YCKは、プロジェクトNextPhase（ERC STG 278616）を通じて欧州研究評議会からの財政支援を認めるものです。 ANRプロジェクトORA（BLAN 031202）から、、と：著者はまた、プロジェクトSHYRO（10076201アクションR＆T R-S10/LN-0001-004/DA）を通じて国立宇宙研究センター （CNES、フランス）からの支援を認める地域デフランシュコンテ 、フランスから。

作られる最初のもので、ウィスパリングギャラリーモード共振器：プロトコルは、5つの主要な段階で構成されています。共振器の研磨の進行を制御するために、表面状態の測定が行われる。第三段階では、共振器内の光を起動するツールを製作。これら二つの主要なツールは、製造されていたら、我々は光学高Q共振を視覚化するためにそれらを使用しています。最後に、共振器が非線形ファッションやカー櫛に動作が生成される、ハイパワー入力レーザービームを使用した。 1。共振器を研磨この段階では、共振器の結晶光学窓（のMgF 2または光学部品の小売店から容易に入手できるのCaF 2）形と研磨する。この研磨手順は、高品質のWGM共振器に変換する。カスタマイズされた研磨塔は、 スキーム1に示されている。 <ol><li>上の接着剤の結晶光学窓を空気軸受スピンドルモータによって保持することができるスティック。 </li><li>コー​​ト適切な研磨支持組織とV字状の金属製のガイドを、水と混合さ10μmの砥粒粉末（酸化アルミニウム、ダイヤモンド又は炭化ケイ素）注ぐ。回転するディスク（約5,000 rpmで、20グラムの圧力）には、このガイドに接近し、それを粉砕し始める。材料および紡糸速度に応じて、このプロセスは2時間石（CaF 2）から4時間（のMgF 2）に続くことができる。この研磨工程では、共振器にその両凸形状を与える。このステップの最後でディスクをスキーム2に示す形状を有するべきである。 </li><li>次のステップは、一般的に&quot;研削·研磨&quot;手順24と呼ばれる。それは一般的に、最終的に大きさが10μm、3μmと、1μm以下、250nmで、100nmの研磨粒子と前のステップを繰り返すことで構成されています。支持組織は、より小さい粒はあまり堅くされ、各粒子サイズに適合させるべきである。傷を避けるためにとストライプ、ガイドの水平方向の翻訳が実行できます。連続研削、研磨の各ステップでは、表面の状態が改善されるべきである。 </li></ol> 2。表面の状態を制御する<ol><li>光学顕微鏡下で視覚制御、表面状態制御のための最初のステップです：ディスクが最初の段階で光に不透明であるが、成功した1μmの粒子研磨後、ディスクが透明になり、その側面は光を反射：そういわゆる光学研磨に達したと共振器のQ値は10 5であるべき- 10 6の範囲である。 </li><li>小さい研磨剤については、眼も標準顕微鏡を用いて、表面の状態を評価することができない。この時点で、表面状態の干渉計測定が必要である。ミラウ干渉計対物レンズと、白色光源を搭載した顕微鏡を使用してください。共振器の画像は、Wiを妨害従って、すなわち波長、数ナノメートルの画分の分解能で各点で独立して白色光位相シフト処理ツールによって表面高さを明らかに目基準面を、。この測定は、ディスク25の曲率を評価するために用いることができる。 </li><li>試料と対物レンズとの間の長さを変更することにより、共振器の反射光位相を決定し、表面の高さばらつきを算出する。これは、専用のコンピュータに自動化することができるおかげで、表面の高さマップは、サンプルの粗さの測定を可能に作成される。 図1で説明したように表面粗さを監視し、干渉縞が可能であるときに滑らかな研削研磨手順を停止する。 </li></ol> 3。テーパーを描く共振器内の光を結合するために、非常に小型の光ファイバが必要とされている：その直径が3μm程度であるべき（人間の髪の毛よりも約20倍小さい）。 <ol><li>約5センチメートルの長さにそのプラスチックとポリマーコーティングオフ標準単一モードシリカファイバ（SMF）を取り除きます。監視目的のために、ファイバは、その入力し、その出力でフォトダイオードでレーザ源に接続されるべきである。 </li><li> 2コンピュータ制御の高分解能モーターに繊維のコーティングされていないセクションの各サイズを修正。モータのコンピュータインターフェースを使用して、繊維の各側が引き離されるように、常に加速度運動と一緒に移動するように設定。 </li><li>ストレッチングを開始する前に、約1分間トーチランプを持つ2つの固定点間のコーティングされていない繊維を加熱する。炎は、それが非常に小さくなったら離れてテーパーを爆破しないようにするために、穏やかでなければなりません。 </li><li>モーターの動きを開始し、その結果、繊維の伸縮。描画が開始されると、一つのレーザ光源とフォトダイオードを用いたテーパーの送信を監視することができる。干渉パターンは、意志プロセス中に表示され、その頻度が増加し、そして、最終的に、彼らは、1μm付近ウエスト径のために消えます。この段階では、モータ及び火炎を同時に停止されるべきである。 </li></ol> 4。 WGM共振器における結合ライトこの段階では、テーパが共振器内の光を結合するために使用され、 図2に示されている空洞の高Q固有モードを観察する。 <ol><li> 3軸ピエゾ制御の移動ステージ上で共振を修正。 1μm未満の距離でファイバテーパーにアプローチ。テーパファイバ共振器の相対位置は、顕微鏡のおかげで監視され、ミラーが垂直位置と傾斜角度を制御するために使用される。 </li><li>可視レーザダイオードにテーパファイバを接続結合が効率的である場合、図3に示すように、共振器は、照明されるべきである。 </li><li>ファイバーテーパーに接続し一端に狭い線幅（共鳴の線幅よりも狭い）、そしてもう一方の端のオシロスコープに接続するフォトダイオードとのモードホップフリーのレーザー。共振器の透過特性は、入力波長を走査することによって得ることができる。モードとその線幅（半値全幅）の共振周波数との比を計算することによって、得られた透過スペクトルを用いて共振器のQ値を評価する。 </li><li>より正確な測定は、掃引波長が共振器内で減衰共振光とそれに続く時にデチューン光間の干渉を得るのに十分な速さです&quot;キャビティリングダウン&quot;実験26を用いて行われる。一つは、テーパーの位置決めと結合Q値を向上させ、 図4に示す典型的なパターンを得るために共振器を微調整することができる。関連するフィット曲線は共振器の品質係数を与えます。 </li></OL&gt; 5。くしの生成この最後の段階では、高電力ポンプ·レーザは、共振器の非線形効果を励起する。 <ol><li>波長可変レーザと共振器の間に光増幅器を挿入します。 </li><li>入力波長が共振隣になるように、フォトダイオードとオシロスコープのおかげで、微調整レーザー光源。 </li><li>高分解能光学スペクトル分析器に出力ファイバを接続し、わずかにポンプ波長を離調しながら入力電力を増加させる。新しい周波数はポンプピークの両側に表示されます：これはカー光周波数コムです。 </li><li>フォトダイオードに切り替え、我々は、作成され、異なるスペクトルモード間暴行を観察することができます。マイクロ波バンドパスフィルタを使用して、1つは非常に低ノイズで、この電気信号の純粋な周波数を分離することができます。 </li></ol>

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著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。

このプロトコルは、それらに光を結合し、高Q光共振器を生産することができ、様々なマイクロ波フォトニクスアプリケーション用の非線形現象を誘発する。 粗研削の最初のステップは、共振器にその形状を与える必要があります。 10μmの砥粒粉と粉砕時間後、共振器のリムの片側が（ スキーム2参照）便利な形でなければなりません。次のステップで...

ウィスパリングギャラリーモード共振器は、マイクロまたはミリ半径1,2,3,4のディスクや球である。共振器（ナノサイズの表面粗さ）は、ほぼ完璧な形であることが設けられ、レーザ光は、通常、ウィスパリングギャラリーモード（WGMs）と呼ばれ、その固有モード内で全内部反射によって捕捉することができる。 10 11から5非常に高くなることがありますQ、その品質係数ながら自由スペクトル範囲（またはインターモーダル周波数）10 7に至るまで、共振器の半径に応じてGHz帯からテラヘルツに変えることができます。フィルタリング、増幅、時間遅延させる、 など ：備蓄の独自のプロパティに光を減速により、WGM光共振器は、多くの光信号処理タスク3を実行するために使用されている。製造技術の継続的な改善により、彼らの前例のない品質係数は、計測またはクオンツでもより厳しいアプリケーションに適して作るUMベースのアプリケーション6-13。 これらの超高Q共振器では、閉じ込めの小さい容積、高い光子密度、長い光子寿命は（Qに比例）、カーのように、様々な非線形効果を通してさまざまなWGMsを励起することが非常に強い光と物質の相互作用を誘発例14-19のためのラマン、またはブリルアン。ギャラリーモード共振器をささやくの非線形現象を使用すると、超高純度のマイクロ波と光波の生成のための有望なパラダイムシフトとして提案された。このトピックでは、基本的な科学技術の多くの分野と交差するという事実は、専門分野の広い範囲で、非常に強力な潜在的な影響の明確な指標である。具体的には、航空宇宙、通信工学技術は汎用性が、電子レンジと非常に優れた一貫性と光波信号の必要性に現在ある。 WGM技術は、既存または将来の他の方法に勝るいくつかの利点を有する：概念的な単純さ、時間igher堅牢性、小さい消費電力、長寿命、干渉に対する耐性、非常にコンパクトなボリューム、周波数の汎用性、容易なチップの統合だけでなく、電子レンジ、光波技術の両方のための標準的なフォトニック部品の主流に統合するための強力な可能性。 航空宇宙工学において、水晶振動子は、ナビゲーションシステム（飛行機、衛星、宇宙船など ）と検出系（レーダー、センサーなど ）の両方の主要なマイクロ波源として圧倒的である。しかし、全会一致で水晶振動子の周波数安定性能は、その階に到達していることを今日認識され、大幅にもう改善されません。同じ線に沿って、その頻度の汎用性が限られており、ほとんどは40GHzを超え、超安定したマイクロ波発生を可能にしません。マイクロ波フォトニック発振器は、これらの制限を克服することが期待される。一方、通信工学、マイクロ波光子IC発振器はまた、彼らは前例のない効率で光波/マイクロ波変換を実行することになり、光通信ネットワークにおいて重要なコンポーネントであると予想される。彼らは大規模な操作を必要とせず、また超高速処理を可能にする光波技術のコンパクトなフル光学部品の継続傾向、[アップ/ダウンコンバージョン、（デ）変調、増幅、多重化、ミキシングなど ]と互換性があります（その後、遅く）電子。光子は非線形メディアを経由して、光子を制御するコンパクトフォトニック回路のこの概念は、制限された光電子処理速度に対する事実上無制限の光帯域幅から発信ボトルネックを回避することを目指しています。光通信システムはまた、非常にクロッキング（低位相雑音が時間ジッタが低いと等価）と帯域幅（ビットレートクロック周波数に比例して増加）両方の要件を満たすために、超低位相雑音マイクロ波に対して要求している。実際には、高速でCOMMUNicationネットワークは、このような超安定発振器はいくつかの目的（アップ/ダウン周波数変換、ネットワークの同期、キャリア合成等の局部発振器）のための基本的な参照です。 WGM共振器における非線形現象はまた、ラマンおよびブリルアンレーザーなどの他のアプリケーションのための研究の新たな地平を開く。より一般的には、これらの現象は、光共振器と導波路における非線形現象の広い視野内にマージされ、それは結晶シリコンフォトニクスのために有益なパラダイムであることができる。トーラスのようWGMsに光子の強い閉じ込めと非常に長い寿命も凝縮物質や量子物理学の根本的な問題を調査するための優れたテストベンチを提供しています。電磁信号で、これまで増加した精度のレースも相対性理論（ローレンツ不変性のテスト）、または基本的な物理定数の測定に関連して、物理学の典型的な質問に答えるために貢献ND時間とともにそれらの可能なバリエーション。 この記事では、結晶光学ウィスパリングギャラリーモード（WGM）共振器を得るために必要な様々なステップが記載されており、それらの特性評価について説明する。また、提示され、これらの共振器に結合レーザー光に必要な高品質テーパー繊維を得るためのプロトコルです。最後に、マイクロ波フォトニクス、カー櫛を使用して、すなわち、超安定したマイクロ波発生の分野でこれらの共振器の主力アプリケーションを提示し、議論されています。 最初のセクションでは、詳細プロトコルは、超高Q共振器WGMを得るために行った。我々の手法は、このようなレンズや望遠鏡のミラーなどの光学部品の研磨に使用される標準的な技術に彷彿とさせるグラインドと磨くアプローチに依存しています。第二セクションは、表面粗さの特性評価に専念しています。私たちは、表面を測定する非接触の白色光干渉プロフィルを使用するR散乱損失を誘起し、それによって表面Qファクタ性能を低下につながるoughness。このステップは、研磨の品質を評価するための重要な実験的試験である。第三節は、共振器内の光を送出するために、製造にマイクロメートルの範囲の直径を持つテーパーシリカ繊維を懸念している。このような小さな直径に到達するために、我々は離れて繊維を引っ張ると同時に、コンピュータ制御されたモータを使用して、 &quot;難ブラッシング&quot;技法、および20テーパ状にファイバ領域を加熱するトーチを採用する。 4番目のセクションでは、共振器とテーパファイバは、波長走査レーザを用いたささやきの回廊モードの共鳴信号を可視化するために互いに接近している。私たちは、等距離スペクトル線で作られたスペクトルと、共振器内の光パワーを増加させることにより、我々はカー光周波数コムの形成を観察するまで、非線形現象をトリガーするために管理する方法、第五節で示す。 eと上記mphasized、これらのカー櫛スペクトルは、科学技術21-23の両方でいくつかのアプリケーションに適しています非常に優れた特性を持っています。我々は、そのモーダル周波数の超安定した波である光多波長信号を示すことによってWGM共振器の最も注目すべきアプリケーションのいずれかを検討していきます。

<table><tbody><tr><td>Step motors 50 mm course</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3 axis nanostage</td><td>Physik Instrumente</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TUNICS tunable laser source</td><td>Yenista</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optical spectrum analyzer APEX</td><td>APEX Technologies</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

microwave photonics systems based on whispering-gallery-mode resonators

マイクロ波フォトニクスシステムは、マイクロ波と光信号間の相互作用に根本的に依存しています。これらのシステムは、非常に、航空宇宙および通信工学、センシング、計測、非線形フォトニクス、量子光学などの技術と応用科学の様々な分野、のために有望である。本稿では、超高Qささやきギャラリーモード共振器に基づいて、マイクロ波フォトニクスシステムを構築するために私たちの研究室で使用される主要な手法を提示する。この記事の最初の詳細な近いようなレンズや望遠鏡のミラーなどの光学部品の研磨に使用されるものにグラインドアンド磨く技術に基づいている共振器を研磨するためのプロトコルです。研磨の品質を特徴付ける重要なパラメータであり、その後、白色光干渉プロフィルを測定する表面粗。共振器内の光を送出するために、マイクロメートルの範囲の直径を有するテーパ状シリカ繊維が使用される。このような小さな直径に到達するS、我々は離れて繊維を引っ張って同時にコンピュータ制御モーターを使用して、 &quot;難ブラッシング&quot;技術と、テーパ状に繊維の領域を加熱するトーチを採用。共振器およびテーパファイバは、後述波長スキャンレーザーを用いたささやきの回廊モードの共鳴信号を可視化するために互いに接近している。カー光周波数コムの形成は、等距離スペクトル線からなるスペクトルが観察されるまで共振器内の光パワーを増加させることにより、非線形現象がトリガされる。これらのカー櫛スペクトルは、科学技術のいくつかのアプリケーションに適しています非常に優れた特性を持っています。私たちは、超安定マイクロ波周波数合成に関連するアプリケーションを検討し、GHzのインターモーダル周波数を持つカー櫛の生成を実証する。

この5つのステッププロトコルは、マイクロ波フォトニックアプリケーションのための非常に高い品質因子とWGM共振器を得ることができる。 スキーム2に表されるように、最初のステップでは、共振器に所望の形状を与えることを目指しています。ここでの主な困難は、機械的な観点からの構造的脆弱性を招くことなく、その縁が強く閉じ込められた光子を閉...

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Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

超高Qささやきギャラリーモード共振器に基づいて、マイクロ波フォトニクスシステムを構築するために私たちの研究室で開発されたカスタマイズされた技術が提示される。これらの共振器を取得し、特徴付けるためのプロトコルが詳述されており、マイクロ波フォトニクスでのアプリケーションのいくつかの説明が与えられている。

ウィスパリングギャラリーモード共振器に基づいたマイクロ波フォトニクスシステム

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

16.9K ビュー.  FEMTO-ST Institute. 超高Qささやきギャラリーモード共振器に基づいて、マイクロ波フォトニクスシステムを構築するために私たちの研究室で開発されたカスタマイズされた技術が提示される。これらの共振器を取得し、特徴付けるためのプロトコルが詳述されており、マイクロ波フォトニクスでのアプリケーションのいくつかの説明が与えられている。

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Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

シリカ超高品質ファクターMicroresonatorsの作製

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

工学

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.

ギャラリーモード高分子マイクロ光電界センサを囁くの開発

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

Nanodetectionのリファレンス干渉計の実装

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). In this article we will describe the methods for constructing and characterizing macroscopic disordered photonic structures using microwaves. The microwave regime offers the most convenient experimental sample size to build and test PBG media. Easily manipulated dielectric lattice components extend flexibility in building various 2D structures on top of pre-printed plastic templates. Once built, the structures could be quickly modified with point and line defects to make freeform waveguides and filters. Testing is done using a widely available Vector Network Analyzer and pairs of microwave horn antennas. Due to the scale invariance property of electromagnetic fields, the results we obtained in the microwave region can be directly applied to infrared and optical regions. Our approach is simple but delivers exciting new insight into the nature of light and disordered matter interaction.

Our representative results include the first experimental demonstration of the existence of a complete and isotropic PBG in a two-dimensional (2D) hyperuniform disordered dielectric structure. Additionally we demonstrate experimentally the ability of this novel photonic structure to guide electromagnetic waves (EM) through freeform waveguides of arbitrary shape.

Disordered structures offer new mechanisms for forming photonic bandgaps and unprecedented freedom in functional-defect designs. To circumvent the computational challenges of disordered systems, we construct modular macroscopic samples of the new class of PBG materials and use microwaves to characterize their scale-invariant photonic properties, in an easy and inexpensive manner.

乱れたフォトニックバンドギャップ材料のフォトニック特性を研究するためにマイクロ波誘電体固体の巨視的サンプルの使用

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). ...

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.

超伝導共振器の作製と評価

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).

微小球ウィスパリングギャラリーモード共振器で刺激ストークスとAntistokesラマン散乱

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

時間分解マイクロ波伝導を介して、薄膜太陽電池材料での再結合ダイナミクス

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.