La mezcla de cuatro ondas ( FWM ) es un fenómeno de intermodulación en óptica no lineal , mediante el cual las interacciones entre dos o tres longitudes de onda producen dos o una nueva longitud 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 paramétrico no lineal, en el que se conserva la energía de los fotones entrantes . FWM es un proceso sensible a las fases, en el sentido de que la eficiencia del proceso se ve fuertemente afectada por las condiciones de coincidencia de fases .
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
De los cálculos con las tres señales de entrada se desprende que se generan 12 frecuencias parásitas, tres de las cuales se encuentran en una de las frecuencias entrantes originales. Tenga en cuenta que estas tres frecuencias que se encuentran en las frecuencias entrantes originales generalmente se atribuyen a la modulación de fase propia y la modulación de fase cruzada , y, a diferencia de FWM, están naturalmente adaptadas en fase.
Dos formas comunes de mezcla de cuatro ondas se denominan generación de frecuencia suma y generación de frecuencia diferencia. En la generación de suma de frecuencias se ingresan 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 frecuencia, la salida típica es la suma de dos menos el tercero.
Una condición para la generación eficiente de FWM es la coincidencia de fases: los k-vectores asociados de los cuatro componentes deben sumar cero cuando son ondas planas. Esto resulta significativo ya que la generación de frecuencias suma y diferencia a menudo mejora cuando se explota la resonancia en los medios de mezcla. En muchas configuraciones, la suma de los dos primeros fotones se sintonizará 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 pueda sumar exactamente cero; por lo tanto, no siempre son posibles longitudes largas de ruta de mezcla ya que los cuatro componentes pierden el bloqueo de fase. En consecuencia, los haces a menudo se enfocan tanto para aumentar 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 se enfocan para obtener 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 frecuencia (donde los cambios de fase pi se cancelan). [1] Como resultado, la frecuencia diferencial suele ser más sintonizable y más fácil de configurar que la generación de frecuencia suma, lo que la hace preferible como fuente de luz a pesar de que es menos eficiente cuánticamente que la generación de frecuencia suma.
El caso especial de generación de frecuencia suma 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 que interactúan. [4]
FWM es una característica de la fibra óptica que afecta a los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM), donde múltiples longitudes de onda ópticas están espaciadas a intervalos o espacios iguales entre canales. Los efectos de FWM son pronunciados con una menor separación entre canales de longitudes de onda (como en sistemas WDM densos) y con niveles altos de potencia de señal. La alta dispersión cromática disminuye los efectos FWM, ya que las señales pierden coherencia , o en otras palabras, aumenta el desajuste de fase entre las señales. La interferencia FWM causada en los sistemas WDM se conoce como diafonía entre canales . La FWM se puede mitigar utilizando un espaciado desigual entre canales o fibra que aumente la dispersión. Para el caso especial en el que las tres frecuencias están cerca de degenerar, la separación óptica de la frecuencia diferenciada puede ser un desafío técnico.
FWM encuentra aplicaciones en conjugación de fase óptica , amplificación paramétrica , generación supercontinua , generación de luz ultravioleta al vacío y en generación de peine de frecuencia basada en microresonadores . Los amplificadores y osciladores paramétricos basados en 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 se ha mostrado 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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