Resonador nanofotónico

Un resonador nanofotónico o nanocavidad es una cavidad óptica que tiene un tamaño del orden de decenas a cientos de nanómetros. Las cavidades ópticas son un componente principal de todos los láseres , son responsables de proporcionar amplificación de una fuente de luz a través de retroalimentación positiva , un proceso conocido como emisión espontánea amplificada o ASE. Los resonadores nanofotónicos ofrecen un confinamiento de energía de luz inherentemente mayor que las cavidades ordinarias, lo que significa interacciones luz-material más fuertes y, por lo tanto, un umbral láser más bajo siempre que el factor de calidad del resonador sea alto. ^[1] Los resonadores nanofotónicos se pueden hacer con cristales fotónicos, silicio, diamante o metales como el oro.

Para un láser en una nanocavidad, la emisión espontánea (SE) del medio de ganancia se mejora por el efecto Purcell , ^{[2] [3]} igual al factor de calidad o factor de la cavidad dividido por el volumen del campo modal efectivo, . Por lo tanto, reducir el volumen de una cavidad óptica puede aumentar drásticamente este factor, lo que puede tener el efecto de disminuir el umbral de potencia de entrada para el láser. ^{[4] [5]} Esto también significa que el tiempo de respuesta de la emisión espontánea de un medio de ganancia en una nanocavidad también disminuye, lo que resulta en que el láser puede alcanzar el estado estable del láser picosegundos después de que comienza a bombearse. Por lo tanto, un láser formado en una nanocavidad puede modularse a través de su fuente de bombeo a velocidades muy altas. Se han demostrado aumentos de la tasa de emisión espontánea de más de 70 veces en los dispositivos láser semiconductores modernos, con velocidades de modulación láser teóricas que superan los 100 GHz, un orden de magnitud más alto que los láseres semiconductores modernos y más alto que la mayoría de los osciloscopios digitales. ^[2] Los resonadores nanofotónicos también se han aplicado para crear filtros a escala nanométrica ^{[6] [7]} y chips fotónicos ^[6] ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle F=Q/V_{\text{mode}}}$

Diferencias con las cavidades clásicas

Para cavidades mucho más grandes que la longitud de onda de la luz que contienen, ya se han realizado cavidades con factores Q muy altos (~125.000.000). ^[8] Sin embargo, ha sido difícil producir cavidades altas del orden del mismo tamaño que la longitud de onda óptica debido a la relación inversa entre las pérdidas de radiación y el tamaño de la cavidad. ^[1] Cuando se trata de una cavidad mucho más grande que la longitud de onda óptica, es simple diseñar interfaces de manera que las trayectorias de los rayos de luz cumplan con las condiciones de reflexión interna total o las condiciones de reflexión de Bragg . Para la luz confinada dentro de cavidades mucho más pequeñas cerca del tamaño de la longitud de onda óptica, las desviaciones de las aproximaciones de la óptica de rayos se vuelven severas y se vuelve inviable, si no imposible, diseñar una cavidad que cumpla con las condiciones de reflexión óptimas para los tres componentes espaciales de los vectores de onda de luz que se propagan. ^{[1] [9]} ${\displaystyle Q}$

En un láser, el medio de ganancia emite luz aleatoriamente en todas las direcciones. Con una cavidad clásica, la cantidad de fotones que se acoplan en un solo modo de cavidad en relación con la cantidad total de fotones emitidos espontáneamente es relativamente baja debido a la ineficiencia geométrica de la cavidad, descrita por el factor de Purcell . ^[10] La velocidad a la que se puede modular la acción láser en una cavidad de este tipo depende de la frecuencia de relajación del resonador descrita por la ecuación 1. ${\displaystyle Q/V_{\text{mode}}}$

${\displaystyle R_{2}=(av_{g}P_{0})/\tau _{p}+\beta /(\tau _{p}\tau _{r0}/F)+(\beta N_{0})/((\tau _{r0}/F)P_{0})(1/\tau _{\text{total}}-1/(\tau _{r0}/F))\,\,\,\,\,\,\,\,(1)}$

Donde es la vida útil radiativa intrínseca del portador del material a granel, es la ganancia diferencial, es la velocidad de grupo, es la vida útil del fotón, es la frecuencia láser, es el factor de acoplamiento de emisión espontánea que se mejora por el efecto Purcell, y donde es la vida útil no radiativa. En el caso del efecto Purcell mínimo en una cavidad clásica con pequeña , solo se considera el primer término de la ecuación 1, y la única forma de aumentar la frecuencia de modulación es aumentar la densidad de fotones aumentando la potencia de bombeo. Sin embargo, los efectos térmicos prácticamente limitan la frecuencia de modulación a alrededor de 20 GHz, lo que hace que este enfoque sea ineficiente. ^{[2] [11]} ${\displaystyle \tau _{r0}}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle v_{g}}$ ${\displaystyle \tau _{p}=Q/\omega _{L}}$ ${\displaystyle \omega _{L}}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle 1/\tau _{\text{total}}=F/\tau _{r_{0}}+1/\tau _{nr}}$ ${\displaystyle \tau _{nr}}$ ${\displaystyle F=Q/V_{\text{mode}}}$ ${\displaystyle P_{0}}$

En los resonadores fotónicos a escala nanométrica con alta , el volumen de modo efectivo es inherentemente muy pequeño, lo que da como resultado y altos , y los términos 2 y 3 en la ecuación 1 ya no son despreciables. En consecuencia, las nanocavidades son fundamentalmente más adecuadas para producir de manera eficiente emisión espontánea y luz de emisión espontánea amplificada modulada a frecuencias mucho más altas que 20 GHz sin efectos térmicos negativos. ^{[2] [12]} ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle V_{\text{mode}}}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle \beta }$

Materiales y diseños

Se puede crear una nanocavidad introduciendo un defecto en una estructura reticular de cristal fotónico

Las nanocavidades hechas de cristales fotónicos se implementan típicamente en una estructura de placa de cristal fotónico. Dicha placa generalmente tendrá una estructura reticular periódica de agujeros físicos en el material. Para que la luz se propague dentro de la placa, se forma una interfaz reflectante en estos agujeros debido a las diferencias periódicas en el índice de refracción en la estructura.

Un diseño de nanocavidad de cristal fotónico común que se muestra es esencialmente un cristal fotónico con un defecto intencional (agujeros faltantes). Esta estructura que tiene cambios periódicos en el índice de refracción del orden de la longitud de la longitud de onda óptica satisface las condiciones de reflexión de Bragg en las direcciones y para un rango de longitud de onda particular, y los límites de la losa en la dirección crean otro límite reflectante debido a la reflexión oblicua en los límites dieléctricos. Esto da como resultado un confinamiento de onda teóricamente perfecto en las direcciones y a lo largo del eje de una fila de red, y un buen confinamiento a lo largo de la dirección. ^{[6] [7]} Dado que este efecto de confinamiento a lo largo de las direcciones y (direcciones de la red cristalina) es solo para un rango de frecuencias, se lo ha denominado banda prohibida fotónica , ya que hay un conjunto discreto de energías de fotones que no se pueden propagar en las direcciones de la red en el material. ^[6] Sin embargo, debido a la difracción de ondas que se propagan dentro de esta estructura, la energía de radiación escapa de la cavidad dentro del plano de la losa del cristal fotónico. El espaciado de la red se puede ajustar para producir condiciones límite óptimas de la onda estacionaria dentro de la cavidad para producir una pérdida mínima y la más alta . ^[1] Además de los resonadores convencionales, existen algunos ejemplos de cavidades reescribibles y/o móviles, que se logran mediante un sistema de microinfiltración ^[13] y mediante una manipulación de nanopartículas individuales dentro de cristales fotónicos. ^{[14] [15]} ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle Q}$

Los metales también pueden ser una forma eficaz de confinar la luz en estructuras iguales o más pequeñas que la longitud de onda óptica. Este efecto surge de la resonancia plasmónica superficial confinada inducida por la luz resonante, que, cuando se confina a la superficie de una nanoestructura como un canal o nanobarra de oro, induce resonancia electromagnética . ^[16] Los efectos plasmónicos superficiales son fuertes en el rango visible porque la permitividad de un metal es muy grande y negativa a frecuencias visibles. ^{[17] [18]} A frecuencias más altas que el rango visible, la permitividad de un metal es más cercana a cero, y el metal deja de ser útil para enfocar campos eléctricos y magnéticos. ^[18] Este efecto se observó originalmente en ingeniería de radio y microondas, donde las antenas y guías de onda de metal pueden ser cientos de veces más pequeñas que la longitud de onda del espacio libre. De la misma manera, la luz visible puede restringirse al nivel nano con estructuras metálicas que forman canales, puntas, huecos, etc. El oro también es una opción conveniente para la nanofabricación debido a su falta de reactividad y facilidad de uso con deposición química de vapor. ^[19]

Una película delgada sobre un sustrato reflectante atrapa la luz en su interior.

Una nanocavidad plana consiste en una película semiconductora absorbente de no más de unos pocos nanómetros de espesor sobre una película metálica también de unos pocos nanómetros de espesor. ^[7] La ​​luz incidente es absorbida y reflejada por ambas capas, la luz absorbida luego resuena entre las dos interfaces, transmitiendo algo de luz de regreso después de cada ciclo. El germanio se usa comúnmente para la capa absorbente, mientras que el oro, el aluminio y el óxido de aluminio también se usan como alternativas. ^[7] Las nanocavidades planas se usan comúnmente para la interferencia de película delgada, que ocurre cuando las ondas de luz incidente reflejadas por los límites superior e inferior de una película delgada interfieren entre sí formando una nueva onda. Un ejemplo de esto son los patrones coloridos producidos por capas delgadas de aceite sobre una superficie. La diferencia en los colores se debe a pequeñas diferencias en la distancia que recorre la luz reflejada, ya sea que se refleje desde el límite superior o inferior de la capa de aceite. Esta diferencia se llama diferencia de trayectoria óptica, la diferencia en la distancia entre las trayectorias de reflexión superior e inferior, que se puede calcular con la ecuación 2:

${\displaystyle {\text{OPD}}=2nd\,{\text{cos}}(\theta )\,\,\,\,\,\,\,\,(2)}$

${\displaystyle {\text{OPD}}=m\lambda \,\,\,\,\,\,\,\,(3)}$

Donde es el índice de refracción del material absorbente, es el espesor de la película absorbente y es el ángulo de reflexión. Como se expresa en la ecuación 3, la diferencia de longitud del camino óptico (OPD) se puede relacionar con longitudes de onda que interfieren de manera constructiva en la película delgada. Como resultado, la luz que ingresa a la película en diferentes ángulos interfiere consigo misma en cantidades variables, produce un gradiente de intensidad para la luz de banda estrecha y un gradiente de espectro para la luz blanca. ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \theta }$

Ejemplos/aplicaciones

Los diseños de circuitos nanofotónicos son similares en apariencia a los circuitos de microondas y radio, minimizados por un factor de 100.000 o más. Los investigadores han creado antenas nanoópticas que emulan el diseño y la funcionalidad de las antenas de radio. ^[16] Hay una serie de diferencias importantes entre la nanofotónica y los circuitos de microondas a escala reducida. A frecuencia óptica, los metales se comportan mucho menos como conductores ideales y también exhiben efectos relacionados con el plasmón, como la inductancia cinética y la resonancia plasmónica de superficie . ^[20] Una nantena es una antena rectificadora nanoscópica, una tecnología que se está desarrollando para convertir la luz en energía eléctrica. El concepto se basa en la rectenna que se utiliza en la transmisión de energía inalámbrica. Una rectenna funciona como una antena de radio especializada que se utiliza para convertir las ondas de radio en electricidad de corriente continua. La luz está compuesta de ondas electromagnéticas como las ondas de radio, pero de una longitud de onda mucho más pequeña. Una nantena, una aplicación de un resonador nanofotónico, es una rectenna a escala nanométrica del orden de la longitud de onda óptica, que actúa como una "antena" para la luz, convirtiendo la luz en electricidad. Los conjuntos de nantenas podrían ser un medio eficiente para convertir la luz solar en energía eléctrica, produciendo energía solar de manera más eficiente que las células solares de banda prohibida de semiconductores . ^[20]

Se ha sugerido que se utilicen resonadores nanofotónicos en chips multinúcleo para reducir el tamaño y aumentar la eficiencia. ^[21] Esto se hace creando matrices de resonadores ópticos nanofotónicos en anillo que pueden transmitir longitudes de onda de luz específicas entre sí. Otro uso de los resonadores nanofotónicos en computadoras es en la memoria RAM óptica (O-RAM). La O-RAM utiliza una estructura de placa de cristal fotónico con propiedades como un fuerte confinamiento de fotones y portadores para reemplazar las funciones de los circuitos eléctricos. El uso de señales ópticas en lugar de señales eléctricas supone una disminución del 66,7% en el consumo de energía. ^[22] Los investigadores han desarrollado nanocavidades planares que pueden alcanzar una absorción máxima del 90% utilizando efectos de interferencia. Este resultado es útil porque existen numerosas aplicaciones que pueden beneficiarse de estos hallazgos, específicamente en la conversión de energía ^[7].

Referencias

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