ميكروويف أنظمة الضوئيات بناء على الرنانون توشوش-معرض واسطة

Summary

يتم عرض التقنيات المتقدمة المخصصة في مختبرنا لبناء أنظمة الضوئيات الميكروويف على أساس فائقة يهمس مرنانات وضع الصور س. وترد تفاصيل بروتوكولات للحصول على وتوصيف هذه مرنانات، ويعطى تفسيرا لبعض تطبيقاتها في الميكروويف الضوئيات.

Abstract

نظم الضوئيات الميكروويف تعتمد بشكل أساسي على التفاعل بين الميكروويف والإشارات الضوئية. هذه النظم واعدة للغاية لمختلف مجالات التكنولوجيا والعلوم التطبيقية، مثل الفضاء وهندسة الاتصالات، والاستشعار والقياس وغير الخطية الضوئيات، والبصريات الكمومية. في هذا المقال سنتطرق التقنيات الرئيسية المستخدمة في المختبر لبناء أنظمة الضوئيات الميكروويف على أساس فائقة يهمس مرنانات وضع الصور س. أولا بالتفصيل في هذه المقالة هو بروتوكول لتلميع مرنان، والتي تقوم على تقنية طحن والبولندية وثيقة لتلك المستخدمة لتلميع المكونات البصرية مثل العدسات أو المرايا التلسكوب. ثم، وعلى ضوء التداخل profilometer التدابير خشونة السطح الأبيض، والذي هو مفتاح معلمة لتوصيف نوعية التلميع. من أجل إطلاق الضوء في مرنان، يتم استخدام الألياف السيليكا مدبب مع قطر في نطاق ميكرومتر. للوصول إلى هذا القطر الصغيرق، ونحن اعتماد "اللهب بالفرشاة تقنية"، وذلك باستخدام نفس الوقت موتورز الكمبيوتر التي تسيطر عليها لسحب الألياف عن بعضها البعض، وموقد اللحام لتسخين المنطقة الألياف ليكون مدبب. واقترب من مرنان والألياف مدبب في وقت لاحق إلى واحد آخر لتصور إشارة صدى من وسائط معرض يهمس باستخدام الليزر الطول الموجي المسح. عن طريق زيادة الطاقة الضوئية في مرنان والظواهر غير الخطية يتم تشغيلها حتى لوحظ تشكيل كير مشط التردد الضوئي مع طائفة مصنوعة من الخطوط الطيفية مسافة واحدة. هذه الأطياف مشط كير لها خصائص استثنائية التي هي مناسبة لعدة تطبيقات في العلوم والتكنولوجيا. ونحن نعتبر أن تطبيق المتصلة فائقة مستقر الميكروويف توليف تردد وإظهار جيل من مشط كير مع غيغاهرتز الوسائط تردد.

Introduction

يهمس مرنانات وضع الصور هي الأقراص أو مجالات دائرة نصف قطرها الصغير أو الملليمتري ^1،2،3،4. شريطة أن يكون مرنان هو تقريبا تماما على شكل (حجم النانومتر خشونة السطح)، وعلى ضوء الليزر يمكن حوصروا بسبب الانعكاس الداخلي الكامل في غضون eigenmodes، والتي عادة ما يشار إليها باسم وسائط يهمس-معرض (WGMs). يمكن مداها خالية من الطيفية (أو الوسائط تردد) تختلف من غيغاهرتز إلى THz للاعتمادا على نصف قطر مرنان، بينما عامل جودتها س يمكن أن تكون عالية بشكل استثنائي ^5، بدءا من ¹⁰ يوليو - 10 نوفمبر. ونظرا لخاصية فريدة من نوعها للتخزين وتباطؤ ضوء، وقد استخدمت مرنانات WGM البصرية لأداء العديد من المهام معالجة الإشارات البصرية ^3: تصفية، والتضخيم، والوقت وبذلك يؤخر، الخ. مع التحسن المستمر للتكنولوجيات التصنيع وعواملها لم يسبق لها مثيل جودة جعلها مناسبة للتطبيق حتى أكثر تطلبا في المقاييس أو ضليع في الرياضياتتطبيقات أم المستندة إلى ^6-13.

في هذه مرنانات س فائقة، وحجم صغير من الحبس، وكثافة عالية الفوتون، وعمرها الفوتون طويل (يتناسب مع س) لحث على التفاعل خفيفة المسألة قوي جدا، والتي قد تثير مختلف WGMs من خلال مختلف الآثار غير الخطية، مثل كير، رامان، أو بريلوين على سبيل المثال ^14-19. باستخدام الظواهر غير الخطية في يهمس مرنانات وضع معرض اقترح باعتبارها نقلة نوعية واعدة للميكروويف نقي للغاية وتوليد الخفيفه. حقيقة أن هذا الموضوع يتقاطع مناطق كثيرة من العلم والتكنولوجيا الأساسية هو مؤشر واضح من تأثيره المحتمل قوي جدا على مجموعة واسعة من التخصصات. على وجه الخصوص، والتكنولوجيات هندسة الطيران والفضاء والاتصالات هي حاليا في حاجة إلى الميكروويف تنوعا وإشارة الخفيفه مع تماسك استثنائية. التكنولوجيا WGM ديها العديد من المزايا مقارنة مع الطرق القائمة المحتملين أو غيره: البساطة المفاهيمي، حigher متانة، أصغر استهلاك الطاقة، وأطول عمرا، والحصانة إلى التدخل، وحجم صغير جدا، وبراعة تردد، والتكامل رقاقة سهلة، فضلا عن احتمال قوي لدمج التيار الرئيسي للمكونات الضوئية القياسية لكلا الميكروويف والتكنولوجيات الخفيفه.

في هندسة الطيران، مؤشرات التذبذب الكوارتز هي المهيمنة بأغلبية ساحقة كمصادر الميكروويف المفتاح لكلا أنظمة الملاحة (الطائرات والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، الخ)، وأنظمة الكشف عن (الرادارات، وأجهزة الاستشعار، وما إلى ذلك). ومع ذلك، فإنه من المسلم بالإجماع اليوم أن أداء الاستقرار تردد من التذبذب الكوارتز هو الوصول إلى أرضيتها، ولن تتحسن بشكل ملحوظ بعد الآن. وعلى نفس الخط، وبراعة وتيرتها محدودة وسوف يسمح بالكاد لتوليد الميكروويف فائقة مستقر أكثر من 40 غيغاهيرتز. ومن المتوقع أن التغلب على هذه القيود الميكروويف مؤشرات التذبذب الضوئية. من ناحية أخرى، في هندسة الاتصالات، ميكروويف الفوتونومن المتوقع أيضا أن تكون مؤشرات التذبذب IC المكونات الرئيسية في شبكات الاتصالات البصرية حيث أنها إجراء تحويل الخفيفه / ميكروويف مع كفاءة لم يسبق لها مثيل. بل هي أيضا متوافقة مع الاتجاه المستمر للمكونات البصرية الكاملة المدمجة في تكنولوجيا الخفيفه، التي تمكن المعالجة فائقة السرعة [أعلى / أسفل التحويل، (دي) التشكيل، والتضخيم، مضاعفة، والاختلاط، إلخ] دون الحاجة للتلاعب واسعة النطاق (ثم، وبطء) الإلكترونات. هذا المفهوم من الدوائر الضوئية المدمجة حيث السيطرة على الفوتونات الفوتونات عبر وسائل الاعلام غير الخطية تهدف إلى الالتفاف على عنق الزجاجة التي تنشأ من عرض النطاق الترددي البصري غير محدودة تقريبا مقابل محدودية سرعة المعالجة الضوئية. نظم الاتصالات الضوئية هي أيضا صعبة جدا لمنخفضة للغاية أفران ميكروويف الضوضاء المرحلة من أجل إرضاء كل من قطع مسافة السباق (انخفاض الضوضاء المرحلة ما يعادل انخفاض الوقت غضب) وعرض النطاق الترددي (معدلات بت زيادة يتناسب مع تردد على مدار الساعة) المتطلبات. في الواقع، في COMMUN عالية السرعةشبكات ication، مثل مؤشرات التذبذب فائقة مستقر إشارات الأساسية لعدة أغراض (مذبذب المحلية لأعلى / أسفل تحويل تردد، تزامن الشبكة، والتوليف الناقل، الخ).

الظواهر غير الخطية في مرنانات WGM أيضا فتح آفاق جديدة للبحث عن التطبيقات الأخرى، مثل أشعة الليزر رامان وبريلوين. أكثر عموما، يمكن دمج هذه الظواهر ضمن منظور أوسع من الظواهر غير الخطية في تجاويف البصرية والدليل الموجي، وأنه هو النموذج المثمر لالبلورية أو السيليكون الضوئيات. الحبس قوية وعمرها طويل جدا من الفوتونات في WGMs مثل الحيد أيضا توفر مقاعد البدلاء اختبار ممتاز للتحقيق في القضايا الأساسية في المادة المكثفة وفيزياء الكم. السباق إلى زيادة دقة من أي وقت مضى في الإشارات الكهرومغناطيسية يسهم أيضا في الإجابة على الأسئلة الجوهرية في الفيزياء، تتعلق النسبية (اختبارات لورنتز الثبات)، أو قياس الثوابت الفيزيائية الأساسية علىالثانية الاختلاف المحتمل مع مرور الوقت.

في هذه المقالة، وصفت مختلف الخطوات المطلوبة للحصول البلورية يهمس-معرض واسطة (WGM) مرنانات بصري وأوضح توصيف بهم. كما قدم هو بروتوكول للحصول على الألياف مدبب عالية الجودة المطلوبة لزوجين ضوء الليزر في هذه مرنانات. وأخيرا، يتم تقديم الطلب الرئيسي من هذه مرنانات في مجال الضوئيات الميكروويف، وهي فائقة مستقر جيل الميكروويف باستخدام كير أمشاط، ومناقشتها.

في القسم الأول، ونحن من التفصيل يتبع بروتوكول للحصول فائقة س مرنانات WGM. تعتمد طريقتنا على نهج طحن والبولندية، التي تذكر أن التقنيات القياسية المستخدمة لتلميع المكونات البصرية مثل العدسات أو المرايا التلسكوب. ويخصص القسم الثاني لتوصيف خشونة السطح. ونحن نستخدم profilometer التداخل ضوء عدم الاتصال البيضاء لقياس سطح Roughness الأمر الذي يؤدي إلى السطح الخسائر الناجمة عن تشتت وبالتالي انخفاض أداء العامل س. هذه الخطوة هو اختبار تجريبي هامة لتقييم جودة تلميع. وتشعر القسم الثالث مع تلفيق الألياف السيليكا مدبب مع قطر في نطاق ميكرومتر من أجل إطلاق الضوء في مرنان. للتوصل إلى مثل أقطار صغيرة، ونحن اعتماد "اللهب بالفرشاة تقنية"، وذلك باستخدام نفس الوقت موتورز الكمبيوتر التي تسيطر عليها لسحب الألياف عن بعضها البعض، وموقد اللحام لتسخين المنطقة الألياف ليكون مدبب ^20. في القسم الرابع، واقترب من مرنان والألياف مدبب إلى بعضها البعض لتصور إشارة صدى من وسائط معرض يهمس باستخدام الليزر الطول الموجي المسح. نعرض في القسم الخامس كيف، من خلال زيادة الطاقة الضوئية في مرنان، تمكنا من تحريك الظواهر غير الخطية حتى نلاحظ تشكيل كير البصرية تردد أمشاط، مع طائفة مصنوعة من الخطوط الطيفية مسافة واحدة. كما هmphasized أعلاه، هذه كير أطياف مشط لها خصائص استثنائية التي هي مناسبة لعدة تطبيقات في كل من العلم والتكنولوجيا ^21-23. وسوف تنظر في واحد من التطبيقات الأكثر بروزا من مرنانات WGM من قبل مما يدل على إشارة متعددة الطول الموجي البصري الذي تردد المتعدد الوسائط هو الميكروويف فائقة مستقر.

Protocol

يتألف البروتوكول في 5 مراحل رئيسية: في أول واحد، ويتم إجراء يهمس-معرض وضع مرنان. من أجل السيطرة على التقدم المحرز في تلميع من مرنان، يتم إجراء قياسات الدولة سطح خارج. في المرحلة الثالثة، نبتدع الأداة التي ستطلق في ضوء مرنان. مرة واحدة يتم تصنيع هذين الأدوات الرئيسية، نستخدمها لتصور بصري الأصداء عالية-Q. وأخيرا، وذلك باستخدام شعاع الليزر مدخلات عالية الطاقة، ومرنان يتصرف بطريقة غير الخطية ويتم إنتاج كير أمشاط.

1. تلميع الرنان

في هذه المرحلة، نافذة الضوئية البلورية مرنان (إم جي إف ₂ أو الكاف _2، متاحة بسهولة من تجار التجزئة المكون البصري) هو الشكل ومصقول. هذا الإجراء تلميع تحولها إلى مرنانات WGM عالية الجودة. ويقدم البرج تلميع مخصصة في مخطط 1.

1. الغراء النافذة الضوئية البلورية علىالعصا التي يمكن أن تعقد من قبل تحمل محرك المغزل الهواء.
2. معطف دليل معدني على شكل V مع الأنسجة الدعم المناسب تلميع، وتصب 10 ميكرون مساحيق جلخ (أكسيد الألومنيوم، والماس، أو كربيد السيليكون) الممزوج بالماء. هذا النهج دليل على القرص الغزل (ما يقرب من 5،000 دورة في الدقيقة، 20 غراما الضغط) والبدء في طحنه. اعتمادا على المواد وسرعة الغزل، ويمكن هذه العملية تستمر من 2 ساعة (الكاف _لل2) إلى 4 ساعة (لإم جي إف _2). وهذه الخطوة تعطي تلميع شكله ثنائية محدبة إلى مرنان. في نهاية هذه الخطوة يجب أن يكون القرص على شكل المعروضة في مخطط 2.
3. ويطلق على الخطوة التالية عموما "طحن وتلميع" الإجراء ^24. وهو يتألف عادة في تكرار الخطوة السابقة مع الجسيمات جلخ من حجم 10 ميكرون، 3 ميكرون، 1 ميكرومتر، 250 نانومتر، وأخيرا 100 نانومتر. وينبغي تكييف الأنسجة الداعمة إلى كل حجم الجسيمات، كونها أقل قاسية لأصغر الحبوب. لتجنب الخدوشوالمشارب، ترجمة الأفقي للدليل لا يمكن أن يؤديها. في كل خطوة من خطوات متلاحقة من الطحن والتلميع، ينبغي تحسين حالة السطح.

2. السيطرة على الدولة من السطح

1. A المراقبة البصرية تحت المجهر الضوئي هو الخطوة الأولى لسيطرة الدولة السطحية: القرص غير شفاف للضوء في المراحل الأولى، ولكن بعد نجاح 1 ميكرومتر تلميع الجسيمات، يصبح القرص شفافة وجوانبها تعكس الضوء: ما يسمى تم التوصل البولندية البصرية وينبغي للعامل نوعية مرنان يكون في ¹⁰ مايو - 10 يونيو النطاق.
2. لجلخ أصغر، والعين ليست قادرة على تقييم حالة السطح، حتى باستخدام المجهر القياسية. عند هذه النقطة، هناك حاجة إلى قياس التداخل الدولة السطح. استخدام المجهر مجهزة عدسة الهدف تداخل Mirau ومع مصدر الضوء الأبيض. صورة مرنان يتداخل وايعشر طائرة المرجعية، وبذلك تكشف من قبل مرحلة الضوء الأبيض تحول تجهيز أداة ارتفاع سطح مستقل في كل نقطة مع قرار من جزء صغير من الطول الموجي، وهي بضعة نانومتر. ويمكن أيضا أن تستخدم هذا القياس لتقييم انحناء القرص ^25.
3. عن طريق تعديل طول بين العينة والهدف، وتحديد مرحلة البصري للانعكاس مرنان وحساب الاختلافات ارتفاع السطح. هذا يمكن أن يكون ذلك بفضل الآلي إلى جهاز كمبيوتر مخصص، ويتم إنشاء خريطة للارتفاع سطح، والسماح لتحديد خشونة من العينة. رصد خشونة السطح كما هو موضح في الشكل 1، ووقف إجراء طحن، وتلميع عندما تكون أسلس ممكن هامش التدخل.

3. رسم تفتق

للضوء زوجين في مرنان، لا بد من الألياف الضوئية صغيرة جدا: يجب أن يكون قطرها حوالي 3 ميكرومتر(حوالي 20 مرات أصغر من شعرة الإنسان).

1. تجريد معيار الألياف السيليكا طريقة واحدة (SMF) قبالة البلاستيك وطلاء البوليمر على تقريبي 5 سم طول. لأغراض الرصد، ينبغي توصيل الألياف إلى مصدر الليزر على مدخلاته، والثنائي الضوئي في انتاجها.
2. إصلاح كل حجم المقطع غير المصقول من الألياف لاثنين من المحركات عالية الدقة الكمبيوتر التي تسيطر عليها. باستخدام واجهة الكمبيوتر من المحركات، تكوين لهم للتحرك مع حركة المتسارعة باستمرار، بحيث كل جانب من الألياف سوف يتم سحبها بعيدا.
3. تسخين الألياف غير المصقول بين النقطتين التثبيت مع مصباح موقد اللحام لمدة 1 دقيقة قبل البدء في التمدد. يجب أن يكون لطيف اللهب لكي لا على تقدمهم في تفتق بعيدا مرة واحدة أنها صغيرة جدا.
4. بدء حركة المحركات، وبالتالي، وتمتد من الألياف. بمجرد بدء الرسم، يمكن للمرء رصد انتقال تفتق باستخدام مصدر ليزر والثنائي الضوئي: سوف أنماط التدخلتظهر خلال هذه العملية، سوف تزيد وتيرتها، وأخيرا، وأنها سوف تختفي ليبلغ قطرها الخصر بالقرب 1 ميكرومتر. في هذه المرحلة، يجب أن تتوقف المحرك والشعلة في وقت واحد.

4. اقتران الضوء في الرنان WGM

في هذه المرحلة، يتم استخدام تفتق للضوء زوجين في مرنان ومراقبة eigenmodes ارتفاع-Q من تجويف، والتي تتمثل في الشكل 2.

1. إصلاح مرنان على مرحلة الترجمة التي تسيطر عليها بيزو من 3 محاور. الاقتراب منه إلى تفتق الألياف على مسافة أقل من 1 ميكرون. يتم مراقبة الوضع النسبي للتفتق الألياف ومرنان، وذلك بفضل المجهر، ويتم استخدام مرآة للسيطرة على المواقع الرأسي وزاوية الميل.
2. ربط تفتق الألياف ليزر ديود مرئية: مرنان يجب أن تكون مضيئة عند اقتران فعال، كما هو مبين في الشكل (3).
3. توصيل الألياف إلى تفتقليزر مجانا وضع هوب مع linewidth الضيق (أضيق من linewidth من صدى) إلى نهاية واحدة، والثنائي الضوئي متصلة الذبذبات على الطرف الآخر. استجابة انتقال مرنان يمكن الحصول على مسح الطول الموجي في المدخلات. تقييم عامل نوعية مرنان باستخدام الطيف انتقال الحصول عليها، عن طريق حساب النسبة بين تردد صدى من وسائط وlinewidths الخاصة بهم (العرض الكامل في نصف كحد أقصى).
4. يتم إجراء قياس أكثر دقة مع "تجويف الدائري أسفل" التجربة ^26، حيث الطول الموجي تجتاح سريع بما فيه الكفاية للحصول على التداخل بين ضوء يتردد المتحللة في مرنان وضوء detuned في وقت لاحق. يمكن للمرء دفع غرامة تصل قيمتها المواقع من تفتق ومرنان لزيادة اقتران Q-عامل والحصول على نمط نموذجي هو مبين في الشكل (4). منحنى مناسبا المرتبطة يعطي عامل نوعية مرنان.

5. توليد مشط

في هذه المرحلة الأخيرة، ومضخة ليزر عالية الطاقة يثير الآثار غير الخطية في مرنان.

1. إدراج مكبر للصوت البصرية بين ليزر الانضباطي ومرنان.
2. بفضل الثنائي الضوئي والذبذبات، صقل مصدر الليزر بحيث أن الطول الموجي المدخلات بجانب صدى.
3. توصيل الألياف الإخراج إلى محلل الطيف الضوئي عالية الدقة وزيادة مدخلات الطاقة في حين detuning قليلا من الطول الموجي المضخة. سوف تظهر الترددات الجديدة على كل جانب من ذروة مضخة: هذا هو كير مشط التردد الضوئي.
4. التبديل إلى الثنائي الضوئي، يمكننا أن نلاحظ الضرب بين أوضاع الطيفية المختلفة التي تم إنشاؤها. باستخدام الميكروويف مرشح تمرير النطاق، يمكن للمرء أن عزل تردد محض في هذا إشارة كهربائية مع ضوضاء منخفضة جدا.

النتائج

هذا البروتوكول من خمس خطوات تمكن من الحصول على مرنانات WGM مع عوامل نوعية عالية جدا للتطبيقات الضوئية الميكروويف.

وتهدف الخطوة الأولى لتعطي للمرنان الشكل المطلوب، ممثلا في مخطط 2. والصعوبة الرئيسية هنا هو لتصنيع قرص الذي ...

Discussion

يسمح هذا البروتوكول إنتاج مرنانات البصرية عالية-Q، إلى ضوء الزوجان الى لهم وتؤدي الظواهر غير الخطية لمختلف التطبيقات الضوئيات الميكروويف.

ينبغي أن تكون الخطوة الأولى من طحن الخام يعطي شكله للمرنان. بعد ساعة من طحن مع مسحوق ج...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Step motors 50 mm course	Thorlabs
3 axis nanostage	Physik Instrumente
TUNICS tunable laser source	Yenista
Optical spectrum analyzer APEX	APEX Technologies