GPK劈鱼来了

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                芯片當時死在他們手中上的激光器:可發出“安靜”的光線!

                來源:環球創新智慧    關鍵詞:激光芯片,    發布時間:2019-02-13

                設置字體:

                導讀

                近日,美國加州大學聖⌒ 芭芭拉分校等研究結構的研究人員開發出一個芯片級的激光器,它能發出基本線寬低於1赫深深茲的光線〖,“安靜”到足以將高要求的科學應用轉移到芯片沒想到上處理。


                背景

                光譜純凈的激光是精準的高端科學與商業應用的▂核心,因為它們能夠生金烈成近乎完美的單色光。激光的這項能力,是通過其線寬或者相幹∞性來測量的,它表示了在頻率變化之前的特定時間內發出恒定頻率光線ω 的能力。

                在實踐中,研究人員們竭盡全力為原子鐘等◥高端系統,構建高度相幹、接近單個頻率的激光。可是,如今由於這些激光器非常龐大,實驗室機架上會擺滿各種臺式設備,所以這種激♀光器的相關應用都離不開實驗室。

                目前,將高端激光器的性能轉移到光子芯片中,並顯著降其低成本和尺寸,已成為科學界追逐的一個目標。


                創新

                近日,美國加州大學聖芭芭拉分校以及霍尼韋爾公死神給吞噬下去司、耶魯大學、北亞種族利桑那大學的的研究人員們描述了在追求這一目標過程中的一個重要裏程碑:一個芯片級的激光器能發出基本線寬低於1赫茲的光線,“安靜”(噪音少)到足以將高要求的科學應用轉移到芯片上處理。

                相胸口拍了下去關論文成為了2019年1月份的《自然光子學(Nature Photonics)》期刊的封面文章。該項目由美國國防高級研究計劃█局(DARPA)OwlG 計劃資助。

                新型布裏淵激光器激光環形腔的藝術詮釋(圖片來源:Brian Long)


                技術

                這些窄線寬激光器要施展影響力,就必須集成到光子集成電路(PICs)中。光子集成電路,相當於計算機⊙的光芯片,可在商用芯片制造廠進行晶圓級制造。論文合著者之一、團隊領頭人、加州大學聖芭芭拉分校電氣與計算機工程系教授 Dan Blumenthal 表示:“迄今為止,在光子芯□ 片級別,制造具有這點了點頭種程度的相幹性和窄線寬的安靜激光ζ 器,科學家們一直沒有找到辦法。” 目前這一◣代的芯片級激光器具有固有的噪聲,以及@ 相對較大的線寬。所以,我們需要在基礎物理範疇起作用的創新,而這些基礎物理知識與對於傳承記憶高質量激光器的小型化息息相關。


                DARPA 對於創造芯片級的激光光學陀◣螺儀特別感◆興趣。在沒有GPS的情況下,光學陀螺¤儀具有獲取位置信息的能力。這種重要的能力使得光學陀螺儀可用於精準定位和導航,例如大多數商用客機中所采用的。


                激光光學陀螺儀的長≡度尺度上的靈敏度,與引力波探測器(目前為止發明的最精準的測量儀器之一)不相上下。但是,目前達到這種靈敏度的系統∩含有體積龐大的光纖線圈。OwlG 項目的目標就⌒ 是實現一種“超安靜(窄線寬)” 的片上激光器,取代光纖,作為旋轉感知元件,並與光學陀螺儀的其甚至是十級仙帝他元件進一步集成。

                集成→的激光光學陀螺儀和光子微波合成器的演∑ 示(圖片來源:參考資料【2】)

                Blumenthal 稱,構造這種激光器▼有兩種可能的方案。一種是將激光器與光學參考系“綁”在一起,這種光學參考系必須是環境隔離的,並處▅於真空之中,如同●目前的原子鐘所實現的。這種@參考腔外加一個電子反饋回路,一起成為了使激光“安靜”的“錨”。然而,這種系統綠色光芒龐大、昂貴、能耗大、對於環境幹擾敏感。


                另一個方案就是制造一個外腔二十幾名仙君和那一千多玄仙式的激光器,它的腔滿足窄線寬激光器的基本要求,包括】能夠長時間容納幾十億個光子,並且支持非常高的內部光功率級別。傳統意◆義上說,這種放心吧腔體非常龐大(為了容納足夠多◎的光子),盡管它們一直♀被用於實現高性能,但是以接近參考腔體穩定的激光器的線寬,將其集成到纏繞芯片上,還是很難實現的。


                為了克∮服這些限制,研究團隊利用了一種稱為∴“受激布︼裏淵散射”的物理現象,來構但無疑都代表了各系龍族造這些激光器。布裏淵散射起源於激光電場與分子或固體中的聲波場的相互作用,也就是光子與聲子的√相互作用,又稱聲子散千仞星射。強入射激光場在介質中感應出強聲波場,並被它散射的一種非線性光效應。與自發布◤裏淵散射不同,受激布裏淵散綠衣身上綠光爆閃而起射的產生過程是:在激光的電場作◆用下,通過電致伸縮▲效應,使介質發生周期性密度和介電常數的變化,感生▆聲波場,而導致入射光與聲波場間發生相幹散射過程。


                Blumenthal 表示:”我們的方案■利用了這種光與物質相互作用過程。在這個過╲程中,光線實際上在材料內部產生了聲音,或者』說聲波。布裏淵激光器以制造極度安靜的光線而聞名。它們通過利用來自吵鬧的‘泵浦’激光的光子,產生聲波。然後,這些聲波又生成新的安靜的窄線寬輸出光線。這種布裏淵過程是非飛?速?中?文?網更多更好無錯全小說常高效的,它能將入射泵浦激光●的線寬減少至百萬分之一。“


                然而缺○點是,龐大的光纖或者小型的光學諧振器,通攻打千仞星常都是用於制造對環境條件敏感的布裏淵激光〓器,並且難以通過生產芯片的方法制造。


                Blumenthal 解釋道:“我們在光子集成芯片上制造這種亞赫茲的布裏淵激光★器,采用了加州大學聖巴巴拉分校開發的一¤項技術,即通過損耗極低的波導(與光纖差不多)構造光子集成電路。這些低損耗的波導,在芯片上形成了布裏淵激光環形腔,從而具備了成功的所有要素。它們可以在芯片上存儲極大數量的光子,在光學腔中處理極☆高的光學功率,並且沿著波導引導光子,就像鐵軌引導單軌列車█一樣。”

                Si3N4 波導布裏淵激光器與應用的片上系統示例(圖片來源:參考資料【2】)

                低損耗光波導與迅速衰減的聲波相結合,就無需再引導聲波。這一創新是該方案成功的關鍵。從完成的那一刻起,這項研究為ㄨBlumenthal課題組及其合作夥伴們帶來≡了多個受資助的新項目。


                價值

                這項①技術有望應用於包括光譜學、導航、量子計算和光通信在內的一系列領域。如今,互聯網數據容量需力量求呈爆炸式增長,及其所導致的全球範圍內數據中心和光纖互聯網的能耗增霸王之道成功了長,都帶來了嚴峻的挑戰。然而,在芯片尺度上實現這樣的性能,將有助於應對這些挑戰。


                關鍵字

                激光、芯片、陀螺儀

                參考資料

                【1】https://www.news.ucsb.edu/2019/019332/quiet-light

                【2】Sarat Gundavarapu, Grant M. Brodnik, Matthew Puckett, Taran Huffman, Debapam Bose, Ryan Behunin, Jianfeng Wu, Tiequn Qiu, Cátia Pinho, Nitesh Chauhan, Jim Nohava, Peter T. Rakich, Karl D. Nelson, Mary Salit, Daniel J. Blumenthal. Sub-hertz fundamental linewidth photonic integrated Brillouin laser. Nature Photonics, 2018; 13 (1): 60 DOI: 10.1038/s41566-018-0313-2