高功率环形激光调频梳输出功率突破100 mW

环形激光器的“功率与控制”难题

      半导体激光器因其紧凑的尺寸、灵活的操作性以及极宽的光谱覆盖范围，一直被视为极具潜力的光频梳光源。特别是具有皮秒级超快增益恢复时间的量子级联激光器，能够在纯直流偏置下实现自锁模，从而产生频率调制光梳。

      与传统法布里-珀罗腔不同，环形腔结构支持光波的单向传输，这种特性能够有效避免因空间烧孔效应引发的增益竞争和单模失稳问题。然而，为了保证单向激射的稳定性，以往多数环形QCL极度依赖波导弯曲损耗来进行光输出耦合。这种设计尽管其腔内循环的功率可能高达数百毫瓦，但实际可用的端面输出功率往往被严格限制在亚毫瓦级别。如何在高功率运行下保持单向性以及对发射方向进行灵活控制成为了研究人员面临的重大挑战。

精巧跑道型设计，实现功率与射频带宽的双重跃升

图1 跑道型激光器的性能表征

      为了打破这一局限，研究团队创新性地引入了带有定向波导耦合器的跑道型谐振腔结构。通过长达1.5 mm的长直耦合区，腔内激光得以被高效地引导并提取出来。实验结果显示，该器件在室温环境下，单侧波导端面的连续波输出功率飙升至105.6 mW。

图2 量子行走型跑道激光器的实验与仿真

      在大幅提升功率的同时，系统的高频射频调制性能也得到了显著优化。由于单步干法刻蚀工艺通常难以兼容外延再生长，以往器件的侧壁绝缘层较薄，导致射频截止频率极低。为此，研究人员在器件的调制区域专门沉积了厚达1500 nm的Si3N4钝化层，大幅降低了电极接触的寄生电容，成功将调制带宽跨越式提升至10 GHz以上。

图3 射频性能优化与频率梳功率缩放特性

      基于此优化，当向器件注入与环形腔往返频率共振的射频信号时，在强大的克尔非线性效应主导下，激光光谱会迅速展宽，形成跨度超过30 cm?¹且包络呈现完美厄米-高斯分布的量子行走光频梳。实验通过SWIFTS波形重建技术明确证实，这些光梳呈现出典型的频率调制特征。

全数字方向控制与极端环境免疫

      作为一种走向实用化的光谱学光源，高输出功率仅仅是准入门槛，对发光状态的精准调控以及对复杂环境干扰的抵抗力同样至关重要。该团队在总线波导结构上巧妙地设计了左、中、右三个独立的偏置电极。通过非对称地对这些电极施加偏置电压，研究人员可以独立控制波导各点反馈入腔内的自发辐射水平。这种机制使得操作者能够像操控数字开关一样，轻松实现激光在顺时针和逆时针激射方向之间的随意切换，且完全不会牺牲光梳的带宽、功率和重复频率等核心性能指标。

图4 跑道型激光器的全维度调控性能

      由于该系统始终运行于单向激射模式，任何耦合回跑道腔的反射光，其传播方向均与原本的激光激射方向逆向而行，因此不会与发光场发生任何破坏性的物理互作用。为了验证这一特性，研究人员在距离波导端面10 cm处放置了一面反射镜，将高达95%的输出光强行反射回波导中，进行了极其苛刻的极端光反馈测试。结果表明，无论反馈相位的条件如何改变，光梳的光谱形态均保持毫发无损，展现出了对延迟光反馈的绝对免疫能力。

总结与展望

      本项研究不仅通过干法刻蚀工艺和跑道型结构大幅降低了此类器件的制造成本，更在单一光子芯片上完美融合了高功率、宽光谱、方向可控及抗极端干扰等多种特性。未来，这种高度优化的制造平台为将多个环形激光器、总线波导以及微波传输线单片集成创造了充分条件。随着高频微波电子学与光子学工程的进一步深度交融，这些鲁棒性极强的光梳器件将为全集成片上双梳光谱仪的发展奠定坚实基础，并有望在多变环境下的精密光谱检测任务中大放异彩。

参考文献： 中国光学期刊网

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