美國黑科技：激光器和反激光器同時出現在同一器件中

寂靜天花板

; s. t9 U; `" J, a4 g* @( V6 V可以想象，將相反的力量聚集在一個地方是一件非常具有挑戰性的事情，但在光學科學領域，研究人員剛剛完成了一項這樣的成就。

; H$ H) o9 y! }- U# l6 k7 E! G* T/ X美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的科學家們第一次創造了一個單一的器件，其可以同時起到激光器和反激光器的作用，并且他們在電信頻段內演示了這兩個相反的功能。

+ _: i1 r, |* J7 Q* _8 g: r他們的研究成果，在一篇即將發表在《自然*光子學》雜志上的文章中進行了報道，這些發現為開發一類新的集成器件奠定了基礎，這類器件可以靈活地作為激光器，放大器，調制器和探測器使用。
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1 ?) ]# n8 {+ F$ G“在一個單一的光學諧振腔中我們實現了在同一頻率的相干光放大和光吸收，這是一個違反直覺的現象，因為這兩種狀態從根本上是相互矛盾的，”該研究的首席研究員Xiang Zhang說，他是伯克利實驗室材料科學部的教員科學家。“這對于光通信中光脈沖的高速調制具有重要的作用。”

; i4 u; C0 U! L) O( k+ ^: l% V下面的原理圖顯示了輸入光（綠色）進入到單個器件相對的兩端。當輸入光1的相位快于輸入光2的相位（左圖），增益介質占主導地位，從而得到對入射光的相干放大，或者說激射模式。當輸入光1的相位慢于輸入光2的相位（右圖），損耗介質占主導地位，從而導致對入射光束的相干吸收，或者說反激射模式。



反轉激光

. P0 }2 w8 e- p% p反激光器或稱相干完美吸收器（Coherent Perfect Absorber, CPA）的概念是在最近幾年才出現的東西，指的是將激光器所做的事情反過來完成的器件。相對于強烈地放大光束，反激光器可以完全吸收入射的相干光束。

# t0 n8 x/ z1 [/ K雖然激光在現代生活中已經普遍存在，但是反激光器——五年前由耶魯大學的研究人員首次展示——的應用仍在探索之中。由于反激光器可以在“嘈雜”的非相干背景光中提取微弱的相干信號，它可以用作一個非常敏感的化學或生物探測器。

7 @. j7 P! b+ ?5 l& p; K研究人員說，一種可以將這兩種功能結合在一起的器件可以成為構造光子集成回路的一個有價值的單元。

“以前從來沒有想象過可以根據需要來在相干放大和相干吸收之間任意地對光進行控制，科學界一直以來都在探索著這種可能，”該論文的主要作者Zi Jing Wong說，他是Zhang實驗室的一名博士后研究員。“這一器件可能會帶來沒有理論極限的具有很大對比度的調制。”

4 E( s. ?8 Q1 c" f這些研究人員利用先進的納米加工技術制造了824對重復的增益和損耗材料來構成這個器件，該器件長為200微米，寬為1.5微米。作為比較，人的一根頭發的直徑約為100微米。
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增益介質由銦鎵砷磷（InGaAsP）制成，這是一種眾所周知的用作光通信放大器的材料。鉻與鍺配對形成損耗介質。重復該結構就產生了一個諧振系統，光在這個系統中來回反射，形成放大或吸收。
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! j. @7 U7 p& f' S2 G如果我們使光通過這樣一個增益-損耗的重復系統，那么一個憑經驗的猜測是，光將經歷等量的放大和吸收，而光的強度不會改變。然而，這個例子談論的不是這個系統是否滿足宇稱-時間對稱條件，雖然宇稱-時間對稱是該器件設計中的關鍵要求。
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平衡和對稱

% Y/ `. Q$ k" b, b. S宇稱-時間對稱是一個由量子力學演化而來的概念。在一個對稱操作中，位置被翻轉，就像左手變成右手，或者反過來。
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; x3 z0 @& D- c$ v3 O. l4 N6 \現在增加時間反轉操作，這類似于錄像帶倒帶并從后往前觀看其動作。例如，氣球充氣過程的時間反轉動作是將同樣的氣球放氣。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。

: L! A! D& l$ T$ X8 \如果一個系統經過對稱和時間反轉操作后能夠返回到其原來配置，則認為該系統滿足宇稱-時間對稱條件。

在反激光器被發現后不久，科學家們就已經預測，一個具有宇稱-時間對稱性的系統將可以在同一空間同一頻率下同時支持激光器和反激光器。在張和他的研究小組所創造的器件中，增益和損耗的大小，構成單元的尺寸，以及通過的光波長結合在一起構成了宇稱-時間對稱的條件。

當系統處于平衡狀態，增益和損耗相等時，沒有對光的凈放大或凈吸收。但是，如果條件被擾動，導致對稱性被打破，那么就可以觀察到相干放大和吸收。
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$ K! u8 _+ I7 H- {! m0 W在實驗中，兩個相同強度的光束被導向該器件相反的兩端。研究人員發現，通過改變一個光源的相位，他們能夠控制光波是在放大材料中還是在吸收材料中花更多的時間。

& f7 T6 j$ D& K加快一個光源的相位，會得到一個有利于增益介質或者相干光放大的干涉圖案，或者稱為激射模式。減緩一個光源的相位則具有相反的效果，會導致在損耗介質中花費更多的時間以及對光束的相干吸收，或著稱為反激射模式。
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4 u; }4 f( B9 {1 p+ i% {如果這兩個波長的相位是相等的，并且它們在同一時間進入該器件，則既不會放大也不會吸收，因為光在每個區域花費了相等的時間。

3 c* A& o" A; q* k7 r研究人員將目標波長定在了約1556納米，其位于光通信所使用的波段內。
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“這項工作是第一個展示了嚴格滿足宇稱-時間對稱條件的平衡增益-損耗示例，導致了同時激射和反激射的實現，”該論文的共同作者Liang Feng說，他以前是Zhang實驗室的一名博士后研究員，現在是布法羅大學的電氣工程助理教授。“在一個單一的集成器件中成功實現激射和反激射是邁向終極光控制極限的一大步。”
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Zhang同時還是加州大學伯克利分校國家科學基金納米科學與工程中心的教授和主任。

這項工作主要由美國能源部科學辦公室資助，并利用了分子工廠（Molecular Foundry）——一個位于伯克利實驗室內的能源部科學辦公室的用戶設施。


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