Microwave Systems Fotônica Baseado Ressonadores-gallery de modo Whispering

Modo de galeria de sussurros ressonadores são discos ou esferas de micro-ou milimétrica raio ^1,2,3,4. Desde que o ressonador é quase perfeitamente em forma (rugosidade da superfície nanométrica-size), a luz do laser pode ser preso por reflexão interna total dentro de seus modos próprios, que são geralmente referidos como os modos de cochichos-Galeria (WGMS). A gama espectral livre (ou frequência intermodal) pode variar de GHz a THz, dependendo do raio do ressonador, enquanto o seu factor de qualidade Q pode ser excepcionalmente elevada ^5, variando de julho ^10-novembro 10. Devido à sua propriedade única de armazenamento e abrandar luz, ressonadores ópticos WGM têm sido utilizados para realizar muitas tarefas de processamento de sinais ópticos ^3: filtragem, amplificação, tempo adiamento, etc. Com a melhoria contínua das tecnologias de fabricação, os fatores de qualidade sem precedentes torná-los adequados para a aplicação ainda mais exigente em metrologia ou quanthum aplicações baseadas ^6-13.

Nestes ressonadores ultra-Q elevado, o pequeno volume de confinamento, de fotões de alta densidade, e longo tempo de vida de fotões (proporcional a Q) induzir uma interacção matéria-luz muito forte, o que pode excitar os diferentes WGMS através de vários efeitos não lineares, como Kerr Raman, ou Brillouin por exemplo ^14-19. Usando fenômenos não-lineares em sussurrando Gallery Mode ressonadores foi proposto como uma mudança de paradigma promissor para micro-ondas ultra-pura e geração Lightwave. O fato de que este tema cruza tantas áreas da ciência e da tecnologia fundamental é um indicador claro de sua forte impacto potencial sobre uma ampla gama de disciplinas. Em particular, aeroespaciais e comunicação tecnologias de engenharia estão atualmente na necessidade de microondas versátil e sinal Lightwave com coerência excepcional. A tecnologia WGM tem várias vantagens sobre os métodos existentes ou potenciais outros simplicidade conceptual, higher robustez, menor consumo de energia, maior durabilidade, imunidade a interferências, o volume muito compacto, versatilidade freqüência, fácil integração de chips, bem como um forte potencial para integrar o mainstream de componentes fotônicos padrão para ambas as tecnologias lightwave microondas e.

Em engenharia aeroespacial, os osciladores de quartzo são esmagadoramente dominante como fontes de microondas fundamentais para ambos os sistemas de navegação (aviões, satélites, naves espaciais, etc) e sistemas de detecção (radares, sensores, etc.) No entanto, é reconhecido hoje por unanimidade que o desempenho de osciladores de quartzo estabilidade de freqüência está chegando ao chão, e não vai melhorar significativamente mais. Na mesma linha, a sua versatilidade de frequências é limitada e quase não permitirá a geração de micro-ondas ultra-estável acima de 40 GHz. Microondas osciladores fotônicos são esperados para superar essas limitações. Por outro lado, em comunicação de engenharia, microondas fotãoic osciladores também devem ser componentes importantes em redes de comunicações ópticas, onde iria realizar a conversão Lightwave / microondas com eficiência sem precedentes. Eles também são compatíveis com a tendência contínua de componentes ópticos quatro compactas em tecnologia de ondas de luz, o que permite o processamento ultra-rápida [cima / para baixo de conversão, (de) de modulação, a amplificação, a multiplexação, mistura, etc], sem a necessidade de manipular maciça (e, em seguida, lenta) electrões. Este conceito de circuitos fotônicos compactos, onde os fótons controlar os fótons através de meios não-lineares visa contornar o gargalo proveniente de largura de banda óptica praticamente ilimitada contra limitado a velocidade de processamento optoeletrônicos. Sistemas de comunicações ópticas também são muito exigentes para ultra-baixas fase micro-ondas sonoras, a fim de satisfazer tanto clock (baixo ruído de fase é equivalente ao baixo tempo jitter) e largura de banda (bits taxas aumentam proporcionalmente à freqüência de clock) requisitos. De facto, em alta velocidade Communredes icação, tais osciladores ultra-estáveis ​​são referências fundamentais para diversos fins (oscilador local para up / conversão de freqüência para baixo, sincronização de rede, a síntese transportadora, etc.)

Fenômenos não-lineares em ressonadores WGM também abrir novos horizontes de investigação para outras aplicações, tais como lasers Raman e Brillouin. De modo mais geral, esses fenômenos podem ser mescladas dentro de uma perspectiva mais ampla de fenômenos não-lineares em cavidades ópticas e guias de onda, e é um paradigma fecundo para cristalino ou fotônicos de silício. A forte confinamento e muito longa vida de fótons nas WGMS toro, como também oferecem um test-bench excelentes para investigar questões fundamentais em matéria condensada e física quântica. A corrida de sempre maior precisão em sinais eletromagnéticos também contribui para responder a perguntas por excelência em física, relacionados com a relatividade (testes para a invariância de Lorentz), ou a medição de constantes físicas fundamentais and sua possível variação com o tempo.

Neste artigo, os diferentes passos necessários para obter-gallery de modo sussurrando (WGM) ressonadores ópticos cristalinas são descritas e sua caracterização é explicado. Também é apresentado o protocolo para obter a fibra de alta cônico qualidade necessária à luz laser casal para esses ressonadores. Finalmente, a aplicação principal destes ressonadores no campo da fotônica de microondas, ou seja, ultra-estável geração de microondas usando Kerr pentes, é apresentada e discutida.

Na primeira seção, detalhamos o protocolo seguido para obter ultra-altas Q WGM ressonadores. Nosso método se baseia em uma abordagem de rotina e polonês, que lembra as técnicas padrão usadas para polir componentes ópticos, como lentes ou espelhos do telescópio. A segunda seção é dedicada à caracterização da rugosidade da superfície. Nós usamos um não-branco em contato com perfilômetro interferométrico de luz para medir a superfície roughness que leva a superfície de espalhamento perdas induzidas e, assim, diminuir o desempenho do factor de Q. Este passo é um teste experimental importante para avaliar a qualidade do polimento. A terceira secção refere-se à fabricação de uma fibra de sílica afunilada com um diâmetro na gama de micrómetros, a fim de lançar luz no ressoador. Para chegar a esses pequenos diâmetros, adotamos a técnica de "flame-escovação", utilizando-se simultaneamente motores controlados por computador para puxar a fibra à parte, e um maçarico para aquecer a área de fibra para ser reduzida ^20. Na quarta secção, o ressonador e a fibra cónica são aproximadas umas às outras para visualizar o sinal de ressonância dos modos Galeria sussurrantes utilizando um comprimento de onda de laser de varrimento. Nós mostramos na quinta seção como, aumentando a potência óptica no ressonador, conseguimos desencadear fenômenos não-lineares até observar a formação de Kerr óptico pentes de freqüência, com um espectro feito de linhas espectrais eqüidistantes. Como emphasized acima, estes Kerr pente espectros têm características excepcionais que são adequados para diversas aplicações em ciência e tecnologia ^21-23. Vamos considerar uma das aplicações mais notáveis ​​de ressonadores WGM, demonstrando um sinal de multi-comprimento de onda óptico cuja freqüência intermodal é um micro-ondas ultra-estável.