WGM Microresonators for Optical Communication Systems

1. M. JELÍNEK1,F. TODOROV2, V. MATĚJEC2, M. CHOMÁT2, V. KUBEČEK 1, D. BERKOVÁ2 1 Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze,Břehová 7, Praha 1 2Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i., Chaberská 57, Praha 8 Křemenné optické mikrorezonátory 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 • Příprava křemenných mikrorezonátorů • Metody charakterizace mikrorezonátorů • Experimentálně naměřená spektra • Závěr

6. Úvod • Mikrorezonátor: mikrokulička z dielektrického materiálu o průměru ~10 až ~100mm • Světlo s rezonančními frekvencemi se šíří ve formě tzv. „módů šeptající galerie – whisperinggallerymodes“ • Pole módů je silně lokalizováno do oblasti stěny mikrorezonátoru • Vzhledem k minimálním ztrátám při odrazu světla a potenciálně nízké absorpci materiálu lze dosáhnout mimořádně vysokých hodnot činitelů jakosti Q

7. Obsah • Úvod • Motivace • Příprava křemenných mikrorezonátorů • Metody charakterizace mikrorezonátorů • Experimentálně naměřená spektra • Závěr

8. Mikrolasery

9. Zúžení a stabilizace spektrální čáry

10. Senzory s vysokou detekční citlivostí • Biologické a chemické senzory

11. Spektrální vlastnosti • Rezonanční spektrum mikrorezonátoru se skládá ze skupin pásů TE(TM)lmq módů, které jsou od sebe vzdáleny o tzv. velký volný spektrální rozsahDlFSR: • Křemenný mikrorezonátor nr=1,457, poloměr r=165 mm, vlnová délka l=1565 nm: DlFSR = 1,6 nm, což odpovídá DnFSR = 198 GHz l: vlnová délka nr: index lomu mikrorezonátoru r: poloměr mikrorezonátoru

12. Obsah • Úvod • Motivace • Příprava křemenných mikrorezonátorů • Metody charakterizace mikrorezonátorů • Experimentálně naměřená spektra • Závěr

13. Příprava křemenných mikrorezonátorů • Příprava kulových mikrorezonátorů zahřátím konce vlákna plamenem kyslíko-vodíkového hořáku • Byly připraveny mikrorezonátory s průměrem 200 až 400 mm

14. Obsah • Úvod • Motivace • Příprava křemenných mikrorezonátorů • Metody charakterizace mikrorezonátorů • Experimentálně naměřená spektra • Závěr

15. Metody charakterizace • Excitace WGM módů prostřednictvím evanescentního pole • Metody charakterizace mikrorezonátorů: • Objemový hranol • Vláknový hranol • Vláknový taper

16. Excitace objemovým hranolem LD: přeladitelný laserový zdroj L1, L2: sférické čočky (f=25 mm) P: hranol SF5 PD1: fotodioda + osciloskop

17. Excitace objemovým hranolem LD: přeladitelný laserový zdroj L1, L2: sférické čočky (f=25 mm) P: hranol SF5 PD1: fotodioda + osciloskop

18. Excitace vláknovým hranolem LD: přeladitelný laserový zdroj PD1: fotodioda + osciloskop

19. Excitace vláknovým taperem LD: přeladitelný laserový zdroj PD2: fotodioda + osciloskop

20. Obsah • Úvod • Motivace • Příprava křemenných mikrorezonátorů • Metody charakterizace mikrorezonátorů • Experimentálně naměřená spektra • Závěr

21. Excitační zdroje • Telekomunikační laserová dioda 1565 nm • Šířka emitované spektrální čáry < 1 MHz • Ladění vlnové délky Dl= 1 nm procházejícím proudem • Laserový systém Agilent 81642B • Šířka emitované spektrální čáry < 100 kHz • Ladění vlnové délky Dl> 10 nm

22. Excitace objemovým hranolem Přeladitelná laserová dioda

23. Excitace vláknovým hranolem Přeladitelná laserová dioda

24. Excitace vláknovým hranolem Laserový systém Agilent

25. Excitace vláknovým hranolem Šířka vybraného dipu: 0,86 pm (FWHM) <=> 106 MHz Činiteli jakosti: Q=1,8×106

26. Excitace vláknovým taperem Přeladitelná laserová dioda

27. Excitace taperem – vyhodnocení Šířka vybraného dipu: 1,35 pm (FWHM) <=> 165 MHz Činiteli jakosti: Q=1,16×106

28. Obsah • Úvod • Motivace • Příprava křemenných mikrorezonátorů • Metody charakterizace mikrorezonátorů • Experimentálně naměřená spektra • Závěr

29. Závěr • Připraveny kulové mikrorezonátory s průměrem 200 až 400 mm • Vyzkoušena tři uspořádání excitace WGM módů: objemový hranol, vláknový hranol a vláknový taper • Ostrá rezonanční minima dosažena pomocí vláknového hranolu i vláknového taperu - činitel jakosti v řádu 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. Pump Light Source Microsphere Laser cavity Set-up for Gas Absorption Measurements 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 Tapered Fibre microsphere Angled polished fibre • Optical coupling is accomplished by phase matching the microsphere mode to the fundamental fiber mode Microsphere coupling schemes P. Féron, Quaderni Di Ottica E Fotonica, vol. 8, p. 117, 2002; Knight et al, Optics Letters, Vol.22, p1129, 1997

34. Fibre Pulling Motorised Stages Fibre Clampers Motion Controllers Laser beam LabVIEW Laser focus lens Galvanometer Mirror Laser Scan System Fibre taper fabrication system The schematic diagram of the CO2 laser tapering system

35. Beam block CCD camera Fibre clamper Focus lens Galvanometer mirror 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. Fibre Clamps Microscope Objective Coupling point Taper Microsphere Microsphere-tapered fibre coupling point X-Y-Z Translation Stages Microsphere laser cavity Coupling between the fibre taper and the microsphere

39. Microsphere laser cavity Tunable laser source Monochromator Microsphere laser system • Taper diameter: ~2μm • Sphere diameter:~75μm • 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