Láseres espectralmente puros se encuentran en el corazón de las aplicaciones científicas y comerciales de alta precisión, gracias a su capacidad para producir una luz de un solo color casi perfecta. La capacidad de un láser para hacerlo se mide en términos de su ancho de línea, o coherencia, que es la capacidad de emitir una frecuencia constante durante un cierto período de tiempo antes de que esa frecuencia cambie.

En la práctica, Los investigadores hacen todo lo posible para crear láseres de frecuencia casi única para sistemas de alta gama, como relojes atómicos. Hoy dia, sin embargo, debido a que estos láseres son grandes y ocupan bastidores llenos de equipos, están relegados a aplicaciones basadas en mesas de trabajo en el laboratorio.

Hay un impulso para trasladar el rendimiento de los láseres de gama alta a microchips fotónicos, reduciendo drásticamente el costo y el tamaño al tiempo que hace que la tecnología esté disponible para una amplia gama de aplicaciones, incluida la espectroscopia, navegación, Computación cuántica y comunicaciones ópticas. Alcanzar tal rendimiento a escala de chip también contribuiría en gran medida a abordar el desafío planteado por los crecientes requisitos de capacidad de datos de Internet y el aumento resultante en el consumo mundial de energía de los centros de datos y sus interconexiones de fibra óptica.

En el artículo de portada del número de enero de 2019 de Fotónica de la naturaleza , investigadores de UC Santa Barbara y sus colaboradores en Honeywell, Universidad de Yale y Northern Arizona, describen un hito significativo en esta búsqueda:un láser a escala de chip capaz de emitir luz con un ancho de línea fundamental de menos de 1 Hz, lo suficientemente silencioso como para mover aplicaciones científicas exigentes a la escala de chip. El proyecto fue financiado bajo la iniciativa OwlG de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA).

Para ser impactante, Estos láseres de bajo ancho de línea deben incorporarse en circuitos integrados fotónicos (PIC), los equivalentes de microchips de computadora para luz, que pueden fabricarse a escala de obleas en fundiciones comerciales de microchips. "Hasta la fecha, no ha habido un método para hacer un láser silencioso con este nivel de coherencia y ancho de línea estrecho en la escala del chip fotónico, "dijo el coautor y líder del equipo Dan Blumenthal, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la UC Santa Bárbara. La generación actual de láseres a escala de chip es intrínsecamente ruidosa y tiene un ancho de línea relativamente grande. Se han necesitado nuevas innovaciones que funcionen dentro de la física fundamental asociada con la miniaturización de estos láseres de alta calidad.

Específicamente, DARPA estaba interesada en crear un giroscopio óptico láser a escala de chip. Importante por su capacidad para mantener el conocimiento de la posición sin GPS, Los giroscopios ópticos se utilizan para el posicionamiento y la navegación de precisión. incluso en la mayoría de los aviones comerciales.

El giroscopio óptico láser tiene una sensibilidad de escala de longitud a la par con la del detector de ondas gravitacionales, uno de los instrumentos de medición más precisos jamás fabricados. Pero los sistemas actuales que logran esta sensibilidad incorporan voluminosas bobinas de fibra óptica. El objetivo del proyecto OwlG era realizar un láser ultra silencioso (ancho de línea estrecho) en el chip para reemplazar la fibra como elemento sensor de rotación y permitir una mayor integración con otros componentes del giroscopio óptico.

Según Blumenthal, Hay dos formas posibles de construir un láser de este tipo. Una es atar un láser a una referencia óptica que debe estar ambientalmente aislada y contenida en un vacío, como se hace hoy con los relojes atómicos. La cavidad de referencia más un circuito de retroalimentación electrónica actúan juntos como un ancla para silenciar el láser. Tales sistemas, sin embargo, son grandes, costoso, Consumen energía y son sensibles a las perturbaciones ambientales.

El otro enfoque es hacer un láser de cavidad externa cuya cavidad satisfaga los requisitos físicos fundamentales para un láser de ancho de línea estrecho, incluida la capacidad de contener miles de millones de fotones durante mucho tiempo y admitir niveles de potencia óptica interna muy altos. Tradicionalmente, tales cavidades son grandes (para contener suficientes fotones), y aunque se han utilizado para lograr un alto rendimiento, integrarlos en el chip con anchos de línea que se acercan a los de los láseres estabilizados por cavidades de referencia ha resultado difícil de alcanzar.

Para superar estas limitaciones, El equipo de investigación aprovechó un fenómeno físico conocido como dispersión de Brillouin estimulada para construir los láseres.

"Nuestro enfoque utiliza este proceso de interacción luz-materia en el que la luz realmente produce sonido, o acústica, ondas dentro de un material, "Blumenthal señaló." Los láseres Brillouin son bien conocidos por producir una luz extremadamente silenciosa. Lo hacen utilizando fotones de un láser de 'bomba' ruidoso para producir ondas acústicas, cuales, Sucesivamente, actúan como cojines para producir un nuevo silencio, luz de salida de ancho de línea bajo. El proceso Brillouin es muy eficaz, reduciendo el ancho de línea de un láser de bomba de entrada en un factor de hasta un millón ".

El inconveniente es que las configuraciones de fibra óptica voluminosas o los resonadores ópticos en miniatura que se utilizan tradicionalmente para fabricar láseres Brillouin son sensibles a las condiciones ambientales y difíciles de fabricar utilizando métodos de fundición de chips.

"La clave para hacer nuestro láser Brillouin sub-Hz en un chip integrado fotónico fue utilizar una tecnología desarrollada en UC Santa Barbara:circuitos integrados fotónicos construidos con guías de onda que tienen una pérdida extremadamente baja, a la par con la fibra óptica, "Explicó Blumenthal." Estas guías de onda de baja pérdida, formado en una cavidad de anillo láser Brillouin en el chip, tienen todos los ingredientes adecuados para el éxito:pueden almacenar una gran cantidad de fotones en el chip, manejan niveles extremadamente altos de potencia óptica dentro de la cavidad óptica y guían fotones a lo largo de la guía de ondas de la misma manera que un riel guía un tren monorraíl ".

Una combinación de guías de ondas ópticas de baja pérdida y ondas acústicas que decaen rápidamente elimina la necesidad de guiar las ondas acústicas. Esta innovación es clave para el éxito de este enfoque.

Desde que se completó, esta investigación ha dado lugar a múltiples proyectos nuevos financiados tanto en el grupo de Blumenthal como en el de sus colaboradores.