芯片上的激光器：可发出“安静”的光线！

导读

近日，美国加州大学圣芭芭拉分校等研究结构的研究人员开发出一个芯片级的激光器，它能发出基本线宽低于1赫兹的光线，“安静”到足以将高要求的科学应用转移到芯片上处理。

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背景

光谱纯净的激光是精准的高端科学与商业应用的核心，因为它们能够生成近乎完美的单色光。激光的这项能力，是通过其线宽或者相干性来测量的，它表示了在频率变化之前的特定时间内发出恒定频率光线的能力。

在实践中，研究人员们竭尽全力为原子钟等高端系统，构建高度相干、接近单个频率的激光。可是，如今由于这些激光器非常庞大，实验室机架上会摆满各种台式设备，所以这种激光器的相关应用都离不开实验室。

目前，将高端激光器的性能转移到光子芯片中，并显著降其低成本和尺寸，已成为科学界追逐的一个目标。

创新

近日，美国加州大学圣芭芭拉分校以及霍尼韦尔公司、耶鲁大学、北亚利桑那大学的的研究人员们描述了在追求这一目标过程中的一个重要里程碑：一个芯片级的激光器能发出基本线宽低于1赫兹的光线，“安静”（噪音少）到足以将高要求的科学应用转移到芯片上处理。

相关论文成为了2019年1月份的《自然光子学（Nature Photonics）》期刊的封面文章。该项目由美国国防高级研究计划局（DARPA）OwlG 计划资助。

新型布里渊激光器激光环形腔的艺术诠释（图片来源：Brian Long）

技术

这些窄线宽激光器要施展影响力，就必须集成到光子集成电路（PICs）中。光子集成电路，相当于计算机的光芯片，可在商用芯片制造厂进行晶圆级制造。论文合著者之一、团队领头人、加州大学圣芭芭拉分校电气与计算机工程系教授 Dan Blumenthal 表示：“迄今为止，在光子芯片级别，制造具有这种程度的相干性和窄线宽的安静激光器，科学家们一直没有找到办法。” 目前这一代的芯片级激光器具有固有的噪声，以及相对较大的线宽。所以，我们需要在基础物理范畴起作用的创新，而这些基础物理知识与高质量激光器的小型化息息相关。

DARPA 对于创造芯片级的激光光学陀螺仪特别感兴趣。在没有GPS的情况下，光学陀螺仪具有获取位置信息的能力。这种重要的能力使得光学陀螺仪可用于精准定位和导航，例如大多数商用客机中所采用的。

激光光学陀螺仪的长度尺度上的灵敏度，与引力波探测器（目前为止发明的最精准的测量仪器之一）不相上下。但是，目前达到这种灵敏度的系统含有体积庞大的光纤线圈。OwlG 项目的目标就是实现一种“超安静（窄线宽）” 的片上激光器，取代光纤，作为旋转感知元件，并与光学陀螺仪的其他元件进一步集成。

集成的激光光学陀螺仪和光子微波合成器的演示（图片来源：参考资料【2】）

Blumenthal 称，构造这种激光器有两种可能的方案。一种是将激光器与光学参考系“绑”在一起，这种光学参考系必须是环境隔离的，并处于真空之中，如同目前的原子钟所实现的。这种参考腔外加一个电子反馈回路，一起成为了使激光“安静”的“锚”。然而，这种系统庞大、昂贵、能耗大、对于环境干扰敏感。

另一个方案就是制造一个外腔式的激光器，它的腔满足窄线宽激光器的基本要求，包括能够长时间容纳几十亿个光子，并且支持非常高的内部光功率级别。传统意义上说，这种腔体非常庞大（为了容纳足够多的光子），尽管它们一直被用于实现高性能，但是以接近参考腔体稳定的激光器的线宽，将其集成到芯片上，还是很难实现的。

为了克服这些限制，研究团队利用了一种称为“受激布里渊散射”的物理现象，来构造这些激光器。布里渊散射起源于激光电场与分子或固体中的声波场的相互作用，也就是光子与声子的相互作用，又称声子散射。强入射激光场在介质中感应出强声波场，并被它散射的一种非线性光效应。与自发布里渊散射不同，受激布里渊散射的产生过程是：在激光的电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，而导致入射光与声波场间发生相干散射过程。

Blumenthal 表示：”我们的方案利用了这种光与物质相互作用过程。在这个过程中，光线实际上在材料内部产生了声音，或者说声波。布里渊激光器以制造极度安静的光线而闻名。它们通过利用来自吵闹的‘泵浦’激光的光子，产生声波。然后，这些声波又生成新的安静的窄线宽输出光线。这种布里渊过程是非常高效的，它能将入射泵浦激光的线宽减少至百万分之一。“

然而缺点是，庞大的光纤或者小型的光学谐振器，通常都是用于制造对环境条件敏感的布里渊激光器，并且难以通过生产芯片的方法制造。

Blumenthal 解释道：“我们在光子集成芯片上制造这种亚赫兹的布里渊激光器，采用了加州大学圣巴巴拉分校开发的一项技术，即通过损耗极低的波导（与光纤差不多）构造光子集成电路。这些低损耗的波导，在芯片上形成了布里渊激光环形腔，从而具备了成功的所有要素。它们可以在芯片上存储极大数量的光子，在光学腔中处理极高的光学功率，并且沿着波导引导光子，就像铁轨引导单轨列车一样。”

Si3N4 波导布里渊激光器与应用的片上系统示例（图片来源：参考资料【2】）

低损耗光波导与迅速衰减的声波相结合，就无需再引导声波。这一创新是该方案成功的关键。从完成的那一刻起，这项研究为Blumenthal课题组及其合作伙伴们带来了多个受资助的新项目。

价值

这项技术有望应用于包括光谱学、导航、量子计算和光通信在内的一系列领域。如今，互联网数据容量需求呈爆炸式增长，及其所导致的全球范围内数据中心和光纤互联网的能耗增长，都带来了严峻的挑战。然而，在芯片尺度上实现这样的性能，将有助于应对这些挑战。

关键字

激光、芯片、陀螺仪

参考资料

【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