Name: Mikrofalowe systemy fotoniczne oparte na rezonatorach z galerią szeptów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-08-05T12:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 18 s
Description: Poznaj techniki budowy mikrofalowych systemów fotonicznych z rezonatorami whispering gallery mode. Naucz się szlifowania, pomiaru chropowatości i sprzęgania światła laserowego.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Y.C.K. dziękuje za wsparcie finansowe Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych w ramach projektu NextPhase (ERC StG 278616). Autorzy dziękują również za wsparcie ze strony Centre National d'Etudes Spatiales (CNES, Francja) w ramach projektu SHYRO (Akcja R&T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201), projektu ANR ORA (BLAN 031202) oraz Regionu de Franche-Comté we Francji.

Protokół składa się z 5 głównych etapów: W pierwszym z nich tworzony jest rezonator w trybie galerii szeptów. W celu kontrolowania postępu polerowania rezonatora przeprowadza się pomiary stanu powierzchniowego. W trzecim etapie wytwarzamy narzędzie, które będzie emitować światło w rezonatorze. Po wyprodukowaniu tych dwóch głównych narzędzi używamy ich do wizualizacji rezonansów optycznych o wysokiej wartości Q. Wreszcie, za pomocą wiązki lasera wejściowego o dużej mocy, rezonator zachowuje się w sposób nieliniowy i wytwarzane są grzebienie Kerra.
1. Polerowanie rezonatora
Na tym etapie, krystaliczny rezonator okna optycznego (MgF2 lub CaF2, łatwo dostępne w sklepach z komponentami optycznymi) jest kształtowany i polerowany. Ta procedura polerowania przekształca je w wysokiej jakości rezonatory WGM. Niestandardowa wieża polerska jest przedstawiona na schemacie 1.
<ol>
	<li>Przyklej krystaliczne okienko optyczne na patyku, który może być trzymany przez silnik wrzeciona z łożyskiem powietrznym.</li>
	<li>Pokryj metalową prowadnicę w kształcie litery V odpowiednią polerską tkanką podporową i wlej 10 μm proszków ściernych (tlenek glinu, diament lub węglik krzemu) zmieszanych z wodą. Podejdź do wirującej tarczy (około 5 000 obr./min, nacisk 20 g) i zacznij ją mielić. W zależności od materiału i prędkości przędzenia proces ten może trwać od 2 godzin (dla CaF2) do 4 godzin (dla MgF2). Ten etap polerowania nada rezonatorowi jego podwójnie wypukły kształt. Na końcu tego kroku dysk powinien mieć kształt przedstawiony na schemacie 2.</li>
	<li>Następny etap jest ogólnie nazywany procedurą "szlifowania i polerowania"24. Zazwyczaj polega na powtórzeniu poprzedniego kroku z cząstkami ściernymi o wielkości 10 μm, 3 μm, 1 μm, 250 nm i na końcu 100 nm. Tkanka podporowa powinna być dostosowana do każdej wielkości cząstek, będąc mniej sztywną w przypadku mniejszych ziaren. Aby uniknąć zadrapań i pasków, można wykonać poziome przesunięcie prowadnicy. Na każdym etapie sukcesywnego szlifowania i polerowania należy poprawiać stan powierzchni.</li>
</ol>
2. Kontrolowanie stanu powierzchni
<ol>
	<li>Kontrola wizualna pod mikroskopem optycznym jest pierwszym krokiem do kontroli stanu powierzchni: dysk jest nieprzezroczysty dla światła w pierwszych etapach, jednak po udanym polerowaniu cząstek 1 μm dysk staje się przezroczysty, a jego boki odbijają światło: osiągnięto tak zwany połysk optyczny, a współczynnik jakości rezonatora powinien mieścić się w zakresie 105 - 106.</li>
	<li>W przypadku mniejszego ścierniwa oko nie jest w stanie ocenić stanu powierzchni, nawet przy użyciu standardowego mikroskopu. W tym momencie potrzebny jest interferometryczny pomiar stanu powierzchni. Używać mikroskopu wyposażonego w soczewkę obiektywową interferometru Mirau i źródło światła białego. Obraz rezonatora interferuje z płaszczyzną odniesienia, odsłaniając w ten sposób za pomocą narzędzia do przetwarzania światła białego przesuwną fazowo wysokość powierzchni niezależnie w każdym punkcie z rozdzielczością ułamka długości fali, czyli kilku nanometrów. Pomiar ten może być również wykorzystany do oceny krzywizny dysku25.</li>
	<li>Modyfikując długość między próbką a obiektywem, określ fazę optyczną odbicia rezonatora i oblicz zmiany wysokości powierzchni. Można to zautomatyzować dzięki dedykowanemu komputerowi, a także tworzona jest mapa wysokości powierzchni, pozwalająca na określenie chropowatości próbki. Monitoruj chropowatość powierzchni, jak wyjaśniono na rysunku 1, i zatrzymaj procedurę szlifowania-polerowania, gdy prążki interferencyjne są możliwie najgładsze.</li>
</ol>
3. Rysowanie stożka
Aby połączyć światło w rezonatorze, potrzebne jest bardzo małe światłowód: jego średnica powinna wynosić około 3 μm (około 20 razy mniejsza niż ludzki włos).
<ol>
	<li>Zdejmij standardowe jednomodowe włókno krzemionkowe (SMF) z jego plastikowej i polimerowej powłoki na około 5 cm długości. Do celów monitorowania światłowód powinien być podłączony do źródła lasera na jego wejściu i fotodiody na jego wyjściu.</li>
	<li>Przymocuj każdy rozmiar niepowlekanego odcinka światłowodu do dwóch sterowanych komputerowo silników o wysokiej rozdzielczości. Korzystając z interfejsu komputerowego silników, skonfiguruj je tak, aby poruszały się ze stale przyspieszonym ruchem, tak aby każda strona światłowodu została rozsunięta.</li>
	<li>Podgrzej niepowlekane włókno między dwoma punktami mocowania za pomocą lampy lutowniczej przez około 1 minutę przed rozpoczęciem rozciągania. Płomień powinien być delikatny, aby nie zdmuchnąć stożka, gdy jest bardzo mały.</li>
	<li>Rozpocznij ruch silników, a co za tym idzie, rozciąganie włókna. Po rozpoczęciu rysowania można monitorować transmisję stożka za pomocą źródła laserowego i fotodiody: w trakcie procesu pojawią się wzory interferencyjne, ich częstotliwość wzrośnie, a w końcu znikną na średnicę talii bliską 1 μm. Na tym etapie silnik i płomień powinny zostać zatrzymane jednocześnie.</li>
</ol>
4. Światło sprzęgające w rezonatorze MGW
Na tym etapie, stożek jest używany do sprzężenia światła w rezonatorze i do obserwacji wysokich Q trybów własnych wnęki, które są przedstawione na rysunku 2.
<ol>
	<li>Zamocuj rezonator na 3-osiowym stoliku translacyjnym sterowanym piezo. Zbliżyć go do stożka włókna w odległości mniejszej niż 1 μm. Względne położenie stożka światłowodu i rezonatora jest monitorowane dzięki mikroskopowi, a lustro służy do kontrolowania położenia pionowego i kąta nachylenia.</li>
	<li>Podłącz stożek światłowodu do widocznej diody laserowej: rezonator powinien być podświetlony, gdy sprzężenie jest wydajne, jak pokazano na rysunku 3.</li>
	<li>Podłącz stożek światłowodu do lasera bez przeskoków modowych z wąską szerokością linii (węższą niż szerokość linii rezonansu) na jednym końcu i fotodiodą podłączoną do oscyloskopu na drugim końcu. Odpowiedź transmisyjną rezonatora można uzyskać poprzez skanowanie długości fali na wejściu. Oceń współczynnik jakości rezonatora na podstawie uzyskanego widma transmisyjnego, obliczając stosunek częstotliwości rezonansowej modów do ich szerokości linii (pełna szerokość przy połowie maksimum).</li>
	<li>Dokładniejszy pomiar jest wykonywany w eksperymencie "cavity-ring-down"26, w którym przemiatanie długości fali jest wystarczająco szybkie, aby uzyskać zakłócenia między rezonującym światłem rozpadającym się w rezonatorze a rozstrojonym światłem w późniejszym czasie. Można precyzyjnie dostroić położenie stożka i rezonatora, aby zwiększyć współczynnik Q sprzężenia i uzyskać typowy wzór pokazany na rysunku 4. Powiązana krzywa dopasowania określa współczynnik jakości rezonatora.</li>
</ol>
5. Generowanie grzebienia
W tym ostatnim etapie, laser pompy o dużej mocy wzbudza nieliniowe efekty w rezonatorze.
<ol>
	<li>Umieść wzmacniacz optyczny między przestrajalnym laserem a rezonatorem.</li>
	<li>Dzięki fotodiodzie i oscyloskopowi dostosuj źródło lasera tak, aby długość fali wejściowej była zbliżona do rezonansu.</li>
	<li>Podłącz światłowód wyjściowy do optycznego analizatora widma o wysokiej rozdzielczości i zwiększ moc wejściową, jednocześnie lekko rozstrajając długość fali pompy. Po obu stronach szczytu pompy pojawią się nowe częstotliwości: jest to grzebień częstotliwości optycznej Kerra.</li>
	<li>Przełączając się z powrotem na fotodiodę, możemy zaobserwować dudnienia między różnymi tworzonymi modami spektralnymi. Za pomocą mikrofalowego filtra pasmowo-przepustowego można wyizolować czystą częstotliwość w tym sygnale elektrycznym o bardzo niskim poziomie szumów.</li>
</ol>

<ol><li>Oraevsky, A. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering-gallery+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Quantum+Electronics%22%5BJournal%5D)">Whispering-gallery waves.</a> Quantum Electronics. 32, 377-400 (2002).</li>
<li>Matsko, A. B., Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+Resonators+With+Whispering-Gallery+Modes-Part+I%3A+Basics%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+J.+Sel.+Top.+Quantum+Electron%22%5BJournal%5D)">Optical Resonators With Whispering-Gallery Modes-Part I: Basics.</a> IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 3-14 (2006).</li>
<li>Ilchenko, V. S., Matsko, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+Resonators+With+Whispering-Gallery+Modes-Part+II%3A+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+J.+Sel.+Top.+Quantum+Electron%22%5BJournal%5D)">Optical Resonators With Whispering-Gallery Modes-Part II: Applications.</a> IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 15-32 (2006).</li>
<li>Maker, A. J., Armani, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+Silica+Ultra+High+Quality+Factor+Microresonators%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators.</a> J. Vis. Exp. (65), e4164(2012).</li>
<li>Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Maleki, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+resonators+with+ten+million+finesse%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Optical resonators with ten million finesse.</a> Optics Express. 15, 6768-6773 (2007).</li>
<li>Sprenger, B., Schwefel, H. G. L., Lu, Z. H., Svitlov, S., Wang, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CaF2+whispering-gallery-mode-resonator+stabilized-narrow-linewidth+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">CaF2 whispering-gallery-mode-resonator stabilized-narrow-linewidth laser.</a> Optics Letters. 35, 2870-2872 (2010).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Optical+Microcavities%22">Optical Microcavities</a>. Vahala, K. , World Scientific. Singapore. (2004).</li>
<li>Matsko, A. B., Savchenkov, A. A., Yu, N., Maleki, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering-gallery-mode+resonators+as+frequency+references.+I.+Fundamental+limitations%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">Whispering-gallery-mode resonators as frequency references. I. Fundamental limitations.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 24, 1324-1335 (2007).</li>
<li>Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Yu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whispering-gallery+mode+resonators+as+frequency+references.+II.+Stabilization%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">Whispering-gallery mode resonators as frequency references. II. Stabilization.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 24, 2988-2997 (2007).</li>
<li>Chembo, Y. K., Baumgartel, L. M., Yu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+whispering-gallery+mode+disk+resonators+for+metrological+applications%5BTitle%5D)+AND+%22SPIE+Newsroom%22%5BJournal%5D)">Toward whispering-gallery mode disk resonators for metrological applications.</a> SPIE Newsroom. , (2012).</li>
<li>Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-high-Q+toroid+microcavity+on+a+chip%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip.</a> Nature. 421, 925-929 (2003).</li>
<li>Hofer, J., Schliesser, A., Kippenberg, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cavity+optomechanics+with+ultrahigh-Q+crystalline+microresonators%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+A%22%5BJournal%5D)">Cavity optomechanics with ultrahigh-Q crystalline microresonators.</a> Phys. Rev. A. 82, 031804(2010).</li>
<li>Fürst, J. U., Strekalov, D. V., Elser, D., Aiello, A., Andersen, U. L., Marquardt, C. h, Leuchs, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+Light+from+a+Whispering-Gallery-Mode+Disk+Resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Quantum Light from a Whispering-Gallery-Mode Disk Resonator.</a> Phys. Rev. Lett. 106, 113901-1-113901-4 (2011).</li>
<li>Del'Haye, P., Schliesser, A., Arcizet, O., Wilken, T., Holzwarth, R., Kippenberg, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+frequency+comb+generation+from+a+monolithic+microresonator%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator.</a> Nature. 450, 1214-1217 (2007).</li>
<li>Kippenberg, T. J., Holzwarth, R., Diddams, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microresonator-Based+Optical+Frequency+Combs%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Microresonator-Based Optical Frequency Combs.</a> Science. 322, 555-559 (2011).</li>
<li>Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultralow-threshold+Raman+laser+using+a+spherical+dielectric+microcavity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity.</a> Nature. 415, 621-623 (2002).</li>
<li>Liang, W., Ilchenko, V. S., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Seidel, D., Maleki, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Passively+Mode-Locked+Raman+Laser%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Passively Mode-Locked Raman Laser.</a> Phys. Rev. Lett. 154, 143903-1-143903-4 (2010).</li>
<li>Grudinin, I. S., Matsko, A., Maleki, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brillouin+lasing+with+a+CaF2+whispering+gallery+mode+resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Brillouin lasing with a CaF2 whispering gallery mode resonator.</a> Phys. Rev. Lett. 102, 043902-1-043902-4 (2009).</li>
<li>Werner, C. S., Beckmann, T., Buse, K., Breunig, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Blue-pumped+whispering+gallery+optical+parametric+oscillator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Blue-pumped whispering gallery optical parametric oscillator.</a> Optics Letters. 37, 4224-4226 (2012).</li>
<li>Knight, J. C., Cheung, G., Jacques, F., Birks, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase-matched+excitation+of+whispering+gallery-mode+resonances+by+a+fiber+taper%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Phase-matched excitation of whispering gallery-mode resonances by a fiber taper.</a> Opt. Lett. 22, 1129-1131 (1997).</li>
<li>Chembo, Y. K., Yu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modal+expansion+approach+to+optical-frequency-comb+generation+with+monolithic+whispering-gallery-mode+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+A%22%5BJournal%5D)">Modal expansion approach to optical-frequency-comb generation with monolithic whispering-gallery-mode resonators.</a> Phys. Rev. A. 82, 033801-1-033801-18 (2010).</li>
<li>Chembo, Y. K., Strekalov, D. V., Yu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectrum+and+Dynamics+of+Optical+Frequency+Combs+Generated+with+Monolithic+Whispering+Gallery+Mode+Resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Spectrum and Dynamics of Optical Frequency Combs Generated with Monolithic Whispering Gallery Mode Resonators.</a> Phys. Rev. Lett. 104, 103902-1-103902-4 (2010).</li>
<li>Chembo, Y. K., Yu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+generation+of+octave-spanning+optical+frequency+combs+using+monolithic+whispering-gallery-mode+microresonators%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">On the generation of octave-spanning optical frequency combs using monolithic whispering-gallery-mode microresonators.</a> Opt. Lett. 35, 2696-2698 (2010).</li>
<li>Brown, N. J. Optical fabrication. Report MISC 4476 1LLNL. , Lawrence Livermore National Laboratory. (1990).</li>
<li>Strekalov, D. V., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Yu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+upconversion+of+subterahertz+radiation+in+a+high-Q+whispering+gallery+resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Efficient upconversion of subterahertz radiation in a high-Q whispering gallery resonator.</a> Optics Letters. 34, 713-715 (2009).</li>
<li>Dumeige, Y., Trebaol, S., Ghisa, L., Ngan Nguyen, T. K., Tavernier, H., Feron, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+coupling+regime+of+high-Q+resonators+and+optical+gain+of+highly+selective+amplifiers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">Determination of coupling regime of high-Q resonators and optical gain of highly selective amplifiers.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 12, 2073-2080 (2008).</li>
<li>Gorodetsky, M. L., Ilchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+microsphere+resonators%3A+optimal+coupling+to+high-Q+whispering-gallery+modes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">Optical microsphere resonators: optimal coupling to high-Q whispering-gallery modes.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 16, 147-154 (1999).</li>
<li>Ilchenko, V. S., Yao, X. S., Maleki, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pigtailing+the+high-Q+microsphere+cavity%3A+a+simple+fiber+coupler+for+optical+whispering-gallery+modes%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Let%22%5BJournal%5D)">Pigtailing the high-Q microsphere cavity: a simple fiber coupler for optical whispering-gallery modes.</a> Opt. Let. 24, 723-725 (1999).</li>
<li>Del'Haye, P., Arcizet, O., Schliesser, A., Holzwarth, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kippenberg+T.J.+Full+stabilization+of+a+microresonator+frequency+comb%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Let%22%5BJournal%5D)">Kippenberg T.J. Full stabilization of a microresonator frequency comb.</a> Phys. Rev. Let. 101, 053903(2008).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Protokół ten pozwala na wytwarzanie rezonatorów optycznych o wysokiej jakości Q , sprzęganie z nimi światła i wyzwalanie zjawisk nieliniowych w różnych zastosowaniach fotoniki mikrofalowej.
Pierwszym etapem zgrubnego szlifowania powinno być nadanie kształtu rezonatorowi. Po godzinie mielenia proszkiem ściernym o wielkości 10 μm, jedna strona krawędzi rezonatora powinna być dogodnie ukształtowana (patrz schemat 2). Następny krok wygładzi powierzchnię rezonatora, a po o...

Rezonatory trybu galerii szeptanej to dyski lub kule o promieniu mikro- lub milimetrowym1,2,3,4. Zakładając, że rezonator jest prawie idealnie ukształtowany (chropowatość powierzchni wielkości nanometrów), światło lasera może zostać uwięzione przez całkowite wewnętrzne odbicie w jego modach własnych, które są zwykle określane jako mody galerii szeptów (WGM). Ich swobodny zakres spektralny (lub częstotliwość intermodalna) może wahać się od GHz do THz w zależności od promienia rezonatora, podczas gdy ich współczynnik jakości Q może być wyjątkowo wysoki5, w zakresie od 107 do 1011. Ze względu na ich unikalną właściwość magazynowania i spowalniania światła, rezonatory optyczne WGM były wykorzystywane do wykonywania wielu zadań przetwarzania sygnału optycznego3: filtrowania, wzmacniania, opóźniania w czasie itp. Dzięki ciągłemu doskonaleniu technologii wytwarzania, ich niespotykane dotąd współczynniki jakości sprawiają, że nadają się one do jeszcze bardziej wymagających zastosowań w metrologii lub zastosowaniach kwantowych6-13.
W tych ultra-wysokich rezonatorach Q, mała objętość uwięzienia, wysoka gęstość fotonów i długi czas życia fotonów (proporcjonalny do Q) wywołują bardzo silne oddziaływanie światło-materia, które może wzbudzić różne WGM poprzez różne efekty nieliniowe, jak Kerr, Raman czy Brillouin na przykład14-19. Wykorzystanie zjawisk nieliniowych w rezonatorach w trybie galerii szeptów zaproponowano jako obiecującą zmianę paradygmatu dla ultraczystego generowania mikrofal i fal świetlnych. Fakt, że temat ten przecina tak wiele obszarów podstawowych nauk i technologii, jest wyraźnym wskaźnikiem jego bardzo silnego potencjalnego wpływu na szeroki zakres dyscyplin. W szczególności technologie inżynierii lotniczej i komunikacyjnej potrzebują obecnie wszechstronnego sygnału mikrofalowego i fal świetlnych o wyjątkowej spójności. Technologia WGM ma kilka zalet w porównaniu z istniejącymi lub innymi perspektywicznymi metodami: prostota koncepcyjna, większa wytrzymałość, mniejsze zużycie energii, dłuższa żywotność, odporność na zakłócenia, bardzo kompaktowa objętość, wszechstronność częstotliwości, łatwa integracja chipów, a także duży potencjał integracji głównego nurtu standardowych komponentów fotonicznych zarówno dla technologii mikrofalowych, jak i fal świetlnych.
W inżynierii lotniczej i kosmicznej oscylatory kwarcowe są zdecydowanie dominujące jako kluczowe źródła mikrofal zarówno dla systemów nawigacyjnych (samoloty, satelity, statki kosmiczne, itp.), jak i systemów detekcji (radary, czujniki, itp.). Jednak dziś jednogłośnie uznaje się, że stabilność częstotliwości oscylatorów kwarcowych osiąga swoje dolne dno i nie ulegnie już znaczącej poprawie. Z tego samego powodu ich wszechstronność częstotliwości jest ograniczona i z trudem pozwoli na ultrastabilne wytwarzanie mikrofal powyżej 40 GHz. Oczekuje się, że mikrofalowe oscylatory fotoniczne przezwyciężą te ograniczenia. Z drugiej strony, w inżynierii komunikacyjnej, oczekuje się, że mikrofalowe oscylatory fotoniczne będą również kluczowymi elementami w optycznych sieciach komunikacyjnych, w których będą wykonywać konwersję fal świetlnych / mikrofalowych z niespotykaną wydajnością. Są one również kompatybilne z trwającym trendem kompaktowych, w pełni optycznych komponentów w technologii fal świetlnych, które umożliwiają ultraszybkie przetwarzanie [konwersja góra/dół, (de)modulacja, wzmocnienie, multipleksowanie, miksowanie itp.] bez konieczności manipulowania masywnymi (a następnie wolnymi) elektronami. Ta koncepcja kompaktowych obwodów fotonicznych, w których fotony kontrolują fotony za pomocą ośrodków nieliniowych, ma na celu obejście wąskiego gardła wynikającego z praktycznie nieograniczonej przepustowości pasma optycznego w porównaniu z ograniczoną prędkością przetwarzania optoelektronicznego. Optyczne systemy komunikacyjne są również bardzo wymagające dla mikrofal o bardzo niskim poziomie szumów fazowych, aby spełnić zarówno wymagania dotyczące taktowania (niski szum fazowy jest równoznaczny z niskim fluktuacją czasową), jak i szerokości pasma (przepływności rosną proporcjonalnie do częstotliwości zegara). W rzeczywistości w szybkich sieciach komunikacyjnych takie ultrastabilne oscylatory są podstawowymi odniesieniami do kilku celów (lokalny oscylator do konwersji częstotliwości w górę/w dół, synchronizacja sieci, synteza nośnych itp.).
Nieliniowe zjawiska w rezonatorach WGM otwierają również nowe horyzonty badań dla innych zastosowań, takich jak lasery Ramana i Brillouina. Mówiąc bardziej ogólnie, zjawiska te można połączyć w szerszej perspektywie zjawisk nieliniowych we wnękach optycznych i falowodach, co stanowi owocny paradygmat dla fotoniki krystalicznej lub krzemowej. Silne uwięzienie i bardzo długi czas życia fotonów w podobnych do torusa WGM stanowią również doskonałe stanowisko testowe do badania fundamentalnych zagadnień z zakresu materii skondensowanej i fizyki kwantowej. Wyścig do coraz większej dokładności sygnałów elektromagnetycznych przyczynia się również do odpowiedzi na kwintesencję pytań fizyki, związanych z teorią względności (testy na niezmienniczość Lorentza), czyli pomiarem podstawowych stałych fizycznych i ich możliwą zmiennością w czasie.
W tym artykule opisano różne kroki wymagane do uzyskania krystalicznych rezonatorów optycznych w trybie galerii szeptanej (WGM) i wyjaśniono ich charakterystykę. Przedstawiono również protokół uzyskiwania wysokiej jakości światłowodu stożkowego potrzebnego do sprzężenia światła laserowego z tymi rezonatorami. Na koniec przedstawiono i omówiono sztandarowe zastosowanie tych rezonatorów w dziedzinie fotoniki mikrofalowej, a mianowicie ultrastabilne generowanie mikrofal za pomocą grzebieni Kerra.
W pierwszej sekcji szczegółowo opisujemy protokół stosowany w celu uzyskania rezonatorów WGM o ultrawysokim Q. Nasza metoda opiera się na podejściu szlifierskim i polerowanym, które przypomina standardowe techniki stosowane do polerowania elementów optycznych, takich jak soczewki czy zwierciadła teleskopów. Druga sekcja poświęcona jest charakterystyce chropowatości powierzchni. Używamy bezkontaktowego profilometru interferometrycznego światła białego do pomiaru chropowatości powierzchni, która prowadzi do strat wywołanych rozpraszaniem powierzchniowym, a tym samym obniża wydajność współczynnika Q. Ten etap jest ważnym testem eksperymentalnym mającym na celu ocenę jakości polerowania. Trzecia sekcja dotyczy wytwarzania stożkowego włókna krzemionkowego o średnicy w zakresie mikrometrów w celu wystrzelenia światła w rezonatorze. Aby osiągnąć tak małe średnice, stosujemy technikę "szczotkowania płomieniowego", używając jednocześnie silników sterowanych komputerowo do rozsuwania włókna i lampy lutowniczej do podgrzewania obszaru włókna, który ma być zwężany20. W czwartej sekcji rezonator i stożkowe włókno są zbliżane do siebie, aby zobrazować sygnał rezonansowy modów galerii szepczącej za pomocą lasera skanującego długość fali. W piątej części pokazujemy, w jaki sposób, zwiększając moc optyczną w rezonatorze, udaje nam się wyzwalać zjawiska nieliniowe, dopóki nie zaobserwujemy powstawania grzebieni częstotliwości optycznej Kerra, o widmie utworzonym z równoodległych linii widmowych. Jak podkreślono powyżej, te widma grzebieniowe Kerra mają wyjątkowe cechy, które nadają się do wielu zastosowań zarówno w nauce, jak i technologii21-23. Rozważymy jedno z najbardziej godnych uwagi zastosowań rezonatorów WGM, demonstrując optyczny sygnał o wielu długościach fali, którego intermodalna częstotliwość jest ultrastabilnym mikrofalem.

<table><tbody><tr><td>Silniki krokowe 50 mm przebieg</td><td>Thorlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3-osiowy nanostopień</td><td>Physik Instrumente</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TUNIKI przestrajalne źródło</td><td>laserowe Yenista</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optyczny analizator widma APEX</td><td>Technologie</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

mikrofalowe systemy fotoniczne oparte na rezonatorach z galerią szeptów

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Systemy fotoniki mikrofalowej opierają się głównie na interakcji między sygnałami mikrofalowymi i optycznymi. Systemy te są niezwykle obiecujące dla różnych dziedzin technologii i nauk stosowanych, takich jak inżynieria lotnicza i komunikacyjna, czujniki, metrologia, fotonika nieliniowa i optyka kwantowa. W tym artykule przedstawiamy główne techniki wykorzystywane w naszym laboratorium do budowy mikrofalowych systemów fotonicznych opartych na rezonatorach w trybie galerii szeptów o ultrawysokim Q. Pierwszym szczegółowym opisem w tym artykule jest protokół polerowania rezonatora, który opiera się na technice szlifowania i polerowania zbliżonej do tych stosowanych do polerowania elementów optycznych, takich jak soczewki czy zwierciadła teleskopów. Następnie profilometr interferometryczny światła białego mierzy chropowatość powierzchni, która jest kluczowym parametrem charakteryzującym jakość polerowania. W celu wystrzelenia światła do rezonatora stosuje się stożkowe włókno krzemionkowe o średnicy w zakresie mikrometrów. Aby osiągnąć tak małe średnice, stosujemy technikę "szczotkowania płomieniowego", wykorzystując jednocześnie sterowane komputerowo silniki do rozsuwania włókna oraz lampę lutowniczą do podgrzewania obszaru włókna, który ma być zwężany. Rezonator i stożkowe włókno są później zbliżane do siebie, aby zobrazować sygnał rezonansowy modów galerii szepczącej za pomocą lasera skanującego długość fali. Zwiększając moc optyczną w rezonatorze, wyzwalane są zjawiska nieliniowe do momentu zaobserwowania powstania grzebienia częstotliwości optycznej Kerra o widmie utworzonym z równoodległych linii widmowych. Te widma grzebieniowe Kerra mają wyjątkowe cechy, które nadają się do wielu zastosowań w nauce i technologii. Rozważamy zastosowanie związane z ultrastabilną syntezą częstotliwości mikrofalowych i demonstrujemy generowanie grzebienia Kerra z częstotliwością intermodalną GHz.

Ten pięcioetapowy protokół umożliwia uzyskanie rezonatorów WGM o bardzo wysokich dobrociach do zastosowań w fotonice mikrofalowej.
Pierwszy etap ma na celu nadanie rezonatorowi pożądanego kształtu, przedstawionego na Schemacie 2. Główną trudnością jest tutaj wykonanie dysku, którego krawędź byłaby wystarczająco ostra, aby mogła silnie ograniczać uwięzione fotony, nie prowadząc jednocześnie do kruchości strukturalnej z punktu widzenia mechanicznego. Ta wieża polerska wykazuje r...

Przedstawiono dostosowane techniki opracowane w naszym laboratorium do budowy mikrofalowych systemów fotonicznych opartych na rezonatorach o ultra-wysokim Q w trybie galerii szeptów. Protokoły uzyskiwania i charakteryzowania tych rezonatorów są szczegółowo opisane i podano wyjaśnienie niektórych z ich zastosowań w fotonice mikrofalowej.

Mikrofalowe systemy fotoniczne oparte na rezonatorach z galerią szeptów

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest generowanie optycznych grzebieni częstotliwości przy użyciu dyskowych rezonatorów w trybie szeptającej galerii (Whispering Gallery mode) do zastosowań w fotonice mikrofalowej. Pierwszym krokiem jest szlifowanie i polerowanie krawędzi krystalicznego dysku, aż chropowatość jego powierzchni osiągnie skalę subnanometryczną. Drugim krokiem jest pomiar tej chropowatości powierzchni za pomocą mikroskopu interferometrycznego AAU.Następnie, jednordzikowa światłowód optyczny jest wyciągany podczas podgrzewania palnikiem, aby uzyskać zwężone włókno o średnicy rzędu mikrometrów. Ostatnim krokiem jest wykorzystanie tego zwężenia do wprowadzenia światła laserowego do rezonatora dyskowego i wzbudzenia modów szeptającej galerii, których droga optyczna jednego obiegu odpowiada całkowitej liczbie całkowitych odbić wewnętrznych. Ostatecznie zwiększa się moc pompowania, co prowadzi do wzbudzenia innych modów szeptającej galerii poprzez nieliniowość Kerr’a.Prowadzi to do powstania krótkich impulsów w dziedzinie czasu oraz grzebienia częstotliwości w dziedzinie częstotliwości. Przewagą zastosowania mechanicznie polerowanego krystalicznego dysku jest możliwość uzys

microwave-photonics-systems-based-on-whispering-gallery-mode

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Systemy fotoniki mikrofalowej oparte na rezonatorach mody szeptak

Opisujemy zastosowanie techniki przetapiania laserem dwutlenku węgla do wytwarzania krzemionkowych wnęk rezonansowych, w tym wolnostojących mikrosfer oraz mikrotoroidów na chipie. Metoda przetapiania usuwa niedoskonałości powierzchni, co pozwala na uzyskanie długiego czasu życia fotonów w obu typach urządzeń. Powstałe urządzenia charakteryzują się ultrawysokimi dobrociami, co umożliwia ich zastosowanie w szerokim zakresie, od telekomunikacji po biodetekcję.

Wytwarzanie krzemionkowych mikrorozwiązujących o ultrawysokim czynniku dobroci

Mikroczujnik fotoniczny o wysokiej czułości został opracowany do wykrywania pola elektrycznego. Czujnik wykorzystuje mody optyczne kuli dielektrycznej. Zmiany w zewnętrznym polu elektrycznym zaburzają morfologię kuli, prowadząc do przesunięć w jej modach optycznych. Natężenie pola elektrycznego jest mierzone poprzez monitorowanie tych przesunięć optycznych.

Opracowanie polimerowych mikrooptycznych czujników pola elektrycznego w trybie Whispering Gallery

Wykorzystanie falowodów i wnęk fotonicznych zostało szeroko przyjęte przez społeczność fotoniczną w wielu różnych zastosowaniach. Dlatego produkcja i charakterystyka tych urządzeń cieszy się dużym zainteresowaniem. W artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwie metody charakterystyki optycznej, a mianowicie: interferometrię (falowody) i rozpraszanie rezonansowe (wnęki).

Wytwarzanie i charakterystyka falowodów i wnęk wolnowodnych kryształów fotonicznych

Czujniki mikrownękowe z rdzeniem fluorescencyjnym wykorzystują powłokę z kropek kwantowych o wysokim indeksie w kanale mikrokapilar krzemionkowych. Zmiany współczynnika załamania światła płynów pompowanych do kanału kapilarnego powodują przesunięcia w widmie fluorescencji mikrownęki, które można wykorzystać do analizy ośrodka kanałowego.

Synteza i działanie mikrownęk z rdzeniem fluorescencyjnym w detekcji refraktometrycznej

Referencyjna technika interferometryczna, która ma na celu usuwanie niepożądanych zakłóceń laserowych dla nanodetekcji, jest wykorzystywana do sondowania mikrownęk czynnikowych o ultra wysokiej jakości. Instrukcje dotyczące montażu, konfiguracji i pozyskiwania danych są dostarczane wraz z procesem pomiaru w celu określenia współczynnika jakości gniazda.

Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

Nieuporządkowane struktury oferują nowe mechanizmy tworzenia fotonicznych pasm wzbronionych i niespotykaną dotąd swobodę w projektach funkcjonalnych defektów. Aby obejść wyzwania obliczeniowe związane z nieuporządkowanymi systemami, konstruujemy modułowe próbki makroskopowe nowej klasy materiałów PBG i wykorzystujemy mikrofale do scharakteryzowania ich niezmiennych właściwości fotonicznych w łatwy i niedrogi sposób.

Wykorzystanie mikrofalowych i makroskopowych próbek dielektrycznych ciał stałych do badania właściwości fotonicznych nieuporządkowanych materiałów fotonicznych wzbronionych

W tym artykule przedstawiono efektywne generowanie zjawisk nieliniowych związanych z optyczną podatnością Χ(3) trzeciego rzędu w potrójnie rezonansowych mikrosferach krzemionkowych. Opisane tutaj interakcje to: Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) i cztery procesy mieszania fal składające się na wymuszone rozpraszanie Ramana Anti-Stokes (SARS).

Stymulowane rozpraszanie Ramana Stokesa i antystokesa w mikrosferycznych rezonatorach w trybie galerii szeptów

Technika czasowo-rozdzielczej przewodnictwa mikrofalowego do badania dynamiki rekombinacji bezpośredniej i za pośrednictwem pułapki oraz określania ruchliwości nośników półprzewodników cienkowarstwowych jest tutaj prezentowana.

Dynamika rekombinacji w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych za pomocą czasowo-rozdzielczego przewodnictwa mikrofalowego

Przedstawiono protokoły syntezy mikrosfer z polimerów, manipulacji mikrosferami i pomiarów mikrofotoluminescencji.

Wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach

Poznaj techniki budowy mikrofalowych systemów fotonicznych z rezonatorami whispering gallery mode. Naucz się szlifowania, pomiaru chropowatości i sprzęgania światła laserowego.

Mikrofalowe systemy fotoniczne oparte na rezonatorach z galerią szeptów

Przeglądaj więcej filmów