La biestabilidad ´optica es quiz´a uno de los fen´omenos que de forma m´as in- tuitiva, pone de manifiesto la respuesta no lineal de un medio sobre la radiaci´on ´optica. Esta apreciaci´on se sustenta en que si bien es condici´on sine qua non la presencia de una interacci´on no lineal luz-materia para la consecuci´on de biesta- bilidad ´optica, la propia respuesta biestable, caracterizada por la existencia de un ciclo de hist´eresis en el plano de potencias entrada/salida (pin/pout), es a su vez
profundamente no lineal (figura 4.1).
pin C D A pout B
El primer estudio te´orico sobre biestabilidad ´optica data del a˜no 1969, donde Sz¨oke et al. [Sz¨o69] estudiaron el comportamiento de una cavidad resonante Fabry- Perot (FP) dentro de la cual se situaba un medio de absorci´on saturable. En 1976, H. Gibbs et al. [Gib69] evidenciaban la existencia experimental de biestabilidad ´optica en un interfer´ometro FP entre cuyos espejos se dispens´o vapor de sodio. Tras la observaci´on experimental del fen´omeno biestable, se justific´o el proceso en virtud del cambio de ´ındice de refracci´on que experimentaba el vapor de sodio cuando el bombeo ´optico excitaba las transiciones del espectro hiperfino; por tan- to, dos haces contrapropagantes inicialmente desajustados en fase adquir´ıan, tras aumentar la potencia, la condici´on de resonancia de interferencia constructiva, tras lo cual, el sistema experimentaba una transici´on a un estado de alta transmisi´on y realizaba el subsiguiente ciclo de hist´eresis. De este modo, se concluy´o que el efecto biestable no se explicaba seg´un la argumentaci´on de Sz¨oke et al., esto es, por un comportamiento saturable de la ganancia/absorci´on, si no que se explicaba mediante el car´acter no lineal del ´ındice de refracci´on (parte real). Tal vez debido a esta controversia, se estableci´o una primera diferenciaci´on entre el origen del com- portamiento biestable, procedi´endose a la clasificaci´on del fen´omeno en virtud de si este era debido a un comportamiento refractivo no lineal o a un comportamiento disipativo no lineal; en definitiva, dispositivos biestables refractivos o disipativos [Bow84].
Dentro de los primeros, y siempre bajo la acci´on de una cavidad resonante, se estableci´o una segunda diferenciaci´on en virtud del car´acter de la no linealidad. De este modo, se denominan dispositivos biestables extr´ınsecos o h´ıbridos[Smi81], a aquellos donde la modificaci´on del ´ındice de refracci´on del material situado en la cavidad se realiza de forma externa (extr´ınseca), por ejemplo, mediante la ac- ci´on de un campo el´ectrico sobre un material electro´optico (proceso de segundo orden)∗. Por otra parte, se denominaron dispositivos biestables intr´ınsecos, a aque-
llos dispositivos donde las ondas contrapropagantes de la cavidad modificaban de forma aut´onoma, generalmente mediante procesos de tercer orden, el ´ındice de refracci´on de la misma. En la medida en que las aplicaciones de la biestabilidad ´optica se enmarcan en el campo del procesado ultrarr´apido de la se˜nal en el domi- nio totalmente ´optico, centraremos esta introducci´on en la biestabilidad de ´ındole intr´ınseca obviando el estudio de dispositivos h´ıbridos, basados en una transduc- ci´on optoelectr´onica, y por tanto fuera del ´ambito de esta memoria.
Desde una perspectiva m´as actual, el estudio de la biestabilidad ´optica ha evo- lucionado, bajo el criterio del autor, seg´un dos vertientes diferenciadas. Por una
∗No obstante, cabe rese˜nar que el primer dispositivo biestable h´ıbrido fu´e desarrollado por
Kastal’skii en 1973, donde una se˜nal el´ectrica procedente de un detector se utilizaba como reali- mentaci´on para la fuente ´optica emisora generando un ciclo de hister´esis.
parte, el estudio de ciertas propiedades de la interacci´on luz-materia y sus deriva- ciones hacia el fen´omeno biestable y, por otra parte, el estudio, dise˜no y desarrollo de dispositivos biestables basados en procesos no lineales est´andar, esto es, donde la no linealidad, tratada desde un punto de vista cl´asico y macrosc´opico, se utiliza como mecanismo inductor del comportamiento biestable. De este modo, se esta- blece una diferenciaci´on entre una investigaci´on de car´acter b´asico (no funcional) sobre biestabilidad ´optica y una investigaci´on con car´acter m´as aplicado (funcional) sobre la teor´ıa y dise˜no de dispositivos ´opticos biestables.
A continuaci´on comentaremos de forma breve algunos de los estudios de ca- racter b´asico sobre biestabilidad ´optica. Comenzaremos destacando los estudios sobre el comportamiento del campo local de un material determinado en funci´on de un campo ´optico externo. En dichos estudios [Neu96, Yoo00, Gao05] se observa como el campo local, en materiales de diversa ´ındole y dispuestos en diversas con- figuraciones, presenta un comportamiento biestable, bajo la acci´on de un campo externo, en virtud de una determinada relaci´on entre las susceptibilidades χ(1) y
χ(3) propias del material; dicha relaci´on requiere, a menudo, de la combinaci´on
de diversas estructuras (metal-diel´ectrico, nanocristales semiconductores o crista- les fot´onicos etc.) las cuales proporcionan valores espec´ıficos de las partes reales e imaginarias del tensor χ(3) que posibilitan la existencia de biestabilidad ´optica.
Es preciso notar que a menudo se considera a estos fen´omenos como fen´omenos de biestabilidad intr´ınseca o mirrorless en contraposici´on a aquellos fundamentados en configuraciones contrapropagantes como las que describiremos a continuaci´on; no obstante y a juicio del autor, el t´ermino intr´ınseco ha de contraponerse a aque- llos fen´omenos de biestabilidad que no se producen de forma totalmente ´optica.
Otra de las grandes l´ıneas de investigaci´on que tratan el estudio de la biesta- bilidad desde un punto de vista b´asico no funcional, es aquella que introduce el car´acter cu´antico de la interacci´on luz materia. A este respecto, estudios basados en las transciones at´omicas y su relaci´on con la radiaci´on coherente, conducen a resultados donde efectos cu´anticos tales como la interferencia de estados cu´anti- cos o generaci´on espont´anea de coherencia [Fic02], influyen notablemente sobre el comportamiento biestable en cavidades resonantes. Uno de los efectos m´as intere- santes es la influencia de la coherencia cu´antica sobre la biestabilidad ´optica en un resonador, donde la acci´on de un campo externo modifica las curvas de biestabi- lidad por medio de fen´omenos cu´anticos interferenciales tales como la retenci´on o atrapamiento de estados excitados (coherent population trapping), los cuales ejer- cen una influencia sobre la biestabilidad ´optica s´olo explicables en el contexto de la mec´anica cu´antica [Har97, Jos03].
Otra de las vertientes del estudio del fen´omeno de la biestabilidad, es aquella dedicada al dise˜no de dispositivos ´opticos biestables desde un punto de vista fun- cional; esto es, para su aplicaci´on, por ejemplo, en redes de procesado ultrarr´apido
de la informaci´on en el dominio totalmente ´optico. A continuaci´on introduciremos algunas de la estrategias existentes a este respecto y comentaremos el lugar que ocupan las propuestas de esta memoria en dicho contexto.