Spectraal zuivere lasers vormen de kern van precisie high-end wetenschappelijke en commerciële toepassingen, dankzij hun vermogen om bijna perfect eenkleurig licht te produceren. Het vermogen van een laser om dit te doen, wordt gemeten in termen van de lijnbreedte, of samenhang, dat is het vermogen om gedurende een bepaalde periode een constante frequentie uit te zenden voordat die frequentie verandert.

In praktijk, onderzoekers doen er alles aan om zeer coherente, lasers met bijna één frequentie voor geavanceerde systemen zoals atoomklokken. Vandaag, echter, omdat deze lasers groot zijn en rekken vol apparatuur bezetten, ze zijn gedegradeerd tot toepassingen op basis van tafelbladen in het laboratorium.

Er is een druk om de prestaties van high-end lasers te verplaatsen naar fotonische microchips, drastisch verminderen van kosten en omvang, terwijl de technologie beschikbaar wordt gemaakt voor een breed scala aan toepassingen, waaronder spectroscopie, navigatie, kwantumberekening en optische communicatie. Het bereiken van dergelijke prestaties op chipschaal zou ook een lange weg zijn om de uitdaging aan te gaan die wordt veroorzaakt door de exploderende gegevenscapaciteitsvereisten van internet en de resulterende toename van het wereldwijde energieverbruik van datacenters en hun glasvezelinterconnecties.

In het omslagartikel van het januari-nummer van 2019 Natuurfotonica , onderzoekers van UC Santa Barbara en hun medewerkers bij Honeywell, Yale en de Universiteit van Noord-Arizona, beschrijven een belangrijke mijlpaal in dit streven:een laser op chipschaal die licht kan uitstralen met een fundamentele lijnbreedte van minder dan 1 Hz - stil genoeg om veeleisende wetenschappelijke toepassingen naar de chipschaal te verplaatsen. Het project werd gefinancierd in het kader van het OwlG-initiatief van het Defense Advanced Research Project Agency (DARPA).

Om impact te hebben, deze lasers met lage lijnbreedte moeten worden opgenomen in fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) - de equivalenten van computermicrochips voor licht - die op waferschaal kunnen worden vervaardigd in commerciële microchipgieterijen. "Daten, er is geen methode geweest om een ​​stille laser te maken met dit niveau van coherentie en smalle lijnbreedte op de fotonische chipschaal, " zei co-auteur en teamleider Dan Blumenthal, een professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de UC Santa Barbara. De huidige generatie lasers op chipschaal zijn inherent luidruchtig en hebben een relatief grote lijnbreedte. Er waren nieuwe innovaties nodig die functioneren binnen de fundamentele fysica die gepaard gaat met het miniaturiseren van deze hoogwaardige lasers.

specifiek, DARPA was geïnteresseerd in het maken van een optische lasergyroscoop op chipschaal. Belangrijk voor zijn vermogen om kennis van positie te behouden zonder GPS, optische gyroscopen worden gebruikt voor nauwkeurige positionering en navigatie, inclusief in de meeste commerciële vliegtuigen.

De optische lasergyroscoop heeft een lengteschaalgevoeligheid die vergelijkbaar is met die van de zwaartekrachtgolfdetector, een van de meest nauwkeurige meetinstrumenten ooit gemaakt. Maar de huidige systemen die deze gevoeligheid bereiken, bevatten omvangrijke spoelen van optische vezels. Het doel van het OwlG-project was om een ​​ultrastille (smalle lijnbreedte) laser op de chip te realiseren om de vezel te vervangen als het rotatiegevoelige element en verdere integratie met andere componenten van de optische gyroscoop mogelijk te maken.

Volgens Blumenthal, er zijn twee mogelijke manieren om zo'n laser te bouwen. Een daarvan is om een ​​laser vast te maken aan een optische referentie die uit de omgeving geïsoleerd moet zijn en zich in een vacuüm moet bevinden, zoals tegenwoordig met atoomklokken wordt gedaan. De referentieholte plus een elektronische feedbacklus werken samen als een anker om de laser stil te maken. dergelijke systemen, echter, zijn groot, duur, energieverslindend en gevoelig voor omgevingsstoringen.

De andere benadering is om een ​​laser met uitwendige holte te maken waarvan de holte voldoet aan de fundamentele fysieke vereisten voor een laser met smalle lijnbreedte, inclusief de mogelijkheid om miljarden fotonen lange tijd vast te houden en zeer hoge interne optische vermogensniveaus te ondersteunen. traditioneel, dergelijke holtes zijn groot (om voldoende fotonen vast te houden), en hoewel ze zijn gebruikt om hoge prestaties te bereiken, het integreren ervan op de chip met lijnbreedtes die die van lasers benaderen die zijn gestabiliseerd door referentieholtes, is ongrijpbaar gebleken.

Om deze beperkingen te overwinnen, het onderzoeksteam maakte gebruik van een fysiek fenomeen dat bekend staat als gestimuleerde Brillouin-verstrooiing om de lasers te bouwen.

"Onze aanpak maakt gebruik van dit proces van interactie tussen licht en materie, waarbij het licht daadwerkelijk geluid produceert, of akoestisch, golven in een materiaal, Blumenthal merkte op. "Brillouin-lasers staan ​​erom bekend extreem stil licht te produceren. Ze doen dit door gebruik te maken van fotonen van een luidruchtige 'pomp'-laser om akoestische golven te produceren, die, beurtelings, fungeren als kussens om nieuwe stilte te produceren, uitgangslicht met lage lijnbreedte. Het Brillouin-proces is zeer effectief, het verminderen van de lijnbreedte van een invoerpomplaser met een factor tot een miljoen."

Het nadeel is dat omvangrijke optische vezelopstellingen of miniatuur optische resonatoren die traditioneel worden gebruikt om Brillouin-lasers te maken, gevoelig zijn voor omgevingscondities en moeilijk te vervaardigen zijn met behulp van chipgietmethoden.

"De sleutel tot het maken van onze sub-Hz Brillouin-laser op een fotonische geïntegreerde chip was om een ​​technologie te gebruiken die is ontwikkeld aan UC Santa Barbara - fotonische geïntegreerde schakelingen gebouwd met golfgeleiders die extreem weinig verlies hebben, vergelijkbaar met de optische vezel, Blumenthal legde uit. "Deze low-loss golfgeleiders, gevormd tot een Brillouin-laserringholte op de chip, alle juiste ingrediënten voor succes hebben:ze kunnen een extreem groot aantal fotonen op de chip opslaan, omgaan met extreem hoge niveaus van optisch vermogen in de optische holte en geleiden fotonen langs de golfgeleider net zoals een rail een monorailtrein begeleidt."

Door een combinatie van verliesarme optische golfgeleiders en snel afnemende akoestische golven is het niet meer nodig om de akoestische golven te geleiden. Deze innovatie is de sleutel tot het succes van deze aanpak.

Sinds de voltooiing, dit onderzoek heeft geleid tot meerdere nieuwe gefinancierde projecten, zowel in de groep van Blumenthal als in die van zijn medewerkers.