Login processing...

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

Engineering

Mikroovn Photonics Systems Baseret på Whispering-galleri-mode Resonators

doi: 10.3791/50423 Published: August 5, 2013

Summary

Den tilpassede teknikker udviklet i vores laboratorium til at bygge mikroovn fotonik systemer baseret på ultra-høj Q hviskegallerimodus tilstand resonatorer præsenteres. De protokoller for at opnå og karakterisere disse resonatorer er detaljerede, og en forklaring på nogle af deres ansøgninger i mikrobølge fotonik er givet.

Abstract

Mikroovn fotonik systemer er baseret fundamentalt på samspillet mellem mikrobølge og optiske signaler. Disse systemer er ekstremt lovende for forskellige områder af teknologi og anvendt videnskab, såsom rumfart og kommunikation engineering, sensing, metrologi, lineær fotonik og kvanteoptik. I denne artikel præsenterer vi de vigtigste teknikker, der anvendes i vores laboratorium til at bygge mikroovn fotonik systemer baseret på ultra-høj Q hviskegallerimodus tilstand resonatorer. Først beskrevet i denne artikel er protokollen for resonator polering, som er baseret på en formaling og-polish teknik tæt på dem, der anvendes til at polere optiske komponenter såsom linser eller teleskop spejle. Derefter et hvidt lys interferometrisk profilometer foranstaltninger overfladeruhed, hvilket er en vigtig parameter til at karakterisere kvaliteten af ​​polering. For at starte lys i resonator er en tilspidset silica fiber med en diameter på mikrometerområdet brugt. For at nå en sådan lille diameters, vi anvender "flamme-børstning"-teknik under anvendelse samtidigt computerstyrede motorer til at trække fiberen fra hinanden, og en blæselampe at opvarme fiberen område at være tilspidset. Resonator og den tilspidsede fiber er senere nærmede til hinanden for at visualisere resonanssignal af hviskegallerimodus tilstande med en bølgelængde-scanning laser. Ved at øge den optiske effekt i resonator, lineære fænomener udløses indtil dannelsen af ​​en Kerr optisk frekvens kam er observeret med et spektrum lavet af ækvidistante spektrallinier. Disse Kerr kam spektre har særlige karakteristika, der er egnede til flere ansøgninger inden for videnskab og teknologi. Vi mener, at ansøgningen vedrører ultrastabil mikrobølge frekvenssyntese og demonstrere dannelsen af ​​et Kerr kam med GHz intermodal frekvens.

Introduction

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

Hviskegallerimodus tilstand resonatorer er diske eller sfærer mikro-eller millimeter radius 1,2,3,4. Forudsat at resonator er næsten perfekt formede (nanometer-størrelse overfladeruhed) kan laserlys blive fanget af total indre refleksion inden for sine egensvingningsformer, der normalt omtales som hvisker-galleri tilstande (WGMs). Deres gratis-spektralområde (eller intermodal frekvens) kan variere fra GHz til THz afhængig af resonator radius, mens deres kvalitet faktor Q kan være usædvanlig høj 5, der spænder fra 10 juli-10 november. På grund af deres unikke egenskab lageropbygning og bremse lys, har WGM optiske resonatorer blevet brugt til at udføre mange optiske signalbehandling opgaver 3: filtrering, forstærkning, tid-forsinke osv. Med den løbende forbedring af fabrikation teknologier gøre deres hidtil uset kvalitet faktorer dem egnede til endnu mere krævende ansøgning metrologi eller Quantum-baserede applikationer 6-13.

I disse ultra-høj Q resonatorer, inducere lille mængde indespærring, høj foton tæthed og lang foton levetid (proportional med Q) en meget stærk lys-stof interaktion, hvilket kan vække de forskellige WGMs gennem forskellige ikke-lineære effekter, ligesom Kerr, Raman, eller Brillouin for eksempel 14-19. Brug ikke-lineære fænomener i hviskende Galleri tilstand resonatorer blev foreslået som et lovende paradigmeskift for ultrarent mikroovn og lysbølgesystem generation. Det faktum, at dette emne skærer så mange områder af fundamental videnskab og teknologi er en klar indikator for dens meget stærke potentielle virkning på en lang række discipliner. Især er rumfart og kommunikation ingeniørteknologi øjeblikket behov for alsidige mikroovn og lysbølgesignalet med enestående sammenhæng. Det WGM teknologien har flere fordele i forhold til eksisterende eller andre potentielle metoder: konceptuel enkelhed, higher robusthed, mindre strømforbrug, længere levetid, immunitet over for interferens, meget kompakt volumen, frekvens alsidighed, nem chip integration, samt et stort potentiale for at integrere mainstream af standard fotoniske komponenter til både mikroovn og lysbølgesignaler teknologier.

I rumfart ingeniør er kvarts oscillatorer overvældende dominerende som centrale mikrobølgeovn kilder til både navigationssystemer (fly, satellitter, rumfartøjer, etc.) og detection systemer (radarer, sensorer mv.) Men det enstemmigt anerkendt i dag, at hyppigheden stabilitet ydeevne kvarts oscillatorer er ved at nå sin etage, og vil ikke forbedres væsentligt længere. Langs den samme linje, er deres frekvens alsidighed begrænset og vil næppe give mulighed for ultra-stabil mikrobølge generation over 40 GHz. Mikroovn fotoniske oscillatorer forventes at overvinde disse begrænsninger. På den anden side, i kommunikation teknik, mikrobølge fotonic oscillatorer forventes også at være centrale elementer i optiske kommunikationsnet, hvor de ville udføre lysbølge / mikroovn konvertering med hidtil uset effektivitet. De er også forenelige med den igangværende tendens af kompakte fuld-optiske komponenter i Lightwave teknologi, som muliggør ultrahurtig behandling [op / ned konvertering, (de) modulation, amplifikation, multiplexing, blanding, etc.] uden at manipulere massiv (og derefter langsom) elektroner. Dette koncept af kompakte fotoniske kredsløb, hvor fotoner styrer fotoner via lineære medier har til formål at omgå den flaskehals stammer fra næsten ubegrænset optisk båndbredde versus begrænset optoelektroniske processorhastighed. Optisk kommunikation systemer er også meget krævende for ultralav fase støj mikrobølger for at tilfredsstille både clocking (lav fasestøj svarer til lav tid-jitter) og båndbredde (bit-rater stiger proportionalt med klokfrekvensen) krav. I virkeligheden, i høj hastighed commungement netværk, så ultra-stabile oscillatorer er grundlæggende referencer til forskellige formål (lokal oscillator for op / ned frekvenskonvertering, netværk synkronisering, transportør syntese osv.).

Ikke-lineære fænomener i WGM resonatorer også åbne nye horisonter for forskning for andre anvendelser, såsom Raman og Brillouin lasere. Mere generelt kan disse fænomener sammenlægges i det bredere perspektiv ikke-lineære fænomener i optiske hulrum og bølgeledere, og det er et frugtbart paradigme for krystallinsk eller silicium-fotonik. Den stærke indespærring og meget lang levetid af fotoner ind i torus-lignende WGMs også tilbyde en glimrende test-bænken til at undersøge grundlæggende spørgsmål i faststoffysik og kvantefysik. Kapløbet om at nogensinde øget præcision i elektromagnetiske signaler bidrager også til at besvare kvintessens spørgsmål i fysik, relateret til relativitet (test for Lorentz invarians), eller måling af fundamentale fysiske konstanter and deres mulig variation med tiden.

I denne artikel er de forskellige trin, der kræves for at opnå krystallinske optiske hvisken-galleri-mode (WGM) resonatorer beskrives, og deres karakteristik er forklaret. Præsenterede også er den protokol for at opnå den høje kvalitet tilspidsede fiber er nødvendig for at par laserlys ind i disse resonatorer. Endelig er et flagskib anvendelse af disse resonatorer på mikrobølge fotonik, nemlig ultra-stabil mikrobølge generation bruger Kerr kamme, præsenteret og diskuteret.

I første afsnit, i protokollen, vi detalje følges for at opnå ultra-høj Q WGM resonatorer. Vores metode bygger på en grind og polsk tilgang, der minder til standard teknikker, der anvendes til at polere optiske komponenter såsom linser eller teleskop spejle. Det andet afsnit er helliget til karakteriseringen af ​​overfladeruhed. Vi bruger en berøringsfri hvidt lys interferometrisk profilometer at måle overfladen roughness hvilket fører til overfladers lysspredning-inducerede tab og derved sænke Q-faktoren ydeevne. Dette trin er en vigtig eksperimentel test til at evaluere kvaliteten af ​​polering. Det tredje afsnit beskæftiger sig med fabrikation en tilspidset silica fiber med en diameter på mikrometerområdet for at igangsætte lyset i resonator. For at nå sådanne små diametre, vi vedtager "flamme-børstning"-teknik, ved hjælp af samtidig computerstyrede motorer til at trække fiberen fra hinanden, og et blæselampe at opvarme fiber område for at være tilspidset 20.. I fjerde afsnit er den resonator og den tilspidsede fiber nærmede til hinanden for at visualisere resonanssignal de hviskegallerimodus tilstande ved hjælp af en bølgelængde-scanning laser. Vi viser i den femte afsnit, hvordan man ved at øge den optiske effekt i resonator, vi formår at udløse lineære fænomener, indtil vi observere dannelsen af ​​Kerr optisk frekvens kamme med et spektrum, lavet af ækvidistante spektrallinier. Som emphasized ovenfor disse Kerr kam spektre har særlige karakteristika, der er egnede til flere applikationer i både videnskab og teknologi 21-23. Vi vil overveje en af ​​de mest bemærkelsesværdige anvendelser af WGM resonatorer ved at demonstrere en optisk multi-bølgelængde signal, hvis intermodal frekvens er en ultra-stabil mikrobølgeovn.

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

Protokollen består i 5 hovedfaser: I første er hvisken-galleri-mode resonator foretaget. For at styre udviklingen af ​​polering af resonatoren er overfladetilstand målinger udført. I tredje fase, fabrikere vi det værktøj, der vil lancere lys i resonator. Når disse to vigtigste redskaber er fremstillet, vi bruger dem til at visualisere optiske high-Q resonanser. Endelig giver en høj effekt laserstråle, resonatoren opfører i en lineær mode og Kerr kamme er produceret.

1.. Polering Resonator

I denne fase, er en optisk vindue krystallinsk resonator (MgF2 eller CaF2, let tilgængelige fra optiske komponenter detailhandlere) formet og poleret. Denne polering procedure omdanner dem til høj kvalitet WGM resonatorer. Den tilpassede polering tårn er præsenteret i skema 1..

  1. Lim krystallinske optiske vindue på enstick, der kan holdes ved luftleje spindel motor.
  2. Coat en V-formet metallisk guide med passende polering støtte væv, og hæld 10 um slibepulver (aluminiumoxid, diamant, eller siliciumcarbid) blandet med vand. Nærme sig dette guide til spinning disk (ca. 5.000 rpm, 20 g tryk) og begynde at slibe den. Afhængig af materialet og spindehastighed, kan denne proces vare fra 2 timer (for CaF2) til 4 timer (for MgF2). Denne poleringstrin vil give sin bi-konvekse form til resonator. Ved afslutningen af dette trin disken skal have samme form er vist i skema 2..
  3. Det næste skridt er generelt kaldes "slibning og polering" procedure 24.. Den består typisk i at gentage det foregående trin med slibende partikel størrelse 10 um, 3 um, 1 um, 250 nm og 100 nm. Den bærende væv bør tilpasses hver partikel størrelse, er mindre stiv for mindre kerner. For at undgå ridserog striber, en horisontal oversættelse af vejledningen kan udføres. På hvert trin af successiv slibning og polering, bør staten af ​​overfladen blive forbedret.

2.. Styring af State of the Surface

  1. En visuel kontrol under et optisk mikroskop er det første skridt for en overflade statskontrol: disken er uigennemsigtigt for lys i de første faser, men efter en vellykket 1 um partikel polering, disken bliver transparent og dens sider reflekterer lys: så såkaldte optiske polish er nået, og kvaliteten faktor resonator skal være i maj 10 - juni 10 rækkevidde.
  2. For mindre slibende, er øjet ikke er i stand til at vurdere tilstanden af ​​overfladen, selv ved hjælp af en standard mikroskop. På dette punkt er en interferometrisk måling af overfladen stat nødvendig. Brug et mikroskop udstyret med en Mirau interferometer objektiv og med en hvid lyskilde. Billedet af resonator forstyrrer with et referenceplan, afslører således af et hvidt lys faseskift forarbejdning værktøj overfladen højden uafhængigt ved hver punkt med en opløsning på en brøkdel af bølgelængden, nemlig nogle få nanometer. Denne måling kan også anvendes til at vurdere krumningen af disken 25.
  3. Ved at ændre længden mellem prøven og målet, bestemme den optiske fase af resonator refleksion og beregne højdeforskelle i overfladen. Dette kan være automatiserede takket være en dedikeret computer, og et kort over overfladen højden er skabt, tillader bestemmelse af ruhed af prøven. Overvåg overfladeruhed som forklaret i figur 1, og stoppe slibning-polering fremgangsmåde, når interferensbåndene er den mest jævne.

3.. Tegning Taper

For at koble lys i resonator er en meget lille optisk fiber behov: dens diameter skal være omkring 3 um(Ca. 20 gange mindre end et menneskehår).

  1. Strip en standard single-mode silica fiber (SMF) fra dens plast og polymer belægning på en omtrentlig 5 cm længde. Til kontrolformål, bør fiberen være forbundet til en laserkilde ved sin indgang, og en fotodiode på sin udgang.
  2. Lave hver størrelse af den ubelagte del af fiberen til to computer-kontrollerede høj opløsning motorer. Brug af computer interface af motorerne, konfigurere dem til at bevæge sig med en konstant accelereret bevægelse, således at hver side af fiberen vil blive trukket fra hinanden.
  3. Varm ubelagte fiber mellem de to fikseringspunkter med en blæselampe lampe til ca 1 min, før du starter strækning. Flammen skal være blid for ikke at blæse taper væk, når det er meget lille.
  4. Starte motorerne bevægelse, og derfor er den strækning af fiberen. Når tegningen er startet, kan man overvåge transmissionen af ​​konus hjælp af en laser kilde, og en fotodiode: interferensmønstre vilvises under processen, vil deres frekvens stige, og endelig vil de forsvinde for en talje diameter nær 1 um. På dette stadium bør motoren og flammen stoppes samtidigt.

4.. Kobling Lys i WGM resonator

I denne fase bliver konus anvendt til at koble lys i resonatoren og overholde de høj-Q eigentilstande i hulrummet, som er repræsenteret i figur 2.

  1. Fastgør resonatoren på en 3-akse Piezo-kontrolleret oversættelse fase. Nærmer det til fiberen tilspidsning i en afstand på mindre end 1 um. Den relative position af fiberen tilspidsning og resonator overvåges, takket være et mikroskop, og et spejl bruges til at styre den vertikale positionering og hældning.
  2. Slut fiber tilspidsning til en synlig laserdiode: resonatoren skal oplyses, når koblingen er effektiv, som vist i figur 3..
  3. Slut fiber tilspidsningen tilstand-hop fri laser med en smal liniebredde (smallere end linewidth af resonans) til den ene ende, og en fotodiode forbundet til et oscilloskop på den anden ende. Transmissionen reaktion af resonatoren kan opnås ved at scanne bølgelængde ved indgangen. Vurdere kvaliteten faktor resonator med den opnåede transmissionsspektret, ved at beregne forholdet mellem resonansfrekvensen af ​​tilstandene og deres linewidths (fuld bredde ved halv maksimum).
  4. En mere nøjagtig måling udføres med "hulrum-ring-down"-eksperiment 26, hvor bølgelængde fejer er hurtig nok til at opnå interferens mellem resonating lys henfalder i resonatoren og den drosles lys på et senere tidspunkt. Man kan finjustere placeringen af konus og resonatoren at forøge koblingen Q-faktor og få det typiske mønster vist i fig. 4. Den tilhørende fit kurve giver kvaliteten faktor resonator.
  5. 5.. Generering af Comb

    I denne sidste fase, vækker en høj effekt pumpelaser lineære effekter i resonatoren.

    1. Indsæt en optisk forstærker mellem afstemmelige laser og resonator.
    2. Takket være fotodiode og oscilloskop, finjustere laseren kilde, så input bølgelængde er ved siden af ​​en resonans.
    3. Tilslut udgangen fiber til en høj opløsning optisk spektrum analysator og øge indgangseffekt mens lidt detuning pumpen bølgelængde. Nye frekvenser vil blive vist på hver side af pumpen peak: dette er en Kerr optisk frekvens kam.
    4. Skift tilbage til fotodiode, kan vi observere prygl mellem de forskellige spektrale skabt tilstande. Ved hjælp af en mikrobølgeovn båndpasfilter, kan man isolere en ren frekvens i dette elektriske signal med meget lav støj.

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

Dette fem-trins protokollen gør det muligt at opnå WGM resonatorer med meget høj kvalitet faktorer for mikroovn fotoniske applikationer.

Det første skridt er at give den resonator den ønskede form, som er repræsenteret på skema 2.. Den største vanskelighed er her at fremstille en disk, hvis fælg er skarp nok, så kan det kraftigt begrænse de indfangede fotoner, uden at føre til strukturelle skrøbelighed fra et mekanisk synspunkt. Denne polering tårn også besidder bemærkelsesværdig alsidighed, da den tillader slibeskiver med en bred variation af størrelse og form og bulkmateriale.

Ved afslutningen af poleringen har en nanometerskala overfladeruhed (root mean square) er nået, da det kan ses i figur 1. Denne meget lille overfladeruhed er forbundet med en kvalitetsfaktor overlegen til 10 9, som vises af hulrummet udklingningstid måling af figur 4.

Fremstillingen af ​​fiberen konus gør det muligt at reducere diameteren ned til en mikron, med en transmission koefficient på over 90%. Sådan en lille diameter for fiberen tilspidsning er nødvendig for at koble lys i resonatoren, og en høj transmissionsfaktor er nødvendig for at opnå ikke-lineære effekter. Den kobling Q-faktor er over 10 9, hvilket viser den høje kvalitet af den tilspidsede fiber kobling.

Forsøgsopstillingen til kobling af lys i resonatoren er afbildet i skema 3, og et billede af apparatet er vist i figur 3.. Grønt lys udsendt af resonator viser, at koblingen er faktisk effektiv.

Endelig, når pumpen forøges, er lineære fænomener held ophidset i hulrummet og aktivere generation Kerr optisk frekvens kamme, som vist i figur 6. Disse kamme kan senere anvendes til ultra-stabil mikrobølge generation.

Skema 1
Skema 1. Den tilpassede polering tårn, der anvendes til fremstilling af de WGM ultra-høj kvalitet diske.

Skema 2
Skema 2. Software-genererede side-og top-visning af en optisk WGM resonator efter slibning. Diameteren er typisk i størrelsesordenen 5 mm, mens højden er omkring 1 mm. Det centrale hul gør det muligt at holde og manipulere disken med en stub, uden at røre fælgen. Startende fra en almindelig disk (som er cylindrisk), poleringen sliber den ydre del i en V-formet mode.

Skema 3
Skema 3. Eksperimentel opsætning for Kerr kam generation. Lys fra en flydende laserdiode forstærkes og lanceret på WGM resonator via den tilspidsede fiber. Udgangssignalet enten indsamles på en fotodiode at overvåge signalet på et oscilloskop, eller at udtrække beat-notat signal eller på en høj opløsning optisk spektral analysator til observation af Kerr kam.

Figur 1
Figur 1. Hvidt lys interferogram mønstre af en WGM resonator på to forskellige trin i grind-og polish protokol: Den første blev truffet efter 1 um poleringstrin (a), den anden efter 100 nm polering (b). De funktioner i resonator var helt glattet ved efterfølgende polering.

Figur 2
Figur 2. Top-view af den stedlige repræsentation af en torus-lignende WGM der fældefangst lys ved total intern refleksion. Denne WGM diske understøtter tusindvis af kvasi-ækvidistante resonante tilstande (når der tilhører den samme familie af egensvingningsformer). De har en gratis-spektralområde (FSR) i størrelsesordenen 10 GHz til mm-størrelse diske.

Figur 3
Figur 3. Kobling af synligt lys i en WGM resonator. Koblingen er effektiv, da det grønne lys styret af fiber tilspidsning lysflade resonator.

Figur 4
Figur 4.. Cavity udklingningstid signal fra en WGM resonator. Beslaget kurve giver iboende og kobling foton levetider i hulrummet, som er direkte proportional med kvaliteten faktoren forresonator. Her har en iboende kvalitet faktor på 1,5 x 10 9 opnået.

Figur 5
Figur 5. Kerr kam generation mekanisme WGM resonatorer. Når et hulrum tilstand pumpes over en given tærskel med en resonant laser, bliver fotonerne sammenhængende fordelt til de omkringliggende side-modes via fire-bølge blanding, som kan give anledning til fire fotoner α, β, γ og δ, opfylder betingelserne i energi-og impulsbevarelse. Dette er en direkte konsekvens af den Kerr effekt, som inducerer en kvadratisk ændring i brydningsindekset relativt til den intra-hulrum elektrisk felt.

Figur 6
Figur 6.. Eksperimentel Kerr optisk frekvens kam. Den centrale frekvens f

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

Denne protokol tillader produktion af høj-Q optiske resonatorer, at parret lys i dem og udløser ikke-lineære fænomener til forskellige mikroovn fotonik applikationer.

Det første skridt i grovslibning bør give sin form til resonator. Efter en time af slibning med 10 um slibende pulver, bør den ene side af kanten af resonatoren være bekvemt formet (se skema 2). Følgende trin vil glatte overfladen af ​​resonator og da den nåede den fase af 1 um diameter slibende pulver, bør dens overflade være gennemsigtigt. Dette kaldes en optisk polish. Dette er imidlertid ikke nok til at få en høj kvalitet faktor og ekstra trin er nødvendige med mindre slibende partikler for at opnå en bedre overfladekvalitet med nanometerskala ruhed. Vi bruger et hvidt lys interferometrisk profilometer at måle overflade uregelmæssigheder, der fører til overfladen scattering-inducerede tab og dermed lavere Q Figur 1 viser to billeder taget med et profilometer på to forskellige trin i processen. Den første er taget efter formalingen trin, viser en uregelmæssig overflade med en urolig interferensmønster. Men efter poleringstrinet er interferensmønstret glat og regelmæssig, afslører at overfladen tilstand resonator er glat på 10 nm-skala. Dette er, hvad skal kigget efter for at opnå en høj-Q resonatorer. Det er også vigtigt at bemærke, at denne vinkel-form til fælgen skal optimeres for at muliggøre den højeste modal indespærring uden at inducere for meget mekanisk stress under slibning trin.

Konus-tegning protokollen kræver lidt finjustering for at opnå lav transmissionstab. Dette afhænger i høj grad af den anvendte blæselampe, men afstanden fra fiberen til flammenbør være sådan, at opvarmningszonen er størst. Typisk værdi for konstant acceleration parameter er omkring 5 μm.s -2, men det bør tilpasses de enkelte flamme magt og til formen af konus skal trækkes.

Nærmer resonator til den tilspidsede fiber er også en proces, der bør være meget godt styres gennem anvendelse af en mikrometer-opløsning oversættelse fase, og overvåges med en kikkert mikroskop. Den lodrette justering og hældningsvinkel er også afgørende for at opnå en god kobling og en høj kvalitet faktor. Når koblingen er effektivt (se figur 2), kan transmissionsspektret opnås ved anvendelse af en bølgelængde-afstemmelige laser scanning mode. Hvis fejende er hurtig nok, og kvaliteten faktor resonator tilstrækkelig høj, bør det transmitterede signal opfører sig som ses i figur 3. Ved at montere denne eksperimentelle kurve, er vi i stand til at udtrække den reelle kvalitet faktor resonator.

Det bør bemærkes, at andre midler til kobling lys i resonatoren er mulige, nemlig med et prisme 27 eller vinkel-polerede fibre 28. Begge metoder gør brug af flygtige felt af en reflekteret stråle på grænsefladen mellem glas og luft. Fordelen ved disse metoder er, at koblingen er mere stabil, men tilpasningen nødvendig i begge tilfælde er det meget vanskeligere at opnå i forhold til nedtrapning. Effektiviteten af den tilspidsede fiber kobling er også højere (op til 99,9% 15), end hvad der kan opnås med prisme og vinkel-polerede fiber kobling.

Nonlinearity i resonatoren kan exciteres med en høj pumpeeffekt. Den velkendte proces med fire-bølge blanding producerer skarpe spektrallinier resonatoren adskilt af en veldefineret konstant: resonator frie spektrale område (eller et heltalsmultiplum). Ved hjælp af en hurtig fotodiode og et band pass filter, kan man uddrage dette resumée fast frekvens hul til at generere en lav støj mikrobølgeovn signal generator. Men denne proces normalt kræver avancerede feedbacksløjfer til signal kontrol og stabilisering, som ikke er blevet anset her af hensyn til eksemplificering 29..

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

YCK anerkender økonomisk støtte fra Det Europæiske Forskningsråd gennem projektet NextPhase (ERC StG ​​278.616). Forfattere også erkende støtte fra Centre National d'Etudes Spatiales (CNES, Frankrig) gennem projektet SHYRO (aktion R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10.076.201), fra ANR-projektet ORA (BLAN 031.202) og fra regionen de Franche-Comte, Frankrig.

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).
Mikroovn Photonics Systems Baseret på Whispering-galleri-mode Resonators
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