氮化硅光波导混合集成激光器--亚赫兹级基频、亚千赫兹级积分线宽的自注入锁定780 nm混合集成激光器

本文作者：Andrei Isichenko1, Andrew S. Hunter1, Debapam Bose1, Nitesh Chauhan1,2, Meiting Song1,Kaikai Liu1, Mark W. Harrington1 & Daniel J. Blumenthal1

• 美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校，电气与计算机工程系，加利福尼亚州圣巴巴拉，邮编93106。

• 现工作地址：美国国家标准与技术研究院（NIST），时间与频率部，科罗拉多州博尔德，邮编80305。
  电子邮件：danb@ucsb.edu

  兼容平台的实现将对广泛的应用产生影响，包括便携式原子钟和基于空间的量子传感器。

当今用于时间测量、惯性传感和基础科学的高精度实验对激光频率噪声的光谱分布提出了严格要求。基于铷的实验利用桌面级780 nm激光系统来实现高性能时钟、重力传感器和量子门操作。实现这些激光器的晶圆级集成对于片上系统的实现至关重要。尽管在芯片级780 nm超窄线宽激光器的研究中取得了一些进展，但实现亚赫兹级基频线宽和亚千赫兹级积分线宽仍然是一个未解决的难题。

在本文中，我们报道了一种780 nm自注入锁定混合集成激光器，其基频线宽为0.74 Hz，积分线宽为864 Hz，并且在10 kHz处受热折射噪声限制，达到100 Hz²/Hz。这些线宽比此前的780 nm光子集成方案低了一个数量级以上。该激光器由一个法布里-珀罗（Fabry-Pérot）二极管组成，通过芯片上的分光器和在CMOS工艺兼容的氮化硅平台上实现的9000万品质因数的可调谐谐振器进行边缘耦合。我们实现了2 mW的输出功率、36 dB的边模抑制比，以及2.5 GHz的无跳模调谐范围。

为了展示该技术在量子原子应用中的潜力，我们分析了激光噪声对原子钟、量子门以及原子干涉仪重力计灵敏度限制的影响。这项技术可以扩展到其他原子波长，从而实现用于量子传感、计算和计量的小型化、超低噪声激光器。

关键词：光子集成、激光稳定、铷、窄线宽激光器

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集成化的超窄线宽可见光和近红外激光器对量子计算、精密传感和时间测量等原子系统的小型化、可靠性提升和扩展具有重要意义。这些应用对激光器在载波频率偏移的多个频率范围内的光谱噪声特性提出了严格要求。对于涉及原子和量子比特操作和探测的系统，评估探测激光的频率噪声需要考虑超精细原子跃迁、边带以及激光和原子控制信号（如脉冲序列）生成的傅里叶频率分量。

例如，在780 nm的铷原子波长处的超窄线宽激光器是双光子原子钟、冷原子干涉仪传感器以及中性原子量子计算等应用的关键。传统上，这些系统依赖昂贵的外腔激光器、笨重的桌面参考腔和频率倍增的C波段激光器。利用兼容CMOS晶圆厂工艺的平台进行光子集成是实现紧凑、轻便、低成本和便携式原子及量子系统的关键，同时能够进一步与被动和有源光子组件集成。

可见光和近红外激光器，特别是780 nm波长的激光器，在实现亚赫兹基频线宽和亚千赫兹积分线宽、同时提供中等输出功率和频率调节能力方面，对这些应用尤为重要。然而，到目前为止，在晶圆级平台上实现此类性能的780 nm激光器仍然是一个挑战。一个潜在的方法是直接驱动（无频率转换的直接发射）光学自注入锁定（SIL）。体光学780 nm SIL激光器已经实现了赫兹级基频线宽。在量子和原子系统中，下一步是通过光子集成、兼容CMOS晶圆厂工艺的平台，开发出高性能的直接驱动可见光和近红外激光器。

• 在该领域实现超低激光频率噪声需要高水平的频率选择性反馈，这通常通过超高品质因数（UHQ）的光学谐振腔实现。在自注入锁定（SIL）配置中，单频二极管激光器与体光学晶体的UHQ回音壁模式谐振器（WGMR）相结合，已实现赫兹级线宽的780 nm激光输出，基频线宽达到5 Hz，积分线宽为1.4 kHz。然而，WGMR在片上系统集成、晶圆级代工处理以及降低成本和尺寸方面存在挑战。

  利用兼容CMOS工艺的超低损耗氮化硅（SiN）等材料进行集成，是降低成本、减轻重量并提高环境扰动鲁棒性的关键。目前在1550 nm波长下，集成的高品质因数SiN谐振器已实现了小于100 mHz的超低基频线宽和36 Hz的积分线宽。这一性能水平向可见光和近红外波长的转移仍然具有挑战性，原因包括更高的光学损耗以及单频半导体激光器（如分布式布拉格反射器（DBR）和分布式反馈（DFB）激光器）的较高成本或有限供应。

  在780 nm波长（对应于铷的D2跃迁）中，多频率法布里-珀罗激光二极管（FPLDs）已与频率选择性谐振器结合，通过SIL实现了单模操作和线宽缩窄。例如，与自由空间耦合窄带滤波器的FPLD SIL已实现60 kHz的拍频线宽。最近，FPLDs与集成的高约束SiN谐振器相耦合，在包括780 nm的六种可见光和近红外波长下展示了80,000品质因数的器件，达到了700 Hz基频和50 kHz积分线宽。

  通过腔内SIL频率倍增的单频激光器已实现12 Hz的基频线宽，但输出功率仅为30 µW。近期，780 nm的异质外延GaAs激光器与10 M品质因数的SiN环形谐振器对接，基频线宽达到92 Hz。类似的实验利用780 nm DFB激光器和5百万品质因数谐振器实现了105 Hz线宽，并推算出在50百万品质因数的谐振器中可达到3 Hz的基频线宽。

  为了进一步降低噪声和线宽，必须显著降低780 nm的光学损耗并提高谐振器的品质因数。目前报道的最低780 nm损耗为0.1 dB/m（在硅酸盐楔形谐振器中）和0.2 dB/m（在锗硅酸盐平台中）。对于完全集成的SiN谐振器，报道的最低可见光损耗为0.65 dB/m（在674 nm）和0.36 dB/m（在780 nm），相应的品质因数分别为90百万和145百万。低线宽集成可见光激光器包括在674 nm波长下通过受激布里渊散射实现的12 Hz基频线宽激光器。

  为了在780 nm波长达到超低频率噪声，需要基于超低损耗波导和超高品质因数、大模式体积谐振器的新型直接驱动激光技术。

  
  

  我们报告了一种先进的直接驱动原子精密光源，通过在兼容CMOS晶圆代工工艺的硅基氮化硅集成平台上，实现了针对铷原子应用的亚赫兹基频线宽和亚千赫兹积分线宽的780 nm激光器。高品质因数（Q）使得低成本法布里-珀罗（FP）激光二极管的自注入锁定（SIL）成为可能，将自由运行的多频操作转变为单模激光器，积分线宽为864 Hz，基频线宽为0.74 Hz（白频噪声为0.24 Hz²/Hz）。该激光器由单总线耦合环形谐振器、腔内功率分光器和集成可调谐相位部分组成。

  这种设计相较于双总线谐振器方法具有多重优势，例如更高的加载谐振器Q值，以及独立控制输出功率和谐振器耦合以优化SIL的可能性。强光反馈使得通过腔内分光器提取2 mW光纤耦合输出功率成为可能。实现此性能的关键在于0.57 dB/m的波导损耗、90百万的谐振器内在Q值、20 dB的临界耦合消光比以及大的腔模式体积，这些因素共同提供了大量腔内光子数和较低的热折射噪声（TRN）限制。

  我们还展示了激光器的频率调谐能力，包括通过温度调谐实现781至797 nm的输出覆盖，以及通过集成热调谐器实现2.5 GHz的无跳模调谐。在某些频率下，该性能可与晶体WGM体光学谐振器实现的性能相媲美，甚至有所超越。我们的实验表明，其基频线宽比直接发射的混合集成SIL方法低两个数量级，积分线宽（1/π积分）比任何基于芯片的780 nm SIL激光器低一个数量级。

  我们进一步研究了超低激光频率噪声如何提高三种铷原子量子技术的性能：在双光子原子钟中降低短期不稳定性，在冷原子干涉仪重力计中增强加速度灵敏度，以及在单光子量子门中实现低于10⁻⁴的误差率。该平台的性能可以扩展到其他具有商用FP激光二极管的可见原子波长，例如锶（Sr）和铯（Cs），为多种原子物种的跃迁研究开辟了新途径。

  这些结果在基频和积分线宽上相较于此前的780 nm集成SIL展示了数量级的改进。CMOS代工平台和工艺完全兼容其他无源和有源组件，展示了全面片上系统集成的潜力。

  结果

  该混合集成的超低频噪声自注入锁定（SIL）激光器由一个商用780 nm法布里-珀罗激光二极管（FPLD）与集成的超高品质因数（UHQ）Si₃N₄芯片混合边缘耦合组成（图1a, b）。通过接近临界耦合，实现20 dB的消光比，以及90百万的内在品质因数（Q），该系统能够通过谐振腔内的共振瑞利背向散射，为激光提供强频率选择性的背向反射。谐振器、功率分光器和相位调谐器通过兼容CMOS工艺的氮化硅制造流程制备（补充注释3）。采用TM模式波导设计，因为其损耗更低。FPLD旋转90度，以耦合至波导的TM模式（图1b）。

  使用不平衡的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）测得谐振器的内在品质因数（Qi）为90百万，加载品质因数（QL）为43百万，得到的线宽为8.9 MHz，波导损耗为0.57 dB/m（图1c）。环形谐振器的半径为5 mm，对应6.43 GHz的自由光谱范围（FSR）。激光二极管采用商用TO封装（Thorlabs L785P090），去除盖帽以实现边缘耦合。

  
  

  
  

图1：混合集成芯片级780 nm自注入锁定激光器

(a) 集成的超高Q环形谐振器和法布里-珀罗激光二极管（FPLD）的实物图，背景有硬币展示其尺寸比例。
(b) 激光锁定至谐振器的共振模式。插图：旋转后的FPLD边缘耦合示意图。
(c) 谐振器的透射光谱，显示加载品质因数（QL）为43百万，内在品质因数（Qi）为90百万，损耗α为0.57 dB/m，总线宽为8.9 MHz。频率调谐通过不平衡马赫-曾德尔干涉仪（MZI，蓝色曲线）校准。
(d) 自注入锁定（SIL）激光器的示意图，包括一个边缘耦合的FPLD、带有分光器和谐振器的芯片、用于控制激光与谐振器之间相位及共振偏移的热调谐器。激光输出通过边缘耦合的切割光纤收集。

结果补充

该边缘耦合结构直接连接激光器和芯片。我们展示并比较了通过多轴调节台优化对准的版本和通过芯片混合集成封装的版本。谐振器的光反馈强度足够高，使得通过腔内定向耦合分光器提取激光输出，实现了2 mW的输出功率（图1d）。这一功率水平比现有线宽最低的芯片级SIL激光器高出一个数量级以上。波导在谐振器处的宽度为4 μm，向边缘逐渐收缩至2 μm，以提高与激光器和输出光纤的耦合效率。测得的FPLD与芯片的耦合损耗约为4 dB。

SIL使激光器实现单模运行，频率噪声在1 Hz到25 MHz的频率偏移范围内保持超低（图2）。频率噪声的最低值为0.24 Hz²/Hz，对应的基频线宽为0.74 Hz，积分线宽为864 Hz（1/π积分线宽）13，光纤输出功率为0.84 mW。SIL激光器的详细特性如图2a所示。通过在光谱分析仪（OSA）上观察到的强激光峰和在不平衡光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）中检测到的干涉条纹，验证了单模窄线宽激光发射的特性。在SIL作用下，FPLD腔模式被选择，输出波长784.3 nm的边模抑制比（SMSR）超过36 dB。

频率噪声测量

频率噪声通过结合光纤MZI光学频率鉴别器（OFD）23和与腔稳定光纤频率梳的外差拍频来测量（图2a）。频率梳是自参考的，其光学参考频率锁定到一个赫兹级线宽的ULE腔稳定C波段激光器。稳定的梳状光被倍频至780 nm，与780 nm SIL激光器通过50:50光纤耦合器组合，并通过光电探测器检测拍频信号。拍频信号经过电子滤波以分离出单个梳齿，并通过频率计记录。两个独立测量技术的频率噪声数据拼接后如图2c所示，详细说明见补充注释2和补充图S1。

值得注意的是，频率噪声达到了模拟的谐振器热折射噪声（TRN）极限31。这种低噪声得益于5 mm半径和6.43 GHz自由光谱范围（FSR）器件的大光学模式体积13。估计的TRN极限性能对应于320 Hz的1/π积分线宽。

波长和频率调谐能力

接下来，我们通过金属加热器展示了激光波长和频率调谐及快速调节能力，用于控制激光器与谐振器之间的相位和环形谐振偏移（图3a）。在激光输入波导附近布置了一个直线形加热器，用于控制SIL相位，并在谐振器和FPLD模式良好匹配的多个波长下实现单模运行。我们在波长范围780.6 nm至782.6 nm内实现了单模激光发射，SMSR大于30 dB，FPLD电流和FPLD及PIC温度固定不变，展现了粗略调谐能力（图3b）。

为了在更广的波长范围内操作激光器，可以通过改变激光器温度调谐FPLD增益光谱，调谐强度为0.2 nm/K。在封装激光器中，我们在790至796 nm的波长范围内演示了单模激光发射，并在792 nm处测量了频率噪声，表现出类似的噪声性能（图3d）。尽管FPLD与芯片间的耦合损耗更大，但性能仍然优越。

图2：自注入锁定（SIL）激光器的特性分析

(a) 使用光纤MZI光学频率鉴别器（OFD）和倍频腔稳定光纤频率梳进行拍频测量的激光频率噪声测量。
(b) 光谱分析仪（OSA）显示自由运行和单模运行的对比，边模抑制比（SMSR）为36 dB。
(c) SIL激光器的频率噪声，数据通过频率梳拍频数据和OFD数据拼接得到。11.3 MHz的倍数频率尖峰对应于OFD MZI的自由光谱范围（FSR），不影响积分线宽的计算。

封装激光器实现了1.6 Hz的基频线宽（FLW）、3.1 kHz的积分线宽（1/π ILW）和0.7 mW的输出功率（见补充注释4，补充图S4）。未来的封装工作将重点放在降低耦合损耗，以及实现FPLD和芯片在不同温度范围内的运行能力，以覆盖感兴趣的绝对波长范围。

环形加热器用于精确控制谐振位置以调谐激光频率。品质因数测量过程中，通过单频DBR激光器测得的谐振调谐强度为26 MHz/mW（见补充图S2，补充注释3）。在SIL状态下，FPLD的激光模式与谐振腔的共振密切跟踪。为保持稳定的单模SIL，我们对环形加热器施加一个50 Hz的电压斜坡，并通过光纤MZI（FSR=11.3 MHz）测量激光频率的偏移。图3(e)展示了电压斜坡触发的波形和连续的MZI干涉条纹，表明激光器具有至少2.5 GHz的无跳模调谐范围。

这一调谐范围足以覆盖铷饱和吸收光谱中的一个超精细跃迁族，其识别特定超精细峰需要至少数百MHz的频率覆盖。为实现该扫描所需的相对较高的加热功率（数百mW）可能与加热器的热响应时间及扫描速率有关。未来，可在SiN上集成PZT（压电陶瓷薄膜）技术，以显著降低功耗，并提高SIL激光器频率偏移调谐和光谱稳定的调制带宽。

讨论

我们展示了780 nm芯片级超窄线宽自注入锁定（SIL）激光器开发的重大进展。该激光器实现了0.74 Hz的基频线宽和864 Hz的积分线宽，其频率噪声在10 kHz到5 MHz范围内接近热折射噪声极限。激光器由一个多纵模法布里-珀罗（Fabry-Pérot）激光二极管直接边缘耦合至氮化硅（SiN）芯片构成。由90百万品质因数谐振腔提供的强SIL反馈促使激光器实现了单纵模发射，边模抑制比（SMSR）为36 dB。

激光输出通过片上定向耦合分光器提取，在切割光纤中提供最高2 mW的光功率。金属化的热调谐谐振腔实现了锁定激光的精确频率调谐，并达成了2.5 GHz的无跳模调谐范围。

图3：SIL激光器的调谐与多波长操作

(a) 激光器调谐的控制机制示意图。插图：用于相位调节和环形谐振腔的金属热调谐器显微图。
(b) 通过选择不同的激光模式，在不同波长下实现SIL操作。
(c) 通过改变激光二极管的温度，实现宽波长范围的调谐。
(d) 设备在不同波长下的频率噪声表现。
(e) 通过以50 Hz的速率对环形加热器进行电压斜坡调节，实现跨越2 GHz的无跳模调谐。

如图4所示，我们实现了0.74 Hz的基频线宽，相较于先前WGMR体光学实验中的5 Hz显著降低了线宽7，比780 nm直接发射SIL集成谐振器的方法低两个数量级15,17，并且在某些频率偏移下的频率噪声比最近报道的混合集成SIL低三个数量级15,17（见图4）。我们的基频线宽低于激光动力学理论模型对DFB与50百万Q谐振器SIL耦合的预测值，该模型认为可实现3 Hz的基频线宽18。

关于最低可实现基频线宽的估算详见补充注释2。与通常用于铷相关实验（如778 nm的双光子光学钟）的DBR和ECDL32方法相比，FPLD SIL表现出更低的频率噪声。FPLD能够支持宽波长范围，我们展示了其在接近铷D1和D2波长附近的运行能力，受限于实际封装条件和调谐范围。

图4：激光频率噪声比较

图中对比了非集成分布式布拉格反射器（DBR）激光器和外腔二极管激光器（ECDL）的频率噪声（来源于文献32）。图例中列出的积分线宽（ILW）是通过1/π逆积分方法计算的（若适用）。基频线宽（FLW）也在图中标注。

图中不同颜色的菱形标记对应表1中讨论的相关频率偏移：

• 蓝色：24 kHz

• 红色：160 kHz

• 黄色：1 MHz

  温度控制与模式选择的挑战

  谐振腔的温度控制和模式选择对于实现最佳反馈至关重要。单频激光器（如DFB）已广泛用于C波段的芯片级SIL实验16。然而，在封装开发迭代中，使用FPLD是一种低成本的替代方案，因为其直接边缘耦合方式使激光器面临潜在损伤的风险较低。

  另一方面，使用FPLD也带来了一些挑战。对于具有低热折射噪声（TRN）和低自由光谱范围（FSR）的谐振腔，SIL操作会遇到多个谐振腔模式位于FPLD增益带宽内的情况。这可能导致模式竞争、锁定不稳定或多模激光运行，并限制了相较于较大FSR谐振腔的锁定调谐范围。

  解决此问题需要对模式进行精确映射，以可靠地实现绝对波长锁定33，因为不同谐振腔模式的共振瑞利背向反射水平存在差异。我们在补充注释3和补充图S3中估算了不同谐振模式的背向反射情况。

  对于具有亚GHz FSR的低TRN线圈谐振腔11,13，可能只有单频激光二极管（如DFB或DBR）才能实现稳定的SIL操作。这表明在系统设计中，谐振器和激光器模式匹配的优化尤为重要。

  原子实验需求分析

  集成化窄线宽激光源的开发对原子和量子系统至关重要，需要仔细评估与各种应用相关的频率噪声需求。我们分析了频率噪声光谱对以下三种应用性能提升的预期影响：

  双光子光学钟；

  高保真量子计算门操作；

  原子干涉仪重力计。

  这些量子系统的性能受入射光学本地振荡器（OLO）频率噪声光谱分布的影响，而这种噪声会改变原子能级之间跃迁的概率。理解频率噪声的影响比仅仅陈述总线宽更为重要，因为不同应用对不同频率范围内的噪声敏感性各不相同。

  低频漂移可能导致激光偏离原子跃迁的绝对频率；

  中频段噪声（载波的频率偏移）可能成为残余锁相环噪声的主要来源；

  高频段噪声可能与相邻超精细跃迁和运动边带产生串扰。

  在周期性由OLO激发的系统中，特别是使用快速脉冲时，高频噪声可能通过混叠效应影响原子或量子传感器的读出34。

  为量化激光频率噪声对整体性能的影响，应用特定的计算可以权衡激光频率噪声分布中不同频率成分的重要性。我们总结了如何利用测得的频率噪声估算激光相关的性能限制，针对以下三种可受益于光子集成以实现未来可扩展性和便携性的铷原子应用（见表1）。表1中的方法也适用于许多其他波长、跃迁和应用。

  我们将本激光器的性能与典型自由运行的分布式布拉格反射器（DBR）激光器、外腔二极管激光器（ECDL）以及一项集成SIL研究的结果15进行了比较，并标注了相关的频率偏移。关于这些计算的详细信息见补充注释5。

  双光子光学原子钟

  通过光学方法激发原子跃迁的过程中，会引入对光学本地振荡器（OLO）激光频率噪声的时间变化敏感性34。在双光子铷光学钟等原子频率标准中，这种现象被称为互调噪声（intermodulation noise）35。短期时钟不稳定性与OLO激光频率噪声成比例，该噪声主要集中在两倍稳定化调制频率fmf_mfm 处32。

表1：原子与量子系统的激光频率噪声需求、性能限制及与本研究和自由运行半导体激光器的比较

表注释

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• 频率噪声对系统性能的噪声贡献，仅考虑激光频率噪声，不包括其他噪声源对系统性能的影响。计算中，重力计的积分假设fx=100f_x = 100fx=100 Hz，量子比特操作假设fx=1f_x = 1fx=1 kHz。

• ** 自由运行激光器包括分布式布拉格反射器（DBR）半导体激光器和外腔二极管激光器（ECDL）。ECDL的数据来源于文献32。

• *** 使用冷原子干涉仪参数进行计算38，其中ggg 为重力加速度（9.8 m/s²），keffk_{\text{eff}}keff 为两束拉曼探针激光的有效波矢，TTT 为拉曼脉冲间隔时间，Δf\Delta fΔf 为原子干涉仪循环频率或带宽。

表中详细列出了激光频率噪声对三种应用（双光子光学钟、高保真量子门操作、原子干涉仪重力计）性能的影响，强调了集成激光器在频率噪声、线宽以及便携性方面的优越性。

双光子光学钟的性能估算

根据我们的计算，如果将报告的超低频噪声SIL激光器用作778 nm探针光源，在短期稳定性（τ≈1 s\tau \approx 1 \, \text{s}τ≈1s）下可以达到5×10−155 \times 10^{-15}5×10−15 的稳定性，这比此前报告的激光限制型紧凑光学标准32中的计算极限低了近18倍。

需要注意的是，这种估算假设互调噪声是主要的限制因素。然而，在实际应用中，短期稳定性通常受到与荧光信号检测相关的散粒噪声（shot noise）的限制。

中性原子量子计算中的激光频率噪声影响

在中性原子量子计算中，过多的激光频率噪声会通过拉比振荡（Rabi oscillation）的去相干限制量子门的保真度36,37。当驱动量子比特的激光器主动锁定到一个体光学参考腔时，由于有限锁定带宽产生的频率噪声伺服峰会对量子门的保真度造成影响。频率噪声在接近拉比频率时的贡献最大，这限制了拉比频率的选择和量子门协议的实施。

通过使用桌面级高精细度腔滤除这一噪声，已经证明能够将里德堡态的相干时间从7 µs延长至超过20 µs36。基于单光子、双光子和纠缠里德堡跃迁的量子门对激光频率噪声提出了日益严格的要求，据估计，其白频噪声需分别低于100 Hz²/Hz、20 Hz²/Hz和5 Hz²/Hz（以拉比频率1 MHz和量子门误差10−410^{-4}10−4 为条件）37。

表1显示了驱动激光频率噪声与780 nm附近运行的激光器在单光子门操作过程中导致的平均量子门误差之间的关系。这表明，优化激光频率噪声对于实现高保真度的量子计算操作至关重要。

重力计中的激光频率噪声影响

冷原子干涉仪重力计常用于重力测量，其脉冲激发方案可能会因探针拉曼激光频率噪声的传递函数H(f)H(f)H(f) 限制灵敏度，该函数的参数与冷原子实验相关，例如传感器带宽和拉曼激光脉冲持续时间38。我们计算了仅由拉曼激光频率噪声引起的重力测量灵敏度极限。一般而言，重力计测量需要使用低噪声的大型外腔二极管激光器（ECDL），因为自由运行的半导体激光器可能会引入比振动更大的噪声，从而降低重力计的灵敏度38。

晶圆代工兼容光子学的潜力

晶圆代工兼容光子学的集成为实现芯片级完全集成的原子和量子系统提供了显著的潜力，能够提高系统的可扩展性和鲁棒性。我们的超低损耗平台不仅实现了创纪录的低频噪声结果，还在其他相关的芯片级功能中得到了验证。

重要的是，这些应用的需求不仅仅是实现低频噪声，还需要对激光绝对频率进行精确控制。为此，我们的超高品质因数（Q）谐振器可以通过热调谐器进行金属化，同时保持超低光学损耗，从而实现对锁定激光器的调谐，以稳定至原子光谱39。

此外，诸如SiN上的PZT（压电陶瓷薄膜）技术的更快调制已被证明不会影响光学损耗，为脉冲生成和在原子系统芯片中实现稳定环路提供了机会28。进一步地，氮化硅（SiN）光子集成波束传输在冷原子磁光阱中实现了大光束直径的输出，成功捕获了超过一百万个铷原子40。这一原子数量在传感器（如原子干涉仪）中有望突破散粒噪声限制。

结论

这些结果表明，将超低线宽SIL激光器集成为探针光源在紧凑型原子传感器、时钟以及广泛的精密原子和量子技术中具有巨大潜力。

参考文献

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    致谢

    我们感谢NASA喷气推进实验室的Andrey Matsko和加利福尼亚大学圣巴巴拉分校（UCSB）的Emily Trageser提供的有益讨论，感谢北亚利桑那大学的Ryan Behunin在热折射噪声仿真方面的帮助，以及威斯康星大学麦迪逊分校的Jennifer Choy和Sanket Deshpande就冷原子干涉仪灵敏度的讨论。此项工作得到了Infleqtion/ColdQuanta和NASA量子路径研究所资助，资助编号为80NSSC23K1343。本文中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者个人观点，并不一定反映美国国家航空航天局（NASA）的意见。