Microonde Photonics sistemi basati su risonatori-galleria-mode Whispering

Riepilogo

Le tecniche personalizzate sviluppate nel nostro laboratorio per la costruzione di sistemi fotonici a microonde sulla base di ultra-alto Q galleria dei sussurri modalità risonatori sono presentati. I protocolli per ottenere e caratterizzare questi risuonatori sono dettagliate, e una spiegazione di alcune delle loro applicazioni in fotonica a microonde è dato.

Abstract

Sistemi fotonici Microonde basano fondamentalmente sulle interazioni tra microonde e segnali ottici. Questi sistemi sono estremamente promettenti per i vari settori della tecnologia e della scienza applicata, come quello aerospaziale e della comunicazione tecnica, rilevamento, metrologia, non lineare fotonica e dell'ottica quantistica. In questo articolo, vi presentiamo le principali tecniche utilizzate nel nostro laboratorio per la costruzione di sistemi fotonici a microonde basati su ultra-alto Q galleria dei sussurri modalità risonatori. Prima dettagliato in questo articolo è il protocollo per la lucidatura risonatore, che è basato su una tecnica per rettifica e lucidatura-vicino a quelli usati per lucidare componenti ottici quali lenti o specchi telescopio. Poi, una luce bianca interferometrico profilometro misure rugosità della superficie, che è un parametro essenziale per caratterizzare la qualità della lucidatura. Al fine di avviare luce nel risonatore, viene utilizzata una fibra di silice rastremata con diametro dell'ordine di micrometri. Per raggiungere tale piccolo diametros, si adotta la tecnica "fiamma-spazzolatura", utilizzando motori simultaneamente controllati dal computer per tirare la fibra a parte, e una fiamma ossidrica per riscaldare la superficie della fibra per essere rastremata. Il risonatore e la fibra rastremata sono successivamente avvicinati l'uno all'altro per visualizzare il segnale di risonanza dei modi sussurrando galleria utilizzando una lunghezza d'onda laser-scanning. Aumentando la potenza ottica nelle risonatore, fenomeni non lineari sono innescati finchè non si osserva la formazione di un pettine di frequenza Kerr ottico con uno spettro fatto di linee spettrali equidistanti. Questi spettri pettine Kerr hanno caratteristiche eccezionali che sono adatti per numerose applicazioni nel campo della scienza e della tecnologia. Consideriamo l'applicazione relativa a sintesi di frequenza a microonde ultra stabile e dimostriamo la generazione di un pettine con Kerr GHz di frequenza intermodale.

Introduzione

Whispering Gallery Mode risonatori sono dischi o sfere di micro-o millimetrica raggio ^1,2,3,4. A condizione che il risonatore è quasi perfettamente sagomato (nanometro-size rugosità superficiale), la luce laser può essere intrappolato dalla riflessione interna totale entro i suoi modi di vibrare, che di solito sono indicati come modalità sussurro-gallery (WGMS). La loro gamma di libero spettrale (o frequenza intermodale) può variare dai GHz ai THz in funzione del raggio del risonatore, mentre il loro fattore di qualità Q può essere eccezionalmente alto ^5, che vanno dal ¹⁰ luglio-10 Novembre. Grazie alla loro proprietà unica di stoccaggio e di rallentare la luce, risonatori ottici WGM sono stati utilizzati per eseguire diverse operazioni di elaborazione dei segnali ottici ^3: filtraggio, amplificazione, tempo-ritardando, ecc. Con il continuo miglioramento delle tecnologie di fabbricazione, i loro fattori di qualità senza precedenti li rendono adatti per l'applicazione ancora più esigente in metrologia o quantapplicazioni um basate ^6-13.

In queste altissime risonatori Q, il piccolo volume di confinamento, ad alta densità di fotoni, e lunga durata fotoni (proporzionale a Q) indurre un'interazione luce-materia molto forte, che può eccitare i vari WGMS attraverso vari effetti non lineari, come Kerr, Raman o Brillouin per esempio ^14-19. Utilizzo di fenomeni non lineari in sussurrando modalità galleria risonatori è stata proposta come un cambiamento di paradigma promettente per microonde ultra-pura e la generazione di Lightwave. Il fatto che questo argomento interseca molte aree della scienza e della tecnologia fondamentale è un chiaro indicatore del suo forte impatto potenziale su una vasta gamma di discipline. In particolare, le tecnologie di ingegneria aerospaziale e della comunicazione sono attualmente bisogno di microonde versatile e segnale Lightwave con coerenza eccezionale. La tecnologia WGM ha diversi vantaggi rispetto ai metodi prospettici esistenti o altro: semplicità concettuale, higher robustezza, minore consumo di energia, durata più lunga, l'immunità alle interferenze, il volume molto compatto, la versatilità di frequenza, l'integrazione di chip facile, così come un forte potenziale per l'integrazione del mainstream dei componenti fotonici standard sia per il forno a microonde e di tecnologie di Lightwave.

In ingegneria aerospaziale, oscillatori al quarzo sono gran lunga dominante come fonti microonde chiave per entrambi i sistemi di navigazione (aerei, satelliti, astronavi, ecc) e di sistemi di rilevazione (radar, sensori, ecc.) Tuttavia, si è unanimemente riconosciuto oggi che le prestazioni stabilità di frequenza di oscillatori al quarzo sta raggiungendo il suo piano, e non migliorerà in modo significativo più. Lungo la stessa linea, la loro versatilità frequenza è limitata e difficilmente consentirà di generazione delle microonde ultra stabile oltre 40 GHz. Microonde oscillatori fotonici sono tenuti a superare questi limiti. D'altra parte, in comunicazione ingegneria, microonde fotoneic oscillatori sono inoltre tenuti a essere componenti chiave nelle reti di comunicazione ottica dove sarebbero eseguire la Lightwave / microonde conversione con un'efficienza senza precedenti. Sono inoltre compatibili con l'attuale tendenza di componenti full-ottici compatti nella tecnologia Lightwave, che consentono trattamenti ultraveloce [up / down conversione, (de) modulazione, amplificazione, multiplexing, miscelazione, ecc] senza la necessità di manipolare massiccia (e poi, lento) elettroni. Questo concetto di circuiti fotonici compatte dove i fotoni controllano fotoni attraverso mezzi non lineari si propone di aggirare il collo di bottiglia proveniente dalla larghezza di banda ottica praticamente illimitata contro limitata velocità di elaborazione optoelettronici. Sistemi di comunicazione ottici sono anche molto impegnative per microonde rumore ultra-basso di fase, al fine di soddisfare sia clocking (basso rumore di fase è equivalente a basso tempo-jitter) e larghezza di banda (bit-rate aumenta proporzionalmente alla frequenza di clock) requisiti. Infatti, in alta velocità communreti icazione, tali oscillatori ultra-stabili sono riferimenti fondamentali per diversi scopi (oscillatore locale per up / down conversione di frequenza, sincronizzazione di rete, sintesi carrier, ecc).

Fenomeni non lineari in risonatori WGM aprono anche nuovi orizzonti di ricerca per altre applicazioni, come ad esempio i laser Raman e Brillouin. Più in generale, questi fenomeni possono essere uniti nella prospettiva più ampia di fenomeni non lineari in cavità ottiche e guide d'onda, ed è un paradigma fecondo per la fotonica cristallino o silicio. La forte confinamento e molto lunga durata dei fotoni nelle WGMS toro-come offrono anche un ottimo banco di prova per indagare le questioni fondamentali in materia condensata e fisica quantistica. La gara di sempre maggiore precisione in segnali elettromagnetici contribuisce anche a rispondere alle domande per eccellenza nel campo della fisica, legati alla relatività (test per l'invarianza di Lorentz), o la misurazione delle costanti fisiche fondamentali di unnd loro possibile variazione nel tempo.

In questo articolo, i diversi passaggi necessari per ottenere la-galleria-mode sussurri (WGM) risonatori ottici cristallini vengono descritti e la loro caratterizzazione è spiegato. Presentato anche il protocollo per ottenere la fibra rastremata alta qualità necessaria per la luce laser paio in questi risuonatori. Infine, una applicazione di punta di questi risuonatori nel campo delle microonde fotonica, cioè ultra stabile di generazione delle microonde utilizzando Kerr pettini, è presentato e discusso.

Nella prima sezione, abbiamo dettaglio il protocollo seguito per ottenere ultra-alto Q WGM risonatori. Il nostro metodo si basa su un approccio di limatura e lucidatura, che ricorda le tecniche standard utilizzate per lucidare i componenti ottici come lenti o specchi del telescopio. La seconda sezione è dedicata alla caratterizzazione della rugosità superficiale. Noi usiamo una luce senza contatto bianco profilometro interferometrico per misurare la superficie roughness che porta ad affiorare perdite dispersione indotte e quindi abbassare il fattore Q prestazioni. Questo passo è una prova sperimentale importante per valutare la qualità della lucidatura. La terza sezione riguarda la fabbricazione di una fibra di silice rastremata con diametro compreso nell'intervallo micrometro per lanciare luce nel risonatore. Per raggiungere tali piccoli diametri, si adotta la tecnica del "flame-brushing", utilizzando i motori contemporaneamente controllati dal computer per tirare la fibra a parte, e una fiamma ossidrica per riscaldare la zona della fibra di essere rastremata ^20. Nella quarta sezione, il risonatore e la fibra rastremata vengono avvicinati l'uno all'altro per visualizzare il segnale di risonanza dei modi sussurrando galleria utilizzando una lunghezza d'onda laser-scanning. Mostriamo nella quinta sezione come, aumentando la potenza ottica nel risonatore, riusciamo a innescare fenomeni non lineari finché si osserva la formazione di Kerr frequenza ottica pettini, con uno spettro fatto di linee spettrali equidistanti. Come emphasized sopra, questi spettri pettine Kerr hanno caratteristiche eccezionali che sono adatti per numerose applicazioni sia nella scienza e nella tecnologia ^21-23. Noi prenderemo in considerazione una delle applicazioni più rilevanti di risonatori WGM dimostrando un segnale multi-lunghezza d'onda ottica la cui frequenza intermodale è un forno a microonde ultra-stabile.

Protocollo

Il protocollo consiste in 5 fasi principali: nella prima, si fa il sussurro-galleria-mode risonatore. Al fine di controllare l'andamento della lucidatura del risonatore, misurazioni di stato di superficie sono effettuate. Nella terza fase, si fabbricare lo strumento che lancerà luce nel risonatore. Una volta che questi due strumenti principali sono realizzati, li usiamo per visualizzare ottici risonanze di alta q. Infine, utilizzando un raggio laser ingresso ad alta potenza, il risonatore si comporta in modo non lineare e Kerr pettini sono prodotti.

1. Lucidatura del risonatore

In questa fase, una finestra ottica cristallino risonatore (MgF ₂ o CaF _2, facilmente reperibili presso i rivenditori di componenti ottici) è sagomato e lucidato. Questa procedura di lucidatura li converte in risonatori WGM alta qualità. La torre di lucidatura personalizzato è presentato nello Schema 1.

1. Colla finestra ottica cristallino su unabastone che può essere tenuto dal motore mandrino cuscinetto d'aria.
2. Cappotto una guida metallica a forma di V con il tessuto di sostegno lucidatura appropriato, e versare 10 polveri abrasive micron (ossido di alluminio, diamante o carburo di silicio) mescolati con acqua. Approccio questa guida per il disco rotante (circa 5.000 giri, pressione 20 g) e iniziare a macinare esso. A seconda del materiale e della velocità di filatura, questo processo può durare da 2 ore (per CaF ₂₎ per 4 hr (per MgF _2). Questa fase di lucidatura darà la sua forma bi-convessa al risonatore. Al termine di questa fase il disco avrà la forma presentato nello Schema 2.
3. Il passo successivo è generalmente chiamato "levigatura e lucidatura" Procedura ^24. Esso consiste tipicamente nel ripetere il passaggio precedente con particelle abrasive di dimensione 10 micron, 3 micron, 1 micron, 250 nm, e infine 100 nm. Il tessuto di sostegno deve essere adattato ad ogni dimensione delle particelle, essendo meno rigida per i grani più piccoli. Per evitare graffie strisce, una traslazione orizzontale della guida può essere eseguita. Ad ogni passo successivo di molatura e lucidatura, lo stato della superficie dovrebbe essere migliorata.

2. Controllo dello Stato della superficie

1. Un controllo visivo al microscopio ottico è il primo passo per un controllo di stato di superficie: il disco è opaco alla luce nei primi stadi, tuttavia, dopo un successo 1 micron lucidatura particella, il disco diventa trasparente e suoi lati riflettere la luce: così l' -chiamato smalto ottico è stato raggiunto e il fattore di qualità del risonatore dovrebbe essere nel ¹⁰ maggio-10 giugno gamma.
2. Per piccole abrasivo, l'occhio non è in grado di valutare lo stato della superficie, anche utilizzando un microscopio standard. A questo punto, è necessaria una misura interferometrica dello stato di superficie. Utilizzare un microscopio dotato di una lente obiettivo interferometro Mirau e con una sorgente di luce bianca. L'immagine del risonatore interferisce with un piano di riferimento, rivelando così da una fase di luce bianca shifting strumento di elaborazione l'altezza della superficie indipendentemente da ogni punto, con una risoluzione di una frazione della lunghezza d'onda, cioè pochi nanometri. Questa misurazione può anche essere utilizzato per valutare la curvatura del disco ^25.
3. Modificando la lunghezza tra il campione e l'obiettivo, determinare la fase ottica della riflessione risonatore e calcolare le variazioni di altezza della superficie. Questo può essere automatizzato grazie ad un computer dedicato, e una mappa della altezza della superficie viene creata, permettendo la determinazione della rugosità del campione. Monitorare la rugosità superficiale come illustrato nella figura 1, e interrompere la procedura di molatura-lucidatura quando le frange di interferenza sono il regolare possibile.

3. Disegnare il Taper

Per coppia luce nel risonatore, è necessaria una piccola fibra ottica: il suo diametro dovrebbe essere circa 3 micron(Circa 20 volte più piccolo di un capello umano).

1. Striscia una fibra monomodale silice standard (SMF) via la sua plastica e rivestimento in polimero su un approssimativo 5 cm di lunghezza. A scopo di monitoraggio, la fibra deve essere collegato a una sorgente laser in ingresso, e un fotodiodo alla sua uscita.
2. Fissare ciascuna dimensione della sezione non rivestito della fibra a due motori ad alta risoluzione computerizzato. Utilizzando l'interfaccia del computer dei motori, configurano loro di muoversi con moto accelerato costante, in modo che ogni lato della fibra sarà tirato a parte.
3. Riscaldare la fibra non rivestito tra i due punti di fissaggio con una lampada fiamma ossidrica per circa 1 minuto prima di avviare l'allungamento. La fiamma deve essere dolce per non soffiare via una volta che la conicità è molto piccolo.
4. Avviare il movimento di motori e, quindi, l'allungamento delle fibre. Una volta che il disegno viene avviato, si può controllare la trasmissione della rastremazione utilizzando una sorgente laser e un fotodiodo: modelli di interferenza volontàapparire durante il processo, la loro frequenza aumenta, e, infine, spariranno per un diametro girovita vicino 1 micron. In questa fase, il motore e la fiamma deve essere interrotto simultaneamente.

4. Accoppiamento Luce nella WGM Resonator

In questa fase, la conicità è utilizzato per luce coppia nella risonatore e di osservare i modi di vibrare ad alta Q della cavità, che sono rappresentati nella figura 2.

1. Fissare il risonatore su un palco traduzione 3 assi Piezo-controllato. Avvicinarlo al cono fibra ad una distanza inferiore a 1 um. La posizione relativa del cono fibra e il risonatore è monitorato, grazie ad un microscopio, e uno specchio è usato per controllare il posizionamento verticale e l'angolo di inclinazione.
2. Collegare il cono fibra di un diodo laser visibile: il risonatore deve essere illuminato quando il giunto è efficiente, come mostrato in Figura 3.
3. Collegare il cono in fibra diun laser libero mode-hop con una larghezza di riga stretto (inferiore alla larghezza di riga della risonanza) a una estremità, e un fotodiodo collegato ad un oscilloscopio sull'altra estremità. La risposta di trasmissione del risonatore può essere ottenuto scansione della lunghezza d'onda in ingresso. Valutare il fattore di qualità del risonatore utilizzando lo spettro di trasmissione ottenuta, calcolando il rapporto tra la frequenza di risonanza dei modi operativi ei linewidths (larghezza a metà del massimo).
4. Una misurazione più accurata viene eseguita con l'esperimento "cavità-ring-down" ^26, in cui la lunghezza d'onda di spazzamento è abbastanza veloce da ottenere interferenze tra la luce risonante decadere in risonatore e la luce detuned in un momento successivo. Si può regolare con precisione il posizionamento del cono e il risonatore per aumentare l'accoppiamento fattore Q ed ottenere il modello tipico mostrato in Figura 4. La curva di adattamento associata dà il fattore di qualità del risonatore.

5. Generazione del pettine

In questa ultima fase, un laser ad alta potenza pompa eccita effetti non lineari del risonatore.

1. Inserire un amplificatore ottico tra il laser sintonizzabile e il risonatore.
2. Grazie al fotodiodo e oscilloscopio, mettere a punto la sorgente laser in modo che la lunghezza d'onda di ingresso è accanto a una risonanza.
3. Collegare la fibra di uscita ad un analizzatore di spettro ottico ad alta risoluzione e aumentare la potenza di ingresso, mentre la lunghezza d'onda leggermente detuning pompa. Nuove frequenze appariranno su ciascun lato del picco pompa: questo è un pettine ottico di frequenza Kerr.
4. Ritornando al fotodiodo, possiamo osservare le botte tra i diversi modi spettrali creati. Utilizzando un filtro passa banda a microonde, si può isolare una frequenza pura in questo segnale elettrico con bassissimo rumore.

Risultati

Questo protocollo in cinque fasi permette di ottenere risonatori WGM con fattori molto di alta qualità per applicazioni fotoniche a microonde.

La prima fase mira a dare al risuonatore la forma desiderata, come rappresentato in Schema 2. La difficoltà principale è la produzione di un disco il cui orlo è abbastanza forte in modo che può limitare fortemente i fotoni intrappolati, senza portare a fragilità strutturale dal punto di vista meccanico. Questa torre lucidatura p...

Discussione

Questo protocollo permette la produzione di risonatori ottici ad alta Q, alla luce coppia in loro e innescare fenomeni non lineari per varie applicazioni a microonde fotonica.

La prima fase di sgrossatura dovrebbe dare la sua forma a risonatore. Dopo un'ora di molatura con la polvere abrasiva 10 micron, un lato del bordo del risonatore deve essere convenientemente sagomato (vedi Schema 2). Il seguente passo sarà liscia la superficie del risonatore e quando ragg...

Materiali

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