Bottle microresonators for applications in quantum optics and all-optical signal processing

This thesis reports on the experimental realization, characterization and application of a novel microresonator design. The so-called “bottle microresonator” sustains whispering-gallery modes in which light fields are confined near the surface of the micron-sized silica structure by continuous total internal reflection. While whispering-gallery mode resonators in general exhibit outstanding properties in terms of both temporal and spatial confinement of light fields, their monolithic design makes tuning of their resonance frequency difficult. This impedes their use, e.g., in cavity quantum electrodynamics (CQED) experiments, which investigate the interaction of single quantum mechanical emitters of predetermined resonance frequency with a cavity mode. In contrast, the highly prolate shape of the bottle microresonators gives rise to a customizable mode structure, enabling full tunability. The thesis is organized as follows: In chapter I, I give a brief overview of different types of optical microresonators. Important quantities, such as the quality factor Q and the mode volume V, which characterize the temporal and spatial confinement of the light field are introduced. In chapter II, a wave equation calculation of the modes of a bottle microresonator is presented. The intensity distribution of different bottle modes is derived and their mode volume is calculated. A brief description of light propagation in ultra-thin optical fibers, which are used to couple light into and out of bottle modes, is given as well. The chapter concludes with a presentation of the fabrication techniques of both structures. Chapter III presents experimental results on highly efficient, nearly lossless coupling of light into bottle modes as well as their spatial and spectral characterization. Ultra-high intrinsic quality factors exceeding 360 million as well as full tunability are demonstrated. In chapter IV, the bottle microresonator in add-drop configuration, i.e., with two ultra-thin fibers coupled to one bottle mode, is discussed. The highly efficient, nearly lossless coupling characteristics of each fiber combined with the resonator's high intrinsic quality factor, enable resonant power transfers between both fibers with efficiencies exceeding 90%. Moreover, the favorable ratio of absorption and the nonlinear refractive index of silica yields optical Kerr bistability at record low powers on the order of 50 µW. Combined with the add-drop configuration, this allows one to route optical signals between the outputs of both ultra-thin fibers, simply by varying the input power, thereby enabling applications in all-optical signal processing. Finally, in chapter V, I discuss the potential of the bottle microresonator for CQED experiments with single atoms. Its Q/V-ratio, which determines the ratio of the atom- cavity coupling rate to the dissipative rates of the subsystems, aligns with the values obtained for state-of-the-art CQED microresonators. In combination with its full tunability and the possibility of highly efficient light transfer to and from the bottle mode, this makes the bottle microresonator a unique tool for quantum optics applications.Inhalt dieser Arbeit ist die Realisierung, Charakterisierung und Anwendung eines neuartigen Mikroresonators. Der sogenannte „Flaschenresonator“ ist eine mikroskopische, monolithische Struktur aus Silikatglas. In ihm treten „Flüstergaleriemoden“ auf, in denen Licht nahe der Oberfläche durch kontinuierliche Totalreflektion eingeschlossen wird. Dieses Einschlussprinzip ermöglicht extrem lange Speicherzeiten, erschweren aber im Gegenzug die Abstimmbarkeit der Resonanzfrequenz. Die ausgeprägte prolate Form des Flaschenresonators hingegen erlaubt flexible Kontrolle über die Modenstruktur und ermöglicht damit volle Durchstimmbarkeit - eine Grundvoraussetzung für Experimente zur „Resonator-Quantenelektrodynamik“. Kapitel I gibt einen kurzen Überblick über gebräuchliche Typen von Mikroresonatoren. Wichtige Größen, wie der Gütefaktor Q und das Modenvolumen V, die den zeitlichen und räumlichen Einschluss des Lichtfeldes beschreiben, werden hier eingeführt. Kapitel II enthält eine theoretische Beschreibung der Lichtpropagation in Flaschenmoden und ultradünnen Glasfasern. Letztere ermöglichen die effiziente Einkopplung von Licht in Mikroresonatoren. Als wesentliche Ergebnisse erhält man die Intensitätsverteilung der Flaschenmoden, aus der sich das Modenvolumen berechnet. Das Kapitel schließt mit der Beschreibung des Herstellungsprozesses beider Strukturen. In Kapitel III präsentiere ich experimentelle Ergebnisse zur hocheffizienten, nahezu verlustlosen Einkopplung von Licht in Flaschenmoden sowie deren räumliche und spektrale Charakterisierung. Es werden ultrahohe Gütefaktoren von 360 Millionen und vollständige Durchstimmbarkeit der Resonanzfrequenz demonstriert. Kapitel IV untersucht die Eigenschaften eines Flaschenresonators in der sogenannten „add-drop filter“ Konfiguration, in der zwei ultradünne Glasfasern an das Lichtfeld einer Flaschenmode gekoppelt sind. Diese Konfiguration ermöglicht einen resonanten Lichttransfer zwischen beiden Fasern mit einer Effizienz von über 90%. Des Weitern lässt sich in Flaschenresonatoren aufgrund des günstigen Verhältnisses von Absorption und nichtlinearem Brechungsindex optische Kerr-Bistabilität bei extrem kleinen Leistungen von etwa 50 µW beobachten. Dies erlaubt Signale zwischen den Ausgängen beider ultradünner Glasfasern zu dirigieren und zwar lediglich durch Variation der Eingangsleistung und ermöglicht damit Anwendungen im Bereich der optischen Signalverarbeitung. Kapitel V diskutiert die Eignung von Flaschenresonatoren für Experimente zur Resonator-Quantenelektrodynamik mit einzelnen Atomen. Der hier realisiert Quotient Q/V, der dem maßgeblichen Verhältnis der Koppelrate zwischen Atom und Resonator zu den dissipativen Verlustraten der Subsysteme entspricht, ermöglicht eine Wechselwirkung von Atom und Resonator im Bereich der starken Kopplung. In Kombination mit der vollen Durchstimmbarkeit, und der hocheffizienten Faserkopplung stellt der Flaschenresonator somit ein einzigartiges Werkzeug zur Kopplung von Licht und Materie dar