Login processing...

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

Engineering

Mikrobølgeovn Photonics Systems Basert på Whispering-gallery-mode Resonators

doi: 10.3791/50423 Published: August 5, 2013

Summary

Den tilpassede teknikker utviklet i vårt laboratorium for å bygge mikrobølgeovn fotonikk systemer basert på ultra-høye Q Whispering Gallery Mode resonatorer presenteres. Protokollene til å fremskaffe og karakterisere disse resonatorer er detaljert, og en forklaring på noen av sine søknader i mikrobølgeovn fotonikk er gitt.

Abstract

Mikrobølgeovn fotonikk systemer er avhengige fundamentalt på samspillet mellom mikrobølgeovn og optiske signaler. Disse systemene er svært lovende for ulike områder av teknologi og anvendt vitenskap, som luftfart og kommunikasjon engineering, sensing, Justervesenet, ikke-lineær fotonikk, og quantum optikk. I denne artikkelen presenterer vi de viktigste teknikkene som brukes i vårt laboratorium for å bygge mikrobølgeovn fotonikk systemer basert på ultra-høye Q Whispering Gallery Mode resonatorer. Først beskrevet i denne artikkelen er protokollen for resonator polering, som er basert på en slipe-og-polsk teknikk nær de som brukes til å polere optiske komponenter som linser eller teleskop speil. Deretter, et hvitt lys interferometrisk profilometer tiltak overflateruhet, som er en viktig parameter for å karakterisere kvaliteten av polering. For å kunne starte lampen i resonatoren, er en konisk silika fiber med diameter i mikrometer området som benyttes. For å nå en slik liten diameters, har vi adoptert "flamme-børsting" teknikk, bruker samtidig datastyrte motorer å trekke fiber fra hverandre, og en blåselampe for å varme opp fiber område å være konisk. Resonatoren og den koniske fiberen blir senere nærmet til hverandre for å visualisere resonans-signalet fra galleriet Whispering modusene med en bølgelengde-scanning laser. Ved å øke den optiske effekt i resonatoren, ulineære fenomener blir utløst inntil dannelsen av et optisk Kerr frekvens kam er observert med et spektrum laget av ekvidistante spektrallinjer. Disse Kerr kam spektra har eksepsjonelle egenskaper som passer til flere applikasjoner innen vitenskap og teknologi. Vi anser søknaden knyttet til ultra-stabile mikrobølgeovn frekvenssyntese og demonstrere generasjon av en 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

Whispering Gallery Mode resonatorer er disker eller kuler av mikro-eller millimetric radius 1,2,3,4. Forutsatt at resonator er nesten perfekt formet (nanometer-størrelse overflateruhet), kan laserlys bli fanget av total intern refleksjon innenfor sine eigenmodes, som vanligvis omtales som hvisking-galleri moduser (WGMs). Deres gratis-spektralområdet (eller intermodal frekvens) kan variere fra GHz til THz avhengig resonator sin radius, mens kvaliteten faktor Q kan være eksepsjonelt høy fem, fra 10 juli til 10 november. På grunn av sin unike egenskapen lagring og bremse ned lys, har WGM optiske resonatorer blitt brukt til å utføre mange optiske signalbehandling oppgaver 3: filtrering, forsterkning, tid-utsettelse osv. Med kontinuerlig forbedring av fabrikasjon teknologier, deres enestående kvalitet faktorer gjør dem egnet for enda mer krevende program i metrologi eller Quantum-baserte applikasjoner 6-13.

I disse ultra-høye Q resonatorer, den lille volumet av innesperring, høy foton tetthet og lang foton levetid (proporsjonal med Q) indusere en veldig sterk lys-saken interaksjon, som kan opphisse de ulike WGMs gjennom ulike ikke-lineære effekter, som Kerr, Raman, eller Brillouin for eksempel 14-19. Ved hjelp av ikke-lineære fenomener i hviskende galleri modus resonatorer ble foreslått som en lovende paradigmeskifte for ultrarent mikrobølgeovn og lightwave generasjon. Det faktum at dette temaet skjærer så mange områder av grunnleggende vitenskap og teknologi er en klar indikator på sin meget sterk mulige innvirkning på et bredt spekter av fagområder. Spesielt luftfart og kommunikasjon engineering teknologier er for tiden i behov av allsidig mikrobølgeovn og lysbølgesignalet med eksepsjonell sammenheng. Den WGM-teknologien har flere fordeler fremfor eksisterende eller andre potensielle metoder: konseptuell enkelhet, higher robusthet, mindre strømforbruk, lengre levetid, immunitet mot forstyrrelser, svært kompakt volum, frekvens allsidighet, enkel chip integrasjon, samt et stort potensial for å integrere hovedstrømmen av standard fotoniske komponenter for både mikrobølgeovn og Lightwave teknologier.

I luftfart engineering, kvarts oscillatorer er overveldende dominerende som viktige mikrobølgeovn kilder for begge navigasjonssystemer (fly, satellitter, romfartøy, osv.) og gjenkjenning systemer (radarer, sensorer, etc.). Det er imidlertid enstemmig anerkjent i dag at frekvensen stabilitet ytelse av kvarts oscillatorer er nå sitt gulv, og vil ikke øke vesentlig lenger. Langs samme linje, er deres frekvens allsidighet begrenset og vil neppe gi rom for ultra-stabile mikrobølgeovn generasjon utover 40 GHz. Mikrobølgeovn fotoniske oscillatorer forventes å overvinne disse begrensningene. På den annen side, i kommunikasjon engineering, mikrobølgeovn fotonic oscillatorer er også ventet å være viktige komponenter i optisk kommunikasjon nettverk hvor de skulle utføre lightwave / mikrobølgeovn konvertering med enestående effektivitet. De er også kompatible med den pågående trenden med kompakte full optiske komponenter i lightwave teknologi, som gjør ultra-rask behandling [opp / ned konvertering, (de) modulasjon, forsterkning, multipleksing, miksing, etc.] uten behov for å manipulere massive (og deretter, langsomt) elektroner. Dette konseptet av kompakte fotoniske kretser der fotoner styrer fotoner via lineære medier som mål å omgå flaskehalsen stammer fra nesten ubegrenset optisk båndbredde versus begrenset optoelektroniske prosessorhastigheten. Optiske kommunikasjonssystemer er også svært krevende for ultra-lave fasestøyfunksjoner mikrobølgeovn for å tilfredsstille både klokkes (lav fase støy tilsvarer lav time-jitter) og båndbredde (bithastigheter øke proporsjonalt med klokkefrekvensen) krav. Faktisk, i høy hastighet kommunication nettverk, slike ultra-stabile oscillatorer er grunnleggende referanser for flere formål (lokal oscillator for opp / ned frekvens konvertering, nettverk synkronisering, carrier syntese, etc.).

Ikke-lineære fenomener i WGM resonatorer også åpne nye horisonter av forskning for andre programmer, for eksempel Raman og Brillouin lasere. Mer generelt kan disse fenomenene slås sammen innenfor den bredere perspektiv av ikke-lineære fenomener i optiske hulrom og bølgeledere, og det er et fruktbart paradigme for krystallinsk eller silisium fotonikk. Den sterke innesperring og svært lang levetid av fotoner inn i torus-lignende WGMs tilbyr også en utmerket test-benken for å undersøke grunnleggende spørsmål i kondensert materie og kvantefysikk. Løpet til stadig økt nøyaktighet i elektromagnetiske signaler bidrar også til å svare på typiske spørsmål i fysikk, knyttet til relativitetsteorien (tester for Lorentz invariance), eller måling av grunnleggende fysiske konstanter ennd deres mulig variasjon med tiden.

I denne artikkelen, er de ulike trinnene som kreves for å oppnå krystallinske optiske hviskende-gallery-mode (WGM) resonatorer beskrevet og deres karakterisering er forklart. Også presentert er protokollen for å oppnå høy kvalitet konisk fiber for å par laserlys inn i disse resonatorer. Endelig er en flaggskip anvendelsen av disse resonatorer innen mikrobølgeovn fotonikk, nemlig ultra-stabil mikrobølgeovn generering ved hjelp av Kerr kammer, presentert og diskutert.

I den første delen, vi detalj protokollen følges for å få ultra-høye Q WGM resonatorer. Vår metode er avhengig av en stresset og polsk tilnærming, som minner til standard teknikker som brukes til å polere optiske komponenter som linser eller teleskop speil. Den andre delen er viet til karakterisering av overflateruhet. Vi bruker en ikke-kontakt hvitt lys interferometrisk profilometer å måle overflatetemperatur roughness som fører til overflaten scattering-induserte tap og derved senke Q-faktoren ytelse. Dette trinnet er et viktig eksperimentell test for å evaluere kvaliteten av polering. Den tredje seksjon er opptatt med fremstillingen en konisk silika fiber med diameter i området mikrometer for å starte lampen i resonatoren. For å nå slike små diametre, har vi adoptert "flamme-børsting" teknikk, bruker samtidig datastyrte motorer å trekke fiber fra hverandre, og en blåselampe for å varme opp fiber område å være konisk 20. I den fjerde delen, er det resonator og den koniske fiber nærmet seg til hverandre for å visualisere resonans signal av de hviskende galleri modusene ved hjelp av en bølgelengde-scanning laser. Vi viser i den femte seksjon hvordan man ved å øke den optiske effekt i resonatoren, vi klarer å utløse ulineære fenomener til vi observere dannelsen av Kerr optisk frekvens kammer, med et spektrum laget av ekvidistante spektrallinjer. Som emphasized ovenfor, disse Kerr kam spektra har eksepsjonelle egenskaper som egner seg for flere programmer i både vitenskap og teknologi 21-23. Vi vil vurdere en av de mest bemerkelsesverdige anvendelser av WGM resonatorer ved å demonstrere en optisk flere bølgelengder signal som 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 fem hovedtrinn: I den første, er den hviskende-gallery-modus resonator laget. For å kunne styre fremdriften av polering av resonatoren, er overflateaktive state målinger som er foretatt. I den tredje fasen, bearbeider det verktøy som vil starte lys i resonatoren. Når disse to viktigste verktøy er produsert, bruker vi dem til å visualisere optiske high-Q resonanser. Til slutt, ved hjelp av en high-strøminntak laserstråle, oppfører resonator i en ikke-lineær måte og Kerr kammer blir produsert.

En. Polering Resonator

I denne fasen er en optisk vindu krystallinsk resonator (MgF to eller to CaF, lett tilgjengelig fra optisk komponent forhandlere) formet og polert. Dette polering prosedyre konverterer dem til høykvalitets WGM resonatorer. Den tilpassede polering tårnet er presentert i skjema 1.

  1. Lim krystallinsk optiske vinduet på enstokk som kan bli holdt av luften spindel motor.
  2. Coat en V-formet metallisk guide med den passende polering støtte vev, og hell 10 mikrometer slipepulver (aluminiumoksyd, diamant, eller silisiumkarbid) som er blandet med vann. Tilnærming denne guiden til de spinnende disk (ca 5000 rpm, 20 g trykk) og begynne å slipe den. Avhengig av materialet og sentrifugehastighet, kan denne prosessen vare fra 2 timer (for CaF 2) til 4 timers (for MgF 2). Dette polering trinnet vil gi sitt bi-konveks form til resonator. Ved slutten av dette trinnet disken bør ha formen vist i reaksjonsskjema 2..
  3. Det neste trinnet er vanligvis kalles "sliping og polering" prosedyre 24. Den består vanligvis i å gjenta det foregående trinn med for abrasive partikler med størrelse 10 um, 3 mikrometer, omkring 1 pm, 250 nm, og til slutt 100 nm. Den bærende vev bør tilpasses den enkelte partikkelstørrelse, blir mindre stiv for mindre korn. For å unngå riperog striper, en horisontal oversettelse av veiledningen kan utføres. Ved hvert trinn av suksessiv sliping og polering, skal tilstanden av overflaten kan forbedres.

2. Styre State of the Surface

  1. En visuell kontroll under en optisk mikroskop er det første skrittet for en overflate statlig kontroll: disken er ugjennomsiktig til lys i de første stadiene, men etter en vellykket en mikrometer partikkel polering, blir disken transparent og sidene reflektere lys: den så -kalt optisk polish er nådd og kvalitetsfaktoren av resonatoren bør være i den 10 mai-10 juni rekkevidde.
  2. For mindre slipemiddel, er øyet ikke er i stand til å vurdere tilstanden til overflaten, selv ved hjelp av en standard mikroskop. På dette tidspunktet blir en interferometrisk måling av overflaten tilstand trengs. Bruk av et mikroskop utstyrt med et Mirau interferometer objektiv linse og med en hvit lyskilde. Bildet av resonatoren griper with et referanseplan, og dermed avsløre av et hvitt lys faseforskyvning behandling verktøyet overflatehøyden uavhengig av hverandre ved hvert punkt med en oppløsning av en brøkdel av bølgelengden, nemlig noen få nanometer. Denne målingen kan også brukes til å evaluere krumningen av platen 25..
  3. Ved å endre lengden mellom prøven og målet, å bestemme den optiske fase for resonatoren refleksjon og beregne høyden variasjoner av overflaten. Dette kan automatiseres takket være en dedikert datamaskin, og et over underlaget høyde er opprettet, slik at for bestemmelse av hardheten av prøven. Overvåk overflateruhet som forklart i figur 1, og stoppe slipe-polering fremgangsmåte når de interferenslinjer er jevnest mulig.

3. Tegning Taper

Til par lys i resonator, er en veldig liten optisk fiber trengs: dens diameter bør være rundt tre mikrometer(Ca. 20 ganger mindre enn en menneskelig hår).

  1. Strip en standard single-modus silica fiber (SMF) av sin plast og polymer belegg på en omtrentlig 5 cm lengde. For overvåkingsformål, bør fiberen være koblet til en laserkilde ved dens inngang, og en fotodiode ved sin utgang.
  2. Fest hver størrelse på den ubelagte delen av fiberen til to datamaskin-styrt med høy oppløsning motorer. Ved hjelp av den datamaskin-grensesnitt av motorene, konfigurere dem til å bevege seg med en konstant akselerert bevegelse, slik at hver side av fiberen vil bli trukket fra hverandre.
  3. Varm opp ubestrøket fiber mellom de to festepunktene med en blåselampe lampe i ca 1 min før start stretching. Flammen skal være forsiktig for ikke å blåse taper bort når det er svært liten.
  4. Starte motorene bevegelse, og dermed strekking av fiberen. Når tegningen er startet, kan man overvåke overføringen av konusen ved hjelp av en laser-kilde og en fotodiode: interferensmønstre skalvises i løpet av prosessen, vil deres frekvens øke, og til slutt vil de forsvinne for en midje diameter nær en mikrometer. På dette stadium må motoren og flammen bli stoppet samtidig.

4. Kobling Lys i WGM Resonator

På dette stadium er den koniske brukt for å koble lys i resonatoren og å observere høy-Q eigenmodes av hulrommet, som er representert i figur 2..

  1. Fest resonator på et 3-akse Piezo-kontrollerte oversettelse scenen. Nærme seg den til fiberen avsmalningen i en avstand på mindre enn 1 pm. Den relative posisjonering av fiber avsmalningen og resonatoren blir overvåket, takket være et mikroskop, og et speil blir brukt til å kontrollere den vertikale posisjonering og hellingsvinkelen.
  2. Koble fiber ender i et synlig laserdiode: resonatoren bør være opplyst når koblingen er effektiv, som vist i figur 3..
  3. Koble fiber taper tilen modus-hop fri laser med en smal linje bredde (smalere enn linewidth av resonans) til den ene enden, og en fotodiode er koblet til et oscilloskop på den andre enden. Overføringen responsen av resonatoren kan oppnås ved å skanne bølgelengde på inngangen. Vurdere kvaliteten faktoren til resonatoren ved hjelp av den oppnådde overføring spekteret, ved å beregne forholdet mellom resonansfrekvensen av modiene og deres linewidths (fulle bredde ved halvt maksimum).
  4. En mer nøyaktig måling blir utført med "hulrom-ring-down"-forsøk 26, hvor bølgelengden feiing er hurtig nok til å oppnå interferens mellom de resonerende lett råtner i resonatoren og den detuned lys på et senere tidspunkt. Man kan fininnstille posisjonering av avsmalningen og resonatoren for å øke koplingen Q-faktor og oppnå den typiske mønsteret vist i figur 4.. Den tilhørende passform kurve gir kvaliteten faktoren til resonatoren.
  5. 5. Genererer Comb

    I dette siste trinn, eksiterer en høy effekt pumpe laser ikke-lineære effekter i resonatoren.

    1. Sett inn en optisk forsterker mellom tunbare laser og resonator.
    2. Takket være photodiode og oscilloskop, finjustere laser kilde, slik at inngangen bølgelengden er ved siden av en resonans.
    3. Koble utgangen fiber til en høyoppløselig optisk spektrum analysator og øke inngangseffekt mens litt detuning pumpen bølgelengde. Nye frekvenser skal vises på hver side av pumpen peak: dette er en Kerr optisk frekvens kam.
    4. Bytte tilbake til photodiode, kan vi observere slag mellom de ulike spektrale moduser opprettet. Ved hjelp av en mikrobølgeovn band-pass filter, kan man isolere en ren frekvens i denne elektrisk signal med svært lavt støynivå.

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

Denne fem-trinns-protokollen gjør det mulig å få WGM resonatorer med svært høy kvalitet faktorer for mikrobølgeovn fotoniske anvendelser.

Det første trinnet er å gi til resonatoren den ønskede form, som representert i Skjema 2. Den største vanskeligheten her er å produsere en disk som rim er skarp nok til at det kan sterkt begrense de fangede fotoner, uten å føre til strukturelle skjørhet fra et mekanisk ståsted. Dette polering tårnet besitter også bemerkelsesverdig allsidighet som gjør det mulig sliping disker med en stor variasjon av størrelse og form og bulk materialer.

Ved slutten av poleringen har et nanometer-skala overflateruhet (root mean square) er oppnådd, som det kan sees i figur 1. Denne svært liten overflateruhet er forbundet med en kvalitetsfaktor overlegen til 10 9, som vist av hulrommet ring-down måling av figur 4.

Fabrikasjonen av fiberen konus gjør det mulig å redusere diameteren ned til en mikron, med en transmisjonskoeffisienten i overkant av 90%. En slik liten diameter for fiberen avsmalningen er nødvendig for å kople lys i resonatoren, og en høy transmisjonskoeffisienten er nødvendig for å oppnå ikke-lineære virkninger. Koplings-Q-faktor er i overkant av 10 9, for derved å vise den høye kvaliteten på den koniske fiber kopling.

Det eksperimentelle oppsett for kopling av lyset i resonatoren er avbildet i skjema 3, og et bilde av anordningen er vist på figur 3. Det grønne lyset som sendes ut av resonatoren beviser at koplingen er virkelig effektiv.

Til slutt, når pumpen er økt, er ikke-lineære fenomener med hell eksitert i hulrommet og muliggjør genereringen Kerr optiske frekvens kammer, som vist i figur 6.. Disse kammer kan senere brukes for ULtra-stabil mikrobølgeovn generasjon.

Reaksjonsskjema 1
Ordningen en. Den tilpassede polering tårn, brukes til å produsere WGM ultra-høy kvalitet disker.

Reaksjonsskjema 2
Skjema 2. Programfeilmeldinger side-og topp-riss av en optisk resonator WGM etter sliping. Diameteren er typisk i størrelsesordenen 5 mm, mens høyden er omtrent 1 mm. Den sentrale hullet gjør det mulig å holde og manipulere disken med en spire, uten å berøre felgen. Med utgangspunkt i en vanlig plate (som er sylindrisk), sliper poleringen den ytre del i et V-formet måte.

Skjema 3
Skjema 3. Eksperimentelt oppsett for Kerr kam generasjon. Lys fra en fleksibel laser diode forsterkes og lansert i WGM resonator via den koniske fiber. Utgangssignalet blir enten samlet på en fotodiode for å overvåke signalet på et oscilloskop eller for å trekke ut den takt-note signal eller på en høyoppløselig optisk spektral analysator for observasjon av Kerr kam.

Figur 1
Figur 1. Hvitt lys interferogram mønstre av en WGM resonator ved to forskjellige trinn av slipe-og poleringsmiddel-protokoll: den første ble tatt etter 1 mikrometer polering trinn (a), den ene etter den andre 100 nm polering (b). Funksjonene i resonator var helt glattet med de påfølgende polering.

Figur 2
Figur 2. Høyt utsikt over den romlige representasjonen av en torus-lignende WGM som fanger lyset av total intern refleksjon. Denne WGM disker støtter tusenvis av kvasi-like langt resonant moduser (når som tilhører samme familie av eigenmodes). De har en fri-spektralområde (FSR) i størrelsesorden på 10 GHz for mm-størrelse disker.

Figur 3
Figur 3. Kobling av synlig lys i en WGM resonatoren. Koblingen er effektiv fordi det grønne lyset ledet av fiberen avsmalningen er belyse resonatoren.

Figur 4
Figur 4. Hulrom ring-ned-signal fra en WGM resonatoren. Beslaget kurve gir den iboende og kopling foton levetider i hulrommet, som er direkte proporsjonal med kvalitetsfaktoren avresonator. Her har en iboende kvalitet faktor på 1,5 x 10 9 oppnådd.

Figur 5
Figur 5. Kerr kam generasjon mekanisme i WGM resonatorer. Når et hulrom modus pumpes over en gitt terskel med en resonant laser, blir fotonene sammenhengende distribuert til de nærliggende side-modi gjennom fire-bølge blander, som kan involvere alle fire fotoner α, β, γ og δ, oppfylle vilkårene for energi og momentum bevaring. Dette er en direkte følge av Kerr-effekten, og dette induserer en kvadratisk endring i brytningsindeks relativt til den intra-hulrom elektrisk felt.

Figur 6
Figur 6. Eksperimentell Kerr optisk frekvens kam. Den sentrale 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 protokollen tillater produksjon av høy-Q optiske resonatorer, til par lys inn i dem og utløse lineære fenomener for ulike mikrobølgeovn fotonikk applikasjoner.

Det første trinnet av grov sliping bør gi sin form til resonator. Etter en time for sliping med 10 mikrometer slipende pulver, bør den ene siden av kanten av resonatoren være beleilig formet (se skjema 2). Følgende trinn vil glatte overflaten av resonatoren, og når de når fasen av en mikrometer-diameter slipende pulver, bør dets overflate være gjennomsiktig. Dette kalles en optisk polsk. Dette er imidlertid ikke nok til å få en høy kvalitetsfaktor og ekstra trinn for med mindre slipende partikler for å oppnå en bedre kvalitet på overflaten med nanometer-skala ruhet. Vi bruker et hvitt lys interferometrisk profilometer å måle ujevnheter som fører til overflaten spredning-induserte tap og dermed lavere Q Figur 1 viser to bilder tatt med et profilometer ved to forskjellige trinn av prosessen. Den første er tatt etter sliping trinnet, som viser en uregelmessig overflate med en perturbert interferensmønster. Imidlertid etter poleringstrinn er interferensmønster jevn og regelmessig, avslører at overflaten tilstand av resonatoren er glatt på 10 nm-skala. Dette er hva som bør bli sett etter for å få tak i høy Q resonatorer. Det er også viktig å merke seg at denne vinkel-form for felgen må være optimalisert for å gi rom for den høyeste sperrende innesperring uten å indusere for mye mekanisk påkjenning under sliping trinnene.

Avsmalningen-tegning protokollen krever litt finjustering for å oppnå lavt transmisjonstap. Dette avhenger sterkt blåselampe benyttes, men avstanden fra fiber til flammenbør være slik at oppvarmingssonen er den bredeste. Typisk verdi for den konstante akselerasjon parameteren er rundt 5 μm.s -2, men det bør være tilpasset hver flamme kraft og til formen av den avsmalning som skal tegnes.

Nærmer resonatoren til den koniske fiberen er også en prosess som bør være meget godt kontrollert ved hjelp av en mikrometer-oppløsning oversettelse stadium, og overvåket med et binokulært mikroskop. Den vertikale justering og vinkel er også kritisk for å oppnå en god kobling og en høy kvalitet faktor. Når koblingen er effektiv (se Figur 2), kan overføring spekteret oppnås ved hjelp av en bølgelengde-avstembar laser i scanning modus. Hvis den langstrakte er hurtig nok og kvalitetsfaktoren for resonatoren er tilstrekkelig høy, må det utsendte signal opptrer som vist i figur 3.. Ved å montere denne eksperimentelle kurven, er vi i stand til å trekke den iboende kvaliteten faktor av resonator.

Det bør bemerkes at andre midler for kopling lys i resonatoren er mulige, nemlig med et prisme 27 eller vinkel-polerte fibre 28. Begge metoder gjør bruk av det flyktige feltet til en reflektert stråle på grenseflaten mellom glass og luft. Fordelen med disse metodene er at koplingen er mer stabil, men er justeringen nødvendig i begge tilfeller er mye mer vanskelig å oppnå sammenlignet med den koniske metoden. Effektiviteten av den koniske fiberen kopling er også større (opptil 99,9% 15) enn hva som kan oppnås med prisme-og vinkel-polert fiber kopling.

Denne ulinearitet i resonatoren kan bli eksitert med en høy pumpekraft. Den kjente prosess av fire-bølge blander gir skarpe spektrallinjer i resonatoren atskilt med en veldefinert konstant: resonatoren frie spektrale området (eller et multiplum). Ved hjelp av en rask fotodiode og et band pass filter, kan man trekke denne precise fast frekvens gap for å generere en lav støy mikrobølge-signal generator. Dette krever imidlertid at prosessen normalt avanserte feedback loops for signal kontroll og stabilisering, som ikke er vurdert her for moro skyld exemplification 29.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer at de har ingen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

YCK erkjenner finansiell støtte fra Det europeiske forskningsrådet gjennom prosjektet NextPhase (ERC StG ​​278616). Forfatterne erkjenner også støtte fra Centre National d'Etudes Spatiales (CNES, Frankrike) gjennom Prosjekt SHYRO (Aksjon R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10076201), fra ANR prosjektet ORA (BLAN 031 202), og fra Region de Franche-Comte, Frankrike.

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).
Mikrobølgeovn Photonics Systems Basert på Whispering-gallery-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