Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

ميكروويف أنظمة الضوئيات بناء على الرنانون توشوش-معرض واسطة

doi: 10.3791/50423 Published: August 5, 2013

Summary

يتم عرض التقنيات المتقدمة المخصصة في مختبرنا لبناء أنظمة الضوئيات الميكروويف على أساس فائقة يهمس مرنانات وضع الصور س. وترد تفاصيل بروتوكولات للحصول على وتوصيف هذه مرنانات، ويعطى تفسيرا لبعض تطبيقاتها في الميكروويف الضوئيات.

Abstract

نظم الضوئيات الميكروويف تعتمد بشكل أساسي على التفاعل بين الميكروويف والإشارات الضوئية. هذه النظم واعدة للغاية لمختلف مجالات التكنولوجيا والعلوم التطبيقية، مثل الفضاء وهندسة الاتصالات، والاستشعار والقياس وغير الخطية الضوئيات، والبصريات الكمومية. في هذا المقال سنتطرق التقنيات الرئيسية المستخدمة في المختبر لبناء أنظمة الضوئيات الميكروويف على أساس فائقة يهمس مرنانات وضع الصور س. أولا بالتفصيل في هذه المقالة هو بروتوكول لتلميع مرنان، والتي تقوم على تقنية طحن والبولندية وثيقة لتلك المستخدمة لتلميع المكونات البصرية مثل العدسات أو المرايا التلسكوب. ثم، وعلى ضوء التداخل profilometer التدابير خشونة السطح الأبيض، والذي هو مفتاح معلمة لتوصيف نوعية التلميع. من أجل إطلاق الضوء في مرنان، يتم استخدام الألياف السيليكا مدبب مع قطر في نطاق ميكرومتر. للوصول إلى هذا القطر الصغيرق، ونحن اعتماد "اللهب بالفرشاة تقنية"، وذلك باستخدام نفس الوقت موتورز الكمبيوتر التي تسيطر عليها لسحب الألياف عن بعضها البعض، وموقد اللحام لتسخين المنطقة الألياف ليكون مدبب. واقترب من مرنان والألياف مدبب في وقت لاحق إلى واحد آخر لتصور إشارة صدى من وسائط معرض يهمس باستخدام الليزر الطول الموجي المسح. عن طريق زيادة الطاقة الضوئية في مرنان والظواهر غير الخطية يتم تشغيلها حتى لوحظ تشكيل كير مشط التردد الضوئي مع طائفة مصنوعة من الخطوط الطيفية مسافة واحدة. هذه الأطياف مشط كير لها خصائص استثنائية التي هي مناسبة لعدة تطبيقات في العلوم والتكنولوجيا. ونحن نعتبر أن تطبيق المتصلة فائقة مستقر الميكروويف توليف تردد وإظهار جيل من مشط كير مع غيغاهرتز الوسائط تردد.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

يهمس مرنانات وضع الصور هي الأقراص أو مجالات دائرة نصف قطرها الصغير أو الملليمتري 1،2،3،4. شريطة أن يكون مرنان هو تقريبا تماما على شكل (حجم النانومتر خشونة السطح)، وعلى ضوء الليزر يمكن حوصروا بسبب الانعكاس الداخلي الكامل في غضون eigenmodes، والتي عادة ما يشار إليها باسم وسائط يهمس-معرض (WGMs). يمكن مداها خالية من الطيفية (أو الوسائط تردد) تختلف من غيغاهرتز إلى THz للاعتمادا على نصف قطر مرنان، بينما عامل جودتها س يمكن أن تكون عالية بشكل استثنائي بدءا من 10 يوليو - 10 نوفمبر. ونظرا لخاصية فريدة من نوعها للتخزين وتباطؤ ضوء، وقد استخدمت مرنانات WGM البصرية لأداء العديد من المهام معالجة الإشارات البصرية 3: تصفية، والتضخيم، والوقت وبذلك يؤخر، الخ. مع التحسن المستمر للتكنولوجيات التصنيع وعواملها لم يسبق لها مثيل جودة جعلها مناسبة للتطبيق حتى أكثر تطلبا في المقاييس أو ضليع في الرياضياتتطبيقات أم المستندة إلى 6-13.

في هذه مرنانات س فائقة، وحجم صغير من الحبس، وكثافة عالية الفوتون، وعمرها الفوتون طويل (يتناسب مع س) لحث على التفاعل خفيفة المسألة قوي جدا، والتي قد تثير مختلف WGMs من خلال مختلف الآثار غير الخطية، مثل كير، رامان، أو بريلوين على سبيل المثال 14-19. باستخدام الظواهر غير الخطية في يهمس مرنانات وضع معرض اقترح باعتبارها نقلة نوعية واعدة للميكروويف نقي للغاية وتوليد الخفيفه. حقيقة أن هذا الموضوع يتقاطع مناطق كثيرة من العلم والتكنولوجيا الأساسية هو مؤشر واضح من تأثيره المحتمل قوي جدا على مجموعة واسعة من التخصصات. على وجه الخصوص، والتكنولوجيات هندسة الطيران والفضاء والاتصالات هي حاليا في حاجة إلى الميكروويف تنوعا وإشارة الخفيفه مع تماسك استثنائية. التكنولوجيا WGM ديها العديد من المزايا مقارنة مع الطرق القائمة المحتملين أو غيره: البساطة المفاهيمي، حigher متانة، أصغر استهلاك الطاقة، وأطول عمرا، والحصانة إلى التدخل، وحجم صغير جدا، وبراعة تردد، والتكامل رقاقة سهلة، فضلا عن احتمال قوي لدمج التيار الرئيسي للمكونات الضوئية القياسية لكلا الميكروويف والتكنولوجيات الخفيفه.

في هندسة الطيران، مؤشرات التذبذب الكوارتز هي المهيمنة بأغلبية ساحقة كمصادر الميكروويف المفتاح لكلا أنظمة الملاحة (الطائرات والأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، الخ)، وأنظمة الكشف عن (الرادارات، وأجهزة الاستشعار، وما إلى ذلك). ومع ذلك، فإنه من المسلم بالإجماع اليوم أن أداء الاستقرار تردد من التذبذب الكوارتز هو الوصول إلى أرضيتها، ولن تتحسن بشكل ملحوظ بعد الآن. وعلى نفس الخط، وبراعة وتيرتها محدودة وسوف يسمح بالكاد لتوليد الميكروويف فائقة مستقر أكثر من 40 غيغاهيرتز. ومن المتوقع أن التغلب على هذه القيود الميكروويف مؤشرات التذبذب الضوئية. من ناحية أخرى، في هندسة الاتصالات، ميكروويف الفوتونومن المتوقع أيضا أن تكون مؤشرات التذبذب IC المكونات الرئيسية في شبكات الاتصالات البصرية حيث أنها إجراء تحويل الخفيفه / ميكروويف مع كفاءة لم يسبق لها مثيل. بل هي أيضا متوافقة مع الاتجاه المستمر للمكونات البصرية الكاملة المدمجة في تكنولوجيا الخفيفه، التي تمكن المعالجة فائقة السرعة [أعلى / أسفل التحويل، (دي) التشكيل، والتضخيم، مضاعفة، والاختلاط، إلخ] دون الحاجة للتلاعب واسعة النطاق (ثم، وبطء) الإلكترونات. هذا المفهوم من الدوائر الضوئية المدمجة حيث السيطرة على الفوتونات الفوتونات عبر وسائل الاعلام غير الخطية تهدف إلى الالتفاف على عنق الزجاجة التي تنشأ من عرض النطاق الترددي البصري غير محدودة تقريبا مقابل محدودية سرعة المعالجة الضوئية. نظم الاتصالات الضوئية هي أيضا صعبة جدا لمنخفضة للغاية أفران ميكروويف الضوضاء المرحلة من أجل إرضاء كل من قطع مسافة السباق (انخفاض الضوضاء المرحلة ما يعادل انخفاض الوقت غضب) وعرض النطاق الترددي (معدلات بت زيادة يتناسب مع تردد على مدار الساعة) المتطلبات. في الواقع، في COMMUN عالية السرعةشبكات ication، مثل مؤشرات التذبذب فائقة مستقر إشارات الأساسية لعدة أغراض (مذبذب المحلية لأعلى / أسفل تحويل تردد، تزامن الشبكة، والتوليف الناقل، الخ).

الظواهر غير الخطية في مرنانات WGM أيضا فتح آفاق جديدة للبحث عن التطبيقات الأخرى، مثل أشعة الليزر رامان وبريلوين. أكثر عموما، يمكن دمج هذه الظواهر ضمن منظور أوسع من الظواهر غير الخطية في تجاويف البصرية والدليل الموجي، وأنه هو النموذج المثمر لالبلورية أو السيليكون الضوئيات. الحبس قوية وعمرها طويل جدا من الفوتونات في WGMs مثل الحيد أيضا توفر مقاعد البدلاء اختبار ممتاز للتحقيق في القضايا الأساسية في المادة المكثفة وفيزياء الكم. السباق إلى زيادة دقة من أي وقت مضى في الإشارات الكهرومغناطيسية يسهم أيضا في الإجابة على الأسئلة الجوهرية في الفيزياء، تتعلق النسبية (اختبارات لورنتز الثبات)، أو قياس الثوابت الفيزيائية الأساسية علىالثانية الاختلاف المحتمل مع مرور الوقت.

في هذه المقالة، وصفت مختلف الخطوات المطلوبة للحصول البلورية يهمس-معرض واسطة (WGM) مرنانات بصري وأوضح توصيف بهم. كما قدم هو بروتوكول للحصول على الألياف مدبب عالية الجودة المطلوبة لزوجين ضوء الليزر في هذه مرنانات. وأخيرا، يتم تقديم الطلب الرئيسي من هذه مرنانات في مجال الضوئيات الميكروويف، وهي فائقة مستقر جيل الميكروويف باستخدام كير أمشاط، ومناقشتها.

في القسم الأول، ونحن من التفصيل يتبع بروتوكول للحصول فائقة س مرنانات WGM. تعتمد طريقتنا على نهج طحن والبولندية، التي تذكر أن التقنيات القياسية المستخدمة لتلميع المكونات البصرية مثل العدسات أو المرايا التلسكوب. ويخصص القسم الثاني لتوصيف خشونة السطح. ونحن نستخدم profilometer التداخل ضوء عدم الاتصال البيضاء لقياس سطح Roughness الأمر الذي يؤدي إلى السطح الخسائر الناجمة عن تشتت وبالتالي انخفاض أداء العامل س. هذه الخطوة هو اختبار تجريبي هامة لتقييم جودة تلميع. وتشعر القسم الثالث مع تلفيق الألياف السيليكا مدبب مع قطر في نطاق ميكرومتر من أجل إطلاق الضوء في مرنان. للتوصل إلى مثل أقطار صغيرة، ونحن اعتماد "اللهب بالفرشاة تقنية"، وذلك باستخدام نفس الوقت موتورز الكمبيوتر التي تسيطر عليها لسحب الألياف عن بعضها البعض، وموقد اللحام لتسخين المنطقة الألياف ليكون مدبب 20. في القسم الرابع، واقترب من مرنان والألياف مدبب إلى بعضها البعض لتصور إشارة صدى من وسائط معرض يهمس باستخدام الليزر الطول الموجي المسح. نعرض في القسم الخامس كيف، من خلال زيادة الطاقة الضوئية في مرنان، تمكنا من تحريك الظواهر غير الخطية حتى نلاحظ تشكيل كير البصرية تردد أمشاط، مع طائفة مصنوعة من الخطوط الطيفية مسافة واحدة. كما هmphasized أعلاه، هذه كير أطياف مشط لها خصائص استثنائية التي هي مناسبة لعدة تطبيقات في كل من العلم والتكنولوجيا 21-23. وسوف تنظر في واحد من التطبيقات الأكثر بروزا من مرنانات WGM من قبل مما يدل على إشارة متعددة الطول الموجي البصري الذي تردد المتعدد الوسائط هو الميكروويف فائقة مستقر.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

يتألف البروتوكول في 5 مراحل رئيسية: في أول واحد، ويتم إجراء يهمس-معرض وضع مرنان. من أجل السيطرة على التقدم المحرز في تلميع من مرنان، يتم إجراء قياسات الدولة سطح خارج. في المرحلة الثالثة، نبتدع الأداة التي ستطلق في ضوء مرنان. مرة واحدة يتم تصنيع هذين الأدوات الرئيسية، نستخدمها لتصور بصري الأصداء عالية-Q. وأخيرا، وذلك باستخدام شعاع الليزر مدخلات عالية الطاقة، ومرنان يتصرف بطريقة غير الخطية ويتم إنتاج كير أمشاط.

1. تلميع الرنان

في هذه المرحلة، نافذة الضوئية البلورية مرنان (إم جي إف 2 أو الكاف متاحة بسهولة من تجار التجزئة المكون البصري) هو الشكل ومصقول. هذا الإجراء تلميع تحولها إلى مرنانات WGM عالية الجودة. ويقدم البرج تلميع مخصصة في مخطط 1.

  1. الغراء النافذة الضوئية البلورية علىالعصا التي يمكن أن تعقد من قبل تحمل محرك المغزل الهواء.
  2. معطف دليل معدني على شكل V مع الأنسجة الدعم المناسب تلميع، وتصب 10 ميكرون مساحيق جلخ (أكسيد الألومنيوم، والماس، أو كربيد السيليكون) الممزوج بالماء. هذا النهج دليل على القرص الغزل (ما يقرب من 5،000 دورة في الدقيقة، 20 غراما الضغط) والبدء في طحنه. اعتمادا على المواد وسرعة الغزل، ويمكن هذه العملية تستمر من 2 ساعة (الكاف لل2) إلى 4 ساعة (لإم جي إف 2). وهذه الخطوة تعطي تلميع شكله ثنائية محدبة إلى مرنان. في نهاية هذه الخطوة يجب أن يكون القرص على شكل المعروضة في مخطط 2.
  3. ويطلق على الخطوة التالية عموما "طحن وتلميع" الإجراء 24. وهو يتألف عادة في تكرار الخطوة السابقة مع الجسيمات جلخ من حجم 10 ميكرون، 3 ميكرون، 1 ميكرومتر، 250 نانومتر، وأخيرا 100 نانومتر. وينبغي تكييف الأنسجة الداعمة إلى كل حجم الجسيمات، كونها أقل قاسية لأصغر الحبوب. لتجنب الخدوشوالمشارب، ترجمة الأفقي للدليل لا يمكن أن يؤديها. في كل خطوة من خطوات متلاحقة من الطحن والتلميع، ينبغي تحسين حالة السطح.

2. السيطرة على الدولة من السطح

  1. A المراقبة البصرية تحت المجهر الضوئي هو الخطوة الأولى لسيطرة الدولة السطحية: القرص غير شفاف للضوء في المراحل الأولى، ولكن بعد نجاح 1 ميكرومتر تلميع الجسيمات، يصبح القرص شفافة وجوانبها تعكس الضوء: ما يسمى تم التوصل البولندية البصرية وينبغي للعامل نوعية مرنان يكون في 10 مايو - 10 يونيو النطاق.
  2. لجلخ أصغر، والعين ليست قادرة على تقييم حالة السطح، حتى باستخدام المجهر القياسية. عند هذه النقطة، هناك حاجة إلى قياس التداخل الدولة السطح. استخدام المجهر مجهزة عدسة الهدف تداخل Mirau ومع مصدر الضوء الأبيض. صورة مرنان يتداخل وايعشر طائرة المرجعية، وبذلك تكشف من قبل مرحلة الضوء الأبيض تحول تجهيز أداة ارتفاع سطح مستقل في كل نقطة مع قرار من جزء صغير من الطول الموجي، وهي بضعة نانومتر. ويمكن أيضا أن تستخدم هذا القياس لتقييم انحناء القرص 25.
  3. عن طريق تعديل طول بين العينة والهدف، وتحديد مرحلة البصري للانعكاس مرنان وحساب الاختلافات ارتفاع السطح. هذا يمكن أن يكون ذلك بفضل الآلي إلى جهاز كمبيوتر مخصص، ويتم إنشاء خريطة للارتفاع سطح، والسماح لتحديد خشونة من العينة. رصد خشونة السطح كما هو موضح في الشكل 1، ووقف إجراء طحن، وتلميع عندما تكون أسلس ممكن هامش التدخل.

3. رسم تفتق

للضوء زوجين في مرنان، لا بد من الألياف الضوئية صغيرة جدا: يجب أن يكون قطرها حوالي 3 ميكرومتر(حوالي 20 مرات أصغر من شعرة الإنسان).

  1. تجريد معيار الألياف السيليكا طريقة واحدة (SMF) قبالة البلاستيك وطلاء البوليمر على تقريبي 5 سم طول. لأغراض الرصد، ينبغي توصيل الألياف إلى مصدر الليزر على مدخلاته، والثنائي الضوئي في انتاجها.
  2. إصلاح كل حجم المقطع غير المصقول من الألياف لاثنين من المحركات عالية الدقة الكمبيوتر التي تسيطر عليها. باستخدام واجهة الكمبيوتر من المحركات، تكوين لهم للتحرك مع حركة المتسارعة باستمرار، بحيث كل جانب من الألياف سوف يتم سحبها بعيدا.
  3. تسخين الألياف غير المصقول بين النقطتين التثبيت مع مصباح موقد اللحام لمدة 1 دقيقة قبل البدء في التمدد. يجب أن يكون لطيف اللهب لكي لا على تقدمهم في تفتق بعيدا مرة واحدة أنها صغيرة جدا.
  4. بدء حركة المحركات، وبالتالي، وتمتد من الألياف. بمجرد بدء الرسم، يمكن للمرء رصد انتقال تفتق باستخدام مصدر ليزر والثنائي الضوئي: سوف أنماط التدخلتظهر خلال هذه العملية، سوف تزيد وتيرتها، وأخيرا، وأنها سوف تختفي ليبلغ قطرها الخصر بالقرب 1 ميكرومتر. في هذه المرحلة، يجب أن تتوقف المحرك والشعلة في وقت واحد.

4. اقتران الضوء في الرنان WGM

في هذه المرحلة، يتم استخدام تفتق للضوء زوجين في مرنان ومراقبة eigenmodes ارتفاع-Q من تجويف، والتي تتمثل في الشكل 2.

  1. إصلاح مرنان على مرحلة الترجمة التي تسيطر عليها بيزو من 3 محاور. الاقتراب منه إلى تفتق الألياف على مسافة أقل من 1 ميكرون. يتم مراقبة الوضع النسبي للتفتق الألياف ومرنان، وذلك بفضل المجهر، ويتم استخدام مرآة للسيطرة على المواقع الرأسي وزاوية الميل.
  2. ربط تفتق الألياف ليزر ديود مرئية: مرنان يجب أن تكون مضيئة عند اقتران فعال، كما هو مبين في الشكل (3).
  3. توصيل الألياف إلى تفتقليزر مجانا وضع هوب مع linewidth الضيق (أضيق من linewidth من صدى) إلى نهاية واحدة، والثنائي الضوئي متصلة الذبذبات على الطرف الآخر. استجابة انتقال مرنان يمكن الحصول على مسح الطول الموجي في المدخلات. تقييم عامل نوعية مرنان باستخدام الطيف انتقال الحصول عليها، عن طريق حساب النسبة بين تردد صدى من وسائط وlinewidths الخاصة بهم (العرض الكامل في نصف كحد أقصى).
  4. يتم إجراء قياس أكثر دقة مع "تجويف الدائري أسفل" التجربة 26، حيث الطول الموجي تجتاح سريع بما فيه الكفاية للحصول على التداخل بين ضوء يتردد المتحللة في مرنان وضوء detuned في وقت لاحق. يمكن للمرء دفع غرامة تصل قيمتها المواقع من تفتق ومرنان لزيادة اقتران Q-عامل والحصول على نمط نموذجي هو مبين في الشكل (4). منحنى مناسبا المرتبطة يعطي عامل نوعية مرنان.
  5. 5. توليد مشط

    في هذه المرحلة الأخيرة، ومضخة ليزر عالية الطاقة يثير الآثار غير الخطية في مرنان.

    1. إدراج مكبر للصوت البصرية بين ليزر الانضباطي ومرنان.
    2. بفضل الثنائي الضوئي والذبذبات، صقل مصدر الليزر بحيث أن الطول الموجي المدخلات بجانب صدى.
    3. توصيل الألياف الإخراج إلى محلل الطيف الضوئي عالية الدقة وزيادة مدخلات الطاقة في حين detuning قليلا من الطول الموجي المضخة. سوف تظهر الترددات الجديدة على كل جانب من ذروة مضخة: هذا هو كير مشط التردد الضوئي.
    4. التبديل إلى الثنائي الضوئي، يمكننا أن نلاحظ الضرب بين أوضاع الطيفية المختلفة التي تم إنشاؤها. باستخدام الميكروويف مرشح تمرير النطاق، يمكن للمرء أن عزل تردد محض في هذا إشارة كهربائية مع ضوضاء منخفضة جدا.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

هذا البروتوكول من خمس خطوات تمكن من الحصول على مرنانات WGM مع عوامل نوعية عالية جدا للتطبيقات الضوئية الميكروويف.

وتهدف الخطوة الأولى لتعطي للمرنان الشكل المطلوب، ممثلا في مخطط 2. والصعوبة الرئيسية هنا هو لتصنيع قرص الذي حافة حادة بما فيه الكفاية بحيث يمكن أن تقصر بقوة الفوتونات المحاصرين، دون أن يؤدي إلى هشاشة المباني من الناحية الميكانيكية. كما تمتلك هذا البرج تلميع براعة ملحوظة لأنها تسمح طحن الأقراص مع تفاوت كبير في الحجم والشكل والمواد السائبة.

في نهاية عملية التلميع، تم التوصل إلى خشونة سطح مقياس النانومتر (جذر متوسط ​​مربع)، كما يمكن أن ينظر إليه في الشكل 1. ويرتبط هذا خشونة السطح صغيرة جدا مع عامل جودة متفوقة على 10 كما هو معروض من قبل تجويف قياس حلقة إلى أسفل من الشكل 4.

تلفيق من تفتق الألياف تمكن من تقليل قطر وصولا الى ميكرون، مع معامل انتقال ما يزيد على 90٪. هناك حاجة إلى مثل هذا القطر الصغير لتفتق الألياف للضوء زوجين في مرنان، وكان الأمر يتطلب معامل انتقال عالية للحصول على التأثيرات غير الخطية. اقتران Q-عامل ما يزيد على 10 وبالتالي تبين نوعية عالية من الألياف اقتران مدبب.

ويصور الإعداد التجريبية للاقتران الضوء في مرنان في خطة 3، ويتم عرض صورة للجهاز على الشكل 3. الضوء الأخضر المنبعث من مرنان يثبت أن اقتران فعال حقا.

وأخيرا، عندما يتم زيادة مضخة، نحن متحمسون الظواهر غير الخطية بنجاح في تجويف وتمكين جيل كير البصرية تردد أمشاط، كما هو مبين في الشكل (6). هذه أمشاط يمكن في وقت لاحق أن تستخدم لULTRA-مستقر جيل الميكروويف.

مخطط 1
مخطط 1. البرج تلميع حسب الطلب، وتستخدم لتصنيع الأقراص WGM جودة فائقة.

مخطط 2
مخطط 2. الجانبية والبرامج المولدة أعلى عرض من WGM البصرية مرنان بعد طحن. القطر هو عادة من أجل من 5 ملم، في حين أن ارتفاع حوالي 1 مم. الثقب الوسطى تمكن لعقد والتلاعب القرص باستخدام كعب، دون لمس الحافة. بدءا من قرص عادي (وهو أسطواني)، عملية تلميع يطحن الجزء الخارجي في نمط يأخذ شكل حرف V.

مخطط 3
مخطط 3. الإعداد التجريبية لتوليد مشط كيريتم تضخيمه. الضوء من الصمام الثنائي ليزر الانضباطي وأطلقت في WGM مرنان عبر الألياف مدبب. إما جمع إشارة خرج على الثنائي الضوئي لرصد إشارة على الذبذبات أو لاستخراج إشارة فوز، ملاحظة أو على عالية الدقة محلل الطيفي الضوئي للمراقبة من المشط كير.

الشكل 1
الشكل 1. أبيض أنماط للتداخل ضوء WGM مرنان في خطوتين مختلفة من بروتوكول طحن والبولندية: تم أخذ أول واحد بعد 1 ميكرومتر خطوة تلميع (أ)، والثانية بعد تلميع نانومتر 100 (ب). ملامح مرنان كانت ممهدة تماما من عمليات تلميع المتعاقبة.

الشكل 2
الشكل 2. أعلى بالنظر إلى التمثيل المكاني للWGM مثل الحيد الذي تحصر الضوء من خلال التأمل الداخلي الإجمالي. هذه الأقراص WGM يدعم الآلاف من وسائط الرنانة شبه متساوية البعد (كلما تنتمي إلى نفس الأسرة من eigenmodes). لديهم مجموعة وخالية من الطيفية (FSR) من أجل من 10 غيغاهيرتز للأقراص مم الحجم.

الشكل (3)
الشكل (3). اقتران الضوء المرئي في WGM مرنان. واقتران فعال منذ ضوء أخضر تسترشد تفتق الألياف هو إلقاء الضوء على مرنان.

الشكل 4
الشكل 4. تجويف إشارة حلقة إلى أسفل من WGM مرنان. منحنى المناسب يعطي أعمار الفوتون الذاتية واقتران في تجويف، والتي هي يتناسب طرديا مع عامل الجودة للمرنان. هنا، تم تحقيق عامل الجودة لا يتجزأ من 1.5 × 10 9.

الرقم 5
الشكل 5. كير آلية مشط جيل في مرنانات WGM. عندما يتم ضخ وضع تجويف فوق عتبة معينة مع الليزر الرنانة، ويتم توزيع الفوتونات بشكل متماسك إلى جانب وسائط المجاورة من خلال أربع موجة خلط، والتي قد تنطوي على أي أربعة الفوتونات α، β، γ، وδ، استيفاء الشروط من الطاقة والمحافظة على الزخم. هذا هو نتيجة مباشرة للتأثير كير، الذي يؤدي الى تغيير الدرجة الثانية في مؤشر الانكسار نسبيا إلى الحقل الكهربائي داخل تجويف.

الشكل (6)
الشكل (6). التجريبية كير مشط التردد الضوئي. التردد f المركزية

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

يسمح هذا البروتوكول إنتاج مرنانات البصرية عالية-Q، إلى ضوء الزوجان الى لهم وتؤدي الظواهر غير الخطية لمختلف التطبيقات الضوئيات الميكروويف.

ينبغي أن تكون الخطوة الأولى من طحن الخام يعطي شكله للمرنان. بعد ساعة من طحن مع مسحوق جلخ 10 ميكرون، يجب جانب واحد من حافة مرنان أن تكون على شكل ملائم (انظر مخطط 2). وستكون الخطوة التالية نحو سلس سطح مرنان وعندما يصل إلى مرحلة من 1 ميكرون القطر مسحوق جلخ، ويجب أن يكون سطحها شفافة. وهذا ما يسمى البولندية البصرية. ومع ذلك، هذا لا يكفي للحصول على هناك حاجة لعامل جودة عالية وخطوات اضافية مع جزيئات جلخ أصغر لتحقيق نوعية أفضل مع خشونة السطح على نطاق نانومتر. ونحن نستخدم profilometer التداخل الضوء الأبيض لقياس المخالفات التي تؤدي إلى سطح سطح الخسائر الناجمة عن تشتت وبالتالي انخفاض س الشكل 1 اثنين من الصور التي التقطت مع profilometer في خطوتين مختلفة من العملية. يتم أخذ أول واحد بعد خطوة طحن، تظهر على سطح غير منتظم مع وجود نمط التدخل مضطرب. ومع ذلك، بعد خطوة وتلميع، ونمط التدخل على نحو سلس ومنتظم، وكشف عن أن الدولة سطح مرنان على نحو سلس في 10 نانومتر على نطاق و. هذا هو ما ينبغي أن ينظر لمن أجل الحصول على مرنانات ارتفاع-Q. ومن المهم أيضا أن نلاحظ أن هذه الزاوية شكل لحافة يجب أن يكون الأمثل من أجل السماح لأعلى الحبس مشروط دون التسبب الإجهاد أيضا الميكانيكية كثيرا خلال الخطوات طحن.

بروتوكول تفتق الرسم يتطلب قليلا صقل من أجل الحصول على خسارة الإرسال منخفضة. هذا يعتمد بشكل كبير على موقد اللحام المستخدمة، ولكن المسافة من الألياف إلى لهبوينبغي أن يكون مثل أن المنطقة التدفئة هو أوسع. القيمة النموذجية لتسارع ثابت المعلمة حوالي 5 μm.s -2، ولكن ينبغي أن تتكيف مع كل قوة اللهب وشكل تفتق التي يمكن استخلاصها.

تقترب من مرنان إلى الألياف مدبب هو أيضا العملية التي ينبغي أن تسيطر عليها بشكل جيد جدا من خلال استخدام مرحلة الترجمة ميكرومتر الدقة، ورصد مع المجهر مجهر. المحاذاة الرأسية وزاوية الميل هي الحاسمة للحصول على اقتران جيدة وعاملا عالية الجودة أيضا. وبمجرد أن اقتران فعال (انظر الشكل 2)، الطيف انتقال يمكن الحصول عليها باستخدام الليزر الطول الموجي الانضباطي في وضع المسح الضوئي. إذا كانت تجتاح بسرعة كافية وعامل نوعية مرنان عالية بما فيه الكفاية، ينبغي الإشارة المرسلة تتصرف كما رأينا في الشكل 3. من المناسب هذا المنحنى التجريبية، ونحن قادرون على استخراج عامل الجودة لا يتجزأ من الدقةonator.

وتجدر الإشارة إلى أن وسائل أخرى للاقتران الضوء في مرنان ممكنة، وهي مع موشور 27 أو ألياف زاوية مصقول 28. كلا الأسلوبين الاستفادة من حقل زائل من شعاع ينعكس على الواجهة بين الزجاج والهواء. في الاستفادة من هذه الأساليب هو أن اقتران أكثر استقرارا، ولكن المحاذاة المطلوبة في كلتا الحالتين هو أكثر صعوبة للحصول على مقارنة طريقة تفتق. كفاءة اقتران الألياف مدبب هو أيضا أكبر (تصل إلى 99.9٪ 15) من ما يمكن تحقيقه مع المنشور وزاوية مصقول اقتران الألياف.

استقامة في مرنان يمكن متحمس مع قوة مضخة عالية. عملية معروفة من أربع موجة خلط تنتج خطوط طيفية حاد في مرنان مفصولة ثابتة واضحة المعالم: النطاق الطيفي الحرة مرنان (أو مضاعفات عدد صحيح). باستخدام الضوئي بسرعة ومرشح تمرير الفرقة، ويمكن للمرء أن استخراج هذه نبذةه الفجوة تردد ثابت لتوليد الموجات الدقيقة وانخفاض الضوضاء مولد إشارة. ومع ذلك، هذه العملية تتطلب عادة التغذية الراجعة متطورة لمراقبة إشارة والاستقرار، والتي لم ينظر هنا من أجل التمثيل 29.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

يعلن الكتاب أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.

Acknowledgments

يقر YCK الدعم المالي من مجلس البحوث الأوروبي من خلال مشروع NextPhase (ERC جنيها استرلينيا 278616). الكتاب أيضا أن نعترف بدعم من المركز الوطني للدراسات الفضائية (CNES، فرنسا) من خلال SHYRO مشروع (عمل R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201)، من المشروع ORA ANR (بلان 031202)، و من الإقليم دي سانتر، فرنسا.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Cite this Article

Coillet, A., Henriet, R., Phan Huy, K., Jacquot, M., Furfaro, L., Balakireva, I., Larger, L., Chembo, Y. K. Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators. J. Vis. Exp. (78), e50423, doi:10.3791/50423 (2013).More

Coillet, A., Henriet, R., Phan Huy, K., Jacquot, M., Furfaro, L., Balakireva, I., Larger, L., Chembo, Y. K. Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators. J. Vis. Exp. (78), e50423, doi:10.3791/50423 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter