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Engineering

基于微波光子系统回音壁模式谐振器

doi: 10.3791/50423 Published: August 5, 2013

Summary

定制的技术建立在我们的实验室开发的基于超高Q回音壁模式谐振器的微波光子系统。详细协议,以取得和表征这些谐振,和他们的一些应用在微波光子学的解释。

Abstract

微波光子系统从根本上依赖微波和光信号之间的相互作用。这些系统是非常有前途的技术和应用科学的各个领域,如航空航天与通信工程,传感,计量,非线性光子学和量子光学。在这篇文章中,我们提出了在我们的实验室中使用的主要技术,建立基于超 Q回音壁模式谐振器的微波光子系统。在本文中详述首先是谐振器的抛光,这是基于用于抛光透镜望远镜的反射镜等光学部件的研磨和抛光技术的协议。然后,白光干涉轮廓仪测量表面粗糙度,这是一个关键的参数来表征的抛光质量。为了启动光在共振器中,一个锥形的二氧化硅纤维直径在微米范围被使用。要达到这样的小直径,我们采用“刷牙火焰”技术,同时使用计算机控制的电机,除了拉光纤,喷灯加热纤维面积锥形。谐振器和锥形光纤后来走近彼此以可视化的回音壁模式使用的波长扫描激光共振信号。通过增加的谐振器中的光功率,非线性现象被触发的克尔光学频率梳,直到形成等距的谱线的光谱观察。这些克尔梳光谱有特殊的特点,是适合在科学和技术的几个应用程序。我们认为超稳定的微波频率合成和应用,展示了一代克尔GHz的联运频率梳。

Introduction

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回音壁模式谐振器是微型或毫米波半径1,2,3,4磁盘或领域。 ,谐振器几乎是完美的形(纳米尺寸的表面粗糙度),激光可能会被困在它的本征模,通常被称为的回音壁模式下(WGMS)通过全内反射。他们的自由光谱范围(或联运频率)可以从GHz的太赫兹谐振器的半径取决于不同,而他们的品质因数 Q可以是非常高的从10月7日至10月11日。由于其独特的属性,储存和放慢光线,WGM光学谐振器已用于执行许多光信号处理的任务3:滤波,放大,时间拖延 。随着制造技术的不断提高,其前所未有的品质因素使它们适合更苛刻的应用,计量或定量6-13 UM基于应用。

在这些超高Q值谐振器,体积小,禁闭,光子密度高,光子寿命长的(比例为Q)诱发很强的光与物质的相互作用,这可能会激发各种WGMS通过各种非线性效应,如克尔,拉曼布里渊例如14-19。在回音壁模式谐振器使用非线性现象提出了一个很有前途的超纯水微波和光波产生的范式转变。事实上,这个话题相交这么多领域的基础科学和技术是一个明确的指标,它具有极强的潜在影响广泛的学科。尤其是,航空航天以及通讯工程技术是目前需要特殊的连贯性,多功能微波和光波信号。 WGM技术超过现有或其他潜在的方法有几个优点:概念简单,Higher鲁棒性,较小的功耗,更长的使用寿命,抗干扰性,体积非常紧凑,频率的多功能性,易于芯片的集成度,以及强大的微波和光波技术的主流标准光子元件整合潜力。

在航天工程中,石英振荡器两个导航系统(飞机,卫星,宇宙飞船 )和检测系统(雷达,传感器 )作为主要的微波源占绝对主导地位。然而,它被一致认可的今天,石英振荡器的频率稳定性能达到地板,并不会显着提高了。在同一直线上,它们的频率是有限的,通用性,因此难以使超稳定的超过40 GHz的微波产生。微波光子振荡器的预期来克服这些限制。另一方面,在通信工程,微波光子IC振荡器预计也将在光通信网络的关键组成部分,在那里他们将执行以前所未有的效率光波/微波转换。他们还与光波技术的紧凑型全光学元件持续的趋势,这使超高速处理[上/下变频,(德)调制,放大,复用,混合 ,而无需操纵大规模(然后,缓慢)的电子。这个概念的紧凑型光子光子控制电路中通过非线性介质光子旨在规避源于与有限的光电处理速度几乎无限的光带宽瓶颈。光通信系统也非常苛刻的超低相位噪声微波炉,以满足两个时钟(低相位噪声相当于低抖动)和带宽(比特率增加的时钟频率成比例)的要求。事实上,在高速COMMUNication网络,这种超稳定的振荡器用于多种用途(上/下变频的本地振荡器,网络同步,载波合成 )的基本的引用。

WGM谐振器中的非线性现象的研究打开新的视野,为其他的应用,如拉曼和布里渊激光器。更一般地,这些现象都可以被合并在从更宽的视野光学腔与波导中的非线性现象,它是一种结晶或硅光子卓有成效的范例。强有力的约束和很长的使用寿命光子进入圆环WGMS还提供了一个优异的测试台进行调查,凝聚态物理和量子物理的基本问题。比赛不断增加电磁信号的准确性,也有助于回答典型的物理问题,涉及到相对论(洛伦兹不变性测试),或一个基本物理常数的测量ND他们可能随时间的变化。

在这篇文章中,获得晶体的光学回音壁模式(WGM)谐振器所需的不同步骤的描述和他们的定性解释。协议还提出,获得高品质的锥形光纤需要夫妇到这些谐振器的激光。最后,这些谐振器在微波光子学领域,即超稳定产生微波,采用克尔梳子,一个旗舰应用程序介绍和讨论。

在第一部分中,我们详细的协议遵循,获得超 Q WGM谐振器。我们的方法依赖于研磨和抛光的方法,这让人联想到用来打磨,比如镜头或望远镜反射镜的光学元件的标准技术。第二部分专门用于表征表面粗糙度。我们使用一种非接触式白光干涉轮廓仪测量表面ŗ从而导致表面散射引起的损失,从而降低Q因子性能oughness。此步骤是一个重要的实验测试,以评估质量的抛光。与制造有关的第三部分,以发射光在共振器中的纤维直径在微米范围的锥形二氧化硅。要达到这样的小直径,我们采用“刷牙火焰”技术,同时使用计算机控制的电机,除了拉光纤,喷灯加热纤维面积圆锥20。在第四部分中,彼此接近的谐振器和锥形光纤的使用波长扫描激光的回音壁模式以可视化的共振信号。我们表明在第五部分,通过在共振器中的光功率增加,如何管理触发非线性现象,直到我们观察到克尔光学频率梳的形成,用频谱等距的谱线。由于电子以上mphasized,这些科尔梳光谱具有特殊的特点,是适合一些应用科学和技术21-23。我们会考虑WGM谐振器最值得关注的应用之一通过展示多波长光信号,其联运是一个超稳定的微波频率。

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Protocol

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该协议包括5个主要的阶段:在第一个,回音壁模式谐振器。为了控制的进展的谐振器的研磨,表面状态的测量被进行。在第三阶段,我们制造的工具,将推出光在谐振器。一旦这两个主要工具的制造,我们用它们来可视光的高Q值谐振。最后,用一个高功率的输入激光束时,谐振器的行为以非线性方式产生克尔梳。

1。抛光谐振器

在此阶段,光学窗的晶体谐振器(掺杂MgF 2或CaF 2的,随时可以从光学元件的零售商)的形状和抛光。此抛光过程,并将其转换成高品质的WGM谐振器。定制抛光塔计划1。

  1. 上胶晶体光学窗口坚持可以持有的空气轴承主轴马达。
  2. 外套一个V形的金属导板与相应的抛光支持组织,倾10μm的磨料粉(氧化铝,金刚石,或碳化硅)与水混合。本指南的方法旋转盘(约5000转,将20g压力),并开始把它磨。根据不同的材料和纺丝速度,这个过程可以持续2小时(CaF 2的 ),4小时(MgF 2中)。该抛光步骤将其双凸形状的谐振器。在此步骤结束时,该磁盘应方案2中提出的形状。
  3. 下一个步骤通常 ​​被称为“”程序24的磨削和抛光。它通常由重复前面的步骤,磨料颗粒的大小为10微米,3微米,1微米,250纳米,并最终为100nm。支持组织应适应每个粒子的大小,较小的晶粒僵硬。为了避免划伤和条纹,可以进行导向的水平换算。在每个步骤中的连续的研磨和抛光,表面状态应予以改善。

2。国家控制的表面

  1. 在光学显微镜下的可视化控制的表面状态控制的第一步是:磁盘是不透光,在第一阶段,然而,成功后的1微米的颗粒抛光,磁盘变得透明,其两侧反射光线:所谓所谓已达到光学抛光的谐振器的品质因数应在10 5 - 10 6范围内。
  2. 对于较小的磨料,眼睛不能够评价的表面状态,即使使用一个标准的显微镜。在这一点上,一个干涉测量的表面状态是必要的。使用的显微镜​​配备一个Mirau干涉物镜与白色光源。无线网络的干扰的谐振器的图像第一个参考平面上,从而显示出一个白色的光移相加工工具的表面的高度独立的波长,即几纳米的分辨率的一小部分在每个点。这种测量方法也可以用于评估的盘25的曲率。
  3. 通过修改样品和目标之间的长度,确定的谐振器的反射光相位,计算出的表面的高度变化。这可以是由于一台专用计算机,自动化,并在地图上的表面高度被创建时,允许用于测定样品的粗糙度。监视器的表面粗糙度,如在图1中解释,停止研磨抛光程序的干涉条纹时,尽可能顺利。

3。绘制圆锥

在共振器中的光耦合,一个非常小的光纤是必要的:它的直径应为约3微米(小于人的头发丝的20倍左右)。

  1. 剥去一个标准的单模石英光纤(SMF)关闭一个约5厘米长的塑料和聚合物涂层。对于监测的目的,纤维应被连接到激光源,在其输入端,在其输出端和一个光电二极管。
  2. 修正每种尺寸的未涂覆部分的纤维,以计算机控制的高分辨率的电机。通过计算机接口的电机,将它们配置为移动不断加速运动,从而使纤维的每一侧拉开。
  3. 的两个固定点之间的未涂覆的光纤加热用喷灯灯约1分钟,然后再开始拉伸。火焰应轻柔为了不吹锥度一旦它是非常小的。
  4. 启动电机的运动,并且因此,该纤维的拉伸。一旦开始绘图,人们可以监测传输使用的激光源和一个光电二极管的锥度:干涉图样出现在这个过程中,它们的频率会增加,并且,最后,他们将消失腰身直径在1微米附近。在此阶段中,电机和火焰应同时停止。

4。在WGM谐振器的光耦合

在此阶段,锥度用于耦合光在共振器中观察的空腔,这些值表示在图2中的高Q值的本征模。

  1. 修复谐振器一个3轴压电控制翻译阶段。接近它的锥形光纤,在距离小于1微米。锥形光纤和谐振器的相对位置进行监测,由于显微镜,和反射镜是用来控制上的垂直位置和倾斜角。
  2. 锥形光纤连接到一个可见激光二极管的谐振器应点亮时的耦合效率, 如图3所示。
  3. 锥形光纤连接一个窄线宽(窄于线宽的共振)的一端,和一个光电二极管的另一端连接到示波器的模式跳自由激光。可以通过以下方式获得在输入​​扫描波长的谐振器的传输响应。评价使用得到的透射光谱的谐振器的品质因数,计算模式和它们的线宽(半峰全宽)的谐振频率之间的比率。
  4. 更精确的测量进行与“腔环式”的实验26,波长扫描速度不够快,获得之间的谐振共鸣之光衰减在随后的时间和失谐光干扰。人们可以微调锥形的定位和谐振器的Q因子增加耦合,并获得如图4所示的典型模式。相关的拟合曲线给出的谐振器的品质因数。
  5. 5。生成梳

    在这最后的阶段,高功率泵激光激发谐振器的非线性效应。

    1. 插入可调谐激光器和谐振器之间的光放大器。
    2. 由于光电二极管和示波器,进行微调,使所述激光源的输入波长的谐振旁边。
    3. 一个高分辨率的光学频谱分析仪的输出光纤连接,增加的输入功率,同时稍微失谐的泵浦波长。新的频率上会出现泵的每一侧峰:这是一个克尔光学频率梳。
    4. 切换到光电二极管,我们可以观察到不同的频谱模式创建之间的殴打。使用微波带通滤波器,一个可以在该电信号中分离出纯的频率非常低的噪声。

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Representative Results

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这五个步骤的协议能够获得WGM谐振器的微波光子的应用具有非常高的品质因素。

第一个步骤的目的是给到谐振器所要求的形状,表示方案2。这里的主要困难是生产磁盘,其边缘不够锐利,这样就可以强烈被困光子限制,而导致结构脆弱,从机械的角度来看。这种抛光塔也具有非凡的功能,因为它允许研磨磁盘的大小,形状和散装材料具有很大的可变性。

抛光过程结束时,纳米级表面粗糙度(均方根)已经实现的,因为它可以看出,在图1中 。这种非常小的表面粗糙度优于10 9与品质因数相关,所显示的图4的空腔衰荡测量。

锥形光纤的制造使的直径减小到微米,用透射系数超过90%。这样一个小直径的锥形光纤,需要在共振器中的光耦合,需要获得非线性效应高的透射系数。耦合的Q因子是在超过10 9,从而示出了高品质的锥形光纤耦合。

方案3中示出的光在共振器中的耦合的实验装置,该装置是图3所示的一个图像。证明确实是有效的耦合的谐振器的绿色发射的光。

最后,当泵增加,非线性现象成功被激发在空腔中,使产生克尔光学频率梳, 如 ​​图6所示。这些梳子稍后可以被用于UL认证TRA稳定产生微波。

方案1
计划1。定制抛光塔,用于制造在WGM超高品质的磁盘。

计划2
计划2。软件生成的侧面和顶视图,粉碎后的光学谐振WGM的直径通常为5毫米的顺序,而高度为约1毫米。中心孔使使用存根保存和操作的磁盘,而不触及边缘。抛光过程中从一个普通的磁盘(这是圆柱形),研在一个V形的外部部分。

计划3
计划3。克尔梳的实验装置从可调谐激光二极管的光被放大,并通过锥形光纤在WGM谐振器射入。光电二极管的输出信号可以是收集在示波器上监测信号或提取点频信号或一个高分辨率的光学频谱分析仪观察克尔梳。

图1
图1。白色光干涉图型态的谐振器在两个不同的步骤:研磨和抛光的协议:WGM后采取的第一个1微米的研磨步骤(a)后的100nm的抛光(二),第二个。的谐振器的特性,完全平滑的连续的抛光操作。

图2
图2。顶视图的空间像一个圆环WGM表示总的内部反射光诱捕。的WGM磁盘支持成千上万的准等距谐振模式(只要属于同一家族的征模)。他们有一个自由光谱范围(FSR)的顺序为10GHz的毫米大小的磁盘。

图3
图3。 WGM谐振器耦合可见光的耦合是有效的,因为绿色的锥形光纤导光照亮了谐振。

图4
图4。光腔衰荡信号从WGM谐振器。拟合曲线给出的内在和耦合的光子寿命,在空腔中,这是成正比的品质因数谐振器。在这里,固有品质因数为1.5×10 9已经实现。

图5
图5。克尔梳WGM谐振器中的生成机制,当高于给定阈值的谐振激光泵的腔体模式,光子相干分布到邻近的侧模,通过四波混频,这可能涉及的任何四个光子α,β, γ,δ,满足能量和动量守恒的条件。这是克尔效应的直接后果是,腔内的电场引起的折射率变化的二次相对。

图6
图6。实验克尔光学频率梳的中心频率f

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Discussion

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此协议允许生产高Q值的光学谐振器,光耦合到他们,并引发各种微波光子学应用的非线性现象。

粗磨的第一步骤中,应该给它的形状为谐振器。与10微米的研磨粉,研磨在一个小时后,应该是方便的谐振器的一侧的边缘形(见方案2)。下面的步骤中的谐振器的表面平滑,并达到1微米直径的研磨粉的阶段时,其表面应该是透明的。这就是所谓的光学抛光。然而,这是不够的,以得到一个高的品质因数和额外的步骤,需要较小的磨料颗粒具有纳米级的粗糙度,实现了更好的表面质量。我们使用白光干涉轮廓仪测量表面的不规则性,从 ​​而导致表面散射引起的损耗,从而降低的Q 图1示出了两个在两个不同的步骤的过程中拍摄的照片用轮廓。第一个被研磨步骤之后,显示的不规则表面扰动干涉图案。然而,研磨工序后,干​​涉图案是光滑的和定期的,显示在10纳米级的谐振器的状态的表面是光滑的。这是应该被看作为了获得高Q值谐振器。同样重要的是要注意,这个角度的轮辋的形状进行优化,以便允许的最高模式的限制,而不会引起过大的机械应力在磨削步骤。

的锥形绘图协议需要一点点的微调,以获得较低的传输损耗。这强烈地依赖于所用的喷灯,但火焰的距离从纤维应该是这样的,加热区是最宽的。恒定加速度参数的典型值大约是5μm.s-2,但它应适应每个火焰功率和要绘制的形状的锥形。

趋近谐振器的锥形纤维也是一个过程,应很好地控制通过使用一个微米分辨率的翻译阶段,用双目显微镜监测。的垂直取向和倾斜角也获得良好的耦合和高品质因数的关键。一旦耦合是有效的(参见图2),使用波长可调谐的激光在扫描模式下,可以通过以下方式获得的透射光谱。如果扫描速度不够快,足够高的谐振器的品质因数,所传输的信号应该表现为如图3中所示。通过拟合这个实验曲线,我们能够提取的内在质量因素的水库谐振器。

应该指出的是,其他谐振器中的光耦合装置是可能的,即用棱镜27或角度抛光纤维28。这两种方法都使用玻璃和空气之间的界面上的反射光束的渐逝场。这些方法的优点是,联接更稳定,但是,在这两种情况下所需要的对应困难得多取得锥形方法相比。的锥形光纤耦合的效率也更高(高达99.9%的15)棱镜和角度抛光的光纤耦合,可以实现与比。

可以在谐振器中的非线性激发的高泵浦功率。众所周知的并四波混频过程中产生尖锐的光谱线分隔的一个明确定义的常数谐振器中的谐振器的自由光谱范围(或其整数倍)。使用一个快速的光电二极管和一个带通滤波器,提取当前PRECISE固定频率差距产生一个低噪声微波信号发生器。然而,这个过程通常需要复杂的反馈回路,信号控制和稳定的,从来没有在这里被认为是为了例证29。

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Disclosures

作者宣称,他们有没有竞争经济利益。

Acknowledgments

YCK承认通过项目NextPhase欧洲研究委员会(ERC STG 278616)的财政支持。作者也承认从中心国家D'空间研究 (法国国家空间研究中心,法国)通过项目SHYRO(动作R&T R-S10/LN-0001-004/DA:10076201)的支持,从ANR项目ORA(BLAN 031202),从地区德弗朗什-孔泰 ,法国。

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

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