מיקרוגל Photonics מערכות המבוססות על מהודי לחישות-גלריה של מצב

Summary

את הטכניקות שפותחו במעבדה המותאמות אישית שלנו לבנות מערכות מיקרוגל פוטוניקה המבוססת על תהודה גלריות מצב Ultra-Q גבוהה לחישות מוצגות. הפרוטוקולים להשיג ולאפיין תהודה אלה מפורטים, והסבר של חלק מהיישומים שלהם במיקרוגל Photonics הוא נתון.

Abstract

מערכות מיקרוגל פוטוניקה להסתמך ביסודו על האינטראקציה בין מיקרוגל ואותות אופטיים. מערכות אלו מבטיחות מאוד לתחומים שונים של טכנולוגיה ומדע יישומי, כגון תעופה וחלל ותקשורת הנדסה, חישה, מטרולוגיה, קוי Photonics, ואופטיקה קוונטית. במאמר זה, אנו מציגים את הטכניקות העיקריות המשמשות במעבדה שלנו לבנות מערכות מיקרוגל פוטוניקה המבוסס על תהודה גלריות מצב Ultra-Q גבוהה בלחש. מפורט ראשון במאמר זה הוא הפרוטוקול לליטוש מהוד, המבוסס על טכניקה לטחון ופולניה קרובה לאלה המשמשים כדי למרק רכיבים אופטיים, כגון עדשות או מראות טלסקופ. ואז, חספוס פני השטח באמצעים profilometer interferometric אור לבן, שהוא פרמטר מרכזי כדי לאפיין את איכות הליטוש. על מנת להפעיל את האור במהוד, נעשה שימוש בסיבי סיליקה מחודדים בקוטר בטווח מיקרומטר. כדי להגיע לקוטר קטן כזהים, נאמץ את הטכניקה "להבת צחצוח", בו זמנית באמצעות מנועים מבוקרים מחשב כדי לפרק את הסיבים, ומבער כדי לחמם את אזור הסיבים להיות מחודד. המהוד והסיבים מחודדים הם מאוחר יותר התקרבו זה לזה כדי להמחיש את אות התהודה של מצבי הגלריה לוחשים באמצעות לייזר באורך גל לסריקת. על ידי הגדלת כוח האופטי בתופעות מהוד, קוי מופעלים עד להיווצרותו של מסרק תדר אופטי קר הוא ציין עם קשת עשויה מקווי ספקטרום מרחקים שווים. יש ספקטרום מסרק קר אלה מאפייני יוצאי דופן שמתאימים לכמה יישומים בתחומי מדע וטכנולוגיה. אנו רואים ביישום הקשור לסינתזת תדר מיקרוגל אולטרה יציבה ולהדגים את הדור של מסרק קר בתדירות intermodal GHz.

Introduction

מצב תהודה גלריות לוחשת הן בדיסקים או בתחומי רדיוס מיקרו או millimetric ^1,2,3,4. ובלבד שהמהוד הוא כמעט בצורה מושלמת (חספוס פני השטח בגודל ננומטר), יכול להיות לכוד אור לייזר על ידי ההתבוננות פנימית מוחלטת בתוך eigenmodes, המכונים בדרך כלל מצבי לחישה-גלריה (WGMs). מגוון ללא הרפאים שלהם (או תדירות intermodal) יכול להשתנות מGHz לTHz בהתאם לרדיוס של המהוד, ואילו גורם איכותם ש יכול להיות גבוהה במיוחד ^5, החל מיולי ¹⁰ - נובמבר 10. בשל המאפיין הייחודי שלהם לאגור ולהאט את האור, הייתה בשימוש תהודה אופטית WGM לבצע משימות רבות עיבוד אותות אופטיים ^3: סינון, הגברה, בזמן עיכוב, וכו '. עם השיפור המתמיד של טכנולוגיות ייצור, גורמי האיכות חסרות התקדים שלהם להפוך אותם מתאימים ליישום גם תובעני יותר בהמטרולוגיה או קוואנטיישומים מבוססי-אום ^6-13.

בתהודת Q גבוהה במיוחד אלה, נפח הקטן של כליאה, צפיפות פוטון גבוהה, וכל חיים פוטון ארוכים (יחסית לש) לגרום לאינטראקצית אור עניין חזקה מאוד, שעשוי להלהיב את WGMs השונים באמצעות אפקטים קוי שונים, כמו קר, ראמאן, או רילואן למשל ^14-19. שימוש בתופעות לא לינאריות בלחש תהודה מצב גלריה הוצעה כשינוי פרדיגמה מבטיח למיקרוגל אולטרה טהור ודור Lightwave. העובדה שנושא זה חוצה כל כך הרבה תחומים של מדע וטכנולוגיה הבסיסיים היא אינדיקציה ברורה של פוטנציאל ההשפעה מאוד החזק שלה במגוון רחב של תחומים. בפרט, טכנולוגיות הנדסת אוירונוטיקה וחלל ותקשורת נמצאות כעת בצורך של מיקרוגל תכליתי ואות Lightwave עם לכידות יוצאות דופן. יש טכנולוגית WGM מספר יתרונות על פני שיטות קיימות פוטנציאליים או אחרות: פשטות רעיונית, higher חוסן, צריכת חשמל קטנה יותר, חיים ארוכים יותר, חסינות להפרעות, נפח קומפקטי מאוד, רבגוניות תדירות, שילוב שבב קל, כמו גם פוטנציאל חזק לשילוב הזרם המרכזי של רכיבים פוטוניים סטנדרטיים עבור שניהם מיקרוגל וטכנולוגיות Lightwave.

בהנדסת התעופה והחלל, מתנדים קוורץ הם ​​דומיננטיים גורף כמקורות מיקרוגל מפתח עבור שני מערכות ניווט (מטוסים, לווינים, חלליות, וכו ') ומערכות גילוי (מכ"מים, חיישנים וכו'). עם זאת, הוא הכיר פה אחד היום כי ביצועי יציבות תדר של מתנדים קוורץ הוא להגיע לקומה שלו, ולא ישפר באופן משמעותי יותר. לאורך אותו הקו, התדירות צדדיות שלהם מוגבל וכמעט לא לאפשר לדור מיקרוגל אולטרה יציב מעבר ל40 GHz. מתנדים פוטוניים מיקרוגל צפויים להתגבר על המגבלות האלה. מצד השני, בתקשורת הנדסה, מיקרוגל פוטוןמתנדים IC צפויים גם להיות מרכיבים מרכזיים ברשתות תקשורת אופטיות שבו הם יבצעו את המרת Lightwave / מיקרוגל עם יעילות חסרת תקדים. הם גם בקנה אחד עם המגמה המתמשכת של רכיבים אופטיים קומפקטיים מלאים בLightwave טכנולוגיה, המאפשרת עיבוד מהיר במיוחד [למעלה / למטה המרה, (דה) אפנון, הגברה, ריבוב, ערבוב, וכו '] ללא הצורך לתמרן מסיביים (ואז, לאט) אלקטרונים. זה רעיון של מעגלים פוטוניים הקומפקטיים שבו פוטונים פוטונים לשלוט באמצעות תקשורת קוי מטרה לעקוף את צוואר הבקבוק שמקורו מרוחב פס כמעט בלתי מוגבל לעומת אופטי מהירות עיבוד אופטו המוגבלת. מערכות תקשורת אופטיות גם הן מאוד תובעניות למיקרוגלי רעש מופע נמוכים במיוחד על מנת לספק את שניהם clocking (רעש מופע נמוך הוא שווה ערך לזמן ריצוד נמוך) ורוחב פס (-שיעורים קצת להגדיל באופן יחסי לתדר השעון) דרישות. למעשה, במהירות גבוהה communרשתות ication, מתנדים אולטרה יציבים כאלה הפניות יסוד לכמה מטרות (מתנד המקומי ללמעלה / למטה המרת תדר, סנכרון לרשת, סינתזת מנשא, וכו ').

תופעות לא לינאריות בתהודת WGM גם לפתוח אופקים חדשים של מחקר ליישומים אחרים, כגון לייזרי ראמאן ורילואן. באופן כללי יותר, תופעות אלה ניתן למזג בתוך נקודת המבט הרחבה יותר של תופעות לא לינאריות בחללים ובגלבו אופטיים, ואת זה הוא הפרדיגמה פורה עבור גבישים או סיליקון פוטוניקס. הכליאה החזקה ואורך החיים ארוכים מאוד של פוטונים לתוך WGMs דמוי טורוס מציעים גם בדיקת ספסל מצוינת לחקור סוגיות יסוד בחומר מעובה ופיסיקה הקוונטית. המירוץ לדיוק אי פעם עלה באותות אלקטרומגנטיים תורם גם כדי לענות על שאלות מובהקות בפיסיקה, הקשורים לתורת יחסות (מבחנים לinvariance ורנץ), או מדידה של קבועים פיסיקליים בסיסייםND הווריאציה האפשרית שלהם עם זמן.

במאמר זה, את השלבים השונים הנדרשים לקבלת לחישה-גלריה-mode (WGM) תהודה אופטית גבישיים מתוארים ואפיונם הוא הסביר. הציג גם הוא את הפרוטוקול כדי לקבל סיבים מחודדים באיכות הגבוהה נחוצים לזוג אור לייזר לתהודה אלה. לבסוף, יישום דגל של תהודה הללו בתחום המיקרוגל Photonics, דור מיקרוגל כלומר אולטרה יציב באמצעות מסרקים קר, הוא הוצג ונדון.

בחלקו הראשון, אנחנו פירוט הפרוטוקול אחריו כדי להשיג תהודה גבוהה במיוחד Q WGM. השיטה שלנו מסתמכת על לטחון וללטש את הגישה, שהוא מזכיר לטכניקות הסטנדרטיות המשמשות כדי למרק רכיבים אופטיים, כגון עדשות או מראות טלסקופ. החלק השני מוקדש לאפיון של חספוס פני השטח. אנו משתמשים בprofilometer interferometric אור ללא מגע לבן למדוד את משטח Roughness שמוביל אל פני השטח הפסדים המושרה פיזור ובכך להקטין את ביצועי הגורם ש. צעד זה הוא מבחן ניסיון חשוב להעריך את איכות הליטוש. החלק השלישי עוסק בייצור סיבי סיליקה מחודדים בקוטר בטווח מיקרומטר על מנת להשיק אור במהוד. כדי להגיע לקטרים ​​קטנים כאלה, נאמץ את הטכניקה "להבת צחצוח", בו זמנית באמצעות מנועים מבוקרים מחשב כדי לפרק את הסיבים, ומבער כדי לחמם את אזור הסיבים להיות מחודד ^20. בחלק הרביעי, המהוד והסיבים מחודדים הם התקרבו זה לזה כדי להמחיש את אות התהודה של מצבי הגלריה לוחשים באמצעות לייזר באורך גל לסריקת. אנחנו מראים בסעיף החמישי איך, על ידי הגדלת כוח האופטי במהוד, אנחנו מצליחות לעורר תופעות קוי עד שאנו רואים את היווצרות קר אופטי תדירות המסרקים, עם ספקטרום עשוי מקווי ספקטרום מרחקים שווים. כמו דוארmphasized לעיל, אלה יש ספקטרום מסרק קר מאפייני יוצאי דופן שמתאימים לכמה יישומים בטכנולוגית המדע ^ו21-23. אנו נשקול את אחד היישומים הבולטים ביותר של תהודה WGM על ידי הוכחת אות רב גל אופטי שintermodal תדר מיקרוגל אולטרה יציב.

Protocol

הפרוטוקול מורכב ב 5 שלבים עיקריים: בחלק הראשון אחד, התלחשויות, גלריה במצב המהוד הוא עשה. כדי לשלוט על התקדמות הליטוש של המהוד, מדידות מצב משטח מתבצעות. בשלב השלישי, אנו לפברק כלי שישיק אור במהוד. ברגע ששני הכלים העיקריים האלה מיוצרים, אנחנו משתמשים בם כדי להמחיש תהודות גבוהה Q אופטיים. לבסוף, בעזרת קרן לייזר קלט הספק גבוהה, המהוד מתנהג בצורה לינארית וקר מסרקים מיוצרים.

1. ליטוש מהוד

בשלב זה, חלון אופטי גבישי מהוד (MGF ₂ או ₂ קפה, זמין מקמעונאים רכיב אופטיים) הוא צורה ומלוטשת. הליך ליטוש זה ממיר אותם לתהודת WGM באיכות גבוהה. מגדל הליטוש המותאם אישית מוצג בתכנית 1.

1. דבק החלון האופטי בגבישיםמקל שיכול להיות מוחזק על ידי ציר מנוע נושאות האוויר.
2. מעיל מדריך מתכתי בצורת V עם רקמת תמיכת הליטוש המתאימה, ושופך 10 אבקות שוחקות מיקרומטר (תחמוצת אלומיניום, יהלומים, או סיליקון קרביד) מעורבבות עם מים. לפנות למדריך זה הדיסק מסתובב (כ 5,000 סל"ד, לחץ גרם 20) ולהתחיל חיקית אותו. תלוי בחומר ואת מהירות ספינינג, תהליך זה יכול להימשך בין שעה 2 (לקפה) ₂ עד 4 שעות (לMGF _2). צעד זה ייתן לי ליטוש הצורה דו הקמורה שלה למהוד. בסופו של שלב זה הדיסק צריך להיות בצורה שהוצגה בתכנית 2.
3. השלב הבא נקרא בדרך כלל "השחזה וליטוש" הליך ^24. זה בדרך כלל מורכב בחוזר על השלב הקודם עם חלקיקים שוחקים של גודל 10 מיקרומטר, 3 מיקרומטר, 1 מיקרומטר, 250 ננומטר, ולבסוף 100 ננומטר. רקמת התמיכה צריכה להיות מותאמת לכל גודל חלקיקים, להיות פחות נוקשה לגרגרים קטנים יותר. כדי למנוע סריטותוניתן לבצעו פסים, תרגום אופקי של המדריך. בכל שלב של טחינה רצופה וליטוש, המצב של המשטח צריך להיות שיפור.

2. שליטה על המדינה של פני השטח

1. בקרה ויזואלית תחת מיקרוסקופ אופטי היא הצעד הראשון לשליטת מדינת פני השטח: הדיסק הוא אטום לאור בשלבים הראשונים, אולם לאחר ליטוש חלקיק 1 מיקרומטר מוצלח, הדיסק הופך להיות שקוף וצדדיה לשקף את האור: כך מכונה ליטוש אופטי כבר הגיע וגורם האיכות של המהוד צריך להיות ^ב05-10 אוקטובר טווח ^6.
2. כדי ללטש את קטן יותר, העין אינה מסוגלת להעריך את מצבו של השטח, אפילו באמצעות מיקרוסקופ רגיל. בשלב זה, יש צורך במדידת interferometric של מדינת פני השטח. השתמש במיקרוסקופ מצויד בעדשה אובייקטיבית אינטרפרומטר Mirau ועם מקור אור לבן. התמונה של המהוד מפריעה wiה מישור התייחסות, ובכך חושף ידי שלב אור לבן הסטת כלי עיבוד פני השטח באופן עצמאי גובה בכל נקודה עם רזולוציה של שבריר של אורך הגל, כלומר כמה ננומטרים. מדידה זו יכולה לשמש גם כדי להעריך את העקמומיות של הדיסק ^25.
3. על ידי שינוי האורך בין המדגם והאובייקטיבי, לקבוע את השלב האופטי של השתקפות המהוד ולחשב את וריאציות הגובה של פני השטח. זה יכול להיות תודה אוטומטית למחשב ייעודי, ומפה של פני שטח הגובה נוצרה, המאפשרת קביעת החספוס של המדגם. לפקח על חספוס פני השטח כפי שמוסבר באיור 1, ולהפסיק את הליך השחזת ליטוש כאשר שולי ההפרעה הם קלים ביותר שניתן.

3. ציור פיד

לבני זוג אור במהוד, יש צורך בסיב אופטי קטן מאוד: קוטרו צריך להיות בסביבות 3 מיקרומטר(כ 20 פעמים יותר מאשר שיער אדם).

1. רצועת סיבים סטנדרטי במצב יחיד סיליקה (SMF) את הפלסטיק שלה וציפוי פולימר באורך 5 ס"מ בערך. למטרות ניטור, הסיבים צריכים להיות מחוברים למקור לייזר בקלט שלה, וphotodiode בתפוקה שלה.
2. תקן את כל גודלו של הסעיף ללא ציפוי של הסיבים לשני מנועים מבוקרים מחשב ברזולוציה גבוהה. באמצעות ממשק המחשב של מנועים, להגדיר להם לנוע בתנועה מואצת כל הזמן, כך שכל צד של הסיבים יהיה נקרע לגזרים.
3. מחממים את הסיבים ללא ציפוי בין שתי נקודות הקיבוע עם מנורת מבער כ 1 דקות לפני תחילת המתיחות. הלהבה צריכה להיות עדינה כדי לא לפוצץ להתחדד משם ברגע שהוא הוא קטן מאוד.
4. התחל את תנועת מנועים, ובכך, המתיחה של הסיבים. ברגע שהוא התחיל את הציור, אפשר לפקח על השידור של להתחדד באמצעות מקור לייזר וphotodiode: דפוסי התערבות יהיותופיע במהלך התהליך, תדירותם תגדל, ולבסוף, הם ייעלמו לקוטר המותניים ליד 1 מיקרומטר. בשלב זה, את המנוע ואת הלהבה יש להפסיק בו זמנית.

4. צימוד אור במהוד WGM

בשלב זה, להתחדד משמש לבני זוג אור במהוד ולקיים את eigenmodes גבוהה שאלות של החלל, אשר מיוצגים באיור 2.

1. תקן את המהוד בשלב תרגום Piezo מבוקר 3 צירים. להתקרב אליו כדי להתחדד סיבים במרחק של פחות מ 1 מיקרומטר. המיקום היחסי של הסיבים להתחדד והמהוד מנוטר, הודות למיקרוסקופ, ומראה משמש לשליטה על המיקום האנכי וזווית הטיה.
2. חבר את להתחדד הסיבים לדיודת לייזר גלוי: המהוד צריך להיות מואר כאשר הצימוד הוא יעיל, כפי שמוצג באיור 3.
3. להתחבר לסיבים להתחדדלייזר מצב חופשי הופ עם linewidth צרה (צרה יותר מlinewidth של התהודה) בקצה אחד, וphotodiode המחובר לאוסצילוסקופ בצד השני. תגובת העברת המהוד ניתן להשיג על ידי סריקה באורך גל הקלט. להעריך את גורם האיכות של המהוד באמצעות ספקטרום השידור הושג, על ידי חישוב היחס בין תדר התהודה של המצבים וlinewidths (כל רוחב בחצי לכל היותר).
4. מדידה מדויקת יותר מתבצעת עם הניסוי "חלל טבעת למטה" ^26, שבו הגל סוחף מספיק מהיר כדי להשיג הפרעות בין האור המהדהד ריקבון במהוד ואור detuned בכל פעם שלאחר מכן. אפשר לכוונן את המיקום של להתחדד והמהוד להגדיל את צימוד Q-הפקטור ולקבל את הדפוס האופייני מוצג באיור 4. עקומת הכושר קשורה נותנת גורם האיכות של המהוד.

5. יצירת המסרק

בשלב האחרון זה, לייזר משאבת הספק גבוה מרגש את ההשפעות קוי במהוד.

1. הכנס מגבר אופטי בין לייזר מתכונן והמהוד.
2. הודות לphotodiode ואוסצילוסקופ, לכוונן את מקור לייזר כך שאורך גל הקלט הוא בסמוך לתהודה.
3. חבר את סיבי הפלט למנתח ספקטרום אופטי ברזולוציה גבוהה ולהגדיל את כוח הקלט תוך detuning גל המשאבה מעט. תדרים חדשים יופיעו בכל צד של שיא המשאבה: זה מסרק תדר אופטי קר.
4. מעבר בחזרה לphotodiode, אנו יכולים לראות את המכות בין המצבים השונים של הספקטרום שנוצרו. באמצעות מסנן להקה עובר מיקרוגל, אפשר לבודד טהור בתדר אות חשמלי זה עם רעש נמוך מאוד.

תוצאות

פרוטוקול חמישה צעד זה מאפשר להשיג תהודה WGM עם גורמים באיכות גבוהות מאוד עבור יישומים פוטוניים מיקרוגל.

הצעד הראשון שמטרתו לתת לצורה הרצויה מהוד, כפי שהיא מיוצגת בתכנית 2. הקושי העיקרי כאן הוא לייצר דיסק שפה שלו הוא חד מספ?...

Discussion

פרוטוקול זה מאפשר לייצר תהודה אופטית גבוהה שאלות, לזוג אור לתוכם ולעורר תופעות לא קוי עבור יישומי מיקרוגל פוטוניקה שונים.

הצעד הראשון של טחינה גסה צריך לתת את צורתו למהוד. אחרי שעה של טחינה עם אבקת קרצוף 10 מיקרומטר, צד אחד של ?...

Materials

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