加州大學聖巴巴拉分校的研究人員及其在霍尼韋爾，耶魯和北亞利桑那大學的合作者開發出一種芯片級激光器，能夠發出基本線寬小於1赫茲（Hz）的光線---一個足夠安靜的頻率，可以將需要高度相干激光的科學應用轉移到芯片級。
該項目由國防高級研究計劃局（DARPA）OwlG倡議資助。 DARPA有興趣創建用於精確定位和導航的芯片級激光光學陀螺儀。
激光光學陀螺儀的長度靈敏度與引力波探測器的靈敏度相當，後者是有史以來最精確的測量儀器之一。但是，目前實現這種靈敏度的系統包含龐大的光纖線圈。OwlG項目的目標是在芯片上開發窄線寬激光器，以取代龐大的光纖作為旋轉傳感元件，並允許進一步與光學陀螺儀的其他組件集成。
根據Dan Blumenthal教授的說法，有兩種方法可以製造這種激光器。一種方法是將激光束縛在光學參考上，光學參考必須是環境隔離的並且包含在真空中，就像原子鐘一樣。參考腔和電子反饋迴路一起充當安靜激光器的錨。然而，這種系統龐大、昂貴、耗電且對環境干擾敏感。
藝術家對新布里淵激光器激光環腔內光學動力學的解釋。
另一種方法是製造外腔激光器，其腔體滿足窄線寬激光器的基本物理要求，包括長時間保持數十億光子並支持非常高的內部光功率水平的能力。傳統上，這種空腔很大，因此它們可以容納足夠的光子。儘管它們已經被用於實現高性能，但是將它們集成在芯片上並且線寬接近激光器的線寬一直是一個挑戰。
為了克服這些侷限性，研究團隊利用一種稱為受激布里淵散射的現象來構建激光器。
“我們的方法使用光物質相互作用的過程，其中光實際上在材料內產生聲音或聲波，”Blumenthal說。“Brillouin激光器以產生極其安靜的光線而聞名。他們通過利用來自嘈雜的泵浦激光器的光子產生聲波來實現這一點，聲波反過來起到緩衝作用，產生新的安靜，低線寬輸出光。布里淵工藝非常有效，可將輸入泵浦激光器的線寬減少一百萬倍。‘’
然而，傳統上用於製造布里淵激光器的光學裝置對環境條件敏感並且難以使用芯片 - 鑄造方法制造。“在光子集成芯片上製作亞Hz布里淵激光器的關鍵是使用UC Santa Barbara開發的技術 - 光波集成電路採用波導製造，損耗極低，與光纖相當，”Blumenthal說。 “這些低損耗波導，在芯片上形成布里淵激光環腔，具有成功的所有正確成分：它們可以在芯片上存儲極大量的光子，在光學腔內處理極高水平的光學功率 ，並且沿著波導引導光子就像鐵軌引導單軌列車一樣。“
低損耗光波導和快速衰減聲波的組合消除了引導聲波的需要。該團隊表示，這項創新是其成功的關鍵。自完成以來，這項研究已經在Blumenthal集團和他的合作者中獲得了多個新的資助項目。
將高端激光器的性能轉移到光子微芯片上可以降低這種激光技術的成本和尺寸，使其可得到廣泛的應用，包括光譜學、導航、量子計算和光學通信。在芯片規模上實現這樣的性能還有助於應對互聯網爆炸式數據容量需求帶來的挑戰，以及由此導致的數據中心及其光纖互連的全球能耗增加。
該研究發表在Nature上光子學（ https://doi.org/10.1038/s41566-018-0313-2 ）。
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