Microwave Systems Fotônica Baseado Ressonadores-gallery de modo Whispering

Resumo

São apresentadas as técnicas personalizadas desenvolvidas em nosso laboratório para a construção de sistemas de fotônica de microondas baseado em ultra-alta Q galeria de sussurros modo ressonadores. Os protocolos para obter e caracterizar esses ressonadores são detalhados, e uma explicação de algumas das suas aplicações em fotônica de microondas é dado.

Resumo

Sistemas de fotônica de microondas dependem fundamentalmente da interação entre ondas e sinais ópticos. Estes sistemas são extremamente promissor para diversas áreas de tecnologia e ciência aplicada, como o aeroespacial e engenharia de comunicação, sensoriamento, metrologia, não-linear fotônica e óptica quântica. Neste artigo, apresentamos as principais técnicas utilizadas em nosso laboratório para a construção de sistemas de fotônica de microondas baseados em ultra-alta Q galeria de sussurros modo ressonadores. Primeiro detalhado neste artigo é o protocolo para o polimento do ressonador, a qual é baseada numa técnica de moagem e-polonês perto aos utilizados para polir os componentes ópticos tais como lentes ou espelhos de telescópio. Em seguida, um perfilómetro de rugosidade da superfície de interferometria de luz branca medidas, o que é um parâmetro chave para caracterizar a qualidade do polimento. Para lançar luz no ressonador, uma fibra de sílica com afunilada diâmetro na gama micrométrica é usado. Para atingir tal de pequeno diâmetros, adotamos a técnica de "flame-escovação", utilizando-se simultaneamente motores controlados por computador para puxar a fibra à parte, e um maçarico para aquecer a área de fibra para ser reduzida. O ressonador ea fibra cónica são depois aproximou-se para um outro para visualizar o sinal de ressonância dos modos Galeria sussurrantes utilizando um comprimento de onda de laser de varrimento. Ao aumentar a potência óptica no ressoador, fenómenos não lineares são acionados até a formação de um pente óptico de Kerr frequência é observada com um espectro feito das linhas espectrais equidistantes. Estes pente espectros Kerr têm características excepcionais que são adequados para diversas aplicações em ciência e tecnologia. Consideramos a aplicação relacionada com a síntese de frequências de microondas e ultra-estável demonstrar a geração de um pente de Kerr com frequência intermodal GHz.

Introdução

Modo de galeria de sussurros ressonadores são discos ou esferas de micro-ou milimétrica raio ^1,2,3,4. Desde que o ressonador é quase perfeitamente em forma (rugosidade da superfície nanométrica-size), a luz do laser pode ser preso por reflexão interna total dentro de seus modos próprios, que são geralmente referidos como os modos de cochichos-Galeria (WGMS). A gama espectral livre (ou frequência intermodal) pode variar de GHz a THz, dependendo do raio do ressonador, enquanto o seu factor de qualidade Q pode ser excepcionalmente elevada ^5, variando de julho ^10-novembro 10. Devido à sua propriedade única de armazenamento e abrandar luz, ressonadores ópticos WGM têm sido utilizados para realizar muitas tarefas de processamento de sinais ópticos ^3: filtragem, amplificação, tempo adiamento, etc. Com a melhoria contínua das tecnologias de fabricação, os fatores de qualidade sem precedentes torná-los adequados para a aplicação ainda mais exigente em metrologia ou quanthum aplicações baseadas ^6-13.

Nestes ressonadores ultra-Q elevado, o pequeno volume de confinamento, de fotões de alta densidade, e longo tempo de vida de fotões (proporcional a Q) induzir uma interacção matéria-luz muito forte, o que pode excitar os diferentes WGMS através de vários efeitos não lineares, como Kerr Raman, ou Brillouin por exemplo ^14-19. Usando fenômenos não-lineares em sussurrando Gallery Mode ressonadores foi proposto como uma mudança de paradigma promissor para micro-ondas ultra-pura e geração Lightwave. O fato de que este tema cruza tantas áreas da ciência e da tecnologia fundamental é um indicador claro de sua forte impacto potencial sobre uma ampla gama de disciplinas. Em particular, aeroespaciais e comunicação tecnologias de engenharia estão atualmente na necessidade de microondas versátil e sinal Lightwave com coerência excepcional. A tecnologia WGM tem várias vantagens sobre os métodos existentes ou potenciais outros simplicidade conceptual, higher robustez, menor consumo de energia, maior durabilidade, imunidade a interferências, o volume muito compacto, versatilidade freqüência, fácil integração de chips, bem como um forte potencial para integrar o mainstream de componentes fotônicos padrão para ambas as tecnologias lightwave microondas e.

Em engenharia aeroespacial, os osciladores de quartzo são esmagadoramente dominante como fontes de microondas fundamentais para ambos os sistemas de navegação (aviões, satélites, naves espaciais, etc) e sistemas de detecção (radares, sensores, etc.) No entanto, é reconhecido hoje por unanimidade que o desempenho de osciladores de quartzo estabilidade de freqüência está chegando ao chão, e não vai melhorar significativamente mais. Na mesma linha, a sua versatilidade de frequências é limitada e quase não permitirá a geração de micro-ondas ultra-estável acima de 40 GHz. Microondas osciladores fotônicos são esperados para superar essas limitações. Por outro lado, em comunicação de engenharia, microondas fotãoic osciladores também devem ser componentes importantes em redes de comunicações ópticas, onde iria realizar a conversão Lightwave / microondas com eficiência sem precedentes. Eles também são compatíveis com a tendência contínua de componentes ópticos quatro compactas em tecnologia de ondas de luz, o que permite o processamento ultra-rápida [cima / para baixo de conversão, (de) de modulação, a amplificação, a multiplexação, mistura, etc], sem a necessidade de manipular maciça (e, em seguida, lenta) electrões. Este conceito de circuitos fotônicos compactos, onde os fótons controlar os fótons através de meios não-lineares visa contornar o gargalo proveniente de largura de banda óptica praticamente ilimitada contra limitado a velocidade de processamento optoeletrônicos. Sistemas de comunicações ópticas também são muito exigentes para ultra-baixas fase micro-ondas sonoras, a fim de satisfazer tanto clock (baixo ruído de fase é equivalente ao baixo tempo jitter) e largura de banda (bits taxas aumentam proporcionalmente à freqüência de clock) requisitos. De facto, em alta velocidade Communredes icação, tais osciladores ultra-estáveis ​​são referências fundamentais para diversos fins (oscilador local para up / conversão de freqüência para baixo, sincronização de rede, a síntese transportadora, etc.)

Fenômenos não-lineares em ressonadores WGM também abrir novos horizontes de investigação para outras aplicações, tais como lasers Raman e Brillouin. De modo mais geral, esses fenômenos podem ser mescladas dentro de uma perspectiva mais ampla de fenômenos não-lineares em cavidades ópticas e guias de onda, e é um paradigma fecundo para cristalino ou fotônicos de silício. A forte confinamento e muito longa vida de fótons nas WGMS toro, como também oferecem um test-bench excelentes para investigar questões fundamentais em matéria condensada e física quântica. A corrida de sempre maior precisão em sinais eletromagnéticos também contribui para responder a perguntas por excelência em física, relacionados com a relatividade (testes para a invariância de Lorentz), ou a medição de constantes físicas fundamentais and sua possível variação com o tempo.

Neste artigo, os diferentes passos necessários para obter-gallery de modo sussurrando (WGM) ressonadores ópticos cristalinas são descritas e sua caracterização é explicado. Também é apresentado o protocolo para obter a fibra de alta cônico qualidade necessária à luz laser casal para esses ressonadores. Finalmente, a aplicação principal destes ressonadores no campo da fotônica de microondas, ou seja, ultra-estável geração de microondas usando Kerr pentes, é apresentada e discutida.

Na primeira seção, detalhamos o protocolo seguido para obter ultra-altas Q WGM ressonadores. Nosso método se baseia em uma abordagem de rotina e polonês, que lembra as técnicas padrão usadas para polir componentes ópticos, como lentes ou espelhos do telescópio. A segunda seção é dedicada à caracterização da rugosidade da superfície. Nós usamos um não-branco em contato com perfilômetro interferométrico de luz para medir a superfície roughness que leva a superfície de espalhamento perdas induzidas e, assim, diminuir o desempenho do factor de Q. Este passo é um teste experimental importante para avaliar a qualidade do polimento. A terceira secção refere-se à fabricação de uma fibra de sílica afunilada com um diâmetro na gama de micrómetros, a fim de lançar luz no ressoador. Para chegar a esses pequenos diâmetros, adotamos a técnica de "flame-escovação", utilizando-se simultaneamente motores controlados por computador para puxar a fibra à parte, e um maçarico para aquecer a área de fibra para ser reduzida ^20. Na quarta secção, o ressonador e a fibra cónica são aproximadas umas às outras para visualizar o sinal de ressonância dos modos Galeria sussurrantes utilizando um comprimento de onda de laser de varrimento. Nós mostramos na quinta seção como, aumentando a potência óptica no ressonador, conseguimos desencadear fenômenos não-lineares até observar a formação de Kerr óptico pentes de freqüência, com um espectro feito de linhas espectrais eqüidistantes. Como emphasized acima, estes Kerr pente espectros têm características excepcionais que são adequados para diversas aplicações em ciência e tecnologia ^21-23. Vamos considerar uma das aplicações mais notáveis ​​de ressonadores WGM, demonstrando um sinal de multi-comprimento de onda óptico cuja freqüência intermodal é um micro-ondas ultra-estável.

Protocolo

O protocolo consiste em cinco etapas principais: Na primeira, o sussurro-gallery-mode ressonador é feita. A fim de controlar o avanço do polimento do ressonador, as medições do estado de superfície são realizados. Na terceira fase, fabricar a ferramenta que vai lançar luz no ressoador. Uma vez que essas duas ferramentas principais são fabricados, podemos usá-los para visualizar ressonâncias ópticas de alta-Q. Finalmente, utilizando um feixe de laser de alta potência de entrada, o ressonador se comporta de uma maneira não linear e Kerr pentes são produzidos.

1. Polimento do ressonador

Nesta fase, uma janela óptica cristalino ressonador (MgF ₂ ou CaF _2, prontamente disponível nas lojas dos componentes ópticos) é moldada e polida. Este processo de polimento converte-os em ressonadores WGM de alta qualidade. A torre de polimento personalizado é apresentada no Esquema 1.

1. Cole a janela óptica cristalina numapau que pode ser realizada pela rotação do motor rolamento de ar.
2. Revestimento de guia metálica em forma de V com o tecido de suporte de polimento adequado, e derramar pós abrasivos 10 uM (óxido de alumínio, diamante, ou carboneto de silício) misturado com água. Aproxime-se este guia para o disco giratório (aproximadamente 5.000 rpm, 20 g de pressão) e começar a moer. Dependendo do material e da velocidade de rotação, este processo pode durar de 2 horas (para CaF ₂₎ a 4 horas (para MgF _2). Este passo de polimento vai dar a sua forma biconvexa para o ressonador. No final desta etapa, o disco deve ter a forma apresentada no Esquema 2.
3. O próximo passo é geralmente chamado de "lixamento e polimento" procedimento ^24. Ele geralmente consiste em repetir o passo anterior com partículas abrasivas de tamanho 10 mM, 3 mM, 1 mM, 250 nm e, finalmente, 100 nm. O tecido de suporte deverá ser adaptada para cada tamanho de partículas, sendo menos duro para os grãos pequenos. Para evitar arranhõese tiras, uma translação horizontal da guia pode ser executada. Em cada passo sucessivo de rebarbação e polimento, o estado da superfície deve ser melhorada.

2. Controlar o estado da superfície

1. Um controle visual ao microscópio óptico é o primeiro passo para um controle de estado de superfície: o disco é opaco à luz nos primeiros estágios, no entanto, depois de uma bem-sucedida 1 mM de partículas de polimento, o disco torna-se transparente e seus lados refletir a luz: assim chamado polonês óptica tenha sido atingido e o factor de qualidade do ressonador deverá estar na maio ^10-junho 10 gama.
2. Para abrasivo menor, o olho não é capaz de avaliar o estado da superfície, mesmo utilizando um microscópio padrão. Neste ponto, é necessária uma medição interferométrica do estado de superfície. Use um microscópio equipado com uma lente objetiva interferômetro Mirau e com uma fonte de luz branca. A imagem do ressonador interfere with um plano de referência, revelando-se uma fase de luz branca deslocamento da ferramenta de processamento da altura da superfície de forma independente em cada ponto com uma resolução de uma fracção do comprimento de onda, ou seja alguns nanómetros. Esta medida pode também ser utilizado para avaliar a curvatura do disco ^25.
3. Ao modificar o comprimento entre a amostra e o objectivo, determinar a fase óptica da reflexão ressonador e calcular as variações de altura da superfície. Isto pode ser automatizado, graças a um computador dedicado, e um mapa da altura da superfície é criada, permitindo a determinação da rugosidade da amostra. Monitorar a rugosidade da superfície, tal como explicado na Figura 1, e parar o processo de moagem, polimento, quando as franjas de interferência é a mais lisa possível.

3. Desenhando o Taper

À luz casal no ressonador, é necessária uma pequena fibra óptica: o seu diâmetro deve ser em torno de 3 mM(Cerca de 20 vezes menor do que um cabelo humano).

1. Tira uma fibra de sílica monomodo padrão (SMF) fora de seu plástico e revestimento de polímero em uma extensão aproximada de 5 cm. Para fins de controlo, a fibra deve ser ligada a uma fonte de laser na sua entrada, e um fotodíodo, na sua saída.
2. Corrigir o tamanho de cada secção não revestida de fibra de dois motores de alta resolução, controlado por computador. Utilizando a interface do computador dos motores, configurá-los para se mover com um movimento constantemente acelerado, de modo que cada um dos lados da fibra irá ser separadas.
3. Aquece-se a fibra não revestida entre os dois pontos de fixação com uma lâmpada de maçarico durante cerca de 1 min antes de iniciar o alongamento. A chama deve ser suave para não soprar a vela longe, uma vez que é muito pequena.
4. Iniciar o movimento de motores e, portanto, o alongamento da fibra. Uma vez que o desenho é iniciado, pode-se controlar a transmissão do cone utilizando uma fonte de laser e um fotodíodo: padrões de interferênciaaparecem durante o processo, a sua frequência vai aumentar, e, finalmente, eles vão desaparecer por um diâmetro da cintura perto de 1 um. Nesta fase, o motor e a chama deve ser parado simultaneamente.

4. Acoplamento de luz no ressonador WGM

Nesta fase, o cone de luz é utilizado par o ressonador e observar as eigenmodos alta-Q da cavidade, que são representados na Figura 2.

1. Fixar o ressonador num estágio de translação piezo-controlada de 3 eixos. Abordagem para o cone de fibra a uma distância de menos de 1 um. A posição relativa do cone da fibra e do ressonador é monitorizada, graças a um microscópio, e um espelho é utilizado para controlar o posicionamento vertical e o ângulo de inclinação.
2. Ligação do cone da fibra para um díodo laser visível: o ressonador deverá ser iluminado quando o acoplamento é eficiente, como mostrado na Figura 3.
3. Conecte o cone de fibra deum laser de modo-hop livre com uma largura de linha estreita (mais estreita do que a largura de linha da ressonância) numa extremidade, e um fotodíodo ligado a um osciloscópio, na outra extremidade. A resposta da transmissão do ressonador pode ser obtido fazendo a leitura do comprimento de onda na entrada. Avaliar o factor de qualidade do ressonador utilizando o espectro de transmissão obtido por meio do cálculo da razão entre a frequência de ressonância dos modos e suas larguras de linhas (largura total a metade do valor máximo).
4. Uma medição mais precisa é realizada com o "anel da cavidade para baixo" experiência ^26, em que o comprimento de onda de varrimento é suficientemente rápida para se obter interferência entre a luz ressonante decaindo no ressonador e à luz dessintonizado num momento posterior. Pode-se ajustar o posicionamento do cone e do ressonador para aumentar o factor de acoplamento Q-e obter o padrão típico mostrado na Figura 4. O ajuste da curva associada dá o factor de qualidade do ressonador.

5. Gerando o Comb

Nesta última etapa, uma bomba de alta potência de laser excita efeitos não lineares no ressonador.

1. Inserir um amplificador óptico entre o laser sintonizável e o ressonador.
2. Graças ao fotodiodo e osciloscópio, ajustar a fonte de laser de modo que o comprimento de onda de entrada é ao lado de uma ressonância.
3. Ligação a fibra de saída para um analisador de espectro óptico de alta resolução e de aumentar a potência de entrada, enquanto o comprimento de onda ligeiramente desafinação bomba. Novas frequências que aparecem em cada lado do pico da bomba: este é um pente de frequência óptica Kerr.
4. Voltar para o fotodiodo, podemos observar as agressões entre os diferentes modos espectrais criadas. Usando um micro-ondas filtro passa-banda, pode-se isolar uma freqüência pura neste sinal elétrico com muito baixo ruído.

Resultados

Este protocolo de cinco etapas permite obter ressonadores WGM com fatores de alta qualidade para aplicações em fotônica de microondas.

O primeiro passo destina-se a dar a forma desejada do ressoador, como representado na Esquema 2. A principal dificuldade aqui é a fabricação de um disco cuja borda é afiado o suficiente para que ele possa limitar fortemente os fótons capturados, sem levar a fragilidade estrutural do ponto de vista mecânico. Esta torre de polimento ta...

Discussão

Este protocolo permite a produção de ressonadores ópticos de alta-Q, à luz casal para eles e provocar fenômenos não-lineares para diversas aplicações de fotônica de microondas.

O primeiro passo de moagem grosseira deverá dar a sua forma ao ressonador. Após uma hora de moagem, com o pó abrasivo de 10 um, um lado da borda do ressonador deverá ser convenientemente perfilada (ver Esquema 2). O passo seguinte será alisar a superfície do ressonador e ao ati...

Materiais

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