Una microcavidad óptica o microrresonador es una estructura formada por caras reflectantes en los dos lados de una capa espaciadora o medio óptico, o envolviendo una guía de ondas de forma circular para formar un anillo . El primer tipo es una cavidad de onda estacionaria y el segundo es una cavidad de onda viajera . El nombre micro cavidad deriva del hecho de que a menudo es sólo unos pocos micrómetros de espesor, la capa de separación a veces incluso en el intervalo de nanómetros. Al igual que con los láseres comunes, esto forma una cavidad óptica o un resonador óptico , lo que permite una onda estacionaria. para formarse dentro de la capa espaciadora, o una onda viajera que gira en el anillo.
Aplicaciones y efectos
La diferencia fundamental entre una cavidad óptica convencional y las microcavidades son los efectos que surgen de las pequeñas dimensiones del sistema, pero su principio operativo a menudo se puede entender de la misma manera que para los resonadores ópticos más grandes. Se pueden observar los efectos cuánticos del campo electromagnético de la luz . [1] Por ejemplo, la tasa de emisión espontánea y el comportamiento de los átomos se ve alterado por tal microcavidad, un fenómeno que se conoce como emisión espontánea inhibida. [2] Uno puede imaginar esto como la situación en la que no se emite ningún fotón , si el entorno es una caja demasiado pequeña para contenerlo. Esto conduce a un espectro de emisión alterado , que se reduce significativamente.
Además, los efectos no lineales se mejoran en órdenes de magnitud debido al fuerte confinamiento de la luz, lo que lleva a la generación de peines de frecuencia de microrresonador , procesos paramétricos de baja potencia como conversión descendente , generación de segundo armónico , mezcla de cuatro ondas y oscilación paramétrica óptica. . [3] Varios de estos procesos no lineales conducen a la generación de estados cuánticos de luz. Otro campo que aprovecha el fuerte confinamiento de la luz es la optomecánica de cavidades , donde la interacción de ida y vuelta del haz de luz con el movimiento mecánico del resonador se acopla fuertemente. [4] [5] Incluso en este campo, los efectos cuánticos pueden empezar a jugar un papel. [6]
Las microcavidades tienen muchas aplicaciones, frecuentemente en la actualidad en optoelectrónica, donde los láseres emisores de superficie de cavidad vertical VCSEL son probablemente los más conocidos. Recientemente, se demostró un dispositivo emisor de un solo fotón colocando un punto cuántico en una microcavidad. Estas fuentes de luz son interesantes para la criptografía cuántica y las computadoras cuánticas .
Se ofrece una descripción general en el artículo de revisión publicado en la revista Nature . [7]
Tipos
Onda estacionaria
Para una microcavidad que admite un modo único o algunos modos de onda estacionaria, el grosor de la capa espaciadora determina el llamado "modo de cavidad", que es la única longitud de onda que se puede transmitir y se formará como una onda estacionaria. dentro del resonador. Dependiendo del tipo y calidad de los espejos, se formará en el espectro de transmisión de la microcavidad una denominada banda de parada , un amplio rango de longitudes de onda , que se refleja y se transmite una sola (generalmente en el centro). Existen diferentes medios para fabricar microcavidades de onda estacionaria, ya sea mediante la evaporación de capas alternas de medios dieléctricos para formar los espejos ( DBR ) y el medio dentro de la capa espaciadora o mediante la modificación del material semiconductor o mediante espejos metálicos.
Onda viajera
A menudo llamadas simplemente "microrresonadores", las microcavidades de onda viajera tienen una onda que gira en forma de bucle en una dirección preferida, dependiendo de la dirección de la luz de entrada. Pueden tener la forma de resonadores de galería susurrante o como resonadores de anillo integrados. Los materiales típicos de los que están hechos podría ser semiconductores como silicio , dióxido de silicio , nitruro de silicio , fluoruros cristalinas ( de CaF 2 , MgF _ 2 , SrF 2 ) o de litio niobato . El material se elige de manera que tenga pocas pérdidas y sea transparente en la longitud de onda de aplicación deseada. Por lo general, estas estructuras se fabrican mediante torneado de diamante o micromecanizado de una varilla cilíndrica de un material (especialmente para fluoruros y niobato de litio), o mediante fotolitografía y litografía por haz de electrones para producir un resonador estampado en chip (para materiales a base de silicio).
Cuando un número entero de longitudes de onda en el material encaja en la circunferencia del resonador, una onda resonante se excita por interferencia constructiva. En la resonancia, el campo de luz se puede mejorar de varios cientos a varios millones de veces, cuantificado por el coeficiente de precisión del resonador. [8] Esto también conduce a un factor de calidad ultraalta , lo que significa que la luz viaja alrededor de la circunferencia muchos millones de veces antes de decaer hacia los alrededores. [9] [10]
Referencias
- ^ Fürst, JU; Strekalov, DV; Elser, D .; Aiello, A .; Andersen, UL; Marquardt, Ch .; Leuchs, G. (15 de marzo de 2011). "Luz cuántica de un resonador de disco en modo de galería susurrante". Cartas de revisión física . 106 (11): 113901. arXiv : 1008.0594 . Código Bibliográfico : 2011PhRvL.106k3901F . doi : 10.1103 / PhysRevLett.106.113901 . PMID 21469862 .
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