混合集成芯片級(jí) 780 nm 自注射鎖定激光器

加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉的激光器，其性能可與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的系統(tǒng)媲美。 它利用銣原子和先進(jìn)的芯片集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了諸如量子計(jì)算、計(jì)時(shí)和環(huán)境傳感(包括基于衛(wèi)星的重力測(cè)繪)等應(yīng)用。

對(duì)于需要超精密原子測(cè)量和控制的實(shí)驗(yàn)，例如雙光子原子鐘、冷原子干涉儀傳感器和量子門，激光器是不可或缺的。 激光器之所以有效，關(guān)鍵在于其光譜純度，即只發(fā)射一種顏色或頻率的光。 如今，要實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用所需的超低噪聲、穩(wěn)定的光，必須依賴于笨重而昂貴的臺(tái)式激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在產(chǎn)生和管理窄光譜范圍內(nèi)的光子。

但是，如果這些原子應(yīng)用能夠擺脫實(shí)驗(yàn)室和臺(tái)式機(jī)的束縛呢? 這是推動(dòng)加州大學(xué)圣巴巴拉分校工程學(xué)教授Daniel Blumenthal實(shí)驗(yàn)室研究的愿景，他的團(tuán)隊(duì)正在努力將這些高精度激光器的性能復(fù)制到輕便的手持設(shè)備中。

布盧門撒爾實(shí)驗(yàn)室的研究生研究員Andrei Isichenko說(shuō)："這些小型激光器將為實(shí)際量子系統(tǒng)以及便攜式、現(xiàn)場(chǎng)部署和天基量子傳感器的激光器提供可擴(kuò)展的激光解決方案。這將對(duì)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生影響，例如使用中性原子和被困離子的量子計(jì)算，以及冷原子量子傳感器，例如原子鐘和重力儀。"

在Scientific Reports雜志上發(fā)表的一篇論文中，Blumenthal、Isichenko和他們的團(tuán)隊(duì)介紹了芯片級(jí)超低線寬自注入鎖定780納米激光器在這一方向上的發(fā)展。 研究人員表示，這種大約火柴盒大小的設(shè)備可以比目前的窄線寬 780 nm 激光器發(fā)揮更好的性能，而制造成本和容納空間卻只有它們的一小部分。

之所以選擇銣原子作為激光器的開發(fā)對(duì)象，是因?yàn)殂溤泳哂斜娝苤奶匦裕歉鞣N高精度應(yīng)用的理想選擇。 其 D2 光學(xué)轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定性使其非常適合原子鐘;原子的靈敏度也使其成為傳感器和冷原子物理的熱門選擇。 將激光穿過(guò)作為原子基準(zhǔn)的銣原子蒸汽，近紅外激光就能呈現(xiàn)出穩(wěn)定原子轉(zhuǎn)變的特性。

論文的資深作者Blumenthal指出："利用原子轉(zhuǎn)變線來(lái)套住激光。換句話說(shuō)，通過(guò)將激光鎖定在原子轉(zhuǎn)變線上，激光在穩(wěn)定性方面或多或少會(huì)具有該原子轉(zhuǎn)變的特性。"

但是，花哨的紅光并不能制造出精密的激光。 要獲得理想質(zhì)量的激光，必須去除"噪音"。 Blumenthal 將其描述為音叉與吉他弦的對(duì)比。他解釋說(shuō)："如果你用音叉敲出一個(gè) C 音，這可能是一個(gè)非常完美的 C 音。"但如果你在吉他上彈出一個(gè) C 音，你就能在其中聽到其他音調(diào)。 同樣，激光也可能包含不同的頻率(顏色)，從而產(chǎn)生額外的"音調(diào)"。 為了產(chǎn)生所需的單一頻率(在本例中為純深紅色光)，該系統(tǒng)采用了額外的組件來(lái)進(jìn)一步平緩激光。 研究人員面臨的挑戰(zhàn)是將所有這些功能和性能集成到一個(gè)芯片上。"

研究小組結(jié)合使用了市場(chǎng)上銷售的法布里-珀羅激光二極管、世界上損耗最低的波導(dǎo)(由布盧門塔爾實(shí)驗(yàn)室制造)以及最高質(zhì)量的因子諧振器，所有這些都是在氮化硅平臺(tái)上制造的。 通過(guò)這樣做，他們能夠復(fù)制笨重的臺(tái)式系統(tǒng)的性能--根據(jù)他們的測(cè)試，他們的設(shè)備在頻率噪聲和線寬等關(guān)鍵指標(biāo)上比某些臺(tái)式激光器以及之前報(bào)道的集成激光器高出四個(gè)數(shù)量級(jí)。

Isichenko 解釋說(shuō)："低線寬值的意義在于，我們可以在不犧牲激光器性能的情況下實(shí)現(xiàn)緊湊型激光器。在某些方面，由于實(shí)現(xiàn)了全芯片級(jí)集成，與傳統(tǒng)激光器相比，性能得到了提高。 這些線寬有助于我們更好地與原子系統(tǒng)互動(dòng)，消除激光噪聲的貢獻(xiàn)，從而完全解析原子信號(hào)，以響應(yīng)它們所感知的環(huán)境等。"

低線寬就本項(xiàng)目而言，是創(chuàng)紀(jì)錄低的亞赫茲基本線寬和亞千赫積分線寬，這表明了激光技術(shù)的穩(wěn)定性和克服來(lái)自外部和內(nèi)部噪音的能力。

這項(xiàng)技術(shù)的其他優(yōu)勢(shì)還包括成本--它使用的是 50 美元的二極管，并采用了一種具有成本效益且可擴(kuò)展的制造工藝，這種工藝是利用與 CMOS 兼容的晶圓級(jí)工藝制造的，它借鑒了電子芯片制造領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)。這項(xiàng)技術(shù)的成功意味著可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外的各種場(chǎng)合部署這些高性能、高精度、低成本的光子集成激光器，包括量子實(shí)驗(yàn)、原子計(jì)時(shí)和感應(yīng)最微弱的信號(hào)，如地球周圍重力加速度的變化。

Blumenthal說(shuō)：“可以把這些儀器放在衛(wèi)星上，以一定的精度繪制地球和地球周圍的重力地圖。通過(guò)感應(yīng)地球周圍的引力場(chǎng)來(lái)測(cè)量海平面的上升、海冰的變化和地震。 ”他補(bǔ)充說(shuō)，“這種技術(shù)結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、重量輕，'非常適合'在太空中部署。”

審核編輯 黃宇