理論上窄線寬激光是以單一頻率即單橫模、單縱模的狀態(tài)工作，對應(yīng)在頻域上只有相干受激輻射產(chǎn)生的單一譜線激光輸出，腔內(nèi)載流子漲落、光相位以及光子密度都處在穩(wěn)定的狀態(tài)，具有低相對強度噪聲和低頻率噪聲等優(yōu)點，同時激射波長具備非常高的邊模抑制比。

但是，在實際工作中，由于有源區(qū)無法消除的自發(fā)輻射，在受激輻射模式內(nèi)引入相位和強度擾動影響，使得激光輸出信號的頻率始終存在高斯白噪聲，從而導(dǎo)致單一激光頻率譜線出現(xiàn)洛倫茲線型的本征展寬，在頻譜上呈現(xiàn)一定寬度的包絡(luò)線，這種量子噪聲的波動決定了激光器線寬下限。這種微小的波動很容易被外部環(huán)境中機械/聲音變化或者熱變化引起的更大的波動所掩蓋，導(dǎo)致激光線寬繼續(xù)展寬，這些經(jīng)典噪聲影響決定了激光線寬的上限。線寬從頻域的角度描述頻率噪聲或相位噪聲，線寬越窄意味著激光頻率噪聲或相位噪聲越低。

線寬與激光器的自發(fā)輻射系數(shù)以及線寬展寬因子成正相關(guān)；與激光器的諧振腔長度和輸出功率成負(fù)相關(guān)。激光器腔長越長，腔內(nèi)損耗越小，端面反射率越高，光子壽命越長；輸出功率越大，自發(fā)輻射所占比例越低。因此，增加腔長、提高功率是壓縮單縱模激光線寬的有效方法。

窄線寬激光輸出的基本前提是實現(xiàn)單縱模輸出，窄線寬半導(dǎo)體激光器通常在諧振腔內(nèi)集成頻率選擇結(jié)構(gòu)或者在腔外部與選模器件進行耦合，提供對特定頻率的光反饋，當(dāng)頻率選擇器件的通帶寬度小于 2 倍縱模間隔時，可以有效控制不同縱模的增益損耗，確保激光有效增益帶寬范圍內(nèi)僅有單個縱模獲得激射。

根據(jù)頻率選擇結(jié)構(gòu)分布在有源腔內(nèi)外的不同，一般將窄線寬半導(dǎo)體激光器分為內(nèi)腔反饋型和外腔反饋型激光器。

內(nèi)腔反饋型窄線寬半導(dǎo)體激光器通常在有源腔內(nèi)集成布拉格光柵或者特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，比如分布反饋（Distributed Feedback，DFB）半導(dǎo)體激 光器、分布布拉格反射（Distributed Bragg Re fl ector，DBR）半導(dǎo)體激光器以及耦合腔半導(dǎo)體激光器。長腔長有源腔內(nèi)波導(dǎo)層摻雜會導(dǎo)致光損耗劇增，從而限制激光功率，制約了有源腔長度增加，導(dǎo)致激光線寬壓縮受限。一般的 DFB 和 DBR 激光器通常采用均勻的或帶有相移的分布反饋布拉格光柵結(jié)構(gòu)作為諧振腔，芯片尺寸限制在百微米量級，諧振腔的品質(zhì)因子較小，輸出功率較低，激光線寬一般在幾 MHz 到幾十 MHz 的水平。

外腔半導(dǎo)體激光器（External Cavity Diode Laser， ECDL）分為兩個部分，即提供增益的有源內(nèi)腔和提供反饋的無源外腔，從有源增益介質(zhì)發(fā)出的光經(jīng)過低損耗無源外部介質(zhì)后反饋回增益介質(zhì)，而低損耗無源外腔的引入增加了系統(tǒng)的光子壽命，從而壓窄線寬。需要注意的是，外腔型窄線寬半導(dǎo)體激光器是個廣義的概念，從嚴(yán)格意義上來講，僅當(dāng)有源內(nèi)腔為非諧振腔時，被稱為外腔結(jié)構(gòu)，如反射半導(dǎo)體光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplimer，RSOA）前端面制作反射膜，后端面制作高增透膜（端面反射率一般 10-3 ~10-5 ）。

由于后端面光反饋太小，腔內(nèi)無法形成光振蕩，因此只有在腔外提供足夠高的光反饋，使得腔內(nèi)激光光路往返過程中的光增益高于光損耗，才能形成激射；另外一種情況是有源內(nèi)腔為獨立激射的激光器，被稱為自注入結(jié)構(gòu)，選擇特定波長縱模注入激光器，導(dǎo)致該縱模 在模式競爭中優(yōu)先起振，優(yōu)先達到飽和狀態(tài)，使有源區(qū)的增益曲線下降。但是，二者都是通過加長激光腔長，通過窄帶反饋元件將選擇的激光頻率注入諧振腔從而“鎖定”諧振腔的輸出頻率，二者獲取更窄線寬的核心思想一致。

平面波導(dǎo)（Planar Light Waveguide Chip， PLC）是光子集成技術(shù)的重要應(yīng)用，為外腔反饋半導(dǎo)體激光器中窄帶濾波和光學(xué)反饋器件提供 了更加多樣化和靈活的選擇。通過在光學(xué)損耗較低的硅基材料，如絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SOI）、二 氧 化 硅（SiO2 ）或氮化硅 （Si3N4 ）上制作波導(dǎo)、光柵或微環(huán)等結(jié)構(gòu)，再通過模斑變換器或微透鏡與 III-V 半導(dǎo)體增益芯片、RSOA 或者 DFB 進行耦合集成，能夠在兼顧腔內(nèi)光子密度的同時提升光子壽命以壓縮激光線寬。另外，通過鍵合工藝將兩者固定在同一個熱沉上形成準(zhǔn)單片集成的結(jié)構(gòu)，有助于減小器件體積和制作成本。

北京大學(xué)常林老師課題組實現(xiàn)了超窄線寬混合集成窄線寬激光器，有源部分為 DFB 激光器，無源濾波部分為品質(zhì)因子為 2.6×108的 Si3N4微環(huán)，采用低限制氮化硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光傳輸損耗降至 0.1 dB/m，最終實現(xiàn)了  Hz 量級線寬輸出。

參考文獻

[1]崔強,雷宇鑫,陳泳屹等.寬調(diào)諧窄線寬外腔半導(dǎo)體激光器研究進展[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2022,52(07):1149-1168.

[2]齊志強,胡文良,沈征征等.外腔窄線寬半導(dǎo)體激光器研究進展[J].光學(xué)與光電技術(shù),2023,21(02):1-10.

[3]朱濤,黨來楊,李嘉麗等.窄線寬激光器技術(shù)及進展（特邀）[J].光子學(xué)報,2022,51(08):61-81.

轉(zhuǎn)自：新賽道投資調(diào)研

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文僅供交流學(xué)習(xí)之用，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時處理。