Kremenn

1
Kremenné optické mikrorezonátory

• M. JELÍNEK 1, F. TODOROV 2, V. MATEJEC 2, M.
  CHOMÁT 2,
• V. KUBECEK 1, D. BERKOVÁ 2
• 1 Fakulta jaderná a fyzikálne inženýrská CVUT v
  Praze, Brehová 7, Praha 1
• 2 Ústav fotoniky a elektroniky AV CR, v.v.i.,
  Chaberská 57, Praha 8

• Optické komunikace 21.-22.10. 2010, Praha

2
Types of WGM microresonators
Microfiber Diameter 5 µm

• Highest Q achieved with microsphere resonators
  (diameters 10-500 µm)

3
WGM Properties
Evanescent wave of WGMs penetrates into the
microresonator surrounding on distances d?10-100
nm and provide us with a tool for detecting RI
changes in this area
4
WGM Sensors - Principle
Refractive-index changes in the resonator
surrounding (surface) cause a shift of resonance
peaks and their broadening (decrease of Q)
5
Obsah

• Úvod
• Motivace
• Príprava kremenných mikrorezonátoru
• Metody charakterizace mikrorezonátoru
• Experimentálne namerená spektra
• Záver

6
Úvod

• Mikrorezonátor mikrokulicka z dielektrického
  materiálu o prumeru 10 až 100 mm
• Svetlo s rezonancními frekvencemi
• se šírí ve forme tzv. módu šeptající
• galerie whispering gallery modes
• Pole módu je silne lokalizováno
• do oblasti steny mikrorezonátoru
• Vzhledem k minimálním ztrátám pri odrazu svetla a
  potenciálne nízké absorpci materiálu lze
  dosáhnout mimorádne vysokých hodnot cinitelu
  jakosti Q

7
Obsah

• Úvod
• Motivace
• Príprava kremenných mikrorezonátoru
• Metody charakterizace mikrorezonátoru
• Experimentálne namerená spektra
• Záver

8
Mikrolasery
9
Zúžení a stabilizace spektrální cáry
10
Senzory s vysokou detekcní citlivostí

• Biologické a chemické senzory

11
Spektrální vlastnosti

• Rezonancní spektrum mikrorezonátoru se skládá ze
  skupin pásu TE(TM)lmq módu, které jsou od sebe
  vzdáleny o tzv. velký volný spektrální rozsah
  DlFSR
• Kremenný mikrorezonátor nr1,457,
• polomer r165 mm, vlnová délka l1565 nm DlFSR
  1,6 nm, což odpovídá DnFSR 198 GHz

l vlnová délka nr index lomu mikrorezonátoru r
polomer mikrorezonátoru
12
Obsah

• Úvod
• Motivace
• Príprava kremenných mikrorezonátoru
• Metody charakterizace mikrorezonátoru
• Experimentálne namerená spektra
• Záver

13
Príprava kremenných mikrorezonátoru

• Príprava kulových mikrorezonátoru zahrátím konce
  vlákna plamenem kyslíko-vodíkového horáku
• Byly pripraveny mikrorezonátory s prumerem 200 až
  400 mm

14
Obsah

• Úvod
• Motivace
• Príprava kremenných mikrorezonátoru
• Metody charakterizace mikrorezonátoru
• Experimentálne namerená spektra
• Záver

15
Metody charakterizace

• Excitace WGM módu prostrednictvím evanescentního
  pole
• Metody charakterizace mikrorezonátoru
• Objemový hranol
• Vláknový hranol
• Vláknový taper

16
Excitace objemovým hranolem
LD preladitelný laserový zdroj L1, L2 sférické
cocky (f25 mm) P hranol SF5 PD1 fotodioda
osciloskop
17
Excitace objemovým hranolem
LD preladitelný laserový zdroj L1, L2 sférické
cocky (f25 mm) P hranol SF5 PD1 fotodioda
osciloskop
18
Excitace vláknovým hranolem
LD preladitelný laserový zdroj PD1 fotodioda
osciloskop
19
Excitace vláknovým taperem
LD preladitelný laserový zdroj PD2 fotodioda
osciloskop
20
Obsah

• Úvod
• Motivace
• Príprava kremenných mikrorezonátoru
• Metody charakterizace mikrorezonátoru
• Experimentálne namerená spektra
• Záver

21
Excitacní zdroje

• Telekomunikacní laserová dioda 1565 nm
• Šírka emitované
• spektrální cáry lt 1 MHz
• Ladení vlnové délky Dl 1 nm
• procházejícím proudem
• Laserový systém Agilent 81642B
• Šírka emitované spektrální cáry lt 100 kHz
• Ladení vlnové délky Dl gt 10 nm

22
Excitace objemovým hranolem
Preladitelná laserová dioda
23
Excitace vláknovým hranolem
Preladitelná laserová dioda
24
Excitace vláknovým hranolem
Laserový systém Agilent
25
Excitace vláknovým hranolem
Šírka vybraného dipu 0,86 pm (FWHM) ltgt 106 MHz
Ciniteli jakosti Q1,8106
26
Excitace vláknovým taperem
Preladitelná laserová dioda
27
Excitace taperem vyhodnocení
Šírka vybraného dipu 1,35 pm (FWHM) ltgt 165 MHz
Ciniteli jakosti Q1,16106
28
Obsah

• Úvod
• Motivace
• Príprava kremenných mikrorezonátoru
• Metody charakterizace mikrorezonátoru
• Experimentálne namerená spektra
• Záver

29
Záver

• Pripraveny kulové mikrorezonátory s prumerem
• 200 až 400 mm
• Vyzkoušena tri usporádání excitace WGM módu
  objemový hranol, vláknový hranol a vláknový taper
• Ostrá rezonancní minima dosažena pomocí
  vláknového hranolu i vláknového taperu - cinitel
  jakosti v rádu 106
• Další postup vývoj chemického senzoru

30
Optical Fibre Lasers And Their Potential Sensor
Applications

• Tong Sun1, Rosa Ana Pérez-Herrera2, Shuying
  Chen1, Atasi Pal3, Manuel López-Amo2, Ranjan
  Sen3, K T V Grattan1,
• 1City University London, UK 2Universidad Pública
  de Navarra, Spain 3Central Glass and Ceramic
  Research Institute (CGCRI), India

31
Microsphere laser background

• Compact and low-threshold infrared laser source
  for potential multi-parameter gas/vapour
  detection (2µm)
• Exploration of newly designed and fabricated
  Tm/Yb co-doped single mode silica fibres

32
Whispering gallery modes and microsphere

• Optical microcavities confine and store optical
  energy to small volumes by resonant recirculation
  
• Whispering gallery modes (WGMs) orbits near the
  spherical surface, where long confinement times
  effectively wrap a large interaction distance
  into tiny volume.
• Microsphere as a micro-resonant cavity
• High Q factor
• Low threshold
• Narrow line-width

33
Microsphere coupling schemes

• Optical coupling is accomplished by phase
  matching the microsphere mode to the fundamental
  fiber mode

P. Féron, Quaderni Di Ottica E Fotonica, vol. 8,
p. 117, 2002 Knight et al, Optics Letters,
Vol.22, p1129, 1997
34
Fibre taper fabrication system
The schematic diagram of the CO2 laser tapering
system
35
Fibre taper fabrication system
The CO2 laser-based fibre taper fabrication
system
36
Low loss fibre tapers created
Image of a 2µm taper under microscope
ASE broad band light source spectrum before and
after the tapering the SMF28
37
Microsphere fabrication

• Laser gain material Tm/Yb co-doped single mode
  silica fibre
• Tm concentration 1110ppm Yb concentration
  1060ppm
• Fibre core diameter 9?m, NA 0.15
• The fibre cladding was removed by chemical
  etching at Acreo, Sweden
• Microsphere fabrication melting the end of an
  etched fibre using the CO2 laser and the
  microsphere will be formed at the end of the
  fibre due to the surface tension

38
Microsphere laser cavity
Coupling between the fibre taper and the
microsphere
39
Microsphere laser system

• Taper diameter 2µm
• Sphere diameter75µm
• The microsphere is in contact with the taper to
  avoid the disturbance due to environmental
  vibrations
• A tunable laser source was used as the pumping
  source
• A Monochrometer was used to scan cross the
  emission range to detect the laser emission
  signals

40
Experiment results
Tm/Yb sphere laser spectrum pumped by 2 mW power
at a wavelength of 1623nm showing signal
intensity in arbitrary units (a.u.) versus
wavelength (nanometres)
41
Experiment results obtained
Tm/Yb sphere laser spectrum pumped by 15 mW power
at a wavelength of 1623nm showing signal
intensity in arbitrary units (a.u.) versus
wavelength (nanometres)
42
Experiment results
Laser output peak intensity at 1961 nm, as a
function of the pump power at 1623nm