光譜純激光器由于能夠產(chǎn)生近乎完美的單色光而處于高端科學(xué)和商業(yè)應(yīng)用核心。激光的這種能力是根據(jù)它的線寬或相干性來(lái)測(cè)量，也就是在頻率改變之前的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射恒定頻率的能力。在實(shí)踐中，研究人員竭盡全力為原子鐘等高端系統(tǒng)制造高度相干、接近單頻的激光器。

然而，今天由于這些激光器體積龐大，占據(jù)著裝滿設(shè)備的機(jī)架，它們只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)。目前有一種趨勢(shì)是將高端激光器的性能轉(zhuǎn)移到光子微芯片上，在大幅降低成本和尺寸的同時(shí)，將該技術(shù)應(yīng)用于光譜、導(dǎo)航、量子計(jì)算和光通信等廣泛領(lǐng)域。在芯片規(guī)模上實(shí)現(xiàn)這樣的性能，還將大大有助于應(yīng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)爆炸式的數(shù)據(jù)容量需求所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，以及由此導(dǎo)致的全球數(shù)據(jù)中心及其光纖互連能耗的增加。

博科園-科學(xué)科普：在2019年1月出版的《自然光子學(xué)》封面文章中，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員和他們?cè)诨裟犴f爾、耶魯大學(xué)和北亞利桑那大學(xué)的合作伙伴描述了這一研究中一個(gè)重要里程碑：一種芯片級(jí)激光器，它能夠發(fā)射基本線寬小于1赫茲的光，足夠安靜，足以將高要求的科學(xué)應(yīng)用轉(zhuǎn)移到芯片級(jí)。

該項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA) OwlG項(xiàng)目資助。為了產(chǎn)生有效的影響，這些低線寬激光器必須被集成到光子集成電路(PICs)中，這相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的微芯片，可以在商業(yè)微芯片鑄造廠的晶圓規(guī)模上制造。該研究的作者之一、研究小組負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)圣巴巴拉分校電子與計(jì)算機(jī)工程系的丹·布盧門(mén)撒爾教授說(shuō)：

對(duì)新型布里淵激光器環(huán)形腔內(nèi)光學(xué)動(dòng)力學(xué)的詮釋概念藝術(shù)圖。圖片：Brian Long

到目前為止，還沒(méi)有一種方法可以在光電子芯片的尺度上制造出具有這種水平相干性和窄線寬的安靜激光。目前芯片級(jí)激光器具有固有的噪聲和相對(duì)較大的線寬，需要在與這些高質(zhì)量激光器微型化有關(guān)的基礎(chǔ)物理學(xué)中發(fā)揮新的作用。DARPA特別感興趣的是制造一種芯片級(jí)激光光學(xué)陀螺儀。光學(xué)陀螺儀具有在沒(méi)有GPS的情況下保持位置信息的能力，這一點(diǎn)非常重要。光學(xué)陀螺儀被用于精確定位和導(dǎo)航，包括在大多數(shù)商用飛機(jī)上。激光光學(xué)陀螺儀的長(zhǎng)度靈敏度與引力波探測(cè)器相當(dāng)，引力波探測(cè)器是迄今為止制造的最精密測(cè)量?jī)x器之一。但目前實(shí)現(xiàn)這種靈敏度的系統(tǒng)包含了大量的光纖線圈。

OwlG項(xiàng)目的目標(biāo)是在芯片上實(shí)現(xiàn)一種超靜音(窄線寬)激光器，以取代光纖作為旋轉(zhuǎn)傳感元件，并進(jìn)一步集成光學(xué)陀螺儀的其他組件。據(jù)布盧門(mén)撒爾說(shuō)：制造這種激光器有兩種可能的方法。一種是將激光系在光學(xué)基準(zhǔn)上，這種基準(zhǔn)必須在環(huán)境隔離的情況下置于真空中，就像今天的原子鐘所做的那樣。參考腔和一個(gè)電子反饋回路一起作為一個(gè)錨來(lái)使激光安靜下來(lái)。然而，這種系統(tǒng)體積大、成本高、耗電量大、對(duì)環(huán)境干擾敏感。另一種方法是制作一種外腔激光器，其腔滿足窄線寬激光器的基本物理要求，包括能夠長(zhǎng)時(shí)間持有數(shù)十億光子，并支持非常高的內(nèi)部光學(xué)功率級(jí)。傳統(tǒng)上，這樣的空腔很大(可以容納足夠的光子)，盡管它們已經(jīng)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能，但將它們集成到芯片上，其線寬接近由參考空腔穩(wěn)定的激光器線寬，已被證明是難以實(shí)現(xiàn)。

為了克服這些限制，研究小組利用一種被稱為受激布里淵散射的物理現(xiàn)象來(lái)制造激光器。方法利用了光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，光實(shí)際上會(huì)在物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生聲音或聲波。布里淵激光器以產(chǎn)生非常安靜的光而聞名。利用噪聲“泵浦”激光器發(fā)出的光子來(lái)產(chǎn)生聲波，聲波作為緩沖，產(chǎn)生新的低線寬的安靜輸出光。布里淵過(guò)程是非常有效的，它將輸入泵浦激光器的線寬減少了一百萬(wàn)倍。缺點(diǎn)是，傳統(tǒng)上用于制造布里淵激光器的大型光纖裝置或微型光學(xué)諧振器對(duì)環(huán)境條件敏感，難以用芯片鑄造方法制造。

在光子集成芯片上制造亞赫茲布里留因激光器的關(guān)鍵是使用加州大學(xué)圣巴巴拉分校開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，即使用與光纖損耗相當(dāng)?shù)臉O低波導(dǎo)構(gòu)建的光子集成電路。這些低損耗波導(dǎo)，在芯片上形成布里盧因激光環(huán)形腔，具備成功的所有要素：它們可以在芯片上存儲(chǔ)大量的光子，在光腔內(nèi)處理極高水平的光功率，并沿著波導(dǎo)引導(dǎo)光子，就像軌道引導(dǎo)單軌列車一樣。低損耗光波導(dǎo)和快速衰減聲波的組合消除了對(duì)聲波的引導(dǎo)。這種創(chuàng)新是這種方法成功的關(guān)鍵。自從這項(xiàng)研究完成以來(lái)，已經(jīng)在布盧門(mén)撒爾團(tuán)隊(duì)和合作者中產(chǎn)生了多個(gè)新的資助項(xiàng)目。