Mikroovn Photonics Systems Baseret på Whispering-galleri-mode Resonators

Summary

Den tilpassede teknikker udviklet i vores laboratorium til at bygge mikroovn fotonik systemer baseret på ultra-høj Q hviskegallerimodus tilstand resonatorer præsenteres. De protokoller for at opnå og karakterisere disse resonatorer er detaljerede, og en forklaring på nogle af deres ansøgninger i mikrobølge fotonik er givet.

Abstract

Mikroovn fotonik systemer er baseret fundamentalt på samspillet mellem mikrobølge og optiske signaler. Disse systemer er ekstremt lovende for forskellige områder af teknologi og anvendt videnskab, såsom rumfart og kommunikation engineering, sensing, metrologi, lineær fotonik og kvanteoptik. I denne artikel præsenterer vi de vigtigste teknikker, der anvendes i vores laboratorium til at bygge mikroovn fotonik systemer baseret på ultra-høj Q hviskegallerimodus tilstand resonatorer. Først beskrevet i denne artikel er protokollen for resonator polering, som er baseret på en formaling og-polish teknik tæt på dem, der anvendes til at polere optiske komponenter såsom linser eller teleskop spejle. Derefter et hvidt lys interferometrisk profilometer foranstaltninger overfladeruhed, hvilket er en vigtig parameter til at karakterisere kvaliteten af ​​polering. For at starte lys i resonator er en tilspidset silica fiber med en diameter på mikrometerområdet brugt. For at nå en sådan lille diameters, vi anvender "flamme-børstning"-teknik under anvendelse samtidigt computerstyrede motorer til at trække fiberen fra hinanden, og en blæselampe at opvarme fiberen område at være tilspidset. Resonator og den tilspidsede fiber er senere nærmede til hinanden for at visualisere resonanssignal af hviskegallerimodus tilstande med en bølgelængde-scanning laser. Ved at øge den optiske effekt i resonator, lineære fænomener udløses indtil dannelsen af ​​en Kerr optisk frekvens kam er observeret med et spektrum lavet af ækvidistante spektrallinier. Disse Kerr kam spektre har særlige karakteristika, der er egnede til flere ansøgninger inden for videnskab og teknologi. Vi mener, at ansøgningen vedrører ultrastabil mikrobølge frekvenssyntese og demonstrere dannelsen af ​​et Kerr kam med GHz intermodal frekvens.

Introduction

Hviskegallerimodus tilstand resonatorer er diske eller sfærer mikro-eller millimeter radius ^1,2,3,4. Forudsat at resonator er næsten perfekt formede (nanometer-størrelse overfladeruhed) kan laserlys blive fanget af total indre refleksion inden for sine egensvingningsformer, der normalt omtales som hvisker-galleri tilstande (WGMs). Deres gratis-spektralområde (eller intermodal frekvens) kan variere fra GHz til THz afhængig af resonator radius, mens deres kvalitet faktor Q kan være usædvanlig høj ^5, der spænder fra ¹⁰ juli-10 november. På grund af deres unikke egenskab lageropbygning og bremse lys, har WGM optiske resonatorer blevet brugt til at udføre mange optiske signalbehandling opgaver ^3: filtrering, forstærkning, tid-forsinke osv. Med den løbende forbedring af fabrikation teknologier gøre deres hidtil uset kvalitet faktorer dem egnede til endnu mere krævende ansøgning metrologi eller Quantum-baserede applikationer ^6-13.

I disse ultra-høj Q resonatorer, inducere lille mængde indespærring, høj foton tæthed og lang foton levetid (proportional med Q) en meget stærk lys-stof interaktion, hvilket kan vække de forskellige WGMs gennem forskellige ikke-lineære effekter, ligesom Kerr, Raman, eller Brillouin for eksempel ^14-19. Brug ikke-lineære fænomener i hviskende Galleri tilstand resonatorer blev foreslået som et lovende paradigmeskift for ultrarent mikroovn og lysbølgesystem generation. Det faktum, at dette emne skærer så mange områder af fundamental videnskab og teknologi er en klar indikator for dens meget stærke potentielle virkning på en lang række discipliner. Især er rumfart og kommunikation ingeniørteknologi øjeblikket behov for alsidige mikroovn og lysbølgesignalet med enestående sammenhæng. Det WGM teknologien har flere fordele i forhold til eksisterende eller andre potentielle metoder: konceptuel enkelhed, higher robusthed, mindre strømforbrug, længere levetid, immunitet over for interferens, meget kompakt volumen, frekvens alsidighed, nem chip integration, samt et stort potentiale for at integrere mainstream af standard fotoniske komponenter til både mikroovn og lysbølgesignaler teknologier.

I rumfart ingeniør er kvarts oscillatorer overvældende dominerende som centrale mikrobølgeovn kilder til både navigationssystemer (fly, satellitter, rumfartøjer, etc.) og detection systemer (radarer, sensorer mv.) Men det enstemmigt anerkendt i dag, at hyppigheden stabilitet ydeevne kvarts oscillatorer er ved at nå sin etage, og vil ikke forbedres væsentligt længere. Langs den samme linje, er deres frekvens alsidighed begrænset og vil næppe give mulighed for ultra-stabil mikrobølge generation over 40 GHz. Mikroovn fotoniske oscillatorer forventes at overvinde disse begrænsninger. På den anden side, i kommunikation teknik, mikrobølge fotonic oscillatorer forventes også at være centrale elementer i optiske kommunikationsnet, hvor de ville udføre lysbølge / mikroovn konvertering med hidtil uset effektivitet. De er også forenelige med den igangværende tendens af kompakte fuld-optiske komponenter i Lightwave teknologi, som muliggør ultrahurtig behandling [op / ned konvertering, (de) modulation, amplifikation, multiplexing, blanding, etc.] uden at manipulere massiv (og derefter langsom) elektroner. Dette koncept af kompakte fotoniske kredsløb, hvor fotoner styrer fotoner via lineære medier har til formål at omgå den flaskehals stammer fra næsten ubegrænset optisk båndbredde versus begrænset optoelektroniske processorhastighed. Optisk kommunikation systemer er også meget krævende for ultralav fase støj mikrobølger for at tilfredsstille både clocking (lav fasestøj svarer til lav tid-jitter) og båndbredde (bit-rater stiger proportionalt med klokfrekvensen) krav. I virkeligheden, i høj hastighed commungement netværk, så ultra-stabile oscillatorer er grundlæggende referencer til forskellige formål (lokal oscillator for op / ned frekvenskonvertering, netværk synkronisering, transportør syntese osv.).

Ikke-lineære fænomener i WGM resonatorer også åbne nye horisonter for forskning for andre anvendelser, såsom Raman og Brillouin lasere. Mere generelt kan disse fænomener sammenlægges i det bredere perspektiv ikke-lineære fænomener i optiske hulrum og bølgeledere, og det er et frugtbart paradigme for krystallinsk eller silicium-fotonik. Den stærke indespærring og meget lang levetid af fotoner ind i torus-lignende WGMs også tilbyde en glimrende test-bænken til at undersøge grundlæggende spørgsmål i faststoffysik og kvantefysik. Kapløbet om at nogensinde øget præcision i elektromagnetiske signaler bidrager også til at besvare kvintessens spørgsmål i fysik, relateret til relativitet (test for Lorentz invarians), eller måling af fundamentale fysiske konstanter and deres mulig variation med tiden.

I denne artikel er de forskellige trin, der kræves for at opnå krystallinske optiske hvisken-galleri-mode (WGM) resonatorer beskrives, og deres karakteristik er forklaret. Præsenterede også er den protokol for at opnå den høje kvalitet tilspidsede fiber er nødvendig for at par laserlys ind i disse resonatorer. Endelig er et flagskib anvendelse af disse resonatorer på mikrobølge fotonik, nemlig ultra-stabil mikrobølge generation bruger Kerr kamme, præsenteret og diskuteret.

I første afsnit, i protokollen, vi detalje følges for at opnå ultra-høj Q WGM resonatorer. Vores metode bygger på en grind og polsk tilgang, der minder til standard teknikker, der anvendes til at polere optiske komponenter såsom linser eller teleskop spejle. Det andet afsnit er helliget til karakteriseringen af ​​overfladeruhed. Vi bruger en berøringsfri hvidt lys interferometrisk profilometer at måle overfladen roughness hvilket fører til overfladers lysspredning-inducerede tab og derved sænke Q-faktoren ydeevne. Dette trin er en vigtig eksperimentel test til at evaluere kvaliteten af ​​polering. Det tredje afsnit beskæftiger sig med fabrikation en tilspidset silica fiber med en diameter på mikrometerområdet for at igangsætte lyset i resonator. For at nå sådanne små diametre, vi vedtager "flamme-børstning"-teknik, ved hjælp af samtidig computerstyrede motorer til at trække fiberen fra hinanden, og et blæselampe at opvarme fiber område for at være tilspidset ^20.. I fjerde afsnit er den resonator og den tilspidsede fiber nærmede til hinanden for at visualisere resonanssignal de hviskegallerimodus tilstande ved hjælp af en bølgelængde-scanning laser. Vi viser i den femte afsnit, hvordan man ved at øge den optiske effekt i resonator, vi formår at udløse lineære fænomener, indtil vi observere dannelsen af ​​Kerr optisk frekvens kamme med et spektrum, lavet af ækvidistante spektrallinier. Som emphasized ovenfor disse Kerr kam spektre har særlige karakteristika, der er egnede til flere applikationer i både videnskab og teknologi ^21-23. Vi vil overveje en af ​​de mest bemærkelsesværdige anvendelser af WGM resonatorer ved at demonstrere en optisk multi-bølgelængde signal, hvis intermodal frekvens er en ultra-stabil mikrobølgeovn.

Protocol

Protokollen består i 5 hovedfaser: I første er hvisken-galleri-mode resonator foretaget. For at styre udviklingen af ​​polering af resonatoren er overfladetilstand målinger udført. I tredje fase, fabrikere vi det værktøj, der vil lancere lys i resonator. Når disse to vigtigste redskaber er fremstillet, vi bruger dem til at visualisere optiske high-Q resonanser. Endelig giver en høj effekt laserstråle, resonatoren opfører i en lineær mode og Kerr kamme er produceret. 1…..

Representative Results

Dette fem-trins protokollen gør det muligt at opnå WGM resonatorer med meget høj kvalitet faktorer for mikroovn fotoniske applikationer. Det første skridt er at give den resonator den ønskede form, som er repræsenteret på skema 2.. Den største vanskelighed er her at fremstille en disk, hvis fælg er skarp nok, så kan det kraftigt begrænse de indfangede fotoner, uden at føre til strukturelle skrøbelighed fra et mekanisk synspunkt. Denne polering tårn også besidd…

Discussion

Denne protokol tillader produktion af høj-Q optiske resonatorer, at parret lys i dem og udløser ikke-lineære fænomener til forskellige mikroovn fotonik applikationer.

Det første skridt i grovslibning bør give sin form til resonator. Efter en time af slibning med 10 um slibende pulver, bør den ene side af kanten af resonatoren være bekvemt formet (se skema 2). Følgende trin vil glatte overfladen af ​​resonator og da den nåede den fase af 1 um diameter s…

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