芯片级激光器诞生!能够发射基本线宽小于1赫兹的光!

时间:2019-03-28 15:17来源:博科园作者:Jucy 点击:
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摘要:光谱纯激光器由于能够产生近乎完美的单色光而处于高端科学和商业应用核心。激光的这种能力是根据它的线宽或相干性来测量,也就是在频率改变之前的一段时间内发射恒定频率的能力。在实践中,研究人员竭尽全力为原子钟等高端系统制造高度相干、接近单频的激光器。 然而,今天由于这些激光器体积庞大,占据着装满设备的机架,它们只能应用于实验室的工作台。目前有

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光谱纯激光器由于能够产生近乎完美的单色光而处于高端科学和商业应用核心。激光的这种能力是根据它的线宽或相干性来测量,也就是在频率改变之前的一段时间内发射恒定频率的能力。在实践中,研究人员竭尽全力为原子钟等高端系统制造高度相干、接近单频的激光器。

然而,今天由于这些激光器体积庞大,占据着装满设备的机架,它们只能应用于实验室的工作台。目前有一种趋势是将高端激光器的性能转移到光子微芯片上,在大幅降低成本和尺寸的同时,将该技术应用于光谱、导航、量子计算和光通信等广泛领域。在芯片规模上实现这样的性能,还将大大有助于应对互联网爆炸式的数据容量需求所带来的挑战,以及由此导致的全球数据中心及其光纤互连能耗的增加。

博科园-科学科普:在2019年1月出版的《自然光子学》封面文章中,加州大学圣巴巴拉分校的研究人员和他们在霍尼韦尔、耶鲁大学和北亚利桑那大学的合作伙伴描述了这一研究中一个重要里程碑:一种芯片级激光器,它能够发射基本线宽小于1赫兹的光,足够安静,足以将高要求的科学应用转移到芯片级。

该项目由美国国防高级研究计划局(DARPA) OwlG项目资助。为了产生有效的影响,这些低线宽激光器必须被集成到光子集成电路(PICs)中,这相当于计算机的微芯片,可以在商业微芯片铸造厂的晶圆规模上制造。该研究的作者之一、研究小组负责人、加州大学圣巴巴拉分校电子与计算机工程系的丹·布卢门撒尔教授说:

对新型布里渊激光器环形腔内光学动力学的诠释概念艺术图。图片:Brian Long

到目前为止,还没有一种方法可以在光电子芯片的尺度上制造出具有这种水平相干性和窄线宽的安静激光。目前芯片级激光器具有固有的噪声和相对较大的线宽,需要在与这些高质量激光器微型化有关的基础物理学中发挥新的作用。DARPA特别感兴趣的是制造一种芯片级激光光学陀螺仪。光学陀螺仪具有在没有GPS的情况下保持位置信息的能力,这一点非常重要。光学陀螺仪被用于精确定位和导航,包括在大多数商用飞机上。激光光学陀螺仪的长度灵敏度与引力波探测器相当,引力波探测器是迄今为止制造的最精密测量仪器之一。但目前实现这种灵敏度的系统包含了大量的光纤线圈。

OwlG项目的目标是在芯片上实现一种超静音(窄线宽)激光器,以取代光纤作为旋转传感元件,并进一步集成光学陀螺仪的其他组件。据布卢门撒尔说:制造这种激光器有两种可能的方法。一种是将激光系在光学基准上,这种基准必须在环境隔离的情况下置于真空中,就像今天的原子钟所做的那样。参考腔和一个电子反馈回路一起作为一个锚来使激光安静下来。然而,这种系统体积大、成本高、耗电量大、对环境干扰敏感。另一种方法是制作一种外腔激光器,其腔满足窄线宽激光器的基本物理要求,包括能够长时间持有数十亿光子,并支持非常高的内部光学功率级。传统上,这样的空腔很大(可以容纳足够的光子),尽管它们已经被用来实现高性能,但将它们集成到芯片上,其线宽接近由参考空腔稳定的激光器线宽,已被证明是难以实现。

为了克服这些限制,研究小组利用一种被称为受激布里渊散射的物理现象来制造激光器。方法利用了光与物质相互作用的过程,在这个过程中,光实际上会在物质内部产生声音或声波。布里渊激光器以产生非常安静的光而闻名。利用噪声“泵浦”激光器发出的光子来产生声波,声波作为缓冲,产生新的低线宽的安静输出光。布里渊过程是非常有效的,它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大型光纤装置或微型光学谐振器对环境条件敏感,难以用芯片铸造方法制造。

在光子集成芯片上制造亚赫兹布里留因激光器的关键是使用加州大学圣巴巴拉分校开发的一项技术,即使用与光纤损耗相当的极低波导构建的光子集成电路。这些低损耗波导,在芯片上形成布里卢因激光环形腔,具备成功的所有要素:它们可以在芯片上存储大量的光子,在光腔内处理极高水平的光功率,并沿着波导引导光子,就像轨道引导单轨列车一样。低损耗光波导和快速衰减声波的组合消除了对声波的引导。这种创新是这种方法成功的关键。自从这项研究完成以来,已经在布卢门撒尔团队和合作者中产生了多个新的资助项目。

博科园-科学科普|研究/来自: 加州大学圣巴巴拉分校/James Badham, University of California - Santa Barbara

参考期刊文献:《Nature Photonics》

DOI: 10.1038/s41566-018-0313-2

【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
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