光譜純激光器由於(yu) 能夠產(chan) 生近乎完美的單色光而處於(yu) 高端科學和商業(ye) 應用核心。激光的這種能力是根據它的線寬或相幹性來測量，也就是在頻率改變之前的一段時間內(nei) 發射恒定頻率的能力。在實踐中，研究人員竭盡全力為(wei) 原子鍾等高端係統製造高度相幹、接近單頻的激光器。

然而，今天由於(yu) 這些激光器體(ti) 積龐大，占據著裝滿設備的機架，它們(men) 隻能應用於(yu) 實驗室的工作台。目前有一種趨勢是將高端激光器的性能轉移到光子微芯片上，在大幅降低成本和尺寸的同時，將該技術應用於(yu) 光譜、導航、量子計算和光通信等廣泛領域。在芯片規模上實現這樣的性能，還將大大有助於(yu) 應對互聯網爆炸式的數據容量需求所帶來的挑戰，以及由此導致的全球數據中心及其光纖互連能耗的增加。

博科園-科學科普：在2019年1月出版的《自然光子學》封麵文章中，加州大學聖巴巴拉分校的研究人員和他們(men) 在霍尼韋爾、耶魯大學和北亞(ya) 利桑那大學的合作夥(huo) 伴描述了這一研究中一個(ge) 重要裏程碑：一種芯片級激光器，它能夠發射基本線寬小於(yu) 1赫茲(zi) 的光，足夠安靜，足以將高要求的科學應用轉移到芯片級。

該項目由美國國防高級研究計劃局(DARPA) OwlG項目資助。為(wei) 了產(chan) 生有效的影響，這些低線寬激光器必須被集成到光子集成電路(PICs)中，這相當於(yu) 計算機的微芯片，可以在商業(ye) 微芯片鑄造廠的晶圓規模上製造。該研究的作者之一、研究小組負責人、加州大學聖巴巴拉分校電子與(yu) 計算機工程係的丹·布盧門撒爾教授說：

對新型布裏淵激光器環形腔內(nei) 光學動力學的詮釋概念藝術圖。圖片：Brian Long

到目前為(wei) 止，還沒有一種方法可以在光電子芯片的尺度上製造出具有這種水平相幹性和窄線寬的安靜激光。目前芯片級激光器具有固有的噪聲和相對較大的線寬，需要在與(yu) 這些高質量激光器微型化有關(guan) 的基礎物理學中發揮新的作用。DARPA特別感興(xing) 趣的是製造一種芯片級激光光學陀螺儀(yi) 。光學陀螺儀(yi) 具有在沒有GPS的情況下保持位置信息的能力，這一點非常重要。光學陀螺儀(yi) 被用於(yu) 精確定位和導航，包括在大多數商用飛機上。激光光學陀螺儀(yi) 的長度靈敏度與(yu) 引力波探測器相當，引力波探測器是迄今為(wei) 止製造的最精密測量儀(yi) 器之一。但目前實現這種靈敏度的係統包含了大量的光纖線圈。

OwlG項目的目標是在芯片上實現一種超靜音(窄線寬)激光器，以取代光纖作為(wei) 旋轉傳(chuan) 感元件，並進一步集成光學陀螺儀(yi) 的其他組件。據布盧門撒爾說：製造這種激光器有兩(liang) 種可能的方法。一種是將激光係在光學基準上，這種基準必須在環境隔離的情況下置於(yu) 真空中，就像今天的原子鍾所做的那樣。參考腔和一個(ge) 電子反饋回路一起作為(wei) 一個(ge) 錨來使激光安靜下來。然而，這種係統體(ti) 積大、成本高、耗電量大、對環境幹擾敏感。另一種方法是製作一種外腔激光器，其腔滿足窄線寬激光器的基本物理要求，包括能夠長時間持有數十億(yi) 光子，並支持非常高的內(nei) 部光學功率級。傳(chuan) 統上，這樣的空腔很大(可以容納足夠的光子)，盡管它們(men) 已經被用來實現高性能，但將它們(men) 集成到芯片上，其線寬接近由參考空腔穩定的激光器線寬，已被證明是難以實現。

為(wei) 了克服這些限製，研究小組利用一種被稱為(wei) 受激布裏淵散射的物理現象來製造激光器。方法利用了光與(yu) 物質相互作用的過程，在這個(ge) 過程中，光實際上會(hui) 在物質內(nei) 部產(chan) 生聲音或聲波。布裏淵激光器以產(chan) 生非常安靜的光而聞名。利用噪聲“泵浦”激光器發出的光子來產(chan) 生聲波，聲波作為(wei) 緩衝(chong) ，產(chan) 生新的低線寬的安靜輸出光。布裏淵過程是非常有效的，它將輸入泵浦激光器的線寬減少了一百萬(wan) 倍。缺點是，傳(chuan) 統上用於(yu) 製造布裏淵激光器的大型光纖裝置或微型光學諧振器對環境條件敏感，難以用芯片鑄造方法製造。

在光子集成芯片上製造亞(ya) 赫茲(zi) 布裏留因激光器的關(guan) 鍵是使用加州大學聖巴巴拉分校開發的一項技術，即使用與(yu) 光纖損耗相當的極低波導構建的光子集成電路。這些低損耗波導，在芯片上形成布裏盧因激光環形腔，具備成功的所有要素：它們(men) 可以在芯片上存儲(chu) 大量的光子，在光腔內(nei) 處理極高水平的光功率，並沿著波導引導光子，就像軌道引導單軌列車一樣。低損耗光波導和快速衰減聲波的組合消除了對聲波的引導。這種創新是這種方法成功的關(guan) 鍵。自從(cong) 這項研究完成以來，已經在布盧門撒爾團隊和合作者中產(chan) 生了多個(ge) 新的資助項目。