Microondas Fotónica sistemas basados ​​en resonadores-gallery-mode Whispering

Whispering galería resonadores modo son discos o esferas de micro o milimétrica radio ^1,2,3,4. A condición de que el resonador es casi perfecta forma (rugosidad superficial nanómetros de tamaño), la luz láser puede ser atrapado por reflexión interna total dentro de sus modos propios, que generalmente se conocen como modos susurro-galería (WGM). Su rango espectral libre (o frecuencia intermodal) puede variar de GHz para THz dependiendo de radio del resonador, mientras que su factor de calidad Q puede ser excepcionalmente alto ^5, que va desde julio ¹⁰ a noviembre 10. Debido a sus propiedades únicas de almacenamiento y ralentizar la luz, WGM resonadores ópticos se han utilizado para realizar muchas tareas de procesamiento de señales ópticas ^3: filtrado, amplificación, retraso de tiempo, etc. Con la mejora continua de las tecnologías de fabricación, sus factores de calidad sin precedentes hacen adecuados para aplicaciones más exigentes en materia de metrología o quantum aplicaciones basadas en ^6-13.

En estos resonadores de ultra-alta Q, el pequeño volumen de confinamiento, de alta densidad de fotones, y la larga vida útil de fotones (proporcional a Q) inducir una interacción luz-materia muy fuerte, que puede excitar los diferentes WGM a través de diversos efectos no lineales, como Kerr, Raman, o de Brillouin por ejemplo ^14-19. Usando los fenómenos no lineales en susurrando galería resonadores modo se propuso como un cambio de paradigma prometedor para microondas ultrapura y la generación de ondas de luz. El hecho de que este tema se cruza con muchas áreas de la ciencia y la tecnología fundamental es un claro indicador de su fuerte impacto potencial en una amplia gama de disciplinas. En particular, las tecnologías de ingeniería aeroespacial y la comunicación son actualmente necesitan microondas versátil y señal de onda de luz con coherencia excepcional. La tecnología WGM tiene varias ventajas sobre los métodos potenciales existentes o de otro: simplicidad conceptual, higher robustez, menor consumo de energía, tiempo de vida más largo, la inmunidad a las interferencias, volumen muy compacto, versatilidad frecuencia, una fácil integración de chip, así como un fuerte potencial para la integración de la corriente principal de los componentes fotónicos estándar tanto para las tecnologías de microondas y de ondas de luz.

En la ingeniería aeroespacial, osciladores de cuarzo son abrumadoramente dominante como fuentes de microondas clave tanto para los sistemas de navegación (aviones, satélites, naves espaciales, etc) y los sistemas de detección (radares, sensores, etc.) Sin embargo, se reconoce hoy por unanimidad que el rendimiento estabilidad de la frecuencia de los osciladores de cuarzo está llegando a su piso, y no mejorará significativamente más. En la misma línea, su versatilidad de frecuencias es limitado y difícilmente permitirá la generación de microondas ultra-estable más allá de 40 GHz. Se espera que los osciladores de microondas fotónicos para superar estas limitaciones. Por otra parte, en la comunicación de ingeniería, microondas fotónTambién se espera que los osciladores ic ser componentes clave en las redes de comunicación óptica en el que se realizará la conversión de ondas de luz / microondas con una eficiencia sin precedentes. Ellos también son compatibles con la tendencia en curso de componentes completa-ópticos compactos en la tecnología de ondas de luz, que permiten el procesamiento de ultra-rápido [Conversión arriba / abajo, (de) la modulación, la amplificación, la multiplexación, mezcla, etc], sin la necesidad de manipular masiva (y, a continuación, lento) electrones. Este concepto de circuitos fotónicos compactas donde los fotones controlan fotones a través de medios no lineales pretende eludir el cuello de botella procedente de ancho de banda óptica prácticamente ilimitada frente limitada velocidad de procesamiento optoelectrónico. Sistemas de comunicaciones ópticas son también muy exigentes para la ultra-bajas microondas de ruido de fase con el fin de satisfacer tanto clocking (bajo ruido de fase es equivalente a bajo tiempo de fluctuación de fase) y ancho de banda (las tasas de bits aumentará proporcionalmente a la frecuencia de reloj) requisitos. De hecho, en alta velocidad communicación redes, tales osciladores ultra-estables son referencias fundamentales para varios propósitos (oscilador local para arriba / abajo de conversión de frecuencia, la sincronización de la red, la síntesis de portadora, etc).

Fenómenos no lineales en resonadores WGM también abren nuevos horizontes de la investigación para otras aplicaciones, como el láser Raman y Brillouin. Más generalmente, estos fenómenos se pueden combinar dentro de la perspectiva más amplia de los fenómenos no lineales en cavidades ópticas y guías de onda, y es un paradigma fructífero para cristalino o fotónica de silicio. El confinamiento fuerte y muy larga vida útil de los fotones en los WGM toro-como también ofrecen un excelente banco de pruebas para investigar cuestiones fundamentales en materia condensada y la física cuántica. La carrera de precisión cada vez mayor en señales electromagnéticas también contribuye a responder a las preguntas por excelencia en la física, en relación con la relatividad (pruebas de invariancia de Lorentz), o la medición de las constantes físicas fundamentales de unND su posible variación con el tiempo.

En este artículo, los diferentes pasos necesarios para obtener resonadores-gallery en modo susurro ópticos cristalinos (WGM) se describen y su caracterización se explica. También se presenta es el protocolo para obtener la fibra cónica de alta calidad necesaria a la luz láser pareja en estos resonadores. Por último, una aplicación insignia de estos resonadores en el campo de la fotónica de microondas, a saber, la generación de ultra-estable microondas usando Kerr peines, se presenta y discute.

En la primera sección, se detalla el protocolo seguido para la obtención de muy alta WGM resonadores Q. Nuestro método se basa en un enfoque de molienda y pulido, que recuerda a las técnicas estándar que se utiliza para pulir componentes ópticos como lentes o espejos del telescopio. La segunda sección está dedicada a la caracterización de la rugosidad superficial. Utilizamos un sin contacto blanco perfilómetro interferométrico luz para medir la superficie roughness que conduce a la superficie de dispersión de las pérdidas inducidas y disminuir de este modo el rendimiento de factor Q. Este paso es una importante prueba experimental para evaluar la calidad del pulido. En la tercera sección se ocupa de la fabricación de una fibra de sílice cónica con un diámetro en el rango micrométrico para lanzar la luz en el resonador. Para llegar a estos pequeños diámetros, adoptamos la técnica de "flame-brushing", utilizando simultáneamente motores controlados por computadora para tirar de la fibra por sí, y un soplete para calentar la superficie de la fibra a ser cónica ^20. En la cuarta sección, el resonador y la fibra cónica se aproximan el uno al otro para visualizar la señal de resonancia de los modos de galería susurrante utilizando un láser de longitud de onda de exploración. Se demuestra en la quinta sección cómo, mediante el aumento de la potencia óptica en el resonador, logramos desencadenar fenómenos no lineales hasta que se observa la formación de Kerr frecuencia óptica peines, con un espectro hecho de líneas espectrales equidistantes. Como emphasized anteriormente, estos Kerr espectros de peine tiene características excepcionales que son adecuados para varias aplicaciones en la ciencia y la tecnología de ^21-23. Vamos a considerar una de las aplicaciones más destacadas de resonadores WGM, demostrando una señal multi-longitud de onda óptica cuya frecuencia intermodal es un microondas ultra-estable.