Optischer Mikroresonator

Ein optischer Mikroresonator ist eine Struktur, die durch reflektierende Flächen an den beiden Seiten einer Abstandsschicht oder eines optischen Mediums oder durch kreisförmiges Umwickeln eines Wellenleiters zu einem Ring entsteht . Ersteres ist ein Resonator für stehende Wellen , letzteres ein Resonator für wandernde Wellen . Die Bezeichnung Mikroresonator rührt daher, dass er oft nur wenige Mikrometer dick ist, die Abstandsschicht mitunter sogar im Nanometerbereich. Wie bei herkömmlichen Lasern bildet er einen optischen Resonator , der die Entstehung einer stehenden Welle innerhalb der Abstandsschicht oder einer sich im Ring ausbreitenden Wanderwelle ermöglicht .

Der grundlegende Unterschied zwischen einem herkömmlichen optischen Resonator und Mikroresonatoren liegt in den Effekten, die sich aus den geringen Abmessungen des Systems ergeben. Ihr Funktionsprinzip lässt sich jedoch oft analog zu dem größerer optischer Resonatoren verstehen. Quanteneffekte des elektromagnetischen Feldes des Lichts können beobachtet werden. ^{[ 1 ]} Beispielsweise werden die spontane Emissionsrate und das Verhalten von Atomen durch einen solchen Mikroresonator verändert – ein Phänomen, das als gehemmte spontane Emission bezeichnet wird. ^{[ 2 ]} Man kann sich das so vorstellen, als würde kein Photon emittiert, wenn die Umgebung ein zu kleiner Kasten ist, um es aufzunehmen. Dies führt zu einem veränderten Emissionsspektrum , das deutlich schmaler wird.

Darüber hinaus werden nichtlineare Effekte aufgrund der starken Lichtbegrenzung um Größenordnungen verstärkt, was zur Erzeugung von Mikroresonator-Frequenzkämmen sowie energiearmen parametrischen Prozessen wie Frequenzkonversion , Frequenzverdopplung , Vierwellenmischung und optischer parametrischer Oszillation führt . ^{[ 3 ]} Einige dieser nichtlinearen Prozesse selbst führen zur Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts. Ein weiteres Anwendungsgebiet der starken Lichtbegrenzung ist die Hohlraum-Optomechanik , bei der die Wechselwirkung des Lichtstrahls mit der mechanischen Bewegung des Resonators stark gekoppelt ist. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Auch in diesem Bereich können Quanteneffekte eine Rolle spielen. ^{[ 6 ]}

Mikroresonatoren finden vielfältige Anwendung, insbesondere in der Optoelektronik , wo VCSELs ( Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) wohl die bekanntesten sind. Kürzlich wurde ein Einzelphotonen emittierendes Bauelement demonstriert, indem ein Quantenpunkt in einen Mikroresonator integriert wurde. Diese Lichtquellen sind interessant für die Quantenkryptographie und Quantencomputer .

Einen Überblick bietet der in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Übersichtsartikel . ^{[ 7 ]}

Bei einem Mikroresonator, der einen einzelnen Modus oder wenige stehende Wellenmoden unterstützt, bestimmt die Dicke der Abstandsschicht den sogenannten „Resonatormodus“. Dies ist die Wellenlänge , die transmittiert werden kann und sich im Resonator als stehende Welle ausbildet. Abhängig von Art und Qualität der Spiegel bildet sich im Transmissionsspektrum des Mikroresonators ein sogenannter Sperrbereich. Dabei wird ein großer Wellenlängenbereich reflektiert , während eine einzelne Wellenlänge (üblicherweise in der Mitte) transmittiert wird. Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von stehenden Wellen-Mikroresonatoren, entweder durch Aufdampfen alternierender Schichten dielektrischer Medien zur Bildung der Spiegel ( DBR ) und des Mediums innerhalb der Abstandsschicht oder durch Modifizierung von Halbleitermaterial oder durch Verwendung von Metallspiegeln.

Wanderwellen-Mikroresonatoren, oft einfach als „Mikroresonatoren“ bezeichnet, erzeugen eine Welle, die sich in einer Schleife in einer bevorzugten Richtung ausbreitet, abhängig von der Richtung des einfallenden Lichts. Sie können als Flüstergalerie-Resonatoren oder als integrierte Ringresonatoren ausgeführt sein. Typische Materialien sind Halbleiter wie Silizium , Siliziumdioxid , Siliziumnitrid , kristalline Fluoride ( CaF₂ , MgF₂ , _SrF₂ ) oder Lithiumniobat . _{Das Material wird so gewählt ,} dass es verlustarm und im gewünschten Wellenlängenbereich transparent ist. Typischerweise werden solche Strukturen entweder durch Diamantdrehen oder Mikrobearbeitung eines zylindrischen Stabes aus dem jeweiligen Material (insbesondere bei Fluoriden und Lithiumniobat) oder durch Fotolithografie und Elektronenstrahllithografie zur Herstellung eines strukturierten Resonators auf einem Chip (bei siliziumbasierten Materialien) gefertigt. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Wenn eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen im Material in den Umfang des Resonators passt, wird durch konstruktive Interferenz eine Resonanzwelle angeregt. Im Resonanzfall kann das Lichtfeld um mehrere Hundert bis mehrere Millionen Mal verstärkt werden, was durch den Finesse-Koeffizienten des Resonators quantifiziert wird. ^{[ 10 ]} Dies führt auch zu einem extrem hohen Gütefaktor , was bedeutet, dass das Licht viele Millionen Mal den Umfang des Resonators durchläuft, bevor es in die Umgebung abklingt. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Die Eigenschaften quantisierter, eingeschlossener Photonenzustände in optischen Mikro- und Nanoresonatoren ähneln stark denen eingeschlossener Elektronenzustände in Atomen. ^{[ 13 ]} Aufgrund dieser Ähnlichkeit können optische Mikroresonatoren als „photonische Atome“ bezeichnet werden. Diese Analogie weiterführend, bildet ein Cluster mehrerer miteinander gekoppelter photonischer Atome ein photonisches Molekül. ^{[ 14 ]} Werden einzelne photonische Atome in unmittelbare Nähe gebracht, interagieren ihre optischen Moden und erzeugen ein Spektrum hybridisierter Supermoden photonischer Moleküle. ^{[ 15 ]} Dies ist vergleichbar mit der Kopplung zweier isolierter Systeme, beispielsweise der beiden Atomorbitale eines Wasserstoffmoleküls, die zu den bindenden und antibindenden Orbitalen des Wasserstoffmoleküls verschmelzen und hybridisierte Supermoden des gesamten gekoppelten Systems bilden.

„Ein mikrometergroßes Halbleiterstück kann Photonen so einfangen, dass sie sich wie Elektronen in einem Atom verhalten. Die am 21. September im PRL veröffentlichte Methode beschreibt nun, wie zwei dieser „photonischen Atome“ miteinander verbunden werden können. Das Ergebnis dieser engen Verbindung ist ein „photonisches Molekül“, dessen optische Moden eine starke Ähnlichkeit mit den elektronischen Zuständen eines zweiatomigen Moleküls wie Wasserstoff aufweisen.“ ^{[ 16 ]} „Photonische Moleküle, analog zu chemischen Molekülen benannt, sind Cluster eng beieinander liegender, elektromagnetisch wechselwirkender Mikroresonatoren oder „photonischer Atome“.“ ^{[ 17 ]} „Optisch gekoppelte Mikroresonatoren haben sich als photonische Strukturen mit vielversprechenden Eigenschaften für die Grundlagenforschung und für Anwendungen etabliert.“ ^{[ 18 ]}

Die erste photonische Realisierung eines Zwei-Niveau-Systems eines photonischen Moleküls gelang Spreew et al. ^{[ 19 ]} , die optische Fasern zur Realisierung eines Ringresonators nutzten , ohne jedoch den Begriff „photonisches Molekül“ zu verwenden. Die beiden Moden des Moleküls könnten die Polarisationsmoden des Rings oder die im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn rotierenden Moden des Rings sein. Darauf folgte die Demonstration eines lithografisch hergestellten photonischen Moleküls, inspiriert von einer Analogie zu einem einfachen zweiatomigen Molekül. ^{[ 20 ]} Es wurden jedoch weitere, von der Natur inspirierte photonische Molekülstrukturen (wie z. B. „photonisches Benzol“) vorgeschlagen, die eingeschlossene optische Moden unterstützen, welche den Grundzustands-Molekülorbitalen ihrer chemischen Gegenstücke sehr ähnlich sind. ^{[ 21 ]}

Photonische Moleküle bieten gegenüber isolierten photonischen Atomen Vorteile in einer Vielzahl von Anwendungen, darunter biochemische Sensorik ^{[ 22 , 23 ], Hohlraum -} Optomechanik ^{[ 24 , 25 ]} und Mikrolaser ^{[ 26 , 27, 28 , 29 ] . Photonische Moleküle können auch als Quantensimulatoren der} Vielteilchenphysik und als Bausteine ​​zukünftiger optischer Quanteninformationsverarbeitungsnetzwerke eingesetzt werden ^{. [ 30 ]}

In völliger Analogie wurden Cluster von Metallnanopartikeln – die eingeschlossene Oberflächenplasmonenzustände unterstützen – als „plasmonische Moleküle“ bezeichnet . ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

Schließlich wurden auch hybride photonisch-plasmonische (oder opto-plasmonische) ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} und elastische Moleküle ^{[ 40 ] vorgeschlagen und demonstriert.}

• Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator