美能源部勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家們(men) 已經製造出一種單一的設備，既可以作為(wei) 激光也可以作為(wei) 反激光。他們(men) 在約1556nm的頻率下證明了這兩(liang) 種相反的功能。

自然光子學雜誌本周報道了他們(men) 的研究結果，他們(men) 相信這為(wei) 開發一種具有作為(wei) 激光、放大器、調製器和吸收器或檢測器靈活性的新型集成設備打下了基礎。

伯克利實驗室材料科學部高級教授科學家研究員張翔說：“在單個(ge) 光學腔中，我們(men) 在相同的頻率下實現了相幹光放大和吸收，這是一種違反直覺的現象，因為(wei) 這兩(liang) 種狀態從(cong) 根本上彼此矛盾。這對於(yu) 光通信中的光脈衝(chong) 的高速調製是重要的。”

反轉激光

近年來，抗激光器（或相幹完全吸收器（CPA））的概念作為(wei) 反轉激光器作用的器件出現。不同於(yu) 強烈地放大光束，反激光器可以完全吸收入射的相幹光束。

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

可以結合這兩(liang) 種能力的設備可以成為(wei) 用於(yu) 構建光子集成電路的有價(jia) 值的構建模塊，研究人員說。

研究主要作者、張氏實驗室的博士後研究員王子敬說：“從(cong) 相幹吸收到相幹放大，光的按需控製從(cong) 未被想象過，在科學界仍然是高度追捧。”該器件可以在沒有理論限製的情況下實現非常大的調製對比度。

研究人員使用納米製造技術構建824個(ge) 重複的增益和損耗材料對以形成器件，其測量範圍為(wei) 200微米長、1.5微米寬。

增益介質由銦镓砷磷製成。與(yu) 鍺配對的鉻形成損耗介質。重複圖案創建了一個(ge) 諧振係統，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複係統發送光，則有根據的猜測是光將經曆相等量的放大和吸收，並且光將不改變強度。然而，這還要看係統是否滿足奇偶時間對稱的條件，這是設備設計中的關(guan) 鍵要求。

奇偶時間對稱是從(cong) 量子力學演變而來的概念。在奇偶校驗操作中，位置被翻轉，諸如左手變為(wei) 右手，或反之亦然。

現在添加時間反轉操作，這類似於(yu) 倒回視頻和向後觀察動作。例如，球囊充氣的時間反轉動作將是相同的球囊放氣。在光學中，放大增益介質的時間反轉對應物是吸收損耗介質。

在執行奇偶校驗和時間反轉操作時返回到其原始配置的係統被認為(wei) 滿足奇偶校驗時對稱性的條件。

在發現反激光之後不久，科學家就已經預測，具有奇偶時間對稱性的係統可以在同一空間中以相同的頻率支持激光器和反激光器。在由張和他的組創建的設備中，增益和損耗的大小，構件塊的尺寸和移動通過的光的波長組合以創建奇偶時間對稱的條件。

當係統平衡並且增益和損耗相等時，沒有光的淨放大或吸收。但是如果擾動條件使得對稱性被破壞，則可以觀察到相幹放大和吸收。

在實驗中，具有相等強度的兩(liang) 個(ge) 光束被引導到裝置的相對端。研究人員發現，通過調整一個(ge) 光源的相位，他們(men) 能夠控製光波是否在放大或吸收材料中花費更多的時間。

加速一個(ge) 光源的相位有利於(yu) 增益介質和放大的相幹光的發射的幹涉圖案或激光模式。減小一個(ge) 光源的相位具有相反的效果，導致在損耗介質中花費更多的時間和光束的相幹吸收或者反激光模式。

如果兩(liang) 個(ge) 波長的相位相等並且它們(men) 同時進入器件，則既沒有放大也沒有吸收，因為(wei) 光在每個(ge) 區域中花費的時間相等。

研究人員的目標是1556nm左右的波長，其主要用於(yu) 光通信的頻帶內(nei) 。

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