YCK reconhece o apoio financeiro do Conselho Europeu de Investigação, através do projeto NextPhase (ERC StG ​​278.616). Os autores também reconhecem o apoio do Centro Nacional de Estudos Espaciais (CNES, França), através do Projeto SHYRO (Ação R &amp; T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201), a partir do projeto ORA ANR (BLAN 031.202) e da região de Franche-Comte, França.

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. <ol><li> Cole a janela óptica cristalina numapau que pode ser realizada pela rotação do motor rolamento de ar. </li><li> 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. </li><li> O próximo passo é geralmente chamado de &quot;lixamento e polimento&quot; 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. </li></ol> 2. Controlar o estado da superfície <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 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). <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> Uma medição mais precisa é realizada com o &quot;anel da cavidade para baixo&quot; 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. </li></ol&gt; 5. Gerando o Comb Nesta última etapa, uma bomba de alta potência de laser excita efeitos não lineares no ressonador. <ol><li> Inserir um amplificador óptico entre o laser sintonizável e o ressonador. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </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. S., Maleki, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pigtailing+the+high-Q+microsphere+cavity:+a+simple+fiber+coupler+for+optical+whispering-gallery+modes.">Pigtailing the high-Q microsphere cavity: a simple fiber coupler for optical whispering-gallery modes.</a> Opt. Let. 24, 723-725 (1999).</li><li>Del'Haye, P., Arcizet, O., Schliesser, A., Holzwarth, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kippenberg+T.J.+Full+stabilization+of+a+microresonator+frequency+comb.">Kippenberg T.J. Full stabilization of a microresonator frequency comb.</a> Phys. Rev. Let. 101, 053903 (2008).</li></ol>

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

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...

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 &quot;flame-escovação&quot;, 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.

<table border="1">
<tbody>
 <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

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 &quot;flame-escovação&quot;, 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.

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...

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Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

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.

Microwave Systems Fotônica Baseado Ressonadores-gallery de modo Whispering

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

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Research

JoVE Journal

Engineering

16.8K visualizações.  FEMTO-ST Institute. 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.

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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.

Os metamateriais usando o método de fabricação Desenho de Fibra

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

Engenharia

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.

Desenvolvimento de Whispering Gallery Modo poliméricos Micro-ópticos sensores do campo eléctrico

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.

Análise de Contato Interfaces para únicos dispositivos de nanofios de GaN

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.

Analisando o movimento da Nauplius &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Por Optical Rastreamento de plasmônicos Nanopartículas

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.

Seletiva Área Modificação de Superfície Wettability Silicon por Pulsed Laser irradiação UV em meio líquido

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.

Escrevendo redes de Bragg em fibras 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.

Fabricação e caracterização de supercondutores Resonators

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).

Estimulada Stokes e Antistokes Raman Scattering em microparticulas Whispering Gallery Modo Resonators

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.

Composites nanoestruturado Ag-zeólita como sensores de umidade à base de luminescência

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.

Fabricação de ressonadores anel de divisão Nanopillar-base para o deslocamento atuais mediada Ressonâncias em Terahertz Metamaterials

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