Magnetron Fotonica Systemen op basis van Whispering-gallery-mode resonatoren

Whispering gallery mode resonatoren zijn schijven of bollen van micro-of millimetric straal ^1,2,3,4. Op voorwaarde dat de resonator is bijna perfect gevormde (nanometerschaal oppervlakteruwheid), kunnen laserlicht gevangen worden door totale interne reflectie binnen zijn eigenmodes, die meestal worden aangeduid als gefluister-gallery modi (WGMs). Hun vrije-spectrale bereik (of intermodaal frequentie) kan variëren van GHz tot THz afhankelijk van de straal van de resonator's, terwijl hun kwaliteitsfactor Q kan zijn uitzonderlijk hoog ^5, variërend van ¹⁰ juli ^– 10 november. Door hun unieke eigenschap van de aanleg van voorraden en het vertragen van licht, hebben WGM optische resonatoren is gebruikt om vele optische signaalverwerking taken ³ uitvoeren: filtering, versterking, tijdvertragende, enz. Met de voortdurende verbetering van fabricage technologieën, hun ongekende kwaliteit factoren geschikt te maken voor nog meer veeleisende toepassing in de metrologie of quantum-gebaseerde applicaties ^6-13.

In deze ultra-hoge Q resonatoren, het kleine volume van de bevalling, hoge foton dichtheid, en een lange levensduur foton (evenredig met Q) leiden tot een zeer sterke licht-materie interactie, waarin de diverse WGMs kunnen prikkelen door middel van verschillende niet-lineaire effecten, zoals Kerr, Raman of Brillouin bijvoorbeeld ^14-19. Met behulp van niet-lineaire fenomenen in fluisterende gallery mode resonatoren werd voorgesteld als een veelbelovende paradigmaverschuiving voor ultra-pure magnetron en lightwave generatie. Het feit dat dit onderwerp snijdt zoveel gebieden van fundamentele wetenschap en technologie is een duidelijke indicatie van de zeer sterke potentiële impact op een brede waaier van disciplines. In het bijzonder, ruimtevaart-en communicatie-engineering technologieën zijn momenteel behoefte aan veelzijdige magnetron en lightwave signaal met uitzonderlijke coherentie. De WGM-technologie heeft een aantal voordelen ten opzichte van bestaande of andere toekomstige methoden: conceptuele eenvoud, higher robuustheid, kleiner energieverbruik, langere levensduur, immuniteit voor interferenties, zeer compact volume, frequentie veelzijdigheid, eenvoudige chip-integratie, evenals een sterk potentieel voor het integreren van de hoofdstroom van de standaard fotonische componenten voor zowel de magnetron en lightwave technologieën.

In aerospace engineering, kwarts oscillatoren zijn overweldigend dominant als belangrijke magnetron bronnen voor zowel navigatiesystemen (vliegtuigen, satellieten, ruimteschepen, enz.) en detectiesystemen (radars, sensoren, enz.). Echter, zo wordt algemeen erkend vandaag die frequentie stabiliteitsprestaties kwarts oscillatoren nadert zijn bodem, en niet significant meer verbeterd. In dezelfde lijn, wordt de frequentie veelzijdigheid beperkt en zal nauwelijks zorgen voor ultra-stabiele magnetron generatie meer dan 40 GHz. Magnetron fotonische oscillatoren wordt verwacht dat zij deze beperkingen te overwinnen. Anderzijds, in communicatietechniek, magnetron fotonic oscillatoren zijn naar verwachting ook belangrijke componenten in optische communicatie netwerken waar ze de lightwave / magnetron conversie met ongekende efficiëntie zou presteren. Ze zijn ook compatibel met de huidige trend van compacte full-optische componenten in lightwave technologie, die ultra-snelle verwerking mogelijk [omhoog / omlaag conversie, (de) modulatie, amplificatie, multiplexing, mengen etc.] zonder dat massieve manipuleren (en dan, langzaam) elektronen. Dit concept van de compacte fotonische circuits waar fotonen controle fotonen via niet-lineaire media is gericht op het knelpunt afkomstig van vrijwel onbeperkte optische bandbreedte versus beperkte opto verwerkingssnelheid omzeilen. Optische communicatie systemen zijn ook zeer veeleisend voor ultra-lage fase ruis microgolven om te voldoen aan zowel de klokken (lage fase ruis is gelijk aan lage tijd-jitter) en de bandbreedte (bit-rates proportioneel toenemen om de klokfrequentie) eisen. In feite, in high-speed communicatie netwerken, zoals ultrastabiele oscillatoren zijn fundamenteel gevonden voor verschillende doeleinden (lokale oscillator voor omhoog / omlaag frequentieomzetting, netwerksynchronisatie, drager synthese, enz.).

Lineaire fenomenen in WGM resonatoren ook nieuwe horizonten van het onderzoek te openen voor andere toepassingen, zoals Raman en Brillouin lasers. Meer in het algemeen kunnen deze verschijnselen worden samengevoegd in het bredere perspectief van lineaire fenomenen in optische holten en golfgeleiders, en het is een vruchtbaar paradigma voor kristallijn of silicium fotonica. De sterke opsluiting en zeer lange levensduur van fotonen in de torusachtige WGMs bieden ook een uitstekende test-bench om fundamentele kwesties te onderzoeken in gecondenseerde materie en kwantumfysica. De race naar steeds grotere nauwkeurigheid in elektromagnetische signalen draagt ​​ook bij aan typische vragen in de natuurkunde, in verband met de relativiteitstheorie (tests voor Lorentz invariantie), of het meten van de fundamentele fysische constanten een antwoordnd hun mogelijke variatie met de tijd.

In dit artikel worden de verschillende stappen die nodig zijn om kristallijn optische fluisteren-gallery-mode (WGM) resonatoren verkrijgen beschreven en hun karakterisering wordt uitgelegd. Presenteerde ook is het protocol om de hoge kwaliteit conische glasvezel die nodig is om paar laserlicht in deze resonatoren te verkrijgen. Tenslotte wordt een vlaggeschip van deze resonatoren op het gebied van microgolf fotonica, namelijk ultrastabiele generatie magnetron met Kerr kammen, gepresenteerd en besproken.

In het eerste deel, we detail het protocol gevolgd om ultra-hoge Q WGM resonatoren te verkrijgen. Onze methode is gebaseerd op een grind-en polish benadering, die doet denken aan de standaard technieken die gebruikt worden om optische componenten zoals lenzen of telescoop spiegels polijsten. Het tweede deel is gewijd aan de karakterisering van de oppervlakteruwheid. We maken gebruik van een non-contact wit licht interferometrische profilometer naar de oppervlakte te meten roughness wat leidt tot verstrooiing voortvloeiende verliezen oppervlak en daarmee de prestaties factor Q verlagen. Deze stap is belangrijk experimentele test de kwaliteit van het polijsten evalueren. Het derde deel heeft betrekking op de fabricage een tapse silica vezel met een diameter in het micrometer om licht in de resonator te starten. Om dergelijke kleine diameters bereiken we de 'flame-poetsen "-techniek waarbij gelijktijdig computer-gestuurde motoren aan de vezels uit elkaar te trekken, en een brander om de vezel gebied te zijn taps ²⁰ warmte vast. In het vierde deel, de resonator en de taps toelopende vezels worden benaderd om elkaar om de resonantie-signaal van de Whispering Gallery modi met een golflengte-scanning laser visualiseren. We zien in het vijfde hoofdstuk hoe, door het verhogen van de optische macht in de resonator, slagen we erin om niet-lineaire fenomenen leiden tot we bestudeer de vorming van Kerr optische frequentie kammen, met een spectrum gemaakt van equidistante spectraallijnen. Als eboven mphasized, deze Kerr kam spectra hebben een uitzonderlijke eigenschappen die geschikt zijn voor verschillende toepassingen in zowel wetenschap en technologie ^21-23 zijn. We zullen een van de meest opmerkelijke toepassingen van WGM resonatoren door aan te tonen een optische multi-golflengte signaal waarvan de intermodale frequentie is een ultra-stabiele magnetron.