Оптический микрорезонатор или микрорезонатор представляет собой структуру, образованную отражающими поверхностями на двух сторонах разделительного слоя или оптической среды или путем наматывания волновода по кругу с образованием кольца . Первый тип представляет собой полость стоячей волны , а второй — полость бегущей волны . Название «микрополость » связано с тем, что ее толщина часто составляет всего несколько микрометров, а промежуточный слой иногда даже имеет толщину нанометра. Как и в обычных лазерах , он образует оптический резонатор или оптический резонатор , позволяя формироваться стоячей волне внутри разделительного слоя или бегущей волне, которая циркулирует по кольцу.
Принципиальным отличием обычного оптического резонатора от микрорезонаторов являются эффекты, возникающие из-за малых размеров системы, однако принцип их работы часто можно понять так же, как и для более крупных оптических резонаторов. Можно наблюдать квантовые эффекты электромагнитного поля света . [1] Например, такая микрополость изменяет скорость спонтанной эмиссии и поведение атомов , и это явление называется подавлением спонтанной эмиссии. [2] Это можно представить как ситуацию, когда фотон не испускается, если окружающая среда представляет собой коробку, которая слишком мала, чтобы вместить его. Это приводит к изменению спектра излучения , который значительно сужается.
Более того, нелинейные эффекты усиливаются на порядки из-за сильного ограничения света, что приводит к генерации гребенок частот микрорезонатора , маломощным параметрическим процессам , таким как понижающее преобразование , генерация второй гармоники , четырехволновое смешение и оптическая параметрическая генерация. . [3] Некоторые из этих нелинейных процессов сами по себе приводят к генерации квантовых состояний света. Другая область, в которой используется сильное ограничение света, — это оптомеханика резонаторов , где прямое и обратное взаимодействие светового луча с механическим движением резонатора становится сильно связанным. [4] [5] Даже в этой области квантовые эффекты могут начать играть роль. [6]
Микрорезонаторы имеют множество применений, в настоящее время часто в оптоэлектронике, где , вероятно, наиболее известны лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором VCSEL . Недавно было продемонстрировано устройство, излучающее одиночные фотоны , путем помещения квантовой точки в микрорезонатор. Эти источники света интересны для квантовой криптографии и квантовых компьютеров .
Обзор дан в обзорной статье, опубликованной в журнале Nature . [7]
Для микрорезонатора, поддерживающего одномодовые или несколько режимов стоячей волны, толщина разделительного слоя определяет так называемую «моду резонатора», которая представляет собой одну длину волны , которая может передаваться и будет формироваться как стоячая волна. внутри резонатора. В зависимости от типа и качества зеркал в спектре пропускания микрорезонатора образуется так называемая полоса задерживания, длинный диапазон длин волн , который отражается, и одна пропускается (обычно в центре). Существуют различные способы изготовления микрорезонаторов стоячей волны: либо путем испарения чередующихся слоев диэлектрической среды для формирования зеркал ( DBR ) и среды внутри разделительного слоя, либо путем модификации полупроводникового материала, либо с помощью металлических зеркал.
В микрорезонаторах бегущей волны, которые часто называют просто «микрорезонаторами», волна движется петлеобразно в предпочтительном направлении, в зависимости от направления входного света. Они могут быть в виде резонаторов шепчущей галереи или в виде интегральных кольцевых резонаторов. Типичными материалами, из которых они изготавливаются, могут быть полупроводники, такие как кремний , диоксид кремния , нитрид кремния , кристаллические фториды ( CaF 2 , MgF 2 , SrF 2 ) или ниобат лития . Материал выбирается таким образом, чтобы он имел низкие потери и был прозрачным при желаемой длине волны применения. Обычно такие структуры изготавливаются либо алмазным точением , либо микрообработкой цилиндрического стержня из материала (особенно для фторидов и ниобата лития), либо фотолитографией и электронно-лучевой литографией для создания узорчатого резонатора на кристалле (для материалов на основе кремния).
Когда целое число длин волн материала помещается на окружности резонатора, резонансная волна возбуждается конструктивной интерференцией. При резонансе световое поле может усиливаться от нескольких сотен до нескольких миллионов раз, что количественно определяется коэффициентом утонченности резонатора. [8] Это также приводит к сверхвысокой добротности , а это означает, что свет проходит по окружности много миллионов раз, прежде чем распасться на окружающую среду. [9] [10]