Microondas Fotónica sistemas basados ​​en resonadores-gallery-mode Whispering

Resumen

Se presentan las técnicas personalizadas desarrolladas en nuestro laboratorio para construir sistemas de la fotónica de microondas basado en ultra-altas galería de los suspiros resonadores modo Q. Los protocolos para la obtención y caracterización de estos resonadores se detallan, y se da una explicación de algunas de sus aplicaciones en fotónica de microondas.

Resumen

Sistemas fotónica de microondas se basan fundamentalmente en la interacción entre microondas y señales ópticas. Estos sistemas son muy prometedores para diversas áreas de la tecnología y la ciencia aplicada, como la aeroespacial y la ingeniería de la comunicación, sensores, metrología, no lineal fotónica y óptica cuántica. En este artículo, se presentan las principales técnicas utilizadas en nuestro laboratorio para construir sistemas de la fotónica de microondas basado en ultra-altas galería de los suspiros resonadores modo Q. En primer lugar detalla en este artículo es el protocolo para el pulido resonador, que se basa en una técnica de molienda y pulido de cerca a las que se usan para pulir componentes ópticos tales como lentes o espejos de telescopios. Entonces, una medidas perfilómetro interferométrico rugosidad luz blanca superficie, que es un parámetro clave para caracterizar la calidad del pulido. Con el fin de poner en marcha la luz en el resonador, se utiliza una fibra de sílice cónica con un diámetro en el rango de los micrómetros. Para llegar tan pequeño diámetros, adoptamos la técnica de "flame-brushing", utilizando motores simultáneamente controlados por computadora para tirar de la fibra por sí, y un soplete para calentar el área de la fibra a ser cónica. El resonador y la fibra cónica más tarde se acercaron el uno al otro para visualizar la señal de resonancia de los modos de galería susurrante utilizando un láser de longitud de onda de exploración. Mediante el aumento de la potencia óptica en los fenómenos no lineales resonador, se activan hasta que se observa la formación de un peine de frecuencia óptica Kerr con un espectro hecho de líneas espectrales equidistantes. Estos espectros peine Kerr tiene características excepcionales que son adecuados para diversas aplicaciones en la ciencia y la tecnología. Consideramos que la aplicación relacionada con la síntesis de frecuencia de microondas de ultra-estable y demostramos la generación de un peine de Kerr con frecuencia GHz intermodal.

Introducción

Whispering galería resonadores modo son discos o esferas de micro o milimétrica radio ^1,2,3,4. A condición de que el resonador es casi perfecta forma (rugosidad superficial nanómetros de tamaño), la luz láser puede ser atrapado por reflexión interna total dentro de sus modos propios, que generalmente se conocen como modos susurro-galería (WGM). Su rango espectral libre (o frecuencia intermodal) puede variar de GHz para THz dependiendo de radio del resonador, mientras que su factor de calidad Q puede ser excepcionalmente alto ^5, que va desde julio ¹⁰ a noviembre 10. Debido a sus propiedades únicas de almacenamiento y ralentizar la luz, WGM resonadores ópticos se han utilizado para realizar muchas tareas de procesamiento de señales ópticas ^3: filtrado, amplificación, retraso de tiempo, etc. Con la mejora continua de las tecnologías de fabricación, sus factores de calidad sin precedentes hacen adecuados para aplicaciones más exigentes en materia de metrología o quantum aplicaciones basadas en ^6-13.

En estos resonadores de ultra-alta Q, el pequeño volumen de confinamiento, de alta densidad de fotones, y la larga vida útil de fotones (proporcional a Q) inducir una interacción luz-materia muy fuerte, que puede excitar los diferentes WGM a través de diversos efectos no lineales, como Kerr, Raman, o de Brillouin por ejemplo ^14-19. Usando los fenómenos no lineales en susurrando galería resonadores modo se propuso como un cambio de paradigma prometedor para microondas ultrapura y la generación de ondas de luz. El hecho de que este tema se cruza con muchas áreas de la ciencia y la tecnología fundamental es un claro indicador de su fuerte impacto potencial en una amplia gama de disciplinas. En particular, las tecnologías de ingeniería aeroespacial y la comunicación son actualmente necesitan microondas versátil y señal de onda de luz con coherencia excepcional. La tecnología WGM tiene varias ventajas sobre los métodos potenciales existentes o de otro: simplicidad conceptual, higher robustez, menor consumo de energía, tiempo de vida más largo, la inmunidad a las interferencias, volumen muy compacto, versatilidad frecuencia, una fácil integración de chip, así como un fuerte potencial para la integración de la corriente principal de los componentes fotónicos estándar tanto para las tecnologías de microondas y de ondas de luz.

En la ingeniería aeroespacial, osciladores de cuarzo son abrumadoramente dominante como fuentes de microondas clave tanto para los sistemas de navegación (aviones, satélites, naves espaciales, etc) y los sistemas de detección (radares, sensores, etc.) Sin embargo, se reconoce hoy por unanimidad que el rendimiento estabilidad de la frecuencia de los osciladores de cuarzo está llegando a su piso, y no mejorará significativamente más. En la misma línea, su versatilidad de frecuencias es limitado y difícilmente permitirá la generación de microondas ultra-estable más allá de 40 GHz. Se espera que los osciladores de microondas fotónicos para superar estas limitaciones. Por otra parte, en la comunicación de ingeniería, microondas fotónTambién se espera que los osciladores ic ser componentes clave en las redes de comunicación óptica en el que se realizará la conversión de ondas de luz / microondas con una eficiencia sin precedentes. Ellos también son compatibles con la tendencia en curso de componentes completa-ópticos compactos en la tecnología de ondas de luz, que permiten el procesamiento de ultra-rápido [Conversión arriba / abajo, (de) la modulación, la amplificación, la multiplexación, mezcla, etc], sin la necesidad de manipular masiva (y, a continuación, lento) electrones. Este concepto de circuitos fotónicos compactas donde los fotones controlan fotones a través de medios no lineales pretende eludir el cuello de botella procedente de ancho de banda óptica prácticamente ilimitada frente limitada velocidad de procesamiento optoelectrónico. Sistemas de comunicaciones ópticas son también muy exigentes para la ultra-bajas microondas de ruido de fase con el fin de satisfacer tanto clocking (bajo ruido de fase es equivalente a bajo tiempo de fluctuación de fase) y ancho de banda (las tasas de bits aumentará proporcionalmente a la frecuencia de reloj) requisitos. De hecho, en alta velocidad communicación redes, tales osciladores ultra-estables son referencias fundamentales para varios propósitos (oscilador local para arriba / abajo de conversión de frecuencia, la sincronización de la red, la síntesis de portadora, etc).

Fenómenos no lineales en resonadores WGM también abren nuevos horizontes de la investigación para otras aplicaciones, como el láser Raman y Brillouin. Más generalmente, estos fenómenos se pueden combinar dentro de la perspectiva más amplia de los fenómenos no lineales en cavidades ópticas y guías de onda, y es un paradigma fructífero para cristalino o fotónica de silicio. El confinamiento fuerte y muy larga vida útil de los fotones en los WGM toro-como también ofrecen un excelente banco de pruebas para investigar cuestiones fundamentales en materia condensada y la física cuántica. La carrera de precisión cada vez mayor en señales electromagnéticas también contribuye a responder a las preguntas por excelencia en la física, en relación con la relatividad (pruebas de invariancia de Lorentz), o la medición de las constantes físicas fundamentales de unND su posible variación con el tiempo.

En este artículo, los diferentes pasos necesarios para obtener resonadores-gallery en modo susurro ópticos cristalinos (WGM) se describen y su caracterización se explica. También se presenta es el protocolo para obtener la fibra cónica de alta calidad necesaria a la luz láser pareja en estos resonadores. Por último, una aplicación insignia de estos resonadores en el campo de la fotónica de microondas, a saber, la generación de ultra-estable microondas usando Kerr peines, se presenta y discute.

En la primera sección, se detalla el protocolo seguido para la obtención de muy alta WGM resonadores Q. Nuestro método se basa en un enfoque de molienda y pulido, que recuerda a las técnicas estándar que se utiliza para pulir componentes ópticos como lentes o espejos del telescopio. La segunda sección está dedicada a la caracterización de la rugosidad superficial. Utilizamos un sin contacto blanco perfilómetro interferométrico luz para medir la superficie roughness que conduce a la superficie de dispersión de las pérdidas inducidas y disminuir de este modo el rendimiento de factor Q. Este paso es una importante prueba experimental para evaluar la calidad del pulido. En la tercera sección se ocupa de la fabricación de una fibra de sílice cónica con un diámetro en el rango micrométrico para lanzar la luz en el resonador. Para llegar a estos pequeños diámetros, adoptamos la técnica de "flame-brushing", utilizando simultáneamente motores controlados por computadora para tirar de la fibra por sí, y un soplete para calentar la superficie de la fibra a ser cónica ^20. En la cuarta sección, el resonador y la fibra cónica se aproximan el uno al otro para visualizar la señal de resonancia de los modos de galería susurrante utilizando un láser de longitud de onda de exploración. Se demuestra en la quinta sección cómo, mediante el aumento de la potencia óptica en el resonador, logramos desencadenar fenómenos no lineales hasta que se observa la formación de Kerr frecuencia óptica peines, con un espectro hecho de líneas espectrales equidistantes. Como emphasized anteriormente, estos Kerr espectros de peine tiene características excepcionales que son adecuados para varias aplicaciones en la ciencia y la tecnología de ^21-23. Vamos a considerar una de las aplicaciones más destacadas de resonadores WGM, demostrando una señal multi-longitud de onda óptica cuya frecuencia intermodal es un microondas ultra-estable.

Protocolo

El protocolo consiste en 5 etapas: En la primera, el susurro-gallery-mode resonador se hace. Con el fin de controlar el progreso de la limpieza del resonador, las mediciones de estado de la superficie se llevan a cabo. En la tercera etapa, fabricamos la herramienta que pondrá en marcha la luz en el resonador. Una vez que esas dos herramientas principales son fabricados, los utilizamos para visualizar ópticos resonancias de alto-Q. Por último, utilizando un haz de láser de entrada de alta potencia, el resonador se comporta de manera no lineal y Kerr peines se producen.

1. Pulido del resonador

En esta etapa, una ventana óptica cristalina resonador _(MgF2 o CaF _2, fácilmente disponibles en distribuidores de los componentes ópticos) se forma y se pule. Este procedimiento de pulido los convierte en resonadores WGM de alta calidad. La torre de pulido personalizado se presenta en el Esquema 1.

1. Pegue la ventana óptica cristalina en unseguir que se llevará a cabo por el motor de giro del cojinete de aire.
2. Escudo una guía metálica en forma de V con el tejido de soporte de pulido adecuado, y verter 10 micras (polvos abrasivos de óxido de aluminio, diamante, o carburo de silicio) mezclados con agua. Acérquese a esta guía para el disco giratorio (aproximadamente 5000 rpm, 20 g de presión) y empezar a molerlo. Dependiendo del material y la velocidad de hilado, este proceso puede durar de 2 horas (para CaF ₂₎ a 4 horas (para _MgF2). Esta etapa de pulido dará su forma biconvexa al resonador. Al final de este paso, el disco debe tener la forma presentada en el Esquema 2.
3. El siguiente paso es generalmente llamado "esmerilado y pulido" procedimiento ^24. Por lo general consiste en la repetición de la etapa anterior con partículas abrasivas de tamaño de 10 m, 3 m, 1 m, 250 nm y 100 nm finalmente. El tejido de soporte debe ser adaptada a cada tamaño de partícula, que es menos rígida para granos más pequeños. Para evitar arañazosy rayas, una traslación horizontal de la guía se puede realizar. En cada paso de trituración sucesiva y pulido, el estado de la superficie debe ser mejorado.

2. Controlar el estado de la superficie

1. Un control visual bajo un microscopio óptico es el primer paso para un control de estado de la superficie: el disco es opaco a la luz en las primeras etapas, sin embargo, después de una exitosa 1 pulido partículas micras, el disco se vuelve transparente y sus caras reflejan la luz: el modo -llama se ha alcanzado pulimento óptico y el factor de calidad del resonador debe estar en el ^{5 10} hasta 06 10 gama.
2. Para abrasivo más pequeño, el ojo no es capaz de evaluar el estado de la superficie, incluso utilizando un microscopio estándar. En este punto, se necesita una medición interferométrica del estado de la superficie. Utilice un microscopio equipado con una lente de objetivo interferómetro Mirau y con una fuente de luz blanca. La imagen del resonador interfiere wiª un plano de referencia, revelando de esta manera por un cambio de fase de la luz blanca herramienta de procesamiento de la altura de la superficie de forma independiente en cada punto con una resolución de una fracción de la longitud de onda, es decir, unos pocos nanómetros. Esta medición también se puede utilizar para evaluar la curvatura del disco ^25.
3. Mediante la modificación de la longitud entre la muestra y el objetivo, determinar la fase óptica de la reflexión resonador y el cálculo de las variaciones de altura de la superficie. Esto puede ser automatizados gracias a un ordenador dedicado, y un mapa de la altura de la superficie es creado, lo que permite la determinación de la rugosidad de la muestra. Supervisar la rugosidad de la superficie, como se explica en la Figura 1, y detener el procedimiento de afilar y pulir cuando las franjas de interferencia son la más suave posible.

3. Dibujo de la forma cónica

Para acoplar la luz en el resonador, se necesita una muy pequeña de fibra óptica: su diámetro debe ser de alrededor de 3 micras(Alrededor de 20 veces más pequeño que un cabello humano).

1. Pele una fibra de sílice monomodo estándar (SMF) de la capa de polímero plástico y en una longitud de 5 cm aproximados. Para fines de control, la fibra debe ser conectado a una fuente de láser en su entrada, y un fotodiodo en su salida.
2. Fijar cada tamaño de la sección sin revestir de la fibra a dos motores de alta resolución controlado por ordenador. Uso de la interfaz de la computadora de los motores, configurar que se muevan con un movimiento uniformemente acelerado, de modo que cada lado de la fibra se retiró aparte.
3. Calentar la fibra sin revestimiento entre los dos puntos de fijación con una lámpara de soplete durante aproximadamente 1 min antes de iniciar el estiramiento. La llama debe ser suave para no soplar la vela de distancia una vez que es muy pequeña.
4. Iniciar el movimiento de los motores, y por lo tanto, el estiramiento de la fibra. Una vez que se inicia el dibujo, se puede controlar la transmisión del cono a través de una fuente de láser y un fotodiodo: patrones de interferencia seaparecer durante el proceso, su frecuencia aumentará, y, por último, que desaparecerá para un diámetro de la cintura cerca de 1 m. En esta etapa, el motor y la llama debe ser detenido al mismo tiempo.

4. Acoplamiento Luz en el resonador WGM

En esta etapa, la puesta a punto se utiliza para acoplar la luz en el resonador y para observar los modos propios de alta Q de la cavidad, que están representados en la Figura 2.

1. Fijar el resonador en una etapa de traducción Piezo-controlada de 3 ejes. Aproximación a la cinta por fibra a una distancia de menos de 1 m. La posición relativa de la cinta por fibra y el resonador se controla, gracias a un microscopio, y un espejo se utiliza para controlar la posición vertical y el ángulo de inclinación.
2. Conectar la cinta por fibra a un diodo láser visible: el resonador debe estar encendida cuando el acoplamiento es eficiente, como se muestra en la Figura 3.
3. Conecte el cono de fibra deun láser de modo libre-hop con una anchura de línea estrecha (más estrecha que la anchura de línea de la resonancia) a un extremo, y un fotodiodo conectado a un osciloscopio en el otro extremo. La respuesta de transmisión del resonador se puede obtener mediante el escaneo de la longitud de onda en la entrada. Evaluar el factor de calidad del resonador mediante el espectro de transmisión obtenido, mediante el cálculo de la relación entre la frecuencia de resonancia de los modos y sus anchuras de línea (anchura total a la mitad del máximo).
4. Una medición más precisa se ​​realiza con el experimento "-anillo de la cavidad hacia abajo" ^26, donde la longitud de onda de barrido es lo suficientemente rápido para obtener interferencias entre la luz resonante en descomposición en el resonador y la luz desafinado en un momento posterior. Uno puede ajustar con precisión el posicionamiento de la conicidad y el resonador para aumentar el factor Q de acoplamiento y obtener el patrón típico se muestra en la Figura 4. La curva de ajuste asociado da el factor de calidad del resonador.

5. Generar el peine

En esta última etapa, un láser de bombeo de alta potencia excita efectos no lineales en el resonador.

1. Insertar un amplificador óptico entre el láser sintonizable y el resonador.
2. Gracias a la fotodiodo y el osciloscopio, un ajuste fino de la fuente de láser de manera que la longitud de onda de entrada está al lado de una resonancia.
3. Conecte la fibra de salida a un analizador de espectros ópticos de alta resolución y aumentar la potencia de entrada, mientras que desafinar ligeramente la longitud de onda de la bomba. Nuevas frecuencias que aparecerán en cada lado del pico de la bomba: este es un peine de frecuencia óptica Kerr.
4. El cambio de nuevo al fotodiodo, podemos observar los golpes entre los diferentes modos espectrales creadas. El uso de un filtro de paso de banda de microondas, se puede aislar una frecuencia pura en esta señal eléctrica con muy bajo nivel de ruido.

Resultados

Este protocolo de cinco pasos permite obtener resonadores WGM con factores de muy alta calidad para aplicaciones fotónicas microondas.

El primer paso tiene como objetivo dar al resonador de la forma deseada, tal como se representa en el Esquema 2. La principal dificultad reside en la fabricación de un disco cuyo borde es bastante fuerte por lo que puede limitar fuertemente los fotones atrapados, sin dar lugar a la fragilidad estructural desde un punto de vista mecánico. E...

Discusión

Este protocolo permite producir resonadores ópticos de alta Q, para acoplar la luz en ellos y desencadenar fenómenos no lineales para diferentes aplicaciones de microondas fotónica.

La primera etapa de rectificado de desbaste debe dar su forma a resonador. Después de una hora de la molienda con el polvo abrasivo 10 micras, un lado de la llanta del resonador debe ser convenientemente en forma de (véase el Esquema 2). El siguiente paso será suavizar la superfici...

Materiales

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