Способ перестройки устройства поверхностной аксиальной нанофотоники
METHOD FOR RESTRUCTURING SURFACE AXIAL NANOPHOTONICS DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение входит в сферу применения микрорезонаторных оптических устройств и также принадлежит к области волоконной оптики. Оно относится к методам использования так называемых устройств поверхностной аксиальной нанофотоники (surface nanoscale axial photonics, SNAP, ПАН), основанных на формировании микрорезонаторов мод шепчущей галереи (МШГ) в цилиндрической области у поверхности оптического волокна [1]. Т.е. основой для микрорезонатора ПАН, в отличие от других микрорезонаторов, служит дешевое и доступное кварцевое оптическое волокно, радиус которого контролируется с нанометровой точностью. Благодаря доступности оптических волокон и вариативности их исполнения, устройства ПАН имеют огромный потенциал в области оптических коммуникаций [2, 3], биомедицины [4], спектрометрии [5], оптической обработки информации [6, 7], сенсоров [8, 9] и т.д.
В связи с этим важна разработка методов управления такими устройствами и применения их как в исключительно системах поверхностной нанофотоники, так и в более традиционных приборах (одночастотных лазерах, фотонных датчиках, биосенсорах и т.д.). Хотя указанная технология ПАН чрезвычайно перспективна, она является относительно новым изобретением [10], вследствие чего необходимые подходы к созданию и управлению микрорезонаторами ПАН пока не получили значительного развития сверх того, что было предложено их изобретателями. В частности, пока не были продемонстрированы устройства ПАН, генерирующие оптические гребенки. В силу этого, актуальной является задача разработки новых схем контроля микрорезонаторов ПАН, которые будут способствовать широкому внедрению поверхностной аксиальной фотоники во многие отрасли науки и промышленности.
Уровень техники
В настоящее время применение микрофотонных устройств на основе поверхностной аксиальной фотоники находится, по существу, в зародыше. Несмотря на то, что уже описано несколько устройств на их основе [1], как и принципы создания более сложных систем ПАН [3], расширение фундаментальных подходов к использованию парадигмы ПАН, а особенно их встраивание в различные более традиционные методы контроля и обработки излучения, имеет большое практическое значение. В данной области пока еще возможны нестандартные решения, которые не имеют никаких аналогов в других областях.
Среди практических применений фотонных технологий особое место занимают вопросы стабилизации и точной настройки резонансов оптических фильтров и подобных устройств на длину волны излучения, распространяющегося в них. Так, задача стабилизации относительного положения спектра лазера накачки и спектра резонанса микрорезонатора является важной для множества применений, использующих нелинейные эффекты, включая генерацию оптических гребенок, оптомеханические взаимодействия и другие. Для решения этой задачи могут использоваться как методы подстройки длины волны лазера накачки в резонансы микрорезонаторов (в том числе в микрорезонаторы ПАН), так и методы подстройки резонанса самих микрорезонаторов, входящих в состав таких устройств, под рабочую длину волны излучения.
Так, одним из распространенных методов первого типа является метод активной подстройки длины волны лазера с помощью петли обратной связи на основе схемы Паунда-Древера-Холла [11]. Этот метод, однако, требует существенного усложнения схемы заведения излучения в микрорезонатор (необходим электрооптический модулятор, радиочастотный генератор, приемники излучения и т.д.). Кроме того, подобные методы требуют от источника излучения возможность перестройки его спектра, что накладывает ограничения на минимально достижимые шумовые характеристики излучения накачки.
В частности, ширина линии лучших перестраиваемых лазеров обычно составляет 100 кГц, что намного большего ширины линии одночастотного лазера с фиксированной длиной волны (которая может достигать нескольких герц). Этот недостаток перестраиваемых лазеров затрудняет их использование для генерации и обработки оптических частотных гребенок (см., например, [12]), важнейшей задачи фотоники, необходимой для создания сверхточных оптических атомных часов, сверточных спектроскопов и т.д. Большая ширина линии и амплитудные шумы перестраиваемого лазера накачки существенно ограничивают достижимые параметры оптической гребенки. В то же время, одночастотный лазер может обеспечить гораздо более низкий уровень шума и более узкую ширину линии, чем перестраиваемые лазеры, что делает их перспективными кандидатами для накачки микрорезонаторов.
Также необходимо отметить, что перестраиваемые по длине волны источники излучения, даже в случае очень узкого диапазона, оказываются существенно сложнее и дороже, чем их аналоги с фиксированной длиной волны выходного излучения. Они также обычно требуют больших усилий по поддержанию их работоспособности и накладывают большие ограничения на параметры окружающей среды.
Таким образом, разработка методов подстройки резонанса микрорезонатора к длине волны лазера приобретает первостепенную важность для ряда практических приложений. Среди этих методов распространены тепловые [13], как не требующие специальных волокон или внешних устройств для другого типа воздействия. Первым и самым простым методом является пассивная стабилизация синего (коротковолнового) края резонанса на длине волны излучения накачки [14]. Эффект реализуется тогда, когда излучение накачки расположено на синем склоне резонанса микрорезонатора. При этом небольшое увеличение (уменьшение) длины волны накачки может привести к увеличению (уменьшению) количества энергии, поглощенной в микрорезонаторе, а значит, и к нагреванию (охлаждению) микрорезонатора, и, таким образом, к сдвигу резонанса в длинноволновую (коротковолновую) область вслед за излучением накачки. Этот метод, однако, страдает от необходимости подстраивать мощность накачки для достижения необходимой величины обратной связи, что может быть нежелательно при наблюдения нелинейных эффектов (генерации оптических гребенок и т.д.), сильно зависящих от мощности накачки. Кроме этого, этот и подобные ему методы могут оказаться неприменимыми в устройствах с высокой добротностью, где повышенный уровень мощности, необходимой для реализации этого эффекта, входит в противоречие с другими требованиями (например, требование низкого энергопотребления).
Развитием этого метода является использование дополнительного стабилизирующего перестраиваемого лазера на другой длине волны, который производит «захват» коротковолнового крыла некоторого из резонансов микрорезонатора. Благодаря этому все резонансы микрорезонатора также стабилизируются относительно длины волны стабилизирующего лазера и могут быть использованы для накачки основным лазером [15]. Недостатком этого метода можно назвать невозможность использования лазера накачки с мощностью, сравнимой с мощностью стабилизирующего лазера (поскольку его излучение также начинает играть важную роль в тепловых процессах), а также необходимость двух источников излучения вместо одного.
Наконец, благодаря разным эффективным термооптическим коэффициентам мод шепчущей галереи с различной поляризацией появляется возможность измерять температуру микрорезонатора по разнице длин волн ортогональных резонансов, и в активном режиме подстраивать мощность падающего излучения для изменения поглощения и контроля температуры [16]. По сложности этот метод сравним с традиционным методом Паунда-Древера-Холла. Хотя принцип его действия отличается, реализация поляризационной дискриминации также требует наличия электрооптического модулятора, контроллера поляризации и очень точного термостата. Кроме того, необходимость возбуждать две поляризации для использования такого метода может быть несовместимым с требованиями конкретного приложения, и во всяком случае будет усложнять оптическую схему.
В силу этого имеется необходимость разработки более простых и эффективных способов настройки взаимного положения длины волны излучения и резонансов в устройствах поверхностной аксиальной фотоники.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание простого и эффективного способа спектральной перестройки устройств поверхностной аксиальной фотоники с использованием источника оптического излучения и минимума элементов, который бы не требовал изменения мощности излучения, циркулирующего в таком устройстве.
Техническим результатом изобретения является возможность перестройки резонансов микрорезонатора либо набора таких микрорезонаторов, созданных на поверхности волоконного световода полностью оптическим методом (с помощью излучения), при этом не оказывая влияния на интенсивность нелинейных процессов, происходящих в микрорезонаторе.
Поставленная задача решена тем, что устройство поверхностной аксиальной нанофотоники (или несколько таких сопряженных устройств) выполнено на поверхности одного оптического волокна, сердцевина которого обеспечивает повышенное поглощение проходящего по нему излучения. В качестве одной из возможностей обеспечить достаточное поглощение может быть использовано легирование сердцевины ионами редкоземельных элементов (иттербий, эрбий, гольмий, и др.).
В поглощающую сердцевину волокна с помощью стандартных методов волоконной оптики заводится управляющее оптическое излучение. Управляющее излучение может создаваться либо с помощью дополнительного лазерного узкополосного источника, либо дополнительного источника широкополосного излучения. Также в качестве управляющего излучения можно использовать некоторую долю излучения накачки, заводимого в микрорезонатор. В этом случае контроль мощности управляющего излучения может проводиться с помощью настраиваемого оптического аттенюатора или усилителя. Мощность управляющего излучения должна быть достаточно высокой для нагрева волокна. При этом поглощение не должно быть слишком большим, чтобы исключить существенный градиент интенсивности излучения на длине волокна, занятой устройством поверхностной нанофотоники
В случае легирования, спектр поглощения легирующих примесей должен покрывать спектр излучения. Управляющее излучение, распространяющееся по сердцевине, поглощается примесями. При этом одна часть поглощенного излучения переизлучается, но некоторая другая часть (порядка 10%) [17] безизлучательным образом переходит в тепло. В результате происходит нагрев всего волокна, образующего микрорезонатор ПАН, что приводит к перестройке резонансов мод шепчущей галереи за счет увеличения диаметра волокна и увеличения коэффициента преломления вследствие термооптического эффекта.
Отметим, что предложенный способ позволяет перестраивать идентичным образом несколько устройств ПАН, расположенных на одном волокне. Действительно, в случае использования коммерчески доступных легированных волокон концентрация примесей в них такова, что поглощение составляет величины в диапазоне до 100 дБ/м. Таким образом, на расстояниях порядка длины устройства аксиальной нанофотоники (единицы миллиметров) мощность управляющего излучения изменяется мало. С другой стороны, высокая теплопроводность кварцевого волокна также вносит вклад в обеспечение равномерности прогрева волокна по всей его длине. Т.е. если на поверхности одного волокна последовательно расположены несколько устройств аксиальной нанофотоники, образующие единую систему (например, гребенчатый фильтр или линия задержки [18]), предложенный способ перестройки позволяет одновременную спектральную перестройку всех этих устройств.
На фиг. 1 приведена экспериментальная демонстрация перестройки микрорезонатора ПАН с помощью внешнего управляющего излучения, пропускаемого через сердцевину волокна, в частности, приведен пример одновременной перестройки резонанса микрорезонаторов ПАН в области вдоль оси волокна не менее 2 мм.
Для демонстрации возможности перестройки был реализован следующий эксперимент, где управляющее излучение создавалось с помощью дополнительного лазерного источника.
3+
В качестве микрорезонатора использовалось два отрезка оптических волокон, сваренных с помощью стандартного метода электродуговой оптической сварки. Одно из волокон - стандартное кварцевое оптическое волокно Corning SMF-28. Второе волокно марки IXBLUE Photonics IXF-EDF-FGC-1480 имело сердцевину, легированную ионами эрбия. Благодаря этому, излучение на длинах волн порядка 1.5 мкм поглощается Er, часть поглощенной энергии переходит в тепло и приводит к нагреву волокна. Измеренное поглощение на длине волны 1530 нм составило 8 дБ/м. Диаметр кварцевой оболочки обоих волокон составляла 125 мкм, а внешняя пластиковая защитная оболочка была удалена.
В области микрорезонатора вблизи сварки исследовались спектры мод шепчущей галереи, возбуждаемых на поверхности оболочки волокон, с помощью метода, описанного ранее [19]. Сдвиг резонансных длин волн мод шепчущей галереи, возникающий в разных точках вдоль оси микрорезонатора, линейным образом связан с вариацией эффективного радиуса [20].
Была проведена серия измерений вариаций эффективного радиуса для трех разных случаев - в отсутствие излучения в сердцевине волокон, образующих микрорезонатор, а также при накачке сердцевины волокон внешним управляющим излучением с мощностью 10 мВт либо 40 мВт. Управляющее излучение на длине волны 1530 нм от одномодового полупроводникового лазера PurePhotonics заводилось в сердцевину микрорезонатора со стороны нелегированного волокна SMF-28.
Была определена величина вариации эффективного радиуса, которая вносится за счет нагрева волокна при появлении излучения в сердцевине. На фигуре 1а) представлены результаты измерения внесенной вариации эффективного радиуса в разных точках вдоль оси микрорезонатора в некоторой области вокруг места сварки двух волокон. Отметим, что в месте сварки возникла небольшая область (с координатами 5000-6000 мкм), где моды шепчущей галереи не возбуждались, и в этой области вариация эффективного радиуса не определялась.
Как и следовало ожидать, эффективный радиус не претерпевает изменений в области микрорезонатора на поверхности нелегированного волокна, т.е. в области, в которой нет поглощения излучения в сердцевине. Наблюдаются лишь хаотичные вариации эффективного радиуса от точки к точке вдоль микрорезонатора, которые обуславливаются колебаниями температуры ненагретого участка в процессе эксперимента (установка не была термостабилизирована).
Вместе с тем, в области микрорезонатора с легированной сердцевиной за счет нагрева происходит увеличение эффективного радиуса. Величина изменения тем больше, чем больше мощности заводится в сердцевину волокна. Кроме того, благодаря появлению внутреннего источника нагрева микрорезонатора уменьшились флуктуации эффективного радиуса, связанные с колебаниями температуры окружающей среды.
Для верификации результатов была построена численная модель, описанная ранее в [21, 22]. Модель включает в себя одномерное уравнение теплопроводности с учетом распространения тепла вдоль волокна и потерь тепла за счет конвекции и радиационного теплообмена, а также учитывает тепло, получаемое при распространении и поглощении излучения в сердцевине. Модель позволяет определять степень нагрева в разных точках вдоль микрорезонатора. Вычисленная вариация температуры затем используется для определения вносимой вариации радиуса с использованием линейного закона и термооптического коэффициента, а также коэффициента теплового расширения.
На фигуре 1б) представлен результат моделирования распределения внесенной вариации радиуса для двух разных мощностей излучения, заводимого в сердцевину. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными наблюдениями и подтверждают возможность перестройки устройств аксиальной нанофотоники всюду вдоль оси микрорезонатора.
Кроме того, в качестве управляющего излучения может быть использовано само излучение, непосредственно прошедшее через микрорезонатор. В этом случае перестройка микрорезонатора излучением, проходящим через сердцевину, может быть применена для реализации нового метода пассивной стабилизации положения резонанса относительно длины волны накачивающего микрорезонатор источника. Этот метод подстройки опирается на обратную связь между положением резонанса и мощностью излучения, попадающего в сердцевину. Для этого длина волны излучения накачивающего лазера выставляется такой, чтобы она попадала на длинноволновой склон провала в спектре пропускания микрорезонатора, соответствующего некоторому резонансу моды шепчущей галереи (см. пример на фиг. 2б)). Тогда при случайном смещении спектрального резонанса в коротковолновую (длинноволновую) область относительно длины волны лазера увеличивается (уменьшается) пропускание и в сердцевину микрорезонатора попадает больше (меньше) излучения, которое нагревает микрорезонатор сильнее (слабее) и возвращает резонанс, сдвигая его обратно в длинноволновую (коротковолновую) область.
Таким образом, в предлагаемом методе стабилизации степень обратной связи определяется не мощностью подающегося на микрорезонатор излучения, а долей излучения, которая направляется в сердцевину. Настройка доли излучения, попадающего в сердцевину, может быть выполнена с помощью оптических аттенюаторов, либо оптических усилителей, которые позволяют существенным образом увеличить силу обратной связи, не изменяя мощности циркулирующего в микрорезонаторе излучения.
Отметим принципиально новые возможности, связанные с обратной связью за счет поглощения в сердцевине. В традиционных схемах, где происходит стабилизация благодаря обратной связи поглощения в моде шепчущей галереи, степень стабилизации зависит от мощности излучения, заводимого в моду шепчущей галереи микрорезонатора. Т.е. настройка величины обратной связи происходит с помощью вариации падающей мощности. Но многие эффекты, используемые в микрорезонаторах (например, многоволновая генерация за счет керровской нелинейности), зависят от подаваемой мощности, и необходимость настройки мощности может нарушить эти режимы. В то же время, величина обратной связи, создаваемой за счет заведения излучения в сердцевину, может варьироваться независимо, не нарушая эффектов, наблюдаемых в микрорезонаторах.
Для демонстрации нового метода стабилизации спектра микрорезонатора относительно длины волны лазера был реализован следующий эксперимент.
Излучение одночастотного перестраиваемого лазера направлялось в тянутое волокно, находящееся в контакте с микрорезонатором ПАН на основе легированного волокна из предыдущего примера. Направление поляризации падающего излучения совмещалось с поляризацией резонанса с помощью контроллера поляризации. Большая часть излучения, прошедшего через тянутое микроволокно, подавалась в сердцевину легированного оптического волокна, образующего микрорезонатор, через оптический полупроводниковый усилитель. Небольшая доля излучения (10%), прошедшего через тянутое микроволокно, с помощью волоконного ответвителя заводилась в измерительную систему, состоящую из фотодетектора и осциллографа, и позволяющую измерять динамику мощности излучения (фиг. 2а).
Длина волны излучения лазера выставлялась такой, чтобы она попадала на длинноволновой склон провала в спектре пропускания микрорезонатора, соответствующего некоторому резонансу моды шепчущей галереи (фиг. 2б). Как указывалось выше, такая настройка позволяет создать петлю отрицательной связи, стабилизирующую положение резонанса микрорезонатора.
Следует отметить, что кроме этой петли обратной связи существует и другая, связанная с нагревом микрорезонатора непосредственно модой шепчущей галереи [14]. Эта обратная связь на правом склоне является положительной: случайный сдвиг резонанса относительно длины волны лазера в коротковолновую область уменьшает долю излучения, захваченного микрорезонатором, т.е. уменьшает тепловыделение за счет потерь в моде шепчущей галереи, что приводит к охлаждению микрорезонатора и дальнейшему сдвигу спектра резонанса в коротковолновую область. Этот процесс делает длинноволновое крыло резонанса нестабильным [14].
Тем не менее, отрицательная обратная связь, реализуемая с помощью заведения излучения в сердцевину, может быть установлена значительно большей, приводя в результате к стабилизации резонанса устройства ПАН относительно длины волны лазера. В эксперименте использовалось усиление оптического сигнала с помощью полупроводникового оптического усилителя, что позволило получить отрицательную обратную связь достаточной силы. Усиление было выбрано таким, чтобы при длине волны лазера, далекой от резонанса, в сердцевину заводилось порядка 30 мВт излучения.
В результате было установлено, что стабильность резонанса относительно длины волны лазера улучшилась при использовании обратной связи с излучением в сердцевине. Среднеквадратичное отклонение нормированной мощности, прошедшей через тянутое волокно, составило 0.13 для случая, когда излучение в сердцевину не заводится, и 0.04 для случая с излучением в сердцевине (фиг. 2в). Измерения проводились в течение 200 секунд.
На фигуре 2а представлена блок-схема эксперимента, где 1 - узкополосный перестраиваемый лазер, 2 - контроллер поляризации, 3 - тянутое волокно, 4 - волоконный ответвитель с коэффициентом деления 10/90, 5 - полупроводниковый оптический усилитель, 6 - измерительная система, состоящая из фотодетектора и осциллографа. Фиг. 2б демонстрирует спектр излучения лазера и спектр пропускания микрорезонатора, фиг. 2в - измеренная временная динамика мощности, прошедшей через тянутое волокно, с обратной связью и без нее.
Ссылки
1. D.J. DiGiovanni, М. Sumetsky, Fiber-based photonic microdevices with sub-wavelength scale variations in fiber radius, патент США №8,755,653 (выдан 17 июня 2014 г.).
2. А.V. Dmitriev, М. Sumetsky, Tunable photonic elements at the surface of an optical fiber with piezoelectric core, Optics Letters 41(10) 2165-2168; doi: 10.1364/OL.41.002165.
3. M. Sumetsky, Methods and devices incorporating surface nanoscale axial photonics, международная патентная заявка №WO 2016/066998 (подана 22 октября 2015 г.).
4. М. Sumetsky, Slow light optofluidics: a proposal, Optics Letters 39(19) 5578-5581 (2014); doi: 10.1364/OL.39.005578.
5. V. Dvoyrin, Bottle microresonator broadband and low-repetition-rate frequency comb generator, Optics Letters 41(23) 5547-5550; doi: 10.1364/OL.41.005547.
6. M. Sumetsky, Delay of light in an optical bottle resonator with nanoscale radius variation: dispersionless, broadband, and low loss, Physical Review Letters 111, 163901 (2013); doi: 10.1103/PhysRevLett. 111.163901.
7. M. Sumetsky, Optical delay line formed as surface nanoscale axial photonic device, заявка на патент США №2015/0277049 (подана 1 мая 2014 г.).
8. G. Nemova, R. Kashyap, Silica bottle resonators for refractive index and temperature measurements, Sensors 16(1), 87; doi: 10.3390/sl 6010087.
9. X. Fan, R.W. Wilson, Dielectric microcavity sensors, патент США №7,352,933 (выдан 1 апреля 2008 г.).
10. M. Sumetsky, High Q-factor conical optical microresonator and utilization in the locationcharacterization of optical fibres, патент США №8,860,935 (выдан 14 октября 2014 г.).
11. Е.D. Black, An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization, Am. J. Phys. 69, 79-87 (2001); doi: 10.1119/1.1286663.
12. A. Pasquazi, M. Peccianti, L. Razzari, D. J. Moss, S. Coen, M. Erkintalo, Y. K. Chembo, Hansson, S. Wabnitz, P. , X. Xue, A. M. Weiner, and R. Morandotti, "Micro-combs: A novel generation of optical sources," Phys. Rep.729, 1-81 (2018). doi:10.1016/j.physrep.2017.08.004
13. X. Jiang, L. Yang, Optothermal dynamics in whispering-gallery microresonators, Light Sci-Appl 9, 24 (2020). doi: 10.1038/s41377-019-0239-6.
14. T. Carmon, L. Yang, and K. J. Vahala, Dynamical thermal behavior and thermal self-stability of microcavities, Opt. Express 12, 4742-4750 (2004) doi: 10.1364/OPEX. 12.004742.
15. I. Grudinin, H. Lee, T. Chen, and K. Vahala, Compensation of thermal nonlinearity effect in optical resonators, Opt. Express 19, 7365-7372 (2011); doi: 10.1364/OE. 19.007365.
16. D.V. Strekalov et al., Temperature measurement and stabilization in a birefringent whispering gallery mode resonator. Opt. Express 19, 14495-14501 (2011).
17. A.D. Guzman-Chavez, Y.O. Barmenkov, and A.V. , "Spectral dependence of the excited-state absorption of erbium in silica fiber within the 1.48-1.59μ.m range," Appl. Phys. Lett. 92, 191111 (2008). doi: 10.1063/1.2926671.
18. M. Sumetsky, "A SNAP coupled microresonator delay line," Opt. Express 21, 15268 (2013). doi: 10.1364/OE.21.015268
19. Д.В. Чуркин, С.В. Хорев, И.Д. Ватник, Ч. Хань, Способ измерения профиля торца оптического волокна возбуждением аксиальных мод шепчущей галереи и расстояния от точки возбуждения до торца (варианты), патент РФ №2 697 921 (выдан 21 август 2019 г.).
20. Sumetsky М, Dulashko Y. Radius variation of optical fibers with angstrom accuracy. Opt Lett 2010;35:4006. doi: 10.1364/OL.35.004006.
21. Lai, M.H., Lim, K.S., Gunawardena, D.S., Lee, Y.S. and Ahmad, H., "CO2 Laser Applications in Optical Fiber Components Fabrication and Treatment: A Review," IEEE Sens. J. 17(10), 2961-2974 (2017) doi: 10.1109/JSEN.2017.2682186.
22. Д.В. Крисанов, И.Д. Ватник, С.В. Хорев, Д.В. Чуркин, Способ изготовления устройства поверхностной аксиальной нанофотоники, патент РФ №2723979 (выдан 18 июня 2020 г.).