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前沿视点:为什么我们需要极化声子激光器?

导读: 极化声子激光器的不寻常物理原理使其能够实现光通信和产生太赫兹辐射。

  极化声子激光器的不寻常物理原理使其能够实现光通信和产生太赫兹辐射。

  "激光器"这个词原意是"通过激光受激辐射来放大光"。在极化声子激光器中,辐射自动发出,但它拥有激光的一切特性:在第一和第二光阶和单色一致。在1996年Imamoglu及其合作者提出了极化声子激光器的概念。【1】他们是基于一种叫激子极化声子的准粒子提出此概念,这种准粒子由光和物质组成,产生于适当设计的半导体晶体结构中。

  激子极化声子产生于激子(由约束电子空穴对产生的中性准粒子)和光子(例如,困于半导体结构的可见光)。作为玻色子,激子极化声子可形成凝聚,类似于在冷原子气中观察到的玻色爱因斯坦凝聚。这些凝聚(大量激子极化声子聚集在一个单一的量子态中)是形成极化声子激光器的基础。激子极化声子的寿命远远小于纳秒,并且它们通过将能量传给光子进行衰变,从而逃离晶体。因为产生于相同的激子极化声子,这些散发的光子形成单色相干光。

  极化声子激光器已经在半导体微腔中得以实现:在多层晶体结构中,限于两面平行镜间的光与晶体中的基本激子激烈互动。在1998年,Le Si Dang与其合作者在液氦温度下观察到极化激光。【2】在2007年,Southampton和Lausanne团队实现了具有光泵的第一个室温极化声子激光器。【3】目前,著作4讨论了基于氮化镓(GaN)微腔的电泵浦极化声子激光器优化方案(见图一)。

一个基于嵌入氮化铟镓(InGaN)/氮化镓量子阱(QW)的氮化镓(GaN)微腔的电动泵极化声子激光器

  图1  一个基于嵌入氮化铟镓(InGaN)/氮化镓量子阱(QW)的氮化镓(GaN)微腔的电动泵极化声子激光器。(引用【4】)TCO:透明导电氧化物。Al:铝。EBL:电子阻挡层。SiO2:二氧化硅。DBR:分布布拉格反射镜。MQWs:多量子阱。nid:非故意掺杂。FS:独立。

  极化声子激光器预计比传统半导体激光器阈值更低。然而,它的输出功率却十分有限,因为极化声子激光器在强泵浦下分离。因此,极化声子激光器的应用领域仍需加以界定。两个前景良好的方向是:高速光偏振开关和紧凑的太赫兹辐射源。

  光偏振或旋转开关使已选圆偏振的光能够在光电装置中打开和关闭。传统切换方法通常是基于非线性光学效应,这需要高功率和外部光学元件。而基于极化声子激光器的旋转开关则是利用激子极化声子的自旋性质和激子极化声子之间通过物质(激子)组件诱导的强相互作用。同光子一样,激子极化声子有两个自旋极化值,分别对应左和右圆偏振光。极化声子激光器发出的光的偏振由激子极化声子凝聚的自旋控制,可在外部控制。在2010年,Amo及其合作者实现了第一个基于半导体微腔的光学旋转开关,这种开关速度达到千兆赫。【5】一个低功率连续波激光器使系统处于准备状态,以便小的额外'探头'激光打开极化声子激光器。这种旋转开关是极化声子集成电路的重要基石,能够作为自旋激子极化声子域而携带信息。与传统电子电路相比,极化声子集成电路的优势在于能量损失更小并且信息传递速度更快。

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