СВЧ-фотоника систем на основе шепчущей галереи режима резонаторы
Summary
Индивидуальные методы, разработанные в нашей лаборатории для создания СВЧ-фотоника систем на основе ультра-высокой добротностью резонаторов галерея шепота режиме представлены. Протоколы, чтобы получить и охарактеризовать эти резонаторы, подробно, и объяснение того, некоторые их применения в микроволновой фотоники дается.
Abstract
Микроволновая фотоника системы опираются в основном на взаимодействие между микроволновых и оптических сигналов. Эти системы весьма перспективным для различных областей техники и прикладной науки, таких как аэрокосмическая и технике связи, зондирования, метрологии, нелинейной фотоники и квантовой оптике. В этой статье мы представляем основные методы, используемые в нашей лаборатории для создания СВЧ-фотоника систем на основе ультра-высокой добротностью резонаторов шепот Галерее режиме. Первая описанных в этой статье является протоколом для резонатора полировка, которая основана на помол и-польской техники близки к тем, которые используются для полировки оптических элементов, таких как линзы или зеркала телескопа. Затем белый свет интерферометрический профилометра меры шероховатость поверхности, которая является ключевым параметром для характеристики качества полировки. Для того чтобы запустить света в резонаторе, конические кварцевого волокна с диаметром в диапазоне микрометра используется. Чтобы достичь такого малого диаметрас, мы принимаем "пламя чистки" с использованием одновременно с компьютерным управлением двигателя тянуть волокна друг от друга, и паяльную лампу для обогрева площади волокна быть конической. Резонатора и конические волокна позже подходили друг к другу, чтобы визуализировать резонансный сигнал шепчущей галереи использованием длины волны лазерного сканирования. При увеличении мощности оптического излучения в резонаторе, нелинейные явления вызываются до формирования Керр оптической гребенки частот не наблюдается со спектром, сделанный из эквидистантных спектральных линий. Эти спектры Керр расчески имеют исключительные характеристики, которые подходят для нескольких приложений в науке и технике. Рассмотрим приложение, связанное с ультра-стабильную синтеза СВЧ и продемонстрировать поколение расческу Керр с частотой ГГц интермодальных перевозок.
Introduction
Тихие резонаторов Галерея режиме диски или сферы микро-или миллиметрового радиуса 1,2,3,4. При условии, что резонатор почти идеальной формы (нанометровых размеров шероховатости поверхности), лазерный свет может быть перехвачена полного внутреннего отражения в пределах своих собственных мод, которые обычно называют шепчущей галереи (гроссмейстеров). Их свободный спектральный диапазон (или интермодальные частоты) может варьироваться от ГГц до ТГц в зависимости от радиуса резонатора, а их добротность может быть исключительно высокими 5, от 10 7 – 10 11. Благодаря своим уникальным свойством накопления и замедления света, ШГ оптические резонаторы были использованы для выполнения многих оптической обработки сигналов 3 задачи: фильтрация, усиление, замедляющие время, и т.д.. С непрерывным улучшением технологии изготовления, их беспрецедентная факторов качества делают их пригодными для еще более требовательных приложений в метрологии или квантUM-приложениям 6-13.
В этих сверхвысокой резонаторов Q, малый объем заключение, высокая плотность фотонов и длительный срок службы фотон (пропорционально Q) вызывают очень сильное взаимодействия света и вещества, которые могут возбудить различные гроссмейстеров через различные нелинейные эффекты, такие как Керра Раман, или Бриллюэна например 14-19. Использование нелинейных явлений в шептались резонаторов Галерее режиме была предложена в качестве перспективного изменения парадигмы для сверхчистых микроволновой печью и Lightwave поколения. Тот факт, что эта тема пересекается столь многих областях фундаментальной науки и технологий является четким показателем его очень сильным потенциальное воздействие на широкий спектр дисциплин. В частности, аэрокосмических технологий и техники связи в настоящее время нуждается в универсальной микроволновой печью и Lightwave сигнала с исключительной согласованности. Технология гроссмейстер имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими или других перспективных методов: концептуальную простоту, чigher надежность, меньше энергопотребление, длительный срок службы, устойчивость к помехам, очень компактный объем, частота универсальность, простота интеграции чипа, а также высокий потенциал для интеграции основной стандартных фотонных компонентов для микроволновой печи и Lightwave технологий.
В аэрокосмической техники, кварцевых генераторов в подавляющем большинстве являются доминирующими в качестве ключевых источников микроволнового для обеих систем навигации (самолеты, спутники, космические корабли и т.д.) и систем обнаружения (радары, датчики и т.д.). Тем не менее, она единодушно признали сегодня, что стабильность частоты выполнения кварцевых генераторов достигает своего пола, а не улучшит значительно больше. Следуя той же логике, их универсальность частоты ограничены и вряд ли позволит для ультра-стабильные генерация микроволн за пределы 40 ГГц. Микроволновая печь фотонного осцилляторов, как ожидается, чтобы преодолеть эти недостатки. С другой стороны, в технике связи, микроволновая печь фотонаIC осцилляторы также должны быть ключевыми компонентами в оптических сетях связи, где они будут выполнять Lightwave / СВЧ преобразования с беспрецедентной эффективностью. Они также совместимы с текущей тенденцией компактный полный оптических компонентов в Lightwave технологии, которые позволяют сверхбыструю обработку [повышающее / понижающее преобразование, (де) модуляции, усиления, мультиплексирование, сведение и пр.] без необходимости управлять массивным (и затем, медленно) электронов. Эта концепция компактного фотонных цепей, где фотоны контролировать фотонов с помощью нелинейных средах стремится обойти узкие места, происходящих из практически неограниченную пропускную способность оптических каналов по сравнению с ограниченной скоростью обработки оптико-электронные. Оптические системы связи также очень требовательна к сверхнизким микроволновые печи фазовый шум для того, чтобы удовлетворить и синхронизации (низкий уровень фазового шума эквивалентно низким временем дрожание) и пропускная способность (скорость возрастает пропорционально тактовой частоте) требованиям. В самом деле, в высокоскоростных Communication сетей, таких ультра-стабильных генераторов являются фундаментальными ссылки для нескольких целей (гетеродином для вверх / вниз преобразования частоты синхронизации сети, носитель синтеза и т.п.).
Нелинейные явления в ШГ резонаторов также открыть новые горизонты исследований для других приложений, таких как Рамана и Бриллюэна лазеров. В целом, эти явления могут быть объединены в рамках более широкой перспективе нелинейных явлений в оптических резонаторов и волноводов, и это плодотворная парадигма кристаллической или кремниевой фотоники. Замкнутом пространстве и очень долгий срок службы фотонов в торообразного гроссмейстеров также предлагают отличный испытательный стенд для исследования фундаментальных вопросов в конденсированных средах и квантовой физики. Гонки, чтобы когда-либо повышения точности в электромагнитные сигналы также способствует ответить квинтэссенцией вопросов физики, связанных с относительности (тесты для Лоренц-инвариантность), или измерение фундаментальных физических константй их возможные изменения во времени.
В этой статье, различные шаги, необходимые для получения кристаллических оптических шепчущей галереи режиме (Гроссмейстер) резонаторы описаны и их характеристика объясняется. Мы приводим также протокол для получения высокого качества конические волокна необходимы для пары лазерного луча в этих резонаторов. Наконец, флагманская применения этих резонаторов в области СВЧ-фотоника, а именно ультра-стабильную поколения с использованием микроволновой печи Керр расчески, будет представлен и рассмотрен.
В первом разделе подробно протокола последующим получить сверхвысокой Q WGM резонаторов. Наш метод основан на помол и польский подход, который напоминает стандартных методов, используемых для полировки оптических элементов, таких как линзы или зеркала телескопа. Второй раздел посвящен характеристике шероховатости поверхности. Мы используем бесконтактные белый свет интерферометрическом профилометре для измерения поверхностного Roughness что приводит к поверхностное рассеяние индуцированных потерь и тем самым, снижения производительности добротность. Этот этап является важной экспериментальной проверки для оценки качества полировки. Третий раздел посвящен изготовления конических кварцевого волокна с диаметром в диапазоне микрометра для того чтобы запустить света в резонаторе. Для достижения таких малых диаметров, мы принимаем "пламя чистки" с использованием одновременно с компьютерным управлением двигателя тянуть волокна друг от друга, и паяльную лампу для обогрева площади волокна быть коническая 20. В четвертом разделе, резонатор и конические волокна приближаются друг к другу, чтобы визуализировать резонансный сигнал шепчущей галереи использованием длины волны лазерного сканирования. Как будет показано в пятом разделе как, за счет увеличения оптической мощности в резонаторе, нам удастся вызвать нелинейные явления пока мы не наблюдаем формирование Керр оптической частотой расчески, со спектром, сделанный из равноудаленных спектральных линий. Так как электроннаяmphasized выше, эти спектры Керр расчески имеют исключительные характеристики, которые подходят для нескольких приложений в науке и технологии 21-23. Мы рассмотрим один из самых интересных применений ШГ резонаторов, демонстрируя оптические мультисервисные длины волны сигнала, частота интермодальных сверхстабильная микроволновой печи.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол позволяет получать качественные Q-оптические резонаторы, чтобы свет пару в них и вызывают нелинейные явления для различных микроволновых приложений фотоники.
Первым шагом грубого помола должна дать свою форму резонатора. Через час шлифование с 10 мкм …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
YCK признает финансовую поддержку от Европейского исследовательского совета в рамках проекта NextPhase (ERC StG 278 616). Авторы также признают, поддержки со стороны Национального центра космических исследований Франции (CNES, Франция) в рамках проекта SHYRO (R & Действие T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201), от ANR проекта ORA (BLAN 031 202), а из региона де Франш-Конте, Франция.
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 |
Referências
- 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).
