ウィスパリングギャラリーモード共振器に基づいたマイクロ波フォトニクスシステム

この手順の全体的な目標は、マイクロ波フォトニクスアプリケーション用のディスク共振器であるウィスパリングギャラリーモードを使用して光周波数コムを生成することです。最初のステップは、結晶ディスクの表面粗さのスケールがサブナノメートルになるまで、結晶ディスクの縁を研削して研磨することです。2番目のステップは、AAU干渉計顕微鏡を使用してこの表面粗さを測定することです。

次に、a、シングルモード光ファイバをブロートーチで加熱しながら引き伸ばし、マイクロメートルスケールの直径のテーパーファイバを得る。最後のステップは、テーパーを使用してレーザー光をディスク共振器に結合し、往復光路が整数の内部反射に対応するウィスパリングギャラリーモードを励起することです。最終的に、ポンプ出力が増加し、他のささやきギャラリーモードがケア非線形性を介して励起されます。

これにより、時間領域に短いパルスが発生し、周波数領域に周波数コムが発生します。機械的に研磨された結晶化ディスクエーターを使用する際のテストは、小さな内部吸収で非常に高い表面高速品質を達成することが可能であるということです。表面性は、カスタマイズされた光学プロファイラー(表面形状測定機)を使用して正確に行うことができ、関連するC因子は、ディスクオリジネーターに光を発射するためにキャビ法を使用しています。

当研究室で製作したタイプの繊維を使用しています。他の方法とは異なります。タイプファイバーは、非線形効果を引き起こすために必要な非常に高い結合効率を提供します。

ポンプ出力が低いと、注意の非線形性により、十分に高いレーザー出力として新しい周波数が誘導され、光周波数カラムが得られます。位相相関周波数の場合、信頼できるマイクロ波を生成することができ、これをフォトニックスアプリケーションに使用します。このプロトコルの最初のステップは、共振器を生成することです。

光学窓の結晶性フッ化マグネシウム、またはフッ化カルシウムから始めます。ここでは、直径6mmのフッ化カルシウムのディスクが使用されています。クリスタルは、この実験のためにカスタムメイドされたもののような研磨塔で成形され、研磨されます。

この研磨塔のサンプルは、スピンドルモーター接着剤によって保持されているロッドに取り付けられ、ロッドの端を結晶光学窓の中心に取り付け、ロッドをスピンドルモーターに取り付けます。次に、V字型の金属ガイドに、使用するクリスタルに適した研磨サポートパッドをかぶせます。ダイヤモンドや炭化ケイ素などの粒子サイズ10ミクロンの研磨剤粉末と水の混合物を用意し、ガイドのパッドに注ぎます。

クリスタルの回転を約 5 、 000 RPM で開始し、ガイドを回転するクリスタルの方に動かして 20 グラムで研削を開始します。圧力 結晶がこのコンピューターで生成された画像のように凸状になるまで粉砕を続けます。これには、材料にもよりますが、2時間から4時間かかる場合があります。

結晶を成形した後、次のステップはさらに研削と研磨です。ガイド内で水と混合された徐々に小さな研磨粒子を使用すると、完全なプロセスには4〜8時間かかります。研削・研磨が進むと、表面の状態に関するフィードバックを得ることが重要です。

最初に、結晶が不透明な場合は、光学顕微鏡を使用して目視検査を行います。表面は、砥粒径のスケールで粗さで欠陥のないままでなければなりません。その後、1ミクロンの粒子で研磨に成功した後、結晶は透明になり、後の段階でより小さな研磨剤で光学研磨に達するため、表面を特徴付けるために干渉測定が必要になります。

士気干渉計対物レンズを装備した顕微鏡を使用して、士気対物レンズで観察された干渉パターンを介して表面の高さの変化を定性的に研究します。入射光の半分はディスクの表面に向けられ、残りの半分はミラーによって反射されます。ディスクによって反射された光とミラーからの光は、ディスク表面を特徴付けるために使用される干渉パターンを生成します。

この干渉計画像は、1ミクロンの粉末で研磨された表面からのものです。高さの大きなばらつきが見られます。この画像は、100ナノメートルの粉末で研磨した表面のものです。

これは、はるかに滑らかな表面を示しています。より詳細な特性評価を行うには、小さな領域における表面の高さの変化をコンピュータ制御で測定します。この画像は、約0.25平方ミリメートルをカバーし、約1時間で完成しました。

研磨と琢磨は、干渉データから表面ができるだけ滑らかであることが示されるまで続ける必要があります。ディスクに光を結合するため。光ファイバーにテーパーが引かれます。

テーパーを引くと、テーパー内の繊維径が125ミクロンから1ミクロンに縮小されます。高次モードは徐々に励起され、互いに干渉します。臨界点に達しました。

これらの高次モードが放出されると、1つのモードのみがガイドされ、そのエバネッセントフィールドを使用して光をディスクに結合し、共振器に結合するための光ファイバーを作成できます。約1メートルのシングルモードシリカ繊維から始めます。ベアファイバーを両側のFCコネクタに接続します。

シングルモードシリカ繊維の中央部分からプラスチックとポリマーコーティングの約5センチメートルを剥がします。次に、ファイバーの一方の端を連続波の近赤外線レーザー光源に接続し、もう一方の端をフォトダイオードに接続します。これにより、ファイバーの監視が可能になります。

次に、ファイバーの剥がれた領域の両側のコーティング部分をコンピューター制御の高解像度モーターに固定します。モーターはコンピューター制御され、一定の加速度で端を反対方向に引っ張るように構成する必要があります。次に、ファイバーのコーティングされていない部分をブロートーチで約1分間加熱します。

炎は、進化するテーパーを損傷しないように穏やかにする必要があります。1分後、炎を当てたまま、モーターのコンピューターインターフェースを使用して、各モーターを平方あたり約5ミクロンの一定の加速度で動かし始めます。次に、描画が開始されたら、レーザー光源とフォトダイオードを使用してテーパーの透過を監視します。

IOD干渉パターンは、プロセス中に現れ、周波数が増加し、その後、1ミクロン近くの廃棄物直径で消えます。この時点で、モーターの動きと炎の両方をすぐに停止して、光を共振器に結合し、キャビティのアガンモードを測定します。共振器とファイバーテーパーは、顕微鏡下で互いに近づける必要があります。

共振器をファイバーテーパーの近傍にある3軸PAO制御トランスレーションステージに固定し、顕微鏡を使用してレゾネーターとファイバーテーパーの相対位置を監視します。共振器をテーパーから1ミクロン未満の距離に移動します。ミラーを使用して、垂直位置決めと傾斜角度を調整し、ファイバーと共振器の結合をテストします。

テーパーファイバーを可視レーザーダイオードに接続します。カップリングが効率的な場合は、共振器を点灯させる必要があります。効率的な結合が達成されたら、可視レーザーダイオードを、共振よりも狭く整列したモードホップフリーレーザーに交換します。

テーパのもう一方の端は、オシロスコープに接続されているフォトダイオードに入力する必要があります。光が共振器に入ると、その強度は時間とともに指数関数的に減少します。この特徴的な減衰時間は、光子寿命と呼ばれます。

共振器のエネルギー貯蔵容量の重要な尺度は、光子の寿命と光子の角周波数の積として定義される品質係数です。品質係数の正確な測定は、キャビティリングダウン実験で行うことができます。チャンバー内で減衰する共鳴光とその後の時間から調整解除された光との間に干渉を引き起こすのに十分な速さで、入力レーザーを波長にスイープします。

次に、レゾネーターとテーパーの位置を微調整して、カップリングの品質係数を最大化します。オシロスコープのトレースをガイドとして使用して、測定された曲線をフィッティングすることにより、品質係数を求めます。非線形効果は、チューナブルレーザーと共振器の間に光増幅器を挿入することで見ることができます。

フォトダイオードオシロスコープのトレースをフィードバックに使用して、レーザーを共振に近い入力波長に調整します。この時点で、出力ファイバーを高解像度の光スペクトラムアナライザーに接続します。レーザー入力パワーを上げながら、ポンプの波長をわずかに離調します。

新しい周波数がポンプピークの両側に表示されます。ケア光周波数コムです。この透過率と時間の関係のプロットでは、青色のトレースは、フッ化カルシウムから製造されたウィスパリング ギャラリー モード共振器のキャビティ リング ダウン技術を使用して見つけられました。

このプロトコルの方法では、赤い曲線はフィット曲線であり、そこから1.5×10から9番目の固有の品質係数を決定できます。このデータは、ささやくギャラリーモード共振器について得られたケア光周波数コムを示しています。中心周波数は入力レーザーの周波数で、約193.3テラヘルツです。

他のスペクトル線は、共振器の非線形相互作用によって作成されます。各スペクトル線間の周波数は、共振器の自由スペクトル範囲に対応する6ギガヘルツです。このビデオを見れば、Ultra HighQウィスパリングギャラリーモード、共振器の製造方法、テーパーファイバーを使用してそれらをレーザーポンプに結合する方法、および光周波数コンプの生成方法について十分に理解できるはずです。

これらの方法により、非線形媒体中の強く閉じ込められたレーザー場によって誘発される基本的な光物質相互作用の調査が可能になり、さまざまな技術的応用が探求されます。この手順を実行する際には、マスク、接着剤、認定レーザー安全メガネなどの予防策を講じることを忘れないでください。