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.

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.

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.

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.