光マイクロキャビティ

光マイクロキャビティまたはマイクロ共振器は、スペーサー層または光学媒体の両側に反射面を配置するか、導波管を円形に巻いてリングを形成することによって形成される構造です。前者は定在波キャビティ、後者は進行波キャビティです。マイクロキャビティという名前は、厚さが数マイクロメートルであることが多いのに対し、スペーサー層はナノメートルの範囲にあることもあることに由来しています。一般的なレーザーと同様に、これにより光キャビティまたは光共振器が形成され、スペーサー層内に定在波が形成されたり、リング内を周回する進行波が形成されたりします。

従来の光共振器とマイクロ共振器の基本的な違いは、システムの寸法が小さいことから生じる効果ですが、その動作原理は、多くの場合、より大きな光共振器の場合と同じように理解できます。光の電磁場の量子効果を観察できます。^[1]たとえば、原子の自然放出率と動作は、このようなマイクロ共振器によって変更されます。この現象は、抑制自然放出と呼ばれます。^{[2]これは、環境が光子を保持するには小さすぎる箱である場合に}光子が放出されない状況として想像できます。これにより、放出スペクトルが変更され、大幅に狭くなります。

さらに、強い光の閉じ込めにより非線形効果が桁違いに増強され、マイクロ共振器周波数コム、ダウンコンバージョン、第二高調波発生、四光波混合、光パラメトリック発振などの低電力パラメトリックプロセスの生成につながる。^[3]これらの非線形プロセスのいくつかは、それ自体が光の量子状態の生成につながる。光の強い閉じ込めを利用する別の分野は、共振器光力学であり、そこでは光線と共振器の機械的運動との往復相互作用が強く結合する。^{[4] [5]}この分野でも、量子効果が役割を果たし始める可能性がある。^[6]

マイクロキャビティには多くの用途があり、現在ではオプトエレクトロニクスでよく使用されています。その中で最もよく知られているのは、垂直キャビティ面発光レーザー(VCSEL)です。最近、マイクロキャビティ内に量子ドットを配置することで、単一光子放出デバイスが実証されました。これらの光源は、量子暗号や量子コンピューターにとって興味深いものです。

概要はNature誌に掲載されたレビュー記事に記載されている。^[7]

単一モードまたはいくつかの定在波モードをサポートするマイクロキャビティの場合、スペーサー層の厚さによって、いわゆる「キャビティ モード」が決定されます。これは、伝送可能な 1 つの波長であり、共振器内で定在波として形成されます。ミラーの種類と品質に応じて、マイクロキャビティの伝送スペクトルにいわゆるストップ バンドが形成されます。ストップ バンドとは、反射される長い波長範囲と、伝送される 1 つの波長範囲 (通常は中央) です。定在波マイクロキャビティを製造するには、誘電体媒体の交互の層を蒸着してミラー ( DBR ) とスペーサー層内の媒体を形成する方法、半導体材料の修正、または金属ミラーを使用する方法など、さまざまな方法があります。

単に「マイクロ共振器」と呼ばれることが多い進行波マイクロキャビティは、入力光の方向に応じて、ループ状に周回する波を持ちます。これらは、ウィスパリングギャラリー共振器の形、または統合リング共振器として使用できます。これらを作成するための一般的な材料は、シリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、結晶フッ化物（CaF ₂、MgF ₂、SrF ₂）、またはニオブ酸リチウムなどの半導体です。材料は、低損失で、目的の用途の波長で透明になるように選択されます。通常、このような構造は、ダイヤモンド旋削または材料の円筒形ロッド のマイクロマシニング（特にフッ化物とニオブ酸リチウムの場合）、またはフォトリソグラフィーと電子ビームリソグラフィーによってチップ上にパターン化された共振器を生成することによって製造されます（シリコンベースの材料の場合）。^{[8] [9]}

物質中の波長の整数倍が共振器の円周に収まると、共鳴波が建設的干渉によって励起される。共鳴時には、光場は数百倍から数百万倍に増強され、共振器のフィネス係数によって定量化される。 ^{[10]これはまた、超高}品質係数につながり、光が周囲に減衰する前に円周を何百万回も移動することを意味する。^{[11] [12]}

• 光学空洞
• 垂直共振器型面発光レーザー