На практике исследователи идут на многое, чтобы создать высокогерентные, почти одночастотные лазеры для высокопроизводительных систем, таких как атомные часы. Однако сегодня, поскольку эти лазеры имеют большие размеры и занимают стойки, заполненные оборудованием, они используются в качестве приложений, основанных на лабораторных столах.
Существует толчок к перемещению характеристик высокотехнологичных лазеров на фотонные микрочипы, что значительно снижает стоимость и размер, делая технологию доступной для широкого круга приложений, включая спектроскопию, навигацию, квантовые вычисления и оптическую связь.
Достижение такой производительности в масштабе чипа также будет иметь большое значение для решения проблемы, создаваемой стремительно растущими требованиями Интернета к объему данных и, как следствие, увеличением мирового энергопотребления центров обработки данных и их оптоволоконных межсоединений.
В статье на обложке январского выпуска журнала Nature Photonics за 2019 год исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и их сотрудники из Honeywell, Йельского университета и Университета Северной Аризоны описывают важную веху в этом стремлении: лазер в масштабе чипа, способный излучать свет с фундаментальной ширина линии менее 1 Гц – достаточно тихо, чтобы переносить требовательные научные приложения на уровень микросхем.
Проект финансировался в рамках инициативы OwlG Агентства перспективных оборонных исследований (DARPA).
Чтобы быть эффективными, эти лазеры с малой шириной линии должны быть включены в фотонные интегральные схемы (PIC) – эквиваленты компьютерных микрочипов для света – которые могут быть изготовлены в масштабе пластин в коммерческих литейных цехах микрочипов. «На сегодняшний день не существует метода создания тихого лазера с таким уровнем когерентности и узкой шириной линии в масштабе фотонного чипа», – сказал соавтор и руководитель группы Дэн Блюменталь, профессор кафедры электротехники и технологий.
Компьютерная инженерия в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Современное поколение лазеров в масштабе чипа по своей природе зашумлено и имеет относительно большую ширину линии. Потребовались новые инновации, которые функционируют в рамках фундаментальной физики, связанные с миниатюризацией этих высококачественных лазеров.
В частности, DARPA было заинтересовано в создании лазерного оптического гироскопа в масштабе чипа.
Оптические гироскопы, важные из-за способности сохранять информацию о местоположении без GPS, используются для точного позиционирования и навигации, в том числе на большинстве коммерческих авиалайнеров.
Лазерный оптический гироскоп имеет чувствительность по шкале длины на уровне детектора гравитационных волн, одного из самых точных измерительных инструментов, когда-либо созданных.
Но современные системы, которые достигают такой чувствительности, включают громоздкие катушки из оптического волокна. Целью проекта OwlG было реализовать сверхтихий (узкополосный) лазер на чипе, чтобы заменить волокно в качестве элемента, чувствительного к вращению, и обеспечить дальнейшую интеграцию с другими компонентами оптического гироскопа.
По словам Блюменталя, есть два возможных способа построить такой лазер. Один из них – привязать лазер к оптическому эталону, который должен быть изолирован от окружающей среды и содержаться в вакууме, как это делается сегодня с атомными часами.
Эталонный резонатор и электронная петля обратной связи вместе действуют как якорь, успокаивающий лазер. Однако такие системы большие, дорогие, энергоемкие и чувствительны к нарушениям окружающей среды.
Другой подход заключается в создании лазера с внешним резонатором, резонатор которого удовлетворяет фундаментальным физическим требованиям для лазера с узкой шириной линии, включая способность удерживать миллиарды фотонов в течение длительного времени и поддерживать очень высокие уровни внутренней оптической мощности.
Традиционно такие резонаторы имеют большие размеры (для удержания достаточного количества фотонов), и, хотя они использовались для достижения высоких характеристик, их интеграция на кристалле с шириной линии, приближающейся к ширине линии лазеров, стабилизированных эталонными резонаторами, оказалась труднодостижимой.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа использовала физическое явление, известное как вынужденное рассеяние Бриллюэна, для создания лазеров.
«Наш подход использует этот процесс взаимодействия света и материи, при котором свет на самом деле производит звуковые или акустические волны внутри материала», – отметил Блюменталь. "Лазеры Бриллюэна известны тем, что излучают очень тихий свет. Они делают это, используя фотоны из зашумленного лазера «накачки» для создания акустических волн, которые, в свою очередь, действуют как подушки для создания нового тихого выходного света с малой шириной линии.
Процесс Бриллюэна очень эффективен, сокращая ширину линии входящего лазера накачки до миллиона раз."
Недостатком является то, что громоздкие оптоволоконные устройства или миниатюрные оптические резонаторы, традиционно используемые для изготовления лазеров Бриллюэна, чувствительны к условиям окружающей среды и их трудно изготовить методами литья микросхем.
«Ключом к созданию нашего субгерцового лазера Бриллюэна на фотонном интегральном чипе было использование технологии, разработанной в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, – фотонных интегральных схем, построенных с волноводами, которые имеют чрезвычайно низкие потери наравне с оптическим волокном», – пояснил Блюменталь. «Эти волноводы с низкими потерями, сформированные в кольцевой резонатор лазера Бриллюэна на кристалле, имеют все необходимые ингредиенты для успеха: они могут хранить чрезвычайно большое количество фотонов на кристалле, обрабатывать чрезвычайно высокие уровни оптической мощности внутри оптического резонатора. и направляют фотоны по волноводу так же, как рельс направляет поезд монорельса."
Комбинация оптических волноводов с низкими потерями и быстро затухающих акустических волн устраняет необходимость направлять акустические волны.
Это нововведение является ключом к успеху такого подхода.
После завершения это исследование привело к множеству новых финансируемых проектов как в группе Блюменталя, так и в группах его сотрудников.