La mezcla de cuatro ondas ( FWM ) es un fenómeno de intermodulación en la óptica no lineal , mediante el cual las interacciones entre dos o tres longitudes de onda producen dos o una nuevas longitudes de onda. Es similar al punto de intercepción de tercer orden en los sistemas eléctricos. La mezcla de cuatro ondas se puede comparar con la distorsión de intermodulación en los sistemas eléctricos estándar. Es un proceso no lineal paramétrica, en el que la energía de los entrantes fotones se conserva . FWM es un proceso sensible a la fase, ya que la eficiencia del proceso se ve fuertemente afectada por las condiciones de coincidencia de fase .
Mecanismo
Cuando tres frecuencias (f 1 , f 2 y f 3 ) interactúan en un medio no lineal, dan lugar a una cuarta frecuencia (f 4 ) que se forma por la dispersión de los fotones incidentes, produciendo el cuarto fotón.
Dada entradas f 1 , f 2 , y f 3 , el sistema no lineal producirá
A partir de cálculos con las tres señales de entrada, se encuentra que se producen 12 frecuencias de interferencia, tres de las cuales se encuentran en una de las frecuencias de entrada originales. Tenga en cuenta que estas tres frecuencias que se encuentran en las frecuencias de entrada originales se atribuyen típicamente a la modulación de fase propia y la modulación de fase cruzada , y están naturalmente emparejadas en fase a diferencia de FWM.
Generación de frecuencia de suma y diferencia
Dos formas comunes de mezcla de cuatro ondas se denominan generación de frecuencia de suma y generación de frecuencia de diferencia. En suma, se ingresan tres campos de generación de frecuencia y la salida es un nuevo campo de alta frecuencia en la suma de las tres frecuencias de entrada. En la generación de frecuencias diferenciales, la salida típica es la suma de dos menos el tercero.
Una condición para la generación eficiente de FWM es el emparejamiento de fases: los k-vectores asociados de los cuatro componentes deben sumar cero cuando son ondas planas. Esto se vuelve significativo ya que la generación de frecuencias de suma y diferencia a menudo se mejora cuando se aprovecha la resonancia en los medios de mezcla. En muchas configuraciones, la suma de los dos primeros fotones se sintonizará cerca de un estado resonante. [1] Sin embargo, cerca de las resonancias, el índice de refracción cambia rápidamente y hace que la suma de cuatro vectores k colineales no se sumen exactamente a cero, por lo que no siempre son posibles longitudes de trayectoria de mezcla largas ya que los cuatro componentes pierden el bloqueo de fase. En consecuencia, los haces a menudo se enfocan tanto para la intensidad como para acortar la zona de mezcla.
En medios gaseosos [2] [3] una complicación que a menudo se pasa por alto es que los rayos de luz rara vez son ondas planas, pero a menudo se enfocan para una intensidad adicional, esto puede agregar un cambio de fase pi adicional a cada vector k en la condición de coincidencia de fase. A menudo es muy difícil satisfacer esto en la configuración de frecuencia de suma, pero se satisface más fácilmente en la configuración de frecuencia de diferencia (donde los cambios de fase pi se cancelan). [1] Como resultado, la frecuencia de diferencia es generalmente más sintonizable y más fácil de configurar que la generación de frecuencia de suma, por lo que es preferible como fuente de luz aunque es menos eficiente cuánticamente que la generación de frecuencia de suma.
El caso especial de la generación de frecuencia de suma donde todos los fotones de entrada tienen la misma frecuencia (y longitud de onda) es la generación de tercer armónico (THG) .
Mezcla degenerada de cuatro ondas [4]
La mezcla de cuatro ondas también está presente si solo interactúan dos componentes. En este caso el término
acopla tres componentes, generando así la llamada mezcla degenerada de cuatro ondas , que muestra propiedades idénticas al caso de tres ondas que interactúan.
Efectos adversos de FWM en comunicaciones de fibra óptica
FWM es una característica de fibra óptica que afecta a los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM), donde múltiples longitudes de onda ópticas están espaciadas a intervalos iguales o espaciamiento de canales. Los efectos de FWM son pronunciados con una menor separación de canales de longitudes de onda (como en los sistemas WDM densos) y con niveles de potencia de señal altos. La alta dispersión cromática disminuye los efectos FWM, ya que las señales pierden coherencia , o en otras palabras, aumenta el desajuste de fase entre las señales. La interferencia FWM causada en los sistemas WDM se conoce como diafonía entre canales . FWM se puede mitigar mediante el uso de un espaciado de canal desigual o fibra que aumenta la dispersión. Para el caso especial en el que las tres frecuencias están cerca de degenerarse, la separación óptica de la frecuencia de diferencia puede ser un desafío técnico.
Aplicaciones de FWM
FWM encuentra aplicaciones en conjugación de fase óptica , amplificación paramétrica , generación de supercontinuo , generación de luz ultravioleta al vacío y generación de peine de frecuencia basada en microrresonadores . Los amplificadores y osciladores paramétricos basados en la mezcla de cuatro ondas utilizan la no linealidad de tercer orden, a diferencia de la mayoría de los osciladores paramétricos típicos que utilizan la no linealidad de segundo orden. Aparte de estas aplicaciones clásicas, la mezcla de cuatro ondas se ha mostrado prometedora en el régimen óptico cuántico para generar fotones individuales , [5] pares de fotones correlacionados, [6] [7] luz comprimida [8] [9] y fotones entrelazados . [10]
Ver también
Referencias
- ^ a b Strauss, CEM; Funk, DJ (1991). "Generación de frecuencia de diferencia ampliamente sintonizable de VUV utilizando resonancias de dos fotones en H2 y Kr" . Letras de óptica . 16 (15): 1192–4. Código Bibliográfico : 1991OptL ... 16.1192S . doi : 10.1364 / ol.16.001192 . PMID 19776917 .
- ^ Cardoso, GC; Tabosa, JWR (2000). "Mezcla de cuatro ondas en átomos de cesio fríos vestidos". Comunicaciones ópticas . 185 (4–6): 353. Bibcode : 2000OptCo.185..353C . doi : 10.1016 / S0030-4018 (00) 01033-6 .
- ^ Cardoso, GC; Tabosa, JWR (2002). "Formas de línea saturadas y susceptibilidades de alto orden de átomos de cesio fríos observados a través de una rejilla de población transferida". Comunicaciones ópticas . 210 (3–6): 271. Código bibliográfico : 2002OptCo.210..271C . doi : 10.1016 / S0030-4018 (02) 01820-5 .
- ^ Cvijetic, Djordjevic, Milorad, Ivan B. (2013). Sistemas y redes de comunicaciones ópticas avanzadas . Casa Artech. págs. 314 a 217. ISBN 978-1-60807-555-3.
- ^ Fan, Bixuan; Duan, Zhenglu; Zhou, Lu; Yuan, Chunhua; Ou, ZY; Zhang, Weiping (3 de diciembre de 2009). "Generación de una fuente de fotón único mediante un proceso de mezcla de cuatro ondas en una cavidad". Physical Review A . 80 (6): 063809. Código Bibliográfico : 2009PhRvA..80f3809F . doi : 10.1103 / PhysRevA.80.063809 .
- ^ Sharping, Jay E .; Fiorentino, Marco; Coker, Ayodeji; Kumar, Prem; Windeler, Robert S. (15 de julio de 2001). "Mezcla de cuatro ondas en fibra de microestructura". Letras de óptica . 26 (14): 1048-1050. Código Bibliográfico : 2001OptL ... 26.1048S . doi : 10.1364 / OL.26.001048 . ISSN 1539-4794 . PMID 18049515 .
- ^ Wang, LJ; Hong, CK; Friberg, SR (2001). "Generación de fotones correlacionados mediante mezcla de cuatro ondas en fibras ópticas" . Journal of Optics B: Óptica cuántica y semiclásica . 3 (5): 346. Bibcode : 2001JOptB ... 3..346W . doi : 10.1088 / 1464-4266 / 3/5/311 . ISSN 1464-4266 .
- ^ Slusher, RE; Yurke, B .; Grangier, P .; LaPorta, A .; Paredes, DF; Reid, M. (1 de octubre de 1987). "Generación de luz exprimida por mezcla de cuatro ondas cerca de una resonancia atómica". JOSA B . 4 (10): 1453–1464. Código bibliográfico : 1987JOSAB ... 4.1453S . doi : 10.1364 / JOSAB.4.001453 . ISSN 1520-8540 .
- ^ Dutt, Avik; Luke, Kevin; Manipatruni, Sasikanth; Gaeta, Alexander L .; Nussenzveig, Paulo; Lipson, Michal (13 de abril de 2015). "Exprimido óptico en chip". Revisión física aplicada . 3 (4): 044005. arXiv : 1309.6371 . Código bibliográfico : 2015PhRvP ... 3d4005D . doi : 10.1103 / PhysRevApplied.3.044005 .
- ^ Takesue, Hiroki; Inoue, Kyo (30 de septiembre de 2004). "Generación de pares de fotones entrelazados por polarización y violación de la desigualdad de Bell mediante mezcla espontánea de cuatro ondas en un bucle de fibra". Physical Review A . 70 (3): 031802. arXiv : quant-ph / 0408032 . Código Bibliográfico : 2004PhRvA..70c1802T . doi : 10.1103 / PhysRevA.70.031802 .
enlaces externos
- Enciclopedia de física y tecnología láser