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microcavidad óptica

Simulación con resolución temporal de la dinámica de un pulso que ilumina una microcavidad. Una microcavidad óptica o microresonador es una estructura formada por superficies re...

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Simulación con resolución temporal de la dinámica de un pulso que ilumina una microcavidad.

Una microcavidad óptica o microresonador es una estructura formada por superficies reflectantes en ambos lados de una capa espaciadora o medio óptico , o por enrollar una guía de ondas de forma circular para formar un anillo . El primer tipo es una cavidad de onda estacionaria , y el segundo, una cavidad de onda viajera . El nombre de microcavidad proviene del hecho de que suele tener solo unos pocos micrómetros de espesor, y la capa espaciadora a veces incluso en el rango de los nanómetros. Al igual que con los láseres convencionales , esto forma una cavidad óptica o resonador óptico , lo que permite que se forme una onda estacionaria dentro de la capa espaciadora o una onda viajera que se propaga en el anillo.

Aplicaciones y efectos

La diferencia fundamental entre una cavidad óptica convencional y las microcavidades radica en los efectos derivados de las pequeñas dimensiones del sistema, pero su principio de funcionamiento suele entenderse de forma similar al de los resonadores ópticos de mayor tamaño. Se pueden observar efectos cuánticos del campo electromagnético de la luz. [ 1 ] Por ejemplo, la tasa de emisión espontánea y el comportamiento de los átomos se ven alterados por una microcavidad de este tipo, un fenómeno conocido como emisión espontánea inhibida. [ 2 ] Podemos imaginar esto como la situación en la que no se emite ningún fotón si el entorno es una caja demasiado pequeña para contenerlo. Esto da lugar a un espectro de emisión alterado , que se estrecha significativamente.

Además, los efectos no lineales se ven potenciados en varios órdenes de magnitud debido al fuerte confinamiento de la luz, lo que conduce a la generación de peines de frecuencia de microresonadores , procesos paramétricos de baja potencia como la conversión descendente , la generación de segundo armónico , la mezcla de cuatro ondas y la 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 vaivén 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 desempeñar un papel. [ 6 ]

Las microcavidades tienen numerosas aplicaciones, frecuentemente en optoelectrónica , donde los láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) son probablemente los más conocidos. Recientemente, se demostró un dispositivo emisor de fotones individuales mediante la colocación de un punto cuántico en una microcavidad. Estas fuentes de luz resultan interesantes para la criptografía cuántica y la computación cuántica .

Se ofrece una visión general en el artículo de revisión publicado en la revista Nature . [ 7 ]

Tipos

onda estacionaria

Para una microcavidad que soporta un modo único o unos pocos modos de onda estacionaria, el espesor de la capa espaciadora determina el llamado "modo de cavidad", que es la longitud de onda que se puede transmitir y que se formará como una onda estacionaria dentro del resonador. Dependiendo del tipo y la calidad de los espejos, se formará una denominada banda de parada en el espectro de transmisión de la microcavidad, un amplio rango de longitudes de onda que se refleja y una sola que se transmite (generalmente en el centro). Existen diferentes métodos para fabricar microcavidades de onda estacionaria, ya sea evaporando 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 denominadas simplemente "microresonadores", las microcavidades de onda viajera presentan una onda que se propaga en forma de bucle en una dirección preferida, dependiendo de la dirección de la luz incidente. Pueden tener la forma de resonadores de galería susurrante o de resonadores de anillo integrados. Los materiales típicos con los que se fabrican pueden ser semiconductores como el silicio , el dióxido de silicio , el nitruro de silicio , los fluoruros cristalinos ( CaF₂ , MgF₂ , SrF₂ ) o el niobato de litio . El material se elige de manera que presente bajas pérdidas y sea transparente en la longitud de onda de aplicación deseada. Normalmente, estas estructuras se fabrican mediante torneado con diamante o micromecanizado de una varilla cilíndrica del material (especialmente para fluoruros y niobato de litio), o mediante fotolitografía y litografía de haz de electrones para producir un resonador con patrón en un chip (para materiales a base de silicio). [ 8 ] [ 9 ]

Cuando un número entero de longitudes de onda en el material cabe dentro de la circunferencia del resonador, se excita una onda resonante por interferencia constructiva. En resonancia, el campo de luz puede amplificarse entre varios cientos y varios millones de veces, cuantificado por el coeficiente de finura del resonador. [ 10 ] Esto también da lugar a un factor de calidad ultraalto , lo que significa que la luz viaja alrededor de la circunferencia muchos millones de veces antes de decaer en el entorno. [ 11 ] [ 12 ]

Átomos y moléculas fotónicas

Las propiedades de los estados de fotones confinados cuantizados en micro- y nanocavidades ópticas son muy similares a las de los estados de electrones confinados en átomos. [ 13 ] Debido a esta similitud, las microcavidades ópticas pueden denominarse "átomos fotónicos". Llevando esta analogía aún más lejos, un cúmulo de varios átomos fotónicos acoplados entre sí forma una molécula fotónica. [ 14 ] Cuando los átomos fotónicos individuales se acercan, sus modos ópticos interactúan y dan lugar a un espectro de supermodos hibridados de moléculas fotónicas. [ 15 ] Esto es muy similar a lo que sucede cuando dos sistemas aislados se acoplan, como dos orbitales atómicos de hidrógeno que se unen para formar los orbitales enlazantes y antienlazantes de la molécula de hidrógeno , que son supermodos hibridados del sistema acoplado total.

"Una pieza de semiconductor de tamaño micrométrico puede atrapar fotones en su interior de tal manera que se comporten como electrones en un átomo. Ahora, el PRL del 21 de septiembre describe una forma de unir dos de estos "átomos fotónicos". El resultado de esta estrecha relación es una "molécula fotónica", cuyos modos ópticos guardan un fuerte parecido con los estados electrónicos de una molécula diatómica como el hidrógeno." [ 16 ] "Las moléculas fotónicas, denominadas por analogía con las moléculas químicas, son cúmulos de microcavidades o "átomos fotónicos" que interactúan electromagnéticamente y están muy próximas entre sí." [ 17 ] "Las microcavidades acopladas ópticamente han surgido como estructuras fotónicas con propiedades prometedoras para la investigación de la ciencia fundamental, así como para aplicaciones." [ 18 ]

La primera realización fotónica del sistema de dos niveles de una molécula fotónica fue realizada por Spreew et al., [ 19 ] quienes utilizaron fibras ópticas para crear un resonador de anillo , aunque no emplearon el término "molécula fotónica". Los dos modos que forman la molécula podrían ser los modos de polarización del anillo o los modos en sentido horario y antihorario del mismo. Posteriormente, se demostró una molécula fotónica fabricada litográficamente, inspirada en una analogía con una molécula diatómica simple. [ 20 ] Sin embargo, se han propuesto otras estructuras PM inspiradas en la naturaleza (como el "benceno fotónico") y se ha demostrado que soportan modos ópticos confinados muy análogos a los orbitales moleculares del estado fundamental de sus contrapartes químicas. [ 21 ]

Las moléculas fotónicas ofrecen ventajas sobre los átomos fotónicos aislados en diversas aplicaciones, incluyendo la detección bioquímica, [ 22 ] [ 23 ] la optomecánica de cavidades, [ 24 ] [ 25 ] y los microláseres, [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] Las moléculas fotónicas también pueden utilizarse como simuladores cuánticos de la física de muchos cuerpos y como bloques de construcción de futuras redes de procesamiento de información cuántica óptica. [ 30 ]

En completa analogía, los cúmulos de nanopartículas metálicas , que soportan estados de plasmones de superficie confinados, se han denominado "moléculas plasmónicas". [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

Finalmente, también se han propuesto y demostrado moléculas híbridas fotónicas-plasmónicas (u optoplasmónicas) [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] y elásticas [ 40 ] .

Véase también

Referencias

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