Lasers espectralmente puros estão no cerne das aplicações científicas e comerciais de alta precisão, graças à sua capacidade de produzir luz de uma única cor quase perfeita. A capacidade de um laser para fazer isso é medida em termos de largura de linha, ou coerência, que é a habilidade de emitir uma frequência constante durante um certo período de tempo antes que a frequência mude.

Na prática, pesquisadores não medem esforços para construir algo altamente coerente, lasers de frequência quase única para sistemas de ponta, como relógios atômicos. Hoje, Contudo, porque esses lasers são grandes e ocupam racks cheios de equipamentos, eles são relegados a aplicações baseadas em bancadas de laboratório.

Há um impulso para mover o desempenho de lasers de última geração para micro-chips fotônicos, reduzindo drasticamente o custo e o tamanho, ao mesmo tempo que disponibiliza a tecnologia para uma ampla gama de aplicações, incluindo espectroscopia, navegação, computação quântica e comunicações ópticas. Alcançar tal desempenho na escala do chip também ajudaria em muito a enfrentar o desafio representado pela explosão dos requisitos de capacidade de dados da Internet e o aumento resultante no consumo mundial de energia de data centers e suas interconexões de fibra óptica.

No artigo de capa da edição de janeiro de 2019 da Nature Photonics , pesquisadores da UC Santa Barbara e seus colaboradores na Honeywell, Yale e Northern Arizona University, descrevem um marco significativo nessa busca:um laser em escala de chip capaz de emitir luz com uma largura de linha fundamental de menos de 1 Hz - silencioso o suficiente para mover aplicações científicas exigentes para a escala de chip. O projeto foi financiado pela iniciativa OwlG da Defense Advanced Research Project Agency (DARPA).

Para ser impactante, esses lasers de baixa largura de linha devem ser incorporados a circuitos integrados fotônicos (PICs) - os equivalentes de micro-chips de computador para luz - que podem ser fabricados em escala de wafer em fundições comerciais de micro-chips. "A data, não houve um método para fazer um laser silencioso com este nível de coerência e largura de linha estreita na escala do chip fotônico, "disse o co-autor e líder da equipe Dan Blumenthal, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da UC Santa Barbara. A geração atual de lasers em escala de chip é inerentemente barulhenta e tem largura de linha relativamente grande. São necessárias inovações que funcionem dentro da física fundamental associada à miniaturização desses lasers de alta qualidade.

Especificamente, A DARPA estava interessada em criar um giroscópio óptico a laser em escala de chip. Importante por sua capacidade de manter o conhecimento da posição sem GPS, giroscópios ópticos são usados ​​para posicionamento e navegação de precisão, inclusive na maioria dos aviões comerciais.

O giroscópio óptico a laser tem uma sensibilidade de escala de comprimento igual à do detector de ondas gravitacionais, um dos instrumentos de medição mais precisos já feitos. Mas os sistemas atuais que alcançam essa sensibilidade incorporam volumosas bobinas de fibra óptica. O objetivo do projeto OwlG era realizar um laser ultrassilencioso (largura de linha estreita) no chip para substituir a fibra como o elemento de detecção de rotação e permitir maior integração com outros componentes do giroscópio óptico.

De acordo com Blumenthal, Existem duas maneiras possíveis de construir esse laser. Uma é amarrar um laser a uma referência óptica que deve ser ambientalmente isolada e contida em um vácuo, como é feito hoje com relógios atômicos. A cavidade de referência mais um loop de feedback eletrônico atuam juntos como uma âncora para silenciar o laser. Tais sistemas, Contudo, são grandes, dispendioso, consumidor de energia e sensível a perturbações ambientais.

A outra abordagem é fazer um laser de cavidade externa cuja cavidade satisfaça os requisitos físicos fundamentais para um laser de largura de linha estreita, incluindo a capacidade de reter bilhões de fótons por um longo tempo e suportar níveis de potência ótica interna muito altos. Tradicionalmente, tais cavidades são grandes (para conter fótons suficientes), e embora tenham sido usados ​​para alcançar alto desempenho, integrá-los no chip com larguras de linha próximas às dos lasers estabilizados por cavidades de referência provou ser difícil.

Para superar essas limitações, a equipe de pesquisa alavancou um fenômeno físico conhecido como espalhamento estimulado de Brillouin para construir os lasers.

"Nossa abordagem usa esse processo de interação luz-matéria em que a luz realmente produz som, ou acústico, ondas dentro de um material, "Blumenthal observou." Os lasers Brillouin são bem conhecidos por produzir luz extremamente silenciosa. Eles fazem isso utilizando fótons de uma "bomba" de laser barulhenta para produzir ondas acústicas, que, por sua vez, atuam como almofadas para produzir novo silêncio, luz de saída de largura de linha baixa. O processo Brillouin é altamente eficaz, reduzindo a largura de linha de um laser de bomba de entrada por um fator de até um milhão. "

A desvantagem é que as configurações volumosas de fibra óptica ou ressonadores ópticos em miniatura tradicionalmente usados ​​para fazer lasers Brillouin são sensíveis às condições ambientais e difíceis de fabricar usando métodos de fundição de chips.

"A chave para fazer nosso laser Brillouin sub-Hz em um chip integrado fotônico foi usar uma tecnologia desenvolvida na UC Santa Bárbara - circuitos integrados fotônicos construídos com guias de onda com perdas extremamente baixas, no mesmo nível da fibra óptica, "Blumenthal explicou." Esses guias de onda de baixa perda, formado em uma cavidade de anel de laser Brillouin no chip, têm todos os ingredientes certos para o sucesso:eles podem armazenar um número extremamente grande de fótons no chip, lidar com níveis extremamente altos de potência óptica dentro da cavidade óptica e guiar os fótons ao longo do guia de ondas da mesma forma que um trilho guia um trem monotrilho. "

Uma combinação de guias de ondas ópticas de baixa perda e ondas acústicas que decaem rapidamente elimina a necessidade de guiar as ondas acústicas. Essa inovação é a chave para o sucesso dessa abordagem.

Desde que foi concluído, esta pesquisa levou a vários novos projetos financiados tanto no grupo de Blumenthal quanto nos de seus colaboradores.