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 border="1">
<tbody>
 <tr>
 <td> Material Name</td>
 <td>Company</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Step motors 50 mm course</td>
 <td>Thorlabs</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>3 axis nanostage</td>
 <td>Physik Instrumente</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>TUNICS tunable laser source</td>
 <td>Yenista</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Optical spectrum analyzer APEX</td>
 <td>APEX Technologies</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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16.8K 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

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

Herstellung Metamaterialien Mit dem Fiber Drawing Methode

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

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 ...

Analysis of Contact Interfaces for Single GaN Nanowire Devices

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit a strong degradation after annealing due to the occurrence of void formation at the contact/SiO2 interface. This void formation can cause cracking and delamination of the metal film, which can increase the resistance or lead to a complete failure of the NW device. In order to address issues associated with void formation, a technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from the substrates to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN NW devices. This procedure determines the degree of adhesion of the contact films to the substrate and NWs and allows for the characterization of the morphology and composition of the contact interface with the substrate and nanowires. This technique is also useful for assessing the amount of residual contamination that remains from the NW suspension and from photolithographic processes on the NW-SiO2 surface prior to metal deposition. The detailed steps of this procedure are presented for the removal of annealed Ni/Au contacts to Mg-doped GaN NWs on a SiO2 substrate.

A technique was developed that removes Ni/Au contact metal films from their substrate to allow for the examination and characterization of the contact/substrate and contact/NW interfaces of single GaN nanowire devices.

Die Analyse der Kontaktschnittstellen für Einzel GaN-Nanodraht-Geräte

Single GaN nanowire (NW) devices fabricated on SiO2 can exhibit  a strong degradation after annealing due to the  occurrence of void formation at the ...

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A single gold nanoparticle held by an optical tweezer is used as a sensor to quantify the rhythmic motion of a Nauplius larva (Artemia salina) in a water sample. This is achieved by monitoring the time dependent displacement of the trapped nanoparticle as a consequence of the Nauplius activity. A Fourier analysis of the nanoparticle&#39;s position then yields a frequency spectrum that is characteristic to the motion of the observed species. This experiment demonstrates the capability of this method to measure and characterize the activity of small aquatic larvae without the requirement to observe them directly and to gain information about the position of the larvae with respect to the trapped particle. Overall, this approach could give an insight on the vitality of certain species found in an aquatic ecosystem and could expand the range of conventional methods for analyzing water samples.

Analyzing the Movement of the Nauplius &#039;Artemia salina&#039; by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We use optical tracking of plasmonic nanoparticles to probe and characterize the frequency movements of aquatic organisms.

Die Analyse der Bewegung des Nauplios &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Von Optical-Tracking von Plasmonische Nanopartikel

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Schreiben-Bragg-Gitter in Multicore- Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

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 ...

Nanostructured Ag-zeolite Composites as Luminescence-based Humidity Sensors

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high external quantum efficiencies (EQE) and spans the whole visible spectrum. It has been recently reported that the UV excited luminescence of partially Li-exchanged sodium Linde type A zeolites [LTA(Na)] containing luminescent silver clusters can be controlled by adjusting the water content of the zeolite. These samples showed a dynamic change in their emission color from blue to green and yellow upon an increase of the hydration level of the zeolite, showing the great potential that these materials can have as luminescence-based humidity sensors at the macro and micro scale. Here, we describe the detailed procedure to fabricate a humidity sensor prototype using silver-exchanged zeolite composites. The sensor is produced by suspending the luminescent Ag-zeolites in an aqueous solution of polyethylenimine (PEI) to subsequently deposit a film of the material onto a quartz plate. The coated plate is subjected to several hydration/dehydration cycles to show the functionality of the sensing film.

A protocol for the synthesis of moisture-responsive luminescent Ag-zeolite composites is described in this report.

Nanostrukturierte Ag-Zeolith-Komposite als Lumineszenz-basierte Feuchtigkeitssensoren

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high ...

Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMs) has been studied for gas, chemical, and biomolecular sensing applications because the SRR is not affected by environmental characteristics such as the temperature and pressure surrounding the resonator. Electromagnetic radiation in THz frequencies is biocompatible, which is a critical condition especially for the application of the biomolecular sensing. However, the quality factor (Q-factor) and frequency responses of traditional thin-film based split ring resonator (SRR) MMs are very low, which limits their sensitivities and selectivity as sensors. In this work, novel nanopillar-based SRR MMs, utilizing displacement current, are designed to enhance the Q-factor up to 450, which is around 45 times higher than that of traditional thin-film-based MMs. In addition to the enhanced Q-factor, the nanopillar-based MMs induce a larger frequency shifts (17 times compared to the shift obtained by the traditional thin-film based MMs). Because of the significantly enhanced Q-factors and frequency shifts as well as the property of biocompatible radiation, the THz nanopillar-based SRR are ideal MMs for the development of biomolecular sensors with high sensitivity and selectivity without inducing damage or distortion to biomaterials. A novel fabrication process has been demonstrated to build the nanopillar-based SRRs for displacement current mediated THz MMs. A two-step gold (Au) electroplating process and an atomic layer deposition (ALD) process are used to create sub-10 nm scale gaps between Au nanopillars. Since the ALD process is a conformal coating process, a uniform aluminum oxide (Al2O3) layer with nanometer-scale thickness can be achieved. By sequentially electroplating another Au thin film to fill the spaces between Al2O3 and Au, a close-packed Au-Al2O3-Au structure with nano-scale Al2O3 gaps can be fabricated. The size of the nano-gaps can be well defined by precisely controlling the deposition cycles of the ALD process, which has an accuracy of 0.1 nm.

A protocol for the design and fabrication of a novel nanopillar-based split ring resonator (SRR) is presented.

Die Herstellung von Nanopillar-Based Split-Ring-Resonatoren für Verschiebungsstrom Mediated Resonances in Terahertz Metamaterialien

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMs) has been studied for gas, chemical, and biomolecular sensing applications because the SRR ...