チップレベルのレーザーが誕生しました！

チップレベルのレーザーが誕生しました！1 Hz未満の基本線幅で光を放射する能力！

スペクトルピュアレーザーは、完璧に近い単色光を生成することができるため、ハイエンドの科学および商業用途の中心にあります。レーザのこの能力は、その線幅またはコヒーレンス、すなわち周波数が変化する前のある期間にわたって一定の周波数を放射する能力に基づいて測定される。実際には、研究者たちは原子時計のようなハイエンドシステム用に非常にコヒーレントな、ほぼユニポーラのレーザーを作るために最善を尽くしています。

しかし、今日これらのレーザーはかさばり、機器のラックを占有し、それらは実験室の作業台でしか使用できません。現在、ハイエンドレーザーの性能をフォトニックマイクロチップに移管する傾向があります。これは、コスト、サイズを大幅に削減しながら、分光法、ナビゲーション、量子コンピューティング、光通信などの幅広い用途に適用できます。チップ規模でそのような性能を達成することはまた、インターネットの爆発的なデータ容量要求、およびその結果としての世界的なデータセンタおよびそれらの光ファイバ相互接続のエネルギー消費の増大によってもたらされる課題に対処するのに大いに役立つ。

2019年1月に発表されたNatural Photonicsのカバー記事で、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者、およびハネウェル、エール大学、および北アリゾナ大学の研究者らが、その研究の1つを説明しました。重要なマイルストーン：1 Hz未満の基本線幅で光を放射するチップスケールのレーザー。要求の厳しい科学アプリケーションをチップレベルに移行するのに十分なほど静かです。

このプロジェクトは、国防高等研究計画局（DARPA）のOwlGプロジェクトによって資金提供されています。効果的な影響を与えるために、これらの低線幅レーザは、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）に統合されなければならず、これは、市販のマイクロチップファウンドリのウェハスケールで製造され得るコンピュータマイクロチップと同等である。この研究の執筆者で研究チームの長を務めるDan Blumenthal教授と、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の電気およびコンピュータ工学科は、次のように述べています。

  

これまでのところ、このような水平コヒーレンスと光電子チップ規模の狭い線幅を有する静かなレーザを製造する方法はない。現在のチップレベルレーザは、固有の雑音と比較的広い線幅を有しており、これらの高品質レーザの小型化に関連した基礎物理学において新しい役割を果たす必要がある。 DARPAにとって特に興味深いのは、チップスケールのレーザー光学ジャイロスコープの製造です。光ジャイロスコープがＧＰＳなしで位置情報を維持する能力を有することは非常に重要である。光学ジャイロスコープは、ほとんどの民間航空機を含む、正確な位置決めおよびナビゲーションに使用されます。レーザー光ジャイロの長さ感度は、これまでに製造された中で最も洗練された測定機器の1つである重力波検出器のそれに匹敵します。しかし、この感度を達成するための現在のシステムは、多数のファイバーコイルを含んでいます。

OwlGプロジェクトの目的は、回転検出素子としてファイバを交換し、光ジャイロスコープの他のコンポーネントをさらに統合するために、チップ上に超静音（狭線幅）レーザを実装することです。 Blumenthalによると、そのようなレーザーを作るための2つの可能な方法があります。 1つは、今日の原子時計で行われているように、環境絶縁の下で真空に配置する必要がある光リファレンスにレーザーを接続することです。基準キャビティと電子フィードバックループは一緒になってレーザーを消音するためのアンカーとして作用する。しかしながら、そのようなシステムは、大きくて高価であり、大量の電力を消費し、そして環境の乱れに敏感である。別のアプローチは、何十億もの光子を長期間保持し、非常に高い内部光パワーレベルをサポートする能力を含む、狭線幅レーザーの基本的な物理的要件を満たす外部共振器レーザーを作成することである。伝統的に、そのようなキャビティは大きく（十分な光子を保持することができる）、高性能を達成するために使用されてきたが、それらは基準キャビティによって安定化されたレーザ線幅に近い線幅でチップ上に集積される。それは達成するのが難しいことがわかりました。

これらの制限を克服するために、チームは誘導ブリルアン散乱と呼ばれる物理現象を使ってレーザーを作りました。この方法は、光と物質との間の相互作用のプロセスを利用しており、そこでは光が実際に材料の内部に音または音波を生成する。ブリルアンレーザーは非常に静かな光を生成することで知られています。ノイズ「ポンプ」レーザによって放出された光子は音波を生成するために使用され、音波は新しい低線幅の静かな出力光を生成するためのバッファとして作用する。 Brillouinプロセスは非常に効率的で、入力ポンプレーザーの線幅を100万倍まで削減します。欠点は、ブリルアンレーザを製造するために伝統的に使用されている大型の光ファイバデバイスまたはマイクロ光共振器が環境条件に敏感であり、チップキャスティング法によって製造するのが困難であることである。

フォトニック集積チップ上にYhritzbruineレーザを製造するための鍵は、カリフォルニア大学サンタバーバラ校によって開発された技術の使用であり、それはファイバ損失と同等の極めて低い導波路で構築されたフォトニック集積回路を使用する。これらの低損失導波路はチップ上にBrillianceレーザーリングキャビティを形成し、成功のすべての要素を備えています。チップ上に多数の光子を蓄積し、キャビティ内で非常に高いレベルの光パワーを処理し、導波路に沿って導きます。トラックガイド付きモノレールのようなフォトン。低損失光導波路と高速減衰音響波との組み合わせは音波の誘導を排除する。この革新はこのアプローチの成功への鍵です。この調査が完了して以来、Blumenthalチームと共同研究者の間で、新しい資金調達プロジェクトが数多く作成されました。