Microonde Photonics sistemi basati su risonatori-galleria-mode Whispering

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.