מיקרוגל Photonics מערכות המבוססות על מהודי לחישות-גלריה של מצב
Summary
את הטכניקות שפותחו במעבדה המותאמות אישית שלנו לבנות מערכות מיקרוגל פוטוניקה המבוססת על תהודה גלריות מצב Ultra-Q גבוהה לחישות מוצגות. הפרוטוקולים להשיג ולאפיין תהודה אלה מפורטים, והסבר של חלק מהיישומים שלהם במיקרוגל Photonics הוא נתון.
Abstract
מערכות מיקרוגל פוטוניקה להסתמך ביסודו על האינטראקציה בין מיקרוגל ואותות אופטיים. מערכות אלו מבטיחות מאוד לתחומים שונים של טכנולוגיה ומדע יישומי, כגון תעופה וחלל ותקשורת הנדסה, חישה, מטרולוגיה, קוי Photonics, ואופטיקה קוונטית. במאמר זה, אנו מציגים את הטכניקות העיקריות המשמשות במעבדה שלנו לבנות מערכות מיקרוגל פוטוניקה המבוסס על תהודה גלריות מצב Ultra-Q גבוהה בלחש. מפורט ראשון במאמר זה הוא הפרוטוקול לליטוש מהוד, המבוסס על טכניקה לטחון ופולניה קרובה לאלה המשמשים כדי למרק רכיבים אופטיים, כגון עדשות או מראות טלסקופ. ואז, חספוס פני השטח באמצעים profilometer interferometric אור לבן, שהוא פרמטר מרכזי כדי לאפיין את איכות הליטוש. על מנת להפעיל את האור במהוד, נעשה שימוש בסיבי סיליקה מחודדים בקוטר בטווח מיקרומטר. כדי להגיע לקוטר קטן כזהים, נאמץ את הטכניקה "להבת צחצוח", בו זמנית באמצעות מנועים מבוקרים מחשב כדי לפרק את הסיבים, ומבער כדי לחמם את אזור הסיבים להיות מחודד. המהוד והסיבים מחודדים הם מאוחר יותר התקרבו זה לזה כדי להמחיש את אות התהודה של מצבי הגלריה לוחשים באמצעות לייזר באורך גל לסריקת. על ידי הגדלת כוח האופטי בתופעות מהוד, קוי מופעלים עד להיווצרותו של מסרק תדר אופטי קר הוא ציין עם קשת עשויה מקווי ספקטרום מרחקים שווים. יש ספקטרום מסרק קר אלה מאפייני יוצאי דופן שמתאימים לכמה יישומים בתחומי מדע וטכנולוגיה. אנו רואים ביישום הקשור לסינתזת תדר מיקרוגל אולטרה יציבה ולהדגים את הדור של מסרק קר בתדירות intermodal GHz.
Introduction
מצב תהודה גלריות לוחשת הן בדיסקים או בתחומי רדיוס מיקרו או millimetric 1,2,3,4. ובלבד שהמהוד הוא כמעט בצורה מושלמת (חספוס פני השטח בגודל ננומטר), יכול להיות לכוד אור לייזר על ידי ההתבוננות פנימית מוחלטת בתוך eigenmodes, המכונים בדרך כלל מצבי לחישה-גלריה (WGMs). מגוון ללא הרפאים שלהם (או תדירות intermodal) יכול להשתנות מGHz לTHz בהתאם לרדיוס של המהוד, ואילו גורם איכותם ש יכול להיות גבוהה במיוחד 5, החל מיולי 10 – נובמבר 10. בשל המאפיין הייחודי שלהם לאגור ולהאט את האור, הייתה בשימוש תהודה אופטית WGM לבצע משימות רבות עיבוד אותות אופטיים 3: סינון, הגברה, בזמן עיכוב, וכו '. עם השיפור המתמיד של טכנולוגיות ייצור, גורמי האיכות חסרות התקדים שלהם להפוך אותם מתאימים ליישום גם תובעני יותר בהמטרולוגיה או קוואנטיישומים מבוססי-אום 6-13.
בתהודת Q גבוהה במיוחד אלה, נפח הקטן של כליאה, צפיפות פוטון גבוהה, וכל חיים פוטון ארוכים (יחסית לש) לגרום לאינטראקצית אור עניין חזקה מאוד, שעשוי להלהיב את WGMs השונים באמצעות אפקטים קוי שונים, כמו קר, ראמאן, או רילואן למשל 14-19. שימוש בתופעות לא לינאריות בלחש תהודה מצב גלריה הוצעה כשינוי פרדיגמה מבטיח למיקרוגל אולטרה טהור ודור Lightwave. העובדה שנושא זה חוצה כל כך הרבה תחומים של מדע וטכנולוגיה הבסיסיים היא אינדיקציה ברורה של פוטנציאל ההשפעה מאוד החזק שלה במגוון רחב של תחומים. בפרט, טכנולוגיות הנדסת אוירונוטיקה וחלל ותקשורת נמצאות כעת בצורך של מיקרוגל תכליתי ואות Lightwave עם לכידות יוצאות דופן. יש טכנולוגית WGM מספר יתרונות על פני שיטות קיימות פוטנציאליים או אחרות: פשטות רעיונית, higher חוסן, צריכת חשמל קטנה יותר, חיים ארוכים יותר, חסינות להפרעות, נפח קומפקטי מאוד, רבגוניות תדירות, שילוב שבב קל, כמו גם פוטנציאל חזק לשילוב הזרם המרכזי של רכיבים פוטוניים סטנדרטיים עבור שניהם מיקרוגל וטכנולוגיות Lightwave.
בהנדסת התעופה והחלל, מתנדים קוורץ הם דומיננטיים גורף כמקורות מיקרוגל מפתח עבור שני מערכות ניווט (מטוסים, לווינים, חלליות, וכו ') ומערכות גילוי (מכ"מים, חיישנים וכו'). עם זאת, הוא הכיר פה אחד היום כי ביצועי יציבות תדר של מתנדים קוורץ הוא להגיע לקומה שלו, ולא ישפר באופן משמעותי יותר. לאורך אותו הקו, התדירות צדדיות שלהם מוגבל וכמעט לא לאפשר לדור מיקרוגל אולטרה יציב מעבר ל40 GHz. מתנדים פוטוניים מיקרוגל צפויים להתגבר על המגבלות האלה. מצד השני, בתקשורת הנדסה, מיקרוגל פוטוןמתנדים IC צפויים גם להיות מרכיבים מרכזיים ברשתות תקשורת אופטיות שבו הם יבצעו את המרת Lightwave / מיקרוגל עם יעילות חסרת תקדים. הם גם בקנה אחד עם המגמה המתמשכת של רכיבים אופטיים קומפקטיים מלאים בLightwave טכנולוגיה, המאפשרת עיבוד מהיר במיוחד [למעלה / למטה המרה, (דה) אפנון, הגברה, ריבוב, ערבוב, וכו '] ללא הצורך לתמרן מסיביים (ואז, לאט) אלקטרונים. זה רעיון של מעגלים פוטוניים הקומפקטיים שבו פוטונים פוטונים לשלוט באמצעות תקשורת קוי מטרה לעקוף את צוואר הבקבוק שמקורו מרוחב פס כמעט בלתי מוגבל לעומת אופטי מהירות עיבוד אופטו המוגבלת. מערכות תקשורת אופטיות גם הן מאוד תובעניות למיקרוגלי רעש מופע נמוכים במיוחד על מנת לספק את שניהם clocking (רעש מופע נמוך הוא שווה ערך לזמן ריצוד נמוך) ורוחב פס (-שיעורים קצת להגדיל באופן יחסי לתדר השעון) דרישות. למעשה, במהירות גבוהה communרשתות ication, מתנדים אולטרה יציבים כאלה הפניות יסוד לכמה מטרות (מתנד המקומי ללמעלה / למטה המרת תדר, סנכרון לרשת, סינתזת מנשא, וכו ').
תופעות לא לינאריות בתהודת WGM גם לפתוח אופקים חדשים של מחקר ליישומים אחרים, כגון לייזרי ראמאן ורילואן. באופן כללי יותר, תופעות אלה ניתן למזג בתוך נקודת המבט הרחבה יותר של תופעות לא לינאריות בחללים ובגלבו אופטיים, ואת זה הוא הפרדיגמה פורה עבור גבישים או סיליקון פוטוניקס. הכליאה החזקה ואורך החיים ארוכים מאוד של פוטונים לתוך WGMs דמוי טורוס מציעים גם בדיקת ספסל מצוינת לחקור סוגיות יסוד בחומר מעובה ופיסיקה הקוונטית. המירוץ לדיוק אי פעם עלה באותות אלקטרומגנטיים תורם גם כדי לענות על שאלות מובהקות בפיסיקה, הקשורים לתורת יחסות (מבחנים לinvariance ורנץ), או מדידה של קבועים פיסיקליים בסיסייםND הווריאציה האפשרית שלהם עם זמן.
במאמר זה, את השלבים השונים הנדרשים לקבלת לחישה-גלריה-mode (WGM) תהודה אופטית גבישיים מתוארים ואפיונם הוא הסביר. הציג גם הוא את הפרוטוקול כדי לקבל סיבים מחודדים באיכות הגבוהה נחוצים לזוג אור לייזר לתהודה אלה. לבסוף, יישום דגל של תהודה הללו בתחום המיקרוגל Photonics, דור מיקרוגל כלומר אולטרה יציב באמצעות מסרקים קר, הוא הוצג ונדון.
בחלקו הראשון, אנחנו פירוט הפרוטוקול אחריו כדי להשיג תהודה גבוהה במיוחד Q WGM. השיטה שלנו מסתמכת על לטחון וללטש את הגישה, שהוא מזכיר לטכניקות הסטנדרטיות המשמשות כדי למרק רכיבים אופטיים, כגון עדשות או מראות טלסקופ. החלק השני מוקדש לאפיון של חספוס פני השטח. אנו משתמשים בprofilometer interferometric אור ללא מגע לבן למדוד את משטח Roughness שמוביל אל פני השטח הפסדים המושרה פיזור ובכך להקטין את ביצועי הגורם ש. צעד זה הוא מבחן ניסיון חשוב להעריך את איכות הליטוש. החלק השלישי עוסק בייצור סיבי סיליקה מחודדים בקוטר בטווח מיקרומטר על מנת להשיק אור במהוד. כדי להגיע לקטרים קטנים כאלה, נאמץ את הטכניקה "להבת צחצוח", בו זמנית באמצעות מנועים מבוקרים מחשב כדי לפרק את הסיבים, ומבער כדי לחמם את אזור הסיבים להיות מחודד 20. בחלק הרביעי, המהוד והסיבים מחודדים הם התקרבו זה לזה כדי להמחיש את אות התהודה של מצבי הגלריה לוחשים באמצעות לייזר באורך גל לסריקת. אנחנו מראים בסעיף החמישי איך, על ידי הגדלת כוח האופטי במהוד, אנחנו מצליחות לעורר תופעות קוי עד שאנו רואים את היווצרות קר אופטי תדירות המסרקים, עם ספקטרום עשוי מקווי ספקטרום מרחקים שווים. כמו דוארmphasized לעיל, אלה יש ספקטרום מסרק קר מאפייני יוצאי דופן שמתאימים לכמה יישומים בטכנולוגית המדע ו21-23. אנו נשקול את אחד היישומים הבולטים ביותר של תהודה WGM על ידי הוכחת אות רב גל אופטי שintermodal תדר מיקרוגל אולטרה יציב.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מאפשר לייצר תהודה אופטית גבוהה שאלות, לזוג אור לתוכם ולעורר תופעות לא קוי עבור יישומי מיקרוגל פוטוניקה שונים.
הצעד הראשון של טחינה גסה צריך לתת את צורתו למהוד. אחרי שעה של טחינה עם אבקת קרצוף 10 מיקרומטר, צד אחד של ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
YCK מכיר בתמיכה כספית ממועצת המחקר האירופית באמצעות NextPhase הפרויקט (ERC STG 278,616). מחברים גם מכירים תמיכה מהמרכז הלאומי d'אטיודים Spatiales (CNES, צרפת) דרך SHYRO הפרויקט (הפעולה R & T R-S10/LN-0001-004/DA: 10,076,201), מANR פרויקט אורה (BLAN 031,202), ו מאזור דה Franche-Comte, צרפת.
Materials
| Material Name | Company |
| Step motors 50 mm course | Thorlabs |
| 3 axis nanostage | Physik Instrumente |
| TUNICS tunable laser source | Yenista |
| Optical spectrum analyzer APEX | APEX Technologies |
References
- Oraevsky, A. N. Whispering-gallery waves. Quantum Electronics. 32, 377-400 (2002).
- 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).
- 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).
- Maker, A. J., Armani, A. M. Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators. J. Vis. Exp. (65), e4164 (2012).
- Savchenkov, A. A., Matsko, A. B., Ilchenko, V. S., Maleki, L. Optical resonators with ten million finesse. Optics Express. 15, 6768-6773 (2007).
- 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).
- Vahala, K. . Optical Microcavities. , (2004).
- 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).
- 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).
- Chembo, Y. K., Baumgartel, L. M., Yu, N. Toward whispering-gallery mode disk resonators for metrological applications. SPIE Newsroom. , (2012).
- 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).
- Hofer, J., Schliesser, A., Kippenberg, T. J. Cavity optomechanics with ultrahigh-Q crystalline microresonators. Phys. Rev. A. 82, 031804 (2010).
- 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).
- 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).
- Kippenberg, T. J., Holzwarth, R., Diddams, S. A. Microresonator-Based Optical Frequency Combs. Science. 322, 555-559 (2011).
- Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Vahala, K. Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature. 415, 621-623 (2002).
- 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).
- 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).
- Werner, C. S., Beckmann, T., Buse, K., Breunig, I. Blue-pumped whispering gallery optical parametric oscillator. Optics Letters. 37, 4224-4226 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Brown, N. J. Optical fabrication. Report MISC 4476 1LLNL. , (1990).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
