La mezcla de cuatro ondas ( FWM ) es un fenómeno de intermodulación en óptica no lineal , por el cual las interacciones entre dos o tres longitudes de onda producen dos o una nuevas longitudes de onda. Es similar al punto de intersección de tercer orden en los sistemas eléctricos. La mezcla de cuatro ondas se puede comparar con la distorsión de intermodulación en los sistemas eléctricos estándar. Es un proceso no lineal paramétrico, en el que se conserva la energía de los fotones entrantes . FWM es un proceso sensible a la fase, en el que la eficiencia del proceso se ve fuertemente afectada por las condiciones de coincidencia de fase .
Cuando tres frecuencias (f 1 , f 2 y f 3 ) interactúan en un medio no lineal, dan lugar a una cuarta frecuencia (f 4 ) que se forma por la dispersión de los fotones incidentes, produciendo el cuarto fotón.
Dadas las entradas f 1 , f 2 y f 3 , el sistema no lineal producirá
A partir de los cálculos con las tres señales de entrada, se descubre que se producen 12 frecuencias de interferencia, tres de las cuales se encuentran en una de las frecuencias de entrada originales. Tenga en cuenta que estas tres frecuencias que se encuentran en las frecuencias de entrada originales se atribuyen típicamente a la modulación de fase propia y a la modulación de fase cruzada , y están naturalmente emparejadas en fase a diferencia de la modulación de ancho de banda modulada (FWM).
Dos formas comunes de mezcla de cuatro ondas se denominan generación de suma de frecuencias y generación de diferencia de frecuencias. En la generación de suma de frecuencias, se introducen tres campos y la salida es un nuevo campo de alta frecuencia en la suma de las tres frecuencias de entrada. En la generación de diferencia de frecuencias, la salida típica es la suma de dos menos la tercera.
Una condición para la generación eficiente de FWM es la coincidencia de fase: los vectores k asociados de los cuatro componentes deben sumar cero cuando son ondas planas. Esto se vuelve significativo ya que la generación de frecuencias de suma y diferencia a menudo se mejora cuando se explota la resonancia en los medios de mezcla. En muchas configuraciones, la suma de los dos primeros fotones se ajustará cerca de un estado resonante. [1] Sin embargo, cerca de las resonancias, el índice de refracción cambia rápidamente y hace que la suma de cuatro vectores k colineales no sume exactamente cero; por lo tanto, las longitudes de trayectoria de mezcla largas no siempre son posibles ya que los cuatro componentes pierden el bloqueo de fase. En consecuencia, los haces a menudo se enfocan tanto para la intensidad como para acortar la zona de mezcla.
En medios gaseosos, una complicación que a menudo se pasa por alto es que los rayos de luz rara vez son ondas planas, sino que a menudo están enfocados para una intensidad adicional, esto puede agregar un cambio de fase pi adicional a cada vector k en la condición de coincidencia de fase. [2] [3] A menudo es muy difícil satisfacer esto en la configuración de suma de frecuencias, pero se satisface más fácilmente en la configuración de diferencia de frecuencias (donde los cambios de fase pi se cancelan). [1] Como resultado, la diferencia de frecuencias suele ser más ampliamente ajustable y más fácil de configurar que la generación de suma de frecuencias, lo que la hace preferible como fuente de luz a pesar de que es menos eficiente cuánticamente que la generación de suma de frecuencias.
El caso especial de generación de suma de frecuencias donde todos los fotones de entrada tienen la misma frecuencia (y longitud de onda) es la generación de tercer armónico (THG) .
La mezcla de cuatro ondas también está presente si solo interactúan dos componentes. En este caso, el término
acopla tres componentes, generando así la llamada mezcla degenerada de cuatro ondas , que muestra propiedades idénticas al caso de tres ondas en interacción. [4]
La FWM es una característica de la fibra óptica que afecta a los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM), donde varias longitudes de onda ópticas están espaciadas a intervalos iguales o espaciado entre canales. Los efectos de la FWM son pronunciados con una disminución del espaciado entre canales de las longitudes de onda (como en los sistemas WDM densos) y con altos niveles de potencia de señal. La alta dispersión cromática disminuye los efectos de la FWM, ya que las señales pierden coherencia o, en otras palabras, aumenta el desajuste de fase entre las señales. La interferencia que la FWM provoca en los sistemas WDM se conoce como diafonía entre canales. La FWM se puede mitigar utilizando un espaciado desigual entre canales o fibra que aumenta la dispersión. Para el caso especial en el que las tres frecuencias están cerca de degenerarse, la separación óptica de la frecuencia de diferencia puede ser técnicamente desafiante.
La FWM encuentra aplicaciones en la conjugación de fase óptica , la amplificación paramétrica , la generación de supercontinuos , la generación de luz ultravioleta de vacío y en la generación de peines de frecuencia basados en microrresonadores . Los amplificadores y osciladores paramétricos basados en la mezcla de cuatro ondas utilizan la no linealidad de tercer orden, a diferencia de la mayoría de los osciladores paramétricos típicos que utilizan la no linealidad de segundo orden. Aparte de estas aplicaciones clásicas, la mezcla de cuatro ondas ha demostrado ser prometedora en el régimen óptico cuántico para generar fotones individuales , [5] pares de fotones correlacionados, [6] [7] luz comprimida [8] [9] y fotones entrelazados . [10]
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