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

Summary

超高Qささやきギャラリーモード共振器に基づいて、マイクロ波フォトニクスシステムを構築するために私たちの研究室で開発されたカスタマイズされた技術が提示される。これらの共振器を取得し、特徴付けるためのプロトコルが詳述されており、マイクロ波フォトニクスでのアプリケーションのいくつかの説明が与えられている。

Abstract

マイクロ波フォトニクスシステムは、マイクロ波と光信号間の相互作用に根本的に依存しています。これらのシステムは、非常に、航空宇宙および通信工学、センシング、計測、非線形フォトニクス、量子光学などの技術と応用科学の様々な分野、のために有望である。本稿では、超高Qささやきギャラリーモード共振器に基づいて、マイクロ波フォトニクスシステムを構築するために私たちの研究室で使用される主要な手法を提示する。この記事の最初の詳細な近いようなレンズや望遠鏡のミラーなどの光学部品の研磨に使用されるものにグラインドアンド磨く技術に基づいている共振器を研磨するためのプロトコルです。研磨の品質を特徴付ける重要なパラメータであり、その後、白色光干渉プロフィルを測定する表面粗。共振器内の光を送出するために、マイクロメートルの範囲の直径を有するテーパ状シリカ繊維が使用される。このような小さな直径に到達するS、我々は離れて繊維を引っ張って同時にコンピュータ制御モーターを使用して、 "難ブラッシング"技術と、テーパ状に繊維の領域を加熱するトーチを採用。共振器およびテーパファイバは、後述波長スキャンレーザーを用いたささやきの回廊モードの共鳴信号を可視化するために互いに接近している。カー光周波数コムの形成は、等距離スペクトル線からなるスペクトルが観察されるまで共振器内の光パワーを増加させることにより、非線形現象がトリガされる。これらのカー櫛スペクトルは、科学技術のいくつかのアプリケーションに適しています非常に優れた特性を持っています。私たちは、超安定マイクロ波周波数合成に関連するアプリケーションを検討し、GHzのインターモーダル周波数を持つカー櫛の生成を実証する。

Introduction

ウィスパリングギャラリーモード共振器は、マイクロまたはミリ半径^1,2,3,4のディスクや球である。共振器（ナノサイズの表面粗さ）は、ほぼ完璧な形であることが設けられ、レーザ光は、通常、ウィスパリングギャラリーモード（WGMs）と呼ばれ、その固有モード内で全内部反射によって捕捉することができる。 10 ^11から5非常に高くなることがありますQ、その品質係数ながら自由スペクトル範囲（またはインターモーダル周波数）10 ⁷に至るまで、共振器の半径に応じてGHz帯からテラヘルツに変えることができます。フィルタリング、増幅、時間遅延させる、 など ：備蓄の独自のプロパティに光を減速により、WGM光共振器は、多くの光信号処理タスク^3を実行するために使用されている。製造技術の継続的な改善により、彼らの前例のない品質係数は、計測またはクオンツでもより厳しいアプリケーションに適して作るUMベースのアプリケーション^6-13。

これらの超高Q共振器では、閉じ込めの小さい容積、高い光子密度、長い光子寿命は（Qに比例）、カーのように、様々な非線形効果を通してさまざまなWGMsを励起することが非常に強い光と物質の相互作用を誘発例^14-19のためのラマン、またはブリルアン。ギャラリーモード共振器をささやくの非線形現象を使用すると、超高純度のマイクロ波と光波の生成のための有望なパラダイムシフトとして提案された。このトピックでは、基本的な科学技術の多くの分野と交差するという事実は、専門分野の広い範囲で、非常に強力な潜在的な影響の明確な指標である。具体的には、航空宇宙、通信工学技術は汎用性が、電子レンジと非常に優れた一貫性と光波信号の必要性に現在ある。 WGM技術は、既存または将来の他の方法に勝るいくつかの利点を有する：概念的な単純さ、時間igher堅牢性、小さい消費電力、長寿命、干渉に対する耐性、非常にコンパクトなボリューム、周波数の汎用性、容易なチップの統合だけでなく、電子レンジ、光波技術の両方のための標準的なフォトニック部品の主流に統合するための強力な可能性。

航空宇宙工学において、水晶振動子は、ナビゲーションシステム（飛行機、衛星、宇宙船など ）と検出系（レーダー、センサーなど ）の両方の主要なマイクロ波源として圧倒的である。しかし、全会一致で水晶振動子の周波数安定性能は、その階に到達していることを今日認識され、大幅にもう改善されません。同じ線に沿って、その頻度の汎用性が限られており、ほとんどは40GHzを超え、超安定したマイクロ波発生を可能にしません。マイクロ波フォトニック発振器は、これらの制限を克服することが期待される。一方、通信工学、マイクロ波光子IC発振器はまた、彼らは前例のない効率で光波/マイクロ波変換を実行することになり、光通信ネットワークにおいて重要なコンポーネントであると予想される。彼らは大規模な操作を必要とせず、また超高速処理を可能にする光波技術のコンパクトなフル光学部品の継続傾向、[アップ/ダウンコンバージョン、（デ）変調、増幅、多重化、ミキシングなど ]と互換性があります（その後、遅く）電子。光子は非線形メディアを経由して、光子を制御するコンパクトフォトニック回路のこの概念は、制限された光電子処理速度に対する事実上無制限の光帯域幅から発信ボトルネックを回避することを目指しています。光通信システムはまた、非常にクロッキング（低位相雑音が時間ジッタが低いと等価）と帯域幅（ビットレートクロック周波数に比例して増加）両方の要件を満たすために、超低位相雑音マイクロ波に対して要求している。実際には、高速でCOMMUNicationネットワークは、このような超安定発振器はいくつかの目的（アップ/ダウン周波数変換、ネットワークの同期、キャリア合成等の局部発振器）のための基本的な参照です。

WGM共振器における非線形現象はまた、ラマンおよびブリルアンレーザーなどの他のアプリケーションのための研究の新たな地平を開く。より一般的には、これらの現象は、光共振器と導波路における非線形現象の広い視野内にマージされ、それは結晶シリコンフォトニクスのために有益なパラダイムであることができる。トーラスのようWGMsに光子の強い閉じ込めと非常に長い寿命も凝縮物質や量子物理学の根本的な問題を調査するための優れたテストベンチを提供しています。電磁信号で、これまで増加した精度のレースも相対性理論（ローレンツ不変性のテスト）、または基本的な物理定数の測定に関連して、物理学の典型的な質問に答えるために貢献ND時間とともにそれらの可能なバリエーション。

この記事では、結晶光学ウィスパリングギャラリーモード（WGM）共振器を得るために必要な様々なステップが記載されており、それらの特性評価について説明する。また、提示され、これらの共振器に結合レーザー光に必要な高品質テーパー繊維を得るためのプロトコルです。最後に、マイクロ波フォトニクス、カー櫛を使用して、すなわち、超安定したマイクロ波発生の分野でこれらの共振器の主力アプリケーションを提示し、議論されています。

最初のセクションでは、詳細プロトコルは、超高Q共振器WGMを得るために行った。我々の手法は、このようなレンズや望遠鏡のミラーなどの光学部品の研磨に使用される標準的な技術に彷彿とさせるグラインドと磨くアプローチに依存しています。第二セクションは、表面粗さの特性評価に専念しています。私たちは、表面を測定する非接触の白色光干渉プロフィルを使用するR散乱損失を誘起し、それによって表面Qファクタ性能を低下につながるoughness。このステップは、研磨の品質を評価するための重要な実験的試験である。第三節は、共振器内の光を送出するために、製造にマイクロメートルの範囲の直径を持つテーパーシリカ繊維を懸念している。このような小さな直径に到達するために、我々は離れて繊維を引っ張ると同時に、コンピュータ制御されたモータを使用して、 "難ブラッシング"技法、および²⁰テーパ状にファイバ領域を加熱するトーチを採用する。 4番目のセクションでは、共振器とテーパファイバは、波長走査レーザを用いたささやきの回廊モードの共鳴信号を可視化するために互いに接近している。私たちは、等距離スペクトル線で作られたスペクトルと、共振器内の光パワーを増加させることにより、我々はカー光周波数コムの形成を観察するまで、非線形現象をトリガーするために管理する方法、第五節で示す。 eと上記mphasized、これらのカー櫛スペクトルは、科学技術^21-23の両方でいくつかのアプリケーションに適しています非常に優れた特性を持っています。我々は、そのモーダル周波数の超安定した波である光多波長信号を示すことによってWGM共振器の最も注目すべきアプリケーションのいずれかを検討していきます。

Protocol

作られる最初のもので、ウィスパリングギャラリーモード共振器：プロトコルは、5つの主要な段階で構成されています。共振器の研磨の進行を制御するために、表面状態の測定が行われる。第三段階では、共振器内の光を起動するツールを製作。これら二つの主要なツールは、製造されていたら、我々は光学高Q共振を視覚化するためにそれらを使用しています。最後に、共振器が非線形ファッションやカー櫛に動作が生成される、ハイパワー入力レーザービームを使用した。

1。共振器を研磨

この段階では、共振器の結晶光学窓（のMgF ₂または光学部品の小売店から容易に入手できるのCaF _2）形と研磨する。この研磨手順は、高品質のWGM共振器に変換する。カスタマイズされた研磨塔は、 スキーム1に示されている。

1. 上の接着剤の結晶光学窓を空気軸受スピンドルモータによって保持することができるスティック。
2. コー​​ト適切な研磨支持組織とV字状の金属製のガイドを、水と混合さ10μmの砥粒粉末（酸化アルミニウム、ダイヤモンド又は炭化ケイ素）注ぐ。回転するディスク（約5,000 rpmで、20グラムの圧力）には、このガイドに接近し、それを粉砕し始める。材料および紡糸速度に応じて、このプロセスは2時間石（CaF _2）から4時間（のMgF _2）に続くことができる。この研磨工程では、共振器にその両凸形状を与える。このステップの最後でディスクをスキーム2に示す形状を有するべきである。
3. 次のステップは、一般的に"研削·研磨"手順^24と呼ばれる。それは一般的に、最終的に大きさが10μm、3μmと、1μm以下、250nmで、100nmの研磨粒子と前のステップを繰り返すことで構成されています。支持組織は、より小さい粒はあまり堅くされ、各粒子サイズに適合させるべきである。傷を避けるためにとストライプ、ガイドの水平方向の翻訳が実行できます。連続研削、研磨の各ステップでは、表面の状態が改善されるべきである。

2。表面の状態を制御する

1. 光学顕微鏡下で視覚制御、表面状態制御のための最初のステップです：ディスクが最初の段階で光に不透明であるが、成功した1μmの粒子研磨後、ディスクが透明になり、その側面は光を反射：そういわゆる光学研磨に達したと共振器のQ値は10 ⁵であるべき- 10 ⁶の範囲である。
2. 小さい研磨剤については、眼も標準顕微鏡を用いて、表面の状態を評価することができない。この時点で、表面状態の干渉計測定が必要である。ミラウ干渉計対物レンズと、白色光源を搭載した顕微鏡を使用してください。共振器の画像は、Wiを妨害従って、すなわち波長、数ナノメートルの画分の分解能で各点で独立して白色光位相シフト処理ツールによって表面高さを明らかに目基準面を、。この測定は、ディスク²⁵の曲率を評価するために用いることができる。
3. 試料と対物レンズとの間の長さを変更することにより、共振器の反射光位相を決定し、表面の高さばらつきを算出する。これは、専用のコンピュータに自動化することができるおかげで、表面の高さマップは、サンプルの粗さの測定を可能に作成される。 図1で説明したように表面粗さを監視し、干渉縞が可能であるときに滑らかな研削研磨手順を停止する。

3。テーパーを描く

共振器内の光を結合するために、非常に小型の光ファイバが必要とされている：その直径が3μm程度であるべき（人間の髪の毛よりも約20倍小さい）。

1. 約5センチメートルの長さにそのプラスチックとポリマーコーティングオフ標準単一モードシリカファイバ（SMF）を取り除きます。監視目的のために、ファイバは、その入力し、その出力でフォトダイオードでレーザ源に接続されるべきである。
2. 2コンピュータ制御の高分解能モーターに繊維のコーティングされていないセクションの各サイズを修正。モータのコンピュータインターフェースを使用して、繊維の各側が引き離されるように、常に加速度運動と一緒に移動するように設定。
3. ストレッチングを開始する前に、約1分間トーチランプを持つ2つの固定点間のコーティングされていない繊維を加熱する。炎は、それが非常に小さくなったら離れてテーパーを爆破しないようにするために、穏やかでなければなりません。
4. モーターの動きを開始し、その結果、繊維の伸縮。描画が開始されると、一つのレーザ光源とフォトダイオードを用いたテーパーの送信を監視することができる。干渉パターンは、意志プロセス中に表示され、その頻度が増加し、そして、最終的に、彼らは、1μm付近ウエスト径のために消えます。この段階では、モータ及び火炎を同時に停止されるべきである。

4。 WGM共振器における結合ライト

この段階では、テーパが共振器内の光を結合するために使用され、 図2に示されている空洞の高Q固有モードを観察する。

1. 3軸ピエゾ制御の移動ステージ上で共振を修正。 1μm未満の距離でファイバテーパーにアプローチ。テーパファイバ共振器の相対位置は、顕微鏡のおかげで監視され、ミラーが垂直位置と傾斜角度を制御するために使用される。
2. 可視レーザダイオードにテーパファイバを接続結合が効率的である場合、図3に示すように、共振器は、照明されるべきである。
3. ファイバーテーパーに接続し一端に狭い線幅（共鳴の線幅よりも狭い）、そしてもう一方の端のオシロスコープに接続するフォトダイオードとのモードホップフリーのレーザー。共振器の透過特性は、入力波長を走査することによって得ることができる。モードとその線幅（半値全幅）の共振周波数との比を計算することによって、得られた透過スペクトルを用いて共振器のQ値を評価する。
4. より正確な測定は、掃引波長が共振器内で減衰共振光とそれに続く時にデチューン光間の干渉を得るのに十分な速さです"キャビティリングダウン"実験²⁶を用いて行われる。一つは、テーパーの位置決めと結合Q値を向上させ、 図4に示す典型的なパターンを得るために共振器を微調整することができる。関連するフィット曲線は共振器の品質係数を与えます。
5。くしの生成

この最後の段階では、高電力ポンプ·レーザは、共振器の非線形効果を励起する。

1. 波長可変レーザと共振器の間に光増幅器を挿入します。
2. 入力波長が共振隣になるように、フォトダイオードとオシロスコープのおかげで、微調整レーザー光源。
3. 高分解能光学スペクトル分析器に出力ファイバを接続し、わずかにポンプ波長を離調しながら入力電力を増加させる。新しい周波数はポンプピークの両側に表示されます：これはカー光周波数コムです。
4. フォトダイオードに切り替え、我々は、作成され、異なるスペクトルモード間暴行を観察することができます。マイクロ波バンドパスフィルタを使用して、1つは非常に低ノイズで、この電気信号の純粋な周波数を分離することができます。

Representative Results

この5つのステッププロトコルは、マイクロ波フォトニックアプリケーションのための非常に高い品質因子とWGM共振器を得ることができる。

スキーム2に表されるように、最初のステップでは、共振器に所望の形状を与えることを目指しています。ここでの主な困難は、機械的な観点からの構造的脆弱性を招くことなく、その縁が強く閉じ込められた光子を閉じ込めることができるように十分にシャープであるディスクを製造することです。それは大きさや形状、バルク材料の広いばらつきと研削ディスクができますので、この研磨タワーも著しい多様性を持っています。

それは、図1に見られるように、研磨工程の最後に、ナノメートルスケールの表面粗さ（二乗平均平方根）、達成された。この非常に小さな表面粗さは、 図4のキャビティリングダウン測定によって表示されているように、10 ^9〜優れた品質係数に関連付けられる。

ファイバテーパの製造は、90％を超える透過係数と、ダウンミクロンの直径を低減することができる。ファイバテーパーのためのそのような小さな直径を共振器内の光を結合するには必要とされ、高い透過係数が非線形効果を得るために必要とされる。結合Qファクタことによりテーパファイバ結合の高品質を示す、10 ⁹を超えている。

共振器内の光の結合のための実験的なセットアップは、 スキーム3に示されている、および装置の画像は、 図3に示されている。共振によって放出された緑色の光は、カップリングは確かに効率的であることを証明している。

最後に、ポンプを大きくすると、非線形現象が正常にキャビティ内に励起されて生成カー光周波数コムを有効にするには、 図6に示されている。これらの櫛は、後でulのために使用することができるTRAの安定なマイクロ波発生。

スキーム1。 WGM超高品質のディスクを製造するために使用されるカスタマイズされた研磨塔。

スキーム2。高さが1mm程度である一方ソフトウェア生成サイドと研削後の光共振器WGMのトップビューが。直径は、5mmのオーダーで、通常です。中央の穴は、リムに触れることなく、スタブを使用してディスクを保持し、操作することができます。プレーンディスク（円筒形である）から出発し、研磨工程は、V字状に外側部分を磨く。

スキーム3。カー櫛世代のための実験セットアップ波長可変レーザダイオードからの光はテーパーファイバを介して共振器WGMに増幅され、起動されます。出力信号は、オシロスコープのいずれかの信号を監視したり、ビート音信号を抽出するために、フォトダイオードやカー櫛の観察のための高分解能光学スペクトル分析器に回収される。

図1。グラインドアンド磨くプロトコルの二つの異なる手順で共振WGMの白色光干渉図形パターン ：最初のものが1μmの研磨工程（a）、100 nmの研磨（b）の後にもう一つ後に撮影されました。共振器の特徴は完全に連続した研磨作業により平滑化した。

図2。内部全反射によって光をトラップさトーラスライクWGMの空間表現のトップビュー。このWGMディスクは準等距離共振モード（固有モードの同じファミリーに属する時に）数千人をサポートしています。彼らは、ミリサイズのディスクの10 GHzのオーダーの自由スペクトル領域（FSR）を持っています。

図3。ファイバーテーパーによって導か緑色の光共振器を照射されているので共振WGMで、可視光の結合。カップリングが有効である。

図4。共振WGMからキャビティリングダウン信号。フィッティング曲線の品質係数に正比例する空洞に内因性およびカップリング光子寿命を提供します共振器。ここでは、1.5×10 ⁹の固有の品質係数が達成されている。

図5。 WGM共振器におけるカーコム生成機構。キャビティモードが共振レーザと所定の閾値を超えてポンピングされると、光子はコヒーレント四光波混合を介して隣接するサイド·モードに配布される、任意の4光子を含むことができるα、β、 γ、δ、エネルギーと運動量保存の条件を満たす。これにより、キャビティ内の電場に対して相対的に屈折率変化を誘発二次カー効果の直接の結果である。

図6。実験カー光周波数コム。中央周波数f

Discussion

このプロトコルは、それらに光を結合し、高Q光共振器を生産することができ、様々なマイクロ波フォトニクスアプリケーション用の非線形現象を誘発する。

粗研削の最初のステップは、共振器にその形状を与える必要があります。 10μmの砥粒粉と粉砕時間後、共振器のリムの片側が（ スキーム2参照）便利な形でなければなりません。次のステップでは、共振器の表面を滑らかにし、1μmの直径研磨剤粉末の段階に達したときに、その表面には、透明であるべきである。これは、光ポリッシュと呼ばれています。しかし、これは、高い品質係数と余分な工程がナノメートルスケールの粗さが良好な表面品質を達成するために、より小さい研磨材粒が必要とされている取得するのに十分ではない。私たちは、Qは 、表面散乱誘起損失につながる表面の凹凸を測定するために、白色光干渉計プロフィルを使用することにより、下図1は、プロセスの2つの異なるステップでプロフィルで撮影した二つの絵を示しています。最初のものは摂動干渉パターンと不規則な表面を示す、研削工程の後に撮影されます。ただし、研磨工程の後に、干渉パターンは、共振器の表面状態が10nmスケールで滑らかであることを明らかに、滑らかで規則的である。これは、高Q共振器を得るために探されるべきである。これは、リムで、この角度形状は研削工程中にあまりにも多くの機械的応力を引き起こすことなく最高モーダル閉じ込めを可能にするために最適化されなければならないことに注意することも重要である。

テーパ図面プロトコルは、低い伝送損失を取得するために、少し微調整が必​​要となる。これは、高度に使用トーチに依存しますが、ファイバから炎までの距離加熱ゾーンが広いとなるようにすべきである。一定の加速パラメータの標準値は^5μm.s-2程度であるが、各火炎力および描画するテーパ形状に適合されるべきである。

テーパーファイバに共振器に近づいても非常によくマイクロメートル解像度の変換ステージを使用して制御し、双眼顕微鏡で監視すべきプロセスである。垂直配向と傾斜角はまた、良好な結合と高品質の係数を得るために重要である。カップリング（ 図2参照）に効率的になると、透過スペクトルを走査モードの波長可変レーザを用いて得ることができる。掃引速度が十分で、共振器の十分に高い品質係数である場合、送信信号は、 図3に見られるように振る舞うべきである。この実験曲線をフィッティングすることで、高解像度の本質的品質係数を抽出することができるonator。

それはすなわち、プリズム²⁷や角度研磨されたファイバ²⁸と、共振器内に光を結合する他の手段が可能であることに留意すべきである。両方の方法は、ガラスと空気との界面での反射光のエバネッセント場を利用する。これらの方法の利点は、結合がより安定であることであるが、両方の場合において必要とされるアライメントがテーパ方式に比べて得ることははるかに困難である。テーパーファイバ結合の効率もプリズムと角度研磨ファイバ結合で達成できるものよりも（最大^99.9％15）大きい。

共振器内の非直線性は、高いポンプパワーで励起することができます。共振器の自由スペクトル領域（または整数倍）：四光波混合のよく知られたプロセスが明確に定義された定数で区切って共振器内の鋭いスペクトル線を生成します。高速のフォトダイオードとバンドパスフィルタを用いて、一本解題を抽出することができ低雑音マイクロ波信号発生器が生成する電子一定の周波数ギャップ。しかし、このプロセスは、通常、例示²⁹のためにここでは考慮されていない信号制御と安定化のための洗練されたフィードバックループを必要とする。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Step motors 50 mm course	Thorlabs
3 axis nanostage	Physik Instrumente
TUNICS tunable laser source	Yenista
Optical spectrum analyzer APEX	APEX Technologies