Mikrodalga Fotonik Sistemleri Whispering-galeri-mod Rezonatörler dayanarak
Summary
Ultra-yüksek Q fısıldayan galeri modu rezonatörler dayalı mikrodalga fotonik sistemleri kurmak için laboratuarda geliştirilen özel teknikler sunulmaktadır. Bu rezonatörler almak ve karakterize etmek için protokoller ayrıntılı olarak, ve mikrodalga fotonik uygulamaları bazı bir açıklama verilir.
Abstract
Mikrodalga fotonik sistemleri mikrodalga ve optik sinyalleri arasındaki etkileşim üzerinde temelde güveniyor. Bu sistemler son derece havacılık ve iletişim mühendisliği, algılama, metroloji, doğrusal olmayan fotonik ve kuantum optik olarak teknoloji ve uygulamalı bilim çeşitli alanlarda, için umut vericidir. Bu yazıda, ultra-yüksek Q fısıldayan galeri modu rezonatörler dayalı mikrodalga fotonik sistemleri kurmak için laboratuvarda kullanılan başlıca teknikler mevcut. Bu tür ilk lensler veya teleskop aynaları gibi optik bileşenleri parlatmak için kullanılan olanlar yakın bir eziyet-ve-lehçe tekniği dayanmaktadır rezonatör parlatma, için protokoldür bu makalede ayrıntılı. Daha sonra, hangi parlatma kalitesini karakterize etmek için önemli bir parametre bir beyaz ışık İnterferometrik profilometre önlemler yüzey pürüzlülüğü olduğunu. Rezonatörde ışık başlatmak amacıyla, mikrometre aralığında çapa sahip konik bir silika elyaf kullanılır. Bu küçük çaplı ulaşmak içins, biz ayrı fiber çekmek için aynı anda bilgisayar kontrollü motorlar kullanarak "alev fırçalama" tekniği, ve konik olmak için fiber alanı ısıtmak için bir oksijen kaynağı kabul. Rezonatör ve konik lif daha sonra dalga boyu tarama lazer kullanarak fısıldayan galeri modları rezonans sinyal görselleştirmek için birbirlerine yaklaştı. Bir Kerr optik frekans tarak oluşumu eşit uzaklıkta spektral hatları yapılmış bir spektrum ile görülmektedir kadar rezonatör, doğrusal olmayan olayların içinde optik güç artırarak tetiklenir. Bu Kerr tarak spektrumları bilim ve teknolojide çeşitli uygulamalar için uygun olan olağanüstü özelliklere sahiptir. Bu ultra-kararlı mikrodalga frekans sentezi ile ilgili uygulama göz önünde ve intermodal GHz frekansa sahip bir Kerr tarağın üretimi göstermektedir.
Introduction
Fısıldayan galeri modu rezonatörler diskleri veya mikro-ya da milimetrik yarıçapı 1,2,3,4 alanları bulunmaktadır. Rezonatör (nanometre boyutlu yüzey sertliği) neredeyse mükemmel şeklinde olması koşuluyla, lazer ışığı genellikle fısıldayan-galeri modları (WGMs) olarak adlandırılır kendi eigenmode, içinde toplam iç yansıma tarafından tuzağa olabilir. 11-05 Ekim son derece yüksek olabilir Q kalite faktörü, 10 7 arasında değişen süre serbest-spektral aralık (veya intermodal frekans), GHz gelen en rezonatör yarıçapı bağlı THz değişebilir. Yığma kendi benzersiz özelliğine ve hafif yavaşlama nedeniyle, WGM optik rezonatörler birçok optik sinyal işleme görevleri 3 gerçekleştirmek için kullanılmıştır: filtreleme, yükseltme, zaman geciktirici, vb. Üretim teknolojilerinin sürekli iyileştirme ile, kendi benzeri görülmemiş bir kalite faktörleri metroloji veya Quant daha da zorlu uygulamalar için uygun hale getirmekum tabanlı uygulamalar 6-13.
Bu ultra-yüksek Q rezonatörler, lohusalık küçük hacimli, yüksek foton yoğunluğu ve uzun foton ömrü (Q ile orantılı), Kerr gibi, çeşitli doğrusal olmayan etkileri yoluyla çeşitli WGMs heyecanlandırmak olabilir çok güçlü bir ışık-madde etkileşimi, neden Örnek 14-19 için Raman ya da Brillouin. Galeri modu rezonatörler fısıldayan doğrusal olmayan olayları kullanarak ultra saf mikrodalga ve lightwave nesil için umut verici bir paradigma değişimi olarak önerilmiştir. Bu konuda temel bilim ve teknolojinin pek çok alanda kesişen olması disiplinlerden geniş bir yelpazede üzerindeki çok güçlü potansiyel etkisi açık bir göstergesidir. Özellikle, havacılık ve iletişim mühendisliği teknolojileri çok yönlü mikrodalga ve olağanüstü tutarlılık ile lightwave sinyal ihtiyacı şu anda. WGM teknolojisi mevcut veya diğer olası yöntemler üzerinde birçok avantajı vardır: kavramsal basitlik, higher sağlamlık, küçük güç tüketimi, uzun kullanım ömrü, müdahaleler için bağışıklık, çok kompakt hacim, frekans çok yönlülük, kolay çip entegrasyonu, hem de mikrodalga ve lightwave teknolojileri hem de standart fotonik bileşenlerin ana entegre etmek için güçlü bir potansiyel.
Havacılık mühendisliğinde, kuvars osilatörler navigasyon sistemleri (uçaklar, uydular, uzay araçları, vb) ve algılama sistemleri (radar, sensörler, vb) için önemli mikrodalga kaynağı olarak ezici bir çoğunlukla baskındır. Ancak, oybirliğiyle kuvars osilatör frekans kararlılığı performansı, zemin ulaşıyor bugün kabul edilmektedir, ve önemli ölçüde artık iyileştirmek değil. Aynı doğrultuda, sıklıkları çok yönlülük sınırlıdır ve pek 40 GHz ötesinde ultra istikrarlı mikrodalga üretimi için izin verir. Mikrodalga fotonik osilatörler bu sınırlamaları aşmak için bekleniyor. Diğer taraftan, iletişim mühendislik, mikrodalga fotonic osilatörler ayrıca benzeri görülmemiş bir verimlilik ile lightwave / mikrodalga dönüştürme işlemi nerede optik haberleşme ağlarında anahtar bileşenleri olması beklenmektedir. Ayrıca ultra hızlı işlem etkinleştirmek lightwave teknolojisi kompakt tam optik bileşenlerin devam eden bir eğilim, uyumlu [yukarı / aşağı dönüştürme, karıştırma (de) modülasyonu, amplifikasyon, çoğullama, vb] olmadan büyük işlemek için ihtiyaç (ve daha sonra, yavaş) elektronlar. Fotonlar doğrusal olmayan medya üzerinden fotonlar kontrol kompakt fotonik devrelerin Bu kavram sınırlı optoelektronik işlem hızı karşı neredeyse sınırsız optik bant genişliği kaynaklanan darboğaz aşmak hedeflemektedir. Optik iletişim sistemleri de çok masa saati (düşük faz gürültü zaman jitter düşük eşdeğerdir) ve bant genişliği (bit hızlarını saat frekansı olarak artar) gereksinimlerini karşılamak için ultra düşük faz gürültü mikrodalga fırın için talep ediyorlar. Aslında, yüksek hızlı haberleşmeication ağlar, bu ultra-kararlı osilatörler birçok amaç (yukarı / aşağı frekans dönüşüm için yerel osilatör, şebeke senkronizasyonu, taşıyıcı sentezi, vb) için temel referanslar vardır.
WGM rezonatörler Doğrusal olmayan olgular ayrıca Raman ve Brillouin lazerler gibi diğer uygulamalar için araştırma yeni ufuklar açın. Daha genel olarak, bu olayların optik boşluklar ve dalga kılavuzlarında doğrusal olmayan olayların geniş bir perspektif içinde birleşti, ve kristal veya silikon fotonik için verimli bir paradigma. Olabilir Torus benzeri WGMs içine güçlü hapsi ve fotonların çok uzun ömürlü de yoğun madde ve kuantum fiziği temel konuları araştırmak için test tezgahı mükemmel sunuyoruz. Elektromanyetik sinyaller hiç artan doğruluk için yarış da özetin özeti görelilik (Lorentz değişmezliği testleri) ile ilgili fizik soruları, ya da temel fiziksel sabitler ölçümü bir cevap katkıdand zamanla olası varyasyon.
Bu makalede, kristal optik fısıldayan-galeri-modu (WGM) rezonatörler elde etmek için gerekli olan farklı adımlar açıklanmıştır ve karakterizasyonu açıklanmıştır. Ayrıca sunulan bu rezonatörler içine çift lazer ışığı için gerekli yüksek kaliteli konik lif elde etmek için protokoldür. Son olarak, mikrodalga fotonik, Kerr tarak kullanarak yani ultra istikrarlı mikrodalga nesil, alanında bu rezonatörler bir amiral gemisi uygulaması sunulmuş ve tartışılmıştır.
İlk bölümde, ayrıntılı protokol ultra yüksek Q WGM rezonatörler elde etmek için takip. Bizim yöntem, lens veya teleskop aynaları gibi optik bileşenleri parlatmak için kullanılan standart tekniklere andırır bir eziyet ve lehçe yaklaşım, dayanır. İkinci bölümde yüzey pürüzlülüğünün karakterizasyonu için ayrılmıştır. Biz yüzey ölçmek için temassız beyaz ışık İnterferometrik profilometre kullanmak rsaçılma kaynaklı kayıpları yüzey ve böylece Q faktörü performans daha düşük olur oughness. Bu adım, parlatma kalitesini değerlendirmek için önemli bir deneysel bir testtir. Üçüncü bölüm rezonatördeki ışık başlatmak amacıyla imalat ile mikrometre aralığı içinde bir çapa sahip, konik silika fiber söz konusu olduğunda. Bu küçük çaplı ulaşmak için, ayrı fiber çekmek için aynı anda bilgisayar kontrollü motorlar kullanarak "alev fırçalama" tekniği, ve 20 konik olarak fiber alanı ısıtmak için bir oksijen kaynağı kabul. Dördüncü bölümde, rezonatör ve konik lif dalga boyu tarama lazer kullanarak fısıldayan galeri modları rezonans sinyal görselleştirmek için birbirlerine yaklaştı. Biz eşit uzaklıkta spektral hatları yapılmış bir spektrum ile, rezonatör, optik gücü artırılarak, biz Kerr optik frekans tarak oluşumu gözlemlemek kadar doğrusal olmayan olayları tetiklemek için yönetmek nasıl, beşinci bölümünde göstermektedir. E gibiYukarıdaki mphasized, bu Kerr tarak spektrumları bilim ve teknoloji 21-23 hem de çeşitli uygulamalar için uygun olan olağanüstü özelliklere sahiptir. Biz kimin intermodal frekans ultra-kararlı mikrodalga bir optik çok dalga boyu sinyal göstererek WGM rezonatörler en dikkat çekici uygulamalardan biri dikkate alacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol onlara çift ışık, yüksek Q optik rezonatörler üretim sağlar ve çeşitli mikrodalga fotonik uygulamaları için doğrusal olmayan olayları tetikleyebilir.
Kaba taşlama ilk adımı rezonatör için şeklini vermelidir. 10 mikron aşındırıcı öğütme tozu ile bir saat sonra, rezonatör jantının bir tarafında (Şema 2'ye bakınız) uygun şekilli olmalıdır. Bir sonraki adım rezonatör yüzeyi pürüzsüz ve 1 mikron çaplı aşınd?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
YCK proje NextPhase (ERC StG 278.616) ile Avrupa Araştırma Konseyi mali destek kabul eder. ANR proje ORA (BLAN 031.202) gelen, ve: Yazarlar ayrıca Proje SHYRO (10.076.201 Aksiyon R & T R-S10/LN-0001-004/DA) aracılığıyla Centre National d'Etudes Spatiales (CNES, Fransa) destek kabul Bölge de Franche-Comte, Fransa.
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).
