Moderne technologieën zijn steeds meer afhankelijk van lichtbronnen die op verzoek opnieuw kunnen worden geconfigureerd. Denk aan microlasers die snel kunnen schakelen tussen verschillende bedrijfstoestanden-net zoals een auto die schakelt-zodat een optische chip signalen kan routeren, berekeningen kan uitvoeren of zich in realtime kan aanpassen aan veranderende omstandigheden. Het schakelen tussen de microlasers is geen soepel en ontspannen proces, maar kan plotseling en snel gebeuren. Over het algemeen concurreren vrijwel identieke "kandidaat"-lasertoestanden met elkaar in een microholte, en de laser kan abrupt van de ene toestand naar de andere springen wanneer externe omstandigheden worden afgestemd.
Dit roept een praktische vraag op: hoe snel kan zo’n omschakeling in principe zijn? Voor natuurkundigen roept het een diepere vraag op: volgt het schakelen een universele regel, zoals andere faseovergangen in de natuur?
Een team van de Universiteit van Peking heeft nu een duidelijk beeld gegeven van een microcaviteitslaser van ultrahoge-kwaliteit-de tijd die de laser nodig heeft om een toestandswisseling te voltooien volgt een opmerkelijk eenvoudige machtsregel-. Wanneer de bedieningsknop sneller wordt bewogen, wordt de schakelaar sneller-maar niet willekeurig. In plaats daarvan neemt de schakeltijd af met de vierkantswortel van de sweepsnelheid, wat overeenkomt met een robuuste exponent van bijna de helft. Dit resultaat stelt feitelijk een snelheidslimiet vast voor hoe snel dergelijke microlasers kunnen "schakelen". De bevindingen zijn gepubliceerd inFysieke beoordelingsbrieven.
Hoe de laserschakelaar bedienen?
In een holte met ultrahoge{0}}Q circuleren fotonen vele miljoenen keren voordat ze naar buiten lekken, wat de interacties tussen licht en materie aanzienlijk verbetert en laserwerking met een lage- drempel mogelijk maakt. Tot nu toe konden de meeste onderzoeken uitwijzen in welke toestand de laser terechtkwam, maar het was veel moeilijker om het schakelproces zelf vast te leggen-de korte transiënt waarbij de laser de ene toestand verlaat en in een andere terechtkomt. Deze transiënt kan zich ontvouwen op tijdschalen van nanoseconden, en gebeurt in een open systeem dat voortdurend wordt aangedreven en energie verliest, waarbij ruis en dissipatie een centrale rol spelen.
Om dit op te lossen heeft het team een micro-laserplatform gebouwd dat op een schone en programmeerbare manier kan worden afgestemd. De laser wordt gegenereerd in een ultrahoge-Q silica-microsfeer-met een doorsnede van slechts tientallen micrometers-waar golven met de klok mee en tegen de klok in kunnen koppelen en twee concurrerende staande- golftoestanden kunnen vormen (twee 'supermodi') met tegengestelde symmetrieën.
Het belangrijkste idee was om een feedbacklus toe te voegen die een klein deel van het laserlicht opnieuw in de holte injecteert. Door de fase van dit opnieuw geïnjecteerde licht te controleren, konden de onderzoekers ervoor zorgen dat interferentie specifieke supermodi versterkt of verzwakt. In feite zorgt deze fasecontrole ervoor dat ze de verliesbalans tussen de twee concurrerende lasertoestanden kunnen afstemmen-zoals het aanpassen van een wip-zodat het systeem over het kritieke punt heen kan worden geveegd waar de ene toestand de voorkeur krijgt boven de andere. Dit is duidelijk een 'niet-Hermitische' vorm van controle: in plaats van alleen maar de resonantiefrequenties te verschuiven, hervormt het direct het winst-verlieslandschap dat bepaalt welke staat wint.
De overstap in realtime filmen
Het bedienen van de schakelaar is slechts de helft van het verhaal-het opnemen ervan is de andere helft. Het team gebruikte een radio-frequentie (RF) beat--methode: ze mengden de laseruitvoer met een stabiele referentie en volgden het resulterende RF-signaal in de loop van de tijd. Dit zet ultrasnelle optische veranderingen om in meetbare elektrische signalen, waardoor de onderzoekers kunnen reconstrueren hoe de lasertoestand evolueert tijdens de omschakeling met een tijdresolutie van minder dan 10 nanoseconden.
De eenvoudige regel: een vermogensschaling
Zodra de transiënt zichtbaar is, wordt een natuurlijk experiment mogelijk: herhaal het schakelprotocol vele malen, maar beweeg de bedieningsknop met verschillende snelheden. Het team haalde vervolgens een goed-gedefinieerde overgangstijd uit elke schakelgebeurtenis. Het resultaat was opvallend: over een breed scala aan sweep-snelheden volgt de overgangstijd een robuuste machtswet. Snellere sweeps leiden tot sneller schakelen, maar de verbetering vertraagt op een voorspelbare manier.
Kwantitatief schaalt de schakeltijd ongeveer als de omgekeerde vierkantswortel van de sweepsnelheid, wat overeenkomt met een exponent dichtbij 0,5. Hetzelfde gedrag komt ook voor in onderzoeken naar gekoppelde-caviteitslasernetwerken, wat suggereert dat de regel geen fragiel kenmerk van één apparaat is, maar in plaats daarvan een breder principe weerspiegelt van niet-evenwichtsschakeling in aangedreven, dissipatieve fotonische systemen.
"Universele schaalwetten zijn waardevol omdat ze ingenieurs en wetenschappers een voorspellend kompas geven", zegt prof. Xiao, de corresponderende auteur van dit onderzoekswerk. "In plaats van apparaten met vallen en opstaan af te stemmen, kun je een schaalregel gebruiken om te anticiperen op de manier waarop veranderende besturingssnelheid de responstijd beïnvloedt- en om te begrijpen waar afnemende opbrengsten optreden."
Voor toepassingen kan deze bevinding een inspiratie zijn voor de herconfigureerbare microlasers die snel van bedrijfstoestand moeten wisselen voor on{0}}chip-fotonica, en ook voor de gekoppelde lasernetwerken die worden voorgesteld voor optimalisatie en analoog computergebruik, waarbij veel knooppunten betrouwbaar en snel moeten schakelen. Voor de fundamentele wetenschap biedt het resultaat een zeldzame, zuivere experimentele maatstaf voor een niet-evenwichtskritische dynamiek in een open, niet-hermitische setting-een arena waar klassieke ideeën over faseovergangen opnieuw moeten worden doordacht en getest.
