Login processing...

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

Engineering

Mikrovågsfotonik Systems Baserat på Whispering-gallery-läge resonatorer

doi: 10.3791/50423 Published: August 5, 2013

Summary

De anpassade tekniker som utvecklats i vårt labb för att bygga mikrovågsfotonik system baserat på ultra-höga Q VISKGALLERI läge resonatorer presenteras. De protokoll för att erhålla och karakterisera dessa resonatorer är detaljerade, och en förklaring av några av deras ansökningar i mikrovågsugn fotonik ges.

Abstract

Mikrovågsfotonik system förlitar sig fundamentalt på samspelet mellan mikro-och optiska signaler. Dessa system är mycket lovande för olika teknikområden och tillämpad vetenskap, såsom flyg-och kommunikationsteknik, avkänning, metrologi, olinjära fotonik, och kvantoptik. I den här artikeln presenterar vi de viktigaste teknikerna som används i vårt laboratorium för att bygga mikrovågsfotonik system baserade på ultra-höga Q VISKGALLERI läge resonatorer. Först beskrivs i den här artikeln är det protokoll för resonatorn polering, som bygger på en grind-och-polish teknik nära de som används för att polera optiska komponenter såsom linser eller speglar teleskop. Sedan, ett vitt ljus interferometrisk profilometer åtgärder ytråhet, som är en viktig parameter för att karakterisera kvaliteten på polering. I syfte att inleda ljus i resonatorn, är en avsmalnande kiseldioxidfiber med diameter i mikrometerområdet användas. För att nå en sådan liten diameters, antar vi att "flame-borstning" teknik med användning samtidigt datorstyrda motorer att dra fibern isär, och en blåslampa för att värma fibern området vara avsmalnande. Resonatorn och den avsmalnande fibern senare närmade till varandra för att visualisera resonanssignalen av de VISKGALLERI lägen med en våglängd-scanning laser. Genom att öka den optiska effekten i resonatorn, ickelinjära fenomen utlöses tills bildningen av en Kerr optisk frekvenskamstekniken observeras med ett spektrum gjord av ekvidistanta spektrallinjer. Dessa Kerr kam spektra har exceptionella egenskaper som lämpar sig för flera olika tillämpningar inom vetenskap och teknik. Vi anser att ansökan avser ultrastabil mikrovågsfrekvensen syntes och demonstrera generering av en Kerr kam med GHz intermodala frekvens.

Introduction

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

VISKGALLERI läge resonatorer är skivor eller sfärer av mikro-eller millimeterprecision radie 1,2,3,4. Förutsatt att resonatorn är nästan perfekt formad (nanometer-storlek ytjämnhet), kan laserljus fångas av total inre reflektion inom dess egenmoder, som vanligtvis hänvisas till som viska-gallery lägen (WGMS). Deras fria spektralområdet (eller intermodal frekvens) kan variera från GHz till THz beroende på resonatorn radie, medan deras kvalitetsfaktor Q kan vara exceptionellt hög 5, från 10 juli-10 november. Tack vare sin unika egenskap av lageruppbyggnad och bromsa ljus, har WGM optiska resonatorer använts för att utföra många optiska uppgifter signalbehandling 3: filtrering, förstärkning, tidsfördröjande osv. Med den kontinuerliga förbättringen av tillverkning teknik, deras oöverträffade kvalitetsfaktorer gör dem lämpliga för ännu mer krävande tillämpning inom mätteknik eller quantum-baserade applikationer 6-13.

I dessa extremt höga Q-resonatorer, den lilla volymen av instängdhet, hög fotondensiteten, och långa fotonen livslängd (proportionell mot Q) inducerar en mycket stark ljus-materia växelverkan, som kan uppväcka de olika WGMS genom olika icke-linjära effekter, liksom Kerr, Raman, eller Brillouin exempelvis 14-19. Använda ickelinjära fenomen i viskande resonatorer galleri läge föreslogs som en lovande paradigmskifte för ultrarent mikrovågsugn och lightwave generation. Det faktum att detta ämne skär så många områden av grundläggande vetenskap och teknik är en tydlig indikator på sitt mycket starka potentiella effekter på ett brett spektrum av discipliner. I synnerhet, flyg-och kommunikations teknik teknik är för närvarande i behov av mångsidig mikrovågsugn och Ijusvågssignalen med enastående sammanhållning. Den WGM tekniken har flera fördelar jämfört med befintliga eller annan blivande metoder: konceptuell enkelhet, higher robusthet, mindre strömförbrukning, längre livslängd, immunitet mot störningar, mycket kompakt volym, frekvens mångsidighet, enkel chip integration, samt en stark potential för integrering huvudfåra vanliga fotoniska komponenter för både mikrovågsugn och lightwave teknik.

I flygteknik, Kvartsoscillatorer är helt dominerande som viktiga mikrovågskällor för både navigationssystem (flygplan, satelliter, rymdfarkoster, etc.) och detektionssystem (radar, sensorer, etc.). Det är dock enhälligt erkänt idag att frekvensstabilitet prestanda Kvartsoscillatorer når sin våning, och kommer inte att förbättras betydligt längre. Längs samma linje, är deras frekvens mångsidighet begränsad och kommer knappast möjligt för ultra-stabil mikrovågsugn generation än 40 GHz. Mikrovågsfotoniksystem oscillatorer förväntas övervinna dessa begränsningar. Å andra sidan, i kommunikation Engineering, mikrovågsugn fotonenic oscillatorer förväntas också vara viktiga komponenter i optiska kommunikationsnät där de skulle utföra ljusvågen / micro konvertering med oöverträffad effektivitet. De är också kompatibla med den pågående trenden med kompakta full optiska komponenter i lightwave teknik, som möjliggör ultrasnabb behandling [upp / ned konvertering, (de) modulering, förstärkning, multiplexing, mixning, etc] utan att manipulera massiva (och sedan, långsamt) elektroner. Detta koncept av kompakta fotonikkretsar där fotoner styr fotoner via ickelinjära media syftar till att kringgå flaskhalsen kommer från praktiskt taget obegränsad optisk bandbredd kontra begränsad optoelektroniska processorhastighet. Optiska kommunikationssystem är också mycket krävande för ultra-låga mikrovågor fas buller för att uppfylla både klockning (lågt fasbrus motsvarar låg tid-jitter) och bandbredd (bithastigheter ökar proportionellt med klockfrekvens) krav. I själva verket, i hög hastighet communblue nätverk, sådana ultra-stabila oscillatorer är grundläggande referenser för flera ändamål (lokaloscillator för upp / ner frekvensomvandling, nätverk, bärvågsfas syntes, etc.).

Ickelinjära fenomen i WGM resonatorer också öppna nya horisonter av forskning för andra tillämpningar, såsom Raman och Brillouin lasrar. Mer allmänt kan dessa fenomen slås samman i ett bredare perspektiv av icke-linjära fenomen i optiska hålrum och vågledare, och det är en givande paradigm för kristallint eller kisel fotonik. Den starka instängdhet och mycket lång livslängd fotoner in i torusliknande WGMS erbjuder också en utmärkt testbänk för att undersöka grundläggande frågor i kondenserad materia och kvantfysik. Loppet till ständigt ökade noggrannhet i elektromagnetiska signaler bidrar också till att besvara kvintessensen frågor i fysik, relaterade till relativitetsteorin (tester för Lorentz invarians), eller mätning av fundamentala fysikaliska konstanter and deras möjliga variation med tiden.

I den här artikeln, är de olika steg som krävs för att erhålla kristallina optiska viskande-gallery-läge (WGM) resonatorer beskrivs och deras karakterisering förklaras. Dessutom presenteras är protokollet för att erhålla den höga kvaliteten avsmalnande fiber som behövs för att par laserljus in i dessa resonatorer. Slutligen är ett flaggskepp tillämpning av dessa resonatorer inom mikro fotonik, nämligen ultrastabil mikrovågsugn generation med Kerr kammar, presenteras och diskuteras.

I det första avsnittet, vi detalj det protokoll följas för att erhålla extremt höga Q WGM resonatorer. Vår metod bygger på en slipa och polera synsätt, vilket påminner de vanliga tekniker som används för att polera optiska komponenter såsom linser eller speglar teleskop. Den andra delen ägnas åt karakterisering av ytfinhet. Vi använder en icke-kontakt vitt ljus interferometrisk profilometer att mäta ytan roughness vilket leder till yt-scattering-inducerade förluster och därigenom sänka Q-faktor prestanda. Detta steg är ett viktigt experimentellt test för att utvärdera kvaliteten på polering. Den tredje delen avser framställningen en avsmalnande kiseldioxidfiber med diameter i mikrometerområdet i syfte att inleda ljus i resonatorn. För att nå så små diametrar, antar vi att "flame-borstning" teknik med användning samtidigt datorstyrda motorer att dra fibern isär, och en blåslampa för att värma fibern området vara avsmalnande 20. I det fjärde avsnittet, är resonatorn och den avsmalnande fibern närmade till varandra för att visualisera resonanssignalen av de VISKGALLERI lägen med en våglängd-scanning laser. Vi visar i det femte avsnittet hur, genom att öka den optiska effekten i resonatorn, vi lyckas utlösa ickelinjära fenomen tills vi observera bildandet av Kerr optisk frekvens kammar, med ett spektrum som görs av ekvidistanta spektrallinjer. Eftersom emphasized ovan, dessa Kerr kam spektra har exceptionella egenskaper som lämpar sig för flera olika tillämpningar inom både vetenskap och teknik 21-23. Vi kommer att överväga en av de mest anmärkningsvärda tillämpningar av WGM resonatorer genom att visa en optisk multi-våglängd signal vars intermodala frekvens är en ultra-stabil mikrovågsugn.

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

Protokollet består av fem huvudsakliga faser: I den första, den viskande-gallery-mode resonator gjort. För att styra utvecklingen av polering av resonatorn, är yttillstånd mätningar genomförts. I det tredje steget, fabricera vi det verktyg som kommer att lansera ljuset i resonatorn. När dessa två verktyg har tillverkats, använder vi dem för att visualisera optiska high-Q resonanser. Slutligen, med hjälp av en hög-power beam input laser, beter resonatorn på ett icke-linjärt sätt och Kerr kammar produceras.

Ett. Polering resonatorn

I detta skede, är ett optiskt fönster kristallint resonator (MgF2 eller CaF2, lätt tillgänglig från optiska komponenter återförsäljare) formade och polerade. Denna polering förfarande omvandlar dem till högkvalitativa WGM resonatorer. Den anpassade polering torn presenteras i Schema 1.

  1. Limma den kristallina optiska fönstret på enstick som kan hållas av luftlager spindelmotorn.
  2. Coat en V-formad metallisk guide med den lämpliga polering stödjevävnad, och häll 10 um slippulver (aluminiumoxid, diamant, eller kiselkarbid) blandas med vatten. Närma sig denna guide till den roterande skivan (ca 5000 rpm, 20 g tryck) och börjar mala det. Beroende på materialet och det snurrande hastighet, kan denna process vara från 2 h (för CaF2) till 4 h (för MgF2). Denna poleringssteg ger sitt bi-konvex form till resonatorn. Vid slutet av detta steg skivan bör ha formen som presenteras i schema 2.
  3. Nästa steg kallas allmänt "slipning och polering"-proceduren 24. Den består vanligtvis i att upprepa det föregående steget med slipande partikel av storlek 10 ^ m, 3 pm, en pm, 250 nm, och slutligen 100 nm. Den bärande vävnaden bör anpassas till varje partikelstorlek, som är mindre styv för mindre korn. För att undvika reporoch ränder, en horisontell översättning av guiden kan utföras. Vid varje steg av successiv slipning och polering bör staten av ytan förbättras.

2. Styra State of the Surface

  1. En visuell kontroll under ett optiskt mikroskop är det första steget för en yta statlig kontroll: disken är ogenomskinlig för ljus i de första stadierna, men efter en lyckad 1 um partikel polering, blir disken transparent och dess sidor reflekterar ljus: den så -kallad optisk polish har nåtts och kvalitetsfaktorn för resonatorn bör vara i maj 10-juni 10 intervall.
  2. För mindre slipmedel, är ögat inte kan bedöma tillståndet i ytan, även med hjälp av en vanlig mikroskop. Vid denna punkt, är en interferometrisk mätning av yttillstånd behövs. Använd ett mikroskop utrustat med en Mirau interferometer objektivlins och med en vit ljuskälla. Bilden av resonatorn interfererar with ett referensplan, vilket visar med ett vitt ljus fasförskjutning bearbetning verktyg ytan höjd oberoende vid varje punkt med en upplösning av en bråkdel av våglängden, dvs ett fåtal nanometer. Denna mätning kan även användas för att utvärdera krökningen hos skivan 25.
  3. Genom att modifiera längden mellan provet och det objektiva, bestämma den optiska fasen för resonatorn reflektion och beräkna höjdvariationer av ytan. Detta kan vara automatiserade tack vare en speciell dator, och en karta över ytan höjd skapas, vilket möjliggör bestämning av grovheten av provet. Övervaka ytråhet som förklaras i figur 1, och stoppa slipning-polering förfarande när interferensfransarna är mjukast möjliga.

Tre. Rita Taper

För att koppla ljus i resonatorn, är en mycket liten optisk fiber behövs: dess diameter bör vara cirka 3 | im(Ca 20 gånger mindre än ett mänskligt hårstrå).

  1. Skala en vanlig single-mode kiseldioxidfiber (SMF) av sin plast och polymer beläggning på en ungefärlig 5 cm längd. För övervakningsändamål bör fibern vara ansluten till en laserkälla vid sin ingång, och en fotodiod på dess utgång.
  2. Fix varje storlek på det obelagda avsnittet av fibern till två datorstyrda högupplösande motorer. Med hjälp av datorn gränssnittet av motorerna, konfigurera dem att röra sig med en ständigt accelererad rörelse, så att varje sida av fibern kommer att dras isär.
  3. Värm obelagda fibern mellan de två fästpunkterna med en blåslampa lampa för ca 1 minut innan stretching. Lågan bör vara försiktig för att inte blåsa avsmalningen bort när det är mycket liten.
  4. Starta motorerna rörelsen, och därmed sträckningen av fibern. När ritningen är startad, kan en övervaka överföringen av avsmalningen med användning av en laserkälla och en fotodiod: interferensmönster kommervisas under processen, kommer deras frekvens ökar, och, slutligen, kommer de att försvinna för en midja diameter nära 1 pm. I detta skede bör motorn och lågan stoppas samtidigt.

4. Koppling Ljus i WGM Resonator

I detta skede är avsmalningen som används för att koppla ljus i resonatorn och att observera hög-Q egenmoder hos kaviteten, vilka representeras i figur 2.

  1. Fäst resonator på en 3-axlig Piezo-kontrollerad översättning skede. Närma sig den till fibern avsmalnande på ett avstånd av mindre än 1 | im. Den relativa positionen av fibern avsmalning och resonatorn övervakas, tack vare ett mikroskop, och en spegel används för att styra den vertikala positioneringen och lutningsvinkel.
  2. Anslut fiber avsmalnar till en synlig laserdiod: resonatorn ska lysa när kopplingen är effektiv, såsom visas i fig. 3.
  3. Anslut fiber avsmalnar tillen mod-hop fri laser med en smal linjebredd (smalare än linjebredden hos den resonans) till en ände, och en fotodiod ansluten till ett oscilloskop på den andra änden. Överföringen respons hos resonatorn kan erhållas genom avsökning av våglängden vid ingången. Utvärdera kvalitetsfaktorn för resonatorn med hjälp av den erhållna transmissionsspektrum, genom att beräkna förhållandet mellan resonansfrekvensen för alla lägen och deras linjebredder (full bredd vid halva maximum).
  4. En mer noggrann mätning utförs med "cavity-ring-down"-experiment 26, där våglängden svepande är tillräckligt snabb för att erhålla interferenser mellan det resonerande ljus ruttnande i resonatorn och detuned ljus vid en efterföljande tidpunkt. Man kan finjustera placeringen av avsmalning och resonatorn att öka kopplingen Q-faktor och erhålla det typiska mönstret som visas i fig 4. Den tillhörande passform kurva ger kvalitetsfaktorn hos resonatorn.
  5. Fem. Generera Comb

    I detta sista steg, exciterar en högeffekts pumplaser ickelinjära effekter i resonatorn.

    1. Sätt en optisk förstärkare mellan den avstämbara lasern och resonatorn.
    2. Tack vare fotodiod och oscilloskop, finjustera laserkälla så att den ingående våglängden ligger bredvid en resonans.
    3. Anslut utgången fiber till en högupplöst optisk spektrumanalysator och öka ineffekten medan något avstämningen pumpvåglängden. Nya frekvenser ska visas på varje sida av pumpens topp: Detta är en Kerr optisk frekvenskamstekniken.
    4. Växla tillbaka till fotodioden, kan vi konstatera misshandeln mellan de olika skapade spektrala lägen. Med hjälp av en mikrovågsugn bandpassfilter, kan man isolera en ren frekvens i denna elektriska signal med mycket låg ljudnivå.

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

Detta fem steg protokollet möjliggör att erhålla WGM resonatorer med mycket höga kvalitetskrav för mikrovågsfotoniksystem applikationer.

Det första steget syftar till att ge till resonatorn den önskade formen, såsom representeras på schema 2. Den största svårigheten här är att tillverka en skiva vars fälg är vass nog så att det kan starkt begränsa de fångade fotoner, utan att leda till strukturella bräcklighet ur mekanisk synpunkt. Denna polering torn besitter också anmärkningsvärt mångsidighet eftersom det tillåter slipning diskar med en bred variation av storlek och form och bulkmaterialet.

Vid slutet av poleringsprocessen har en nanometernivå ytjämnhet (effektivvärdet) uppnåtts, eftersom det kan ses i figur 1. Detta mycket liten ytråhet är associerad med en kvalitetsfaktor överlägsen 10 9, som visat av kaviteten ring-down mätning av figur 4.

Tillverkningen av fibern avsmalnande gör det möjligt att reducera diametern ned till en mikron, med en transmission koefficient som överstiger 90%. En sådan liten diameter för fibern avsmalnande behövs för att koppla ljus i resonatorn, och en hög transmissionsfaktorn krävs för att erhålla icke-linjära effekter. Den koppling Q-faktorn är högre än 10 9, vilket visar den höga kvaliteten på den avsmalnande fiber kopplingen.

Den experimentella uppställning för koppling av ljus i resonatorn är avbildad i schema 3, och en bild av anordningen visas i figur 3. Den gröna ljus som emitteras av resonatorn bevisar att kopplingen är verkligen effektiv.

Slutligen, när pumpen ökas, är ickelinjära fenomen framgångsrikt exciteras i kaviteten och möjliggöra alstring Kerr optiska frekvensen kammar, såsom visas i fig. 6. Dessa kammar kan senare användas för ultra-stabil mikrovågsugn generation.

Schema 1
Schema 1. Den anpassade polering tornet, som används för att tillverka de WGM ultra-hög kvalitet diskar.

Schema 2
Schema 2. Software-genererade sida och topp-vy av en optisk WGM resonator efter slipning. Diametern är typiskt av storleksordningen 5 mm, medan höjden är ca 1 mm. Det centrala hålet gör att hålla och hantera hårddisken med en stump, utan att röra fälgen. Med utgångspunkt från en vanlig skiva (som är cylindrisk), maler poleringsprocessen den yttre delen i ett V-format sätt.

Schema 3
Schema 3. Experimentuppställning för Kerr kam generation. Ljus från en avstämbara laserdiod förstärks och lanseras i WGM resonator via den avsmalnande fibern. Utsignalen antingen uppsamlas på en fotodiod för att övervaka signalen på ett oscilloskop eller att extrahera den beat-note signalen eller på en högupplösande optisk spektralanalysator för observation av Kerr kammen.

Figur 1
Figur 1. Vitt ljus interferogram mönster av en WGM resonator vid två olika steg av grind-och-polish protokoll: den första togs efter 1 pm poleringssteget (a), den andra efter 100 nm polering (b). Särdragen hos resonatorn var helt utjämnas av de på varandra följande polering operationer.

Figur 2
Figur 2. Top-bild av den spatiala representationen av en torusliknande WGM som svällning ljus genom total inre reflektion. Denna WGM diskar stödjer tusentals kvasi-ekvidistanta resonansmoder (närhelst som tillhör samma familj av egenmoder). De har en fri-spektralområdet (FSR) i storleksordningen 10 GHz för mm-format diskar.

Figur 3
Figur 3. Koppling av synligt ljus i en WGM resonator. Kopplingen är effektiv eftersom den gröna lampan styrs av fibern avsmalnande är belysande resonatorn.

Figur 4
Figur 4. Cavity ring-down signal från en WGM resonator. Beslaget kurva ger de inneboende och koppling fotonen livstider i kaviteten, som är direkt proportionella mot kvalitetsfaktorn avresonator. Här har en inneboende kvalitet faktor 1,5 x 10 9 uppnåtts.

Figur 5
Figur 5. Kerr kam generation mekanism WGM resonatorer. När en hålighet läge pumpas över en viss tröskel med en resonant laser, är fotonerna koherent ut till angränsande sida-lägen genom fyrvågsblandning, vilket kan innebära några fyra fotoner α, β, γ och δ, som uppfyller villkoren i energi och momentum beskydd. Detta är en direkt följd av Kerr-effekten, som inducerar en kvadratisk förändring i brytningsindex relativt till intrakavitetsapplikatorn elektriskt fält.

Figur 6
Figur 6. Experimentell Kerr optisk frekvenskamstekniken. Den centrala 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

Detta protokoll möjliggör produktion av hög-Q optiska resonatorer, att par ljus i dem och utlösa ickelinjära fenomen för olika mikrovågsfotonik applikationer.

Det första steget av grovslipning bör ge sin form för att resonatorn. Efter en timme av slipning med den 10 | im slipmedel bör en sida av fälgen hos resonatorn vara enkelt formade (se Schema 2). Följande steg kommer att jämna till ytan av resonatorn och när den nått skedet av 1 ^ m diameter slipmedel bör dess yta vara transparent. Detta kallas en optisk polish. Detta är dock inte tillräckligt för att få en hög kvalitetsfaktor och extra åtgärder behövs med mindre slipande partiklar för att uppnå en bättre ytkvalitet med nanometer-skalan grovhet. Vi använder ett vitt ljus interferometrisk profilometer att mäta ojämnheter som leder till ytan scattering-inducerade förluster och därmed lägre Q Figur 1 visar två bilder tagna med en profilometer vid två olika steg i processen. Den första är tagen efter slipning steget, visar en oregelbunden yta med en störd interferensmönster. Men efter poleringssteget är interferensmönstret slät och regelbunden, och avslöjar att yttillståndet hos resonatorn är slät vid 10 nm-skala. Detta är vad som borde eftersträvas för att erhålla hög-Q resonatorer. Det är också viktigt att notera att denna vinkel-form för fälgen måste optimeras för att möjliggöra för det högsta modal confinement utan att inducera alltför mycket mekanisk påfrestning under målningen steg.

Avsmalningen-drawing protokollet kräver lite finjustering för att erhålla låg transmissionsförlust. Detta beror i hög grad på den använda blåslampa, men avståndet från fibern för låganbör vara sådan att upphettningszonen är den bredaste. Typiskt värde för konstant acceleration parametern är cirka 5 μm.s -2, men det bör anpassas till varje lågan makt och formen på avsmalningen som ska dras.

Närmar resonatorn till den avsmalnande fibern är också en process som bör vara mycket väl kontrolleras genom användning av en mikrometer-upplösning translationssteg, och övervakas med ett binokulärt mikroskop. Den vertikala justeringen och lutningsvinkel är också kritisk för att erhålla en god koppling och en högkvalitativ faktor. När kopplingen är effektiv (se figur 2), kan den transmissionsspektrum erhållas med användning av en våglängd-avstämbar laser i avsökningsmod. Om den svepande är tillräckligt snabb och kvalitetsfaktorn för resonatorn tillräckligt hög, bör den sända signalen beter sig som framgår av fig. 3. Genom att montera denna experimentella kurva, kan vi extrahera den inneboende kvaliteten faktorn för resonator.

Det bör noteras att andra medel för koppling av ljus i resonatorn är möjliga, nämligen med ett prisma 27 eller vinkel-polerade fibrer 28. Båda metoderna utnyttjar det evanescenta fält av en reflekterad stråle på gränssnittet mellan glas och luft. Fördelen med dessa metoder är att kopplingen är mer stabil, men är justeringen behövs i båda fallen mycket svårare att erhålla jämfört med den koniska metoden. Effektiviteten av den avsmalnande fiber kopplingen är också större (upp till 99,9% 15) än vad som kan uppnås med prisma och vinkel-polerad fiber koppling.

Den olinjäritet i resonatorn kan exciteras med en hög pumpeffekt. Den välkända process av fyrvågsblandning producerar skarpa spektrallinjer i resonatorn separerade av en väldefinierad konstant: resonatorn fria spektralområdet (eller ett heltal multipel). Med hjälp av en snabb fotodiod och ett bandpassfilter, kan man extrahera denna Precise fast frekvens gap att generera ett lågt brus generator mikrovågsugn signal. Dock kräver denna process normalt sofistikerade återkopplingar för signal kontroll och stabilisering, vilket inte har ansetts här för sakens skull exemplifiering 29.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgments

YCK erkänner finansiellt stöd från Europeiska forskningsrådet genom projektet NextPhase (ERC StG ​​278616). Författarna erkänner också stöd från Centre National d'Etudes Spatiales (CNES, Frankrike) genom projektet SHYRO (Action R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10.076.201), från ANR projektet ORA (BLAN 031.202), och från 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).
Mikrovågsfotonik Systems Baserat på Whispering-gallery-läge resonatorer
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