Вам перезвонить?
+
Отзывы и предложения
11.11.2016
Впервые лазер и анти-лазер объединили в устройстве




Объединение противостоящих сил вместе в одном месте - столь же сложно, насколько можно было бы себе представить, но исследователи в области оптической науки сделали именно это.

Учёные кафедры Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) впервые создали единое устройство, которое действует и как лазер, и как анти-лазер. Они продемонстрировали эти две противоположные функции на частоте в пределах телекоммуникационной полосы пропускания.

Их результаты, представленные в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, закладывают основу для разработки нового типа интегрированных устройств, имеющих возможность гибко работать как лазер, усилитель, модулятор и абсорбер или детектор.

Это очень важно для высокоскоростной модуляции световых импульсов в волоконно-оптических сетях.

Реверсивный лазер

Концепция анти-лазеров или CPA, появились в последние годы в качестве чего-то, что полностью изменяет то, что делает лазер . Вместо того, чтобы сильно усиливать луч света, анти-лазер может полностью поглотить входящие когерентные световые пучки.



В то время как лазеры уже широко распространены в современной жизни, применение анти-лазеров впервые продемонстрировали пять лет назад исследователи Йельского университета и оно все ещё изучается. Поскольку анти-лазеры могут улавливать слабые когерентные сигналы среди "шумного" некогерентного фона, они могут быть использованы в качестве чрезвычайно чувствительного химического или биологического детектора.

Устройство, которое может включать в себя обе возможности, могло бы стать ценным строительным блоком для создания фотонных интегральных схем. Это устройство сможет потенциально активировать очень большой контраст по модуляции без каких-либо теоретических ограничений.

Исследователи использовали сложную технологию нано-производства для создания 824 повторяющихся пар усиления и потерь веществ, чтобы создать устройство, которое имеет размер в 200 микрометров в длину и 1,5 мкм в ширину. Для сравнения, одна нить человеческого волоса составляет около 100 мкм в диаметре.

Созданная система удовлетворяет условию по пространственно-временной симметрии, которое является ключевым требованием при проектировании устройства.

Баланс и симметрия

Пространственно-временная симметрия является концепцией, которая используется в квантовой механике. При выполнении паритетной операции позиции меняются местами. Например, левая рука становится правой рукой, или наоборот.




Теперь добавьте к этому инверсию времени, которая сродни перемотке видео и наблюдению действий в обратном направлении. В оптике инверсным по времени аналогом коэффициента усиления среды является поглощающая потери среда.

Система, которая возвращается к своей первоначальной конфигурации при выполнении обоих операций: паритета и инверсии времени, считается выполняющей условие по пространственно-временной симметрии.

Вскоре после открытия анти-лазера учёные предсказывали, что существует система, демонстрирующая пространственно-временную симметрию, которая могла бы поддерживать как лазеры, так и анти-лазеры на той же частоте в том же пространстве. В устройстве, созданном группой исследователей Berkeley Lab, величины усиления и потерь, размер строительных блоков и длины волны света, проходящего через него, вместе создают условия для пространственно-временной симметрии.

Когда система сбалансирована, а усиление и потери одинаковы, то не происходит полное усиление или поглощение света. Но если условия возмущены таким образом, что симметрия нарушается, могут наблюдаться когерентное усиление и поглощение.

В экспериментах два световых пучка одинаковой интенсивности были направлены в противоположные концы устройства. Исследователи обнаружили, что с помощью тонкой настройки фазы одного источника света, они были в состоянии контролировать провели ли световые волны больше времени в усиливающих или в поглощающих материалах.

Ускорение фазы одного источника света приводит к интерференционной картине, предпочитающей среду усиления и приводящее к излучению усиленного когерентного света, или режим генерации. Замедление фазы источника света имеет противоположный эффект, приводя к большему количеству времени, проводимого в среде потерь и соответственно к когерентному поглощению лучей света, или режим анти-лазерной генерации.

Если фазы двух длин волн одинаковы и они входят в устройство в тоже время, не происходит ни усиления, ни поглощения, потому что свет тратит равное количество времени в каждом регионе.

Исследователи нацелены на длину волны около 1556 нм, которая находится в пределах полосы пропускания, используемой для оптических телекоммуникаций.

Это означает, что с помощью созданного устройства можно поймать когерентный лазерный сигнал очень малой относительно шума мощности. Технически это даёт возможность создать экстремально чувствительные детекторы входящего лазерного сигнала.

Такие системы могут оказаться полезными и в оптоволоконных системах связи, а также в космических лазерных системах сходного назначения, предназначенных для обмена информацией с космическими аппаратами.