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resonadores de anillo ópticos

Resonador anular simulado por ordenador que muestra una entrada de onda continua en resonancia. Un resonador de anillo óptico , o resonador de microanillo (MRR), es un conjunto ...

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Resonador anular simulado por ordenador que muestra una entrada de onda continua en resonancia.

Un resonador de anillo óptico , o resonador de microanillo (MRR), es un conjunto de guías de onda en el que al menos una es un bucle cerrado acoplado a la entrada y salida de luz. La entrada y la salida pueden ser, pero no se limitan a ser, guías de onda. Las geometrías detrás de los resonadores de anillo óptico son las mismas que las de las galerías de susurros, excepto que utilizan luz y obedecen las propiedades de la interferencia constructiva y la reflexión interna total . Cuando la "luz" de la longitud de onda resonante (<1600 nm) pasa a través del bucle cerrado desde la guía de onda de entrada, la intensidad de la luz aumenta en múltiples recorridos debido a la interferencia constructiva y se acopla a la guía de onda de salida, que sirve como guía de onda hacia una donde se puede colocar un fotodetector . Dado que solo unas pocas longitudes de onda seleccionadas estarán en resonancia dentro de la geometría del bucle, el resonador de anillo óptico funciona como un filtro. Además, como se indicó anteriormente, dos o más guías de onda anulares pueden acoplarse entre sí para formar un filtro óptico de adición/eliminación o para enviar luz en una dirección preferida. [ 1 ]

Fondo

Reflexión interna total en PMMA

Los resonadores de anillo ópticos funcionan según los principios de reflexión interna total , interferencia constructiva y acoplamiento óptico.

Reflexión interna total

La luz que viaja a través de las guías de onda en un resonador de anillo óptico permanece dentro de ellas debido al fenómeno conocido como reflexión interna total (RIT). La RIT es un fenómeno óptico que ocurre cuando un rayo de luz incide en el límite de un medio y no se refracta a través de él. Dado que el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico (con respecto a la normal de la superficie) y el índice de refracción es menor al otro lado del límite en relación con el rayo incidente, se producirá la RIT y la luz no podrá atravesarlo. Para que un resonador de anillo óptico funcione correctamente, deben cumplirse las condiciones de reflexión interna total y la luz que viaja a través de las guías de onda no debe escapar por ningún medio.

Interferencia

La interferencia es el proceso por el cual dos ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor (constructiva) o menor (destructiva) amplitud. La interferencia generalmente se refiere a la interacción de dos ondas distintas y es resultado de la linealidad de las ecuaciones de Maxwell . La interferencia puede ser constructiva o destructiva dependiendo de la fase relativa de las dos ondas. En la interferencia constructiva máxima, las dos ondas tienen la misma fase y, como resultado, interfieren de tal manera que la amplitud de la onda resultante será igual a la suma de las dos amplitudes individuales. A medida que la luz en un resonador de anillo óptico completa múltiples circuitos alrededor del componente de anillo, interfiere con la luz existente que aún está en el bucle, aumentando la amplitud con el tiempo, lo que resulta en un tiempo fijo de 100 s de ns. [ 2 ] Suponiendo que no hay pérdidas en el sistema tales como las debidas a absorción, evanescencia o acoplamiento imperfecto y que se cumple la condición de resonancia, la intensidad de la luz emitida por un resonador de anillo será igual a la intensidad de la luz alimentada al sistema.

Acoplamiento óptico

Representación gráfica de los coeficientes de acoplamiento
Visualización de: cómo la luz de una fuente puntual es guiada por una guía de ondas, cómo la guía de ondas se acopla a un resonador de anillo y cómo el resonador de anillo, a su vez, se acopla a otra guía de ondas.

Es importante comprender cómo funciona un resonador de anillo óptico, es el concepto de cómo las guías de onda lineales se acoplan a la guía de onda de anillo. Cuando un haz de luz pasa a través de una guía de onda como se muestra en el gráfico de la derecha, parte de la luz se acoplará al resonador de anillo óptico. La razón de esto es el fenómeno del campo evanescente , que se extiende fuera del modo de la guía de onda en un perfil radial que disminuye exponencialmente. En otras palabras, si el anillo y la guía de onda se acercan, parte de la luz de la guía de onda puede acoplarse al anillo. El acoplamiento óptico se ve afectado por tres aspectos.

  1. Distancia
  2. Longitud de acoplamiento
  3. Índices de refracción de la guía de ondas y del resonador de anillo óptico.

Para optimizar el acoplamiento, generalmente se reduce la distancia entre el resonador de anillo y la guía de ondas. Cuanto menor sea la distancia, más fácil será el acoplamiento óptico. Además, la longitud de acoplamiento también influye en el mismo. Esta longitud representa la longitud de curva efectiva del resonador de anillo necesaria para que se produzca el acoplamiento con la guía de ondas. Se ha observado que, a medida que aumenta la longitud de acoplamiento óptico, disminuye la dificultad para que se produzca el acoplamiento. Asimismo, el índice de refracción del material de la guía de ondas, del resonador de anillo y del medio entre ambos también afecta al acoplamiento óptico. El medio suele ser el factor más importante a estudiar, ya que influye considerablemente en la transmisión de la luz. El índice de refracción del medio puede ser alto o bajo, según las distintas aplicaciones y propósitos.

Para maximizar la transferencia de potencia desde la guía de ondas de entrada al resonador de anillo óptico, el objetivo es el acoplamiento crítico. El acoplamiento crítico indica que no pasa luz a través de la guía de ondas después de que el haz de luz se acopla al resonador de anillo óptico. La luz se almacenará y se perderá dentro del resonador posteriormente. [ 3 ] El acoplamiento sin pérdidas se produce cuando no se transmite luz a través de la guía de ondas de entrada hasta su propia salida; en cambio, toda la luz se acopla a la guía de ondas de anillo (como se muestra en la imagen en la parte superior de esta página). [ 4 ] Para que se produzca un acoplamiento sin pérdidas, debe cumplirse la siguiente ecuación:

|K|2+|t|2=1{\displaystyle |\mathrm {K} |^{2}+|t|^{2}=\mathbf {1} }

donde t es el coeficiente de transmisión a través del acoplador yK{\displaystyle \mathrm {K} }es la amplitud de acoplamiento del modo esfera cónica , también conocida como coeficiente de acoplamiento.

Teoría

Para comprender cómo funcionan los resonadores de anillo ópticos, primero debemos entender la diferencia de longitud de trayectoria óptica (DPO) de un resonador de anillo. Esta se expresa de la siguiente manera para un resonador de anillo simple:

OPAGD=2πrnorteefectivo{\displaystyle \mathbf {OPD} =2\pi rn_{\text{eff}}}

donde r es el radio del resonador de anillo ynorteefectivo{\displaystyle n_{\text{eff}}}es el índice de refracción efectivo del material de la guía de ondas. Debido al requisito de reflexión interna total,norteefectivo{\displaystyle n_{\text{eff}}}Debe ser mayor que el índice de refracción del fluido circundante en el que se coloca el resonador (por ejemplo, aire). Para que se produzca la resonancia, debe cumplirse la siguiente condición de resonancia:

OPAGD=metroλmetro{\displaystyle \mathbf {OPD} =m\lambda _{m}}

dóndeλmetro{\displaystyle \lambda _{m}}donde λ es la longitud de onda de resonancia y m es el número de modo del resonador anular. Esta ecuación implica que, para que la luz interfiera constructivamente dentro del resonador anular, la circunferencia del anillo debe ser un múltiplo entero de la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, el número de modo debe ser un entero positivo para que se produzca la resonancia. En consecuencia, cuando la luz incidente contiene múltiples longitudes de onda (como la luz blanca), solo las longitudes de onda resonantes podrán atravesar completamente el resonador anular.

El factor de calidad y la finura de un resonador de anillo óptico se pueden describir cuantitativamente utilizando las siguientes fórmulas (ver: ec. 2.37 in, [ 5 ] o ec. 19+20 in, [ 6 ] o ec. 12+19 in [ 7 ] ):

Q=νδν{\displaystyle \mathbf {Q} ={\frac {\nu }{\delta \nu }}}
F=νFδν{\displaystyle {\mathcal {F}}={\frac {\nu _ {f}}{\delta \nu }}}

dóndeF{\displaystyle {\mathcal {F}}}es la delicadeza del resonador de anillo,ν{\displaystyle \nu }es la frecuencia de operación,νF{\displaystyle \nu _{f}}es el rango espectral libre yδν{\displaystyle \delta \nu }es el ancho completo a media altura de los espectros de transmisión. El factor de calidad es útil para determinar el rango espectral de la condición de resonancia para cualquier resonador de anillo dado. El factor de calidad también es útil para cuantificar la cantidad de pérdidas en el resonador como un valor bajoQ{\displaystyle Q}Este factor suele deberse a grandes pérdidas.

Un espectro de transmisión que representa múltiples modos resonantes (metro=1,metro=2,metro=3,…,metro=norte{\displaystyle m=1,m=2,m=3,\dots ,m=n}) y el rango espectral libre .

resonadores de doble anillo

Un resonador de doble anillo con anillos de radios variables conectados en serie muestra las intensidades relativas de la luz que lo atraviesa en el primer ciclo. Cabe destacar que la luz que atraviesa un resonador de doble anillo viajaría con mayor frecuencia describiendo múltiples vueltas alrededor de cada anillo, en lugar de como se muestra en la imagen.

En un resonador de doble anillo, se utilizan dos guías de onda anulares en lugar de una. Estas pueden estar dispuestas en serie (como se muestra a la derecha) o en paralelo. Al usar dos guías de onda anulares en serie, la salida del resonador de doble anillo tendrá la misma dirección que la entrada (aunque con un desplazamiento lateral). Cuando la luz de entrada cumple la condición de resonancia del primer anillo, se acopla a él y viaja a través de su interior. A medida que los bucles subsiguientes alrededor del primer anillo llevan la luz a la condición de resonancia del segundo anillo, ambos anillos se acoplan y la luz pasa al segundo anillo. De la misma manera, la luz finalmente se transfiere a la guía de onda de salida del bus. Por lo tanto, para transmitir luz a través de un sistema de resonador de doble anillo, es necesario que ambos anillos cumplan la condición de resonancia de la siguiente manera:

 2πnorte1R1=metro1λ1{\ Displaystyle \ 2 \ pi n_ {1} R_ {1} = m_ {1} \ lambda _ {1}}
 2πnorte2R2=metro2λ2{\ Displaystyle \ 2 \ pi n_ {2} R_ {2} = m_ {2} \ lambda _ {2}}

dóndemetro1{\displaystyle m_{1}}ymetro2{\displaystyle m_{2}}son los números de modo del primer y segundo anillo respectivamente y deben permanecer como números enteros positivos. Para que la luz salga del resonador de anillo hacia la guía de ondas del bus de salida, la longitud de onda de la luz en cada anillo debe ser la misma. Es decir,λ1=λ2{\displaystyle \lambda _ {1} = \ lambda _ {2}}para que se produzca la resonancia. De este modo, obtenemos la siguiente ecuación que rige la resonancia:

 norte1R1metro1=norte2R2metro2{\displaystyle \ {\frac {n_{1}R_{1}}{m_{1}}}={\frac {n_{2}R_{2}}{m_{2}}}}

Tenga en cuenta que ambosmetro1{\displaystyle m_{1}}ymetro2{\displaystyle m_{2}}deben seguir siendo números enteros.

Espejo óptico (reflector) formado por un sistema de doble anillo acoplado a una guía de ondas simple. Las ondas que se propagan hacia adelante en la guía de ondas (verdes) excitan ondas que viajan en sentido antihorario en ambos anillos (verdes). Debido al acoplamiento entre resonadores, estas ondas generan ondas que giran en sentido horario (rojas) en ambos anillos, las cuales, a su vez, excitan ondas que se propagan hacia atrás (reflejadas) (rojas) en la guía de ondas. La onda reflejada existe únicamente en la parte de la guía de ondas a la izquierda del punto de acoplamiento al anillo derecho. [ 8 ]

También se ha demostrado que un sistema de dos resonadores de anillo acoplados a una única guía de ondas funciona como un filtro reflectante sintonizable (o un espejo óptico). [ 8 ] Las ondas que se propagan hacia adelante en la guía de ondas excitan ondas que giran en sentido antihorario en ambos anillos. Debido al acoplamiento entre resonadores, estas ondas generan ondas que giran en sentido horario en ambos anillos, las cuales a su vez se acoplan a ondas que se propagan hacia atrás (reflejadas) en la guía de ondas. En este contexto, en estudios recientes se ha demostrado la utilización de cavidades de resonadores de anillo anidados. [ 9 ] [ 10 ] Estos resonadores de anillo anidados están diseñados para mejorar el factor de calidad (factor Q) y extender la longitud efectiva de interacción luz-materia . Estas configuraciones de cavidades anidadas permiten que la luz atraviese la cavidad anidada varias veces, un número igual a los viajes de ida y vuelta de la cavidad principal multiplicados por los viajes de ida y vuelta de la cavidad anidada, como se muestra en la figura siguiente.

Configuración de cavidad anidada: La luz realiza múltiples recorridos dentro de la cavidad anidada, cuyo número está determinado aproximadamente por el producto de los recorridos dentro de la cavidad principal y la cavidad anidada. [ 9 ] [ 10 ]

Aplicaciones

Debido a la naturaleza del resonador de anillo óptico y a cómo "filtra" ciertas longitudes de onda de la luz que lo atraviesa, es posible crear filtros ópticos de alto orden mediante la conexión en cascada de varios resonadores de anillo ópticos en serie. Esto permitiría un tamaño reducido, bajas pérdidas y la integración en redes ópticas existentes. [ 11 ] Además, dado que las longitudes de onda de resonancia se pueden cambiar simplemente aumentando o disminuyendo el radio de cada anillo, los filtros pueden considerarse sintonizables. Esta propiedad básica se puede utilizar para crear una especie de sensor mecánico. Si una fibra óptica experimenta tensión mecánica , sus dimensiones se alterarán, lo que resultará en un cambio en la longitud de onda de resonancia de la luz emitida. Esto se puede utilizar para monitorizar fibras o guías de onda en busca de cambios en sus dimensiones. [ 12 ] El proceso de sintonización también puede verse afectado por un cambio en el índice de refracción utilizando diversos medios, incluidos los efectos termoópticos, [ 13 ] electroópticos [ 14 ] o totalmente ópticos . [ 15 ] La sintonización electroóptica y totalmente óptica es más rápida que los métodos térmicos y mecánicos, por lo que encuentra diversas aplicaciones, incluso en la comunicación óptica. Se ha demostrado que los moduladores ópticos con un microranillo de alto factor Q producen una potencia de modulación excepcionalmente baja a una velocidad superior a 50  Gbit/s, a costa de una potencia de sintonización para igualar la longitud de onda de la fuente de luz. Se ha informado que un modulador de anillo colocado en una cavidad láser Fabry-Perot elimina la potencia de sintonización mediante la igualación automática de la longitud de onda del láser con la del modulador de anillo, manteniendo al mismo tiempo una modulación de ultra baja potencia y alta velocidad de un modulador de microranillo de silicio.

Los resonadores ópticos de anillo, cilíndricos y esféricos también han demostrado ser útiles en el campo de la biodetección . [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] y un enfoque de investigación crucial es la mejora del rendimiento de la biodetección. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] Uno de los principales beneficios del uso de resonadores de anillo en la biodetección es el pequeño volumen de muestra requerido para obtener un determinado resultado espectroscópico en señales de fondo Raman y de fluorescencia muy reducidas del disolvente y otras impurezas. Los resonadores también se han utilizado para caracterizar una variedad de espectros de absorción con fines de identificación química, particularmente en la fase gaseosa. [ 25 ]

Otra posible aplicación de los resonadores de anillo ópticos se encuentra en los conmutadores de modo de galería susurrante. "[Los láseres de microdisco del resonador de galería susurrante] son ​​estables y conmutan de forma fiable, por lo que resultan adecuados como elementos de conmutación en redes totalmente ópticas". Se ha propuesto un conmutador totalmente óptico basado en un resonador cilíndrico de alto factor de calidad que permite una conmutación binaria rápida con baja potencia. [ 11 ]

Muchos investigadores están interesados ​​en crear resonadores de anillo tridimensionales con factores de calidad muy altos. Estas esferas dieléctricas, también llamadas resonadores de microesferas, "se propusieron como resonadores ópticos de baja pérdida para estudiar la electrodinámica cuántica de cavidades con átomos enfriados por láser o como detectores ultrasensibles para la detección de átomos individuales atrapados". [ 26 ]

Los resonadores de anillo también han demostrado ser útiles como fuentes de fotones individuales para experimentos de información cuántica . [ 27 ] Muchos materiales utilizados para fabricar circuitos de resonadores de anillo presentan respuestas no lineales a la luz a intensidades suficientemente altas. Esta no linealidad permite procesos de modulación de frecuencia, como la mezcla de cuatro ondas y la conversión descendente paramétrica espontánea , que generan pares de fotones. Los resonadores de anillo amplifican la eficiencia de estos procesos, ya que permiten que la luz circule alrededor del anillo.

Los resonadores de anillo se han explorado como puertas lógicas y estructuras de memoria dentro de un campo más amplio de la fotónica de silicio . [ 2 ] [ 28 ]

Véase también

Referencias

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