光譜純粹的激光器是精密高端科學(xué)和商業(yè)應(yīng)用的核心，這要歸功于它們能夠生產(chǎn)近乎完美的單色光。激光器的容量是根據(jù)其線寬或相干性來測量的，即在頻率變化之前在一定時間內(nèi)發(fā)出恒定頻率的能力。

在實踐中，研究人員竭盡全力為高端系統(tǒng)(如原子鐘)構(gòu)建高度連貫的近單頻激光器。然而，今天，因為這些激光器很大并且占據(jù)了裝滿設(shè)備的機架，所以它們被降級為基于實驗室臺面的應(yīng)用。

推動將高端激光器的性能轉(zhuǎn)移到光子微芯片上，大大降低了成本和尺寸，同時使該技術(shù)可用于廣泛的應(yīng)用，包括光譜學(xué)，導(dǎo)航，量子計算和光學(xué)通信。在芯片規(guī)模上實現(xiàn)這樣的性能也將大大有助于應(yīng)對互聯(lián)網(wǎng)爆炸式數(shù)據(jù)容量需求帶來的挑戰(zhàn)，以及由此導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中心及其光纖互連的全球能耗增加。

在2019年1月出版的“ 自然光子學(xué) ” 雜志的封面文章中，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員及其在霍尼韋爾，耶魯和北亞利桑那大學(xué)的合作者描述了這一追求中的一個重要里程碑：一種能夠發(fā)光的芯片級激光器線寬小于1 Hz - 足夠安靜，可以將苛刻的科學(xué)應(yīng)用推向芯片級。該項目由國防高級研究計劃局(DARPA)OwlG倡議資助。

為了產(chǎn)生影響，這些低線寬激光器必須集成到光子集成電路(PIC)中 - 光的計算機微芯片的等價物 - 可以在商業(yè)微芯片代工廠中以晶圓級制造。“到目前為止，還沒有一種方法可以制造出具有這種水平的相干性和光譜芯片級窄線寬度的靜音激光器，”共同作者兼團隊負(fù)責(zé)人Dan Blumenthal說道，他是電氣部教授。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的計算機工程 當(dāng)前一代的芯片級激光器具有固有的噪聲并且具有相對大的線寬。需要進(jìn)行新的創(chuàng)新，這些創(chuàng)新在與使這些高質(zhì)量激光器小型化相關(guān)的基礎(chǔ)物理中發(fā)揮作用。

具體而言，DARPA對創(chuàng)建芯片級激光光學(xué)陀螺感興趣。重要的是，無需GPS即可保持位置知識，光學(xué)陀螺儀可用于精確定位和導(dǎo)航，包括大多數(shù)商用客機。

激光光學(xué)陀螺儀的長度尺度靈敏度與引力波探測器的靈敏度相當(dāng)，后者是有史以來最精確的測量儀器之一。但是，實現(xiàn)這種靈敏度的當(dāng)前系統(tǒng)包含龐大的光纖線圈。OwlG項目的目標(biāo)是在芯片上實現(xiàn)超靜音(窄線寬)激光，以取代光纖作為旋轉(zhuǎn)傳感元件，并允許進(jìn)一步與光學(xué)陀螺儀的其他組件集成。

根據(jù)Blumenthal的說法，有兩種可能的方法來制造這種激光器。一種是將激光束縛在光學(xué)參考上，該光學(xué)參考必須是環(huán)境隔離的并且包含在真空中，如今用原子鐘所做的那樣。參考腔加上電子反饋回路一起充當(dāng)安靜激光器的錨。然而，這種系統(tǒng)龐大，昂貴，耗電且對環(huán)境干擾敏感。

另一種方法是制造外腔激光器，其腔體滿足窄線寬激光器的基本物理要求，包括長時間保持?jǐn)?shù)十億光子并支持非常高的內(nèi)部光功率水平的能力。傳統(tǒng)上，這樣的空腔很大(以保持足夠的光子)，盡管它們已被用于實現(xiàn)高性能，但是將它們集成在芯片上的線寬接近參考腔穩(wěn)定的激光器的線寬已經(jīng)證明是難以捉摸的。

為了克服這些局限性，研究團隊利用一種稱為受激布里淵散射的物理現(xiàn)象來構(gòu)建激光器。

“我們的方法使用光物質(zhì)相互作用的過程，其中光實際上在材料內(nèi)產(chǎn)生聲音或聲波，”Blumenthal指出。“Brillouin激光器以產(chǎn)生極其安靜的光而聞名。它們通過利用來自嘈雜的'泵'激光器的光子產(chǎn)生聲波來實現(xiàn)這一點，聲波反過來起到緩沖作用，產(chǎn)生新的安靜，低線寬輸出光。布里淵工藝非常有效，將輸入泵浦激光器的線寬減少了一百萬倍。“

缺點是傳統(tǒng)上用于制造布里淵激光器的龐大的光纖裝置或微型光學(xué)諧振器對環(huán)境條件敏感并且難以使用芯片 - 鑄造方法制造。

“在光子集成芯片上制作亞Hz布里淵激光器的關(guān)鍵是使用UC Santa Barbara開發(fā)的技術(shù) - 光波集成電路采用波導(dǎo)制造，損耗極低，與光纖相當(dāng)，”Blumenthal解釋說。 。“這些低損耗波導(dǎo)，在芯片上形成布里淵激光環(huán)腔，具有成功的所有正確成分：它們可以在芯片上存儲極大量的光子，在光學(xué)腔內(nèi)處理極高水平的光學(xué)功率并且沿著波導(dǎo)引導(dǎo)光子，就像鐵軌引導(dǎo)單軌列車一樣。“

低損耗光波導(dǎo)和快速衰減聲波的組合消除了引導(dǎo)聲波的需要。這種創(chuàng)新是這種方法成功的關(guān)鍵。