Микроқуыстар (микрорезонаторлар) – оптикалық толқындарды күшейтуге арналған шағын құрылымдар. Құрылысы, түрлері, қағидалары туралы біліңіз. Оптика, лазерлер.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Оптикалық микроқоқыс немесе микрорезонатор – аралық қабаттың немесе оптикалық ортаның екі жағындағы шағылыстырғыш беттер арқылы немесе толқын жетекті дөңгелектей орап, сақина тәрізді құрылым жасау арқылы құрылған құрылым. Бірінші түрі – тұрған толқын қуысы, ал екіншісі – жүретін толқын қуысы. Бұл құрылымның микроқоқыс деп аталуы оның көлденеңі бірнеше микрометрге жететінімен, ал аралық қабат кейде тіпті нанометрлік өлшемдерде болатынымен байланысты. Қалыпты лазерлердегідей, бұл оптикалық қуыс немесе оптикалық резонатор құрады, осы арқылы аралық қабаттың ішінде тұрған толқын немесе сақина бойымен айналатын толқын пайда болады.
An optical microcavity or microresonator is a structure formed by reflecting faces on the two sides of a spacer layer or optical medium, or by wrapping a waveguide in a circular fashion to form a ring. The former type is a standing wave cavity, and the latter is a traveling wave cavity. The name microcavity stems from the fact that it is often only a few micrometers thick, the spacer layer sometimes even in the nanometer range. As with common lasers, this forms an optical cavity or optical resonator, allowing a standing wave to form inside the spacer layer or a traveling wave that goes around in the ring.
Қолданылу және әсері
Кәдімгі оптикалық қуыс пен микроқуыстардың арасындағы негізгі айырмашылық – жүйенің кіші өлшемдерінен туындайтын эффектілер, бірақ олардың жұмыс істеу принципі көбінесе үлкен оптикалық резонаторларға ұқсас түсініледі. Жарықтың электромагниттік өрісінің кванттық эффектілерін байқауға болады. Мысалы, микроқуыс атомдардың спонтанды шығарылу жылдамдығы мен мінез-құлқына өзгеріс енгізеді, бұл құбылыс тежелген спонтанды шығарылу деп аталады. Бұл жағдайды фотон шығарылмаса, егер ортаны ұстауға тым кішкентай қорап болса, деп елестетуге болады. Бұл эмиссия спектрінің өзгеруіне алып келеді, ол айтарлықтай тарылады. Сонымен қатар, күшті жарық шектелуіне байланысты сызықтық емес эффектілер шамамен күшейтіледі, бұл микрорезонатор жиілік гребендерін, төмен қуатты параметрлік процестерді, мысалы, төмендетуді, екінші гармониканы генерациялауды, төрт толқынды араласуды және оптикалық параметрлік осцилляцияны тудырады. Осы сызықтық емес процестердің бірнешеуі жарықтың кванттық күйін жасайды. Жарықтың күшті шектелуін пайдаланатын тағы бір сала – қуыс оптомеханикасы, онда жарық сәулесінің резонатордың механикалық қозғалысымен өзара әрекеттесуі күшті байланысқа енеді. Тіпті осы салада кванттық эффектілер рөл атқара бастауы мүмкін. Микроқуыстар көптеген қолданымдарға ие, қазіргі уақытта оптоэлектроникада жиі қолданылады, онда вертикальды қуыс бетінен шығатын лазерлер (VCSEL) ең танымал. Жақында микроқуысқа кванттық нүктені орналастыру арқылы бір фотонды шығаратын құрылғы жасалды. Бұл жарық көздері кванттық криптография және кванттық компьютерлер үшін қызығушылық тудырады. Бұл туралы Nature журналында жарияланған мақалада толыққанды ақпарат берілген.
The fundamental difference between a conventional optical cavity and microcavities is the effects that arise from the small dimensions of the system, but their operational principle can often be understood in the same way as for larger optical resonators. Quantum effects of the light's electromagnetic field can be observed. For example, the spontaneous emission rate and behaviour of atoms is altered by such a microcavity, a phenomenon that is referred to as inhibited spontaneous emission. One can imagine this as the situation that no photon is emitted, if the environment is a box that is too small to hold it. This leads to an altered emission spectrum, which is significantly narrowed. Moreover, nonlinear effects are enhanced by orders of magnitude due to the strong light confinement, leading to the generation of microresonator frequency combs, low power parametric processes such as down conversion, second harmonic generation, four wave mixing and optical parametric oscillation. Several of these nonlinear processes themselves lead to the generation of quantum states of light. Another field that harnesses the strong confinement of light is cavity optomechanics, where the back and forth interaction of the light beam with the mechanical motion of the resonator becomes strongly coupled. Even in this field, quantum effects can start playing a role. Microcavities have many applications, frequently at present in optoelectronics, where vertical cavity surface emitting lasers VCSEL are probably the best known. Recently, a single photon emitting device was demonstrated by placing a quantum dot in a microcavity. These light sources are interesting for quantum cryptography and quantum computers. An overview is given in the review article published in the journal Nature.
Тұрақты толқын
Бір режімді немесе бірнеше тұрақты толқын режимін қолдайтын микроқуыс үшін аралық қабаттың қалыңдығы "қуыс режимін" анықтайды, яғни резонатор ішінде тұрақты толқын ретінде қалыптасатын және берілуі мүмкін бір толқын ұзындығы. Айналардың түрі мен сапасына байланысты микроқуыстың беру спектрінде "тоқтау жолағы" деп аталатын, кең толқын ұзындығы диапазоны пайда болады, ол шағылысады, ал бір ғана толқын ұзындығы (әдетте ортасында) беріледі. Тұрақты толқынды микроқуыстарды жасаудың әртүрлі тәсілдері бар: диэлектрлік ортаның кезектесіп жатқан қабаттарын буландыру арқылы айналарды (DBR) және аралық қабаттың ішіндегі ортаны жасау, жартылай өткізгіш материалды өңдеу немесе металл айналарды пайдалану.
For a microcavity supporting a single mode or a few standing wave modes, the thickness of the spacer layer determines the so called "cavity mode", which is the one wavelength that can be transmitted and will be formed as a standing wave inside the resonator. Depending on the type and quality of the mirrors, a so called stop band will form in the transmission spectrum of the microcavity, a long range of wavelengths, that is reflected and a single one being transmitted (usually in the centre). There are different means of fabricating standing wave microcavities, either by evaporating alternating layers of dielectric media to form the mirrors (DBR) and the medium inside the spacer layer or by modification of semiconductor material or by metal mirrors.
Жол жүретін толқын
Көбінесе "микрорезонаторлар" деп аталатын, қозғалыс толқыны микроқуыстары кіретін жарық бағытына байланысты, таңдалған бағытта дөңгелек тәрізді айналып жүретін толқынға ие. Олар шыбырауыш галереялық резонаторлар немесе интегралды сақиналық резонаторлар түрінде болуы мүмкін. Оларды жасау үшін кремний, кремний диоксиді, кремний нитриді, кристалл фторидтер (CaF2, MgF2, SrF2) немесе литий ниобаты сияқты жартылай өткізгіштер қолданылады. Материал жоғалуы аз және қолданылатын толқын ұзындығында мөлдір болуы үшін таңдалады. Мұндай құрылымдар әдетте алмасты бұрау арқылы немесе материалдың цилиндрлі таяғын микро өңдеу (әсіресе фторидтер мен литий ниобаты үшін), немесе фотолитография және электронды сәуле литографиясы арқылы чиптегі реңделген резонаторды (силиций негізіндегі материалдар үшін) жасау арқылы өндіріледі. Материалдағы толқын ұзындығының толық саны резонатордың шеңберіне сыйып келгенде, конструктивті интерференция арқылы резонанстық толқын қозғалады. Резонанс кезінде жарық өрісі бірнеше жүзден бірнеше миллион есеге дейін күшейтілуі мүмкін, бұл резонатордың финес коэффициентімен сипатталады. Бұл сондай-ақ өте жоғары сапа факторына алып келеді, яғни жарық айналасынан ыдырамай миллиондаған рет айналады.
Often just called "microresonators", traveling wave microcavities have a wave going around in a loop like fashion in a preferred direction, depending on the input light direction. They can be in the form of whispering gallery resonators, or as integrated ring resonators. Typical materials from which they are made could be semiconductors like Silicon, Silicon dioxide, silicon nitride, crystalline fluorides (CaF2, MgF2, SrF2) or lithium niobate. The material is chosen such that it is low loss and transparent in the wavelength of application desired. Typically, such structures are fabricated by either diamond turning or micromachining a cylindrical rod of a material (especially for fluorides and lithium niobate), or by photolithography and electron beam lithography to produce a patterned resonator on chip (for silicon based materials). When an integer number of wavelengths in the material fits in the circumference of the resonator, a resonant wave is excited by constructive interference. At resonance, the light field can be enhanced by several hundred to several million times, quantified by the Finesse Coefficient of the resonator. This also leads to an ultrahigh quality factor, meaning that light travels around the circumference many million times before decaying into the surroundings.