כיצד לחקור מיקרו-וננו-מבנים בעזרת לייזרים מתכווננים Tunable lasers

תמצית
מיקרו- וננו-מבנים הופכים ליותר ויותר חשובים עבור מחקר בסיסי וטכנולוגייה קוונטית שימושית. דוגמאות בולטות של מבנים כאלה הם microcavities ונקודות קוונטיות. יישומים חשובים הם מקורות פוטונים יחידים או מסובכים, סיביות נתונים (qubits) עבור מחשבים קוונטים וחיישנים שונים. המבנים גם מאפשרים חקירות בגבול קוונטי כגון תנודות קוונטיות ב-microcavities, אלקטרו-דינמיקה קוונטיות (quantum electrodynamics QED) עם נקודות קוונטיות או אף לימודי cavity QED עם נקודות קוונטיות יחידות במהוד. יישומים רבים דורשים עירור אופטי תהודתי עם לייזרי CW מתכוונים מתאימים. על-ידי שאיבה אופטית של microcavities. באורך-הגל הנכון, אפשר אפילו ליצור מסרקי תדר מיקרוסקופיים קוהרנטיים ופולסים אופטיים קצרים – יישום מאוד מבטיח האמור לגרום להשפעה משמעותית בטכנולוגיה פוטונית.

Microcavities
לרוב לא ניתן לצפות בתכונות קוונטיות בעצמים מאקרוסקופיים בשל חוסר הקוהרנטיות הסביבתית אלא אם משתמשים בגיאומטריות דגימה וקירור מיוחדים. שימוש ב-microcavities, לדוגמה, היא אפשרות אחת לצפות בהשפעות קוונטיות במבנים גדולים יחסית, מדורגים במיקרו-מטר. איור 1 מציג microcavities מזכוכית מבודדת, בצורת סופגנייה בקוטר של כ-30 מיקרונים. אור, המתחבר למהוד דרך שדה חולף, מנתר מחוץ לחומות הסופגנייה על-ידי החזרה פנימית מלאה ולכן מעביר כוח קטן על המבנה באמצעות לחץ קרינה.
בדרך זו, האור הצמוד יכול להשפיע על התנהגות הרטט של המבנה ולהפך. דבר זה הופך את ה-microcavities לעצמים מרגשים עבור מחקר קוונטי. לדוגמה, ב-Verhagen, Deleglise, Weis, Schliesser & Kippenberg, 2012, אובחן צימוד פרמטרי כזה בין אור ותנודות מכניות. ב-Wilson, Sudhir, Piro & Ghadimi, 2015, חיישן מבוסס על צימוד אופטו-מכני שימש לקירור משוב אקטיבי של microcavities כעין זו.
בשל הממדים הקטנים שלהן, התחום הספקטראלי החופשי של microcavitiesהוא גדול יחסית, וסטיות קטנות בגודל יוצרות שינויים ספקטראליים גדולים של תהודות המהוד. לכן, לייזר מתכוונן חופשי מקפיצות רחבות (Mode Hop Free) הוא כלי ערכי ביותר כדי למצוא ולחקור את תדרי התהודה של ה-microcavities או כדי לסקור יותר מתחום ספקטראלי חופשי יחיד של המהוד. בנוסף, ללייזר צריך שיהיה הרעש הנמוך ביותר בהספק ובתדר כדי לא לעורר אקראית תנודות מכניות בלתי-רצויות.
התלות של תדרי התהודה של ה-microcavities בממד ובפרמטרים סביבתיים אחרים ניתנת לניצול עבור יישום מבטיח: גילוי ללא תווית של פרודות ביולוגיות יחידות בתמיסה. דבר זה מתאפשר תוך שימוש במהוד אופטי מיקרו-טבעתי בשילוב עם לייזר מתכוונן בהרחבה חופשי מקפיצות נרחבות דוגמת ה-DLC CTL של TOPTICA. ב-(Su,2014) מתואר כיצד לייזר זה מיוצב בתדר למהוד אופטי מיקרו-טבעתי וכיצד נצפים שינויים של תדר המהוד האופטי הנגרמים בשל פרודות כרוכות למהוד. בדרך זו, חלקיקים ברדיוס בין 2 ננו-מטרים ו-100 ננו-מטרים מתגלים ומובחנים.
התוצאות מורחבות הלאה לקראת יצירת בדיקה בביופסיה של גידול לא פולשני, ומספקות יסוד עבור “ספקטרומטר מסות אופטי” בתמיסה. עבור יישום זה דרוש לא רק כוונון באופן רחב חופשי-מקפיצות (Mode Hop Free) אלא גם היכולת לייצב בצורה נאותה את הלייזר ל-microcavities. ללייזר ה-CTL, לדוגמה, יש אלקטרוניקה ייצוב דיגיטלית מובנית, ומשתמשת כאופציה באלקטרוניקה אנלוגית בעלת רוחב פס גבוה ביותר או דיגיטלית מהירה לנעילה.

מסרקי תדר מבוססי מיקרו-מהוד
מיקרו-מהודים מנוצלים בקצב עולה כדי ליצור מסרקי תדר אופטיים. בשל הנפח הקטן של השדה האופטי המונחה וגורמי ה-Q הגבוהים עד 1010, העוצמות במהודים אלה נהיות כה גבוהות כך שהשפעות לא ליניאריות הופכות לחזקות ביותר. מיקרו-מהוד יכול להמיר אור עירור CW לרכיבי תדר אחר דרך עירוב ארבע-גלי לא-ליניארי ובכך ליצור מסרק תדר (איור 2).
התכונות של מסרק התדר הנוצר תלויות מאוד באורך הגל של לייזר המשאבה. הלייזר CW יכול לעורר מצבי רעש גבוהים לא-קוהרנטיים כמו גם מצבי סוליטון (soliton). מצבי סוליטון הם חיוביים, כאשר המסרק הנוצר הוא קוהרנטי וכולל רעש נמוך ביותר, רוחב קו צר ופולסים קצרים. אם לייזר המשאבה נסרק מתדרים גבוהים יותר עד לנמוכים יותר, נוצרים צעדים פתאומיים בין מצבי סוליטון שונים. כל צעד מתאים להפחתה הרצופה של מספר הסוליטונים הנעים במיקרו-מהוד. על-ידי הזנה חוזרת על הלייזר מסרק המיקרו ניתן לייצוב על אחד הצעדים, ומאפשר בכך פעולת סוליטון יציבה. איור 3 מראה ספקטרום אופטי יחיד של microcavities כזו העשוי מ-SiN הנשאב עם לייזר דיודות מתכוונן (Brasch et al.,2016).
מיקרו-מהודים מבוססי גביש מבטיחים במיוחד מאחר שיש להם את גורמי ה-Q הגבוהים ביותר. הם יכלו עדיין להיות שאובים בעזרת לייזרי סיבים בעל רעש נמוך. לייזרי סיבים כאלה אינם מתכוונים בקלות, ולייזרי דיודות מתכווננים מקובלים לא היו מתאימים בגלל הרעש הגבוה יותר שלהם. הדור החדש של לייזרי דיודות המתכווננים ברציפות, (continuously tunable diode lasers, CTL) כוללים כעת מזיני זרם בעלי רעש נמוך ביותר ומהוד לייזר המאפשר רוחבי קו צרים מתחת ל-10 קילו-הרץ עם סחיפות נמוכות ביותר. עם לייזרים מתכווננים אלה ניתן לשאוב אפילו מיקור-מסרקים מבוססי גביש. תוך שימוש בייצוב תדר אקטיבי של רוחב הפס, ניתן להפחית את רוחב הקו של CTLs לרמה של 1 הרץ כדי לחקור את השפעות הרעש של לייזר משאבה על המיקרו-מסרקים.
נקודות קוונטיות
נקודות קוונטיות של מוליכים למחצה הן בממדי ננו-מטר בשלושה ממדים כך שהמצבים האלקטרוניים שלהן מכומתים בשל הריתוק ההדוק. נקודות קוונטיות נקראות לעתים קרובות “אטומים מלאכותיים” מאחר שהן מראות גם תכונות דומות לאטומים בודדים כגון אגידת-נגד פוטונית חזקה ורוחב-קו מוגבל כמעט כאורך החיים. אלה הן מערכות מעניינות ליצירת qubits, ובמיוחד נקודות קוונטיות חצאי-מוליכים הם מועמדים מבטיחים עבור מחשבים קוונטיים בעלי הרחבה מאחר שתהליך המוליכים למחצה נלמד והובן היטב: שלא כמו אטומים ממשיים, ניתן להצמיח נקודות קוונטיות בעלי מוליכים למחצה בצורה מבוקרת במצב מוצק, ומבנים אחרים כגון מהוד גביש פוטוניות וגלבוים ניתנים לבנייה מסביבם (ראה איור 5b/c).
עירור אופטי תהודתי של מצבי נקודה קוונטית מכריע במיוחד עבור טיפול וגילוי של מצבים קוהרנטיים. אולם, בשל תהליך הצמיחה האקראי בעליל, כל הנקודות הקוונטיות הן שונות בגודל ולכן הן בעלות תדרי תהודה אופטית שונים. כדי למצוא ולעורר בתהודה את המעברים האופטיים של נקודה קוונטית יחידה, לייזר צר-פס Mode Hop Free הוא כלי אידיאלי.
הדבר נכון במיוחד עבור נקודות קוונטיות מחוברות (Coupled Quantum Dots). בדרך למערכי qubit מתרחבות, נקודות קוונטיות מחוברות עוררו לאחרונה הרבה עניין. מדידות תנועת אלקטרונים על נקודות קוונטיות מחוברות הוכיחו חיבור וטיפול רגיש לסיחרור וטיפול בסחרור אלקטרוני וגרעיני, וספקטרומים אופטיים של excitons מחוברים נמדדו וחושבו בנקודות קוונטיות בעלות חיבור עצמי. גישה אחת היא לגדל נקודות קוונטיות בעלות חיבור עצמי אחד מעל השני. ה-interdot coupling בנקודות קוונטיות כאלה ניתן לשליטה הן על-ידי פעולה הדדית של החלפת אלקטרון-חור וחיבור חילופי של אלקטרון-אלקטרון. החלפת מצב הטעינה של הנקודה הקוונטית דרך מתח השער שלהם, והמיתוג בין שני מנגנונים אלה והחלפות שולטים על עצמת החיבור (Falt et al., 2008). עצמת החיבור המשתנה עושה את הנקודות הקוונטיות למעניינות עבור qubits ויישומי מחשוב קואנטי. התהודות האופטיות שלהם, אולם, יכולות להיות שונות במספר עשרות ננו-מטרים (בערך 10 THz) וכדי לעורר תהודתית את שתי הנקודות הקוונטיות, שוב, דרוש לייזר מתכוונן רחב, חופשי מקפיצות כדי להחליף בקלות בין נקודה אחת לשנייה.

נקודות קוונטיות בננו-מבנים פוטוניים
היבט חשוב עבור ניסויים באופטיקה קוונטית ברמת הפוטון הבודד הוא להגביר ולבקר חזק את הפעולה ההדדית בין אור לחומר דוגמת חיבור מועדף של פוטון בודד מחובר אל מצב אופטי מוגדר היטב. על-ידי שילוב של נקודות קוונטיות לתוך מבני מוליכים למחצה אחרים דוגמת waveguides או מבני גבישים פוטוניים, אפילו ניסויי Cavity QED אפשריים ללא הצורך בלכידת אטומים (ראה איור 5c).
ננו-מבנים פוטוניים מספקים אמצעי למדידת ההשפעה בין אור וחומר. הם מאפשרים מגוון ניסויים כגון בקרת פליטה ספונטנית, שינויי Lamb משתנים ופעולה הדדית דיפול-לדיפול משופרת כמו גם מקורות חד-פוטוניים בודדים ואי-ליניארויות ענקיות.
על-ידי שילוב של נקודה קוונטית בתוך גלבו גביש פוטוני, לדוגמה, Javadi et al. ב-Niels Bohr Institute ב-קופנהאגן יכלו להוכיח אופטיקה לא-ליניארית ברמה של פוטון בודד: פוטונים יחידים הוחזרו על-ידי הנקודה הקוהרנטית בשעה שפוטונים מרובים יכלו לעבור (Javadi et al.,2015). תגובות הדדיות לא-ליניאריות בין פוטונים מאפשרות פעולות לוגיות עבור הן הטכנולוגיה הקלאסית והן זו בעלת מידע-קוונטי כאחד, תוך סלילת הדרך לקראת ארכיטקטורות של מחשוב קוונטי של פוטוניקה מתרחבות מבוססות-waveguide.

לייזרי דיודות מתכווננים חדשים
לכל היישומים (ניסוים) דבר אחד משותף: הם דורשים לייזרים מתכווננים בעלי חופש רחב מקפיצות. דור חדש של לייזרי דיודות בעלי מהוד חיצוני (external cavity diode lasers – ECDLs) המכונים CTL מתאים בצורה אידיאלית עבור משימה זו. לייזרים אלה מציעים כוונון רחב מאוד עם רזולוציה מצוינת תוך הצגה בו זמנית של רוחב קו צר, רעש נמוך ביותר וסחיפה. ה-CTL מאפשר ניסויי טכנולוגיית הקוונטים שקודם לא היו אפשריים עם ECDLs. חלקית, תכונות משופרות אלו נובעות מהבקר המבוקר דיגיטלית במלואו, DLC pro. הוא מציע את ספרות הרעש הנמוכות ביותר המושגות מסחרית עבור זרם הדיודות, מתחי פיאזו וטמפרטורה, הגורמים לרוחבי קו בעלי ריצה חופשית מתחת ל-19 קילו-הרץ. ל- pro DLC יש גם תפקודיות משולבת של תדר וייצוב הספק והוא מבוקר בנוחיות דרך ממשק משולב מגע/לחצן – או מרחוק דרך TCP/IP או USB. הוא גם אחראי להבטחת פעולה במצב יחיד בלולאת משוב אקטיבית (SMILE) ועבור ייטוב אוטומטי של מהוד הלייזר (FLOW) אם דרוש.
אם השיפורים האחרונים בפיתוח לייזרי דיודות מתכווננים, עולם המיקרו, הננו והקוונטים הופך להרבה יותר נוח. חלק מהנושאים שנדונו עשויים להיות בעלי השפעה על טכנולוגיה, כאשר מיקרו-מסרקים מוצבים יום אחד בטלפונים סלולריים או מכוניות בעוד תקשורת הלוויינים שלהם מוגנת על-ידי הצפנה קוונטית, המושגת על-ידי הנקודות הקוונטיות בגבישים פוטוניים.

ספרות
Brasch, V., Geiselmann, M., Herr, T., Lihachev, G., Pfeiffer, M., Gorodetsky, M., & Kippenberg, T. (2016). Photonic chip-based optical frequency comb using solitin Cherenkov radiation. Science, 351(6271), 357.
Fält, S., Atatüre, M., Türeci, H. E., Zhao, Y., Badolato, A., & Imamoglu, A. (2008). Strong Electron-Hole Exchange in Coherently Coupled Quantum Dots. Phys. Rev. Lett., 100, 106401.
Javadi, A., Söllner, I., Arcari, M., Lindskov Hansen, S., Midolo, L., Mahmoodian, S., . . . Lodahl, P. (2015). Single-photon non-linear optics with a quantum dot in a waveguide. Nature communications, 6, 8655.
Lodahl, P., Mahmoodian, S., & Stobbe, S. (2015). Interfacig single photons and single quantum dots with photonic nanostructures. Reviews of modern physics, 87, 347.
Su, T.-T. (2014). Label-free detection of single biological molecules using microtoroid optical resonators. Dissertation. California Institute of Technology, USA.
Verhagen, E., Deléglise, S., Weis, S., Schliesser, A., & Kippenberg, T. J. (2012). Quantum-coherent coupling of a mechanical oscillator to an optical cavity mode. Nature 482, 63-67.
Wilson, D., Sudhir, V., Piro, N., & Ghadimi, T. J. (2015). Measurement-based control of a mechanical oscillator at its thermal decoherence rate. Nature 524, 325-329.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת TOPTICA בשיתוף עם להט טכנולוגיות