導讀

近日，美國加州大學聖芭芭拉分校等研究結構的研究人員開發出一個(ge) 芯片級的激光器，它能發出基本線寬低於(yu) 1赫茲(zi) 的光線，“安靜”到足以將高要求的科學應用轉移到芯片上處理。

背景

光譜純淨的激光是精準的高端科學與(yu) 商業(ye) 應用的核心，因為(wei) 它們(men) 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幹性來測量的，它表示了在頻率變化之前的特定時間內(nei) 發出恒定頻率光線的能力。

在實踐中，研究人員們(men) 竭盡全力為(wei) 原子鍾等高端係統，構建高度相幹、接近單個(ge) 頻率的激光。可是，如今由於(yu) 這些激光器非常龐大，實驗室機架上會(hui) 擺滿各種台式設備，所以這種激光器的相關(guan) 應用都離不開實驗室。

目前，將高端激光器的性能轉移到光子芯片中，並顯著降其低成本和尺寸，已成為(wei) 科學界追逐的一個(ge) 目標。

創新

近日，美國加州大學聖芭芭拉分校以及霍尼韋爾公司、耶魯大學、北亞(ya) 利桑那大學的的研究人員們(men) 描述了在追求這一目標過程中的一個(ge) 重要裏程碑：一個(ge) 芯片級的激光器能發出基本線寬低於(yu) 1赫茲(zi) 的光線，“安靜”（噪音少）到足以將高要求的科學應用轉移到芯片上處理。

相關(guan) 論文成為(wei) 了2019年1月份的《自然光子學（Nature Photonics）》期刊的封麵文章。該項目由美國國防高級研究計劃局（DARPA）OwlG 計劃資助。

新型布裏淵激光器激光環形腔的藝術詮釋（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，相當於(yu) 計算機的光芯片，可在商用芯片製造廠進行晶圓級製造。論文合著者之一、團隊領頭人、加州大學聖芭芭拉分校電氣與(yu) 計算機工程係教授 Dan Blumenthal 表示：“迄今為(wei) 止，在光子芯片級別，製造具有這種程度的相幹性和窄線寬的安靜激光器，科學家們(men) 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(men) 需要在基礎物理範疇起作用的創新，而這些基礎物理知識與(yu) 高質量激光器的小型化息息相關(guan) 。

DARPA 對於(yu) 創造芯片級的激光光學陀螺儀(yi) 特別感興(xing) 趣。在沒有GPS的情況下，光學陀螺儀(yi) 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(yi) 可用於(yu) 精準定位和導航，例如大多數商用客機中所采用的。

激光光學陀螺儀(yi) 的長度尺度上的靈敏度，與(yu) 引力波探測器（目前為(wei) 止發明的最精準的測量儀(yi) 器之一）不相上下。但是，目前達到這種靈敏度的係統含有體(ti) 積龐大的光纖線圈。OwlG 項目的目標就是實現一種“超安靜（窄線寬）” 的片上激光器，取代光纖，作為(wei) 旋轉感知元件，並與(yu) 光學陀螺儀(yi) 的其他元件進一步集成。

集成的激光光學陀螺儀(yi) 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(liang) 種可能的方案。一種是將激光器與(yu) 光學參考係“綁”在一起，這種光學參考係必須是環境隔離的，並處於(yu) 真空之中，如同目前的原子鍾所實現的。這種參考腔外加一個(ge) 電子反饋回路，一起成為(wei) 了使激光“安靜”的“錨”。然而，這種係統龐大、昂貴、能耗大、對於(yu) 環境幹擾敏感。

另一個(ge) 方案就是製造一個(ge) 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(yi) 個(ge) 光子，並且支持非常高的內(nei) 部光功率級別。傳(chuan) 統意義(yi) 上說，這種腔體(ti) 非常龐大（為(wei) 了容納足夠多的光子），盡管它們(men) 一直被用於(yu) 實現高性能，但是以接近參考腔體(ti) 穩定的激光器的線寬，將其集成到芯片上，還是很難實現的。

為(wei) 了克服這些限製，研究團隊利用了一種稱為(wei) “受激布裏淵散射”的物理現象，來構造這些激光器。布裏淵散射起源於(yu) 激光電場與(yu) 分子或固體(ti) 中的聲波場的相互作用，也就是光子與(yu) 聲子的相互作用，又稱聲子散射。強入射激光場在介質中感應出強聲波場，並被它散射的一種非線性光效應。與(yu) 自發布裏淵散射不同，受激布裏淵散射的產(chan) 生過程是：在激光的電場作用下，通過電致伸縮效應，使介質發生周期性密度和介電常數的變化，感生聲波場，而導致入射光與(yu) 聲波場間發生相幹散射過程。

Blumenthal 表示：”我們(men) 的方案利用了這種光與(yu) 物質相互作用過程。在這個(ge) 過程中，光線實際上在材料內(nei) 部產(chan) 生了聲音，或者說聲波。布裏淵激光器以製造極度安靜的光線而聞名。它們(men) 通過利用來自吵鬧的‘泵浦’激光的光子，產(chan) 生聲波。然後，這些聲波又生成新的安靜的窄線寬輸出光線。這種布裏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(wan) 分之一。“

然而缺點是，龐大的光纖或者小型的光學諧振器，通常都是用於(yu) 製造對環境條件敏感的布裏淵激光器，並且難以通過生產(chan) 芯片的方法製造。

Blumenthal 解釋道：“我們(men) 在光子集成芯片上製造這種亞(ya) 赫茲(zi) 的布裏淵激光器，采用了加州大學聖巴巴拉分校開發的一項技術，即通過損耗極低的波導（與(yu) 光纖差不多）構造光子集成電路。這些低損耗的波導，在芯片上形成了布裏淵激光環形腔，從(cong) 而具備了成功的所有要素。它們(men) 可以在芯片上存儲(chu) 極大數量的光子，在光學腔中處理極高的光學功率，並且沿著波導引導光子，就像鐵軌引導單軌列車一樣。”

Si3N4 波導布裏淵激光器與(yu) 應用的片上係統示例（圖片來源：參考資料【2】）

低損耗光波導與(yu) 迅速衰減的聲波相結合，就無需再引導聲波。這一創新是該方案成功的關(guan) 鍵。從(cong) 完成的那一刻起，這項研究為(wei) Blumenthal課題組及其合作夥(huo) 伴們(men) 帶來了多個(ge) 受資助的新項目。

價(jia) 值

這項技術有望應用於(yu) 包括光譜學、導航、量子計算和光通信在內(nei) 的一係列領域。如今，互聯網數據容量需求呈爆炸式增長，及其所導致的全球範圍內(nei) 數據中心和光纖互聯網的能耗增長，都帶來了嚴(yan) 峻的挑戰。然而，在芯片尺度上實現這樣的性能，將有助於(yu) 應對這些挑戰。

關(guan) 鍵字

激光、芯片、陀螺儀(yi)

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