I laser spettralmente puri sono al centro delle applicazioni scientifiche e commerciali di fascia alta di precisione, grazie alla loro capacità di produrre una luce monocolore quasi perfetta. La capacità di un laser di farlo è misurata in termini di larghezza di linea, o coerenza, che è la capacità di emettere una frequenza costante per un certo periodo di tempo prima che tale frequenza cambi.

In pratica, i ricercatori fanno di tutto per costruire una struttura altamente coerente, laser a frequenza quasi singola per sistemi di fascia alta come gli orologi atomici. Oggi, però, perché questi laser sono grandi e occupano rack pieni di apparecchiature, sono relegati ad applicazioni basate su piani di lavoro in laboratorio.

C'è una spinta per spostare le prestazioni dei laser di fascia alta su microchip fotonici, riducendo drasticamente i costi e le dimensioni rendendo la tecnologia disponibile per un'ampia gamma di applicazioni tra cui spettroscopia, navigazione, computazione quantistica e comunicazioni ottiche. Il raggiungimento di tali prestazioni su scala di chip sarebbe anche di grande aiuto per affrontare la sfida posta dall'esplosione dei requisiti di capacità dati di Internet e dal conseguente aumento del consumo energetico mondiale dei data center e delle loro interconnessioni in fibra ottica.

Nell'articolo di copertina del numero di gennaio 2019 di Fotonica della natura , ricercatori dell'UC Santa Barbara e i loro collaboratori di Honeywell, Yale e l'Università dell'Arizona settentrionale, descrivono una pietra miliare significativa in questa ricerca:un laser a scala di chip in grado di emettere luce con una larghezza di riga fondamentale inferiore a 1 Hz, abbastanza silenzioso da spostare applicazioni scientifiche impegnative sulla scala di chip. Il progetto è stato finanziato nell'ambito dell'iniziativa OwlG della Defense Advanced Research Project Agency (DARPA).

Per essere d'impatto, questi laser a bassa larghezza di riga devono essere incorporati in circuiti integrati fotonici (PIC) - gli equivalenti dei microchip per computer per la luce - che possono essere fabbricati su scala wafer nelle fonderie commerciali di microchip. "Ad oggi, non c'è stato un metodo per creare un laser silenzioso con questo livello di coerenza e larghezza di linea stretta alla scala del chip fotonico, " ha detto il coautore e team leader Dan Blumenthal, un professore nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso l'UC Santa Barbara. L'attuale generazione di laser a scala di chip è intrinsecamente rumorosa e ha una larghezza di linea relativamente ampia. Sono state necessarie nuove innovazioni che funzionino all'interno della fisica fondamentale associata alla miniaturizzazione di questi laser di alta qualità.

Nello specifico, La DARPA era interessata alla creazione di un giroscopio ottico laser a scala di chip. Importante per la sua capacità di mantenere la conoscenza della posizione senza GPS, i giroscopi ottici sono utilizzati per il posizionamento e la navigazione di precisione, compreso nella maggior parte degli aerei di linea commerciali.

Il giroscopio ottico laser ha una sensibilità su scala di lunghezza pari a quella del rilevatore di onde gravitazionali, uno degli strumenti di misura più precisi mai realizzati. Ma i sistemi attuali che raggiungono questa sensibilità incorporano bobine ingombranti di fibra ottica. L'obiettivo del progetto OwlG era realizzare un laser ultra-silenzioso (a larghezza di riga ridotta) sul chip per sostituire la fibra come elemento di rilevamento della rotazione e consentire un'ulteriore integrazione con altri componenti del giroscopio ottico.

Secondo Blumenthal, ci sono due modi possibili per costruire un tale laser. Uno è collegare un laser a un riferimento ottico che deve essere isolato dall'ambiente e contenuto nel vuoto, come si fa oggi con gli orologi atomici. La cavità di riferimento più un circuito di feedback elettronico insieme fungono da ancoraggio per silenziare il laser. Tali sistemi, però, sono grandi, costoso, energivoro e sensibile ai disturbi ambientali.

L'altro approccio consiste nel realizzare un laser a cavità esterna la cui cavità soddisfi i requisiti fisici fondamentali per un laser a larghezza di riga ridotta, inclusa la capacità di contenere miliardi di fotoni per lungo tempo e supportare livelli di potenza ottica interna molto elevati. Tradizionalmente, tali cavità sono grandi (per contenere abbastanza fotoni), e sebbene siano stati utilizzati per ottenere prestazioni elevate, integrarli su chip con larghezze di riga vicine a quelle dei laser stabilizzati da cavità di riferimento si è rivelato elusivo.

Per superare questi limiti, il team di ricerca ha sfruttato un fenomeno fisico noto come diffusione di Brillouin stimolata per costruire i laser.

"Il nostro approccio utilizza questo processo di interazione luce-materia in cui la luce produce effettivamente il suono, o acustico, onde dentro un materiale, " Blumenthal ha osservato. "I laser Brillouin sono ben noti per la produzione di luce estremamente silenziosa. Lo fanno utilizzando i fotoni di un rumoroso laser "a pompa" per produrre onde acustiche, quale, a sua volta, fungono da cuscini per produrre nuova quiete, luce di uscita a bassa larghezza di banda. Il processo Brillouin è altamente efficace, riducendo la larghezza di riga di un laser a pompa in ingresso di un fattore fino a un milione."

Lo svantaggio è che le configurazioni ingombranti in fibra ottica o i risonatori ottici in miniatura tradizionalmente utilizzati per realizzare i laser Brillouin sono sensibili alle condizioni ambientali e difficili da fabbricare utilizzando metodi di fonderia di chip.

"La chiave per realizzare il nostro laser Brillouin sub-Hz su un chip integrato fotonico è stata quella di utilizzare una tecnologia sviluppata presso l'UC Santa Barbara:circuiti integrati fotonici costruiti con guide d'onda a perdite estremamente basse, alla pari con la fibra ottica, " ha spiegato Blumenthal. "Queste guide d'onda a bassa perdita, formato in una cavità ad anello laser Brillouin sul chip, hanno tutti gli ingredienti giusti per il successo:possono immagazzinare un numero estremamente elevato di fotoni sul chip, gestire livelli estremamente elevati di potenza ottica all'interno della cavità ottica e guidare i fotoni lungo la guida d'onda proprio come una rotaia guida un treno monorotaia."

Una combinazione di guide d'onda ottiche a bassa perdita e onde acustiche a decadimento rapido elimina la necessità di guidare le onde acustiche. Questa innovazione è la chiave del successo di questo approccio.

Da quando è stato completato, questa ricerca ha portato a molteplici nuovi progetti finanziati sia nel gruppo di Blumenthal che in quello dei suoi collaboratori.