YCK räumt finanzielle Unterstützung aus dem Europäischen Forschungsrat durch das Projekt NextPhase (ERC StG ​​278616). Autoren auch danken für die Unterstützung aus dem Centre National d&#39;Etudes Spatiales (CNES, Frankreich) durch das Projekt SHYRO (Aktion R &amp; T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201) von der ANR Projekt ORA (BLAN 031202) und aus der Region de Franche-Comte, Frankreich.

Das Protokoll besteht aus 5 Phasen: In der ersten, das Flüstern-Galerie-Resonator besteht. Um den Fortschritt des Poliervorgangs des Resonators zu steuern, sind Oberflächenzustand Messungen durchgeführt. In der dritten Stufe herzustellen man das Werkzeug, das Licht in dem Resonator wird gestartet. Sobald diese zwei wichtigsten Instrumente hergestellt werden, nutzen wir sie zu optischen High-Q-Resonanzen zu visualisieren. Schließlich mit einem High-Power-Input Laserstrahl verhält sich der Resonator in einem nichtlinearen Kerr Mode und Kämme hergestellt werden. 1. Polieren der Resonator In diesem Stadium ist ein optisches Fenster kristallinen Resonator (MgF 2 oder CaF 2, leicht aus optischen Komponente Einzelhändler) geformt und poliert. Diese Politur wandelt sie in hochwertige WGM-Resonatoren. Die angepasste Polieren Turm ist in Schema 1 dargestellt. <ol><li> Kleber des kristallinen optischen Fenster auf einebleiben, dass durch die Luftlagerspindel Motor gehalten werden. </li><li> Mantel eine V-förmige metallische Führung mit der entsprechenden Polieren Stützgewebe und gießt 10 um abrasive Pulver (Aluminiumoxid, Diamant oder Siliciumcarbid) mit Wasser vermischt. Nähern Sie diese Anleitung, um die sich drehende Scheibe (ca. 5.000 rpm, 20 g Druck) und starten Mahlen. Je nach dem Material und der Spinngeschwindigkeit, kann dieser Prozess von 2 h (für CaF 2) bis 4 h (für MgF 2) dauern. Diese Polierschritt seine bi-konvexe Form an den Resonator ergeben. Am Ende dieses Schritts sollte die Scheibe die Form in Schema 2 dargestellt. </li><li> Der nächste Schritt wird allgemein als &quot;Schleifen und Polieren&quot; Prozedur 24. Es besteht typischerweise aus in Wiederholung der vorherigen Schritt mit abrasiven Partikel der Größe 10 um, 3 um, 1 um 250 nm, 100 nm und schließlich. Das Stützgewebe ist auf jede Teilchengröße angepasst werden, die weniger steif für kleinere Körner. Um Kratzer zu vermeidenund Streifen eine horizontale Verschiebung der Führung durchgeführt werden kann. Bei jedem Schritt der aufeinanderfolgenden Schleifen und Polieren, sollte der Zustand der Oberfläche verbessert werden. </li></ol> 2. Die Steuerung der Zustand der Oberfläche <ol><li> Eine visuelle Kontrolle unter einem optischen Mikroskop ist der erste Schritt für eine Oberfläche staatliche Kontrolle: die Scheibe undurchsichtig ist, um in den ersten Stadien leuchten, aber nach einer erfolgreichen 1 um Partikel Polieren, wird die Platte transparent und ihre Seiten reflektieren das Licht: die so genannte optische Politur erreicht ist und die Güte des Resonators im Bereich von 10 5 - 10 6-Bereich. </li><li> Für kleinere Schleifmittel, das Auge ist nicht in der Lage, den Zustand der Oberfläche auswerten, auch mit einem Standard-Mikroskop. An diesem Punkt wird eine interferometrische Messung der Oberflächenbeschaffenheit erforderlich. Ein Mikroskop mit einem Interferometer Mirau Objektivlinse und mit einer weißen Lichtquelle ausgestattet. Das Bild des Resonators stört with einer Bezugsebene und zeigt so eine Weißlicht Phasenverschiebung Bearbeitungswerkzeug die Oberfläche Höhe unabhängig bei jedem Punkt mit einer Auflösung von einem Bruchteil der Wellenlänge, nämlich wenige Nanometer. Diese Messung kann auch verwendet werden, um die Krümmung der Scheibe 25 zu bewerten. </li><li> Durch Veränderung der Länge zwischen der Probe und dem Ziel, festzustellen, die optische Phase des Resonators Reflexion und die Berechnung der Höhenunterschiede der Oberfläche. Dies kann automatisch durch einen dedizierten Computer, und eine Karte der Oberfläche Höhe erzeugt, so dass zur Bestimmung der Rauheit der Probe. Überwachen Sie die Oberflächenrauhigkeit, wie in Abbildung 1 erläutert, und stoppen Sie die Schleifen-Polieren Verfahren, wenn die Interferenzstreifen die glatte möglich sind. </li></ol> 3. Zeichnen der Taper Um Licht in den Resonator wird eine sehr kleine optische Faser benötigt: ihr Durchmesser sollte etwa 3 um sein(Etwa 20-mal kleiner als ein menschliches Haar). <ol><li> Isolieren Sie eine Standard-Single-Mode-Silica-Faser (SMF) aus seiner Kunststoff-und Polymer-Beschichtung auf einem ca. 5 cm Länge. Zur Kontrolle sollte die Faser mit einer Laserquelle an ihrem Eingang und einer Photodiode an seinem Ausgang angeschlossen werden. </li><li> Fix jede Größe des unbeschichteten Abschnitt der Faser zu zwei Computer-gesteuerten hochauflösenden Motoren. Mit dem Computer-Schnittstelle der Motoren konfigurieren, dass sie mit einem ständig beschleunigte Bewegung bewegen, so daß jede Seite der Faser heraus gezogen wird. </li><li> Erhitzen Sie die unbeschichteten Faser zwischen den beiden Befestigungspunkten mit einer Lötlampe Lampe für etwa 1 min vor Beginn der Dehnung. Die Flamme sollte schonend sein, um nicht die Verjüngung wegblasen, wenn es sehr klein ist. </li><li> Die Motoren Bewegung, und damit die Streckung der Faser. Sobald der Zeichnung gestartet wird, kann eine Überwachung der Übertragung der Kegel mit einer Laserquelle und einer Photodiode: Interferenzmuster wirderscheinen während des Prozesses, ihre Frequenz zu erhöhen, und schließlich werden sie für eine Taille Durchmesser nahe 1 um verschwinden. Zu diesem Zeitpunkt sollte der Motor und die Flamme gleichzeitig gestoppt werden. </li></ol> 4. Kopplung von Licht in den Resonator WGM In diesem Stadium wird die Verjüngung, um Licht in dem Resonator verwendet wird und die High-Q Eigenmoden des Resonators, die in 2 dargestellt sind, zu beobachten. <ol><li> Fix den Resonator auf einem 3-Achsen-Piezo-gesteuerte Übersetzung Bühne. Nähern an die Fasertaper in einem Abstand von weniger als 1 um. Die relative Position der Faser-Konus und dem Resonator überwacht wird, durch ein Mikroskop und ein Spiegel wird verwendet, um die vertikale Position und Neigung zu steuern. </li><li> Schließen Sie das Fasertaper zu einer sichtbaren Laserdiode: der Resonator sollte leuchten, wenn die Kupplung ist effizient sein, wie in Abbildung 3 dargestellt. </li><li> Schließen Sie das Fasertaper zuein modensprungfreies Laser mit schmaler Linienbreite (schmaler als die Linienbreite der Resonanz) mit einem Ende und einer Photodiode mit einem Oszilloskop an dem anderen Ende. Das Übertragungsverhalten des Resonators durch Abtasten der Wellenlänge am Eingang erhalten werden. Bewerten der Güte des Resonators unter Verwendung der erhaltenen Transmissionsspektrum, durch Berechnen des Verhältnisses zwischen der Resonanzfrequenz der Moden und deren Linienbreiten (volle Breite bei halbem Maximum). </li><li> Eine genauere Messung wird mit der &quot;Hohlraum-ring-down&quot; Experiment 26, wobei die Wellenlänge Fegen ist schnell genug, um Interferenzen zwischen der Resonanz Licht zerfallen in dem Resonator und dem verstimmten Licht zu einem späteren Zeitpunkt zu erhalten durchgeführt. Man kann eine Feinabstimmung der Positionierung des Kegels und der Resonator, um die Kopplung Q-Faktor zu erhöhen und erhalten das typische Muster in Abbildung 4 dargestellt. Die zugehörige Ausgleichskurve gibt den Gütefaktor des Resonators. </li></ol&gt; 5. Generieren des Comb In dieser letzten Phase, bringt ein Hochleistungspumplaser nichtlineare Effekte in dem Resonator. <ol><li> Legen Sie einen optischen Verstärker zwischen dem abstimmbaren Laser und dem Resonator. </li><li> Dank der Fotodiode und Oszilloskop, die Feinabstimmung der Laserquelle so dass der Eingang Wellenlänge ist neben einer Resonanz. </li><li> Verbinden Sie den Ausgang Faser einer hochauflösenden optischen Spektrumanalysator und erhöhen die Leistungsaufnahme während etwas Verstimmung der Pump-Wellenlänge. New Frequenzen auf jeder Seite der Pumpe Peak erscheinen: dies ist ein Kerr optischen Frequenzkamm. </li><li> Zurückschalten auf die Photodiode, können wir beobachten die Schläge zwischen den unterschiedlichen spektralen Modi erstellt. Verwendung einer Mikrowellen-Bandpassfilter, kann man eine reine Frequenz in diesem elektrischen Signal zu isolieren mit sehr geringem Rauschen. </li></ol>

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Dieses Protokoll ermöglicht die Herstellung qualitativ Q optischen Resonatoren, um Licht in ihnen auslösen und nichtlineare Phänomene für verschiedene Mikrowellen-Photonik-Anwendungen. Der erste Schritt des Grobschleifen sollte seine Form Resonator ergeben. Nach einer Stunde Mahlen mit 10 um abrasive Pulver sollte einen Seite des Randes des Resonators sich bequem geformt (siehe Schema 2). Im folgenden Schritt wird die Oberfläche glätten des Resonators und bei ...

Whispering Gallery Mode-Resonatoren sind Scheiben oder Kugeln aus Mikro-oder Millimeterbereich Radius 1,2,3,4. Vorausgesetzt, dass der Resonator fast perfekt geformte (Nanometer-Größe Oberflächenrauhigkeit) ist, kann Laserlicht durch Totalreflexion innerhalb seiner Eigenmoden, die üblicherweise als Flüstern-Galerie-Modi (WGMs) bezeichnet werden gefangen werden. Ihre freie Spektralbereich (oder intermodale Frequenz) von GHz bis THz je nach Radius des Resonators variieren, während ihre Güte Q als außerordentlich hoch kann 5, die von 7. Oktober - 11. Oktober. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaft von Lagerung und Verlangsamung Licht, haben WGM optischen Resonatoren verwendet worden, um viele optische Signalverarbeitung Aufgaben 3 durchzuführen: Filterung, Verstärkung, Zeit-Verzögerung usw. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Fertigungstechnologien, um ihre beispiellose Qualität Faktoren sie für noch anspruchsvollere Anwendung in der Messtechnik oder Quantum-basierte Anwendungen 6-13. In diesen ultra-hohen Q-Resonatoren, induzieren das geringe Volumen der Entbindung, hohe Photonen-Dichte und lange Photonenlebensdauer (proportional zu Q) eine sehr starke Licht-Materie-Wechselwirkung, die die verschiedenen WGMs durch verschiedene nichtlineare Effekte können begeistern, wie Kerr, Raman oder Brillouin zum Beispiel 14-19. Mit nichtlineare Phänomene in Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren wurde als vielversprechender Paradigmenwechsel für ultra-reinen Mikrowelle und Lichtwellenerzeugung vorgeschlagen. Die Tatsache, dass dieses Thema so vielen Bereichen der Grundlagenforschung und Technologie schneidet ist ein klarer Indikator für die sehr starken potenziellen Auswirkungen auf ein breites Spektrum von Disziplinen. Insbesondere sind Luftfahrt-und Nachrichtentechnik Technologien, die derzeit in der Notwendigkeit vielseitiger Mikrowelle und Lichtwellensignals mit außergewöhnlichen Kohärenz. Der WGM-Technologie hat mehrere Vorteile gegenüber bestehenden oder anderen potenziellen Methoden: konzeptionelle Einfachheit höhere Robustheit, geringer Stromverbrauch, lange Lebensdauer, Unempfindlichkeit gegenüber Störungen, sehr kompaktes Volumen, Frequenz Vielseitigkeit, einfache Chip-Integration, sowie ein großes Potenzial für die Integration der Mainstream der Standard photonischen Komponenten sowohl für Mikrowelle und Lichtwelle Technologien. In Luft-und Raumfahrttechnik, sind Quarz Oszillatoren überwältigend dominant als Schlüssel Mikrowellen-Quellen für beide Navigationssysteme (Flugzeuge, Satelliten, Raumfahrzeuge, etc.) und-Detection-Systeme (Radare, Sensoren, etc.). Es wird jedoch einstimmig heute anerkannt, dass Frequenzstabilität Leistung von Quarz-Oszillatoren an seine Etage und wird nicht wesentlich mehr zu verbessern. Entlang der gleichen Linie, ist ihre Häufigkeit Vielseitigkeit begrenzt und wird kaum für ultra-stabile Mikrowelle Generation über 40 GHz ermöglichen. Mikrowelle photonischen Oszillatoren sollen diese Einschränkungen zu überwinden. Auf der anderen Seite, in der Nachrichtentechnik, Mikrowelle Photonic Oszillatoren werden auch erwartet, dass wichtige Komponenten werden in optischen Kommunikationsnetzwerken, wo sie die Lichtwelle / Mikrowelle Umwandlung mit beispielloser Effizienz durchführen würde. Sie sind auch kompatibel mit dem anhaltenden Trend der kompakten Full-optischen Komponenten in Lichtwelle Technologie, die ultra-schnelle Verarbeitung ermöglichen [up / down Konvertierung (de) Modulation, Verstärkung, Multiplexing, Mischen, etc.], ohne die Notwendigkeit zu manipulieren massiven (und dann langsam) Elektronen. Dieses Konzept der kompakten photonischen Schaltkreisen, wo Photonen steuern Photonen über nichtlineare Medien zielt darauf ab, den Engpass, die aus nahezu unbegrenzte optische Bandbreite gegenüber begrenzten optoelektronischen Verarbeitungsgeschwindigkeit zu umgehen. Optische Kommunikationssysteme sind auch sehr anspruchsvoll für ultra-geringes Phasenrauschen Mikrowellen, um sowohl die Taktung (geringes Phasenrauschen ist äquivalent zu niedrig Zeit-Jitter) und Bandbreite (Bitraten proportional zur Taktfrequenz) erfüllen. In der Tat, in der High-Speed-communication Netzwerke, wie zum Beispiel extrem stabilen Oszillatoren grundlegenden Artikeln für verschiedene Zwecke (lokalen Oszillator zum Aufwärts / Abwärts Frequenzumsetzung Netzwerk-Synchronisations-, Träger-Synthese, etc.). Nichtlineare Phänomene in WGM-Resonatoren auch neue Horizonte eröffnen der Forschung für andere Anwendungen, wie z. B. Raman-und Brillouin Lasern. Ganz allgemein lassen sich diese Phänomene in der breiteren Perspektive der nichtlineare Phänomene in optischen Resonatoren und Wellenleiter zusammengeführt werden, und es ist eine fruchtbare Paradigma für kristalline Silizium-Photonik oder. Die starke Beschränkung und sehr lange Lebensdauer der Photonen in den torusartigen WGMs bieten auch eine ausgezeichnete Prüfstand zu grundlegenden Fragen in der kondensierten Materie und der Quantenphysik untersuchen. Der Wettlauf um immer höhere Genauigkeit in elektromagnetische Signale trägt auch zur Quintessenz Fragen in der Physik, im Zusammenhang mit Relativitätstheorie (Tests für Lorentzinvarianz) oder die Messung von Naturkonstanten eine Antwortnd ihre mögliche Variation mit der Zeit. In diesem Artikel werden die verschiedenen Schritte, die zum kristallinen optischen Flüstern-Galerie-Modus (WGM) erhalten Resonatoren beschrieben und deren Charakterisierung erläutert. Ebenfalls vorgestellt wird das Protokoll, um die hohe Qualität verjüngten Faser benötigt paar Laserlicht in dieser Resonatoren zu erhalten. Schließlich ist ein Flaggschiff Anwendung dieser Resonatoren im Bereich der Mikrowellen Photonik, nämlich ultra-stabile Mikrowelle Generation mit Kerr Kämme, vorgestellt und diskutiert. Im ersten Abschnitt werden wir ausführlich das Protokoll gefolgt, um ultra-hohen Q WGM-Resonatoren zu erhalten. Unsere Methode beruht auf einem Ansatz schleifen und polieren, die erinnert an die Standard-Techniken verwendet, um optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel Teleskop polieren ist. Der zweite Abschnitt ist für die Charakterisierung der Oberflächenrauhigkeit gewidmet. Wir verwenden eine berührungslose weißes Licht interferometrischen Profilometers, um die Oberfläche zu messen roughness die Streuung induzierte Verluste Oberfläche und dadurch den Q-Faktor Performance führt. Dieser Schritt ist ein wichtiger experimentellen Test, um die Qualität des Polierens zu bewerten. Der dritte Abschnitt ist mit der Herstellung eine konische Silica-Faser mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich vorgenommen wird, um Licht in dem Resonator zu starten. Um solch kleinen Durchmessern zu erreichen, nehmen wir die &quot;Flamme-Bürsten&quot;-Technik, mit gleichzeitig computergesteuerte Motoren, um die Faser auseinander zu ziehen und eine Lötlampe, um die Faser Bereich verjüngt werden 20 erhitzen. Im vierten Abschnitt werden der Resonator und die sich verjüngenden Lichtleitfasern zueinander genähert, um das Resonanzsignal der Flüstergangmoden Modi unter Verwendung einer Wellenlänge Laserstrahlabtastung visualisieren. Wir zeigen im fünften Abschnitt, wie durch Erhöhung der optischen Leistung im Resonator, wir nichtlineare Phänomene auslösen, bis wir die Bildung von optischen Kerr Frequenzkämme beobachten zu verwalten, mit einem Spektrum von äquidistanten Spektrallinien. Als emphasized erwähnt, haben diese Kerr Kamm Spektren außergewöhnlichen Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technik 21-23 sind. Wir werden eine der bemerkenswertesten Anwendungen von WGM-Resonatoren durch den Nachweis eines optischen Multi-Wellenlängen-Signal, dessen Frequenz intermodalen ist ein ultra-stabile Mikrowelle zu betrachten.

<table><tbody><tr><td>Step motors 50 mm course</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3 axis nanostage</td><td>Physik Instrumente</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TUNICS tunable laser source</td><td>Yenista</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optical spectrum analyzer APEX</td><td>APEX Technologies</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

microwave photonics systems based on whispering-gallery-mode resonators

Mikrowelle Photonik Systeme stützen sich grundsätzlich auf die Wechselwirkung zwischen Mikrowellen-und optische Signale. Diese Systeme sind äußerst viel versprechend für verschiedene Bereiche der Technik und angewandte Wissenschaft, wie der Luftfahrt-und Kommunikationstechnik, Sensorik, Messtechnik, nichtlineare Photonik und Quantenoptik. In diesem Artikel präsentieren wir Ihnen die wichtigsten Techniken in unserem Labor verwendet werden, um Mikrowellen Photonik-Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren zu bauen. Erste in diesem Artikel beschrieben ist das Protokoll für Resonator Polieren, die auf einem Schleifen-und polnisch-Technik nahe denen, die verwendet werden, um optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel polieren Teleskop basiert. Dann wurde ein weißes Licht interferometrischen Profilometer Maßnahmen Oberflächenrauhigkeit ist die einer der wichtigsten Parameter, um die Qualität der Poliervorrichtung zu charakterisieren. Um Licht in dem Resonator zu starten, wird ein verjüngter Silica-Faser mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich eingesetzt. Um einen solchen kleinen Durchmesser erreichens, nehmen wir die &quot;Flamme-Bürsten&quot;-Technik, mit gleichzeitig computergesteuerte Motoren, um die Faser auseinander zu ziehen und eine Lötlampe, um die Faser zu beheizen verjüngt werden. Der Resonator und der sich verjüngende Faser später aneinander genähert, um das Resonanzsignal der Flüstergangmoden Modi unter Verwendung einer Wellenlänge Laserstrahlabtastung visualisieren. Durch die Erhöhung der optischen Leistung in dem Resonator, nichtlineare Phänomene ausgelöst werden, bis die Bildung eines Kerr optischen Frequenzkamm mit einem Spektrum von äquidistanten Spektrallinien beobachtet wird. Diese Kerr Kamm Spektren haben außergewöhnliche Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technik sind. Wir betrachten die Anwendung im Zusammenhang mit ultra-stabile Mikrowellen-Frequenz-Synthese und demonstrieren die Erzeugung eines Kerr Kamm mit intermodalen GHz Frequenz.

Das Fünf-Schritt-Protokoll ermöglicht, WGM-Resonatoren mit sehr hoher Qualität Faktoren für Mikrowellen photonische Anwendungen zu erhalten. Der erste Schritt zielt darauf ab, mit dem Resonator in die gewünschte Form zu geben, wie in Schema 2 dargestellt. Die größte Schwierigkeit ist hier, um eine Scheibe, deren Rand ist scharf genug, so dass es stark beschränken können die eingefangenen Photonen, ohne dass es zu strukturellen Fragilität von einem mechanischen Stan...

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Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Die angepasste Techniken in unserem Labor entwickelt, um Mikrowelle Photonik Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren bauen werden vorgestellt. Die Protokolle zu erhalten und zu charakterisieren diese Resonatoren sind detailliert, und eine Erklärung von einigen ihrer Anwendungen in Photonik Mikrowelle gegeben ist.

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

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Research

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Engineering

16.9K Aufrufe.  FEMTO-ST Institute. Die angepasste Techniken in unserem Labor entwickelt, um Mikrowelle Photonik Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren bauen werden vorgestellt. Die Protokolle zu erhalten und zu charakterisieren diese Resonatoren sind detailliert, und eine Erklärung von einigen ihrer Anwendungen in Photonik Mikrowelle gegeben ist.

Serie: Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

Herstellung von Silica Ultra High Quality Factor Mikroresonatoren

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Forschung

Ingenieurwesen

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The optical modes are frequently referred to as "whispering gallery modes" (WGM) or "morphology dependent resonances" (MDR) and exhibit high optical quality factors. Some proposed applications of micro-cavity optical resonators are in spectroscopy1, micro-cavity laser technology2, optical communications3-6 as well as sensor technology. The WGM-based sensor applications include those in biology7, trace gas detection8, and impurity detection in liquids9. Mechanical sensors based on microsphere resonators have also been proposed, including those for force10,11, pressure12, acceleration13 and wall shear stress14. In the present, we demonstrate a WGM-based electric field sensor, which builds on our previous studies15,16. A candidate application of this sensor is in the detection of neuronal action potential.
The electric field sensor is based on polymeric multi-layered dielectric microspheres. The external electric field induces surface and body forces on the spheres (electrostriction effect) leading to elastic deformation. This change in the morphology of the spheres, leads to shifts in the WGM. The electric field-induced WGM shifts are interrogated by exciting the optical modes of the spheres by laser light. Light from a distributed feedback (DFB) laser (nominal wavelength of ~ 1.3 &mu;m) is side-coupled into the microspheres using a tapered section of a single mode optical fiber. The base material of the spheres is polydimethylsiloxane (PDMS). Three microsphere geometries are used: (1) PDMS sphere with a 60:1 volumetric ratio of base-to-curing agent mixture, (2) multi layer sphere with 60:1 PDMS core, in order to increase the dielectric constant of the sphere, a middle layer of 60:1 PDMS that is mixed with varying amounts (2% to 10% by volume) of barium titanate and an outer layer of 60:1 PDMS and (3) solid silica sphere coated with a thin layer of uncured PDMS base. In each type of sensor, laser light from the tapered fiber is coupled into the outermost layer that provides high optical quality factor WGM (Q ~ 106). The microspheres are poled for several hours at electric fields of ~ 1 MV/m to increase their sensitivity to electric field.

A high-sensitivity photonic micro sensor was developed for electric field detection. The sensor exploits the optical modes of a dielectric sphere. Changes in the external electric field perturb the sphere morphology leading to shifts in its optical modes. The electric field strength is measured by monitoring these optical shifts.

Entwicklung von Whispering Gallery-Modus polymeren Mikro-optische Electric Field Sensoren

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

Implementierung eines Referenz-Interferometer für Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). In this article we will describe the methods for constructing and characterizing macroscopic disordered photonic structures using microwaves. The microwave regime offers the most convenient experimental sample size to build and test PBG media. Easily manipulated dielectric lattice components extend flexibility in building various 2D structures on top of pre-printed plastic templates. Once built, the structures could be quickly modified with point and line defects to make freeform waveguides and filters. Testing is done using a widely available Vector Network Analyzer and pairs of microwave horn antennas. Due to the scale invariance property of electromagnetic fields, the results we obtained in the microwave region can be directly applied to infrared and optical regions. Our approach is simple but delivers exciting new insight into the nature of light and disordered matter interaction.

Our representative results include the first experimental demonstration of the existence of a complete and isotropic PBG in a two-dimensional (2D) hyperuniform disordered dielectric structure. Additionally we demonstrate experimentally the ability of this novel photonic structure to guide electromagnetic waves (EM) through freeform waveguides of arbitrary shape.

Disordered structures offer new mechanisms for forming photonic bandgaps and unprecedented freedom in functional-defect designs. To circumvent the computational challenges of disordered systems, we construct modular macroscopic samples of the new class of PBG materials and use microwaves to characterize their scale-invariant photonic properties, in an easy and inexpensive manner.

Mit Mikrowelle und makroskopischen Proben der Dielektrische Festkörper, um die photonischen Eigenschaften ungeordneter photonische Bandlückenmaterialien Studieren

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors (MKIDs) for the detection of faint astrophysical signatures, as well as for quantum computing applications and materials characterization. In this paper, procedures are presented for the fabrication and characterization of thin-film superconducting microwave resonators. The fabrication methodology allows for the realization of superconducting transmission-line resonators with features on both sides of an atomically smooth single-crystal silicon dielectric. This work describes the procedure for the installation of resonator devices into a cryogenic microwave testbed and for cool-down below the superconducting transition temperature. The set-up of the cryogenic microwave testbed allows one to do careful measurements of the complex microwave transmission of these resonator devices, enabling the extraction of the properties of the superconducting lines and dielectric substrate (e.g., internal quality factors, loss and kinetic inductance fractions), which are important for device design and performance.

Superconducting microwave resonators are of interest for detection of light, quantum computing applications and materials characterization. This work presents a detailed procedure for fabrication and characterization of superconducting microwave resonator scattering parameters.

Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres can be thought as a store of energy with a huge variety of applications: compact laser sources, highly sensitive biochemical sensors and nonlinear phenomena. A protocol for the fabrication of both the microspheres and coupling system is given. The couplers described here are tapered fibers. Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS). A proof of the cavity-enhanced phenomenon is given by the lack of correlation among the pump, signal and idler: a resonant mode has to exist in order to obtain the pair of signal and idler. In the case of hyperparametric oscillations (four wave mixing and stimulated anti-stokes Raman scattering), the modes must fulfill the energy and momentum conservation and, last but not least, have a good spatial overlap.

Efficient generation of nonlinear phenomena related to third order optical non-linear susceptibility &#935;(3) interactions in triply resonant silica microspheres is presented in this paper. The interactions here reported are: Stimulated Raman Scattering (SRS), and four wave mixing processes comprising Stimulated Anti-stokes Raman Scattering (SARS).

Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

Rekombinationsdynamik in Dünnschicht-Photovoltaik-Materialien über zeitaufgelöste Mikrowellenleitfähigkeit

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.