基于回音壁模式谐振器的微波光子学系统

摘要

本文介绍了我们实验室开发的基于超高Q值回音壁模式谐振器的微波光子学系统定制技术。详细阐述了获取和表征这些谐振器的实验方案，并解释了它们在微波光子学中的一些应用。

摘要

微波光子学系统从根本上依赖于微波信号与光信号之间的相互作用。这类系统在航空航天与通信工程、传感、计量学、非线性光子学以及量子光学等多个技术与应用科学领域展现出极大的前景。本文中，我们介绍了本实验室用于构建基于超高Q值回音壁模式谐振腔的微波光子学系统所采用的主要技术。首先，本文详细描述了谐振腔抛光的实验方案，该方法基于研磨与抛光技术，类似于用于抛光透镜或望远镜镜面等光学元件的工艺。随后，采用白光干涉轮廓仪测量表面粗糙度，这是表征抛光质量的关键参数。为了将光耦合进入谐振腔，使用一根直径在微米量级的锥形石英光纤。为实现如此小的直径，我们采用“火焰刷扫”技术，即同时使用计算机控制的电机将光纤拉伸，并用喷灯加热待拉锥的光纤区域。随后将谐振腔与锥形光纤相互靠近，利用波长扫描激光器观测回音壁模式的共振信号。通过增加谐振腔内的光功率，触发非线性效应，最终观察到由等间距谱线组成的克尔光学频率梳。这些克尔频率梳光谱具有优异的特性，适用于科学与技术领域的多种应用。我们重点探讨了其在超稳微波频率合成方面的应用，并演示了产生具有GHz级模间频率的克尔频率梳。

引言

回音壁模式谐振器是具有微米或毫米量级半径的圆盘或球体^1,2,3,4只要谐振腔的形状近乎完美（纳米级表面粗糙度），激光便可通过全内反射被限制在其本征模式中，这些模式通常被称为回音壁模式（whispering-gallery modes, WGMs）。其自由光谱范围（或称模间频率）可从GHz到THz不等，具体取决于谐振腔的半径，而其品质因数 Q 可能非常高⁵，范围从10⁷ - 10¹¹由于其独特的储存光和减慢光速的特性，回音壁模式光学谐振器已被用于执行多种光信号处理任务³：滤波、放大、延时 等等随着制造技术的不断进步，其前所未有的品质因数使其适用于计量学或基于量子技术等要求更高的应用领域^6-13.

在这些超高Q值谐振器中，由于光场被限制在极小的体积内，光子密度高，且光子寿命长（与Q值成正比），从而产生极强的光与物质相互作用，可通过诸如克尔（Kerr）、拉曼（Raman）或布里渊（Brillouin）等非线性效应激发多种回音壁模式（WGMs）^14-19。利用回音壁模式谐振器中的非线性现象，被认为是在超纯微波和光波产生领域具有前景的范式转变。这一主题横跨众多基础科学与技术领域，充分表明其在广泛学科中具有极强的潜在影响力。特别是航空航天与通信工程领域，目前迫切需要....

方案

该方案包含五个主要阶段：第一阶段制备 whispering-gallery-mode 微腔。为了控制微腔抛光过程的进展，需进行表面状态测量。第三阶段制备用于向微腔中耦合光的工具。当这两个主要器件制备完成后，我们利用它们来观测光学高-Q 值共振现象。最后，通过输入高功率激光束，微腔表现出非线性行为，并产生克尔频率梳（Kerr combs）。

1. 共振器的抛光

在此阶段，对光学窗口晶体谐振器（MgF₂ 或 CaF₂，可从光学元件供应商处 readily available）进行成型和抛光。该抛光工艺将其加工为高质量的回音壁模式谐振器。定制的抛光塔结构如方案 1所示。

1. 将晶体光学窗口粘接在一根可被空气轴承主轴电机夹持的棒上。
2. 用适当的抛光支撑织物包裹V形金属导轨，并倒入与水混合的10 μm研磨粉（氧化铝、金刚石或碳化硅）。将该导轨靠近旋转的圆盘（转速约5,000 rpm，压力为20 g），开始研磨。根据材料和旋转速度的不同，此过程可持续2小时（对于CaF₂）至4小时（对于MgF₂）。此抛光步骤将使谐振子形成双凸形状。此步骤结束时，圆盘应具有方案2所示的形状。
3. 下一步通常称为“研磨与抛光”程序....

结果

该五步法协议可用于制备适用于微波光子学应用的高品质因数回音壁模式谐振器。

第一步旨在使谐振器获得如方案2所示的期望形状。此处的主要难点在于制造出边缘足够尖锐的圆盘，以便能够强烈限制被束缚的光子，同时在机械性能上不会导致结构过于脆弱。该抛光装置还具有显著的多功能性，可对不同尺寸、形状和体材料的圆盘进行研磨。

抛光过程结束后，已实现纳米级的表面粗糙度（均方根），如图1所示。如此微小的表面粗糙度对应于优于10⁹的品质因数，这由图4中的腔衰荡测量结果所显示。

光纤锥的制备能够将直径减小至微米量级，且传输系数超过90%。如此小的光纤锥直径对于实现与谐振腔的光耦合至关重要，而高传输系数则是获得非线性效应的必要条件。耦合的Q因子超过10⁹，表明光纤锥耦合具有极高的质量。

讨论

本方案可用于制备高品质因数（high-Q）光学谐振器，将光耦合进入其中，并触发多种微波光子学应用中的非线性现象。

粗磨的第一步应初步形成谐振器的形状。使用10 μm研磨粉研磨一小时后，谐振器边缘的一侧应已形成合适的轮廓（见方案2）。下一步将用于平滑谐振器表面，当使用粒径为1 μm的研磨粉时，其表面应变得透明，此过程称为光学抛光。然而，这还不足以获得高品質因子，还需使用更小的研磨颗粒进行额外步骤，以实现纳米级表面粗糙度的更高表面质量。我们采用白光干涉轮廓仪测量表面不规则性，这些不规则性会导致表面散射损耗，从而降低Q因子性能。该步骤是一项重要的实验测试，用于评估抛光质量。图1展示了在工艺不同阶段通过轮廓仪拍摄的两张图像。第一张图像在研磨步骤后获取，显示表面不平整，干涉图样紊乱；而在抛光步骤后，干涉图样变得平滑且规则，表明谐振器表面状态在10 nm量级上已非常光滑。这正是获得高Q值谐振器所需达到的目标。还需注意，边缘的斜面形状必须优化，以在研磨过程中实现最高模式限制的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
步进电机 50 mm 行程	Thorlabs
三轴纳米位移台	Physik Instrumente
TUNICS 可调谐激光光源	Yenista
光学光谱分析仪 APEX	APEX Technologies