Spektralrena lasrar är kärnan i precisions avancerade vetenskapliga och kommersiella tillämpningar, tack vare deras förmåga att producera nästan perfekt enfärgat ljus. En lasers förmåga att göra det mäts i termer av dess linjebredd, eller sammanhang, vilket är förmågan att avge en konstant frekvens under en viss tid innan den frekvensen ändras.

I praktiken, forskare strävar efter att bygga mycket sammanhängande, nära enfrekventa lasrar för avancerade system som atomur. I dag, dock, eftersom dessa lasrar är stora och har fullt med utrustning, de förflyttas till applikationer baserade på bänkskivor i laboratoriet.

Det finns ett tryck för att flytta prestandan för avancerade lasrar till fotoniska mikrochips, dramatiskt minska kostnader och storlek samtidigt som tekniken görs tillgänglig för ett brett spektrum av applikationer inklusive spektroskopi, navigering, kvantberäkning och optisk kommunikation. Att uppnå sådan prestanda på chipskalan skulle också gå långt för att hantera utmaningen som internetets exploderande datakapacitetskrav ställer och den resulterande ökningen av datacenters och deras fiberoptiska sammankopplingar över hela världen.

I omslagsartikeln i januari 2019 -numret av Nature Photonics , forskare vid UC Santa Barbara och deras medarbetare på Honeywell, Yale och Northern Arizona University, beskriv en betydande milstolpe i denna strävan:en chipskala laser som kan avge ljus med en grundläggande linjebredd på mindre än 1 Hz-tillräckligt tyst för att flytta krävande vetenskapliga tillämpningar till chipskalan. Projektet finansierades under Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) OwlG -initiativ.

Att vara genomslagskraftig, dessa lasrar med låg linjebredd måste införlivas i fotoniska integrerade kretsar (PIC)-ekvivalenterna av datormikrochips för ljus-som kan tillverkas i skivor i kommersiella mikrochipgjuterier. "Hittills, det har inte funnits en metod för att göra en tyst laser med denna nivå av koherens och smal linjebredd i fotonisk-chip-skalan, "sa medförfattare och teamledare Dan Blumenthal, professor vid Institutionen för el- och datateknik vid UC Santa Barbara. Den nuvarande generationen av chip-skala lasrar är i sig bullriga och har relativt stor linjebredd. Nya innovationer har behövts som fungerar inom den grundläggande fysiken i samband med miniatyrisering av dessa högkvalitativa lasrar.

Specifikt, DARPA var intresserad av att skapa ett laseroptiskt gyroskop i chipskala. Viktigt för dess förmåga att behålla kunskap om position utan GPS, optiska gyroskop används för precisionspositionering och navigering, inklusive i de flesta kommersiella flygplan.

Det laseroptiska gyroskopet har en känslighet i längdskala i nivå med gravitationsvågdetektorns, ett av de mest exakta mätinstrumenten som någonsin gjorts. Men nuvarande system som uppnår denna känslighet innehåller skrymmande spolar av optisk fiber. Målet med OwlG-projektet var att realisera en ultratyst (smal linjebredd) laser på chipet för att ersätta fibern som rotationsavkännande element och möjliggöra ytterligare integration med andra komponenter i det optiska gyroskopet.

Enligt Blumenthal, det finns två möjliga sätt att bygga en sådan laser. Det ena är att binda en laser till en optisk referens som måste isoleras miljömässigt och innehållas i ett vakuum, som man gör idag med atomur. Referenshålrummet plus en elektronisk återkopplingsslinga fungerar tillsammans som ett ankare för att tysta lasern. Sådana system, dock, är stora, kostsam, energikrävande och känslig för miljöstörningar.

Det andra tillvägagångssättet är att göra en laser med yttre kavitet vars kavitet uppfyller de grundläggande fysiska kraven för en laser med smal linjebredd, inklusive möjligheten att hålla miljarder fotoner under lång tid och stödja mycket höga interna optiska effektnivåer. Traditionellt, sådana hålrum är stora (för att rymma tillräckligt med fotoner), och även om de har använts för att uppnå hög prestanda, att integrera dem på chip med linjebredder som närmar sig lasrar som stabiliserats med referenshålrum har visat sig gäckande.

För att övervinna dessa begränsningar, forskargruppen utnyttjade ett fysiskt fenomen som kallas stimulerad Brillouin -spridning för att bygga lasrarna.

"Vår metod använder denna process av ljus-materia-interaktion där ljuset faktiskt producerar ljud, eller akustisk, vågor inuti ett material, "Noterade Blumenthal." Brillouin -lasrar är kända för att producera extremt tyst ljus. De gör det genom att använda fotoner från en bullrig "pump" laser för att producera akustiska vågor, som, i tur och ordning, fungera som kuddar för att skapa ny tystnad, låg-linewidth utgångsljus. Brillouin -processen är mycket effektiv, minska linjebredden för en ingångspumplaser med en faktor upp till en miljon. "

Nackdelen är att skrymmande optiska fiberinställningar eller optiska miniatyrresonatorer som traditionellt används för att göra Brillouin-lasrar är känsliga för miljöförhållanden och svåra att tillverka med hjälp av chip-gjuterimetoder.

"Nyckeln till att göra vår sub-Hz Brillouin-laser på ett fotoniskt integrerat chip var att använda en teknik som utvecklats vid UC Santa Barbara-fotoniska integrerade kretsar byggda med vågledare som har extremt låg förlust, i nivå med den optiska fibern, "Förklarade Blumenthal." Dessa vågledare med låg förlust, formad till en Brillouin laserringhålighet på chipet, har alla rätt ingredienser för framgång:De kan lagra ett extremt stort antal fotoner på chipet, hantera extremt höga nivåer av optisk effekt inuti det optiska hålrummet och led fotoner längs vågledaren ungefär som en räls som leder ett monorail -tåg. "

En kombination av optiska vågledare med låg förlust och snabbt förfallna akustiska vågor tar bort behovet av att styra de akustiska vågorna. Denna innovation är nyckeln till framgången med detta tillvägagångssätt.

Sedan det blev klart, denna forskning har lett till flera nya finansierade projekt både i Blumenthals grupp och hos hans medarbetare.