導讀
近日，美國加州大學圣芭芭拉分校等研究結構的研究人員開發(fā)出一個芯片級的激光器，它能發(fā)出基本線寬低于1赫茲的光線，“安靜”到足以將高要求的科學應用轉(zhuǎn)移到芯片上處理。
背景
光譜純凈的激光是精準的高端科學與商業(yè)應用的核心，因為它們能夠生成近乎完美的單色光。激光的這項能力，是通過其線寬或者相干性來測量的，它表示了在頻率變化之前的特定時間內(nèi)發(fā)出恒定頻率光線的能力。
在實踐中，研究人員們竭盡全力為原子鐘等高端系統(tǒng)，構建高度相干、接近單個頻率的激光?？墒?，如今由于這些激光器非常龐大，實驗室機架上會擺滿各種臺式設備，所以這種激光器的相關應用都離不開實驗室。
目前，將高端激光器的性能轉(zhuǎn)移到光子芯片中，并顯著降其低成本和尺寸，已成為科學界追逐的一個目標。
創(chuàng)新
近日，美國加州大學圣芭芭拉分校以及霍尼韋爾公司、耶魯大學、北亞利桑那大學的的研究人員們描述了在追求這一目標過程中的一個重要里程碑：一個芯片級的激光器能發(fā)出基本線寬低于1赫茲的光線，“安靜”（噪音少）到足以將高要求的科學應用轉(zhuǎn)移到芯片上處理。
相關論文成為了2019年1月份的《自然光子學（Nature Photonics）》期刊的封面文章。該項目由美國國防高級研究計劃局（DARPA）OwlG 計劃資助。
新型布里淵激光器激光環(huán)形腔的藝術詮釋（圖片來源：Brian Long）
技術
這些窄線寬激光器要施展影響力，就必須集成到光子集成電路（PICs）中。光子集成電路，相當于計算機的光芯片，可在商用芯片制造廠進行晶圓級制造。論文合著者之一、團隊領頭人、加州大學圣芭芭拉分校電氣與計算機工程系教授 Dan Blumenthal 表示：“迄今為止，在光子芯片級別，制造具有這種程度的相干性和窄線寬的安靜激光器，科學家們一直沒有找到辦法?！?目前這一代的芯片級激光器具有固有的噪聲，以及相對較大的線寬。所以，我們需要在基礎物理范疇起作用的創(chuàng)新，而這些基礎物理知識與高質(zhì)量激光器的小型化息息相關。
DARPA 對于創(chuàng)造芯片級的激光光學陀螺儀特別感興趣。在沒有GPS的情況下，光學陀螺儀具有獲取位置信息的能力。這種重要的能力使得光學陀螺儀可用于精準定位和導航，例如大多數(shù)商用客機中所采用的。
激光光學陀螺儀的長度尺度上的靈敏度，與引力波探測器（目前為止發(fā)明的最精準的測量儀器之一）不相上下。但是，目前達到這種靈敏度的系統(tǒng)含有體積龐大的光纖線圈。OwlG 項目的目標就是實現(xiàn)一種“超安靜（窄線寬）” 的片上激光器，取代光纖，作為旋轉(zhuǎn)感知元件，并與光學陀螺儀的其他元件進一步集成。
集成的激光光學陀螺儀和光子微波合成器的演示（圖片來源：參考資料【2】）
Blumenthal 稱，構造這種激光器有兩種可能的方案。一種是將激光器與光學參考系“綁”在一起，這種光學參考系必須是環(huán)境隔離的，并處于真空之中，如同目前的原子鐘所實現(xiàn)的。這種參考腔外加一個電子反饋回路，一起成為了使激光“安靜”的“錨”。然而，這種系統(tǒng)龐大、昂貴、能耗大、對于環(huán)境干擾敏感。
另一個方案就是制造一個外腔式的激光器，它的腔滿足窄線寬激光器的基本要求，包括能夠長時間容納幾十億個光子，并且支持非常高的內(nèi)部光功率級別。傳統(tǒng)意義上說，這種腔體非常龐大（為了容納足夠多的光子），盡管它們一直被用于實現(xiàn)高性能，但是以接近參考腔體穩(wěn)定的激光器的線寬，將其集成到芯片上，還是很難實現(xiàn)的。
為了克服這些限制，研究團隊利用了一種稱為“受激布里淵散射”的物理現(xiàn)象，來構造這些激光器。布里淵散射起源于激光電場與分子或固體中的聲波場的相互作用，也就是光子與聲子的相互作用，又稱聲子散射。強入射激光場在介質(zhì)中感應出強聲波場，并被它散射的一種非線性光效應。與自發(fā)布里淵散射不同，受激布里淵散射的產(chǎn)生過程是：在激光的電場作用下，通過電致伸縮效應，使介質(zhì)發(fā)生周期性密度和介電常數(shù)的變化，感生聲波場，而導致入射光與聲波場間發(fā)生相干散射過程。
Blumenthal 表示：”我們的方案利用了這種光與物質(zhì)相互作用過程。在這個過程中，光線實際上在材料內(nèi)部產(chǎn)生了聲音，或者說聲波。布里淵激光器以制造極度安靜的光線而聞名。它們通過利用來自吵鬧的‘泵浦’激光的光子，產(chǎn)生聲波。然后，這些聲波又生成新的安靜的窄線寬輸出光線。這種布里淵過程是非常高效的，它能將入射泵浦激光的線寬減少至百萬分之一。“
然而缺點是，龐大的光纖或者小型的光學諧振器，通常都是用于制造對環(huán)境條件敏感的布里淵激光器，并且難以通過生產(chǎn)芯片的方法制造。
Blumenthal 解釋道：“我們在光子集成芯片上制造這種亞赫茲的布里淵激光器，采用了加州大學圣巴巴拉分校開發(fā)的一項技術，即通過損耗極低的波導（與光纖差不多）構造光子集成電路。這些低損耗的波導，在芯片上形成了布里淵激光環(huán)形腔，從而具備了成功的所有要素。它們可以在芯片上存儲極大數(shù)量的光子，在光學腔中處理極高的光學功率，并且沿著波導引導光子，就像鐵軌引導單軌列車一樣?！?/span>
Si3N4 波導布里淵激光器與應用的片上系統(tǒng)示例（圖片來源：參考資料【2】）
低損耗光波導與迅速衰減的聲波相結合，就無需再引導聲波。這一創(chuàng)新是該方案成功的關鍵。從完成的那一刻起，這項研究為Blumenthal課題組及其合作伙伴們帶來了多個受資助的新項目。
價值
這項技術有望應用于包括光譜學、導航、量子計算和光通信在內(nèi)的一系列領域。如今，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)容量需求呈爆炸式增長，及其所導致的全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心和光纖互聯(lián)網(wǎng)的能耗增長，都帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。然而，在芯片尺度上實現(xiàn)這樣的性能，將有助于應對這些挑戰(zhàn)。
關鍵字
激光、芯片、陀螺儀
參考資料
【1】https://www.news.ucsb.edu/2019/019332/quiet-light
【2】Sarat Gundavarapu, Grant M. Brodnik, Matthew Puckett, Taran Huffman, Debapam Bose, Ryan Behunin, Jianfeng Wu, Tiequn Qiu, Cátia Pinho, Nitesh Chauhan, Jim Nohava, Peter T. Rakich, Karl D. Nelson, Mary Salit, Daniel J. Blumenthal. Sub-hertz fundamental linewidth photonic integrated Brillouin laser. Nature Photonics, 2018; 13 (1): 60 DOI: 10.1038/s41566-018-0313-2
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