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Engineering

Microonde Photonics sistemi basati su risonatori-galleria-mode Whispering

doi: 10.3791/50423 Published: August 5, 2013

Summary

Le tecniche personalizzate sviluppate nel nostro laboratorio per la costruzione di sistemi fotonici a microonde sulla base di ultra-alto Q galleria dei sussurri modalità risonatori sono presentati. I protocolli per ottenere e caratterizzare questi risuonatori sono dettagliate, e una spiegazione di alcune delle loro applicazioni in fotonica a microonde è dato.

Abstract

Sistemi fotonici Microonde basano fondamentalmente sulle interazioni tra microonde e segnali ottici. Questi sistemi sono estremamente promettenti per i vari settori della tecnologia e della scienza applicata, come quello aerospaziale e della comunicazione tecnica, rilevamento, metrologia, non lineare fotonica e dell'ottica quantistica. In questo articolo, vi presentiamo le principali tecniche utilizzate nel nostro laboratorio per la costruzione di sistemi fotonici a microonde basati su ultra-alto Q galleria dei sussurri modalità risonatori. Prima dettagliato in questo articolo è il protocollo per la lucidatura risonatore, che è basato su una tecnica per rettifica e lucidatura-vicino a quelli usati per lucidare componenti ottici quali lenti o specchi telescopio. Poi, una luce bianca interferometrico profilometro misure rugosità della superficie, che è un parametro essenziale per caratterizzare la qualità della lucidatura. Al fine di avviare luce nel risonatore, viene utilizzata una fibra di silice rastremata con diametro dell'ordine di micrometri. Per raggiungere tale piccolo diametros, si adotta la tecnica "fiamma-spazzolatura", utilizzando motori simultaneamente controllati dal computer per tirare la fibra a parte, e una fiamma ossidrica per riscaldare la superficie della fibra per essere rastremata. Il risonatore e la fibra rastremata sono successivamente avvicinati l'uno all'altro per visualizzare il segnale di risonanza dei modi sussurrando galleria utilizzando una lunghezza d'onda laser-scanning. Aumentando la potenza ottica nelle risonatore, fenomeni non lineari sono innescati finchè non si osserva la formazione di un pettine di frequenza Kerr ottico con uno spettro fatto di linee spettrali equidistanti. Questi spettri pettine Kerr hanno caratteristiche eccezionali che sono adatti per numerose applicazioni nel campo della scienza e della tecnologia. Consideriamo l'applicazione relativa a sintesi di frequenza a microonde ultra stabile e dimostriamo la generazione di un pettine con Kerr GHz di frequenza intermodale.

Introduction

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Whispering Gallery Mode risonatori sono dischi o sfere di micro-o millimetrica raggio 1,2,3,4. A condizione che il risonatore è quasi perfettamente sagomato (nanometro-size rugosità superficiale), la luce laser può essere intrappolato dalla riflessione interna totale entro i suoi modi di vibrare, che di solito sono indicati come modalità sussurro-gallery (WGMS). La loro gamma di libero spettrale (o frequenza intermodale) può variare dai GHz ai THz in funzione del raggio del risonatore, mentre il loro fattore di qualità Q può essere eccezionalmente alto 5, che vanno dal 10 luglio-10 Novembre. Grazie alla loro proprietà unica di stoccaggio e di rallentare la luce, risonatori ottici WGM sono stati utilizzati per eseguire diverse operazioni di elaborazione dei segnali ottici 3: filtraggio, amplificazione, tempo-ritardando, ecc. Con il continuo miglioramento delle tecnologie di fabbricazione, i loro fattori di qualità senza precedenti li rendono adatti per l'applicazione ancora più esigente in metrologia o quantapplicazioni um basate 6-13.

In queste altissime risonatori Q, il piccolo volume di confinamento, ad alta densità di fotoni, e lunga durata fotoni (proporzionale a Q) indurre un'interazione luce-materia molto forte, che può eccitare i vari WGMS attraverso vari effetti non lineari, come Kerr, Raman o Brillouin per esempio 14-19. Utilizzo di fenomeni non lineari in sussurrando modalità galleria risonatori è stata proposta come un cambiamento di paradigma promettente per microonde ultra-pura e la generazione di Lightwave. Il fatto che questo argomento interseca molte aree della scienza e della tecnologia fondamentale è un chiaro indicatore del suo forte impatto potenziale su una vasta gamma di discipline. In particolare, le tecnologie di ingegneria aerospaziale e della comunicazione sono attualmente bisogno di microonde versatile e segnale Lightwave con coerenza eccezionale. La tecnologia WGM ha diversi vantaggi rispetto ai metodi prospettici esistenti o altro: semplicità concettuale, higher robustezza, minore consumo di energia, durata più lunga, l'immunità alle interferenze, il volume molto compatto, la versatilità di frequenza, l'integrazione di chip facile, così come un forte potenziale per l'integrazione del mainstream dei componenti fotonici standard sia per il forno a microonde e di tecnologie di Lightwave.

In ingegneria aerospaziale, oscillatori al quarzo sono gran lunga dominante come fonti microonde chiave per entrambi i sistemi di navigazione (aerei, satelliti, astronavi, ecc) e di sistemi di rilevazione (radar, sensori, ecc.) Tuttavia, si è unanimemente riconosciuto oggi che le prestazioni stabilità di frequenza di oscillatori al quarzo sta raggiungendo il suo piano, e non migliorerà in modo significativo più. Lungo la stessa linea, la loro versatilità frequenza è limitata e difficilmente consentirà di generazione delle microonde ultra stabile oltre 40 GHz. Microonde oscillatori fotonici sono tenuti a superare questi limiti. D'altra parte, in comunicazione ingegneria, microonde fotoneic oscillatori sono inoltre tenuti a essere componenti chiave nelle reti di comunicazione ottica dove sarebbero eseguire la Lightwave / microonde conversione con un'efficienza senza precedenti. Sono inoltre compatibili con l'attuale tendenza di componenti full-ottici compatti nella tecnologia Lightwave, che consentono trattamenti ultraveloce [up / down conversione, (de) modulazione, amplificazione, multiplexing, miscelazione, ecc] senza la necessità di manipolare massiccia (e poi, lento) elettroni. Questo concetto di circuiti fotonici compatte dove i fotoni controllano fotoni attraverso mezzi non lineari si propone di aggirare il collo di bottiglia proveniente dalla larghezza di banda ottica praticamente illimitata contro limitata velocità di elaborazione optoelettronici. Sistemi di comunicazione ottici sono anche molto impegnative per microonde rumore ultra-basso di fase, al fine di soddisfare sia clocking (basso rumore di fase è equivalente a basso tempo-jitter) e larghezza di banda (bit-rate aumenta proporzionalmente alla frequenza di clock) requisiti. Infatti, in alta velocità communreti icazione, tali oscillatori ultra-stabili sono riferimenti fondamentali per diversi scopi (oscillatore locale per up / down conversione di frequenza, sincronizzazione di rete, sintesi carrier, ecc).

Fenomeni non lineari in risonatori WGM aprono anche nuovi orizzonti di ricerca per altre applicazioni, come ad esempio i laser Raman e Brillouin. Più in generale, questi fenomeni possono essere uniti nella prospettiva più ampia di fenomeni non lineari in cavità ottiche e guide d'onda, ed è un paradigma fecondo per la fotonica cristallino o silicio. La forte confinamento e molto lunga durata dei fotoni nelle WGMS toro-come offrono anche un ottimo banco di prova per indagare le questioni fondamentali in materia condensata e fisica quantistica. La gara di sempre maggiore precisione in segnali elettromagnetici contribuisce anche a rispondere alle domande per eccellenza nel campo della fisica, legati alla relatività (test per l'invarianza di Lorentz), o la misurazione delle costanti fisiche fondamentali di unnd loro possibile variazione nel tempo.

In questo articolo, i diversi passaggi necessari per ottenere la-galleria-mode sussurri (WGM) risonatori ottici cristallini vengono descritti e la loro caratterizzazione è spiegato. Presentato anche il protocollo per ottenere la fibra rastremata alta qualità necessaria per la luce laser paio in questi risuonatori. Infine, una applicazione di punta di questi risuonatori nel campo delle microonde fotonica, cioè ultra stabile di generazione delle microonde utilizzando Kerr pettini, è presentato e discusso.

Nella prima sezione, abbiamo dettaglio il protocollo seguito per ottenere ultra-alto Q WGM risonatori. Il nostro metodo si basa su un approccio di limatura e lucidatura, che ricorda le tecniche standard utilizzate per lucidare i componenti ottici come lenti o specchi del telescopio. La seconda sezione è dedicata alla caratterizzazione della rugosità superficiale. Noi usiamo una luce senza contatto bianco profilometro interferometrico per misurare la superficie roughness che porta ad affiorare perdite dispersione indotte e quindi abbassare il fattore Q prestazioni. Questo passo è una prova sperimentale importante per valutare la qualità della lucidatura. La terza sezione riguarda la fabbricazione di una fibra di silice rastremata con diametro compreso nell'intervallo micrometro per lanciare luce nel risonatore. Per raggiungere tali piccoli diametri, si adotta la tecnica del "flame-brushing", utilizzando i motori contemporaneamente controllati dal computer per tirare la fibra a parte, e una fiamma ossidrica per riscaldare la zona della fibra di essere rastremata 20. Nella quarta sezione, il risonatore e la fibra rastremata vengono avvicinati l'uno all'altro per visualizzare il segnale di risonanza dei modi sussurrando galleria utilizzando una lunghezza d'onda laser-scanning. Mostriamo nella quinta sezione come, aumentando la potenza ottica nel risonatore, riusciamo a innescare fenomeni non lineari finché si osserva la formazione di Kerr frequenza ottica pettini, con uno spettro fatto di linee spettrali equidistanti. Come emphasized sopra, questi spettri pettine Kerr hanno caratteristiche eccezionali che sono adatti per numerose applicazioni sia nella scienza e nella tecnologia 21-23. Noi prenderemo in considerazione una delle applicazioni più rilevanti di risonatori WGM dimostrando un segnale multi-lunghezza d'onda ottica la cui frequenza intermodale è un forno a microonde ultra-stabile.

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Protocol

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Il protocollo consiste in 5 fasi principali: nella prima, si fa il sussurro-galleria-mode risonatore. Al fine di controllare l'andamento della lucidatura del risonatore, misurazioni di stato di superficie sono effettuate. Nella terza fase, si fabbricare lo strumento che lancerà luce nel risonatore. Una volta che questi due strumenti principali sono realizzati, li usiamo per visualizzare ottici risonanze di alta q. Infine, utilizzando un raggio laser ingresso ad alta potenza, il risonatore si comporta in modo non lineare e Kerr pettini sono prodotti.

1. Lucidatura del risonatore

In questa fase, una finestra ottica cristallino risonatore (MgF 2 o CaF 2, facilmente reperibili presso i rivenditori di componenti ottici) è sagomato e lucidato. Questa procedura di lucidatura li converte in risonatori WGM alta qualità. La torre di lucidatura personalizzato è presentato nello Schema 1.

  1. Colla finestra ottica cristallino su unabastone che può essere tenuto dal motore mandrino cuscinetto d'aria.
  2. Cappotto una guida metallica a forma di V con il tessuto di sostegno lucidatura appropriato, e versare 10 polveri abrasive micron (ossido di alluminio, diamante o carburo di silicio) mescolati con acqua. Approccio questa guida per il disco rotante (circa 5.000 giri, pressione 20 g) e iniziare a macinare esso. A seconda del materiale e della velocità di filatura, questo processo può durare da 2 ore (per CaF 2) per 4 hr (per MgF 2). Questa fase di lucidatura darà la sua forma bi-convessa al risonatore. Al termine di questa fase il disco avrà la forma presentato nello Schema 2.
  3. Il passo successivo è generalmente chiamato "levigatura e lucidatura" Procedura 24. Esso consiste tipicamente nel ripetere il passaggio precedente con particelle abrasive di dimensione 10 micron, 3 micron, 1 micron, 250 nm, e infine 100 nm. Il tessuto di sostegno deve essere adattato ad ogni dimensione delle particelle, essendo meno rigida per i grani più piccoli. Per evitare graffie strisce, una traslazione orizzontale della guida può essere eseguita. Ad ogni passo successivo di molatura e lucidatura, lo stato della superficie dovrebbe essere migliorata.

2. Controllo dello Stato della superficie

  1. Un controllo visivo al microscopio ottico è il primo passo per un controllo di stato di superficie: il disco è opaco alla luce nei primi stadi, tuttavia, dopo un successo 1 micron lucidatura particella, il disco diventa trasparente e suoi lati riflettere la luce: così l' -chiamato smalto ottico è stato raggiunto e il fattore di qualità del risonatore dovrebbe essere nel 10 maggio-10 giugno gamma.
  2. Per piccole abrasivo, l'occhio non è in grado di valutare lo stato della superficie, anche utilizzando un microscopio standard. A questo punto, è necessaria una misura interferometrica dello stato di superficie. Utilizzare un microscopio dotato di una lente obiettivo interferometro Mirau e con una sorgente di luce bianca. L'immagine del risonatore interferisce with un piano di riferimento, rivelando così da una fase di luce bianca shifting strumento di elaborazione l'altezza della superficie indipendentemente da ogni punto, con una risoluzione di una frazione della lunghezza d'onda, cioè pochi nanometri. Questa misurazione può anche essere utilizzato per valutare la curvatura del disco 25.
  3. Modificando la lunghezza tra il campione e l'obiettivo, determinare la fase ottica della riflessione risonatore e calcolare le variazioni di altezza della superficie. Questo può essere automatizzato grazie ad un computer dedicato, e una mappa della altezza della superficie viene creata, permettendo la determinazione della rugosità del campione. Monitorare la rugosità superficiale come illustrato nella figura 1, e interrompere la procedura di molatura-lucidatura quando le frange di interferenza sono il regolare possibile.

3. Disegnare il Taper

Per coppia luce nel risonatore, è necessaria una piccola fibra ottica: il suo diametro dovrebbe essere circa 3 micron(Circa 20 volte più piccolo di un capello umano).

  1. Striscia una fibra monomodale silice standard (SMF) via la sua plastica e rivestimento in polimero su un approssimativo 5 cm di lunghezza. A scopo di monitoraggio, la fibra deve essere collegato a una sorgente laser in ingresso, e un fotodiodo alla sua uscita.
  2. Fissare ciascuna dimensione della sezione non rivestito della fibra a due motori ad alta risoluzione computerizzato. Utilizzando l'interfaccia del computer dei motori, configurano loro di muoversi con moto accelerato costante, in modo che ogni lato della fibra sarà tirato a parte.
  3. Riscaldare la fibra non rivestito tra i due punti di fissaggio con una lampada fiamma ossidrica per circa 1 minuto prima di avviare l'allungamento. La fiamma deve essere dolce per non soffiare via una volta che la conicità è molto piccolo.
  4. Avviare il movimento di motori e, quindi, l'allungamento delle fibre. Una volta che il disegno viene avviato, si può controllare la trasmissione della rastremazione utilizzando una sorgente laser e un fotodiodo: modelli di interferenza volontàapparire durante il processo, la loro frequenza aumenta, e, infine, spariranno per un diametro girovita vicino 1 micron. In questa fase, il motore e la fiamma deve essere interrotto simultaneamente.

4. Accoppiamento Luce nella WGM Resonator

In questa fase, la conicità è utilizzato per luce coppia nella risonatore e di osservare i modi di vibrare ad alta Q della cavità, che sono rappresentati nella figura 2.

  1. Fissare il risonatore su un palco traduzione 3 assi Piezo-controllato. Avvicinarlo al cono fibra ad una distanza inferiore a 1 um. La posizione relativa del cono fibra e il risonatore è monitorato, grazie ad un microscopio, e uno specchio è usato per controllare il posizionamento verticale e l'angolo di inclinazione.
  2. Collegare il cono fibra di un diodo laser visibile: il risonatore deve essere illuminato quando il giunto è efficiente, come mostrato in Figura 3.
  3. Collegare il cono in fibra diun laser libero mode-hop con una larghezza di riga stretto (inferiore alla larghezza di riga della risonanza) a una estremità, e un fotodiodo collegato ad un oscilloscopio sull'altra estremità. La risposta di trasmissione del risonatore può essere ottenuto scansione della lunghezza d'onda in ingresso. Valutare il fattore di qualità del risonatore utilizzando lo spettro di trasmissione ottenuta, calcolando il rapporto tra la frequenza di risonanza dei modi operativi ei linewidths (larghezza a metà del massimo).
  4. Una misurazione più accurata viene eseguita con l'esperimento "cavità-ring-down" 26, in cui la lunghezza d'onda di spazzamento è abbastanza veloce da ottenere interferenze tra la luce risonante decadere in risonatore e la luce detuned in un momento successivo. Si può regolare con precisione il posizionamento del cono e il risonatore per aumentare l'accoppiamento fattore Q ed ottenere il modello tipico mostrato in Figura 4. La curva di adattamento associata dà il fattore di qualità del risonatore.
  5. 5. Generazione del pettine

    In questa ultima fase, un laser ad alta potenza pompa eccita effetti non lineari del risonatore.

    1. Inserire un amplificatore ottico tra il laser sintonizzabile e il risonatore.
    2. Grazie al fotodiodo e oscilloscopio, mettere a punto la sorgente laser in modo che la lunghezza d'onda di ingresso è accanto a una risonanza.
    3. Collegare la fibra di uscita ad un analizzatore di spettro ottico ad alta risoluzione e aumentare la potenza di ingresso, mentre la lunghezza d'onda leggermente detuning pompa. Nuove frequenze appariranno su ciascun lato del picco pompa: questo è un pettine ottico di frequenza Kerr.
    4. Ritornando al fotodiodo, possiamo osservare le botte tra i diversi modi spettrali creati. Utilizzando un filtro passa banda a microonde, si può isolare una frequenza pura in questo segnale elettrico con bassissimo rumore.

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Representative Results

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Questo protocollo in cinque fasi permette di ottenere risonatori WGM con fattori molto di alta qualità per applicazioni fotoniche a microonde.

La prima fase mira a dare al risuonatore la forma desiderata, come rappresentato in Schema 2. La difficoltà principale è la produzione di un disco il cui orlo è abbastanza forte in modo che può limitare fortemente i fotoni intrappolati, senza portare a fragilità strutturale dal punto di vista meccanico. Questa torre lucidatura possiede anche notevole versatilità in quanto consente macinazione dischi con un'ampia variabilità di dimensioni e forma e materiale sfuso.

Al termine del processo di lucidatura, una rugosità superficiale scala nanometrica (root mean square) è stato raggiunto, come si può vedere in Figura 1. Questo molto piccola rugosità superficiale è associata con un fattore di qualità superiore a 10 9, visualizzato dalla cavità di misura ring down della figura 4.

La fabbricazione del cono fibra consente di ridurre il diametro fino a un micron, con un coefficiente di trasmissione superiore al 90%. Tale piccolo diametro per il cono fibra è necessaria per coppia luce nel risonatore, ed un coefficiente di trasmissione elevata è necessaria per ottenere effetti non lineari. L'accoppiamento fattore Q è superiore a 10 9, mostrando così l'elevata qualità dell'accoppiamento fibra rastremata.

Il setup sperimentale per l'accoppiamento di luce nel risonatore è illustrato nello Schema 3, e un'immagine dell'apparato è mostrato in Figura 3. La luce verde emessa dal risonatore dimostra che l'accoppiamento è davvero efficiente.

Infine, quando aumenta la pompa, fenomeni non lineari sono eccitati con successo nella cavità e consentono la generazione Kerr ottico pettini di frequenza, come mostrato in Figura 6. Questi pettini può successivamente essere utilizzato per ulgenerazione di microonde tra-stabile.

Schema 1
Schema 1. La torre di lucidatura personalizzata, utilizzata per la fabbricazione dei dischi WGM ultra-alta qualità.

Schema 2
Schema 2. Laterale e software generata top-view di un risonatore ottico WGM dopo macinazione. Il diametro è tipicamente dell'ordine di 5 mm, mentre l'altezza è di circa 1 millimetro. Il foro centrale permette di tenere e manipolare il disco utilizzando uno stub, senza toccare il cerchio. Partendo da un disco semplice (che è cilindrica), il processo di lucidatura macina la parte esterna in un modo a forma di V.

Schema 3
Schema 3. Setup sperimentale per la generazione di pettine Kerr. Luce da un diodo laser sintonizzabile è amplificato e lanciato in WGM risonatore attraverso la fibra rastremata. Il segnale di uscita è raccolto su un fotodiodo per monitorare il segnale su un oscilloscopio o per estrarre il segnale di battimento-nota o su un analizzatore di spettro ottico ad alta risoluzione per l'osservazione del pettine Kerr.

Figura 1
Figura 1. Luce bianca modelli interferogramma di una WGM risonatore a due diverse fasi del protocollo grind-e-polacco: la prima è stata scattata dopo la fase 1 micron di lucidatura (a), la seconda dopo la lucidatura 100 nm (b). Le caratteristiche del risonatore furono completamente levigate dalle successive operazioni di lucidatura.

Figura 2
Figura 2. Top-vista della rappresentazione spaziale di un WGM toro-come che è intrappolando la luce da una riflessione interna totale. Questa dischi WGM supporta migliaia di modi di risonanza quasi equidistanti (ogni volta appartenenti alla stessa famiglia di modi di vibrare). Hanno una gamma di libero spettrale (FSR) dell'ordine di 10 GHz per dischi mm di dimensioni.

Figura 3
Figura 3. Accoppiamento della luce visibile in un WGM risonatore. L'accoppiamento è efficace in quanto la luce verde guidato dal cono in fibra Illuminante è il risonatore.

Figura 4
Figura 4. Cavità segnale ring down da un WGM risonatore. La curva fitting dà le vite fotoni intrinseche e accoppiamento nella cavità, che sono direttamente proporzionali al fattore di qualità delrisonatore. Qui, un fattore intrinseco qualità di 1,5 x 10 9 è stato raggiunto.

Figura 5
Figura 5. Kerr meccanismo pettine generazione nel risonatori WGM. Quando un modo cavità è pompato sopra di una data soglia con un laser risonante, i fotoni vengono coerentemente distribuiti ai vicini lato-modalità attraverso four-wave mixing, che può coinvolgere qualsiasi quattro fotoni α, β, γ e δ, che soddisfano le condizioni di energia e di conservazione del momento. Questa è una conseguenza diretta dell'effetto Kerr, che induce una variazione quadratica dell'indice di rifrazione relativamente al campo elettrico intra-cavità.

Figura 6
Figura 6. Sperimentale Kerr pettine ottico di frequenza. La frequenza centrale f

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Discussion

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Questo protocollo permette la produzione di risonatori ottici ad alta Q, alla luce coppia in loro e innescare fenomeni non lineari per varie applicazioni a microonde fotonica.

La prima fase di sgrossatura dovrebbe dare la sua forma a risonatore. Dopo un'ora di molatura con la polvere abrasiva 10 micron, un lato del bordo del risonatore deve essere convenientemente sagomato (vedi Schema 2). Il seguente passo sarà liscia la superficie del risonatore e quando raggiungimento della fase del micron di diametro polvere abrasiva 1, la superficie deve essere trasparente. Questo è chiamato un polish ottico. Tuttavia, questo non è sufficiente per ottenere un elevato fattore di qualità e passaggi aggiuntivi sono necessari con particelle abrasive piccole per ottenere una migliore qualità di superficie con rugosità scala nanometrica. Noi usiamo una luce bianca profilometro interferometrico per misurare le irregolarità superficiali che portano a perdite di dispersione superficiali indotte e quindi minore è la Q Figura 1 mostra due immagini scattate con un profilometro a due diverse fasi del processo. Il primo si è preso dopo la fase di macinazione, che mostra una superficie irregolare con un modello di interferenza perturbata. Tuttavia, dopo la fase di lucidatura, la figura di interferenza è liscia e regolare, rivelando che lo stato superficiale del risonatore è liscia alla scala 10 nm. Questo è ciò che dovrebbe essere cercato al fine di ottenere risonatori di alta q. E 'anche importante notare che questo angolo-forma per il cerchio deve essere ottimizzato in modo da consentire la massima confinamento modale senza indurre sollecitazioni troppo meccaniche durante le fasi di macinazione.

Il protocollo di cono-disegno richiede un po 'di messa a punto al fine di ottenere bassa perdita di trasmissione. Questo dipende molto dalla fiamma ossidrica utilizzata, ma la distanza dalla fibra alla fiammadovrebbe essere tale che la zona di riscaldamento è la più ampia. Valore tipico per il parametro di accelerazione costante è di circa 5 μm.s -2, ma dovrebbe essere adeguata potenza di fiamma ed alla forma del cono da disegnare.

Avvicinandosi il risonatore alla fibra rastremata è anche un processo che dovrebbe essere molto ben controllato attraverso l'uso di una piattaforma di traslazione micrometro risoluzione, e monitorato con un microscopio binoculare. L'allineamento verticale e l'angolo di inclinazione sono anche fondamentali per ottenere un buon accoppiamento e un fattore di alta qualità. Una volta che l'accoppiamento sia efficiente (vedi figura 2), lo spettro di trasmissione può essere ottenuto utilizzando un laser sintonizzabile in lunghezza d'onda nella modalità di scansione. Se il spazzamento è abbastanza veloce e il fattore di qualità del risonatore sufficientemente elevata, il segnale trasmesso deve comportarsi come visto in Figura 3. Inserendo questa curva sperimentale, siamo in grado di estrarre il fattore intrinseco qualità della resonator.

Va notato che altri mezzi di accoppiamento luce nel risonatore sono possibili, e cioè con un prisma 27 o fibre angolo lucidate a 28. Entrambi i metodi fanno uso del campo evanescente di un fascio riflesso sull'interfaccia tra vetro e aria. Il vantaggio di questi metodi è che l'accoppiamento è più stabile, tuttavia, l'allineamento necessario in entrambi i casi è molto più difficile da ottenere rispetto al metodo conicità. L'efficienza del giunto conico fibra è anche maggiore (fino a 99,9% 15) rispetto a quanto ottenibile con prisma e accoppiamento in fibra angolo lucidato.

La non linearità nel risonatore può essere eccitato con una potenza elevata pompa. Il ben noto processo di quattro-wave mixing produce linee spettrali taglienti nel risonatore separate da una costante ben definito: gamma spettrale libera del risonatore (o un multiplo intero). Utilizzando un fotodiodo veloce e un filtro passa banda, si può estrarre questo precise gap frequenza fissa per generare un generatore di segnale a microonde a basso rumore. Tuttavia, questo processo richiede normalmente sofisticati circuiti di retroazione per il controllo del segnale e di stabilizzazione, che non sono stati qui considerati per amore di esemplificazione 29.

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Disclosures

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.

Acknowledgments

YCK riconosce il sostegno finanziario del Consiglio europeo della ricerca attraverso il progetto NextPhase (CER StG 278616). Autori riconoscono anche il sostegno del Centro Nazionale di Studi Spaziali (CNES, Francia) attraverso il Progetto SHYRO (azione R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10.076.201), dalla ANR progetto ORA (BLAN 031.202), e dalla Regione de Franche-Comte, Francia.

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).
Microonde Photonics sistemi basati su risonatori-galleria-mode Whispering
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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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