Сучасні технології все більше покладаються на джерела світла, які можна змінювати за потреби. Подумайте про мікролазери, які можуть швидко перемикатися між різними робочими станами-подібно до того, як автомобіль перемикає передачі-так що оптичний чіп може направляти сигнали, виконувати обчислення або адаптуватися до мінливих умов у реальному часі. Перемикання мікролазера не є плавним, неквапливим процесом, але може бути раптовим і швидким. Як правило, майже ідентичні стани «кандидатів» генерації конкурують один з одним у мікрорезонаторі, і лазер може різко переходити з одного стану в інший, коли зовнішні умови налаштовані.
У зв’язку з цим виникає практичне запитання: наскільки швидким може бути таке перемикання в принципі? Для фізиків це викликає глибше питання: чи відбувається перемикання за універсальним правилом, як і інші фазові переходи в природі?
Команда з Пекінського університету тепер надала чітке зображення надвисоко{0}}лазера з мікрорезонаторами-час, потрібний лазеру для завершення перемикання стану, відповідає надзвичайно простому правилу-закону потужності. Коли ручка керування натискається швидше, перемикач стає швидшим-але не випадково. Натомість час перемикання зменшується разом із коренем квадратним зі швидкості розгортки, що відповідає надійному показнику степеня, близькому до половини. Цей результат фактично встановлює обмеження швидкості для того, як швидко такі мікролазери можуть «перемикати передачі». Висновки опубліковані вОглядові листи фізичних осіб.
Як керувати лазерним перемикачем?
У резонаторі з надвисокою-Q фотони циркулюють багато мільйонів разів, перш ніж витікати, що значно покращує взаємодію світло-матерія та забезпечує низький{1}}порог генерації. Досі більшість досліджень могли визначити, у якому стані опинився лазер, але було набагато важче зафіксувати сам процес перемикання-короткий перехідний процес, коли лазер залишає один стан і переходить в інший. Цей перехідний процес може розгортатися в наносекундних масштабах часу, і це відбувається у відкритій системі, яка постійно рухається та втрачає енергію, де шум і розсіювання відіграють центральну роль.
Щоб вирішити цю проблему, команда створила мікро-лазерну платформу, яку можна налаштувати простим і програмованим способом. Лазер генерується в кремнеземній мікросфері надвисокої-Q-лише десятки мікрометрів у поперечнику-, де хвилі за годинниковою стрілкою та проти неї можуть поєднуватися й утворювати два конкуруючі-стани стоячої хвилі (дві «супермоди») з протилежною симетрією.
Ключова ідея полягала в тому, щоб додати петлю зворотного зв’язку, яка повертає невелику частину лазерного світла назад у порожнину. Контролюючи фазу цього реінжектованого світла, дослідники могли змусити інтерференцію посилити або послабити певні супермоди. По суті, цей контроль фази дозволяє їм регулювати баланс втрат між двома конкуруючими станами генерації-як регулюючи гойдалку-таким чином, щоб систему можна було перенести через критичну точку, де один стан стає кращим над іншим. Це чітко «не-ермітівська» форма керування: замість того, щоб лише зміщувати резонансні частоти, вона безпосередньо змінює ландшафт підсилення–втрати, який визначає, який стан виграє.
Зйомка перемикача в реальному часі
Керування перемикачем – це лише половина історії,-запис – це друга половина. Команда використала метод -радіочастот (RF) beat{3}}note: вони змішали вихід лазера зі стабільним еталонним сигналом і відстежували отриманий радіочастотний сигнал з часом. Це перетворює надшвидкі оптичні зміни в вимірювані електричні сигнали, дозволяючи дослідникам реконструювати, як змінюється стан лазера під час перемикання з роздільною здатністю менше 10 наносекунд.
Просте правило: масштабування потужності
Коли перехідний процес стає видимим, стає можливим природний експеримент: повторіть протокол перемикання багато разів, але обертайте ручку керування з різною швидкістю. Потім команда витягла чітко-визначений час переходу з кожної події перемикання. Результат був вражаючим: у широкому діапазоні швидкостей розгортки час переходу відповідає надійному степеневому закону. Швидші розгортки призводять до швидшого перемикання, але покращення сповільнюється передбачуваним чином.
Кількісно час перемикання масштабується приблизно як обернений квадратний корінь зі швидкості розгортки, що відповідає показнику степеня, близькому до 0,5. Подібна поведінка також спостерігається в дослідженнях лазерних мереж зі з’єднаними -резонаторами, що свідчить про те, що правило не є крихкою властивістю одного пристрою, а натомість відображає ширший принцип нерівноважного перемикання в керованих дисипативних фотонних системах.
«Універсальні закони масштабування є цінними, оскільки вони дають інженерам і вченим прогнозний компас», — сказав професор Сяо, відповідний автор цієї дослідницької роботи. «Замість того, щоб налаштовувати пристрої методом проб і помилок, можна використати правило масштабування, щоб передбачити, як зміна швидкості керування впливає на час відгуку-і зрозуміти, де відбувається зменшення віддачі».
Для додатків це відкриття може надихнути мікролазери з реконфігурацією, які мають швидко перемикати робочі стани для-фотоніки на чіпі, а також об’єднані лазерні мережі, запропоновані для оптимізації та аналогових обчислень, де багато вузлів мають перемикатися надійно та швидко. Для фундаментальної науки результат забезпечує рідкісний, чистий експериментальний еталон для нерівноважної критичної динаміки у відкритому, не-ермітовому середовищі-арені, де класичні ідеї про фазові переходи мають бути переосмислені та перевірені.
