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世界上首个既能做光放大器又能做光衰减器的新型器件问世

发稿时间:2016-11-18 15:11:48 来源:米皮网

  

  近日,美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室的科学家制成了一种神奇的器件,该器件既能作为光放大器也能作为光衰减器。他们在通信波段测试了这种器件。关于该器件的论文刊登于11月7日的《自然·光学》期刊上。

  伯克利实验室材料科学分部的项目首席科学家张翔(音译,Xiang Zhang)表示,该器件的性能有些反直觉,因为它具有双重功能。不过,这种特性可以被用来实现光通信中的高速信号调制,也可以制造充当激光器、放大器、调制器、吸收器和传感器的多功能光学器件。

  

  绿色波束代表输入光束。左图:输入光束1的相位领先于输入光束2时,干涉条纹落在放大区域,输出光束强度高于输入光束,此时器件工作在激光器模式。右图:输入光束1的相位落后于输入光束2时,干涉条纹落在衰减区域,输出光束强度低于输入光束,此时器件工作在逆激光器模式。

  激光衰减

  “逆激光器”的学名是“相干全吸收器”(coherent perfect absorber (CPA))。原理与激光器刚好相反:激光器制造一束高亮度的激光,而逆激光器可以完全吸收入射的激光。

  激光器问世已有半个多世纪的时间,深刻地改变了我们的生活,但逆激光器5年前才被耶鲁大学科学家发明。逆激光器可以在非相干噪声的背景中提取出微弱的相干信号,因此可以作为极其灵敏的物理和化学过程探测器。

  论文第一作者,实验室博士后翁自晶(Zi Jing Wong)表示,若有一种器件能同时具备激光器和逆激光器的功能,那么该器件的光信号调制能力将得到极大提升——理论上没有上限,从而引发光通信领域的技术革命。因此,该器件是光学界一直以来的追求目标。

  科学家利用纳米制造技术,用光放大材料和光吸收材料制成了824个配对结构,总共只有200微米长,1.5微米宽(人头发的宽度也有100微米)。

  每个配对结构中,光放大部分采用被广泛应用于制造光通信放大器的铟-镓-砷-磷材料,而光吸收部分采用铬和锗材料制成。这些配对结构被精细排列成一个共振结构,光在该结构中传播和反射,并受到放大和衰减。

  激光器-逆激光器的扫描电子显微镜照片。放大部分用铟-镓-砷-磷(InGaAsP)材料制成,光吸收部分采用铬(Cr)和锗(Ge)材料制成。设计保证了激光器-逆激光器要求的时空对称性。

  光被射入激光器-逆激光器后,一个比较直观的推论是:光将受到等量的放大和衰减,因此经过激光器-逆激光器后,光的强度不变。但是,激光器-逆激光器的时空对称性决定了该器件的特性不符合常理推论。

  平衡和对称

  时空对称性是源于量子力学的概念。通过空间翻转操作可以进行空间位置翻转,就像左手的空间形态通过空间翻转操作,就可以得到跟右手的外形一样的空间形状。

  时间翻转操作类似于从末尾开始回放视频。在光学器件中,时间翻转操作由光衰减部分来实现。

  如果一个系统在经过空间翻转和时间翻转操作后,获得的新系统和原系统一样,那么这个系统就具有时空对称性。

  逆激光器发明不久后,科学家从理论上预言,一种具有时空对称性的光学系统既可以放大光,也可以衰减光。研究团队通过设计光放大和衰减的幅度、器件的大小和激光波长,制成了具有时空对称性的器件。

  当该器件处于平衡态时,光受到等量的放大和衰减,因此输出光和输入光的幅度相同。但若平衡态被打破,则输出的光将被放大或衰减。

  实验中,两束光从器件的两端进入器件。通过调整其中一束光的相位,科学家可以控制光的干涉条纹落在器件的哪些部位。具体地,当输入光束1的相位领先于输入光束2时,干涉条纹落在放大区域,输出光束强度高于输入光束,此时器件工作在激光器模式;当输入光束1的相位落后于输入光束2时,干涉条纹落在衰减区域,输出光束强度低于输入光束,此时器件工作在逆激光器模式。

  如果两束输入光的相位相同,且同时进入器件,那么输出光的强度将和输入光一样。

  该器件工作波长为1556纳米,这也是激光通信中使用的波长。

  研究团队前博士后,现布法罗大学电子工程助理教授冯亮(音译,Liang Feng)表示,一种器件既能作光放大器,又能做光衰减器,这在历史上尚属首次。更重要的是,该研究成果将对新型光通信器件的研发起到重要的推动作用。

  编译:离子心

  参考链接:http://phys.org/news/2016-11-lasers-anti-lasers-marriage-door-device.html

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责任编辑:刘军
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