美伯克利实验室团队加入激光和反激光设备研究

　　这项研究为集成器件作为激光器、放大器、调制器和吸收器工作奠定了基础。

　　美能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家们已经制造出一种单一的设备，既可以作为激光也可以作为反激光。他们在约1556nm的频率下证明了这两种相反的功能。

　　自然光子学杂志本周报道了他们的研究结果，他们相信这为开发一种具有作为激光、放大器、调制器和吸收器或检测器灵活性的新型集成设备打下了基础。

　　伯克利实验室材料科学部高级教授科学家研究员张翔说：“在单个光学腔中，我们在相同的频率下实现了相干光放大和吸收，这是一种违反直觉的现象，因为这两种状态从根本上彼此矛盾。这对于光通信中的光脉冲的高速调制是重要的。”

　　反转激光

　　近年来，抗激光器（或相干完全吸收器（CPA））的概念作为反转激光器作用的器件出现。不同于强烈地放大光束，反激光器可以完全吸收入射的相干光束。

　　五年前首次由耶鲁大学研究人员展示的抗激光应用仍在探索中。因为反激光器可以在“噪声”不相干背景中拾取弱相干信号，所以它可以用作非常敏感的化学或生物检测器。

　　可以结合这两种能力的设备可以成为用于构建光子集成电路的有价值的构建模块，研究人员说。

　　研究主要作者、张氏实验室的博士后研究员王子敬说：“从相干吸收到相干放大，光的按需控制从未被想象过，在科学界仍然是高度追捧。”该器件可以在没有理论限制的情况下实现非常大的调制对比度。

　　研究人员使用纳米制造技术构建824个重复的增益和损耗材料对以形成器件，其测量范围为200微米长、1.5微米宽。

　　增益介质由铟镓砷磷制成。与锗配对的铬形成损耗介质。重复图案创建了一个谐振系统，其中光在装置中来回反弹以建立放大或吸收幅度。

　　平衡和对称

　　如果通过这种增益损失重复系统发送光，则有根据的猜测是光将经历相等量的放大和吸收，并且光将不改变强度。然而，这还要看系统是否满足奇偶时间对称的条件，这是设备设计中的关键要求。

　　奇偶时间对称是从量子力学演变而来的概念。在奇偶校验操作中，位置被翻转，诸如左手变为右手，或反之亦然。

　　现在添加时间反转操作，这类似于倒回视频和向后观察动作。例如，球囊充气的时间反转动作将是相同的球囊放气。在光学中，放大增益介质的时间反转对应物是吸收损耗介质。

　　在执行奇偶校验和时间反转操作时返回到其原始配置的系统被认为满足奇偶校验时对称性的条件。

　　在发现反激光之后不久，科学家就已经预测，具有奇偶时间对称性的系统可以在同一空间中以相同的频率支持激光器和反激光器。在由张和他的组创建的设备中，增益和损耗的大小，构件块的尺寸和移动通过的光的波长组合以创建奇偶时间对称的条件。

　　当系统平衡并且增益和损耗相等时，没有光的净放大或吸收。但是如果扰动条件使得对称性被破坏，则可以观察到相干放大和吸收。

　　在实验中，具有相等强度的两个光束被引导到装置的相对端。研究人员发现，通过调整一个光源的相位，他们能够控制光波是否在放大或吸收材料中花费更多的时间。

　　加速一个光源的相位有利于增益介质和放大的相干光的发射的干涉图案或激光模式。减小一个光源的相位具有相反的效果，导致在损耗介质中花费更多的时间和光束的相干吸收或者反激光模式。

　　如果两个波长的相位相等并且它们同时进入器件，则既没有放大也没有吸收，因为光在每个区域中花费的时间相等。

　　研究人员的目标是1556nm左右的波长，其主要用于光通信的频带内。

　　“这项工作是平衡增益和损失的第一次证明，严格满足奇偶时间对称的条件，导致同时激光和抗激光的实现”，研究合作作者、张博士前博士后研究员、布法罗大学电气工程助理教授梁凤说，“在单个集成器件中成功实现激光和抗激光是朝向最终光控制极限的重要一步。”