Magnetron Fotonica Systemen op basis van Whispering-gallery-mode resonatoren

Samenvatting

De aangepaste technieken ontwikkeld in ons laboratorium om microgolf fotonica systemen te bouwen op basis van ultra-hoge Q fluisteren gallery mode resonatoren worden gepresenteerd. De protocollen voor deze resonatoren te verkrijgen en te karakteriseren zijn gedetailleerd, en een uitleg van een aantal van hun toepassingen in de magnetron fotonica wordt gegeven.

Samenvatting

Magnetron fotonica systemen zijn gebaseerd fundamenteel op de interactie tussen een magnetron en optische signalen. Deze systemen zijn zeer belovend voor de verschillende gebieden van de technologie en toegepaste wetenschappen, zoals de ruimtevaart en communicatie techniek, sensing, metrologie, niet-lineaire fotonica, en quantum optica. In dit artikel presenteren we de belangrijkste technieken die worden gebruikt in ons lab te magnetron fotonica systemen op basis van ultra-hoge Q fluisteren gallery mode resonatoren bouwen. Eerste beschreven in dit artikel is het protocol voor resonator polijsten, dat is gebaseerd op een grind-en-polish techniek vlakbij degene die gebruikt om optische componenten zoals lenzen of spiegels telescoop polijsten. Vervolgens werd een wit licht interferometrische profilometer maatregelen oppervlakteruwheid, een belangrijke parameter voor de kwaliteit van het polijsten karakteriseren. Om licht in de resonator te lanceren, is een taps toelopende silica vezel met een diameter in de micrometer range gebruikt. Om dergelijke kleine diameter bereikens, we de 'flame-poetsen "-techniek waarbij gelijktijdig computer-gestuurde motoren aan de vezels uit elkaar te trekken, en een brander om de vezel ruimte te verwarmen om taps te nemen. De resonator en de taps toelopende vezels worden later benaderd om elkaar om de resonantie-signaal van de Whispering Gallery modi met een golflengte-scanning laser visualiseren. Door verhoging van het optische vermogen in de resonator, lineaire verschijnselen worden geactiveerd tot de vorming van een Kerr optical frequency comb is waargenomen met een spectrum uit equidistante spectraallijnen. Deze Kerr kam spectra hebben een uitzonderlijke eigenschappen die geschikt zijn voor diverse toepassingen in wetenschap en technologie zijn. We beschouwen de aanvraag betrekking ultrastabiele microgolffrequentie synthese en tonen de vorming van een Kerr kam met intermodale GHz frequentie.

Inleiding

Whispering gallery mode resonatoren zijn schijven of bollen van micro-of millimetric straal ^1,2,3,4. Op voorwaarde dat de resonator is bijna perfect gevormde (nanometerschaal oppervlakteruwheid), kunnen laserlicht gevangen worden door totale interne reflectie binnen zijn eigenmodes, die meestal worden aangeduid als gefluister-gallery modi (WGMs). Hun vrije-spectrale bereik (of intermodaal frequentie) kan variëren van GHz tot THz afhankelijk van de straal van de resonator's, terwijl hun kwaliteitsfactor Q kan zijn uitzonderlijk hoog ^5, variërend van ¹⁰ juli ^- 10 november. Door hun unieke eigenschap van de aanleg van voorraden en het vertragen van licht, hebben WGM optische resonatoren is gebruikt om vele optische signaalverwerking taken ³ uitvoeren: filtering, versterking, tijdvertragende, enz. Met de voortdurende verbetering van fabricage technologieën, hun ongekende kwaliteit factoren geschikt te maken voor nog meer veeleisende toepassing in de metrologie of quantum-gebaseerde applicaties ^6-13.

In deze ultra-hoge Q resonatoren, het kleine volume van de bevalling, hoge foton dichtheid, en een lange levensduur foton (evenredig met Q) leiden tot een zeer sterke licht-materie interactie, waarin de diverse WGMs kunnen prikkelen door middel van verschillende niet-lineaire effecten, zoals Kerr, Raman of Brillouin bijvoorbeeld ^14-19. Met behulp van niet-lineaire fenomenen in fluisterende gallery mode resonatoren werd voorgesteld als een veelbelovende paradigmaverschuiving voor ultra-pure magnetron en lightwave generatie. Het feit dat dit onderwerp snijdt zoveel gebieden van fundamentele wetenschap en technologie is een duidelijke indicatie van de zeer sterke potentiële impact op een brede waaier van disciplines. In het bijzonder, ruimtevaart-en communicatie-engineering technologieën zijn momenteel behoefte aan veelzijdige magnetron en lightwave signaal met uitzonderlijke coherentie. De WGM-technologie heeft een aantal voordelen ten opzichte van bestaande of andere toekomstige methoden: conceptuele eenvoud, higher robuustheid, kleiner energieverbruik, langere levensduur, immuniteit voor interferenties, zeer compact volume, frequentie veelzijdigheid, eenvoudige chip-integratie, evenals een sterk potentieel voor het integreren van de hoofdstroom van de standaard fotonische componenten voor zowel de magnetron en lightwave technologieën.

In aerospace engineering, kwarts oscillatoren zijn overweldigend dominant als belangrijke magnetron bronnen voor zowel navigatiesystemen (vliegtuigen, satellieten, ruimteschepen, enz.) en detectiesystemen (radars, sensoren, enz.). Echter, zo wordt algemeen erkend vandaag die frequentie stabiliteitsprestaties kwarts oscillatoren nadert zijn bodem, en niet significant meer verbeterd. In dezelfde lijn, wordt de frequentie veelzijdigheid beperkt en zal nauwelijks zorgen voor ultra-stabiele magnetron generatie meer dan 40 GHz. Magnetron fotonische oscillatoren wordt verwacht dat zij deze beperkingen te overwinnen. Anderzijds, in communicatietechniek, magnetron fotonic oscillatoren zijn naar verwachting ook belangrijke componenten in optische communicatie netwerken waar ze de lightwave / magnetron conversie met ongekende efficiëntie zou presteren. Ze zijn ook compatibel met de huidige trend van compacte full-optische componenten in lightwave technologie, die ultra-snelle verwerking mogelijk [omhoog / omlaag conversie, (de) modulatie, amplificatie, multiplexing, mengen etc.] zonder dat massieve manipuleren (en dan, langzaam) elektronen. Dit concept van de compacte fotonische circuits waar fotonen controle fotonen via niet-lineaire media is gericht op het knelpunt afkomstig van vrijwel onbeperkte optische bandbreedte versus beperkte opto verwerkingssnelheid omzeilen. Optische communicatie systemen zijn ook zeer veeleisend voor ultra-lage fase ruis microgolven om te voldoen aan zowel de klokken (lage fase ruis is gelijk aan lage tijd-jitter) en de bandbreedte (bit-rates proportioneel toenemen om de klokfrequentie) eisen. In feite, in high-speed communicatie netwerken, zoals ultrastabiele oscillatoren zijn fundamenteel gevonden voor verschillende doeleinden (lokale oscillator voor omhoog / omlaag frequentieomzetting, netwerksynchronisatie, drager synthese, enz.).

Lineaire fenomenen in WGM resonatoren ook nieuwe horizonten van het onderzoek te openen voor andere toepassingen, zoals Raman en Brillouin lasers. Meer in het algemeen kunnen deze verschijnselen worden samengevoegd in het bredere perspectief van lineaire fenomenen in optische holten en golfgeleiders, en het is een vruchtbaar paradigma voor kristallijn of silicium fotonica. De sterke opsluiting en zeer lange levensduur van fotonen in de torusachtige WGMs bieden ook een uitstekende test-bench om fundamentele kwesties te onderzoeken in gecondenseerde materie en kwantumfysica. De race naar steeds grotere nauwkeurigheid in elektromagnetische signalen draagt ​​ook bij aan typische vragen in de natuurkunde, in verband met de relativiteitstheorie (tests voor Lorentz invariantie), of het meten van de fundamentele fysische constanten een antwoordnd hun mogelijke variatie met de tijd.

In dit artikel worden de verschillende stappen die nodig zijn om kristallijn optische fluisteren-gallery-mode (WGM) resonatoren verkrijgen beschreven en hun karakterisering wordt uitgelegd. Presenteerde ook is het protocol om de hoge kwaliteit conische glasvezel die nodig is om paar laserlicht in deze resonatoren te verkrijgen. Tenslotte wordt een vlaggeschip van deze resonatoren op het gebied van microgolf fotonica, namelijk ultrastabiele generatie magnetron met Kerr kammen, gepresenteerd en besproken.

In het eerste deel, we detail het protocol gevolgd om ultra-hoge Q WGM resonatoren te verkrijgen. Onze methode is gebaseerd op een grind-en polish benadering, die doet denken aan de standaard technieken die gebruikt worden om optische componenten zoals lenzen of telescoop spiegels polijsten. Het tweede deel is gewijd aan de karakterisering van de oppervlakteruwheid. We maken gebruik van een non-contact wit licht interferometrische profilometer naar de oppervlakte te meten roughness wat leidt tot verstrooiing voortvloeiende verliezen oppervlak en daarmee de prestaties factor Q verlagen. Deze stap is belangrijk experimentele test de kwaliteit van het polijsten evalueren. Het derde deel heeft betrekking op de fabricage een tapse silica vezel met een diameter in het micrometer om licht in de resonator te starten. Om dergelijke kleine diameters bereiken we de 'flame-poetsen "-techniek waarbij gelijktijdig computer-gestuurde motoren aan de vezels uit elkaar te trekken, en een brander om de vezel gebied te zijn taps ²⁰ warmte vast. In het vierde deel, de resonator en de taps toelopende vezels worden benaderd om elkaar om de resonantie-signaal van de Whispering Gallery modi met een golflengte-scanning laser visualiseren. We zien in het vijfde hoofdstuk hoe, door het verhogen van de optische macht in de resonator, slagen we erin om niet-lineaire fenomenen leiden tot we bestudeer de vorming van Kerr optische frequentie kammen, met een spectrum gemaakt van equidistante spectraallijnen. Als eboven mphasized, deze Kerr kam spectra hebben een uitzonderlijke eigenschappen die geschikt zijn voor verschillende toepassingen in zowel wetenschap en technologie ^21-23 zijn. We zullen een van de meest opmerkelijke toepassingen van WGM resonatoren door aan te tonen een optische multi-golflengte signaal waarvan de intermodale frequentie is een ultra-stabiele magnetron.

Protocol

Het protocol bestaat uit 5 fasen: In de eerste, wordt het fluisteren-gallery-mode resonator gemaakt. Om de voortgang van het polijsten van de resonator controleren zijn oppervlaktetoestand metingen verricht. In de derde fase, fabriceren wij het instrument dat licht zal lanceren in de resonator. Zodra deze twee belangrijke instrumenten worden vervaardigd, gebruiken we ze om optische high-Q resonanties te visualiseren. Bovendien zullen, met een hoge vermogen laserbundel, de resonator gedraagt ​​in een lineaire mode en Kerr kammen worden geproduceerd.

1. Polijsten van de Resonator

In dit stadium, een optisch venster kristallijne resonator _(MgF2 of _CaF2, verkrijgbaar bij optische component retailers) is gevormd en gepolijst. Dit polijsten procedure zet ze om in hoogwaardig WGM resonatoren. De aangepaste polijsten toren wordt gepresenteerd in schema 1.

1. Lijm de kristallijne optische raam op eenstok die kan worden gehouden door de lucht lager spindel motor.
2. Coat een V-vormige metalen geleider met de juiste polijsten steunweefsel, en giet 10 micrometer schuurmiddelen (aluminiumoxide, diamant, of siliciumcarbide) gemengd met water. Benaderen deze gids aan de draaiende schijf (ongeveer 5.000 rpm, 20 g druk) en beginnen te malen. Afhankelijk van het materiaal en de spinsnelheid, kan dit proces duren van 2 uur (voor _CaF2) tot 4 uur (voor _MgF2). Dit polishing stap zal zijn bi-convexe vorm te geven aan de resonator. Aan het eind van deze stap moet de schijf de vorm weergegeven in schema 2.
3. De volgende stap wordt gewoonlijk "slijpen en polijsten" procedure ^24. Het bestaat typisch uit het herhalen van de voorgaande stap met schurende deeltjes een grootte 10 urn, 3 um, 1 urn, 250 nm, en tenslotte 100 nm. Het steunweefsel moeten worden aangepast aan elke deeltjesgrootte minder stijf kleinere korrels. Om krassen te vermijdenen strepen, een horizontale translatie van de gids kan worden uitgevoerd. Bij elke stap van opeenvolgende slijpen en polijsten, de staat van het oppervlak worden verbeterd.

2. Die de staat van de Surface

1. Een visuele controle onder een optische microscoop is de eerste stap voor een oppervlakte staatscontrole: de schijf is ondoorzichtig voor licht in de eerste stadia, maar na een succesvolle 1 micrometer deeltje polijsten, de schijf wordt transparant en de zijkanten reflecteren het licht: het zo -wel optische polish is bereikt en de kwaliteitsfactor van de resonator moet worden in de ¹⁰ mei-10 juni range.
2. Voor kleinere abrasieve, het oog niet in staat de toestand van het oppervlak te evalueren, zelfs met een standaard microscoop. Op dit punt wordt een interferometrische meting van de oppervlaktetoestand nodig. Gebruik een microscoop uitgerust met een Mirau interferometer objectief en met een witte lichtbron. Het beeld van de resonator interfereert wiste een referentievlak, dus onthullen door een wit licht faseverschuiving processing tool het oppervlak hoogte onafhankelijk op elk punt met een resolutie van een fractie van de golflengte, namelijk een paar nanometer. Deze meting kan ook worden gebruikt om de kromming van de schijf ²⁵ te evalueren.
3. Door wijziging van de lengte tussen het monster en het doel, bepalen de optische fase van de resonator reflectie en bereken de hoogteverschillen van het oppervlak. Dit kan worden geautomatiseerd dankzij een toepassingsgerichte computer, en een kaart van de oppervlaktehoogte wordt gemaakt, waardoor het bepalen van de ruwheid van het monster. Controleer de oppervlakteruwheid zoals in figuur 1, en ​​stop het slijpen-polijsten procedure bij de interferentielijnen zijn zo glad mogelijk.

3. Het tekenen van de Taper

Te koppelen licht in de resonator, is een zeer kleine optische vezel nodig: zijn diameter moet ongeveer 3 micrometer te zijn(Ongeveer 20 keer kleiner dan een menselijke haar).

1. Strip een standaard single-mode fiber silica (SMF) uit zijn plastic en polymeer coating op een ongeveer 5 cm lengte. Ter controle dient de vezel verbonden met een laserbron aan zijn ingang en een fotodiode aan zijn uitgang.
2. Bevestig elke maat van de niet beklede gedeelte van de vezel om twee computergestuurde hoge resolutie motoren. Met behulp van de computer interface van de motoren, configureren bewegen met een constant versnelde beweging, zodat elke zijde van de vezel uit elkaar worden getrokken.
3. Verhit de ongecoate vezel tussen de twee bevestigingspunten met een steekvlam lamp voor ongeveer 1 min voor aanvang van de rekken. De vlam moet vriendelijk zijn om te voorkomen dat de conus weg te blazen zodra het is zeer klein.
4. Start de motoren beweging en dus het strekken van de vezel. Zodra de tekening wordt gestart, kan men zien op de overdracht van de conus met een laserbron en een fotodiode: interferentie patronen zalverschijnen tijdens het proces, de frequentie toenemen, en tenslotte verdwijnen ze een taille diameter bij 1 pm. In dit stadium moet de motor en tegelijkertijd de vlam gestopt.

4. Koppeling Licht in de WGM Resonator

In deze fase wordt de tapse gebruikt te koppelen licht in de resonator en de hoge-Q eigenmodes van de holte, die zijn weergegeven in figuur 2 zien.

1. Bevestig de resonator op een 3-assige Piezo-gecontroleerde vertalingen podium. Benaderen de vezel taps op een afstand van minder dan 1 urn. De relatieve positie van de vezel taps de resonator wordt bewaakt door een microscoop, en een spiegel wordt gebruikt om de verticale positie en de hellingshoek controleren.
2. Sluit de vezel conus een zichtbare laserdiode: de resonator moet branden wanneer de koppeling is efficiënt, zoals getoond in figuur 3.
3. Verbind de glasvezel conus aaneen modus hop-free laser met een smalle lijnbreedte (smaller dan de lijnbreedte van de resonantie) aan een uiteinde, en een fotodiode verbonden met een oscilloscoop aan de andere kant. De transmissie reactie van de resonator kan worden verkregen door het scannen van de golflengte bij de ingang. Evalueer de kwaliteitsfactor van de resonator van de verkregen transmissie spectrum, door berekening van de verhouding tussen de resonantiefrequentie van de functies en de lijnbreedten (breedte op halve hoogte).
4. Een meer accurate meting wordt uitgevoerd met de "cavity-ring-down 'experiment ^26, waarbij de golflengte vegen is snel genoeg om interferenties tussen de resonerende licht rottend in de resonator en de ontstemde licht op een later tijdstip te verkrijgen. Men kan fijnregelen de positionering van de conus en de resonator de koppeling Q-factor en het verwerven van het typische patroon getoond in Figuur 4. De bijbehorende fitcurve geeft de kwaliteitsfactor van de resonator.

5. Het genereren van de Kam

In deze laatste etappe, een hoog vermogen pomp laser prikkelt niet-lineaire effecten in de resonator.

1. Plaats een optische versterker tussen de afstembare laser en de resonator.
2. Dankzij de fotodiode en de oscilloscoop, fine-tunen van de laserbron, zodat de ingang golflengte is naast een resonantie.
3. Verbind de uitgang vezel tot een hoge-resolutie optische spectrum analyzer en verhoging van het ingangsvermogen terwijl lichtjes ontstemmen de pomp golflengte. Nieuwe frequenties op elke zijde van de piek pomp: dit is een Kerr optical frequency comb.
4. Terug te schakelen naar de fotodiode, kunnen we de slagen tussen de verschillende spectrale modi gemaakt observeren. Met behulp van een magnetron band-pass filter, kan men een zuivere frequentie te isoleren in dit elektrische signaal met een zeer laag geluidsniveau.

Resultaten

Deze vijf-stappen-protocol stelt om WGM resonatoren te verkrijgen met een zeer hoge kwaliteit factoren voor microgolf fotonische toepassingen.

De eerste stap is bedoeld om aan de resonator de gewenste vorm, zoals weergegeven op Schema 2. Het grootste probleem hier is om een ​​schijf waarvan de velg is scherp genoeg, zodat kan het sterk beperken van de gevangen fotonen, zonder dat dit leidt tot structurele kwetsbaarheid van een mechanisch oogpunt te vervaardigen. Dit polijste...

Discussie

Dit protocol maakt het produceren van high-Q optische resonatoren, te koppelen licht in hen en leiden tot niet-lineaire fenomenen van verschillende microgolf fotonica toepassingen.

De eerste stap van ruwe slijpen moet zijn vorm te geven aan resonator. Na een uur vermalen met 10 urn schuurmiddel moet een zijde van de rand van de resonator gemakkelijk worden gevormd (zie Schema 2). De volgende stap is het oppervlak van de resonator glad en bij het bereiken van het sta...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Stapmotoren 50 mm slag	Thorlabs
3-assige nanostage	Physik Instrumente
TUNICS afstembare laserbron	Yenista
Optische spectrumanalysator APEX	APEX Technologies