前沿視點:為什麼我們需要極化聲子雷射器?

　　極化聲子雷射器的不尋常物理原理使其能夠實現光通信和產生太赫茲輻射。

　　"雷射器"這個詞原意是"通過雷射受激輻射來放大光"。在極化聲子雷射器中，輻射自動發出，但它擁有雷射的一切特性：在第一和第二光階和單色一致。在1996年Imamoglu及其合作者提出了極化聲子雷射器的概念。【1】他們是基於一種叫激子極化聲子的準粒子提出此概念，這種準粒子由光和物質組成，產生於適當設計的半導體晶體結構中。

　　激子極化聲子產生於激子（由約束電子空穴對產生的中性準粒子）和光子（例如，困於半導體結構的可見光）。作為玻色子，激子極化聲子可形成凝聚，類似於在冷原子氣中觀察到的玻色愛因斯坦凝聚。這些凝聚（大量激子極化聲子聚集在一個單一的量子態中）是形成極化聲子雷射器的基礎。激子極化聲子的壽命遠遠小於納秒，並且它們通過將能量傳給光子進行衰變，從而逃離晶體。因為產生於相同的激子極化聲子，這些散發的光子形成單色相干光。

　　極化聲子雷射器已經在半導體微腔中得以實現：在多層晶體結構中，限於兩面平行鏡間的光與晶體中的基本激子激烈互動。在1998年，Le Si Dang與其合作者在液氦溫度下觀察到極化雷射。【2】在2007年，Southampton和Lausanne團隊實現了具有光泵的第一個室溫極化聲子雷射器。【3】目前，著作4討論了基於氮化鎵（GaN）微腔的電泵浦極化聲子雷射器優化方案（見圖一）。

　　圖1  一個基於嵌入氮化銦鎵（InGaN）/氮化鎵量子阱（QW）的氮化鎵（GaN）微腔的電動泵極化聲子雷射器。（引用【4】）TCO：透明導電氧化物。Al：鋁。EBL：電子阻擋層。SiO2：二氧化矽。DBR:分布布拉格反射鏡。MQWs：多量子阱。nid：非故意摻雜。FS：獨立。

　　極化聲子雷射器預計比傳統半導體雷射器閾值更低。然而，它的輸出功率卻十分有限，因為極化聲子雷射器在強泵浦下分離。因此，極化聲子雷射器的應用領域仍需加以界定。兩個前景良好的方向是：高速光偏振開關和緊湊的太赫茲輻射源。

　　光偏振或旋轉開關使已選圓偏振的光能夠在光電裝置中打開和關閉。傳統切換方法通常是基於非線性光學效應，這需要高功率和外部光學元件。而基於極化聲子雷射器的旋轉開關則是利用激子極化聲子的自旋性質和激子極化聲子之間通過物質（激子）組件誘導的強相互作用。同光子一樣，激子極化聲子有兩個自旋極化值，分別對應左和右圓偏振光。極化聲子雷射器發出的光的偏振由激子極化聲子凝聚的自旋控制，可在外部控制。在2010年，Amo及其合作者實現了第一個基於半導體微腔的光學旋轉開關，這種開關速度達到千兆赫。【5】一個低功率連續波雷射器使系統處於準備狀態，以便小的額外'探頭'雷射打開極化聲子雷射器。這種旋轉開關是極化聲子集成電路的重要基石，能夠作為自旋激子極化聲子域而攜帶信息。與傳統電子電路相比，極化聲子集成電路的優勢在於能量損失更小並且信息傳遞速度更快。