基于微腔的激光自注入锁定技术——挑战肖洛汤斯线宽极限

　　研究背景

　　激光技术发明60多年来，人类的社会生活发生了深刻的变化，这项技术在科技、医学、工业等领域都有着广泛应用。随着相干光学通信、光学原子钟、引力波测量等前沿科学技术的兴起和研究的不断深入，具有超低噪声且长期稳定的窄线宽激光成为上述高精密测量领域的研究热点。

　　肖洛-汤斯线宽是指只具有量子噪声的激光器线宽，其量级通常为mHz;但由于技术噪声的存在，实验测得的激光器线宽远远大于这个数值。激光自注入锁定是一种技术噪声以获得窄线宽光源的手段。激光自注入锁定一般采用双腔结构，其中激光谐振腔产生的线宽较宽的弱单频激光被注入到外腔中，由外腔产生的光反馈稳定激光谐振腔，从而降低激光器频率噪声，实现线宽压窄。激光自注入锁定结构不需要额外的电学器件，因此结构简单且带宽不受限制。

　　外部谐振腔的品质因数Q值是获得窄线宽激光的关键。近年来，随着微纳工艺的进步和材料的不断丰富，品质因数为108~109的回音壁模式光学微腔(WGMR)可以将激光器输出的线宽压窄到Hz量级甚至更窄，逐渐逼近肖洛-汤斯线宽极限。图1展示了基于WGMR激光自注入锁定技术的窄线宽激光器结构图。

　　图1 基于WGMR激光自注入锁定窄线宽激光器的结构图

　　北京航空航天大学余霞教授课题组从窄线宽激光器技术出发，聚焦于WGMR的激光自注入锁定技术，总结了基于WGMR激光自注入锁定的窄线宽单频激光器重要进展，并对其未来发展方向与应用前景进行了展望。

　　基于WGMR的激光自注入锁定技术的窄线宽单频激光器

　　基于WGMR的激光自注入锁定技术是以宽线宽多模激光器为泵浦光，在具有高Q值的WGMR的后向瑞利散射光作用下，实现单频输出与线宽压缩。

　　1996年，俄罗斯科学院Vassiliev等人将780 nm波段的半导体激光器与二氧化硅微球腔耦合，首次实现了基于回音壁模式微腔的激光自注入锁定。利用微腔的后向瑞利散射，实现了小于100 kHz 的输出线宽。随着微纳加工技术的迅速发展，基于WGMR的激光自注入锁定技术逐渐成熟。

　　2015年，美国OEwaves公司的研究人员研制了基于WGMR的自注入锁定激光器，并对激光器芯片进行了封装。通过将半导体激光器自注入锁定到MgF2材料的WGMR中，实现了积分线宽30 Hz，瞬时线宽亚Hz量级的窄线宽激光输出。

　　2017年，俄罗斯量子中心的Kondratiev等建立了WGMR激光自注入锁定的理论模型。模型推导的自注入锁定调节曲线如图2所示。调节曲线揭示了基于WGMR的激光自注入锁定激光器的输出频率、自由运转条件下的激光器频率与WGM的谐振频率三者的动态演化过程。

　　图2 基于WGMR的激光自注入锁定带宽调节

　　从图2可以看出，当激光器频率从红移处向WGMR的谐振频率方向扫描时，激光器频率与WGMR的谐振频率的差值减小，激光器的输出频率会跳变到自注入锁定带宽内。在该锁定带宽内，自注入锁定激光器的输出频率牢牢地锁定在微腔的谐振频率上。基于调节曲线可以推导基于WGMR激光自注入锁定的线宽压缩系数。线宽压缩系数与WGMR的品质因数的平方成正比。基于现有技术能够实现的Q值， MHz的激光器输出线宽极限可被压缩至亚Hz量级。

　　2020年，俄罗斯量子中心的研究人员对上述理论模型进行了更深入的研究。研究指出，基于WGMR的激光自注入锁定系统中有5个重要参数，分别为：后向散射系数、反馈光的相位延迟、频率失谐度、泵浦耦合效率以及反馈回路的光程长度。通过对5个参数进行统筹优化，可以实现更稳定的线宽压缩效果。

　　2021年，清华大学陈明华教授课题组提出了一种亚波长空缺陷辅助微环谐振器，通过在微环腔中引入亚波长空缺陷并优化几何参数，调节后向散射系数以实现更好的线宽压缩效果。空的引入改变了微腔内的相向传播光场间的耦合，实现了反射光场的相干增强。研究者在Si3N4材料平台制备了该微腔，实现了激光器的窄线宽输出，其固有线宽为34.2 Hz，积分线宽为 3 kHz。

　　另一方面，光学微纳加工工艺的发展为不同材料高Q值WGMR的实现奠定了基础。这些高Q值的WGMR涵盖了紫外光至中红外波段的光谱范围，具有全光波段窄线宽单频激光器的潜力。近年来不同波段的基于WGMR激光自注入锁定结构的窄线宽单频激光器以及输出线宽如表1所示。

　　表1 不同波段的基于WGMR的激光自注入锁定结构的窄线宽单频激光器

　　总结与展望

　　基于WGMR的激光自注入锁定技术可以实现极窄线宽、高集成度的窄线宽单频激光器。WGMR的工艺和材料在宽波长范围都实现了低传输损耗性能，可以与不同波段的激光器相结合。在基于WGMR的激光自注入锁定技术未来的研究和发展趋势中，下列方向值得进一步关注：

　　1. 实现激光器极窄线宽输出和片上WGMR实用化的关键是提高微腔的Q值。目前，基于Si、SiO2、Si3N4等材料平台已实现了超过108的超高Q值。而为了逼近线宽极限，需要品质因数为109~1010的微腔。需要进一步优化微纳制造工艺，降低WGMR的散射损耗，实现Q值一到两个量级的提高。

　　2. 统筹优化基于WGMR激光自注入锁定结构中的反馈强度、频率失谐度、相位延迟、泵浦耦合效率以及光反馈回路的光程长度，实现更窄线宽的激光输出。理论研究指出，在微腔具有相同Q值的情况下，通过优化结构参数，线宽压窄系数可以提高10倍。目前的研究聚焦于控制结构中反馈强度以及频率失谐度优化线宽压窄系数。在结构中对其他参数进行优化是实现极窄线宽激光输出，挑战线宽极限的新思路。

　　3. 基于WGMR的激光自注入锁定技术能够实现极窄的瞬时线宽，但其长期频率稳定性存在一定局限性。影响的主要因素有热噪声，以及由光学路径抖动引起相位变化。这两种技术噪声的存在，使得激光器线宽很难达到极限。因此需要采取措施抑制热噪声和稳定光学路径，以提高激光器的长期频率稳定性。

　　4. 微腔光频梳是光学钟、光谱测量、超快测量等领域的重要光源。在WGMR中产生光频梳通常需要窄线宽光源作为泵浦。而基于WGMR的激光自注入锁定技术可以将普通的半导体激光器直接与WGMR中的四波混频效应相结合，产生微腔光频梳。基于WGMR的激光自注入锁定技术产生的极窄线宽，低噪声的泵浦光，更有利于实现高性能的全片上微腔光频梳。

参考文献： 中国光学期刊网

您好，可以免费咨询技术客服[Daisy]

官网 筱晓(上海)光子技术有限公司 

欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产品链接给您。

免责声明：
资讯内容来源于互联网，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请联系我们将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。