這項(xiàng)研究為集成器件作為激光器、放大器、調(diào)制器和吸收器工作奠定了基礎(chǔ)。
美能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)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?cè)诩s1556nm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(bào)道了他們的研究結(jié)果，他們相信這為開(kāi)發(fā)一種具有作為激光、放大器、調(diào)制器和吸收器或檢測(cè)器靈活性的新型集成設(shè)備打下了基礎(chǔ)。
伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部高級(jí)教授科學(xué)家研究員張翔說(shuō)：“在單個(gè)光學(xué)腔中，我們?cè)谙嗤念l率下實(shí)現(xiàn)了相干光放大和吸收，這是一種違反直覺(jué)的現(xiàn)象，因?yàn)檫@兩種狀態(tài)從根本上彼此矛盾。這對(duì)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(lái)，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(qiáng)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?yàn)榉醇す馄骺梢栽?ldquo;噪聲”不相干背景中拾取弱相干信號(hào)，所以它可以用作非常敏感的化學(xué)或生物檢測(cè)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(jià)值的構(gòu)建模塊，研究人員說(shuō)。
研究主要作者、張氏實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員王子敬說(shuō)：“從相干吸收到相干放大，光的按需控制從未被想象過(guò)，在科學(xué)界仍然是高度追捧。”該器件可以在沒(méi)有理論限制的情況下實(shí)現(xiàn)非常大的調(diào)制對(duì)比度。
研究人員使用納米制造技術(shù)構(gòu)建824個(gè)重復(fù)的增益和損耗材料對(duì)以形成器件，其測(cè)量范圍為200微米長(zhǎng)、1.5微米寬。
增益介質(zhì)由銦鎵砷磷制成。與鍺配對(duì)的鉻形成損耗介質(zhì)。重復(fù)圖案創(chuàng)建了一個(gè)諧振系統(tǒng)，其中光在裝置中來(lái)回反彈以建立放大或吸收幅度。
平衡和對(duì)稱
如果通過(guò)這種增益損失重復(fù)系統(tǒng)發(fā)送光，則有根據(jù)的猜測(cè)是光將經(jīng)歷相等量的放大和吸收，并且光將不改變強(qiáng)度。然而，這還要看系統(tǒng)是否滿足奇偶時(shí)間對(duì)稱的條件，這是設(shè)備設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要求。
奇偶時(shí)間對(duì)稱是從量子力學(xué)演變而來(lái)的概念。在奇偶校驗(yàn)操作中，位置被翻轉(zhuǎn)，諸如左手變?yōu)橛沂?，或反之亦然?/div>
現(xiàn)在添加時(shí)間反轉(zhuǎn)操作，這類似于倒回視頻和向后觀察動(dòng)作。例如，球囊充氣的時(shí)間反轉(zhuǎn)動(dòng)作將是相同的球囊放氣。在光學(xué)中，放大增益介質(zhì)的時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)物是吸收損耗介質(zhì)。
在執(zhí)行奇偶校驗(yàn)和時(shí)間反轉(zhuǎn)操作時(shí)返回到其原始配置的系統(tǒng)被認(rèn)為滿足奇偶校驗(yàn)時(shí)對(duì)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(cè)，具有奇偶時(shí)間對(duì)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(dòng)通過(guò)的光的波長(zhǎng)組合以創(chuàng)建奇偶時(shí)間對(duì)稱的條件。
當(dāng)系統(tǒng)平衡并且增益和損耗相等時(shí)，沒(méi)有光的凈放大或吸收。但是如果擾動(dòng)條件使得對(duì)稱性被破壞，則可以觀察到相干放大和吸收。
在實(shí)驗(yàn)中，具有相等強(qiáng)度的兩個(gè)光束被引導(dǎo)到裝置的相對(duì)端。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整一個(gè)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(fèi)更多的時(shí)間。
加速一個(gè)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(gè)光源的相位具有相反的效果，導(dǎo)致在損耗介質(zhì)中花費(fèi)更多的時(shí)間和光束的相干吸收或者反激光模式。
如果兩個(gè)波長(zhǎng)的相位相等并且它們同時(shí)進(jìn)入器件，則既沒(méi)有放大也沒(méi)有吸收，因?yàn)楣庠诿總€(gè)區(qū)域中花費(fèi)的時(shí)間相等。
研究人員的目標(biāo)是1556nm左右的波長(zhǎng)，其主要用于光通信的頻帶內(nèi)。
“這項(xiàng)工作是平衡增益和損失的第一次證明，嚴(yán)格滿足奇偶時(shí)間對(duì)稱的條件，導(dǎo)致同時(shí)激光和抗激光的實(shí)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(shuō)，“在單個(gè)集成器件中成功實(shí)現(xiàn)激光和抗激光是朝向最終光控制極限的重要一步。”
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