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激光能够发出足够安静的光 以满足苛刻的科学应用

2019-03-01 18:08:45来源:

光谱纯粹的激光器是精密高端科学和商业应用的核心,这要归功于它们能够生产近乎完美的单色光。激光器的容量是根据其线宽或相干性来测量的,即在频率变化之前在一定时间内发出恒定频率的能力。

在实践中,研究人员竭尽全力为高端系统(如原子钟)构建高度连贯的近单频激光器。然而,今天,因为这些激光器很大并且占据了装满设备的机架,所以它们被降级为基于实验室台面的应用。

推动将高端激光器的性能转移到光子微芯片上,大大降低了成本和尺寸,同时使该技术可用于广泛的应用,包括光谱学,导航,量子计算和光学通信。在芯片规模上实现这样的性能也将大大有助于应对互联网爆炸式数据容量需求带来的挑战,以及由此导致的数据中心及其光纤互连的全球能耗增加。

在2019年1月出版的“ 自然光子学 ” 杂志的封面文章中,加州大学圣巴巴拉分校的研究人员及其在霍尼韦尔,耶鲁和北亚利桑那大学的合作者描述了这一追求中的一个重要里程碑:一种能够发光的芯片级激光器线宽小于1 Hz - 足够安静,可以将苛刻的科学应用推向芯片级。该项目由国防高级研究计划局(DARPA)OwlG倡议资助。

为了产生影响,这些低线宽激光器必须集成到光子集成电路(PIC)中 - 光的计算机微芯片的等价物 - 可以在商业微芯片代工厂中以晶圆级制造。“到目前为止,还没有一种方法可以制造出具有这种水平的相干性和光谱芯片级窄线宽度的静音激光器,”共同作者兼团队负责人Dan Blumenthal说道,他是电气部教授。加州大学圣巴巴拉分校的计算机工程 当前一代的芯片级激光器具有固有的噪声并且具有相对大的线宽。需要进行新的创新,这些创新在与使这些高质量激光器小型化相关的基础物理中发挥作用。

具体而言,DARPA对创建芯片级激光光学陀螺感兴趣。重要的是,无需GPS即可保持位置知识,光学陀螺仪可用于精确定位和导航,包括大多数商用客机。

激光光学陀螺仪的长度尺度灵敏度与引力波探测器的灵敏度相当,后者是有史以来最精确的测量仪器之一。但是,实现这种灵敏度的当前系统包含庞大的光纤线圈。OwlG项目的目标是在芯片上实现超静音(窄线宽)激光,以取代光纤作为旋转传感元件,并允许进一步与光学陀螺仪的其他组件集成。

根据Blumenthal的说法,有两种可能的方法来制造这种激光器。一种是将激光束缚在光学参考上,该光学参考必须是环境隔离的并且包含在真空中,如今用原子钟所做的那样。参考腔加上电子反馈回路一起充当安静激光器的锚。然而,这种系统庞大,昂贵,耗电且对环境干扰敏感。

另一种方法是制造外腔激光器,其腔体满足窄线宽激光器的基本物理要求,包括长时间保持数十亿光子并支持非常高的内部光功率水平的能力。传统上,这样的空腔很大(以保持足够的光子),尽管它们已被用于实现高性能,但是将它们集成在芯片上的线宽接近参考腔稳定的激光器的线宽已经证明是难以捉摸的。

为了克服这些局限性,研究团队利用一种称为受激布里渊散射的物理现象来构建激光器。

“我们的方法使用光物质相互作用的过程,其中光实际上在材料内产生声音或声波,”Blumenthal指出。“Brillouin激光器以产生极其安静的光而闻名。它们通过利用来自嘈杂的'泵'激光器的光子产生声波来实现这一点,声波反过来起到缓冲作用,产生新的安静,低线宽输出光。布里渊工艺非常有效,将输入泵浦激光器的线宽减少了一百万倍。“

缺点是传统上用于制造布里渊激光器的庞大的光纤装置或微型光学谐振器对环境条件敏感并且难以使用芯片 - 铸造方法制造。

“在光子集成芯片上制作亚Hz布里渊激光器的关键是使用UC Santa Barbara开发的技术 - 光波集成电路采用波导制造,损耗极低,与光纤相当,”Blumenthal解释说。 。“这些低损耗波导,在芯片上形成布里渊激光环腔,具有成功的所有正确成分:它们可以在芯片上存储极大量的光子,在光学腔内处理极高水平的光学功率并且沿着波导引导光子,就像铁轨引导单轨列车一样。“

低损耗光波导和快速衰减声波的组合消除了引导声波的需要。这种创新是这种方法成功的关键。