Изготовление высокодобротных кристаллических микрорезонаторов c модами шепчущей галереи с использованием точечного алмазного точения

Биленко И.А., Булыгин Ф.В., Данилин А.Н., Лихачев Г.В., Лобанов В.Е., Лоншаков Е.А., Миньков К.Н., Шитиков А.Е., Юрин А.И., Павлов Н.Г.

Полный текст «Оптического журнала»

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Миньков К.Н, Лихачев Г.В., Павлов Н.Г., Данилин А.Н., Шитиков А.Е., Юрин А.И., Лоншаков Е.А., Булыгин Ф.В., Лобанов В.Е., Биленко И.А. Изготовление высокодобротных кристаллических микрорезонаторов c модами шепчущей галереи с использованием точечного алмазного точения // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 6. С. 84–92. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-06-84-92

Minkov K.N., Likhachev G.V., Pavlov N.G., Danilin A.N., Shitikov A.E., Yurin A.I., Lonshakov E.A., Bulygin F.V., Lobanov V.E., Bilenko I.A. Fabrication of high-Q crystalline whispering gallery mode microcavities using single-point diamond turning [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2021. V. 88. № 6. P. 84–92. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-06-84-92

Ссылка на англоязычную версию:

K. N. Min’kov, G. V. Likhachev, N. G. Pavlov, A. N. Danilin, A. E. Shitikov, A. I. Yurin, E. A. Lonshakov, F. V. Bulygin, V. E. Lobanov, and I. A. Bilenko, "Fabrication of high-Q crystalline whispering gallery mode microcavities using single-point diamond turning," Journal of Optical Technology. 88(6), 348-353 (2021). https://doi.org/10.1364/JOT.88.000348

Аннотация:

Разработана и описана методика изготовления высокодобротных кристаллических оптических микрорезонаторов c модами шепчущей галереи путём алмазного точения и последующей асимптотической абразивной полировки. Методика позволяет изготавливать микрорезонаторы с заданной геометрией и добротностью не ниже 107. Приведено пошаговое описание процедуры изготовления, определены важные параметры, обеспечивающие оптимальное качество поверхности изготавливаемых микрорезонаторов, описаны процедуры контроля основных характеристик и дан обзор результатов изготовления микрорезонаторов из различных материалов.

Ключевые слова:

оптические микрорезонаторы, моды шепчущей галереи, оптические частотные гребёнки, алмазное точение, абразивная полировка, измерение добротности

Благодарность:

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП ВНИИОФИ (ckp.vniiofi.ru) и ЦКП «Визуализации высокого разрешения» Сколтеха (https://www.skoltech.ru). Работа поддержана Российским научным фондом (проект № 20-12-00344).

Коды OCIS: 120.0120, 160.1190, 160.4330

Список источников:

1. Braginsky V.B., Gorodetsky M.L., Ilchenko V.S. Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes // Physics Letters A. 1989. V. 137. P. 393–397.
2. Городецкий М.Л. Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью. М.: Физматлит, 2011. 416 с.
3. Ilchenko V.S., Matsko A.B. Optical resonators with whispering-gallery modes-part II: Applications // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. № 12. P. 15–32.
4. Strekalov D.V., Marquardt C., Matsko A.B., Schwefel H.G.L., Leuchs G. Nonlinear and quantum optics with whispering gallery resonators // J. Opt. 2016. V. 18(12). P. 123002.
5. Ward J., Benson O. WGM microresonators: Sensing, lasing and fundamental optics with microspheres // Laser Photon. Rev. 2011. V. 5. P. 553.
6. Zhu J., Ozdemir S.K., Xiao Y.-F., Li L., He L., Chen D.-R., Yang L. On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator // Nat. Photonics. 2010. V. 4(1). P. 46–49.
7. Lin G., Coillet A., Chembo Y.K. Nonlinear photonics with high-Q whispering-gallery-mode resonators // Adv. Opt. Photonics. 2017. V. 9(4). P. 828–890.
8. Vasiliev V.V., Velichansky V.L., Ilchenko V.S., Gorodetsky M.L., Hollberg L, Yarovitsky A.V. Narrow-line-width diode laser with a high-Q microsphere resonator // Opt. Commun. 1998. V. 158. P. 305.
9. Liang W., Ilchenko V., Eliyahu A.A., Savchenkov D., Matsko A.B., Seidel D. Ultralow noise miniature external cavity semiconductor laser // Nat. Commun. 2015. V. 6. P. 7371.
10. Kondratiev N.M., Lobanov V.E., Cherenkov A.V., Voloshin A.S., Pavlov N.G., Koptyaev S., Gorodetsky M.L. Self-injection locking of a laser diode to a high-Q WGM microresonator // Opt. Express. 2017. V. 25(23). P. 28167–28178.
11. Galiev R.R., Pavlov N.G., Kondratiev N.M., Koptyaev S., Lobanov V.E., Voloshin A.S., Gorodnitskiy A.S., Gorodetsky M.L. Spectrum collapse, narrow linewidth, and Bogatov effect in diode lasers locked to high-Q optical microresonators // Opt. Express. 2018. V. 26. P. 30509.
12. Del’Haye P., Schliesser A., Arcizet O., Wilken T., Holzwarth R., Kippenberg T.J. Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator // Nature. 2007. V. 450. P. 1214–1217.
13. Pasquazi A., Peccianti M., Razzari L., Moss D.J., Coen S., Erkintalo M., Chembo Y.K., Hansson T., Wabnitz S., Del’Haye P., Xue X., Weiner A.M., Morandotti R. Micro-combs: A novel generation of optical sources // Phys. Rep. 2018. V. 729. P. 1–81.
14. Kippenberg T.J., Gaeta A.L., Lipson M., Gorodetsky M.L. Dissipative Kerr solitons in optical microresonators // Science. 2018. V. 361. P. 8083.
15. Suh M.-G., Yang Q.-F., Yang K.Y., Yi X., Vahala K.J. Microresonator soliton dual-comb spectroscopy // Science. 2016. V. 354. P. 600.
16. Riemensberger J., Lukashchuk A., Karpov M., Weng W., Lucas E., Liu J., Kippenberg T.J. Massively parallel coherent laser ranging using a soliton microcomb // Nature. 2020. V. 581. P. 164.

17. Obrzud E., Rainer M., Harutyunyan A., Anderson M.H., Liu J., Geiselmann M., Chazelas B., Kundermann S., Lecomte S., Cecconi M., Ghedina A., Molinari E., Pepe F., Wildi F., Bouchy F., Kippenberg T.J., Herr T. A microphotonic astrocomb // Nat. Photonics. 2019. V. 13. P. 31.
18. Papp S.B., Beha K., Del’Haye P., Quinlan F., Lee H., Vahala K.J., Diddams S.A. Microresonator frequency comb optical clock // Optica. 2014. V. 1. P. 10.
19. Marin-Palomo P., Kemal J.N., Karpov M., Kordts A., Pfeifle J., Pfeiffer M.H.P., Trocha P., Wolf S., Brasch V., Anderson M.H., Rosenberger R., Vijayan K., Freude W., Kippenberg T.J., Koos C. Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications // Nature. 2017. V. 546. P. 274.
20. Pavlov N.G., Koptyaev S., Lihachev G.V., Voloshin A.S., Gorodnitskiy A.S., Ryabko M.V., Polonsky S.V., Gorodetsky M.L. Narrow-linewidth lasing and soliton Kerr microcombs with ordinary laser diodes // Nat. Photonics. 2018. V. 12. P. 694.
21. Raja A.S., Voloshin A.S., Guo H., Agafonova S.E., Liu J., Gorodnitskiy A.S., Karpov M., Pavlov N.G., Lucas E., Galiev R.R., Shitikov A.E., Jost J.D., Gorodetsky M.L., Kippenberg T.J. Electrically pumped photonic integrated soliton microcomb // Nat. Commun. 2019. V. 10. P. 680.
22. Shen B., Chang L., Liu J., Wang H., Yang Q.-F., Xiang C., Wang R.N., He J., Liu T., Xie W., Guo J., Kinghorn D., Wu L., Ji Q.-X., Kippenberg T.J., Vahala K., Bowers J.E. Integrated turnkey soliton microcombs // Nature. 2020. V. 582(7812). P. 365–369.
23. Voloshin A.S., Kondratiev N.M., Lihachev G.V., Liu J., Lobanov V.E., Dmitriev N.Yu., Weng W., Kippenberg T.J., Bilenko I.A. Dynamics of soliton self-injection locking in optical microresonators // Nature Communications. 2021. V. 12. P. 235.
24. Lin G., Diallo S., Henriet R., Jacquot M., Chembo Y. K. Barium fluoride whispering-gallery-mode disk-resonator with one billion quality-factor // Optics letters. 2014. V. 39(20). P. 6009–6012.
25. Kudo H., Ogawa Y., Kato T., Yokoo A., Tanabe T. Fabrication of whispering gallery mode cavity using crystal growth // Applied Physics Letters. 2013. V. 102. P. 211105.
26. Minkov K.N. An apparatus for the manufacture of optical dielectric microresonators using a thermal method // Instruments and Experimental Techniques. 2020. V. 63(3). P. 421–424.
27. Brasch V., Geiselmann M., Herr T., Lihachev G., Pfeiffer M.H.P., Gorodetsky M.L., Kippenberg T.J. Photonic chip–based optical frequency comb using soliton Cherenkov radiation // Science. 2015. V. 351(6271). P. 357.
28. Savchenkov A.A., Ilchenko V.S., Matsko A.B., Maleki L. Kilohertz optical resonances in dielectric crystal cavities // Physical Review A. 2004. V. 70. P. 4.
29. Savchenkov A.A., Matsko A.B., Ilchenko V.S., Maleki L. Optical resonators with ten million finesse // Optics Express. 2007. V. 15. № 11. Р. 6768–6773.
30. Azami S., Kudo H., Mizumoto Y., Tanabe T., Yan J., Kakinuma Y. Experimental study of crystal anisotropy based on ultra-precision cylindrical turning of single-crystal calcium fluoride // Precision Engineering. 2015. V. 40. P. 172–181.
31. Shitikov A.E., Bilenko I.A., Kondratiev N.M., Lobanov V.E., Markosyan A., Gorodetsky M.L. Billion Q-factor in silicon WGM resonators // Optica. 2018. V. 5(12). P. 1525–1528.
32. Shitikov A.E., Benderov O.V., Kondratiev N.M., Lobanov V.E., Rodin A.V., Bilenko I.A. Microresonator and laser parameter definition via self-injection locking // Physical Review Applied. 2020. V. 14(6). P. 064047.
33. Goel S., Agrawal A., Reuben R.L. Diamond machining of silicon: a review of advances in molecular dynamics simulation // Int. J. Mach. Tools Manuf. 2015. V. 88. P. 131–164.