Křemenné optické mikrorezonátory M. JELÍNEK 1, F. TODOROV 2, V. MATĚJEC 2, M. CHOMÁT 2, V. KUBEČEK 1, D. BERKOVÁ 2 1 Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze, Břehová 7, Praha 1 2 Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i., Chaberská 57, Praha 8 Optické komunikace 21.-22.10. 2010, Praha

Types of WGM microresonators Microfiber Diameter 5 μm Highest Q achieved with microsphere resonators (diameters 10- 500 μm)

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

WGM Sensors - Principle Refractive-index changes in the resonator surrounding (surface) cause a shift of resonance peaks and their broadening (decrease of Q)

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

Úvod Mikrorezonátor: mikrokulička z dielektrického materiálu o průměru ~10 až ~100 mm Světlo s rezonančními frekvencemi se šíří ve formě tzv. „módů šeptající galerie – whispering gallery modes“ 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

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

Mikrolasery

Zúžení a stabilizace spektrální čáry

Senzory s vysokou detekční citlivostí Biologické a chemické senzory

Spektrální vlastnosti Rezonanční spektrum mikrorezonátoru se skládá ze skupin pásů TE(TM)lmq módů, které jsou od sebe vzdáleny o tzv. velký volný spektrální rozsah DlFSR: 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Excitace objemovým hranolem Přeladitelná laserová dioda

Excitace vláknovým hranolem Přeladitelná laserová dioda

Excitace vláknovým hranolem Laserový systém Agilent

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

Excitace vláknovým taperem Přeladitelná laserová dioda

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

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

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

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

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 Pump Light Source Microsphere Laser cavity Set-up for Gas Absorption Measurements

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

Microsphere coupling schemes Optical coupling is accomplished by phase matching the microsphere mode to the fundamental fiber mode microsphere Angled polished fibre microsphere Tapered Fibre P. Féron, Quaderni Di Ottica E Fotonica, vol. 8, p. 117, 2002; Knight et al, Optics Letters, Vol.22, p1129, 1997

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

Fibre taper fabrication system Focus lens Galvanometer mirror Fibre clamper Beam block CCD camera The CO2 laser-based fibre taper fabrication system

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

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

X-Y-Z Translation Stages Microsphere-tapered fibre coupling point Microsphere laser cavity Fibre Clamps Microscope Objective X-Y-Z Translation Stages Microsphere-tapered fibre coupling point Taper Coupling point Microsphere Coupling between the fibre taper and the microsphere

Microsphere laser system Tunable laser source Monochromator Microsphere laser cavity 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

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)

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)

Experiment results Laser output peak intensity at 1961 nm, as a function of the pump power at 1623nm