현대 기술은 필요에 따라 재구성할 수 있는 광원에 점점 더 의존하고 있습니다. 광학 칩이 신호를 라우팅하고, 계산을 수행하고, 변화하는 조건에 실시간으로 적응할 수 있도록-자동차의 기어 변속과 유사하게-다양한 작동 상태 사이를 빠르게 전환할 수 있는 마이크로레이저를 생각해 보세요. 마이크로레이저 전환은 원활하고 여유로운 과정이 아니지만 갑작스럽고 빠를 수 있습니다. 일반적으로 거의 동일한 "후보" 레이저 발사 상태는 미세공동에서 서로 경쟁하며, 외부 조건이 조정되면 레이저가 갑자기 한 상태에서 다른 상태로 점프할 수 있습니다.
이는 실용적인 질문을 제기합니다. 원칙적으로 이러한 전환은 얼마나 빠를 수 있습니까? 물리학자들에게는 더 깊은 문제가 제기됩니다. 전환이 자연의 다른 상 전환과 마찬가지로 보편적인 규칙을 따르는가?
북경대학교 팀은 이제 레이저가 상태 전환을 완료하는 데 필요한 시간이 매우 간단한 전력{2}}법칙을 따르는 초고품질 미세공동 레이저-에 대한 명확한 그림을 제공했습니다. 컨트롤 노브를 더 빨리 돌리면 스위치가 더 빨라지지만- 임의로 그렇게 되는 것은 아닙니다. 대신 스위칭 시간은 스윕 속도의 제곱근에 따라 감소하며 이는 절반에 가까운 강력한 지수에 해당합니다. 이 결과는 그러한 마이크로레이저가 얼마나 빨리 "기어를 변경"할 수 있는지에 대한 속도 제한을 효과적으로 설정합니다. 연구 결과는실제 검토 편지.
레이저 스위치를 제어하는 방법은 무엇입니까?
초고-Q 공동에서 광자는 누출되기 전에 수백만 번 순환하므로 가벼운 물질 상호 작용이 크게 향상되고 낮은 임계값 레이징이 가능해집니다.- 지금까지 대부분의 연구에서는 레이저가 어떤 상태에 있는지 알 수 있었지만 스위칭 프로세스 자체({3}}레이저가 한 상태를 떠나 다른 상태로 정착하는 짧은 과도 현상)를 포착하는 것이 훨씬 더 어려웠습니다. 이러한 과도 현상은 나노초 단위로 전개될 수 있으며 소음과 소산이 중심 역할을 하는 끊임없이 구동되고 에너지를 잃는 개방형 시스템에서 발생합니다.
이 문제를 해결하기 위해 팀은 깔끔하고 프로그래밍 가능한 방식으로 조정할 수 있는 마이크로{0}}레이저 플랫폼을 구축했습니다. 레이저는 시계 방향과 시계 반대 방향의 파동이 결합하여 반대 대칭을 갖는 두 개의 경쟁 정재파 상태(두 개의 "슈퍼 모드")를 형성할 수 있는 초고-Q 실리카 미세구-폭이 수십 마이크로미터-에서 생성됩니다.
핵심 아이디어는 레이저 광의 작은 부분을 공동으로 다시 주입하는 피드백 루프를 추가하는 것이었습니다. 재주입된 빛의 위상을 제어함으로써 연구원들은 간섭을 특정 슈퍼모드를 강화하거나 약화시킬 수 있었습니다. 실제로 이 위상 제어를 사용하면 -시소 조정과 같이-두 경쟁하는 레이저 상태 간의 손실 균형을 조정하여 시스템이 한 상태가 다른 상태보다 선호되는 임계점을 휩쓸 수 있게 됩니다. 이는 확실히 "-에르미트가 아닌" 제어 형태입니다. 즉, 공명 주파수만 이동시키는 것이 아니라 어떤 상태가 승리하는지를 결정하는 이득-손실 환경을 직접적으로 재구성합니다.
실시간으로 스위치 촬영하기
스위치 제어는 이야기의 절반에 불과합니다.-녹음은 나머지 절반입니다. 팀은 무선-주파수(RF) 비트-노트 방법을 사용했습니다. 즉, 레이저 출력을 안정적인 기준과 혼합하고 시간이 지남에 따라 결과 RF 신호를 추적했습니다. 이는 초고속 광학 변화를 측정 가능한 전기 신호로 변환하여 연구원들이 10나노초 미만의 시간 분해능으로 전환 중에 레이저 상태가 어떻게 전개되는지 재구성할 수 있도록 해줍니다.
간단한 규칙: 전력 스케일링
과도 현상이 표시되면 자연스러운 실험이 가능해집니다. 전환 프로토콜을 여러 번 반복하되 컨트롤 노브를 다른 속도로 스윕합니다. 그런 다음 팀은 각 전환 이벤트에서 잘 정의된 전환 시간을-추출했습니다. 그 결과는 놀라웠습니다. 광범위한 스위프 속도에 걸쳐 전환 시간은 강력한 전력 법칙을 따릅니다. 스위프가 빠르면 전환이 빨라지지만 예측 가능한 방식으로 개선 속도가 느려집니다.
정량적으로 스위칭 시간은 대략 스윕 속도의 역제곱근으로 확장되며, 이는 0.5에 가까운 지수에 해당합니다. 결합된 -공동 레이저 네트워크에 대한 연구에서도 동일한 동작이 나타나며, 이는 규칙이 한 장치의 취약한 기능이 아니라 대신 구동되고 소산되는 광자 시스템에서 비평형 스위칭의 더 넓은 원리를 반영한다는 것을 암시합니다.
"보편적 스케일링 법칙은 엔지니어와 과학자에게 예측 나침반을 제공하기 때문에 가치가 있습니다"라고 이 연구 작업의 교신 저자인 Xiao 교수는 말했습니다. "시행착오를 통해 장치를 조정하는 대신 확장 규칙을 사용하여 제어 속도 변화가 응답 시간에 어떻게 영향을 미치는지 예측하고{2}}수익률이 감소하는 지점을 이해할 수 있습니다."
응용 분야의 경우, 이 발견은 온칩 포토닉스의 작동 상태를 신속하게 전환해야 하는 재구성 가능한 마이크로레이저와 많은 노드가 안정적이고 빠르게 전환되어야 하는 최적화 및 아날로그 컴퓨팅을 위해 제안된 결합 레이저 네트워크에 영감을 줄 수 있습니다. 기초 과학의 경우, 결과는 상전이에 대한 고전적 아이디어를 재고하고 테스트해야 하는 개방적이고 비{2}}에르미트적 환경-에서 비평형 임계 역학에 대한 드물고 명확한 실험적 벤치마크를 제공합니다.
