ما هو مشط الترددات الضوئية المُعدِّل الكهروضوئي؟ الجزء الأول

مشط التردد البصري هو طيف يتكون من سلسلة من مكونات التردد المتباعدة بالتساوي على الطيف، والتي يمكن توليدها بواسطة ليزرات مقفلة النمط، أو رنانات، أوالمعدلات الكهروضوئية. أمشاط التردد البصري المتولدة بواسطةالمعدِّلات الكهروضوئيةتتميز بخصائص التردد العالي للتكرار، والتجفيف الداخلي، والطاقة العالية، وما إلى ذلك، والتي تستخدم على نطاق واسع في معايرة الأجهزة، والتحليل الطيفي، أو الفيزياء الأساسية، وقد جذبت اهتمام المزيد والمزيد من الباحثين في السنوات الأخيرة.

نشر ألكسندر باريو وآخرون من جامعة بورغندي في فرنسا مؤخرًا ورقة بحثية استعراضية في مجلة "Advances in Optics and Photonics"، حيث قدموا بشكل منهجي أحدث التطورات البحثية وتطبيقات أمشاط التردد الضوئية المولدة بواسطةالتعديل الكهروضوئييتضمن هذا البحث مقدمة عن مشط التردد البصري، وطريقة وخصائص مشط التردد البصري المُولّد بواسطةمُعدِّل كهروضوئيوأخيراً، يسرد سيناريوهات تطبيقمُعدِّل كهروضوئييتناول هذا البحث بالتفصيل تقنية مشط التردد البصري، بما في ذلك تطبيقات الطيف الدقيق، وتداخل مشط التردد البصري المزدوج، ومعايرة الأجهزة، وتوليد أشكال موجية عشوائية، ويناقش المبادئ الكامنة وراء مختلف التطبيقات. وأخيرًا، يقدم المؤلف نظرة مستقبلية على تقنية مشط التردد البصري باستخدام مُعدِّلات كهروضوئية.

01 الخلفية

قبل ستين عامًا، في مثل هذا الشهر، اخترع الدكتور مايمان أول ليزر من الياقوت. وبعد أربع سنوات، كان هارجروف وفوك وبولاك من مختبرات بيل في الولايات المتحدة أول من أبلغ عن تقنية قفل الأنماط النشطة التي تم تحقيقها في ليزرات الهيليوم-نيون. يُمثل طيف ليزر قفل الأنماط في المجال الزمني بانبعاث نبضي، بينما يُمثل في المجال الترددي سلسلة من الخطوط القصيرة المنفصلة والمتساوية البعد، وهي تشبه إلى حد كبير استخدامنا اليومي للأمشاط، ولذلك يُطلق على هذا الطيف اسم "مشط التردد البصري".

نظراً لآفاق التطبيق الواعدة للمشط الضوئي، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء عام 2005 لهانش وهال، اللذين قدما عملاً رائداً في تكنولوجيا المشط الضوئي. ومنذ ذلك الحين، وصل تطوير المشط الضوئي إلى مرحلة جديدة. ونظراً لاختلاف متطلبات التطبيقات المختلفة للمشط الضوئي، كقوة الإشارة، والمسافة بين الخطوط، والطول الموجي المركزي، فقد استدعى ذلك استخدام وسائل تجريبية متنوعة لتوليد الأمشاط الضوئية، مثل الليزر ذي النمط المقفل، والمرنانات الدقيقة، والمعدِّل الكهروضوئي.

الشكل 1: طيف المجال الزمني وطيف المجال الترددي لمشط التردد البصري
مصدر الصورة: أمشاط التردد الكهروضوئية

منذ اكتشاف الأمشاط الترددية الضوئية، تم إنتاج معظمها باستخدام ليزرات ذات نمط مقفل. في هذه الليزرات، يُستخدم تجويف ذو زمن ذهاب وإياب τ لتثبيت علاقة الطور بين الأنماط الطولية، وذلك لتحديد معدل تكرار الليزر، والذي يتراوح عادةً بين ميغاهرتز (MHz) وجيجاهرتز (GHz).

يعتمد مشط التردد البصري الناتج عن الرنان الميكروي على التأثيرات غير الخطية، ويُحدد زمن الذهاب والإياب بطول التجويف الميكروي. ولأن طول التجويف الميكروي عادةً ما يكون أقل من 1 مم، فإن مشط التردد البصري الناتج عنه يتراوح عادةً بين 10 جيجاهرتز و1 تيراهرتز. توجد ثلاثة أنواع شائعة من التجاويف الميكروية: الأنابيب الميكروية، والكرات الميكروية، والحلقات الميكروية. وباستخدام التأثيرات غير الخطية في الألياف البصرية، مثل تشتت بريلوين أو مزج أربع موجات، بالإضافة إلى التجاويف الميكروية، يُمكن إنتاج أمشاط تردد بصري في نطاق عشرات النانومترات. علاوة على ذلك، يُمكن أيضًا توليد أمشاط التردد البصري باستخدام بعض المُعدِّلات الصوتية البصرية.