美能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學(xué)家們已經(jīng)制造出一種單一的設(shè)備，既可以作為激光也可以作為反激光。他們在約1556nm的頻率下證明了這兩種相反的功能。

自然光子學(xué)雜志本周報道了他們的研究結(jié)果，他們相信這為開發(fā)一種具有作為激光、放大器、調(diào)制器和吸收器或檢測器靈活性的新型集成設(shè)備打下了基礎(chǔ)。

伯克利實驗室材料科學(xué)部高級教授科學(xué)家研究員張翔說：“在單個光學(xué)腔中，我們在相同的頻率下實現(xiàn)了相干光放大和吸收，這是一種違反直覺的現(xiàn)象，因為這兩種狀態(tài)從根本上彼此矛盾。這對于光通信中的光脈沖的高速調(diào)制是重要的。”

反轉(zhuǎn)激光

近年來，抗激光器（或相干完全吸收器（CPA））的概念作為反轉(zhuǎn)激光器作用的器件出現(xiàn)。不同于強烈地放大光束，反激光器可以完全吸收入射的相干光束。

五年前首次由耶魯大學(xué)研究人員展示的抗激光應(yīng)用仍在探索中。因為反激光器可以在“噪聲”不相干背景中拾取弱相干信號，所以它可以用作非常敏感的化學(xué)或生物檢測器。

可以結(jié)合這兩種能力的設(shè)備可以成為用于構(gòu)建光子集成電路的有價值的構(gòu)建模塊，研究人員說。

研究主要作者、張氏實驗室的博士后研究員王子敬說：“從相干吸收到相干放大，光的按需控制從未被想象過，在科學(xué)界仍然是高度追捧。”該器件可以在沒有理論限制的情況下實現(xiàn)非常大的調(diào)制對比度。

研究人員使用納米制造技術(shù)構(gòu)建824個重復(fù)的增益和損耗材料對以形成器件，其測量范圍為200微米長、1.5微米寬。

增益介質(zhì)由銦鎵砷磷制成。與鍺配對的鉻形成損耗介質(zhì)。重復(fù)圖案創(chuàng)建了一個諧振系統(tǒng)，其中光在裝置中來回反彈以建立放大或吸收幅度。

平衡和對稱

如果通過這種增益損失重復(fù)系統(tǒng)發(fā)送光，則有根據(jù)的猜測是光將經(jīng)歷相等量的放大和吸收，并且光將不改變強度。然而，這還要看系統(tǒng)是否滿足奇偶時間對稱的條件，這是設(shè)備設(shè)計中的關(guān)鍵要求。

奇偶時間對稱是從量子力學(xué)演變而來的概念。在奇偶校驗操作中，位置被翻轉(zhuǎn)，諸如左手變?yōu)橛沂郑蚍粗嗳弧?o:p>

現(xiàn)在添加時間反轉(zhuǎn)操作，這類似于倒回視頻和向后觀察動作。例如，球囊充氣的時間反轉(zhuǎn)動作將是相同的球囊放氣。在光學(xué)中，放大增益介質(zhì)的時間反轉(zhuǎn)對應(yīng)物是吸收損耗介質(zhì)。

在執(zhí)行奇偶校驗和時間反轉(zhuǎn)操作時返回到其原始配置的系統(tǒng)被認為滿足奇偶校驗時對稱性的條件。

在發(fā)現(xiàn)反激光之后不久，科學(xué)家就已經(jīng)預(yù)測，具有奇偶時間對稱性的系統(tǒng)可以在同一空間中以相同的頻率支持激光器和反激光器。在由張和他的組創(chuàng)建的設(shè)備中，增益和損耗的大小，構(gòu)件塊的尺寸和移動通過的光的波長組合以創(chuàng)建奇偶時間對稱的條件。

當(dāng)系統(tǒng)平衡并且增益和損耗相等時，沒有光的凈放大或吸收。但是如果擾動條件使得對稱性被破壞，則可以觀察到相干放大和吸收。

在實驗中，具有相等強度的兩個光束被引導(dǎo)到裝置的相對端。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整一個光源的相位，他們能夠控制光波是否在放大或吸收材料中花費更多的時間。

加速一個光源的相位有利于增益介質(zhì)和放大的相干光的發(fā)射的干涉圖案或激光模式。減小一個光源的相位具有相反的效果，導(dǎo)致在損耗介質(zhì)中花費更多的時間和光束的相干吸收或者反激光模式。

如果兩個波長的相位相等并且它們同時進入器件，則既沒有放大也沒有吸收，因為光在每個區(qū)域中花費的時間相等。

研究人員的目標(biāo)是1556nm左右的波長，其主要用于光通信的頻帶內(nèi)。

“這項工作是平衡增益和損失的第一次證明，嚴(yán)格滿足奇偶時間對稱的條件，導(dǎo)致同時激光和抗激光的實現(xiàn)”，研究合作作者、張博士前博士后研究員、布法羅大學(xué)電氣工程助理教授梁鳳說，“在單個集成器件中成功實現(xiàn)激光和抗激光是朝向最終光控制極限的重要一步。” （工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報研究所 宋文文）