik, langere levensduur, immuniteit voor interferenties, zeer compact volume, frequentie veelzijdigheid, eenvoudige chip-integratie, evenals een sterk potentieel voor het integreren van de hoofdstroom van de standaard fotonische componenten voor zowel de magnetron en lightwave technologieën.
In aerospace engineering, kwarts oscillatoren zijn overweldigend dominant als belangrijke magnetron bronnen voor zowel navigatiesystemen (vliegtuigen, satellieten, ruimteschepen, enz.) en detectiesystemen (radars, sensoren, enz.). Echter, zo wordt algemeen erkend vandaag die frequentie stabiliteitsprestaties kwarts oscillatoren nadert zijn bodem, en niet significant meer verbeterd. In dezelfde lijn, wordt de frequentie veelzijdigheid beperkt en zal nauwelijks zorgen voor ultra-stabiele magnetron generatie meer dan 40 GHz. Magnetron fotonische oscillatoren wordt verwacht dat zij deze beperkingen te overwinnen. Anderzijds, in communicatietechniek, magnetron fotonic oscillatoren zijn naar verwachting ook belangrijke componenten in optische communicatie netwerken waar ze de lightwave / magnetron conversie met ongekende efficiëntie zou presteren. Ze zijn ook compatibel met de huidige trend van compacte full-optische componenten in lightwave technologie, die ultra-snelle verwerking mogelijk [omhoog / omlaag conversie, (de) modulatie, amplificatie, multiplexing, mengen etc.] zonder dat massieve manipuleren (en dan, langzaam) elektronen. Dit concept van de compacte fotonische circuits waar fotonen controle fotonen via niet-lineaire media is gericht op het knelpunt afkomstig van vrijwel onbeperkte optische bandbreedte versus beperkte opto verwerkingssnelheid omzeilen. Optische communicatie systemen zijn ook zeer veeleisend voor ultra-lage fase ruis microgolven om te voldoen aan zowel de klokken (lage fase ruis is gelijk aan lage tijd-jitter) en de bandbreedte (bit-rates proportioneel toenemen om de klokfrequentie) eisen. In feite, in high-speed communicatie netwerken, zoals ultrastabiele oscillatoren zijn fundamenteel gevonden voor verschillende doeleinden (lokale oscillator voor omhoog / omlaag frequentieomzetting, netwerksynchronisatie, drager synthese, enz.).
Lineaire fenomenen in WGM resonatoren ook nieuwe horizonten van het onderzoek te openen voor andere toepassingen, zoals Raman en Brillouin lasers. Meer in het algemeen kunnen deze verschijnselen worden samengevoegd in het bredere perspectief van lineaire fenomenen in optische holten en golfgeleiders, en het is een vruchtbaar paradigma voor kristallijn of silicium fotonica. De sterke opsluiting en zeer lange levensduur van fotonen in de torusachtige WGMs bieden ook een uitstekende test-bench om fundamentele kwesties te onderzoeken in gecondenseerde materie en kwantumfysica. De race naar steeds grotere nauwkeurigheid in elektromagnetische signalen draagt ook bij aan typische vragen in de natuurkunde, in verband met de relativiteitstheorie (tests voor Lorentz invariantie), of het meten van de fundamentele fysische constanten een antwoordnd hun mogelijke variatie met de tijd.
In dit artikel worden de verschillende stappen die nodig zijn om kristallijn optische fluisteren-gallery-mode (WGM) resonatoren verkrijgen beschreven en hun karakterisering wordt uitgelegd. Presenteerde ook is het protocol om de hoge kwaliteit conische glasvezel die nodig is om paar laserlicht in deze resonatoren te verkrijgen. Tenslotte wordt een vlaggeschip van deze resonatoren op het gebied van microgolf fotonica, namelijk ultrastabiele generatie magnetron met Kerr kammen, gepresenteerd en besproken.
In het eerste deel, we detail het protocol gevolgd om ultra-hoge Q WGM resonatoren te verkrijgen. Onze methode is gebaseerd op een grind-en polish benadering, die doet denken aan de standaard technieken die gebruikt worden om optische componenten zoals lenzen of telescoop spiegels polijsten. Het tweede deel is gewijd aan de karakterisering van de oppervlakteruwheid. We maken gebruik van een non-contact wit licht interferometrische profilometer naar de oppervlakte te meten roughness wat leidt tot verstrooiing voortvloeiende verliezen oppervlak en daarmee de prestaties factor Q verlagen. Deze stap is belangrijk experimentele test de kwaliteit van het polijsten evalueren. Het derde deel heeft betrekking op de fabricage een tapse silica vezel met een diameter in het micrometer om licht in de resonator te starten. Om dergelijke kleine diameters bereiken we de 'flame-poetsen "-techniek waarbij gelijktijdig computer-gestuurde motoren aan de vezels uit elkaar te trekken, en een brander om de vezel gebied te zijn taps 20 warmte vast. In het vierde deel, de resonator en de taps toelopende vezels worden benaderd om elkaar om de resonantie-signaal van de Whispering Gallery modi met een golflengte-scanning laser visualiseren. We zien in het vijfde hoofdstuk hoe, door het verhogen van de optische macht in de resonator, slagen we erin om niet-lineaire fenomenen leiden tot we bestudeer de vorming van Kerr optische frequentie kammen, met een spectrum gemaakt van equidistante spectraallijnen. Als eboven mphasized, deze Kerr kam spectra hebben een uitzonderlijke eigenschappen die geschikt zijn voor verschillende toepassingen in zowel wetenschap en technologie 21-23 zijn. We zullen een van de meest opmerkelijke toepassingen van WGM resonatoren door aan te tonen een optische multi-golflengte signaal waarvan de intermodale frequentie is een ultra-stabiele magnetron.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol maakt het produceren van high-Q optische resonatoren, te koppelen licht in hen en leiden tot niet-lineaire fenomenen van verschillende microgolf fotonica toepassingen.
De eerste stap van ruwe slijpen moet zijn vorm te geven aan resonator. Na een uur vermalen met 10 urn schuurmiddel moet een zijde van de rand van de resonator gemakkelijk worden gevormd (zie Schema 2). De volgende stap is het oppervlak van de resonator glad en bij het bereiken van het sta…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
YCK erkent financiële steun van de Europese Raad voor Onderzoek door middel van het project NextPhase (ERC StG 278.616). Auteurs erkennen ook de steun van het Centre National d'Etudes Spatiales (CNES, Frankrijk) door de Project SHYRO (Actie R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201), van het ANR project ORA (BLAN 031.202), en van de Regio de Franche-Comte, Frankrijk.
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 |
Riferimenti
- Oraevsky, A. N. Whispering-gallery waves. Quantum Electronics. 32, 377-400 (2002).
- Matsko, A. B., Ilchenko, V. S. Optical Resonators With Whispering-Gallery Modes-Part I: Basics. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 3-14 (2006).
- Ilchenko, V. S., Matsko, A. B. Optical Resonators With Whispering-Gallery Modes-Part II: Applications. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 15-32 (2006).
- Maker, A. J., Armani, A. M. Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators. J. Vis. Exp. (65), e4164 (2012).
- Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Maleki, L. Optical resonators with ten million finesse. Optics Express. 15, 6768-6773 (2007).
- Sprenger, B., Schwefel, H. G. L., Lu, Z. H., Svitlov, S., Wang, L. J. CaF2 whispering-gallery-mode-resonator stabilized-narrow-linewidth laser. Optics Letters. 35, 2870-2872 (2010).
- Vahala, K. . Optical Microcavities. , (2004).
- Matsko, A. B., Savchenkov, A. A., Yu, N., Maleki, L. Whispering-gallery-mode resonators as frequency references. I. Fundamental limitations. J. Opt. Soc. Am. B. 24, 1324-1335 (2007).
- Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Yu, N. Whispering-gallery mode resonators as frequency references. II. Stabilization. J. Opt. Soc. Am. B. 24, 2988-2997 (2007).
- Chembo, Y. K., Baumgartel, L. M., Yu, N. Toward whispering-gallery mode disk resonators for metrological applications. SPIE Newsroom. , (2012).
- Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature. 421, 925-929 (2003).
- Hofer, J., Schliesser, A., Kippenberg, T. J. Cavity optomechanics with ultrahigh-Q crystalline microresonators. Phys. Rev. A. 82, 031804 (2010).
- Fürst, J. U., Strekalov, D. V., Elser, D., Aiello, A., Andersen, U. L., Marquardt, C. h., Leuchs, G. Quantum Light from a Whispering-Gallery-Mode Disk Resonator. Phys. Rev. Lett. 106, 113901-1-113901-4 (2011).
- Del’Haye, P., Schliesser, A., Arcizet, O., Wilken, T., Holzwarth, R., Kippenberg, T. J. Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator. Nature. 450, 1214-1217 (2007).
- Kippenberg, T. J., Holzwarth, R., Diddams, S. A. Microresonator-Based Optical Frequency Combs. Science. 322, 555-559 (2011).
- Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature. 415, 621-623 (2002).
- Liang, W., Ilchenko, V. S., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Seidel, D., Maleki, L. Passively Mode-Locked Raman Laser. Phys. Rev. Lett. 154, 143903-1-143903-4 (2010).
- Grudinin, I. S., Matsko, A., Maleki, L. Brillouin lasing with a CaF2 whispering gallery mode resonator. Phys. Rev. Lett. 102, 043902-1-043902-4 (2009).
- Werner, C. S., Beckmann, T., Buse, K., Breunig, I. Blue-pumped whispering gallery optical parametric oscillator. Optics Letters. 37, 4224-4226 (2012).
- Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. Phase-matched excitation of whispering gallery-mode resonances by a fiber taper. Opt. Lett. 22, 1129-1131 (1997).
- Chembo, Y. K., Yu, N. Modal expansion approach to optical-frequency-comb generation with monolithic whispering-gallery-mode resonators. Phys. Rev. A. 82, 033801-1-033801-18 (2010).
- Chembo, Y. K., Strekalov, D. V., Yu, N. Spectrum and Dynamics of Optical Frequency Combs Generated with Monolithic Whispering Gallery Mode Resonators. Phys. Rev. Lett. 104, 103902-1-103902-4 (2010).
- Chembo, Y. K., Yu, N. On the generation of octave-spanning optical frequency combs using monolithic whispering-gallery-mode microresonators. Opt. Lett. 35, 2696-2698 (2010).
- Brown, N. J. Optical fabrication. Report MISC 4476 1LLNL. , (1990).
- Strekalov, D. V., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Yu, N. Efficient upconversion of subterahertz radiation in a high-Q whispering gallery resonator. Optics Letters. 34, 713-715 (2009).
- Dumeige, Y., Trebaol, S., Ghisa, L., Ngan Nguyen, T. K., Tavernier, H., Feron, P. Determination of coupling regime of high-Q resonators and optical gain of highly selective amplifiers. J. Opt. Soc. Am. B. 12, 2073-2080 (2008).
- Gorodetsky, M. L., Ilchenko, V. S. Optical microsphere resonators: optimal coupling to high-Q whispering-gallery modes. J. Opt. Soc. Am. B. 16, 147-154 (1999).
- Ilchenko, V. S., Yao, X. S., Maleki, L. Pigtailing the high-Q microsphere cavity: a simple fiber coupler for optical whispering-gallery modes. Opt. Let. 24, 723-725 (1999).
- Del’Haye, P., Arcizet, O., Schliesser, A., Holzwarth, R. Kippenberg T.J. Full stabilization of a microresonator frequency comb. Phys. Rev. Let. 101, 053903 (2008).
