導(dǎo)讀

近日，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校等研究結(jié)構(gòu)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(xué)應(yīng)用轉(zhuǎn)移到芯片上處理。

背景

光譜純凈的激光是精準(zhǔn)的高端科學(xué)與商業(yè)應(yīng)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(gòu)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(jī)架上會擺滿各種臺式設(shè)備，所以這種激光器的相關(guān)應(yīng)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(xué)界追逐的一個目標(biāo)。

創(chuàng)新

近日，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校以及霍尼韋爾公司、耶魯大學(xué)、北亞利桑那大學(xué)的的研究人員們描述了在追求這一目標(biāo)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(xué)應(yīng)用轉(zhuǎn)移到芯片上處理。

相關(guān)論文成為了2019年1月份的《自然光子學(xué)（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(shù)詮釋（圖片來源：Brian Long）

技術(shù)

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(dāng)于計算機(jī)的光芯片，可在商用芯片制造廠進(jìn)行晶圓級制造。論文合著者之一、團(tuán)隊領(lǐng)頭人、加州大學(xué)圣芭芭拉分校電氣與計算機(jī)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(xué)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(chǔ)物理范疇起作用的創(chuàng)新，而這些基礎(chǔ)物理知識與高質(zhì)量激光器的小型化息息相關(guān)。

DARPA 對于創(chuàng)造芯片級的激光光學(xué)陀螺儀特別感興趣。在沒有GPS的情況下，光學(xué)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(xué)陀螺儀可用于精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航，例如大多數(shù)商用客機(jī)中所采用的。

激光光學(xué)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(zhǔn)的測量儀器之一）不相上下。但是，目前達(dá)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(biāo)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(xué)陀螺儀的其他元件進(jìn)一步集成。

集成的激光光學(xué)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(gòu)造這種激光器有兩種可能的方案。一種是將激光器與光學(xué)參考系“綁”在一起，這種光學(xué)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(tuán)隊利用了一種稱為“受激布里淵散射”的物理現(xiàn)象，來構(gòu)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(qiáng)入射激光場在介質(zhì)中感應(yīng)出強(qiáng)聲波場，并被它散射的一種非線性光效應(yīng)。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(yīng)，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(dǎo)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?！?/span>

然而缺點是，龐大的光纖或者小型的光學(xué)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(xué)圣巴巴拉分校開發(fā)的一項技術(shù)，即通過損耗極低的波導(dǎo)（與光纖差不多）構(gòu)造光子集成電路。這些低損耗的波導(dǎo)，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(xué)腔中處理極高的光學(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?！?/span>

Si3N4 波導(dǎo)布里淵激光器與應(yīng)用的片上系統(tǒng)示例（圖片來源：參考資料【2】）

低損耗光波導(dǎo)與迅速衰減的聲波相結(jié)合，就無需再引導(dǎo)聲波。這一創(chuàng)新是該方案成功的關(guān)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(shù)有望應(yīng)用于包括光譜學(xué)、導(dǎo)航、量子計算和光通信在內(nèi)的一系列領(lǐng)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(dǎo)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(yán)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(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

關(guān)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