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博科院：这篇文章是关于光学和光子学的

光谱纯激光器是高端科学和商业应用的核心，因为它们能够产生近乎完美的单色光。 激光的这种能力是根据其线宽或相干性来衡量的，即在频率变化之前的一段时间内发射恒定频率的能力。 实际上，研究人员竭尽全力为原子钟等高端系统制造高度相干、接近单频的激光器。 然而，今天，这些激光器仅限于实验室工作台，因为它们体积庞大并且占用装满设备的机架。 有一种趋势是将高端激光器的性能转移到光子微芯片上，使该技术能够广泛应用于光谱、导航、量子计算和光通信等领域，同时大幅降低成本和尺寸。 在芯片级实现这样的性能也将大大有助于应对互联网爆炸式增长的数据容量需求以及由此导致的全球数据中心及其光纤互连的能源消耗增加所带来的挑战。

Broad Science Park - Popular Science：在 Nature Photonics 2019 年 1 月号的封面文章中，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员及其在霍尼韦尔、耶鲁大学和北亚利桑那大学的合作伙伴描述了这项研究的一个重要里程碑：一种芯片能够发射基本线宽小于 1 赫兹的光的 30 亿美元激光，足够安静，可以将要求苛刻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 计划资助。 为了发挥作用，这些低线宽激光器必须集成到光子集成电路 (PIC) 中，即相当于计算机的微芯片，可以在商业微芯片代工厂中以晶圆级制造。 该研究的作者之一、研究团队的负责人、加州大学圣巴巴拉分校电气与计算机工程系的 Dan Blumenthal 教授说：

到目前为止，还没有办法在光电芯片的规模上制造出具有这种相干性和窄线宽的安静激光。 目前的芯片级激光器本身就存在噪声并且具有相对较大的线宽，因此需要在与这些高质量激光器的小型化相关的基础物理学中发挥新的作用。 DARPA 对制造芯片级激光光学陀螺仪特别感兴趣。 光学陀螺仪具有在没有GPS的情况下保持位置信息的能力是非常重要的。 光学陀螺仪用于精确定位和导航，包括在大多数商用飞机上。 激光光学陀螺仪的长度灵敏度可与引力波探测器相媲美，引力波探测器是有史以来最精确的测量仪器之一。 但目前实现这种灵敏度的系统涉及大量光纤线圈。

OwlG 项目的目标是在芯片上实现超静音（窄线宽）激光器，以取代光纤作为旋转传感元件，并进一步集成光学陀螺仪的其他组件。 根据 Blumenthal 的说法：有两种可能的方法来制造这种激光器。 一种是将激光束缚在光学参考上，该光学参考必须放置在与环境隔离的真空中，就像今天的原子钟所做的那样。 参考腔与电子反馈回路一起充当使激光器安静的锚。 然而，此类系统体积庞大、成本高、耗电大且对环境干扰敏感。 另一种方法是制造外腔激光器，其腔满足窄线宽激光器的基本物理要求微型光纤光谱仪，包括能够长时间保持数十亿个光子并支持非常高的内部光功率水平。 传统上，这种腔体很大（能够容纳足够的光子），尽管它们已被用于实现高性能，但已证明难以实现将它们集成到芯片上且线宽接近由参考腔稳定的激光器的线宽。

为了克服这些限制，研究小组使用了一种被称为受激布里渊散射的物理现象来产生激光。 该方法利用了光与物质相互作用的过程，在这个过程中，光实际上在物质内部产生了声音或声波。 布里渊激光器以产生非常安静的光而闻名。 来自嘈杂“泵浦”激光器的光子用于产生声波，声波充当缓冲器以产生具有低线宽的新的安静输出光。 布里渊工艺非常高效，可以将输入泵浦激光器的线宽减少一百万倍。 缺点是传统上用于制造布里渊激光器的大型光纤器件或微型光学谐振器对环境条件敏感，并且难以用芯片铸造方法制造。

在光子集成芯片上制造亚赫兹布里渊激光器的关键是使用 UC Santa Barbara 开发的技术，使用损耗与光纤相当的极低波导构建光子集成电路。 这些在芯片上形成布里渊激光环形腔的低损耗波导具有成功的所有要素：它们可以在芯片上存储大量光子，在腔内处理非常高水平的光功率，并引导它们沿着波导。 光子，就像引导单轨列车的轨道。 低损耗光波导和快速衰减的声波的结合消除了声波的引导。 这种创新是这种方法成功的关键。 自这项研究完成以来微型光纤光谱仪，Blumenthal 的团队和合作者之间产生了几项新的资助。

博科园-科普｜研究/来自：加州大学圣巴巴拉分校

James Badham，加州大学圣巴巴拉分校

参考期刊文献：《Nature Photonics》

DOI: 10.1038/s41566-018-0313-2

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