Heterogeneously Integrated Efficient and Widely Tunable Lasers at 795 nm for Rubidium-Based Quantum Technologies

要理解缩小未来计算规模的挑战，必须首先观察可能为其提供动力的原子。科学家们正越来越多地转向铷原子云——这些微小的中性粒子可以通过光进行操纵，用以存储信息或以惊人的精度记录时间。这些原子是下一代量子计算机和超高精度原子钟的构建模块。然而，目前控制它们需要仅存在于实验室中的庞大且精密的设备。为了使这些技术在实验室之外发挥作用，研究人员需要将整个控制系统缩小到微芯片的大小。最大的障碍在于光源本身：激光器。制造出既能容纳在芯片上，又足够强大且稳定以与这些脆弱原子发生相互作用的激光器，一直是持续存在的瓶颈。光必须是纯净、稳定且可调谐的，但构建这些激光器的传统方法在尝试将不同材料组合在单个微小表面上时往往会失败。

一组研究人员现在通过开发一种直接在硅芯片上构建激光器的新方法克服了这一障碍，该激光器专门针对控制铷原子所需的波长进行了调谐。他们的工作引入了一种方法，允许他们将微小的预制激光组件打印到硅平台上，从而创建出不仅体积紧凑而且性能极其强大且高效的器件。通过使用一种称为微转移打印的技术，他们能够将一个光放大组件直接放置在硅波导旁边，本质上是将它们对接在一起，让光在两者之间无缝流动。这种简单而有效的方法解决了困扰以往尝试的一个主要问题：即如何让光在不同材料之间传递而不损失能量或产生过多热量。其结果是一个可以大规模制造的激光系统，为用能够装入单个芯片的集成系统取代目前用于量子研究的笨重桌面设备提供了路径。

研究人员利用这种新的集成方法展示了两种不同类型的激光器，两者都旨在满足原子物理学的严格要求。第一种是被称为微型齿轮（microgear）激光器的紧凑、低噪声激光器。该器件极其微小，尺寸仅为1.5毫米乘以0.25毫米，却能产生功率超过22毫瓦的光束。更重要的是，它发射的光极其纯净，基本线宽仅为3千赫兹。在激光领域，这种窄线宽意味着光极其稳定且精确，这对于冷却原子并为量子操作做准备至关重要。该器件还实现了9.4%的壁插效率，这意味着它将电能转化为光的能力非常高效，其性能水平足以媲美商业激光器，但体积要小得多。这种高效性是其打印方法的直接结果，该方法允许热量轻松散发到硅衬底中，防止激光器过热并损失功率。

他们创造的第二个设备是宽可调谐激光器，旨在提供灵活性而非仅仅是原始稳定性。该激光器使用一种巧妙的环形滤波器排列来选择特定的光色，从而允许输出波长在较宽范围内进行调节。研究人员展示了该激光器可以在9纳米的粗调范围内进行调节，覆盖了与铷相互作用所需的特定波长。在该范围内，它可以进行超过140吉赫兹的精细调整，并且可以在45吉赫兹的连续范围内实现无跳模运行。这种平滑且精确地改变光色的能力，对于将激光锁定到铷原子的特定能级跃迁至关重要，确保系统随时间保持稳定。团队通过将打印的激光组件与由氮化硅（一种以低光学损耗著称的材料）构成的反馈回路相结合，实现了这一目标，该材料有助于维持光在传输过程中的质量。

这项工作的意义在于其可扩展性以及它所解决的量子产业的具体问题。以往尝试将激光器集成到芯片上的方法通常依赖于复杂的键合技术，这使得散热或实现高功率变得困难，从而限制了其在低功率应用中的使用。相比之下，这种微转移打印方法允许激光器与芯片直接接触，从而实现卓越的热管理和更高的输出功率。研究人员证实，他们的器件可以在没有热问题的条件下运行，而热问题通常会导致激光器在高功率水平下失效。他们还证明了这些激光器可以使用标准制造工艺进行生产，这表明这些组件最终可以实现量产。这为用稳健且可随时部署到现场的集成系统取代目前庞大且脆弱的外部腔二极管激光器打开了大门。

论文明确排除了传统晶圆键合方法是解决这些特定高功率、短波长应用最佳方案的想法。作者认为，虽然键合适用于某些用途，但它存在散热差的问题，且需要难以规模化的复杂对准。他们的结果表明，对于这项特定任务，对接耦合打印法更为优越，能够提供更高的功率和更好的效率。他们还指出，虽然目前的器件已经非常高效，但通过进一步改进氮硅材料的质量，可以将性能推向更高水平，线宽甚至可能达到数十赫兹。这将使激光器适用于更精确的计量任务。团队直接测量了他们的结果，通过严格测试确认了激光器的功率、效率和稳定性，而非仅仅依赖模拟。

最终，这项研究为构建下一代量子技术所需的各种光学控制系统提供了完整的工具包。通过证明他们可以在单个芯片上创建既稳定、低噪声又具有宽可调谐性的激光器，研究人员解决了阻碍量子处理器和原子钟走向便携化的硬件瓶颈。直接在硅芯片上生成具有高功率和低噪声的795纳米光的能力，意味着当今复杂的光学装置可以浓缩成一个可以放在桌面上甚至车辆中的形式。这一进展使量子计算和精密计时技术的承诺离现实更近了一步，将这些技术从受控的实验室环境带入到可以解决现实世界问题的实际应用场景中。