新型激光稳定器助力高功率光通信！

【研究背景】

光子学是研究光的产生、传播和与物质相互作用的学科，因其在光通信、传感和量子技术等领域的广泛应用而备受关注。与传统的半导体激光器相比，集成光子设备具有更高的集成度和更小的尺寸，这使得它们在实现低噪声、窄线宽和高稳定性方面具有显著优势。然而，目前的集成激光系统仍面临着组件集成不兼容和光源体积过大的挑战，阻碍了它们的实际应用。

为了解决这些问题，近年来，极高质量因子的氮化硅环谐振腔被广泛研究，其能够提供长光子寿命和有效的反馈。尽管已有研究显示，通过自我注入锁定实现激光器的线宽减小，但在高功率操作时，该方法的局限性开始显现。此外，光隔离器的集成也带来了额外的复杂性，导致激光系统的操作变得更加困难。

为了解决这些问题，美国斯坦福大学（Stanford University）Alexander D. White, Geun Ho Ahn等携手设计并制备了一种被称为统一激光稳定器（Unified Laser Stabilizer，ULS）的新型纳米光子设备。该设备利用氮化硅环谐振腔的高质量因子，通过长光子寿命实现自我注入锁定，同时利用非相互作用的Kerr效应提供光隔离。该系统的独特设计使得激光器在运行过程中始终保持共振状态，从而简化了系统的复杂性。

通过这种新型设备，研究团队成功实现了激光的高效反馈稳定与隔离，显著提高了激光系统的性能。实验结果表明，该集成激光系统在开启和运行时都表现出出色的稳定性和可靠性，极大地推动了集成光子技术的发展。这一进展为实现真正的片上集成激光系统铺平了道路，将为光通信、传感和量子技术等领域的应用带来新的机遇。

【仪器解读】

本文通过集成的DFB激光器和可调电光激光器（ECL）的外差技术，首次实现了对片上激光系统的高精度频率分裂测量。这一过程揭示了在高功率下，传统自注入锁定方案的局限性，促进了我们对激光稳定性的理解。特别是，采用新型的氮化硅统一激光稳定器（ULS）设计，我们成功地实现了在高功率条件下的自注入锁定，从而显著降低了激光频率噪声。这一发现为光学隔离与频率噪声降低的耦合提供了新的视角。

在针对激光器频率噪声降低的现象，本文采用了热折射噪声（TRN）模拟和波动-耗散定理相结合的微观机理表征，得到了该系统在不同工作条件下的频率波动特征。这一过程揭示了热噪声对激光器性能的影响，为理解激光系统的稳定性提供了重要依据。通过对激光器工作频率与温度的深入分析，我们发现在高功率下，热噪声对激光稳定性的影响更加显著，从而挖掘了改进激光性能的新途径。

在此基础上，本文还通过时间域和频域表征手段，如脉冲隔离测量和频率依赖传输测量，系统地研究了反向信号的传输特性。这些表征手段的结合使我们能够全面理解DFB激光器与ULS之间的相互作用，最终验证了ULS在高功率环境下的有效性和可靠性。研究结果显示，ULS的设计能够被动地将DFB激光器的频率噪声降低25–35 dB，同时实现14 dB的光学隔离，进而推动了光子器件在激光技术领域的应用。

总之，经过多种表征手段的深入分析，本文揭示了高功率激光系统中的频率噪声机制，深入探讨了自注入锁定技术在高功率激光器中的适用性。通过对新型氮化硅材料的表征，制备了具有优异光学性能的新材料，推动了激光器技术的进步。这一研究不仅为光学隔离技术的发展提供了新的思路，也为未来在传感、计量及量子技术等领域的应用奠定了基础。

【图文速递】

图1: 工作原理。

、

图2: 隔离与降噪系数noise reduction factor，NRF的权衡。

图3: 高Q反馈。

图4: 器件性能。

【科学启迪】

本研究展示了一种新型的片上激光系统，该系统不仅具备窄线宽和内置光学隔离的优势，还克服了以往自注入锁定技术在高功率下失效的问题。这一成果表明，通过合理设计器件拓扑结构，可以实现强反馈与光学隔离的有机结合，从而显著降低激光频率噪声，提高系统的稳定性与可靠性。研究中，制造的氮化硅统一激光稳定器成功地实现了对集成DFB激光器的14 dB被动隔离，频率噪声降低了25–35 dB，这为未来的光子集成电路设计提供了新的思路。此外，研究者提出的将ULS作为激光腔内部镜子的设想，进一步推动了低插入损耗、高隔离及窄线宽激光源的开发。这项工作不仅为激光技术的发展注入了新的活力，同时也为量子技术、传感器及计量学等领域的应用提供了潜在的技术路径。

原文详情：White, A.D., Ahn, G.H., Luhtaru, R. et al. Unified laser stabilization and isolation on a silicon chip. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01539-3