Stille lys

Spektralt rene lasere er kernen i præcisions avancerede videnskabelige og kommercielle applikationer, takket være deres evne til at producere næsten perfekt enkeltfarvet lys. En lasers evne til at gøre dette måles i form af dens linjebredde, eller sammenhæng, hvilket er evnen til at udsende en konstant frekvens over et bestemt tidsrum, før denne frekvens ændres.

I praksis, forskere gør meget ud af at bygge meget sammenhængende, næsten enkeltfrekvente lasere til avancerede systemer såsom atomure. I dag, imidlertid, fordi disse lasere er store og optager stativer fulde af udstyr, de henvises til applikationer baseret på bænkplader i laboratoriet.

Der er et skub for at flytte ydeevnen for avancerede lasere til fotoniske mikrochips, drastisk reducering af omkostninger og størrelse, samtidig med at teknologien gøres tilgængelig for en lang række applikationer, herunder spektroskopi, navigation, kvanteberegning og optisk kommunikation. Opnåelse af en sådan ydeevne på chipskalaen ville også gå langt for at løse udfordringen fra internettets eksploderende krav til datakapacitet og den deraf følgende stigning i datacentre og deres fiberoptiske sammenkoblinger på verdensplan.

I forsideartiklen i januar 2019 -udgaven af Natur fotonik , forskere ved UC Santa Barbara og deres samarbejdspartnere på Honeywell, Yale og Northern Arizona University, beskrive en vigtig milepæl i denne forfølgelse:en chip-skala laser, der er i stand til at udsende lys med en grundlæggende linjebredde på mindre end 1 Hz-stille nok til at flytte krævende videnskabelige applikationer til chip skalaen. Projektet blev finansieret under Defense Advanced Research Project Agency's (DARPA) OwlG -initiativ.

At være indflydelsesrig, disse lavlinjebredde lasere skal inkorporeres i fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er)-ækvivalenterne til computermikrochips til lys-der kan fremstilles i wafer-skala i kommercielle mikro-chip-støberier. "Til dato, der har ikke været en metode til at lave en stille laser med dette niveau af sammenhæng og smal linjebredde i den fotoniske chipskala, "sagde medforfatter og teamleder Dan Blumenthal, en professor i Institut for Elektroteknik og Computer Engineering ved UC Santa Barbara. Den nuværende generation af chip-skala lasere er i sagens natur støjende og har en relativt stor linjebredde. Nye innovationer har været nødvendige, der fungerer inden for den grundlæggende fysik forbundet med miniaturisering af disse lasere af høj kvalitet.

Specifikt, DARPA var interesseret i at oprette et laseroptisk gyroskop i chipskala. Vigtigt for dets evne til at opretholde kendskab til position uden GPS, optiske gyroskoper bruges til præcisionspositionering og navigation, herunder i de fleste kommercielle fly.

Det laseroptiske gyroskop har en følsomhed i længdeskala på niveau med gravitationsbølgedetektorens, et af de mest præcise måleinstrumenter, der nogensinde er lavet. Men nuværende systemer, der opnår denne følsomhed, inkorporerer omfangsrige spoler af optisk fiber. Målet med OwlG-projektet var at realisere en ultra-stille (smal-linewidth) laser på chippen for at erstatte fiberen som det rotationsfølende element og muliggøre yderligere integration med andre komponenter i det optiske gyroskop.

Ifølge Blumenthal, der er to mulige måder at bygge sådan en laser på. Den ene er at binde en laser til en optisk reference, der skal isoleres miljømæssigt og indeholdes i et vakuum, som det gøres i dag med atomure. Referencehulrummet plus en elektronisk feedback -loop fungerer sammen som et anker for at dæmpe laseren. Sådanne systemer, imidlertid, er store, kostbar, strømforbrugende og følsom over for miljøforstyrrelser.

Den anden tilgang er at lave en ekstern hulrumslaser, hvis hulrum opfylder de grundlæggende fysiske krav til en smal linewidth laser, herunder evnen til at holde milliarder af fotoner i lang tid og understøtte meget høje interne optiske effektniveauer. Traditionelt set sådanne hulrum er store (til at rumme nok fotoner), og selvom de er blevet brugt til at opnå høj ydeevne, at integrere dem on-chip med linewidths, der nærmer sig lasere, der er stabiliseret af referencehulrum, har vist sig undvigende.

For at overvinde disse begrænsninger, forskergruppen udnyttede et fysisk fænomen kendt som stimuleret Brillouin -spredning til at bygge laserne.

"Vores tilgang bruger denne proces med lys-stof-interaktion, hvor lyset faktisk producerer lyd, eller akustisk, bølger inde i et materiale, "Blumenthal bemærkede." Brillouin -lasere er velkendte for at producere ekstremt stille lys. De gør det ved at bruge fotoner fra en støjende 'pumpelaser' til at producere akustiske bølger, hvilken, på tur, fungere som puder til at producere ny ro, lav-linewidth output lys. Brillouin -processen er yderst effektiv, reducere linewidth af en inputpumpelaser med en faktor på op til en million. "

Ulempen er, at omfangsrige optiske fiberopsætninger eller optiske miniatureresonatorer traditionelt bruges til at fremstille Brillouin-lasere er følsomme over for miljøforhold og vanskelige at fremstille ved hjælp af chip-støberimetoder.

"Nøglen til at lave vores sub-Hz Brillouin-laser på en fotonisk integreret chip var at bruge en teknologi udviklet ved UC Santa Barbara-fotoniske integrerede kredsløb bygget med bølgeledere, der er ekstremt lave tab, på niveau med den optiske fiber, "Forklarer Blumenthal." Disse bølgeledere med lavt tab, formet til et Brillouin laserringhulrum på chippen, har alle de rigtige ingredienser til succes:De kan gemme et ekstremt stort antal fotoner på chippen, håndtere ekstremt høje niveauer af optisk effekt inde i det optiske hulrum og lede fotoner langs bølgelederen, ligesom en skinne leder et monorail -tog. "

En kombination af optiske bølgeledere med lavt tab og hurtigt henfaldende akustiske bølger fjerner behovet for at lede de akustiske bølger. Denne innovation er nøglen til succes med denne tilgang.

Siden den blev afsluttet, denne forskning har ført til flere nye finansierede projekter både i Blumenthals gruppe og hos hans samarbejdspartnere.