美能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家們已經制造出一種單一的設備，既可以作為激光也可以作為反激光。他們在約1556nm的頻率下證明了這兩種相反的功能。

自然光子學雜志本周報道了他們的研究結果，他們相信這為開發一種具有作為激光、放大器、調制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：“在單個光學腔中，我們在相同的頻率下實現了相干光放大和吸收，這是一種違反直覺的現象，因為這兩種狀態從根本上彼此矛盾。這對于光通信中的光脈沖的高速調制是重要的。”

反轉激光

近年來，抗激光器（或相干完全吸收器（CPA））的概念作為反轉激光器作用的器件出現。不同于強烈地放大光束，反激光器可以完全吸收入射的相干光束。

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。因為反激光器可以在“噪聲”不相干背景中拾取弱相干信號，所以它可以用作非常敏感的化學或生物檢測器。

可以結合這兩種能力的設備可以成為用于構建光子集成電路的有價值的構建模塊，研究人員說。

研究主要作者、張氏實驗室的博士后研究員王子敬說：“從相干吸收到相干放大，光的按需控制從未被想象過，在科學界仍然是高度追捧。”該器件可以在沒有理論限制的情況下實現非常大的調制對比度。

研究人員使用納米制造技術構建824個重復的增益和損耗材料對以形成器件，其測量范圍為200微米長、1.5微米寬。

增益介質由銦鎵砷磷制成。與鍺配對的鉻形成損耗介質。重復圖案創建了一個諧振系統，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復系統發送光，則有根據的猜測是光將經歷相等量的放大和吸收，并且光將不改變強度。然而，這還要看系統是否滿足奇偶時間對稱的條件，這是設備設計中的關鍵要求。

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

現在添加時間反轉操作，這類似于倒回視頻和向后觀察動作。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系統被認為滿足奇偶校驗時對稱性的條件。

在發現反激光之后不久，科學家就已經預測，具有奇偶時間對稱性的系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。

當系統平衡并且增益和損耗相等時，沒有光的凈放大或吸收。但是如果擾動條件使得對稱性被破壞，則可以觀察到相干放大和吸收。

在實驗中，具有相等強度的兩個光束被引導到裝置的相對端。研究人員發現，通過調整一個光源的相位，他們能夠控制光波是否在放大或吸收材料中花費更多的時間。

加速一個光源的相位有利于增益介質和放大的相干光的發射的干涉圖案或激光模式。減小一個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干吸收或者反激光模式。

如果兩個波長的相位相等并且它們同時進入器件，則既沒有放大也沒有吸收，因為光在每個區域中花費的時間相等。

研究人員的目標是1556nm左右的波長，其主要用于光通信的頻帶內。

“這項工作是平衡增益和損失的第一次證明，嚴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、張博士前博士后研究員、布法羅大學電氣工程助理教授梁鳳說，“在單個集成器件中成功實現激光和抗激光是朝向最終光控制極限的重要一步。” （工業和信息化部電子科學技術情報研究所 宋文文）