Введение
Оптическая микрополость или микрорезонатор – это структура, образованная отражающими гранями по обе стороны от спейсерного слоя или оптической среды, либо формированием кольца путем изгиба волновода. Первый тип представляет собой резонатор стоячей волны, а второй – резонатор бегущей волны. Название «микрополость» происходит от того, что ее толщина часто составляет всего несколько микрометров, при этом толщина спейсерного слоя иногда достигает даже нанометрового диапазона. Подобно обычным лазерам, это формирует оптическую полость или оптический резонатор, позволяя создавать стоячую волну внутри спейсерного слоя или бегущую волну, циркулирующую в кольце.
Применение и последствия
Основное различие между обычной оптической резонаторной полостью и микрополостью заключается в эффектах, возникающих из-за малых размеров системы, однако принцип их работы часто можно понять аналогично более крупным оптическим резонаторам. Можно наблюдать квантовые эффекты электромагнитного поля света. Например, скорость спонтанного излучения и поведение атомов изменяются под воздействием такой микрополости, явление, известное как подавленное спонтанное излучение. Можно представить себе ситуацию, когда фотон не излучается вовсе, если окружающая среда представляет собой слишком маленькую коробку для его удержания. Это приводит к изменению спектра излучения, который значительно сужается. Более того, нелинейные эффекты усиливаются на порядки величины благодаря сильной локализации света, что приводит к генерации частотных гребней микрорезонатора, низкоэнергетическим параметрическим процессам, таким как преобразование частоты вниз, генерация второй гармоники, смешение четырех волн и оптический параметрический генератор. Некоторые из этих нелинейных процессов сами по себе приводят к созданию квантовых состояний света. Другая область, использующая сильную локализацию света, – это кавитационная оптомеханика, где взаимодействие светового луча с механическим движением резонатора становится сильно связанным. Даже в этой области квантовые эффекты могут начать играть роль. Микрополости имеют множество применений, особенно в современной оптоэлектронике, где вертикальные резонаторные лазеры с излучением с поверхности (VCSEL) являются, пожалуй, наиболее известными. Недавно было продемонстрировано устройство, излучающее одиночные фотоны, путем размещения квантовой точки в микрополости. Эти источники света представляют интерес для квантовой криптографии и квантовых компьютеров. Обзор представлен в обзорной статье, опубликованной в журнале Nature.
Постоянная волна
Для микрокавитации, поддерживающей один режим или несколько режимов стоячей волны, толщина спейсерного слоя определяет так называемый "режим кавитации" – одну длину волны, которая может быть пропущена и сформирует стоячую волну внутри резонатора. В зависимости от типа и качества зеркал в спектре пропускания микрокавитации формируется так называемая полоса подавления – широкий диапазон длин волн, который отражается, и лишь одна длина волны пропускается (обычно в центре). Существуют различные способы создания микрокавитаций стоячей волны: путем напыления чередующихся слоев диэлектрических материалов для формирования зеркал (DBR) и среды в спейсерном слое, путем модификации полупроводникового материала или с использованием металлических зеркал.
Путешествующая волна
Часто называемые просто "микрорезонаторами", микрокавитации с бегущей волной имеют волну, распространяющуюся по замкнутой траектории в предпочтительном направлении, зависящем от направления падающего света. Они могут быть реализованы в виде шепчущих галерейных резонаторов или интегрированных кольцевых резонаторов. Типичными материалами для их изготовления служат полупроводники, такие как кремний, диоксид кремния, нитрид кремния, кристаллические фториды (CaF2, MgF2, SrF2) или ниобат лития. Материал выбирается таким образом, чтобы он обладал малыми потерями и был прозрачен в требуемом диапазоне длин волн. Как правило, такие структуры создаются либо алмазной обработкой или микрообработкой цилиндрического стержня материала (особенно для фторидов и ниобата лития), либо с помощью фотолитографии и электронно-лучевой литографии для формирования структурированного резонатора на кристалле (для материалов на основе кремния). Когда целое число длин волн в материале укладывается на длине окружности резонатора, возникает резонансная волна, обусловленная конструктивной интерференцией. В состоянии резонанса световое поле может усиливаться в сотни и миллионы раз, что количественно определяется коэффициентом добротности (Finesse) резонатора. Это также приводит к ультравысокому доброкачественному фактору, означающему, что свет совершает миллионы оборотов по окружности резонатора, прежде чем затухнуть.