Спектрально чистые лазеры лежат в основе прецизионных высокотехнологичных научных и коммерческих применений благодаря их способности генерировать почти идеальный одноцветный свет. Способность лазера делать это измеряется с точки зрения его ширины линии или когерентности, которая представляет собой способность излучать постоянную частоту в течение определенного периода времени до того, как эта частота изменится.

На практике исследователи идут на все, чтобы создать высокосогласованные, почти одночастотные лазеры для систем высокого класса, таких как атомные часы. Однако сегодня, поскольку эти лазеры являются большими и занимают стойки, полные оборудования, они приспособлены для применения в лабораторных условиях.

Существует стремление перенести производительность высококачественных лазеров на фотонные микросхемы, что значительно снижает стоимость и размер, делая технологию доступной для широкого спектра применений, включая спектроскопию, навигацию, квантовые вычисления и оптическую связь . Достижение такой производительности в масштабах чипа также будет иметь большое значение для решения проблемы, возникающей в связи с растущими требованиями к емкости данных в Интернете и, как следствие, увеличением мирового потребления энергии центрами обработки данных и их оптоволоконными межсоединениями.

В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics за январь 2019 года , исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и их сотрудники из Honeywell, Йельского университета и Университета Северной Аризоны описывают важную веху в этом стремлении: лазер в масштабе чипа, способный излучать свет с фундаментальной ширина линии менее 1 Гц — достаточно тихая, чтобы переместить требовательные научные приложения в масштаб чипа. Проект финансировался в рамках инициативы OwlG Агентства перспективных исследований в области обороны (DARPA).

Чтобы быть эффективными, эти лазеры низкой ширины должны быть включены в фотонные интегральные схемы (PIC) — эквиваленты компьютерных микросхем для света — которые могут быть изготовлены в масштабе пластин в коммерческих литейных производствах микросхем. «На сегодняшний день не было способа изготовления тихого лазера с таким уровнем когерентности и узкой шириной линии на уровне фотонных чипов», — сказал соавтор и руководитель группы Дэн Блюменталь, профессор кафедры электротехники и электрооборудования. Компьютерная инженерия в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Нынешнее поколение лазеров с микросхемой является по своей природе шумным и имеет относительно большую ширину линии. Необходимы новые инновации, которые функционируют в рамках фундаментальной физики, связанной с миниатюризацией этих высококачественных лазеров.

В частности, DARPA была заинтересована в создании лазерного оптического гироскопа в масштабе чипа. Оптические гироскопы важны из-за их способности сохранять знание положения без GPS, они используются для точного позиционирования и навигации, в том числе в большинстве коммерческих авиалайнеров.

Лазерный оптический гироскоп имеет чувствительность по шкале длин по сравнению с чувствительностью детектора гравитационных волн, одного из самых точных измерительных приборов, когда-либо сделанных. Но современные системы, которые достигают этой чувствительности, включают громоздкие катушки из оптического волокна. Цель проекта OwlG состояла в том, чтобы создать на микросхеме очень тихий лазер с узкой шириной линии, чтобы заменить волокно в качестве чувствительного к вращению элемента и обеспечить дальнейшую интеграцию с другими компонентами оптического гироскопа.

По словам Блюменталя, существует два возможных способа создания такого лазера. Одним из них является привязка лазера к оптическому эталону, который должен быть изолирован от окружающей среды и содержаться в вакууме, как это делается сегодня с атомными часами. Эталонная полость плюс электронная петля обратной связи вместе служат якорем для успокоения лазера. Такие системы, однако, являются большими, дорогостоящими, энергоемкими и чувствительными к нарушениям окружающей среды.

Другой подход заключается в создании лазера с внешним резонатором, резонатор которого удовлетворяет фундаментальным физическим требованиям для лазера с узкой шириной линии, включая способность удерживать миллиарды фотонов в течение длительного времени и поддерживать очень высокие уровни внутренней оптической мощности. Традиционно такие полости являются большими (для удержания достаточного количества фотонов), и хотя они используются для достижения высокой производительности, их интеграция на кристалле с шириной линий, приближающейся к ширине линий лазеров, стабилизированных эталонными полостями, оказалась труднодостижимой.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа использовала физическое явление, известное как стимулированное рассеяние Бриллюэна, для создания лазеров.

«Наш подход использует этот процесс взаимодействия света и материи, при котором свет фактически производит звуковые или акустические волны внутри материала», — отметил Блюменталь. «Лазеры Бриллюэна хорошо известны тем, что они излучают очень тихий свет. Они делают это, используя фотоны из лазера с« шумовой накачкой »для создания акустических волн, которые, в свою очередь, действуют как амортизаторы для создания нового тихого выходного света с малой шириной». Процесс Бриллюэна очень эффективен, сокращая ширину линии лазера накачки на входе до миллиона ».

Недостаток заключается в том, что громоздкие оптоволоконные установки или миниатюрные оптические резонаторы, традиционно используемые для создания лазеров Бриллюэна, чувствительны к условиям окружающей среды и их трудно изготовить с использованием методов литья стружки.

«Ключом к созданию нашего лазера Бриллюэна с частотой менее Гц на фотонно-интегральной микросхеме было использование технологии, разработанной в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, — фотонно-интегральных микросхем, построенных из волноводов с чрезвычайно низкими потерями наравне с оптическим волокном», — пояснил Блюменталь. «Эти волноводы с низкими потерями, сформированные в кольцевую полость лазера Бриллюэна на чипе, имеют все необходимые компоненты для успеха: они могут хранить чрезвычайно большое количество фотонов на чипе, обрабатывать чрезвычайно высокие уровни оптической мощности внутри оптического резонатора. и направлять фотоны вдоль волновода так же, как рельс направляет монорельсовый поезд «.

Сочетание оптических волноводов с низкими потерями и быстро затухающих акустических волн устраняет необходимость направлять акустические волны. Это новшество является ключом к успеху этого подхода.

После завершения этого исследования было создано несколько новых финансируемых проектов как в группе Блюменталя, так и в его сотрудниках.