Оптический микрополость - Optical microcavity

Моделирование с временным разрешением динамики импульса, освещающего микрополость.

An оптический микрополость или микрорезонатор представляет собой структуру, образованную отражающими поверхностями с двух сторон разделительного слоя или оптического носителя, или путем обертывания волновод по кругу, чтобы сформировать звенеть. Первый тип - это стоячая волна полости, а последняя представляет собой бегущая волна полость. Название микроПолость возникает из-за того, что она часто составляет всего несколько микрометров, а промежуточный слой иногда даже в нанометровом диапазоне. Как и в случае с обычным лазеры это формирует оптический резонатор или оптический резонатор, позволяя стоячая волна внутри разделительного слоя или бегущей волны, которая идет по кольцу.

Приложения и эффекты

Фундаментальное различие между обычным оптическим резонатором и микрорезонаторами заключается в эффектах, которые возникают из-за малых размеров системы, но их принцип работы часто можно понять так же, как и для больших оптических резонаторов. Квантовая эффекты света электромагнитное поле можно наблюдать[1]. Например, спонтанное излучение скорость и поведение атомы изменяется из-за такой микрополости, явление, которое упоминается как подавленное спонтанное излучение[2]. Это можно представить как ситуацию, когда нет фотон испускается, если окружение - это ящик, который слишком мал, чтобы его вместить. Это приводит к изменению спектр излучения, которая значительно сужается.

Более того, нелинейные эффекты усиливаются на порядки из-за сильного ограничения света, что приводит к генерации частотные гребенки микрорезонатора, малая мощность параметрические процессы такие как понижающая конверсия, генерация второй гармоники, четырехволновое смешение и оптическое параметрическое колебание[3]. Некоторые из этих нелинейных процессов сами по себе приводят к генерации квантовых состояний света. Еще одно поле, использующее сильное ограничение света, - это оптомеханика полости, где возвратно-поступательное взаимодействие светового луча с механическим движением резонатора становится сильно связанным[4][5]. Даже в этой области квантовые эффекты могут начать играть роль[6].

Микрорезонаторы находят множество применений, часто в настоящее время в оптоэлектронике, где вертикальные резонаторы с поверхностным излучением VCSEL наверное, самые известные. Недавно сингл фотон излучающее устройство было продемонстрировано путем размещения квантовая точка в микрополости. Эти источники света интересны квантовая криптография и квантовые компьютеры.

Обзор дан в обзорной статье, опубликованной в журнале. Природа.[7]

Типы

Стоячая волна

Для микрополости, поддерживающей одномодовый режим или несколько режимов стоячей волны, толщина разделительного слоя определяет так называемую «режим резонатора». длина волны который может передаваться и будет формироваться как стоячая волна внутри резонатора. В зависимости от типа и качества зеркал при передаче образуется так называемая полоса заграждения. спектр микрополости, большой диапазон длины волн, который отражается и передается одиночный (обычно в центре). Существуют разные способы изготовления микрополостей стоячей волны, либо путем испарения чередующихся слоев диэлектрической среды для формирования зеркал (DBR ) и среды внутри разделительного слоя или путем модификации полупроводник материала или металлическими зеркалами.

Бегущая волна

В микрополостях бегущей волны, которые часто называют «микрорезонаторами», волна движется по петле в предпочтительном направлении, в зависимости от направления входящего света. Они могут быть в виде резонаторы шепчущей галереи, или как интегрированные кольцевые резонаторы. Типичные материалы, из которых они сделаны, могут быть полупроводниками, такими как Кремний, Диоксид кремния, нитрид кремния, кристаллические фториды (CaF2, MgF2, SrF2 ) или ниобат лития. Материал выбирается таким образом, чтобы он был прозрачным для желаемой длины волны и с низкими потерями. Обычно такие конструкции изготавливают либо алмазное точение или микрообработка цилиндрический стержень из материала (особенно для фторидов и ниобата лития), или фотолитография и электронно-лучевая литография для изготовления узорчатого резонатора на кристалле (для материалов на основе кремния).

Когда целое число длин волн материала соответствует окружности резонатора, резонансная волна возбуждается за счет конструктивной интерференции. В резонансе световое поле может быть усилено от нескольких сотен до нескольких миллионов раз, что определяется количественно Коэффициент утонченности резонатора[8]. Это также приводит к сверхвысокому фактор качества, что означает, что свет проходит по окружности много миллионов раз, прежде чем распасться на окружающую среду.[9][10].

Рекомендации

  1. ^ Fürst, J. U .; Стрекалов, Д. В .; Elser, D .; Aiello, A .; Андерсен, У.Л .; Marquardt, Ch .; Leuchs, G. (2011-03-15). "Квантовый свет от дискового резонатора в режиме шепчущей галереи". Письма с физическими проверками. 106 (11): 113901. arXiv:1008.0594. Bibcode:2011PhRvL.106k3901F. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.113901. PMID  21469862.
  2. ^ Яблонович, Эли (1987-05-18). «Ингибированное спонтанное излучение в физике твердого тела и электронике». Письма с физическими проверками. 58 (20): 2059–2062. Bibcode:1987PhRvL..58.2059Y. Дои:10.1103 / PhysRevLett.58.2059. PMID  10034639.
  3. ^ Fürst, J. U .; Стрекалов, Д. В .; Elser, D .; Aiello, A .; Андерсен, У.Л .; Marquardt, Ch .; Лейкс, Г. (27 декабря 2010 г.). "Низкопороговые оптические параметрические колебания в резонаторе в режиме шепчущей галереи". Письма с физическими проверками. 105 (26): 263904. arXiv:1010.5282. Bibcode:2010PhRvL.105z3904F. Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.263904.
  4. ^ Kippenberg, T. J .; Вахала, К. Дж. (2007-12-10). "Полостная оптомеханика". Оптика Экспресс. 15 (25): 17172–17205. arXiv:0712.1618. Bibcode:2007OExpr..1517172K. Дои:10.1364 / OE.15.017172. ISSN  1094-4087.
  5. ^ Аспельмейер, Маркус; Киппенберг, Тобиас Дж .; Марквардт, Флориан (30 декабря 2014 г.). «Полостная оптомеханика». Обзоры современной физики. 86 (4): 1391–1452. arXiv:1303.0733. Bibcode:2014РвМП ... 86.1391А. Дои:10.1103 / RevModPhys.86.1391.
  6. ^ Аспельмейер, Маркус; Мейстр, Пьер; Шваб, Кейт (июль 2012 г.). «Квантовая оптомеханика». Физика сегодня. 65 (7): 29–35. Bibcode:2012ФТ .... 65г..29А. Дои:10.1063 / PT.3.1640. ISSN  0031-9228.
  7. ^ Вахала, Керри Дж. (2003). «Оптические микрополости». Природа. 424 (6950): 839–846. Bibcode:2003Натура.424..839В. Дои:10.1038 / природа01939. ISSN  0028-0836. PMID  12917698.
  8. ^ Савченков Анатолий А .; Мацко, Андрей Б .; Ильченко, Владимир С .; Малеки, Лютня (28 мая 2007 г.). «Оптические резонаторы с десятью миллионами тонкости». Оптика Экспресс. 15 (11): 6768–6773. Bibcode:2007OExpr..15.6768S. Дои:10.1364 / OE.15.006768. ISSN  1094-4087.
  9. ^ Цзи, Синчэнь; Barbosa, Felippe A. S .; Робертс, Саманта П .; Датт, Авик; Карденас, Хайме; Окавати, Ёситомо; Брайант, Алекс; Гаэта, Александр Л .; Липсон, Михал (20.06.2017). «Встроенные резонаторы со сверхнизкими потерями и параметрическим порогом генерации менее милливатт». Optica. 4 (6): 619–624. arXiv:1609.08699. Bibcode:2017 Оптический ... 4..619J. Дои:10.1364 / OPTICA.4.000619. ISSN  2334-2536.
  10. ^ Armani, D. K .; Kippenberg, T. J .; Spillane, S.M .; Вахала, К. Дж. (Февраль 2003 г.). «Тороидальный микрополость сверхвысокой добротности на кристалле». Природа. 421 (6926): 925–928. Bibcode:2003Натура.421..925А. Дои:10.1038 / природа01371. ISSN  0028-0836.