Les systèmes photoniques à micro-ondes Basé sur des résonateurs-galerie-mode de chuchotement

L’objectif global de cette procédure est de générer des peignes de fréquences optiques en utilisant le mode Whispering Gallery, des résonateurs à disque pour les applications photoniques micro-ondes. La première étape consiste à meuler et à polir le bord d’un disque cristallin jusqu’à ce que l’échelle de sa rugosité de surface soit inférieure au nanomètre. La deuxième étape consiste à mesurer cette rugosité de surface à l’aide d’un microscope interféromètre AAU.

Ensuite, une fibre optique monomode est étirée tout en étant chauffée au chalumeau afin d’obtenir une fibre conique de diamètre micrométrique. La dernière étape consiste à utiliser le cône pour coupler la lumière laser dans le résonateur à disque et pour exciter un mode galerie de chuchotement dont le trajet lumineux aller-retour correspond à un nombre entier de réflexions internes totales. En fin de compte, la puissance de la pompe est augmentée et d’autres modes de galerie de chuchotements sont excités via la non-linéarité des soins.

Cela conduit à des impulsions courtes dans le domaine temporel et à un peigne de fréquences dans le domaine fréquentiel. Le test de l’utilisation d’un disque cristallisé poli mécaniquement est qu’il est possible d’obtenir une qualité de surface rapide très élevée avec une faible absorption interne. La surface peut être utilisée avec précision à l’aide d’un profilomètre optique personnalisé, et le facteur C associé utilise les méthodes cavi pour lancer la lumière dans les émetteurs de disque.

Nous utilisons des fibres de type fabriquées dans notre laboratoire. Contrairement à d’autres méthodes. Les fibres de type offrent l’efficacité de couplage très élevée nécessaire pour déclencher des effets non linéaires.

À faible puissance de pompe, la non-linéarité du soin induit de nouvelles fréquences comme une puissance laser suffisamment élevée conduisant à une colonne de fréquence optique. Pour les fréquences corrélées en phase, des micro-ondes fiables peuvent être générées, que nous utilisons pour les applications photonix. La première étape de ce protocole consiste à produire un résonateur.

Commencez par le fluorure de magnésium cristallin de fenêtre optique, ou fluorure de calcium. Ici, un disque de six millimètres de diamètre de fluorure de calcium est utilisé. Le cristal sera façonné et poli sur une tour de polissage comme celle fabriquée sur mesure pour cette expérience.

Les échantillons de cette tour de polissage sont fixés à une tige maintenue par la colle du moteur de broche, l’extrémité de la tige au centre de la fenêtre optique cristalline, montez la tige dans le moteur de broche. Ensuite, recouvrez un guide métallique en forme de V d’un tampon de support de polissage approprié au cristal utilisé. Prenez un mélange préparé d’une poudre abrasive, telle que du diamant ou du carbure de silicium d’une taille de particule de 10 microns et de l’eau et versez-le sur le tampon dans le guide.

Démarrez la rotation du cristal à environ 5 000 tr/min et déplacez le guide vers le cristal en rotation pour commencer à le broyer à 20 grammes. Pression Continuez à broyer jusqu’à ce que le cristal ait une forme convexe comme dans cette image générée par ordinateur. Cela peut prendre entre deux et quatre heures selon le matériau.

Après avoir façonné le cristal, l’étape suivante est le meulage et le polissage. En utilisant des particules abrasives de plus en plus petites mélangées à de l’eau dans le guide, le processus complet prend de quatre à huit heures. Au fur et à mesure du meulage et du polissage, il est important d’obtenir un retour d’information sur l’état de la surface.

Dans un premier temps, lorsque le cristal est opaque, utilisez un microscope optique pour l’inspection visuelle. La surface doit rester exempte de défauts avec une rugosité à l’échelle de la granulométrie abrasive. Plus tard, après un polissage réussi avec des particules d’un micron, le cristal devient transparent et le polissage optique a été atteint à des stades ultérieurs avec des abrasifs plus petits, des mesures interférométriques sont nécessaires pour caractériser la surface.

Utilisez un microscope équipé de l’objectif de l’interféromètre moral pour étudier qualitativement les variations de hauteur de surface via les modèles d’interférence observés dans l’objectif moral. La moitié de la lumière incidente est dirigée vers la surface du disque tandis que l’autre moitié est réfléchie par un miroir. La lumière réfléchie par le disque et la lumière du miroir produisent un motif d’interférence qui est utilisé pour caractériser la surface du disque.

Cette image interférométrique provient d’une surface polie avec une poudre d’un micron. Il présente des variations de hauteur importantes. Cette image provient d’une surface polie avec une poudre de 100 nanomètres.

Cela indique une surface beaucoup plus lisse. Pour une caractérisation plus détaillée, utilisez une mesure contrôlée par ordinateur des variations de hauteur de la surface dans une petite zone. Cette image a été réalisée en une heure environ et couvre environ 0,25 millimètre carré.

Le meulage et le polissage doivent se poursuivre jusqu’à ce que les données interférométriques suggèrent que la surface est aussi lisse que possible. Afin de coupler la lumière au disque. Un cône est dessiné dans une fibre optique.

Lorsque le cône est étiré, le diamètre de la fibre dans le cône est réduit de 125 microns à un micron. Les modes d’ordre supérieur sont progressivement excités et interfèrent les uns avec les autres. Un point critique est atteint.

Lorsque ces modes d’ordre supérieur sont éjectés, un seul mode reste guidé et son champ évanescent peut être utilisé pour coupler la lumière dans le disque afin de créer la fibre optique pour le couplage au résonateur. Commencez avec environ un mètre de fibre de silice monomode. Épissez la fibre nue vers les connecteurs FC de chaque côté.

Retirez environ cinq centimètres du revêtement en plastique et en polymère de la section centrale d’une fibre de silice monomode. Connectez ensuite une extrémité de la fibre à une source laser proche infrarouge à ondes continues et l’autre à une photodiode. Cela permet de surveiller la fibre.

Ensuite, fixez une partie revêtue de chaque côté de la région dénudée de la fibre à un moteur haute résolution contrôlé par ordinateur. Les moteurs doivent être contrôlés par ordinateur et configurés pour tirer les extrémités dans des directions opposées à une accélération constante. Maintenant, chauffez la partie non enrobée de la fibre avec un chalumeau pendant environ une minute.

Les flammes doivent être douces pour éviter d’endommager le cône évolutif. Après une minute, tout en appliquant une flamme, utilisez une interface informatique des moteurs pour démarrer chacun d’eux avec une accélération constante d’environ cinq microns par carré. Deuxièmement, une fois le dessin commencé, surveillez la transmission du cône à l’aide de la source laser et de la photodiode.

Des motifs d’interférence IOD apparaîtront au cours du processus, augmenteront en fréquence, puis disparaîtront pour un diamètre de déchet proche d’un micron. À ce stade, arrêtez immédiatement le mouvement du moteur et la flamme pour coupler la lumière au résonateur et mesurer les modes agan de la cavité. Le résonateur et le cône de la fibre doivent être rapprochés l’un de l’autre au microscope.

Fixez le résonateur sur une platine de translation contrôlée par PAO à trois axes à proximité de la conicité de la fibre tout en utilisant le microscope pour surveiller la position relative du résonateur et de la conicité de la fibre. Déplacez le résonateur à une distance de moins d’un micron du cône. Utilisez un miroir pour aider au positionnement vertical et à l’angle d’inclinaison afin de tester le couplage de la fibre et du résonateur.

Connectez la fibre conique à une diode laser visible. Lorsque le couplage est efficace, le résonateur doit être éclairé. Une fois le couplage efficace obtenu, remplacez la diode laser visible par un laser sans saut de mode qui s’est aligné avec plus étroit que celui de la résonance.

L’autre extrémité du cône doit être insérée dans une photodiode connectée à un oscilloscope. Lorsque la lumière pénètre dans la cavité, son intensité diminue de façon exponentielle avec le temps. Le temps de décroissance caractéristique est appelé la durée de vie des photons.

Une mesure importante de la capacité de stockage d’énergie du résonateur est le facteur de qualité défini comme le produit de la durée de vie des photons et de la fréquence angulaire des photons. Une mesure précise du facteur de qualité peut être effectuée avec l’expérience de l’anneau de cavité pour la réaliser. Balayez le laser d’entrée à travers les longueurs d’onde suffisamment rapidement pour provoquer des interférences entre la lumière de résonance décroissante dans la chambre et la lumière désaccordée à partir d’un moment ultérieur.

Ajustez ensuite la position du résonateur et effilez-le pour maximiser le facteur de qualité de couplage. En utilisant le tracé de l’oscilloscope comme guide, le facteur de qualité est déterminé en ajustant la courbe mesurée. Des effets non linéaires peuvent être observés en insérant un amplificateur optique entre le laser accordable et le résonateur.

À l’aide du tracé de l’oscilloscope à photodiode pour la rétroaction, réglez le laser sur une longueur d’onde d’entrée proche de la résonance. À ce stade, connectez la fibre de sortie à un analyseur de spectre optique haute résolution. Augmentez la puissance d’entrée du laser tout en désaccordant légèrement la longueur d’onde de la pompe.

De nouvelles fréquences apparaîtront de chaque côté du pic de la pompe. Il s’agit d’un peigne de fréquence optique de soins. Dans ce graphique de transmission en fonction du temps, la trace en bleu a été trouvée à l’aide de la technique de l’anneau de cavité sur un résonateur en mode galerie chuchotante fabriqué à partir de fluorure de calcium.

Avec les méthodes de ce protocole, la courbe rouge est la courbe ajustée à partir de laquelle un facteur de qualité intrinsèque de 1,5 fois 10 puissance neuvième peut être déterminé. Ces données montrent le peigne de fréquence optique de soin obtenu pour un résonateur en mode galerie de chuchotement. La fréquence centrale est celle du laser d’entrée, environ 193,3 térahertz.

Les autres raies spectrales sont créées par les interactions non linéaires dans le résonateur. La fréquence entre chaque raie spectrale est de six gigahertz, ce qui correspond à la plage spectrale libre du résonateur. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication du mode de galerie de chuchotement ultra HighQ, des résonateurs, de la façon de les coupler à une pompe laser à l’aide d’une fibre conique et de la façon de générer une composition de fréquence optique.

Ces méthodes permettent d’étudier les interactions fondamentales entre la lumière et la matière induites par des champs laser fortement confinés dans des milieux non linéaires, et d’explorer une grande variété d’applications technologiques. N’oubliez pas de prendre des précautions telles que des masques, des colles et des lunettes de sécurité laser certifiées lors de l’exécution de cette procédure.