เทคโนโลยีสมัยใหม่พึ่งพาแหล่งกำเนิดแสงมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งสามารถกำหนดค่าใหม่ได้ตามความต้องการ ลองนึกถึงไมโครเลเซอร์ที่สามารถสลับระหว่างสถานะการทำงานต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว-เหมือนกับการเปลี่ยนเกียร์ของรถยนต์- เพื่อให้ชิปออปติคัลสามารถกำหนดเส้นทางสัญญาณ ทำการคำนวณ หรือปรับให้เข้ากับสภาวะที่เปลี่ยนแปลงในแบบเรียลไทม์ การเปลี่ยนไมโครเลเซอร์ไม่ใช่กระบวนการที่ราบรื่นและไม่ยุ่งยาก แต่อาจเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและรวดเร็ว โดยทั่วไป สถานะการปล่อย "ผู้สมัคร" ที่เกือบจะเหมือนกันจะแข่งขันกันใน microcavity และเลเซอร์อาจกระโดดจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งทันทีเมื่อมีการปรับสภาพภายนอก
สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามในทางปฏิบัติ: โดยหลักการแล้วสวิตช์ดังกล่าวจะเร็วแค่ไหน? สำหรับนักฟิสิกส์ มีประเด็นที่ลึกซึ้งกว่านั้น: การสลับเป็นไปตามกฎสากล เช่นเดียวกับการเปลี่ยนเฟสอื่นๆ ในธรรมชาติหรือไม่
ทีมงานที่มหาวิทยาลัยปักกิ่งได้ให้ภาพที่ชัดเจนของ-เลเซอร์ไมโครคาวิตี้คุณภาพสูงพิเศษ- ซึ่งเลเซอร์ต้องใช้ในการเปลี่ยนสถานะให้เสร็จสิ้นตามกฎพลังงาน-ที่เรียบง่ายอย่างน่าทึ่ง เมื่อเลื่อนปุ่มควบคุมเร็วขึ้น สวิตช์จะเร็วขึ้น-แต่ไม่ได้เป็นเช่นนั้นเอง แต่เวลาในการเปลี่ยนจะลดลงตามรากที่สองของความเร็วกวาด ซึ่งสอดคล้องกับเลขชี้กำลังที่แข็งแกร่งใกล้กับครึ่งหนึ่ง ผลลัพธ์นี้จะกำหนดขีดจำกัดความเร็วสำหรับความเร็วของไมโครเลเซอร์ที่สามารถ "เปลี่ยนเกียร์" ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในจดหมายทบทวนทางกายภาพ.
จะควบคุมสวิตช์เลเซอร์ได้อย่างไร?
ในช่อง Q-Q ที่สูงเป็นพิเศษ โฟตอนจะไหลเวียนหลายล้านครั้งก่อนที่จะรั่วไหล ซึ่งช่วยเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารได้อย่างมาก และทำให้เกิด-เกณฑ์การแยกชั้นที่ต่ำ จนถึงขณะนี้ การศึกษาส่วนใหญ่สามารถบอกได้ว่าเลเซอร์จบลงที่สถานะใด แต่การจับกระบวนการสลับนั้นทำได้ยากกว่ามาก- ซึ่งเป็นช่วงเวลาสั้นๆ ที่เลเซอร์ออกจากสถานะหนึ่งและไปตกสู่อีกสถานะหนึ่ง ภาวะชั่วคราวนั้นสามารถเกิดขึ้นได้ในระดับนาโนวินาที และเกิดขึ้นในระบบเปิดที่ถูกขับเคลื่อนอย่างต่อเนื่องและสูญเสียพลังงาน โดยที่เสียงรบกวนและการกระจายตัวมีบทบาทสำคัญ
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมงานได้สร้างแพลตฟอร์มไมโคร-เลเซอร์ที่สามารถปรับจูนได้อย่างสะอาดตาและสามารถตั้งโปรแกรมได้ เลเซอร์ถูกสร้างขึ้นใน-Q ซิลิกาไมโครสเฟียร์-สูงพิเศษเพียงสิบไมโครเมตรในแนวขวาง- โดยที่คลื่นตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาสามารถจับคู่กันและก่อตัวเป็นสถานะของคลื่นที่แข่งขันกัน- สองสถานะ ("ซูเปอร์โหมด" สองอัน) ที่มีความสมมาตรตรงกันข้าม
แนวคิดหลักคือการเพิ่มวงจรป้อนกลับที่จะดึงแสงเลเซอร์ส่วนเล็กๆ กลับเข้าไปในช่อง ด้วยการควบคุมเฟสของแสงที่ถูกปฏิเสธนี้ นักวิจัยสามารถทำการรบกวนไม่ว่าจะทำให้ซุปเปอร์โหมดเฉพาะเจาะจงมากขึ้นหรืออ่อนลง ที่จริงแล้ว การควบคุมเฟสนี้ช่วยให้พวกเขาปรับแต่งสมดุลการสูญเสียระหว่างสถานะการเลเซอร์ทั้งสองสถานะที่แข่งขันกัน-เช่น การปรับกระดานหก- เพื่อให้ระบบสามารถกวาดผ่านจุดวิกฤตที่สถานะหนึ่งได้รับความโปรดปรานมากกว่าอีกสถานะหนึ่ง นี่คือรูปแบบการควบคุมที่ "ไม่ใช่-เฮอร์มิเชียน" อย่างชัดเจน แทนที่จะเปลี่ยนเฉพาะความถี่เรโซแนนซ์เท่านั้น แต่ยังปรับเปลี่ยนภูมิทัศน์กำไร-ขาดทุนโดยตรงซึ่งควบคุมว่ารัฐใดจะชนะ
ถ่ายสวิตช์แบบเรียลไทม์
การควบคุมสวิตช์เป็นเพียงครึ่งหนึ่งของเรื่องราว-แต่เป็นอีกครึ่งหนึ่งของการบันทึก ทีมงานใช้วิธีบันทึกความถี่วิทยุ (RF) บีต-: พวกเขาผสมเอาท์พุตเลเซอร์กับค่าอ้างอิงที่เสถียร และติดตามสัญญาณ RF ที่ได้เมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้จะแปลงการเปลี่ยนแปลงทางแสงที่รวดเร็วเป็นพิเศษเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่วัดได้ ช่วยให้นักวิจัยสามารถสร้างวิธีที่สถานะของเลเซอร์วิวัฒนาการในระหว่างการเปลี่ยนด้วยความละเอียดของเวลาต่ำกว่า 10 นาโนวินาที
กฎง่ายๆ: การปรับขนาดกำลัง
เมื่อมองเห็นค่าชั่วคราวได้ การทดลองตามธรรมชาติก็จะเป็นไปได้: ทำซ้ำโปรโตคอลการสลับหลายๆ ครั้ง แต่หมุนปุ่มควบคุมด้วยความเร็วที่ต่างกัน จากนั้น ทีมงานได้แยกเวลา-การเปลี่ยนแปลงที่กำหนดไว้อย่างดีจากเหตุการณ์การเปลี่ยนแต่ละครั้ง ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าทึ่ง: ในช่วงความเร็วกวาดที่หลากหลาย เวลาในการเปลี่ยนเป็นไปตามกฎกำลังที่แข็งแกร่ง การกวาดที่เร็วขึ้นนำไปสู่การเปลี่ยนที่เร็วขึ้น แต่การปรับปรุงจะช้าลงในลักษณะที่คาดเดาได้
ในเชิงปริมาณ เวลาในการสลับจะปรับขนาดโดยประมาณเป็นรากที่สองผกผันของความเร็วกวาด ซึ่งสอดคล้องกับเลขชี้กำลังใกล้กับ 0.5 พฤติกรรมเดียวกันนี้ยังปรากฏในการศึกษาเกี่ยวกับเครือข่ายเลเซอร์ช่อง-คู่กัน โดยบอกว่ากฎนี้ไม่ใช่คุณลักษณะที่เปราะบางของอุปกรณ์ตัวเดียว แต่สะท้อนถึงหลักการที่กว้างขึ้นของการสลับที่ไม่มีความสมดุลในระบบโฟโตนิกที่ขับเคลื่อนและกระจายไปแทน
ศาสตราจารย์เซียว ผู้เขียนงานวิจัยนี้กล่าวว่า "กฎหมายมาตราส่วนสากลมีคุณค่าเพราะช่วยให้วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์มีเข็มทิศในการทำนาย" "แทนที่จะปรับแต่งอุปกรณ์ด้วยการลองผิดลองถูก เราสามารถใช้กฎการปรับขนาดเพื่อคาดการณ์ว่าความเร็วในการควบคุมที่เปลี่ยนแปลงจะส่งผลต่อเวลาตอบสนองอย่างไร- และเพื่อทำความเข้าใจว่าผลตอบแทนที่ลดลงนั้นกำหนดไว้ที่ใด"
สำหรับแอปพลิเคชัน การค้นพบนี้อาจสร้างแรงบันดาลใจให้กับไมโครเลเซอร์ที่กำหนดค่าใหม่ได้ ซึ่งจะต้องเปลี่ยนสถานะการทำงานอย่างรวดเร็วสำหรับโฟโตนิกบนชิป- และเครือข่ายเลเซอร์คู่ที่เสนอสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพและการประมวลผลแบบอะนาล็อก ซึ่งโหนดจำนวนมากต้องสลับอย่างเชื่อถือได้และรวดเร็ว สำหรับวิทยาศาสตร์พื้นฐาน ผลลัพธ์ที่ได้มอบเกณฑ์มาตรฐานการทดลองที่หายากและสะอาดสำหรับไดนามิกส์วิกฤตที่ไม่สมดุลใน-สภาพแวดล้อมแบบ Hermitian- แบบเปิดที่ไม่ใช่เวทีที่ซึ่งแนวคิดคลาสสิกเกี่ยวกับการเปลี่ยนเฟสจะต้องได้รับการพิจารณาใหม่และทดสอบ
