Mixagem de quatro ondas - Four-wave mixing

A mistura de quatro ondas ( FWM ) é um fenômeno de intermodulação em óptica não linear , em que as interações entre dois ou três comprimentos de onda produzem dois ou um novo comprimento de onda. É semelhante ao ponto de interceptação de terceira ordem em sistemas elétricos. A mistura de quatro ondas pode ser comparada à distorção de intermodulação em sistemas elétricos padrão. É um processo não linear paramétrico, em que a energia dos fótons que chegam é conservada . FWM é um processo sensível à fase, em que a eficiência do processo é fortemente afetada pelas condições de casamento de fase .

Mecanismo

Diagrama de nível de energia FWM
Diagrama de nível de energia para um processo de mistura de quatro ondas não degenerado. O nível de energia superior pode ser um nível atômico ou molecular real (mistura ressonante de quatro ondas) ou um nível virtual, com ressonância fora de sintonia distante. Este diagrama descreve a interação de mistura de quatro ondas entre as frequências f 1 , f 2 , f 3 e f 4 .

Quando três frequências (f 1 , f 2 e f 3 ) interagem em um meio não linear, elas dão origem a uma quarta frequência (f 4 ) que é formada pelo espalhamento dos fótons incidentes, produzindo o quarto fóton.

Dado entradas f 1 , f 2 , e f 3 , o sistema não linear produzirá

A partir de cálculos com os três sinais de entrada, descobriu-se que 12 frequências de interferência são produzidas, três das quais estão em uma das frequências de entrada originais. Note-se que estes três frequências que se encontram nas frequências de entrada originais são tipicamente atribuída a modulação auto-fase e a modulação de fase cruzada , e são, naturalmente, ao contrário FWM pareados por fase.

Geração de frequência de soma e diferença

Duas formas comuns de mixagem de quatro ondas são chamadas de geração de freqüência de soma e geração de freqüência de diferença. Na geração de frequência de soma, três campos são inseridos e a saída é um novo campo de alta frequência na soma das três frequências de entrada. Na geração de frequência de diferença, a saída típica é a soma de dois menos o terceiro.

Uma condição para a geração eficiente de FWM é o casamento de fase: os k-vetores associados dos quatro componentes devem somar zero quando são ondas planas. Isso se torna significativo, uma vez que a geração de frequências de soma e diferença geralmente é aumentada quando a ressonância na mídia de mistura é explorada. Em muitas configurações, a soma dos dois primeiros fótons será ajustada perto de um estado ressonante. No entanto, perto das ressonâncias, o índice de refração muda rapidamente e faz com que a adição de quatro k-vetores co-lineares falhe em somar exatamente a zero - assim, longos comprimentos de caminho de mistura nem sempre são possíveis, pois os quatro componentes perdem o bloqueio de fase. Consequentemente, os feixes são freqüentemente focados tanto para intensidade, mas também para encurtar a zona de mistura.

Em meios gasosos, uma complicação frequentemente esquecida é que os feixes de luz raramente são ondas planas, mas são freqüentemente focados para intensidade extra, isso pode adicionar uma mudança de fase pi a cada vetor k na condição de combinação de fase. Freqüentemente, é muito difícil satisfazer isso na configuração de frequência de soma, mas é mais facilmente satisfeito na configuração de frequência de diferença (onde os deslocamentos de fase pi se cancelam). Como resultado, a diferença de frequência é geralmente mais amplamente ajustável e mais fácil de configurar do que a geração de frequência de soma, tornando-a preferível como fonte de luz, embora seja menos eficiente quântica do que a geração de frequência de soma.

O caso especial de geração de soma de frequência em que todos os fótons de entrada têm a mesma frequência (e comprimento de onda) é a Geração de Terceiro Harmônico (THG) .

Mistura degenerada de quatro ondas

A mistura de quatro ondas também está presente se apenas dois componentes interagirem. Neste caso, o termo

acopla três componentes, gerando assim a chamada mistura degenerada de quatro ondas , apresentando propriedades idênticas ao caso de três ondas em interação.

Efeitos adversos do FWM nas comunicações de fibra óptica

FWM é uma característica de fibra óptica que afeta os sistemas de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), onde vários comprimentos de onda ópticos são espaçados em intervalos iguais ou espaçamento de canal. Os efeitos do FWM são pronunciados com espaçamento de canal reduzido de comprimentos de onda (como em sistemas WDM densos) e em níveis de potência de sinal elevados. A alta dispersão cromática diminui os efeitos FWM, à medida que os sinais perdem coerência , ou em outras palavras, o descompasso de fase entre os sinais aumenta. A interferência FWM causada em sistemas WDM é conhecida como interferência cruzada . FWM pode ser mitigado usando espaçamento de canal irregular ou fibra que aumenta a dispersão. Para o caso especial em que as três frequências estão próximas da degeneração, a separação óptica da diferença de frequência pode ser tecnicamente desafiadora.

Aplicações de FWM

O FWM encontra aplicações em conjugação de fase óptica , amplificação paramétrica , geração supercontínua , geração de luz ultravioleta a vácuo e geração de pente de frequência baseada em microresonador . Os amplificadores e osciladores paramétricos baseados na mistura de quatro ondas usam a não linearidade de terceira ordem, ao contrário da maioria dos osciladores paramétricos típicos que usam a não linearidade de segunda ordem. Além dessas aplicações clássicas, a mistura de quatro ondas tem se mostrado promissora no regime óptico quântico para a geração de fótons únicos , pares de fótons correlacionados, luz comprimida e fótons emaranhados .

Veja também

Referências

links externos