YCK riconosce il sostegno finanziario del Consiglio europeo della ricerca attraverso il progetto NextPhase (CER StG 278616). Autori riconoscono anche il sostegno del Centro Nazionale di Studi Spaziali (CNES, Francia) attraverso il Progetto SHYRO (azione R &amp; T R-S10/LN-0001-004/DA: 10.076.201), dalla ANR progetto ORA (BLAN 031.202), e dalla Regione de Franche-Comte, Francia.

Il protocollo consiste in 5 fasi principali: nella prima, si fa il sussurro-galleria-mode risonatore. Al fine di controllare l&#39;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. <ol><li> Colla finestra ottica cristallino su unabastone che può essere tenuto dal motore mandrino cuscinetto d&#39;aria. </li><li> 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. </li><li> Il passo successivo è generalmente chiamato &quot;levigatura e lucidatura&quot; 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. </li></ol> 2. Controllo dello Stato della superficie <ol><li> 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&#39; -chiamato smalto ottico è stato raggiunto e il fattore di qualità del risonatore dovrebbe essere nel 10 maggio-10 giugno gamma. </li><li> Per piccole abrasivo, l&#39;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&#39;immagine del risonatore interferisce with un piano di riferimento, rivelando così da una fase di luce bianca shifting strumento di elaborazione l&#39;altezza della superficie indipendentemente da ogni punto, con una risoluzione di una frazione della lunghezza d&#39;onda, cioè pochi nanometri. Questa misurazione può anche essere utilizzato per valutare la curvatura del disco 25. </li><li> Modificando la lunghezza tra il campione e l&#39;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. </li></ol> 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). <ol><li> 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. </li><li> Fissare ciascuna dimensione della sezione non rivestito della fibra a due motori ad alta risoluzione computerizzato. Utilizzando l&#39;interfaccia del computer dei motori, configurano loro di muoversi con moto accelerato costante, in modo che ogni lato della fibra sarà tirato a parte. </li><li> Riscaldare la fibra non rivestito tra i due punti di fissaggio con una lampada fiamma ossidrica per circa 1 minuto prima di avviare l&#39;allungamento. La fiamma deve essere dolce per non soffiare via una volta che la conicità è molto piccolo. </li><li> Avviare il movimento di motori e, quindi, l&#39;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. </li></ol> 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. <ol><li> 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&#39;angolo di inclinazione. </li><li> Collegare il cono fibra di un diodo laser visibile: il risonatore deve essere illuminato quando il giunto è efficiente, come mostrato in Figura 3. </li><li> 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&#39;altra estremità. La risposta di trasmissione del risonatore può essere ottenuto scansione della lunghezza d&#39;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). </li><li> Una misurazione più accurata viene eseguita con l&#39;esperimento &quot;cavità-ring-down&quot; 26, in cui la lunghezza d&#39;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&#39;accoppiamento fattore Q ed ottenere il modello tipico mostrato in Figura 4. La curva di adattamento associata dà il fattore di qualità del risonatore. </li></ol&gt; 5. Generazione del pettine In questa ultima fase, un laser ad alta potenza pompa eccita effetti non lineari del risonatore. <ol><li> Inserire un amplificatore ottico tra il laser sintonizzabile e il risonatore. </li><li> Grazie al fotodiodo e oscilloscopio, mettere a punto la sorgente laser in modo che la lunghezza d&#39;onda di ingresso è accanto a una risonanza. </li><li> Collegare la fibra di uscita ad un analizzatore di spettro ottico ad alta risoluzione e aumentare la potenza di ingresso, mentre la lunghezza d&#39;onda leggermente detuning pompa. Nuove frequenze appariranno su ciascun lato del picco pompa: questo è un pettine ottico di frequenza Kerr. </li><li> 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. </li></ol>

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K., Tavernier, H., Feron, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+coupling+regime+of+high-Q+resonators+and+optical+gain+of+highly+selective+amplifiers.">Determination of coupling regime of high-Q resonators and optical gain of highly selective amplifiers.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 12, 2073-2080 (2008).</li><li>Gorodetsky, M. L., Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+microsphere+resonators:+optimal+coupling+to+high-Q+whispering-gallery+modes.">Optical microsphere resonators: optimal coupling to high-Q whispering-gallery modes.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 16, 147-154 (1999).</li><li>Ilchenko, V. S., Yao, X. 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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.

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&#39;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...

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&#39;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&#39;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&#39;immunità alle interferenze, il volume molto compatto, la versatilità di frequenza, l&#39;integrazione di chip facile, così come un forte potenziale per l&#39;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&#39;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&#39;efficienza senza precedenti. Sono inoltre compatibili con l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;intervallo micrometro per lanciare luce nel risonatore. Per raggiungere tali piccoli diametri, si adotta la tecnica del &quot;flame-brushing&quot;, 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&#39;uno all&#39;altro per visualizzare il segnale di risonanza dei modi sussurrando galleria utilizzando una lunghezza d&#39;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&#39;onda ottica la cui frequenza intermodale è un forno a microonde ultra-stabile.

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 <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

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&#39;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&#39;ordine di micrometri. Per raggiungere tale piccolo diametros, si adotta la tecnica &quot;fiamma-spazzolatura&quot;, 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&#39;uno all&#39;altro per visualizzare il segnale di risonanza dei modi sussurrando galleria utilizzando una lunghezza d&#39;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&#39;applicazione relativa a sintesi di frequenza a microonde ultra stabile e dimostriamo la generazione di un pettine con Kerr GHz di frequenza intermodale.

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...

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Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

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.

Microonde Photonics sistemi basati su risonatori-galleria-mode Whispering

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

microwave-photonics-systems-based-on-whispering-gallery-mode

Research

JoVE Journal

Engineering

16.8K Views.  FEMTO-ST Institute. 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.

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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.

Metamateriali Realizzazione tramite il metodo di disegno fibra

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

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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.

Sviluppo di Whispering Galleria polimerici modalità micro-ottici sensori di campo elettrico

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.

Analisi di contatto Interfacce semplici dispositivi GaN nanowire

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.

Analizzando il movimento del Nauplius &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Di monitoraggio ottico di nanoparticelle plasmoniche

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.

Area selettiva Modifica della Silicon bagnabilità della superficie da impulsi laser UV irradiazione in ambiente liquido

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.

Scrivendo di Bragg in fibra Multicore

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.

Fabbricazione e caratterizzazione di superconduttori risonatori

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).

Stimolata Stokes e Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery modalità risonatori

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.

Compositi nanostrutturati Ag-zeolite come Sensori di umidità a base di luminescenza

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.

Fabbricazione di Nanopillar-Based Split Ring risonatori di corrente di spostamento mediata Risonanze a Terahertz metamateriali

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