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光子芯片级的低线宽激光器非常安静,适用于精确的科学应用

2019-03-14

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员及其在霍尼韦尔,耶鲁和北亚利桑那大学的合作者开发出一种芯片级激光器,能够发出基本线宽小于1赫兹(Hz)的光线---一个足够安静的频率,可以将需要高度相干激光的科学应用转移到芯片级。

该项目由国防高级研究计划局(DARPA)OwlG倡议资助。 DARPA有兴趣创建用于精确定位和导航的芯片级激光光学陀螺仪。

激光光学陀螺仪的长度灵敏度与引力波探测器的灵敏度相当,后者是有史以来最精确的测量仪器之一。但是,目前实现这种灵敏度的系统包含庞大的光纤线圈。OwlG项目的目标是在芯片上开发窄线宽激光器,以取代庞大的光纤作为旋转传感元件,并允许进一步与光学陀螺仪的其他组件集成。

根据Dan Blumenthal教授的说法,有两种方法可以制造这种激光器。一种方法是将激光束缚在光学参考上,光学参考必须是环境隔离的并且包含在真空中,就像原子钟一样。参考腔和电子反馈回路一起充当安静激光器的锚。然而,这种系统庞大、昂贵、耗电且对环境干扰敏感。

艺术家对新布里渊激光器激光环腔内光学动力学的解释。

另一种方法是制造外腔激光器,其腔体满足窄线宽激光器的基本物理要求,包括长时间保持数十亿光子并支持非常高的内部光功率水平的能力。传统上,这种空腔很大,因此它们可以容纳足够的光子。尽管它们已经被用于实现高性能,但是将它们集成在芯片上并且线宽接近激光器的线宽一直是一个挑战。

为了克服这些局限性,研究团队利用一种称为受激布里渊散射的现象来构建激光器。

“我们的方法使用光物质相互作用的过程,其中光实际上在材料内产生声音或声波,”Blumenthal说。“Brillouin激光器以产生极其安静的光线而闻名。他们通过利用来自嘈杂的泵浦激光器的光子产生声波来实现这一点,声波反过来起到缓冲作用,产生新的安静,低线宽输出光。布里渊工艺非常有效,可将输入泵浦激光器的线宽减少一百万倍。‘’

然而,传统上用于制造布里渊激光器的光学装置对环境条件敏感并且难以使用芯片 - 铸造方法制造。“在光子集成芯片上制作亚Hz布里渊激光器的关键是使用UC Santa Barbara开发的技术 - 光波集成电路采用波导制造,损耗极低,与光纤相当,”Blumenthal说。 “这些低损耗波导,在芯片上形成布里渊激光环腔,具有成功的所有正确成分:它们可以在芯片上存储极大量的光子,在光学腔内处理极高水平的光学功率 ,并且沿着波导引导光子就像铁轨引导单轨列车一样。“

低损耗光波导和快速衰减声波的组合消除了引导声波的需要。该团队表示,这项创新是其成功的关键。自完成以来,这项研究已经在Blumenthal集团和他的合作者中获得了多个新的资助项目。

将高端激光器的性能转移到光子微芯片上可以降低这种激光技术的成本和尺寸,使其可得到广泛的应用,包括光谱学、导航、量子计算和光学通信。在芯片规模上实现这样的性能还有助于应对互联网爆炸式数据容量需求带来的挑战,以及由此导致的数据中心及其光纤互连的全球能耗增加。

该研究发表在Nature上光子学( https://doi.org/10.1038/s41566-018-0313-2 )。

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(来源:中国光学期刊网

 

 



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