Una microcavidad óptica o microrresonador es una estructura formada por caras reflectantes en los dos lados de una capa espaciadora o medio óptico, o envolviendo una guía de ondas de forma circular para formar un anillo . El primer tipo es una cavidad de onda estacionaria y el segundo es una cavidad de onda viajera . El nombre microcavidad proviene del hecho de que a menudo tiene solo unos pocos micrómetros de espesor, la capa espaciadora a veces incluso en el rango nanométrico. Al igual que con los láseres comunes , esto forma una cavidad óptica o resonador óptico , lo que permite que se forme una onda estacionaria dentro de la capa espaciadora o una onda viajera que gira alrededor del anillo.
La diferencia fundamental entre una cavidad óptica convencional y las microcavidades son los efectos que surgen de las pequeñas dimensiones del sistema, pero su principio operativo a menudo se puede entender de la misma manera que para los resonadores ópticos más grandes. Se pueden observar efectos cuánticos del campo electromagnético de la luz . [1] Por ejemplo, la tasa de emisión espontánea y el comportamiento de los átomos se alteran por una microcavidad de este tipo, un fenómeno que se conoce como emisión espontánea inhibida. [2] Uno puede imaginar esto como la situación en la que no se emite ningún fotón , si el entorno es una caja demasiado pequeña para contenerlo. Esto conduce a un espectro de emisión alterado , que se estrecha significativamente.
Además, los efectos no lineales se mejoran en órdenes de magnitud debido al fuerte confinamiento de la luz, lo que lleva a la generación de peines de frecuencia de microresonadores , procesos paramétricos de baja potencia como la conversión descendente , la generación de segundos armónicos , la mezcla de cuatro ondas y la oscilación paramétrica óptica . [3] Varios de estos procesos no lineales conducen a la generación de estados cuánticos de luz. Otro campo que aprovecha el fuerte confinamiento de la luz es la optomecánica de cavidades , donde la interacción de ida y vuelta del haz de luz con el movimiento mecánico del resonador se acopla fuertemente. [4] [5] Incluso en este campo, los efectos cuánticos pueden empezar a desempeñar un papel. [6]
Las microcavidades tienen muchas aplicaciones, en la actualidad con frecuencia en optoelectrónica, donde los láseres de emisión superficial de cavidad vertical ( VCSEL) son probablemente los más conocidos. Recientemente, se demostró un dispositivo emisor de un solo fotón colocando un punto cuántico en una microcavidad. Estas fuentes de luz son interesantes para la criptografía cuántica y las computadoras cuánticas .
Se ofrece una descripción general en el artículo de revisión publicado en la revista Nature . [7]
En el caso de una microcavidad que admita un modo único o unos pocos modos de onda estacionaria, el espesor de la capa espaciadora determina el denominado "modo de cavidad", que es la longitud de onda que se puede transmitir y que se formará como una onda estacionaria dentro del resonador. Según el tipo y la calidad de los espejos, se formará una denominada banda de rechazo en el espectro de transmisión de la microcavidad, un amplio rango de longitudes de onda que se reflejan y una única que se transmite (normalmente en el centro). Existen diferentes medios para fabricar microcavidades de ondas estacionarias, ya sea evaporando capas alternas de medios dieléctricos para formar los espejos ( DBR ) y el medio dentro de la capa espaciadora o modificando el material semiconductor o mediante espejos metálicos.
Las microcavidades de ondas viajeras, a menudo llamadas simplemente "microrresonadores", tienen una onda que gira en forma de bucle en una dirección preferida, dependiendo de la dirección de la luz de entrada. Pueden tener la forma de resonadores de galería susurrante o de resonadores de anillo integrados. Los materiales típicos de los que están hechos pueden ser semiconductores como silicio , dióxido de silicio , nitruro de silicio , fluoruros cristalinos ( CaF2 , MgF2 , SrF2 ) o niobato de litio . El material se elige de manera que tenga bajas pérdidas y sea transparente en la longitud de onda de la aplicación deseada. Por lo general, estas estructuras se fabrican mediante torneado de diamante o micromaquinado de una varilla cilíndrica de un material (especialmente para fluoruros y niobato de litio), o mediante fotolitografía y litografía por haz de electrones para producir un resonador con patrón en chip (para materiales basados en silicio). [8] [9]
Cuando un número entero de longitudes de onda en el material cabe en la circunferencia del resonador, se produce una onda resonante por interferencia constructiva. En la resonancia, el campo de luz puede verse mejorado de varios cientos a varios millones de veces, cuantificado por el coeficiente de fineza del resonador. [10] Esto también conduce a un factor de calidad ultraalto , lo que significa que la luz viaja alrededor de la circunferencia muchos millones de veces antes de desintegrarse en el entorno. [11] [12]