Les systèmes photoniques à micro-ondes Basé sur des résonateurs-galerie-mode de chuchotement

Résumé

Les techniques personnalisées développées dans notre laboratoire pour construire des systèmes photoniques micro-ondes basé sur Q chuchotement mode galerie résonateurs ultra-hautes sont présentés. Les protocoles d'obtenir et de caractériser ces résonateurs sont détaillés, et une explication de certaines de leurs applications à micro-ondes photonique est donné.

Résumé

Systèmes photoniques à micro-ondes s'appuient fondamentalement sur l'interaction entre les micro-ondes et signaux optiques. Ces systèmes sont extrêmement prometteurs dans divers domaines de la technologie et des sciences appliquées, telles que l'aéronautique et génie des communications, la détection, la métrologie, la photonique non linéaire, et l'optique quantique. Dans cet article, nous présentons les principales techniques utilisées dans notre laboratoire pour construire des systèmes photoniques à base de micro-ondes Q chuchotement mode galerie résonateurs ultra-haute. Première détaillé dans cet article est le protocole pour le polissage résonateur, qui est basé sur une technique grind-and-polonais proche de ceux utilisés pour polir composants optiques tels que des lentilles ou des miroirs de télescope. Ensuite, un léger Mesures profilomètre rugosité de surface blanc interférométrique, qui est un paramètre clé pour caractériser la qualité du polissage. Pour l'amorçage de la lumière dans le résonateur, une fibre de silice conique avec un diamètre de l'ordre du micromètre est utilisé. Pour atteindre un tel petit diamètres, nous adoptons la technique "flamme-brossage", en utilisant des moteurs simultanément contrôlés par l'ordinateur pour tirer la fibre à part, et un chalumeau pour chauffer la zone fibre à être effilé. Le résonateur et la fibre effilée sont ensuite approchés les uns aux autres de visualiser le signal de résonance des modes de galerie à l'aide d'un laser de longueur d'onde de balayage. En augmentant la puissance optique dans les phénomènes non linéaires de résonateur, sont déclenchées jusqu'à la formation d'un peigne de fréquence optique Kerr est observée avec un spectre composé de raies spectrales équidistantes. Ces spectres de peigne Kerr ont des caractéristiques exceptionnelles qui conviennent à plusieurs applications de la science et de la technologie. Nous considérons que la demande liée à la synthèse ultra-stable fréquence micro-ondes et de démontrer la génération d'un peigne Kerr avec une fréquence intermodal GHz.

Introduction

Whispering Gallery Mode résonateurs sont des disques ou sphères de la micro-ou millimétrique rayon ^1,2,3,4. Pourvu que le résonateur est presque parfaitement en forme (taille nanométrique rugosité de surface), la lumière laser peut être piégée par réflexion interne totale dans ses modes propres, qui sont habituellement désignés comme modes murmure-galerie (WGMS). Leur gamme spectrale libre (ou fréquence intermodal) peut varier d'GHz à THz selon le rayon du résonateur, tandis que leur facteur de qualité Q peut être exceptionnellement élevé ^5, allant de ^{7 octobre au 11 octobre.} En raison de leur propriété unique de stockage et de ralentir la lumière, résonateurs optiques WGM ont été utilisés pour effectuer de nombreuses tâches de traitement de signaux optiques ^3: filtrage, amplification, le temps retardement, etc. Avec l'amélioration continue des technologies de fabrication, leurs facteurs de qualité sans précédent rendent approprié pour une application encore plus exigeante en matière de métrologie ou quantum applications basées ^6-13.

Dans ces résonateurs ultra-Q élevé, le faible volume de confinement, une forte densité de photons, et durée de vie du photon de longueur (proportionnelle à Q) induisent une interaction lumière-matière très forte, ce qui peut exciter les différents WGMS par divers effets non linéaires, comme Kerr, Raman ou Brillouin par exemple ^{de 14 à 19.} Utilisant des phénomènes non linéaires en chuchotant Mode Galerie résonateurs a été proposé comme un changement de paradigme prometteur pour micro-ondes ultra-pure et la production d'ondes lumineuses. Le fait que ce sujet recoupe de nombreux domaines de la science et de la technologie fondamentale est un indicateur clair de son impact potentiel très fort sur un large éventail de disciplines. En particulier, les technologies d'ingénierie aérospatiale et de la communication ont actuellement besoin de micro-ondes polyvalent et le signal d'onde lumineuse avec une cohérence exceptionnelle. La technologie WGM a plusieurs avantages par rapport aux méthodes existantes futurs ou autre: simplicité conceptuelle, hENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR robustesse, petite consommation d'énergie, une plus longue vie, immunité aux interférences, volume très compact, la polyvalence de fréquence, l'intégration de la puce facile, ainsi qu'un fort potentiel pour intégrer le courant dominant de composants photoniques standards pour les technologies micro-ondes et ondes lumineuses.

En génie aérospatial, oscillateurs à quartz sont largement dominante en tant que sources de micro-ondes pour les deux principaux systèmes de navigation (avions, satellites, engins spatiaux, etc) et les systèmes de détection (radars, capteurs, etc.) Cependant, il est unanimement reconnu aujourd'hui que la fréquence performances de stabilité des oscillateurs à quartz atteint son plancher, et ne va pas améliorer significativement plus. Dans la même ligne, leur versatilité de fréquence est limitée et ne sera guère permettre la génération de micro-ondes ultra-stable au-delà de 40 GHz. Micro-ondes photoniques oscillateurs sont attendus pour surmonter ces limitations. D'autre part, en communication ingénierie, micro-ondes photonOn s'attend également oscillateurs ic être des éléments clés dans les réseaux de communication optique où ils exerceraient l'onde lumineuse / micro-ondes conversion avec une efficacité sans précédent. Ils sont également compatibles avec la tendance actuelle des composants optiques compacts plein dans la technologie d'ondes lumineuses qui permettent un traitement ultra-rapide [up / down conversion, (de) modulation, amplification, de multiplexage, de mixage, etc] sans avoir besoin de manipuler massif (et puis, lentement) électrons. Ce concept de circuits photoniques compacts où les photons contrôlent photons via les médias non-linéaires vise à contourner le goulot d'étranglement provenant de la bande passante optique pratiquement illimitée contre limité la vitesse de traitement opto-électronique. Systèmes de communications optiques sont aussi très exigeants pour les micro-ondes de bruit ultra-faible de phase afin de satisfaire à la fois d'horloge (faible bruit de phase est équivalent à temps faible jitter) et la bande passante (débits augmenter proportionnellement à la fréquence d'horloge) exigences. En effet, en haut-débit communles réseaux de ication, tels oscillateurs ultra-stables sont des références fondamentales pour plusieurs objectifs oscillateur local (pour le haut / conversion de fréquence vers le bas, la synchronisation du réseau, de la synthèse de support, etc.)

Phénomènes non linéaires dans les résonateurs WGM ouvrent également de nouveaux horizons de recherche pour d'autres applications, telles que les lasers Raman et Brillouin. Plus généralement, ces phénomènes peuvent être fusionnés dans la perspective plus large de phénomènes non linéaires dans les cavités optiques et guides d'ondes, et c'est un paradigme fécond pour la photonique silicium cristallin ou. Le fort confinement et de très longue durée de vie des photons dans les WGMS en forme de tore offrent également un banc d'essai excellente pour enquêter sur des questions fondamentales en la matière condensée et de la physique quantique. La course au toujours plus grande précision des signaux électromagnétiques contribue également à répondre à des questions par excellence en physique, liés à la relativité (tests d'invariance de Lorentz), ou la mesure des constantes physiques fondamentales d'unend leur possible évolution dans le temps.

Dans cet article, les différentes étapes nécessaires à l'obtention-galerie-mode chuchotement résonateurs optiques cristallins (WGM) sont décrits et leur caractérisation est expliqué. Également présenté est le protocole pour obtenir la fibre conique de haute qualité nécessaire à la lumière laser couple dans ces résonateurs. Enfin, une application phare de ces résonateurs dans le domaine des micro-ondes photonique, à savoir ultra-stable génération de micro-ondes en utilisant Kerr peignes, est présenté et discuté.

Dans la première section, nous détaillons le protocole suivi pour obtenir des ultra-hautes Q WGM résonateurs. Notre méthode repose sur une approche grind et polonais, qui n'est pas sans rappeler les techniques classiques utilisées pour polir les composants optiques tels que des lentilles ou des miroirs de télescope. La deuxième section est consacrée à la caractérisation de la rugosité de surface. Nous utilisons un non-blanc contact profilomètre interférométrique la lumière pour mesurer la surface roughness qui mène à la surface des pertes induites par la diffusion et abaisser ainsi la performance du facteur Q. Cette étape est un test expérimental important d'évaluer la qualité du polissage. La troisième section porte sur la fabrication d'une fibre de silice conique avec un diamètre dans la gamme du micromètre, afin de lancer la lumière dans le résonateur. Pour atteindre ces petits diamètres, nous adoptons la technique "flamme-brossage", en utilisant des moteurs simultanément contrôlés par l'ordinateur pour tirer la fibre à part, et un chalumeau pour chauffer la zone fibre à être effilé ^20. Dans la quatrième section, le résonateur et la fibre effilée sont approchés les uns aux autres de visualiser le signal de résonance des modes de galerie à l'aide d'un laser de longueur d'onde de balayage. Nous montrons dans la cinquième section comment, en augmentant la puissance optique dans le résonateur, on arrive à déclencher des phénomènes non linéaires jusqu'à ce que nous observons la formation de Kerr fréquence optique peignes, avec un spectre composé de raies équidistantes. Comme emphasized ci-dessus, ces spectres en peigne Kerr ont des caractéristiques exceptionnelles qui conviennent à plusieurs applications à la fois la science et la technologie ^21-23. Nous allons examiner l'une des applications les plus remarquables de résonateurs WGM en démontrant un signal multi-longueur d'onde optique dont la fréquence intermodal est un micro-ondes ultra-stable.

Protocole

Le protocole consiste en 5 étapes principales: dans la première, la galerie de chuchotement en mode de résonateur est fait. Afin de contrôler la progression du polissage du résonateur, des mesures d'état de surface sont effectués. Dans la troisième étape, nous fabriquons l'outil qui va lancer la lumière dans le résonateur. Une fois ces deux outils principaux sont fabriqués, nous les utilisons pour visualiser résonances haute-Q optiques. Enfin, en utilisant un faisceau laser entrée de forte puissance, le résonateur se comporte de façon non linéaire et peignes Kerr sont produites.

1. Polissage le résonateur

A ce stade, une fenêtre optique cristalline résonateur (MgF ₂ ou CaF _2, facilement disponibles chez les détaillants de composants optiques) est façonnée et polie. Cette procédure de polissage les convertit en résonateurs WGM haute qualité. La tour de polissage personnalisée est présenté dans le schéma 1.

1. Coller la fenêtre optique cristalline sur uncoller qui peut être tenue par le moteur de broche avec palier à air.
2. Manteau un guide métallique en forme de V avec le tissu de support de polissage appropriée, et verser 10 um (poudres abrasives d'oxyde d'aluminium, de diamant ou de carbure de silicium) mélangés avec de l'eau. Cette approche guide pour le disque en rotation (environ 5000 rpm, 20 pression g) et commencer à moudre. En fonction du matériau et de la vitesse de filage, ce procédé peut durer de 2 heures (pour CaF ₂₎ à 4 h (pour MgF _2). Cette étape de polissage donnera sa forme bi-convexe au résonateur. A la fin de cette étape, le disque doit avoir la forme présentée dans le schéma 2.
3. L'étape suivante est généralement appelé "meulage et le polissage" procédure ^24. Elle consiste habituellement en répétant l'étape précédente avec des particules abrasives de taille 10 um, 3 pm, 1 pm, 250 nm, et enfin 100 nm. Le tissu de soutien doit être adaptée à la taille de chaque particule, étant moins raide pour des grains plus petits. Pour éviter les rayureset rayures, une translation horizontale du guide peut être effectuée. A chaque étape de broyage successives et le polissage, l'état de la surface doit être améliorée.

2. Contrôle de l'état de la surface

1. Un contrôle visuel sous un microscope optique est la première étape pour un contrôle de l'état de surface: le disque est opaque à la lumière dans les premières étapes, mais, après un succès 1 um polissage de particules, le disque devient transparent et ses côtés réfléchir la lumière: la manière on appelle poli optique a été atteinte et le facteur de qualité du résonateur doit être dans le ¹⁰ mai-10 juin gamme.
2. Pour les plus petits abrasif, l'œil n'est pas en mesure d'évaluer l'état de la surface, même en utilisant un microscope standard. À ce stade, une mesure interférométrique de l'état de surface est nécessaire. Utilisation d'un microscope équipé d'une lentille d'objectif d'interféromètre Mirau, et avec une source de lumière blanche. L'image du résonateur interfère wie un plan de référence, révélant ainsi une phase de la lumière blanche de décalage outil de traitement de la hauteur de la surface de manière indépendante au niveau de chaque point avec une résolution d'une fraction de la longueur d'onde, à savoir de quelques nanomètres. Cette mesure peut également être utilisée pour évaluer la courbure du disque ^25.
3. En modifiant la distance entre l'échantillon et l'objectif, de déterminer la phase de la réflexion optique de résonateur et de calculer les variations de hauteur de la surface. Cela peut être automatisés grâce à un ordinateur dédié, et une carte de la hauteur de la surface est créé, permettant la détermination de la rugosité de l'échantillon. Surveiller la rugosité de surface, comme expliqué dans la figure 1, et d'arrêter la procédure de meulage polissage lorsque les franges d'interférences sont le plus lisse possible.

3. Dessin du Cône

Pour coupler la lumière dans le résonateur, une très petite fibre optique est nécessaire: son diamètre doit être d'environ 3 pm(Environ 20 fois inférieure à celle d'un cheveu humain).

1. Dépouiller une fibre standard de silice monomode (SMF) de son plastique et le revêtement de polymère sur une participation d'environ 5 cm de longueur. A des fins de contrôle, la fibre doit être connectée à une source laser au niveau de son entrée, et une photodiode à sa sortie.
2. Fixer chaque dimension de la section non revêtue de la fibre à deux moteurs à haute résolution pilotée par ordinateur. Utilisation de l'interface de l'ordinateur des moteurs, les configurer pour se déplacer avec un mouvement accéléré en permanence, de sorte que chaque côté de la fibre sera déchirée.
3. Faire chauffer la fibre non couché entre les deux points de fixation avec une lampe de chalumeau pendant environ 1 min avant de commencer l'étirement. La flamme doit être doux afin de ne pas souffler la bougie loin une fois il est très petit.
4. Démarrez le mouvement des moteurs, et donc, l'étirement de la fibre. Une fois que le dessin est commencé, on peut contrôler l'envoi du cône à l'aide d'une source laser et une photodiode: motifs d'interférence volontéapparaître au cours du processus, leur fréquence augmentera, et, finalement, ils vont disparaître pour un diamètre de taille près de 1 um. A ce stade, le moteur et la flamme doivent être arrêtés simultanément.

4. Couplage de la lumière dans le résonateur WGM

A ce stade, le cône est utilisé pour coupler la lumière dans le résonateur et d'observer les modes propres de haute-Q de la cavité, qui sont représentés dans la figure 2.

1. Fixer le résonateur sur une platine de translation piézo-contrôlée 3 axes. Approcher au fuseau de fibres à une distance de moins de 1 um. La position relative du fuseau de fibres et le résonateur est surveillée, grâce à un microscope, et un miroir est utilisé pour commander le positionnement vertical et l'angle d'inclinaison.
2. Connectez le cône fibre à une diode laser visible: le résonateur doit être allumé lorsque le couplage est efficace, comme le montre la figure 3.
3. Connectez le cône en fibre deun laser en mode libre-hop avec une largeur de raie étroite (plus étroite que la largeur de raie de la résonance) à une extrémité, et une photodiode reliée à un oscilloscope sur l'autre extrémité. La réponse de la transmission du résonateur peut être obtenu par balayage de la longueur d'onde à l'entrée. Évaluer le facteur de qualité du résonateur à l'aide du spectre de transmission obtenu en calculant le rapport entre la fréquence de résonance des modes et leurs largeurs de raies (largeur totale à mi-hauteur).
4. Une mesure plus précise est réalisée à l'expérimentation "cavité torique en bas" ^26, où la longueur d'onde de balayage est suffisamment rapide pour obtenir des interférences entre la lumière de résonance se désintégrant dans le résonateur et la lumière désaccordé à un moment ultérieur. On peut affiner le positionnement du cône et le résonateur pour augmenter le facteur de couplage et obtenir le modèle typique de la figure 4. La courbe d'ajustement associé donne le facteur de qualité du résonateur.

5. Génération du Peigne

Dans cette dernière étape, un laser de pompe de forte puissance excite des effets non linéaires dans le résonateur.

1. Insérer un amplificateur optique entre le laser et le résonateur accordable.
2. Merci à la photodiode et un oscilloscope, d'affiner la source laser de sorte que la longueur d'onde d'entrée est à côté d'une résonance.
3. Connecter la fibre de sortie à un analyseur de spectre optique à haute résolution et d'augmenter la puissance d'entrée tout en désaccordant légèrement la longueur d'onde de pompe. Nouvelles fréquences apparaissent de chaque côté de la crête de la pompe: il s'agit d'un peigne de fréquence optique Kerr.
4. Mise en revenir à la photodiode, nous pouvons observer les coups entre les différents modes spectraux créés. L'utilisation d'un filtre passe-bande à microondes, on peut isoler une fréquence pure dans ce signal électrique à très faible bruit.

Résultats

Ce protocole en cinq étapes permet d'obtenir des résonateurs WGM avec des facteurs de très haute qualité pour des applications photoniques micro-ondes.

La première étape vise à donner au résonateur la forme souhaitée, telle que représentée sur le schéma 2. La principale difficulté ici est de fabriquer un disque dont la jante est assez forte pour que peut-il limiter fortement les photons piégés, sans conduire à la fragilité structurelle du point de vue m?...

Discussion

Ce protocole permet de produire des résonateurs optiques haute-Q, pour coupler la lumière en eux et déclencher des phénomènes non linéaires pour diverses applications photoniques.

La première étape de dégrossissage devrait donner sa forme à résonateur. Après une heure de broyage avec de la poudre abrasive de 10 um, d'un côté de la jante du résonateur doit être idéalement en forme (voir schéma 2). L'étape suivante sera lisser la surface du ...

matériels

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