Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

Zusammenfassung

Die angepasste Techniken in unserem Labor entwickelt, um Mikrowelle Photonik Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren bauen werden vorgestellt. Die Protokolle zu erhalten und zu charakterisieren diese Resonatoren sind detailliert, und eine Erklärung von einigen ihrer Anwendungen in Photonik Mikrowelle gegeben ist.

Zusammenfassung

Mikrowelle Photonik Systeme stützen sich grundsätzlich auf die Wechselwirkung zwischen Mikrowellen-und optische Signale. Diese Systeme sind äußerst viel versprechend für verschiedene Bereiche der Technik und angewandte Wissenschaft, wie der Luftfahrt-und Kommunikationstechnik, Sensorik, Messtechnik, nichtlineare Photonik und Quantenoptik. In diesem Artikel präsentieren wir Ihnen die wichtigsten Techniken in unserem Labor verwendet werden, um Mikrowellen Photonik-Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren zu bauen. Erste in diesem Artikel beschrieben ist das Protokoll für Resonator Polieren, die auf einem Schleifen-und polnisch-Technik nahe denen, die verwendet werden, um optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel polieren Teleskop basiert. Dann wurde ein weißes Licht interferometrischen Profilometer Maßnahmen Oberflächenrauhigkeit ist die einer der wichtigsten Parameter, um die Qualität der Poliervorrichtung zu charakterisieren. Um Licht in dem Resonator zu starten, wird ein verjüngter Silica-Faser mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich eingesetzt. Um einen solchen kleinen Durchmesser erreichens, nehmen wir die "Flamme-Bürsten"-Technik, mit gleichzeitig computergesteuerte Motoren, um die Faser auseinander zu ziehen und eine Lötlampe, um die Faser zu beheizen verjüngt werden. Der Resonator und der sich verjüngende Faser später aneinander genähert, um das Resonanzsignal der Flüstergangmoden Modi unter Verwendung einer Wellenlänge Laserstrahlabtastung visualisieren. Durch die Erhöhung der optischen Leistung in dem Resonator, nichtlineare Phänomene ausgelöst werden, bis die Bildung eines Kerr optischen Frequenzkamm mit einem Spektrum von äquidistanten Spektrallinien beobachtet wird. Diese Kerr Kamm Spektren haben außergewöhnliche Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technik sind. Wir betrachten die Anwendung im Zusammenhang mit ultra-stabile Mikrowellen-Frequenz-Synthese und demonstrieren die Erzeugung eines Kerr Kamm mit intermodalen GHz Frequenz.

Einleitung

Whispering Gallery Mode-Resonatoren sind Scheiben oder Kugeln aus Mikro-oder Millimeterbereich Radius ^1,2,3,4. Vorausgesetzt, dass der Resonator fast perfekt geformte (Nanometer-Größe Oberflächenrauhigkeit) ist, kann Laserlicht durch Totalreflexion innerhalb seiner Eigenmoden, die üblicherweise als Flüstern-Galerie-Modi (WGMs) bezeichnet werden gefangen werden. Ihre freie Spektralbereich (oder intermodale Frequenz) von GHz bis THz je nach Radius des Resonators variieren, während ihre Güte Q als außerordentlich hoch kann ^5, die von ^{7. Oktober} - ^{11. Oktober.} Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaft von Lagerung und Verlangsamung Licht, haben WGM optischen Resonatoren verwendet worden, um viele optische Signalverarbeitung Aufgaben ³ durchzuführen: Filterung, Verstärkung, Zeit-Verzögerung usw. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Fertigungstechnologien, um ihre beispiellose Qualität Faktoren sie für noch anspruchsvollere Anwendung in der Messtechnik oder Quantum-basierte Anwendungen ^6-13.

In diesen ultra-hohen Q-Resonatoren, induzieren das geringe Volumen der Entbindung, hohe Photonen-Dichte und lange Photonenlebensdauer (proportional zu Q) eine sehr starke Licht-Materie-Wechselwirkung, die die verschiedenen WGMs durch verschiedene nichtlineare Effekte können begeistern, wie Kerr, Raman oder Brillouin zum Beispiel ^14-19. Mit nichtlineare Phänomene in Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren wurde als vielversprechender Paradigmenwechsel für ultra-reinen Mikrowelle und Lichtwellenerzeugung vorgeschlagen. Die Tatsache, dass dieses Thema so vielen Bereichen der Grundlagenforschung und Technologie schneidet ist ein klarer Indikator für die sehr starken potenziellen Auswirkungen auf ein breites Spektrum von Disziplinen. Insbesondere sind Luftfahrt-und Nachrichtentechnik Technologien, die derzeit in der Notwendigkeit vielseitiger Mikrowelle und Lichtwellensignals mit außergewöhnlichen Kohärenz. Der WGM-Technologie hat mehrere Vorteile gegenüber bestehenden oder anderen potenziellen Methoden: konzeptionelle Einfachheit höhere Robustheit, geringer Stromverbrauch, lange Lebensdauer, Unempfindlichkeit gegenüber Störungen, sehr kompaktes Volumen, Frequenz Vielseitigkeit, einfache Chip-Integration, sowie ein großes Potenzial für die Integration der Mainstream der Standard photonischen Komponenten sowohl für Mikrowelle und Lichtwelle Technologien.

In Luft-und Raumfahrttechnik, sind Quarz Oszillatoren überwältigend dominant als Schlüssel Mikrowellen-Quellen für beide Navigationssysteme (Flugzeuge, Satelliten, Raumfahrzeuge, etc.) und-Detection-Systeme (Radare, Sensoren, etc.). Es wird jedoch einstimmig heute anerkannt, dass Frequenzstabilität Leistung von Quarz-Oszillatoren an seine Etage und wird nicht wesentlich mehr zu verbessern. Entlang der gleichen Linie, ist ihre Häufigkeit Vielseitigkeit begrenzt und wird kaum für ultra-stabile Mikrowelle Generation über 40 GHz ermöglichen. Mikrowelle photonischen Oszillatoren sollen diese Einschränkungen zu überwinden. Auf der anderen Seite, in der Nachrichtentechnik, Mikrowelle Photonic Oszillatoren werden auch erwartet, dass wichtige Komponenten werden in optischen Kommunikationsnetzwerken, wo sie die Lichtwelle / Mikrowelle Umwandlung mit beispielloser Effizienz durchführen würde. Sie sind auch kompatibel mit dem anhaltenden Trend der kompakten Full-optischen Komponenten in Lichtwelle Technologie, die ultra-schnelle Verarbeitung ermöglichen [up / down Konvertierung (de) Modulation, Verstärkung, Multiplexing, Mischen, etc.], ohne die Notwendigkeit zu manipulieren massiven (und dann langsam) Elektronen. Dieses Konzept der kompakten photonischen Schaltkreisen, wo Photonen steuern Photonen über nichtlineare Medien zielt darauf ab, den Engpass, die aus nahezu unbegrenzte optische Bandbreite gegenüber begrenzten optoelektronischen Verarbeitungsgeschwindigkeit zu umgehen. Optische Kommunikationssysteme sind auch sehr anspruchsvoll für ultra-geringes Phasenrauschen Mikrowellen, um sowohl die Taktung (geringes Phasenrauschen ist äquivalent zu niedrig Zeit-Jitter) und Bandbreite (Bitraten proportional zur Taktfrequenz) erfüllen. In der Tat, in der High-Speed-communication Netzwerke, wie zum Beispiel extrem stabilen Oszillatoren grundlegenden Artikeln für verschiedene Zwecke (lokalen Oszillator zum Aufwärts / Abwärts Frequenzumsetzung Netzwerk-Synchronisations-, Träger-Synthese, etc.).

Nichtlineare Phänomene in WGM-Resonatoren auch neue Horizonte eröffnen der Forschung für andere Anwendungen, wie z. B. Raman-und Brillouin Lasern. Ganz allgemein lassen sich diese Phänomene in der breiteren Perspektive der nichtlineare Phänomene in optischen Resonatoren und Wellenleiter zusammengeführt werden, und es ist eine fruchtbare Paradigma für kristalline Silizium-Photonik oder. Die starke Beschränkung und sehr lange Lebensdauer der Photonen in den torusartigen WGMs bieten auch eine ausgezeichnete Prüfstand zu grundlegenden Fragen in der kondensierten Materie und der Quantenphysik untersuchen. Der Wettlauf um immer höhere Genauigkeit in elektromagnetische Signale trägt auch zur Quintessenz Fragen in der Physik, im Zusammenhang mit Relativitätstheorie (Tests für Lorentzinvarianz) oder die Messung von Naturkonstanten eine Antwortnd ihre mögliche Variation mit der Zeit.

In diesem Artikel werden die verschiedenen Schritte, die zum kristallinen optischen Flüstern-Galerie-Modus (WGM) erhalten Resonatoren beschrieben und deren Charakterisierung erläutert. Ebenfalls vorgestellt wird das Protokoll, um die hohe Qualität verjüngten Faser benötigt paar Laserlicht in dieser Resonatoren zu erhalten. Schließlich ist ein Flaggschiff Anwendung dieser Resonatoren im Bereich der Mikrowellen Photonik, nämlich ultra-stabile Mikrowelle Generation mit Kerr Kämme, vorgestellt und diskutiert.

Im ersten Abschnitt werden wir ausführlich das Protokoll gefolgt, um ultra-hohen Q WGM-Resonatoren zu erhalten. Unsere Methode beruht auf einem Ansatz schleifen und polieren, die erinnert an die Standard-Techniken verwendet, um optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel Teleskop polieren ist. Der zweite Abschnitt ist für die Charakterisierung der Oberflächenrauhigkeit gewidmet. Wir verwenden eine berührungslose weißes Licht interferometrischen Profilometers, um die Oberfläche zu messen roughness die Streuung induzierte Verluste Oberfläche und dadurch den Q-Faktor Performance führt. Dieser Schritt ist ein wichtiger experimentellen Test, um die Qualität des Polierens zu bewerten. Der dritte Abschnitt ist mit der Herstellung eine konische Silica-Faser mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich vorgenommen wird, um Licht in dem Resonator zu starten. Um solch kleinen Durchmessern zu erreichen, nehmen wir die "Flamme-Bürsten"-Technik, mit gleichzeitig computergesteuerte Motoren, um die Faser auseinander zu ziehen und eine Lötlampe, um die Faser Bereich verjüngt werden ²⁰ erhitzen. Im vierten Abschnitt werden der Resonator und die sich verjüngenden Lichtleitfasern zueinander genähert, um das Resonanzsignal der Flüstergangmoden Modi unter Verwendung einer Wellenlänge Laserstrahlabtastung visualisieren. Wir zeigen im fünften Abschnitt, wie durch Erhöhung der optischen Leistung im Resonator, wir nichtlineare Phänomene auslösen, bis wir die Bildung von optischen Kerr Frequenzkämme beobachten zu verwalten, mit einem Spektrum von äquidistanten Spektrallinien. Als emphasized erwähnt, haben diese Kerr Kamm Spektren außergewöhnlichen Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technik ^21-23 sind. Wir werden eine der bemerkenswertesten Anwendungen von WGM-Resonatoren durch den Nachweis eines optischen Multi-Wellenlängen-Signal, dessen Frequenz intermodalen ist ein ultra-stabile Mikrowelle zu betrachten.

Protokoll

Das Protokoll besteht aus 5 Phasen: In der ersten, das Flüstern-Galerie-Resonator besteht. Um den Fortschritt des Poliervorgangs des Resonators zu steuern, sind Oberflächenzustand Messungen durchgeführt. In der dritten Stufe herzustellen man das Werkzeug, das Licht in dem Resonator wird gestartet. Sobald diese zwei wichtigsten Instrumente hergestellt werden, nutzen wir sie zu optischen High-Q-Resonanzen zu visualisieren. Schließlich mit einem High-Power-Input Laserstrahl verhält sich der Resonator in einem nichtlinearen Kerr Mode und Kämme hergestellt werden.

1. Polieren der Resonator

In diesem Stadium ist ein optisches Fenster kristallinen Resonator (MgF ₂ oder CaF _2, leicht aus optischen Komponente Einzelhändler) geformt und poliert. Diese Politur wandelt sie in hochwertige WGM-Resonatoren. Die angepasste Polieren Turm ist in Schema 1 dargestellt.

1. Kleber des kristallinen optischen Fenster auf einebleiben, dass durch die Luftlagerspindel Motor gehalten werden.
2. Mantel eine V-förmige metallische Führung mit der entsprechenden Polieren Stützgewebe und gießt 10 um abrasive Pulver (Aluminiumoxid, Diamant oder Siliciumcarbid) mit Wasser vermischt. Nähern Sie diese Anleitung, um die sich drehende Scheibe (ca. 5.000 rpm, 20 g Druck) und starten Mahlen. Je nach dem Material und der Spinngeschwindigkeit, kann dieser Prozess von 2 h (für CaF ₂₎ bis 4 h (für MgF ₂₎ dauern. Diese Polierschritt seine bi-konvexe Form an den Resonator ergeben. Am Ende dieses Schritts sollte die Scheibe die Form in Schema 2 dargestellt.
3. Der nächste Schritt wird allgemein als "Schleifen und Polieren" Prozedur ^24. Es besteht typischerweise aus in Wiederholung der vorherigen Schritt mit abrasiven Partikel der Größe 10 um, 3 um, 1 um 250 nm, 100 nm und schließlich. Das Stützgewebe ist auf jede Teilchengröße angepasst werden, die weniger steif für kleinere Körner. Um Kratzer zu vermeidenund Streifen eine horizontale Verschiebung der Führung durchgeführt werden kann. Bei jedem Schritt der aufeinanderfolgenden Schleifen und Polieren, sollte der Zustand der Oberfläche verbessert werden.

2. Die Steuerung der Zustand der Oberfläche

1. Eine visuelle Kontrolle unter einem optischen Mikroskop ist der erste Schritt für eine Oberfläche staatliche Kontrolle: die Scheibe undurchsichtig ist, um in den ersten Stadien leuchten, aber nach einer erfolgreichen 1 um Partikel Polieren, wird die Platte transparent und ihre Seiten reflektieren das Licht: die so genannte optische Politur erreicht ist und die Güte des Resonators im Bereich von 10 ⁵ - 10 ^6-Bereich.
2. Für kleinere Schleifmittel, das Auge ist nicht in der Lage, den Zustand der Oberfläche auswerten, auch mit einem Standard-Mikroskop. An diesem Punkt wird eine interferometrische Messung der Oberflächenbeschaffenheit erforderlich. Ein Mikroskop mit einem Interferometer Mirau Objektivlinse und mit einer weißen Lichtquelle ausgestattet. Das Bild des Resonators stört with einer Bezugsebene und zeigt so eine Weißlicht Phasenverschiebung Bearbeitungswerkzeug die Oberfläche Höhe unabhängig bei jedem Punkt mit einer Auflösung von einem Bruchteil der Wellenlänge, nämlich wenige Nanometer. Diese Messung kann auch verwendet werden, um die Krümmung der Scheibe ²⁵ zu bewerten.
3. Durch Veränderung der Länge zwischen der Probe und dem Ziel, festzustellen, die optische Phase des Resonators Reflexion und die Berechnung der Höhenunterschiede der Oberfläche. Dies kann automatisch durch einen dedizierten Computer, und eine Karte der Oberfläche Höhe erzeugt, so dass zur Bestimmung der Rauheit der Probe. Überwachen Sie die Oberflächenrauhigkeit, wie in Abbildung 1 erläutert, und stoppen Sie die Schleifen-Polieren Verfahren, wenn die Interferenzstreifen die glatte möglich sind.

3. Zeichnen der Taper

Um Licht in den Resonator wird eine sehr kleine optische Faser benötigt: ihr Durchmesser sollte etwa 3 um sein(Etwa 20-mal kleiner als ein menschliches Haar).

1. Isolieren Sie eine Standard-Single-Mode-Silica-Faser (SMF) aus seiner Kunststoff-und Polymer-Beschichtung auf einem ca. 5 cm Länge. Zur Kontrolle sollte die Faser mit einer Laserquelle an ihrem Eingang und einer Photodiode an seinem Ausgang angeschlossen werden.
2. Fix jede Größe des unbeschichteten Abschnitt der Faser zu zwei Computer-gesteuerten hochauflösenden Motoren. Mit dem Computer-Schnittstelle der Motoren konfigurieren, dass sie mit einem ständig beschleunigte Bewegung bewegen, so daß jede Seite der Faser heraus gezogen wird.
3. Erhitzen Sie die unbeschichteten Faser zwischen den beiden Befestigungspunkten mit einer Lötlampe Lampe für etwa 1 min vor Beginn der Dehnung. Die Flamme sollte schonend sein, um nicht die Verjüngung wegblasen, wenn es sehr klein ist.
4. Die Motoren Bewegung, und damit die Streckung der Faser. Sobald der Zeichnung gestartet wird, kann eine Überwachung der Übertragung der Kegel mit einer Laserquelle und einer Photodiode: Interferenzmuster wirderscheinen während des Prozesses, ihre Frequenz zu erhöhen, und schließlich werden sie für eine Taille Durchmesser nahe 1 um verschwinden. Zu diesem Zeitpunkt sollte der Motor und die Flamme gleichzeitig gestoppt werden.

4. Kopplung von Licht in den Resonator WGM

In diesem Stadium wird die Verjüngung, um Licht in dem Resonator verwendet wird und die High-Q Eigenmoden des Resonators, die in 2 dargestellt sind, zu beobachten.

1. Fix den Resonator auf einem 3-Achsen-Piezo-gesteuerte Übersetzung Bühne. Nähern an die Fasertaper in einem Abstand von weniger als 1 um. Die relative Position der Faser-Konus und dem Resonator überwacht wird, durch ein Mikroskop und ein Spiegel wird verwendet, um die vertikale Position und Neigung zu steuern.
2. Schließen Sie das Fasertaper zu einer sichtbaren Laserdiode: der Resonator sollte leuchten, wenn die Kupplung ist effizient sein, wie in Abbildung 3 dargestellt.
3. Schließen Sie das Fasertaper zuein modensprungfreies Laser mit schmaler Linienbreite (schmaler als die Linienbreite der Resonanz) mit einem Ende und einer Photodiode mit einem Oszilloskop an dem anderen Ende. Das Übertragungsverhalten des Resonators durch Abtasten der Wellenlänge am Eingang erhalten werden. Bewerten der Güte des Resonators unter Verwendung der erhaltenen Transmissionsspektrum, durch Berechnen des Verhältnisses zwischen der Resonanzfrequenz der Moden und deren Linienbreiten (volle Breite bei halbem Maximum).
4. Eine genauere Messung wird mit der "Hohlraum-ring-down" Experiment ^26, wobei die Wellenlänge Fegen ist schnell genug, um Interferenzen zwischen der Resonanz Licht zerfallen in dem Resonator und dem verstimmten Licht zu einem späteren Zeitpunkt zu erhalten durchgeführt. Man kann eine Feinabstimmung der Positionierung des Kegels und der Resonator, um die Kopplung Q-Faktor zu erhöhen und erhalten das typische Muster in Abbildung 4 dargestellt. Die zugehörige Ausgleichskurve gibt den Gütefaktor des Resonators.

5. Generieren des Comb

In dieser letzten Phase, bringt ein Hochleistungspumplaser nichtlineare Effekte in dem Resonator.

1. Legen Sie einen optischen Verstärker zwischen dem abstimmbaren Laser und dem Resonator.
2. Dank der Fotodiode und Oszilloskop, die Feinabstimmung der Laserquelle so dass der Eingang Wellenlänge ist neben einer Resonanz.
3. Verbinden Sie den Ausgang Faser einer hochauflösenden optischen Spektrumanalysator und erhöhen die Leistungsaufnahme während etwas Verstimmung der Pump-Wellenlänge. New Frequenzen auf jeder Seite der Pumpe Peak erscheinen: dies ist ein Kerr optischen Frequenzkamm.
4. Zurückschalten auf die Photodiode, können wir beobachten die Schläge zwischen den unterschiedlichen spektralen Modi erstellt. Verwendung einer Mikrowellen-Bandpassfilter, kann man eine reine Frequenz in diesem elektrischen Signal zu isolieren mit sehr geringem Rauschen.

Ergebnisse

Das Fünf-Schritt-Protokoll ermöglicht, WGM-Resonatoren mit sehr hoher Qualität Faktoren für Mikrowellen photonische Anwendungen zu erhalten.

Der erste Schritt zielt darauf ab, mit dem Resonator in die gewünschte Form zu geben, wie in Schema 2 dargestellt. Die größte Schwierigkeit ist hier, um eine Scheibe, deren Rand ist scharf genug, so dass es stark beschränken können die eingefangenen Photonen, ohne dass es zu strukturellen Fragilität von einem mechanischen Standpunkt her...

Diskussion

Dieses Protokoll ermöglicht die Herstellung qualitativ Q optischen Resonatoren, um Licht in ihnen auslösen und nichtlineare Phänomene für verschiedene Mikrowellen-Photonik-Anwendungen.

Der erste Schritt des Grobschleifen sollte seine Form Resonator ergeben. Nach einer Stunde Mahlen mit 10 um abrasive Pulver sollte einen Seite des Randes des Resonators sich bequem geformt (siehe Schema 2). Im folgenden Schritt wird die Oberfläche glätten des Resonators und bei Erreic...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Schrittmotoren 50 mm Kurs	Thorlabs
3 Achsen Nanotisch	Physik Instrumente
TUNICS abstimmbare Laserquelle	Yenista
Optischer Spektrumanalysator APEX	APEX Technologies