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Engineering

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

doi: 10.3791/50423 Published: August 5, 2013

Summary

Die angepasste Techniken in unserem Labor entwickelt, um Mikrowelle Photonik Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren bauen werden vorgestellt. Die Protokolle zu erhalten und zu charakterisieren diese Resonatoren sind detailliert, und eine Erklärung von einigen ihrer Anwendungen in Photonik Mikrowelle gegeben ist.

Abstract

Mikrowelle Photonik Systeme stützen sich grundsätzlich auf die Wechselwirkung zwischen Mikrowellen-und optische Signale. Diese Systeme sind äußerst viel versprechend für verschiedene Bereiche der Technik und angewandte Wissenschaft, wie der Luftfahrt-und Kommunikationstechnik, Sensorik, Messtechnik, nichtlineare Photonik und Quantenoptik. In diesem Artikel präsentieren wir Ihnen die wichtigsten Techniken in unserem Labor verwendet werden, um Mikrowellen Photonik-Systeme basierend auf Ultra-High Q Whispering Gallery Mode-Resonatoren zu bauen. Erste in diesem Artikel beschrieben ist das Protokoll für Resonator Polieren, die auf einem Schleifen-und polnisch-Technik nahe denen, die verwendet werden, um optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel polieren Teleskop basiert. Dann wurde ein weißes Licht interferometrischen Profilometer Maßnahmen Oberflächenrauhigkeit ist die einer der wichtigsten Parameter, um die Qualität der Poliervorrichtung zu charakterisieren. Um Licht in dem Resonator zu starten, wird ein verjüngter Silica-Faser mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich eingesetzt. Um einen solchen kleinen Durchmesser erreichens, nehmen wir die "Flamme-Bürsten"-Technik, mit gleichzeitig computergesteuerte Motoren, um die Faser auseinander zu ziehen und eine Lötlampe, um die Faser zu beheizen verjüngt werden. Der Resonator und der sich verjüngende Faser später aneinander genähert, um das Resonanzsignal der Flüstergangmoden Modi unter Verwendung einer Wellenlänge Laserstrahlabtastung visualisieren. Durch die Erhöhung der optischen Leistung in dem Resonator, nichtlineare Phänomene ausgelöst werden, bis die Bildung eines Kerr optischen Frequenzkamm mit einem Spektrum von äquidistanten Spektrallinien beobachtet wird. Diese Kerr Kamm Spektren haben außergewöhnliche Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technik sind. Wir betrachten die Anwendung im Zusammenhang mit ultra-stabile Mikrowellen-Frequenz-Synthese und demonstrieren die Erzeugung eines Kerr Kamm mit intermodalen GHz Frequenz.

Introduction

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Whispering Gallery Mode-Resonatoren sind Scheiben oder Kugeln aus Mikro-oder Millimeterbereich Radius 1,2,3,4. Vorausgesetzt, dass der Resonator fast perfekt geformte (Nanometer-Größe Oberflächenrauhigkeit) ist, kann Laserlicht durch Totalreflexion innerhalb seiner Eigenmoden, die üblicherweise als Flüstern-Galerie-Modi (WGMs) bezeichnet werden gefangen werden. Ihre freie Spektralbereich (oder intermodale Frequenz) von GHz bis THz je nach Radius des Resonators variieren, während ihre Güte Q als außerordentlich hoch kann 5, die von 7. Oktober - 11. Oktober. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaft von Lagerung und Verlangsamung Licht, haben WGM optischen Resonatoren verwendet worden, um viele optische Signalverarbeitung Aufgaben 3 durchzuführen: Filterung, Verstärkung, Zeit-Verzögerung usw. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Fertigungstechnologien, um ihre beispiellose Qualität Faktoren sie für noch anspruchsvollere Anwendung in der Messtechnik oder Quantum-basierte Anwendungen 6-13.

In diesen ultra-hohen Q-Resonatoren, induzieren das geringe Volumen der Entbindung, hohe Photonen-Dichte und lange Photonenlebensdauer (proportional zu Q) eine sehr starke Licht-Materie-Wechselwirkung, die die verschiedenen WGMs durch verschiedene nichtlineare Effekte können begeistern, wie Kerr, Raman oder Brillouin zum Beispiel 14-19. Mit nichtlineare Phänomene in Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren wurde als vielversprechender Paradigmenwechsel für ultra-reinen Mikrowelle und Lichtwellenerzeugung vorgeschlagen. Die Tatsache, dass dieses Thema so vielen Bereichen der Grundlagenforschung und Technologie schneidet ist ein klarer Indikator für die sehr starken potenziellen Auswirkungen auf ein breites Spektrum von Disziplinen. Insbesondere sind Luftfahrt-und Nachrichtentechnik Technologien, die derzeit in der Notwendigkeit vielseitiger Mikrowelle und Lichtwellensignals mit außergewöhnlichen Kohärenz. Der WGM-Technologie hat mehrere Vorteile gegenüber bestehenden oder anderen potenziellen Methoden: konzeptionelle Einfachheit höhere Robustheit, geringer Stromverbrauch, lange Lebensdauer, Unempfindlichkeit gegenüber Störungen, sehr kompaktes Volumen, Frequenz Vielseitigkeit, einfache Chip-Integration, sowie ein großes Potenzial für die Integration der Mainstream der Standard photonischen Komponenten sowohl für Mikrowelle und Lichtwelle Technologien.

In Luft-und Raumfahrttechnik, sind Quarz Oszillatoren überwältigend dominant als Schlüssel Mikrowellen-Quellen für beide Navigationssysteme (Flugzeuge, Satelliten, Raumfahrzeuge, etc.) und-Detection-Systeme (Radare, Sensoren, etc.). Es wird jedoch einstimmig heute anerkannt, dass Frequenzstabilität Leistung von Quarz-Oszillatoren an seine Etage und wird nicht wesentlich mehr zu verbessern. Entlang der gleichen Linie, ist ihre Häufigkeit Vielseitigkeit begrenzt und wird kaum für ultra-stabile Mikrowelle Generation über 40 GHz ermöglichen. Mikrowelle photonischen Oszillatoren sollen diese Einschränkungen zu überwinden. Auf der anderen Seite, in der Nachrichtentechnik, Mikrowelle Photonic Oszillatoren werden auch erwartet, dass wichtige Komponenten werden in optischen Kommunikationsnetzwerken, wo sie die Lichtwelle / Mikrowelle Umwandlung mit beispielloser Effizienz durchführen würde. Sie sind auch kompatibel mit dem anhaltenden Trend der kompakten Full-optischen Komponenten in Lichtwelle Technologie, die ultra-schnelle Verarbeitung ermöglichen [up / down Konvertierung (de) Modulation, Verstärkung, Multiplexing, Mischen, etc.], ohne die Notwendigkeit zu manipulieren massiven (und dann langsam) Elektronen. Dieses Konzept der kompakten photonischen Schaltkreisen, wo Photonen steuern Photonen über nichtlineare Medien zielt darauf ab, den Engpass, die aus nahezu unbegrenzte optische Bandbreite gegenüber begrenzten optoelektronischen Verarbeitungsgeschwindigkeit zu umgehen. Optische Kommunikationssysteme sind auch sehr anspruchsvoll für ultra-geringes Phasenrauschen Mikrowellen, um sowohl die Taktung (geringes Phasenrauschen ist äquivalent zu niedrig Zeit-Jitter) und Bandbreite (Bitraten proportional zur Taktfrequenz) erfüllen. In der Tat, in der High-Speed-communication Netzwerke, wie zum Beispiel extrem stabilen Oszillatoren grundlegenden Artikeln für verschiedene Zwecke (lokalen Oszillator zum Aufwärts / Abwärts Frequenzumsetzung Netzwerk-Synchronisations-, Träger-Synthese, etc.).

Nichtlineare Phänomene in WGM-Resonatoren auch neue Horizonte eröffnen der Forschung für andere Anwendungen, wie z. B. Raman-und Brillouin Lasern. Ganz allgemein lassen sich diese Phänomene in der breiteren Perspektive der nichtlineare Phänomene in optischen Resonatoren und Wellenleiter zusammengeführt werden, und es ist eine fruchtbare Paradigma für kristalline Silizium-Photonik oder. Die starke Beschränkung und sehr lange Lebensdauer der Photonen in den torusartigen WGMs bieten auch eine ausgezeichnete Prüfstand zu grundlegenden Fragen in der kondensierten Materie und der Quantenphysik untersuchen. Der Wettlauf um immer höhere Genauigkeit in elektromagnetische Signale trägt auch zur Quintessenz Fragen in der Physik, im Zusammenhang mit Relativitätstheorie (Tests für Lorentzinvarianz) oder die Messung von Naturkonstanten eine Antwortnd ihre mögliche Variation mit der Zeit.

In diesem Artikel werden die verschiedenen Schritte, die zum kristallinen optischen Flüstern-Galerie-Modus (WGM) erhalten Resonatoren beschrieben und deren Charakterisierung erläutert. Ebenfalls vorgestellt wird das Protokoll, um die hohe Qualität verjüngten Faser benötigt paar Laserlicht in dieser Resonatoren zu erhalten. Schließlich ist ein Flaggschiff Anwendung dieser Resonatoren im Bereich der Mikrowellen Photonik, nämlich ultra-stabile Mikrowelle Generation mit Kerr Kämme, vorgestellt und diskutiert.

Im ersten Abschnitt werden wir ausführlich das Protokoll gefolgt, um ultra-hohen Q WGM-Resonatoren zu erhalten. Unsere Methode beruht auf einem Ansatz schleifen und polieren, die erinnert an die Standard-Techniken verwendet, um optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel Teleskop polieren ist. Der zweite Abschnitt ist für die Charakterisierung der Oberflächenrauhigkeit gewidmet. Wir verwenden eine berührungslose weißes Licht interferometrischen Profilometers, um die Oberfläche zu messen roughness die Streuung induzierte Verluste Oberfläche und dadurch den Q-Faktor Performance führt. Dieser Schritt ist ein wichtiger experimentellen Test, um die Qualität des Polierens zu bewerten. Der dritte Abschnitt ist mit der Herstellung eine konische Silica-Faser mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich vorgenommen wird, um Licht in dem Resonator zu starten. Um solch kleinen Durchmessern zu erreichen, nehmen wir die "Flamme-Bürsten"-Technik, mit gleichzeitig computergesteuerte Motoren, um die Faser auseinander zu ziehen und eine Lötlampe, um die Faser Bereich verjüngt werden 20 erhitzen. Im vierten Abschnitt werden der Resonator und die sich verjüngenden Lichtleitfasern zueinander genähert, um das Resonanzsignal der Flüstergangmoden Modi unter Verwendung einer Wellenlänge Laserstrahlabtastung visualisieren. Wir zeigen im fünften Abschnitt, wie durch Erhöhung der optischen Leistung im Resonator, wir nichtlineare Phänomene auslösen, bis wir die Bildung von optischen Kerr Frequenzkämme beobachten zu verwalten, mit einem Spektrum von äquidistanten Spektrallinien. Als emphasized erwähnt, haben diese Kerr Kamm Spektren außergewöhnlichen Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technik 21-23 sind. Wir werden eine der bemerkenswertesten Anwendungen von WGM-Resonatoren durch den Nachweis eines optischen Multi-Wellenlängen-Signal, dessen Frequenz intermodalen ist ein ultra-stabile Mikrowelle zu betrachten.

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Protocol

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Das Protokoll besteht aus 5 Phasen: In der ersten, das Flüstern-Galerie-Resonator besteht. Um den Fortschritt des Poliervorgangs des Resonators zu steuern, sind Oberflächenzustand Messungen durchgeführt. In der dritten Stufe herzustellen man das Werkzeug, das Licht in dem Resonator wird gestartet. Sobald diese zwei wichtigsten Instrumente hergestellt werden, nutzen wir sie zu optischen High-Q-Resonanzen zu visualisieren. Schließlich mit einem High-Power-Input Laserstrahl verhält sich der Resonator in einem nichtlinearen Kerr Mode und Kämme hergestellt werden.

1. Polieren der Resonator

In diesem Stadium ist ein optisches Fenster kristallinen Resonator (MgF 2 oder CaF 2, leicht aus optischen Komponente Einzelhändler) geformt und poliert. Diese Politur wandelt sie in hochwertige WGM-Resonatoren. Die angepasste Polieren Turm ist in Schema 1 dargestellt.

  1. Kleber des kristallinen optischen Fenster auf einebleiben, dass durch die Luftlagerspindel Motor gehalten werden.
  2. Mantel eine V-förmige metallische Führung mit der entsprechenden Polieren Stützgewebe und gießt 10 um abrasive Pulver (Aluminiumoxid, Diamant oder Siliciumcarbid) mit Wasser vermischt. Nähern Sie diese Anleitung, um die sich drehende Scheibe (ca. 5.000 rpm, 20 g Druck) und starten Mahlen. Je nach dem Material und der Spinngeschwindigkeit, kann dieser Prozess von 2 h (für CaF 2) bis 4 h (für MgF 2) dauern. Diese Polierschritt seine bi-konvexe Form an den Resonator ergeben. Am Ende dieses Schritts sollte die Scheibe die Form in Schema 2 dargestellt.
  3. Der nächste Schritt wird allgemein als "Schleifen und Polieren" Prozedur 24. Es besteht typischerweise aus in Wiederholung der vorherigen Schritt mit abrasiven Partikel der Größe 10 um, 3 um, 1 um 250 nm, 100 nm und schließlich. Das Stützgewebe ist auf jede Teilchengröße angepasst werden, die weniger steif für kleinere Körner. Um Kratzer zu vermeidenund Streifen eine horizontale Verschiebung der Führung durchgeführt werden kann. Bei jedem Schritt der aufeinanderfolgenden Schleifen und Polieren, sollte der Zustand der Oberfläche verbessert werden.

2. Die Steuerung der Zustand der Oberfläche

  1. Eine visuelle Kontrolle unter einem optischen Mikroskop ist der erste Schritt für eine Oberfläche staatliche Kontrolle: die Scheibe undurchsichtig ist, um in den ersten Stadien leuchten, aber nach einer erfolgreichen 1 um Partikel Polieren, wird die Platte transparent und ihre Seiten reflektieren das Licht: die so genannte optische Politur erreicht ist und die Güte des Resonators im Bereich von 10 5 - 10 6-Bereich.
  2. Für kleinere Schleifmittel, das Auge ist nicht in der Lage, den Zustand der Oberfläche auswerten, auch mit einem Standard-Mikroskop. An diesem Punkt wird eine interferometrische Messung der Oberflächenbeschaffenheit erforderlich. Ein Mikroskop mit einem Interferometer Mirau Objektivlinse und mit einer weißen Lichtquelle ausgestattet. Das Bild des Resonators stört with einer Bezugsebene und zeigt so eine Weißlicht Phasenverschiebung Bearbeitungswerkzeug die Oberfläche Höhe unabhängig bei jedem Punkt mit einer Auflösung von einem Bruchteil der Wellenlänge, nämlich wenige Nanometer. Diese Messung kann auch verwendet werden, um die Krümmung der Scheibe 25 zu bewerten.
  3. Durch Veränderung der Länge zwischen der Probe und dem Ziel, festzustellen, die optische Phase des Resonators Reflexion und die Berechnung der Höhenunterschiede der Oberfläche. Dies kann automatisch durch einen dedizierten Computer, und eine Karte der Oberfläche Höhe erzeugt, so dass zur Bestimmung der Rauheit der Probe. Überwachen Sie die Oberflächenrauhigkeit, wie in Abbildung 1 erläutert, und stoppen Sie die Schleifen-Polieren Verfahren, wenn die Interferenzstreifen die glatte möglich sind.

3. Zeichnen der Taper

Um Licht in den Resonator wird eine sehr kleine optische Faser benötigt: ihr Durchmesser sollte etwa 3 um sein(Etwa 20-mal kleiner als ein menschliches Haar).

  1. Isolieren Sie eine Standard-Single-Mode-Silica-Faser (SMF) aus seiner Kunststoff-und Polymer-Beschichtung auf einem ca. 5 cm Länge. Zur Kontrolle sollte die Faser mit einer Laserquelle an ihrem Eingang und einer Photodiode an seinem Ausgang angeschlossen werden.
  2. Fix jede Größe des unbeschichteten Abschnitt der Faser zu zwei Computer-gesteuerten hochauflösenden Motoren. Mit dem Computer-Schnittstelle der Motoren konfigurieren, dass sie mit einem ständig beschleunigte Bewegung bewegen, so daß jede Seite der Faser heraus gezogen wird.
  3. Erhitzen Sie die unbeschichteten Faser zwischen den beiden Befestigungspunkten mit einer Lötlampe Lampe für etwa 1 min vor Beginn der Dehnung. Die Flamme sollte schonend sein, um nicht die Verjüngung wegblasen, wenn es sehr klein ist.
  4. Die Motoren Bewegung, und damit die Streckung der Faser. Sobald der Zeichnung gestartet wird, kann eine Überwachung der Übertragung der Kegel mit einer Laserquelle und einer Photodiode: Interferenzmuster wirderscheinen während des Prozesses, ihre Frequenz zu erhöhen, und schließlich werden sie für eine Taille Durchmesser nahe 1 um verschwinden. Zu diesem Zeitpunkt sollte der Motor und die Flamme gleichzeitig gestoppt werden.

4. Kopplung von Licht in den Resonator WGM

In diesem Stadium wird die Verjüngung, um Licht in dem Resonator verwendet wird und die High-Q Eigenmoden des Resonators, die in 2 dargestellt sind, zu beobachten.

  1. Fix den Resonator auf einem 3-Achsen-Piezo-gesteuerte Übersetzung Bühne. Nähern an die Fasertaper in einem Abstand von weniger als 1 um. Die relative Position der Faser-Konus und dem Resonator überwacht wird, durch ein Mikroskop und ein Spiegel wird verwendet, um die vertikale Position und Neigung zu steuern.
  2. Schließen Sie das Fasertaper zu einer sichtbaren Laserdiode: der Resonator sollte leuchten, wenn die Kupplung ist effizient sein, wie in Abbildung 3 dargestellt.
  3. Schließen Sie das Fasertaper zuein modensprungfreies Laser mit schmaler Linienbreite (schmaler als die Linienbreite der Resonanz) mit einem Ende und einer Photodiode mit einem Oszilloskop an dem anderen Ende. Das Übertragungsverhalten des Resonators durch Abtasten der Wellenlänge am Eingang erhalten werden. Bewerten der Güte des Resonators unter Verwendung der erhaltenen Transmissionsspektrum, durch Berechnen des Verhältnisses zwischen der Resonanzfrequenz der Moden und deren Linienbreiten (volle Breite bei halbem Maximum).
  4. Eine genauere Messung wird mit der "Hohlraum-ring-down" Experiment 26, wobei die Wellenlänge Fegen ist schnell genug, um Interferenzen zwischen der Resonanz Licht zerfallen in dem Resonator und dem verstimmten Licht zu einem späteren Zeitpunkt zu erhalten durchgeführt. Man kann eine Feinabstimmung der Positionierung des Kegels und der Resonator, um die Kopplung Q-Faktor zu erhöhen und erhalten das typische Muster in Abbildung 4 dargestellt. Die zugehörige Ausgleichskurve gibt den Gütefaktor des Resonators.
  5. 5. Generieren des Comb

    In dieser letzten Phase, bringt ein Hochleistungspumplaser nichtlineare Effekte in dem Resonator.

    1. Legen Sie einen optischen Verstärker zwischen dem abstimmbaren Laser und dem Resonator.
    2. Dank der Fotodiode und Oszilloskop, die Feinabstimmung der Laserquelle so dass der Eingang Wellenlänge ist neben einer Resonanz.
    3. Verbinden Sie den Ausgang Faser einer hochauflösenden optischen Spektrumanalysator und erhöhen die Leistungsaufnahme während etwas Verstimmung der Pump-Wellenlänge. New Frequenzen auf jeder Seite der Pumpe Peak erscheinen: dies ist ein Kerr optischen Frequenzkamm.
    4. Zurückschalten auf die Photodiode, können wir beobachten die Schläge zwischen den unterschiedlichen spektralen Modi erstellt. Verwendung einer Mikrowellen-Bandpassfilter, kann man eine reine Frequenz in diesem elektrischen Signal zu isolieren mit sehr geringem Rauschen.

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Representative Results

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Das Fünf-Schritt-Protokoll ermöglicht, WGM-Resonatoren mit sehr hoher Qualität Faktoren für Mikrowellen photonische Anwendungen zu erhalten.

Der erste Schritt zielt darauf ab, mit dem Resonator in die gewünschte Form zu geben, wie in Schema 2 dargestellt. Die größte Schwierigkeit ist hier, um eine Scheibe, deren Rand ist scharf genug, so dass es stark beschränken können die eingefangenen Photonen, ohne dass es zu strukturellen Fragilität von einem mechanischen Standpunkt herzustellen. Das Polieren Turm besitzt auch bemerkenswerte Vielseitigkeit, wie sie Schleifscheiben mit einer breiten Variabilität der Größe und Form und Schüttgut ermöglicht.

Am Ende des Polierprozesses wurde ein Nanometerbereich Oberflächenrauhigkeit (root mean square) erreicht worden ist, wie es in Fig. 1 zu sehen ist. Dieser sehr kleine Oberflächenrauheit mit einem Qualitätsfaktor höher als 10 9 verbunden, wie durch den Hohlraum Ring-Down-Messung der Fig. 4 dargestellt.

Die Herstellung der Fasertaper ermöglicht, den Durchmesser bis zu einem Mikrometer zu reduzieren, mit einem Transmissionsgrad von mehr als 90%. Eine so kleine Durchmesser der Faser Verjüngung, um Licht in dem Resonator benötigt und eine hohe Transmissionskoeffizienten ist erforderlich, um nichtlineare Effekte zu erzielen. Die Kopplung Q-Faktor von mehr als 10 9, wobei man die Qualität des verjüngten Faser-Kopplung.

Der Versuchsaufbau für die Kopplung von Licht in dem Resonator ist in Schema 3 dargestellt ist, und ein Bild von der Vorrichtung ist in Abbildung 3 dargestellt. Das grüne Licht durch den Resonator emittiert beweist, dass die Kupplung tatsächlich effizient ist.

Schließlich, wenn die Pumpe erhöht wird, werden nichtlineare Phänomene erfolgreich in den Hohlraum angeregt und damit die Erzeugung Kerr optischen Frequenzkamm, wie in Abbildung 6 gezeigt. Diese Kämme können später für ul verwendet werdentra-stabile Mikrowelle Generation.

Schema 1
Schema 1. Die angepasste Polieren Turm, verwendet, um die WGM ultra-hoher Qualität fertigen Platten.

Schema 2
Schema 2. Software erzeugten Seiten-und Draufsicht eines optischen Resonators WGM nach dem Schleifen. Der Durchmesser liegt typischerweise in der Größenordnung von 5 mm, während die Höhe beträgt ca. 1 mm. Das zentrale Loch ermöglicht zu halten und zu manipulieren die Festplatte mit einem Stummel, ohne Berührung der Felge. Ausgehend von einer einfachen Scheibe (der zylindrisch), schleift das Polierverfahren den äußeren Teil in einer V-förmig.

Schema 3
Schema 3. Versuchsaufbau zur Kerr Kamm Generation. Licht von einer abstimmbaren Laserdiode wird verstärkt und in die WGM-Resonator über den verjüngten Faser eingekoppelt. Das Ausgangssignal wird entweder auf einer Photodiode erfasst, um das Signal auf einem Oszilloskop zu überwachen oder die Takt-Hinweis-Signal zu extrahieren oder auf einem hochauflösenden optischen Spektralanalysator zur Beobachtung des Kerr Kamm.

Abbildung 1
Abbildung 1. Weißes Licht Interferogramm Muster einer WGM Resonator bei zwei verschiedenen Stufen des Schleif-und Poliermittel-Protokoll: Die erste war nach der 1 um Polierschritt (a), der zweite nach dem Polieren 100 nm (b) entnommen. Die Eigenschaften des Resonators wurden vollständig durch die aufeinanderfolgenden Polieren geglättet.

Abbildung 2
Abbildung 2. Top-Blick auf die räumliche Darstellung eines Torus-ähnlichen WGM die Trapping Licht wird durch Totalreflexion. Dieses WGM Festplatten unterstützt Tausende von quasi-äquidistanten Resonanzmodi (wenn aus der gleichen Familie von Eigenmoden). Sie haben einen freien Spektralbereich (FSR) in der Größenordnung von 10 GHz für mm-Größe Festplatten.

Abbildung 3
Abbildung 3. Kopplung von sichtbarem Licht in einem Resonator WGM. Die Kupplung wird wirksam, da das grüne Licht durch die Faser geführt wird, verjüngen Beleuchten des Resonators.

Fig. 4
Abbildung 4. Cavity Ring-Down-Signal von einem WGM Resonators. Beschlag Kurve gibt die intrinsischen und Kupplung Photonen-Lebensdauer in dem Hohlraum, die direkt proportional zum Qualitätsfaktor des sindResonator. Hier hat eine intrinsische Gütefaktor von 1,5 x 10 9 erreicht.

Abbildung 5
Abbildung 5. Kerr Kamm Erzeugungsmechanismus in WGM Resonatoren. Wenn ein Hohlraum Modus über einer gegebenen Schwelle mit einer Resonanz-Laser gepumpt wird, die Photonen kohärent zu den benachbarten Seiten-Modi durch Vier-Wellen-Mischung verteilt sind, die sich auf jede vier Photonen α kann, β, γ und δ, welche die Bedingungen der Energie-und Impulserhaltung. Dies ist eine direkte Folge der Kerr-Effekt, der eine quadratische Änderung des Brechungsindex induziert relativ zur intra-Hohlraum elektrischen Feldes.

Abbildung 6
Abbildung 6. Experimentelle Kerr optischen Frequenzkamm. Die zentrale Frequenz f

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Discussion

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Dieses Protokoll ermöglicht die Herstellung qualitativ Q optischen Resonatoren, um Licht in ihnen auslösen und nichtlineare Phänomene für verschiedene Mikrowellen-Photonik-Anwendungen.

Der erste Schritt des Grobschleifen sollte seine Form Resonator ergeben. Nach einer Stunde Mahlen mit 10 um abrasive Pulver sollte einen Seite des Randes des Resonators sich bequem geformt (siehe Schema 2). Im folgenden Schritt wird die Oberfläche glätten des Resonators und bei Erreichen der Stufe der 1 um Durchmesser abrasive Pulver, dessen Oberfläche sollte transparent sein. Dies wird als eine optische Politur. Dies ist jedoch nicht genug, um eine hohe Güte und zusätzliche Schritte mit kleineren abrasive Partikel benötigt werden, um eine noch bessere Oberflächenqualität mit Nanometer-Skala Rauheit zu erzielen. Wir arbeiten mit einer Weißlicht interferometrischen Profilometers die Oberfläche Unregelmäßigkeiten, die Oberflächenstreuung-induzierte Verluste führen zu messen und dadurch die unteren Q Abbildung 1 zeigt zwei Bilder mit einem Profilometer an zwei verschiedenen Stufen des Verfahrens gemacht. Die erste ist nach dem Mahlschritt genommen, die eine unregelmäßige Oberfläche mit einer gestörten Interferenzmuster. Aber nach dem Polierschritt, ist das Interferenzmuster ebenmäßig und zeigte, dass der Zustand der Oberfläche des Resonators glatt an der 10 nm-Maßstab. Dies dürfte gesucht werden, um High-Q-Resonatoren zu erhalten. Es ist auch wichtig anzumerken, dass diese Winkel-Form für die Felge optimiert, um für die höchste modal Einschluss ohne eine zu viel mechanische Beanspruchung während des Schleifens Schritte ermöglichen muss.

Die Verjüngung-Zeichnung Protokoll erfordert ein wenig Feintuning, um niedrige Übertragungsverluste zu erhalten. Dies hängt stark vom Schneidbrenner verwendet, aber die Entfernung von der Faser in die Flammesollte so sein, dass die Heizzone die breiteste ist. Typischer Wert für die konstante Beschleunigung Parameter ist rund 5 μm.s -2, aber es sollte auf jeden Flamme Macht und an die Form des Kegels zu ziehen angepasst werden.

Annäherung an den Resonator zu dem verjüngten Faser ist auch ein Verfahren, das sehr gut durch die Verwendung von einem Mikrometer-Auflösung Verschiebetisch sollte kontrolliert und überwacht werden mit dem Binokular. Die vertikale Ausrichtung und Neigungswinkel sind auch entscheidend für das Erzielen einer guten Kopplung und eine hohe Güte. Sobald die Kupplung effizient (siehe 2), kann das Transmissionsspektrum unter Verwendung einer Wellenlängen-abstimmbaren Lasers im Scanmodus werden. Wenn das Abtasten schnell genug ist und die Güte des Resonators hinreichend groß, so wird das übertragene Signal so verhalten, wie in 3 zu sehen. Durch den Einbau dieses experimentelle Kurve, sind wir in der Lage, um die intrinsische Güte des res extrahierenResonators.

Es sollte angemerkt werden, dass andere Mittel zum Einkoppeln von Licht in dem Resonator möglich sind, und zwar mit einem Prisma 27 oder Winkel-Fasern 28 poliert werden. Beide Verfahren verwenden das evaneszente Feld eines reflektierten Strahls an der Grenzfläche zwischen Glas und Luft. Der Vorteil dieser Verfahren ist, dass die Kopplung mehr stabil ist, jedoch ist die Ausrichtung in beiden Fällen benötigt viel schwieriger zu erreichen im Vergleich zu der Verjüngung Verfahren. Die Effizienz des verjüngten Faserkopplung ist auch größer (bis zu 99,9% 15) als das, was mit Prisma und Winkel poliert Faserkopplung erreicht werden.

Die Nichtlinearität in dem Resonator mit einem hohen Pumpleistung angeregt werden. Das bekannte Verfahren der Vier-Wellen-Mischen erzeugt scharfe Spektrallinien in den Resonator durch eine gut definierte Konstante getrennt: des Resonators freie Spektralbereich (oder ein ganzzahliges Vielfaches). Mit einer schnellen Photodiode und einem Bandpassfilter, kann man diese extrahieren precise Festfrequenz Spalt mit einem rauscharmen Mikrowellen-Generator zu erzeugen. Doch dieser Prozess erfordert in der Regel anspruchsvolle Feedback-Schleifen für Signal-Steuerung und Stabilisierung, die nicht hier aus Gründen der Veranschaulichung 29 betrachtet.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Acknowledgments

YCK räumt finanzielle Unterstützung aus dem Europäischen Forschungsrat durch das Projekt NextPhase (ERC StG ​​278616). Autoren auch danken für die Unterstützung aus dem Centre National d'Etudes Spatiales (CNES, Frankreich) durch das Projekt SHYRO (Aktion R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201) von der ANR Projekt ORA (BLAN 031202) und aus der Region de Franche-Comte, Frankreich.

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).
Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage
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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).

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