Estabilización de las oscilaciones termo-ópticas mediante resonadores micro-ópticos híbridos.
Investigación
Estabilización de las oscilaciones termo-ópticas mediante resonadores micro-ópticos híbridos.
Hacia una oscilación estable de los carcomas ópticos de ultra bajo consumo.
Para reducir drásticamente el consumo de energía de las tecnologías de la información y la comunicación, se está investigando mucho para pasar de los circuitos electrónicos, en los que la mayor parte de la energía se pierde en forma de calor, a los circuitos ópticos, que son extremadamente eficientes desde el punto de vista energético. Los peines ópticos de automóviles basados en microrresonadores ópticos están ganando protagonismo como componente importante de los circuitos ópticos porque pueden determinar la referencia temporal de un circuito óptico con gran precisión y son mucho más pequeños y baratos que los peines ópticos de frecuencia convencionales que utilizan láseres con bloqueo de modo.
En particular, los resonadores microópticos fabricados con fluoruro de calcio, que tiene un coeficiente de absorción óptica muy pequeño, pueden hacer oscilar los carcombos ópticos con mucha menos energía que los resonadores microópticos convencionales fabricados con fluoruro de magnesio o sílice. Sin embargo, en los resonadores microópticos de fluoruro de calcio, el efecto termo-óptico y la expansión térmica, que se originan en el diminuto calor generado por la absorción de la luz por el material, actúan como un efecto que hace que el resonador sea más pequeño y más grande, respectivamente, dando lugar a oscilaciones termo-ópticas que hacen que la potencia óptica en el resonador fluctúe periódicamente. Como resultado, no se puede conseguir una oscilación estable del peine óptico, lo que ha dificultado la aplicación práctica de los micro-resonadores ópticos de fluoruro de calcio como fuente de luz de peine óptico.
En este estudio se propone un resonador micro-óptico híbrido con una estructura en la que el silicio con alta conductividad térmica está incrustado dentro de un resonador micro-óptico de fluoruro de calcio. En el resonador microóptico híbrido, el silicio actúa como disipador de calor, lo que permite eliminar eficazmente el calor, que es la causa de la inestabilidad.
Fig. 1 Fotografía del CaF fabricado2 Microcavidad WGM.
La Fig. 1 muestra el resonador microóptico de fluoruro de calcio fabricado. Se observaron oscilaciones termo-ópticas en este micro-resonador óptico, como se muestra a continuación.
Fig. 2. (a) Espectro de salida medido de un CaF2 Microcavidad WGM (D = La separación de longitudes de onda de los modos longitudinales generados es mucho mayor que el rango espectral libre de la cavidad. Este espectro es inestable durante la medición.(b) Forma de onda de salida medida de la luz de bombeo (LPF) y de la luz FWM (HPF).
La Fig. 2(a) muestra el espectro con el resonador microóptico de la Fig. 1. La Fig. 2(b) muestra la forma de onda temporal correspondiente a la Fig. 2(a). La potencia óptica de la luz de bombeo transmitida a través del filtro de paso bajo (LPF), indicada por la línea azul, puede verse como una oscilación termo-óptica periódica fluctuante. Por otra parte, la potencia óptica de los carcombs de luz transmitida a través del filtro de paso alto (HPF), mostrada por la línea roja, puede verse generada y extinguida repetidamente bajo la influencia de las oscilaciones termo-ópticas.
Fig. 3. (a) Ilustración esquemática de la estructura propuesta.(b) Forma de onda transmitida calculada de la bomba desde la microcavidad WGM mostrada en (a), cuando (b) Forma de onda transmitida calculada de la bomba desde la microcavidad WGM mostrada en (a), cuando d = 0 µm.(c) igual que (b) pero con d = 100 µm, (d) d = 200 µm, (e) d = 300 µm, y (f) d = 400 µm.
La Fig. 3(a) muestra un diagrama conceptual del resonador microóptico híbrido, mientras que las Fig. 3(b), (c), (d), (e) y (f) muestran los resultados de la simulación de las oscilaciones termoópticas cuando el diámetro del fluoruro de calcio se fija en 500 μm y el diámetro del silicio es de 0 μm (sin silicio), 100 μm, 200 μm, 300 μm y 400 μm respectivamente. Los resultados de la simulación de las oscilaciones termo-ópticas se muestran para diámetros de 0, 100, 200, 300 y 400 µm (sin silicio), respectivamente. A medida que se aumenta el diámetro del silicio, el equilibrio entre el efecto termo-óptico y el efecto de la expansión térmica cambia, y se confirma que cuando el diámetro del silicio es suficientemente grande, las oscilaciones termo-ópticas desaparecen ya que el efecto termo-óptico y el efecto de la expansión térmica se equilibran y se alcanza un estado de equilibrio térmico.
Los resultados demuestran que el uso de micro-resonadores ópticos híbridos puede eliminar el problema de las oscilaciones termo-ópticas, lo que da lugar a un oscilador óptico de carcom de alta eficiencia energética basado en el fluoruro de calcio.
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