基于微腔的激光自注入鎖定技術——挑戰肖洛湯斯線寬極限

更新時間：2025-08-25

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　　研究背景

　　激光技術發明60多年來，人類的社會生活發生了深刻的變化，這項技術在科技、醫學、工業等領域都有著廣泛應用。隨著相干光學通信、光學原子鐘、引力波測量等前沿科學技術的興起和研究的不斷深入，具有超低噪聲且長期穩定的窄線寬激光成為上述高精密測量領域的研究熱點。

　　肖洛-湯斯線寬是指只具有量子噪聲的激光器線寬，其量級通常為mHz;但由于技術噪聲的存在，實驗測得的激光器線寬遠遠大于這個數值。激光自注入鎖定是一種抑制技術噪聲以獲得窄線寬光源的手段。激光自注入鎖定一般采用雙腔結構，其中激光諧振腔產生的線寬較寬的弱單頻激光被注入到外腔中，由外腔產生的光反饋穩定激光諧振腔，從而降低激光器頻率噪聲，實現線寬壓窄。激光自注入鎖定結構不需要額外的電學器件，因此結構簡單且帶寬不受限制。

　　外部諧振腔的品質因數Q值是獲得窄線寬激光的關鍵。近年來，隨著微納工藝的進步和材料的不斷豐富，品質因數為108~109的回音壁模式光學微腔(WGMR)可以將激光器輸出的線寬壓窄到Hz量級甚至更窄，逐漸逼近肖洛-湯斯線寬極限。圖1展示了基于WGMR激光自注入鎖定技術的窄線寬激光器結構圖。

　　圖1 基于WGMR激光自注入鎖定窄線寬激光器的結構圖

　　北京航空航天大學余霞教授課題組從窄線寬激光器技術出發，聚焦于WGMR的激光自注入鎖定技術，總結了基于WGMR激光自注入鎖定的窄線寬單頻激光器重要進展，并對其未來發展方向與應用前景進行了展望。

　　基于WGMR的激光自注入鎖定技術的窄線寬單頻激光器

　　基于WGMR的激光自注入鎖定技術是以寬線寬多模激光器為泵浦光，在具有高Q值的WGMR的后向瑞利散射光作用下，實現單頻輸出與線寬壓縮。

　　1996年，俄羅斯科學院Vassiliev等人將780 nm波段的半導體激光器與二氧化硅微球腔耦合，實現了基于回音壁模式微腔的激光自注入鎖定。利用微腔的后向瑞利散射，實現了小于100 kHz 的輸出線寬。隨著微納加工技術的迅速發展，基于WGMR的激光自注入鎖定技術逐漸成熟。

　　2015年，美國OEwaves公司的研究人員研制了基于WGMR的自注入鎖定激光器，并對激光器芯片進行了封裝。通過將半導體激光器自注入鎖定到MgF2材料的WGMR中，實現了積分線寬30 Hz，瞬時線寬亞Hz量級的窄線寬激光輸出。

　　2017年，俄羅斯量子中心的Kondratiev等建立了WGMR激光自注入鎖定的理論模型。模型推導的自注入鎖定調節曲線如圖2所示。調節曲線揭示了基于WGMR的激光自注入鎖定激光器的輸出頻率、自由運轉條件下的激光器頻率與WGM的諧振頻率三者的動態演化過程。

　　圖2 基于WGMR的激光自注入鎖定帶寬調節

　　從圖2可以看出，當激光器頻率從紅移處向WGMR的諧振頻率方向掃描時，激光器頻率與WGMR的諧振頻率的差值減小，激光器的輸出頻率會跳變到自注入鎖定帶寬內。在該鎖定帶寬內，自注入鎖定激光器的輸出頻率牢牢地鎖定在微腔的諧振頻率上。基于調節曲線可以推導基于WGMR激光自注入鎖定的線寬壓縮系數。線寬壓縮系數與WGMR的品質因數的平方成正比。基于現有技術能夠實現的Q值， MHz的激光器輸出線寬極限可被壓縮至亞Hz量級。

　　2020年，俄羅斯量子中心的研究人員對上述理論模型進行了更深入的研究。研究指出，基于WGMR的激光自注入鎖定系統中有5個重要參數，分別為：后向散射系數、反饋光的相位延遲、頻率失諧度、泵浦耦合效率以及反饋回路的光程長度。通過對5個參數進行統籌優化，可以實現更穩定的線寬壓縮效果。

　　2021年，清華大學陳明華教授課題組提出了一種亞波長空穴缺陷輔助微環諧振器，通過在微環腔中引入亞波長空穴缺陷并優化幾何參數，調節后向散射系數以實現更好的線寬壓縮效果。空穴的引入改變了微腔內的相向傳播光場間的耦合，實現了反射光場的相干增強。研究者在Si3N4材料平臺制備了該微腔，最終實現了激光器的窄線寬輸出，其固有線寬為34.2 Hz，積分線寬為 3 kHz。

　　另一方面，光學微納加工工藝的發展為不同材料高Q值WGMR的實現奠定了基礎。這些高Q值的WGMR涵蓋了紫外光至中紅外波段的光譜范圍，具有全光波段窄線寬單頻激光器的潛力。近年來不同波段的基于WGMR激光自注入鎖定結構的窄線寬單頻激光器以及輸出線寬如表1所示。

　　表1 不同波段的基于WGMR的激光自注入鎖定結構的窄線寬單頻激光器

　　總結與展望

　　基于WGMR的激光自注入鎖定技術可以實現極窄線寬、高集成度的窄線寬單頻激光器。WGMR的工藝和材料在寬波長范圍都實現了低傳輸損耗性能，可以與不同波段的激光器相結合。在基于WGMR的激光自注入鎖定技術未來的研究和發展趨勢中，下列方向值得進一步關注：

　　1. 實現激光器極窄線寬輸出和片上WGMR實用化的關鍵是提高微腔的Q值。目前，基于Si、SiO2、Si3N4等材料平臺已實現了超過108的超高Q值。而為了逼近線寬極限，需要品質因數為109~1010的微腔。需要進一步優化微納制造工藝，降低WGMR的散射損耗，實現Q值一到兩個量級的提高。

　　2. 統籌優化基于WGMR激光自注入鎖定結構中的反饋強度、頻率失諧度、相位延遲、泵浦耦合效率以及光反饋回路的光程長度，實現更窄線寬的激光輸出。理論研究指出，在微腔具有相同Q值的情況下，通過優化結構參數，線寬壓窄系數可以提高10倍。目前的研究聚焦于控制結構中反饋強度以及頻率失諧度優化線寬壓窄系數。在結構中對其他參數進行優化是實現極窄線寬激光輸出，挑戰線寬極限的新思路。

　　3. 基于WGMR的激光自注入鎖定技術能夠實現極窄的瞬時線寬，但其長期頻率穩定性存在一定局限性。影響的主要因素有熱噪聲，以及由光學路徑抖動引起相位變化。這兩種技術噪聲的存在，使得激光器線寬很難達到極限。因此需要采取措施抑制熱噪聲和穩定光學路徑，以提高激光器的長期頻率穩定性。

　　4. 微腔光頻梳是光學鐘、光譜測量、超快測量等領域的重要光源。在WGMR中產生光頻梳通常需要窄線寬光源作為泵浦。而基于WGMR的激光自注入鎖定技術可以將普通的半導體激光器直接與WGMR中的四波混頻效應相結合，產生微腔光頻梳。基于WGMR的激光自注入鎖定技術產生的極窄線寬，低噪聲的泵浦光，更有利于實現高性能的全片上微腔光頻梳。

參考文獻：中國光學期刊網

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