Att föra motsatta krafter samman på ett ställe är lika utmanande som du kan tänka dig att vara, men forskare inom optisk vetenskap har gjort just det.

Forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har för första gången skapat en enda enhet som fungerar både som en laser och en anti-laser, och de demonstrerade dessa två motsatta funktioner med en frekvens inom telekommunikationsbandet.

Deras fynd, rapporterade i en tidning som ska publiceras på måndag, 7 november, i tidningen Nature Photonics , lägga grunden för att utveckla en ny typ av integrerad enhet med flexibilitet att fungera som en laser, en förstärkare, en modulator, och en absorberare eller detektor.

"I en enda optisk kavitet uppnådde vi både koherent ljusförstärkning och absorption vid samma frekvens, ett motintuitivt fenomen eftersom dessa två stater i grunden motsäger varandra, "sade forskarutredaren Xiang Zhang, senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Detta är viktigt för höghastighetsmodulering av ljuspulser i optisk kommunikation."

Omvänd laser

Begreppet anti-lasrar, eller koherent perfekt absorberare (CPA), framkom under de senaste åren som något som vänder på vad en laser gör. Istället för att starkt förstärka en ljusstråle, en antilaser kan helt absorbera inkommande koherenta ljusstrålar.

Medan lasrar redan finns överallt i det moderna livet, applikationer för anti-lasrar-som först visades för fem år sedan av forskare vid Yale University-undersöks fortfarande. Eftersom anti-lasrar kan ta upp svaga koherenta signaler mitt i en "bullrig" osammanhängande bakgrund, den kan användas som en extremt känslig kemisk eller biologisk detektor.

En enhet som kan innehålla båda funktionerna kan bli ett värdefullt byggsten för konstruktion av fotoniska integrerade kretsar, sa forskarna.

"On-demand-kontroll av ljus från koherent absorption till koherent förstärkning var aldrig föreställd, och det är fortfarande mycket eftertraktat inom det vetenskapliga samfundet, "sade studieförfattaren Zi Jing Wong, en postdoktor i Zhangs lab. "Den här enheten kan möjligen möjliggöra en mycket stor kontrast i modulering utan teoretiska gränser."

Forskarna använde sofistikerad nanofabrikationsteknik för att bygga 824 upprepande par av förstärknings- och förlustmaterial för att bilda enheten, som mätte 200 mikrometer lång och 1,5 mikrometer bred. En enda hårstrå, i jämförelse, är cirka 100 mikrometer i diameter.

Förstärkningsmediet gjordes av indiumgalliumarsenidfosfid, ett välkänt material som används som förstärkare i optisk kommunikation. Krom i par med germanium bildade förlustmediet. Genom att upprepa mönstret skapades ett resonanssystem där ljus studsar fram och tillbaka genom enheten för att bygga upp förstärknings- eller absorptionsstorleken.

Om man ska skicka ljus genom ett sådant system för upprepad vinstförlust, en utbildad gissning är att ljuset kommer att uppleva lika mycket amplifiering och absorption, och ljuset kommer inte att förändras i intensitet. Dock, detta är inte fallet om systemet uppfyller paritetstids symmetri, vilket är nyckelkravet i enhetsdesignen.

Balans och symmetri

Parity-time symmetri är ett koncept som utvecklas från kvantmekanik. I en paritetsverksamhet, positionerna vänds, som att vänster hand blir höger hand, eller tvärtom.

Lägg nu till tidsomvändningsoperationen, vilket liknar att spola tillbaka en video och observera handlingen bakåt. Den tidsomvända effekten av en ballong som blåses upp, till exempel, skulle vara samma ballong tömma. Inom optik, den tidsomvända motsvarigheten till ett förstärkande förstärkningsmedium är ett absorberande förlustmedium.

Ett system som återgår till sin ursprungliga konfiguration vid utförande av både paritets- och tidsomvändningsoperationer sägs uppfylla villkoret för paritet-tidssymmetri.

Strax efter upptäckten av anti-laser, forskare hade förutspått att ett system som uppvisar paritetstidssymmetri kan stödja både lasrar och antilasrar med samma frekvens i samma utrymme. I enheten skapad av Zhang och hans grupp, storleken på vinsten och förlusten, byggstenarnas storlek, och våglängden för ljuset som rör sig genom kombineras för att skapa förhållanden med paritet-tidssymmetri.

När systemet är balanserat och vinsten och förlusten är lika, det finns ingen nettoförstärkning eller absorption av ljuset. Men om förhållandena störs så att symmetrin bryts, koherent amplifiering och absorption kan observeras.

I experimenten, två ljusstrålar med lika intensitet riktades in i motsatta ändar av anordningen. Forskarna fann att genom att anpassa fasen för en ljuskälla, de kunde kontrollera om ljusvågorna ägnade mer tid åt att förstärka eller absorbera material.

Att påskynda fasen för en ljuskälla resulterar i ett interferensmönster som gynnar förstärkningsmediet och emission av förstärkt koherent ljus, eller ett lasningsläge. Att sänka fasen för en ljuskälla har motsatt effekt, vilket resulterar i mer tid i förlustmediet och den sammanhängande absorptionen av ljusstrålarna, eller ett antilasläge.

Om fasen för de två våglängderna är lika och de kommer in i enheten samtidigt, det finns varken förstärkning eller absorption eftersom ljuset tillbringar lika mycket tid i varje region.

Forskarna riktade in sig på en våglängd på cirka 1, 556 nanometer, som ligger inom bandet som används för optisk telekommunikation.

"Detta arbete är den första demonstrationen av balanserad vinst och förlust som strikt uppfyller villkoren för paritetstidssymmetri, som leder till realisering av samtidig lasning och antilasning, "sade studieförfattaren Liang Feng, tidigare postdoktor i Zhang's Lab, och nu assisterande professor i elektroteknik vid University of Buffalo. "Den framgångsrika uppnåendet av både lasning och antilas inom en enda integrerad enhet är ett viktigt steg mot den ultimata gränsen för ljusstyrning."