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激光器和反激光器同时出现在了同一器件中!

2016-11-11 09:21
科技那回事
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  可以想象,将相反的力量聚集在一个地方是一件非常具有挑战性的事情,但在光学科学领域,研究人员刚刚完成了一项这样的成就。

  能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们第一次创造了一个单一的器件,其可以同时起到激光器和反激光器的作用,并且他们在电信频段内演示了这两个相反的功能。

  他们的研究成果,在一篇即将发表在《自然*光子学》杂志上的文章中进行了报道,这些发现为开发一类新的集成器件奠定了基础,这类器件可以灵活地作为激光器,放大器,调制器和探测器使用。

  “在一个单一的光学谐振腔中我们实现了在同一频率的相干光放大和光吸收,这是一个违反直觉的现象,因为这两种状态从根本上是相互矛盾的,”该研究的首席研究员Xiang Zhang说,他是伯克利实验室材料科学部的教员科学家。“这对于光通信中光脉冲的高速调制具有重要的作用。”

  下面的原理图显示了输入光(绿色)进入到单个器件相对的两端。当输入光1的相位快于输入光2的相位(左图),增益介质占主导地位,从而得到对入射光的相干放大,或者说激射模式。当输入光1的相位慢于输入光2的相位(右图),损耗介质占主导地位,从而导致对入射光束的相干吸收,或者说反激射模式。

  反转激光

  反激光器或称相干完美吸收器(Coherent Perfect Absorber, CPA)的概念是在最近几年才出现的东西,指的是将激光器所做的事情反过来完成的器件。相对于强烈地放大光束,反激光器可以完全吸收入射的相干光束。

  虽然激光在现代生活中已经普遍存在,但是反激光器——五年前由耶鲁大学的研究人员首次展示——的应用仍在探索之中。由于反激光器可以在“嘈杂”的非相干背景光中提取微弱的相干信号,它可以用作一个非常敏感的化学或生物探测器。

  研究人员说,一种可以将这两种功能结合在一起的器件可以成为构造光子集成回路的一个有价值的单元。

  “以前从来没有想象过可以根据需要来在相干放大和相干吸收之间任意地对光进行控制,科学界一直以来都在探索着这种可能,”该论文的主要作者Zi Jing Wong说,他是Zhang实验室的一名博士后研究员。“这一器件可能会带来没有理论极限的具有很大对比度的调制。”

  这些研究人员利用先进的纳米加工技术制造了824对重复的增益和损耗材料来构成这个器件,该器件长为200微米,宽为1.5微米。作为比较,人的一根头发的直径约为100微米。

  增益介质由铟镓砷磷(InGaAsP)制成,这是一种众所周知的用作光通信放大器的材料。铬与锗配对形成损耗介质。重复该结构就产生了一个谐振系统,光在这个系统中来回反射,形成放大或吸收。

  如果我们使光通过这样一个增益-损耗的重复系统,那么一个凭经验的猜测是,光将经历等量的放大和吸收,而光的强度不会改变。然而,这个例子谈论的不是这个系统是否满足宇称-时间对称条件,虽然宇称-时间对称是该器件设计中的关键要求。

  平衡和对称

  宇称-时间对称是一个由量子力学演化而来的概念。在一个对称操作中,位置被翻转,就像左手变成右手,或者反过来。

  现在增加时间反转操作,这类似于录像带倒带并从后往前观看其动作。例如,气球充气过程的时间反转动作是将同样的气球放气。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。

  如果一个系统经过对称和时间反转操作后能够返回到其原来配置,则认为该系统满足宇称-时间对称条件。

  在反激光器被发现后不久,科学家们就已经预测,一个具有宇称-时间对称性的系统将可以在同一空间同一频率下同时支持激光器和反激光器。在张和他的研究小组所创造的器件中,增益和损耗的大小,构成单元的尺寸,以及通过的光波长结合在一起构成了宇称-时间对称的条件。

  当系统处于平衡状态,增益和损耗相等时,没有对光的净放大或净吸收。但是,如果条件被扰动,导致对称性被打破,那么就可以观察到相干放大和吸收。

  在实验中,两个相同强度的光束被导向该器件相反的两端。研究人员发现,通过改变一个光源的相位,他们能够控制光波是在放大材料中还是在吸收材料中花更多的时间。

  加快一个光源的相位,会得到一个有利于增益介质或者相干光放大的干涉图案,或者称为激射模式。减缓一个光源的相位则具有相反的效果,会导致在损耗介质中花费更多的时间以及对光束的相干吸收,或着称为反激射模式。

  如果这两个波长的相位是相等的,并且它们在同一时间进入该器件,则既不会放大也不会吸收,因为光在每个区域花费了相等的时间。

  研究人员将目标波长定在了约1556纳米,其位于光通信所使用的波段内。

  “这项工作是第一个展示了严格满足宇称-时间对称条件的平衡增益-损耗示例,导致了同时激射和反激射的实现,”该论文的共同作者Liang Feng说,他以前是Zhang实验室的一名博士后研究员,现在是布法罗大学的电气工程助理教授。“在一个单一的集成器件中成功实现激射和反激射是迈向终极光控制极限的一大步。”

  Zhang同时还是加州大学伯克利分校国家科学基金纳米科学与工程中心的教授和主任。

  这项工作主要由美国能源部科学办公室资助,并利用了分子工厂(Molecular Foundry)——一个位于伯克利实验室内的能源部科学办公室的用户设施。

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