技术分享 | 窄线宽激光器技术及进展
2023-09-22 16:06:15 | 技术支持          浏览量:4011

技术分享 | 窄线宽激光器技术及进展


摘 要:本文首先介绍了窄线宽激光器的应用需求与架构演化脉络,随后介绍了主腔激光和固定外腔反馈激 光的研究进展。然后重点介绍了新近发展的自适应分布反馈窄线宽激光器,对该类新型激光器的物理思想、核心器件和系统性能进行了分析和讨论。最后以分布式光纤传感、激光相干通信以及片上光信息处 理作为典型应用领域介绍了窄线宽激光器的潜在应用,并展望了窄线宽激光器的发展前景和未来趋势。

关键词:激光;窄线宽;相干性;自适应分布反馈;瑞利散射;光纤传感;相干通信;片上光子 


引言

自 1960 年第一台红宝石激光器问世以来[1-2],激光波长、功率以及线宽等参数性能不断提升,推动了制 造业、生命科学、信息技术、科学研究和国防等领域的快速发展[3-7]。其中,激光线宽是决定激光相干性的关 键因素,一直是科学家们研究激光技术的重点。激光线宽存在的本质在于激光运转过程中会受到增益介质 中自发辐射引起的相位和强度扰动影响,使得激光输出信号的频率存在高斯白噪声,从而引起激光谱线呈 现洛伦兹线型的本征展宽[8-10]。此外,激光器也容易受到外部环境中温度变化和振动带来的经典噪声的影 响,进一步拓宽了激光线宽。以上因素使得激光相干性大幅降低,在很大程度上限制了基于高相干激光的 科学研究和工业应用领域发展。因此,激光线宽压缩技术已经成为获得高相干光源的关键科学问题。随着 激光及应用研究的深入开展,对激光器的综合参数性能提出了越来越高的要求,窄线宽激光器正沿着线宽 超窄、时频超稳、波长可调和波长可扫等方向发展。


为了有效抑制腔内自发辐射对受激辐射的时空扰动,并在此基础上进行时频参数的任意调控,激光自 发明以来,逐渐发展了主腔激光、固定外腔反馈激光和自适应分布反馈激光等构型的激光器。在第一阶段,人们主要研究具有单纵模输出特性的主腔激光,通过在激光腔内插入滤波元件并尽量缩小激光腔长,确保 激光有效增益带宽范围内仅有单个纵模获得激射。采用的激光主腔结构主要包括分布布拉格反射结构(Distributed Bragg Reflector,DBR)、分 布 反 馈 结 构(Distributed Feedback,DFB)、非 平 面 环 形 腔 结 构 (Nonplanar Ring Oscillator,NPRO)、布里渊增益腔结构以及复合腔结构[11-15]。以稀土掺杂光纤激光和半导体激光为例,它们因为具有寿命长、尺寸小、成本低、可靠性高以及易于产业化等优点,被作为单纵模窄线宽 激光主腔的主要增益介质体系[16-17]。对于光纤激光器,由于光纤较强的光局域作用易于实现模场匹配,因此 利用光纤光学元件可实现低损耗、可集成以及易控制的功能器件,易于探索主腔激光的自发辐射耦合与参 数的调控机制。但是光纤主腔激光器通常具有较大的腔长和较小的纵模间隔,易形成多纵模输出[18-19],一般 强度噪声比较高。而半导体激光器具有较平坦和大范围的增益谱特性,同时可实现片上集成,基于此研制 的单纵模窄线宽主腔激光器具有小型化、易于调控和规模化制造的优势。然而,在主腔激光器中,由于腔内 光子寿命有限,其线宽通常维持在几十 kHz 甚至 MHz 量级,一般相位噪声比较高,难以适应激光应用技术对 线宽参数越来越高的要求[20-23]。在第二阶段,人们通过在主腔激光外引入平面反射镜、反射光栅等固定外腔 的方式,延缓自发辐射与受激辐射的耦合速率,这种反馈方式为了有效提高激光腔内的光子寿命,不得不采 用较大的反馈腔长和反馈强度,导致反馈信号对激光主腔能量形成强烈的修正,容易造成激光腔内相位和 频率发生突变,最终导致多纵模激光输出[24-25]。采用窄带滤波元件对固定外腔光反馈的多纵模进行抑制,工 艺上需要精确控制主腔激光波长与反馈腔谐振波长进行匹配,即便如此也容易在温度变化和机械振动等应 用环境中失锁,且难以再次自动调节锁定,不利于恶劣环境或便携要求的工业应用。因为科学研究的需要,人们引入了腔外伺服电学反馈的激光稳频技术,利用这种光电反馈方式可以将主腔激光的频率稳定性提高 到与参考频率相同的水平,然而相应的光学频率基准通常采用放置于高真空、极限控温和隔振的单晶硅谐 振腔、光纤干涉仪、冷原子吸收体等窄带滤波元件[26-28],制作技术难度大、控制精度高、成本高昂且在恶劣工 业环境使用受限。近 10 年来,课题组独立提出基于自适应分布反馈的激光谐振腔架构,在减弱自发辐射和 受激辐射耦合强度的同时,可以避免反馈能量对受激辐射能量的破坏,从而实现激光线宽的深度压缩和波 长自适应[29-30]。在这种新型激光架构中,基于分布反馈提供的时空固定微扰,可以对激光腔内自发辐射的时 空随机微扰进行深度抑制,由于分布反馈结构在任意激光波长处均能工作,且该结构的时空分布特征具有 对受激辐射的频率和相位进行连续微弱修正的作用,并不破坏激光的频谱能量分布,因此可以对激光线宽 进行波长自适应压缩[31]。在这种激光架构基础上,国内外窄线宽激光的最新研究不断提出了各种具有分布 反馈特征的元器件对激光线宽进行深度压缩[32-37],取得了很好的实验结果,并且这类窄线宽激光器的产业化 也在快速推进。各类窄线宽激光器的不断发展将会进一步推动光学时钟、光学频率梳、相干光通信、超精密测量和微波光子信号处理等领域的发展。


本文从激光构型的角度综述了窄线宽激光器技术的起源和发展历程,并对不同架构下窄线宽激光器的 优缺点进行了总结和分析。重点介绍了基于自适应分布反馈的激光器线宽压缩机制、核心器件以及激光系 统最新的研究进展。在此基础上,介绍了窄线宽激光器对分布式光纤传感、激光相干通信以及片上光信息 处理等典型应用领域的性能进行提升的案例。最后对窄线宽激光器技术的发展做出了总结和展望。

主腔窄线宽激光器

要使激光器实现单纵模窄线宽,首先要抑制激光多纵模输出,获得稳定的单纵模激光,即在激光器的增 益带宽内有且仅有一个纵模运转。到目前为止,实现单纵模运转的方法主要有两大类:1)在确定增益带宽 内增大纵模间隔;2)在确定纵模间隔下减小增益带宽。按照激光器腔体结构的不同,窄线宽激光器的主腔 构型有线形腔和环形腔。对于线形腔激光器来说基本采用缩短谐振腔长度以增大纵模间隔,这类结构适合 半导体激光器和光纤激光器。线形腔具有结构简单、工作稳定的优点,但由于腔内激光为驻波,存在空间烧 孔效应,因此不能简单通过增加腔长实现线宽压缩。同短线形腔相比,环形腔结构通过利用较长的腔体结 构增加了光子在激光腔中的寿命,有助于获得更小的激光线宽,同时有利于消除空间烧孔效应,以直接获得 较高功率和能量的输出。但环形腔激光器在增大腔长的同时也会减小纵模间隔,导致选模结构复杂且容易 跳模[38]。本节介绍线形与环形主腔结构的窄线宽激光器。

1.1 线形主腔激光器

以分布反馈(DFB)结构、分布布拉格反射(DBR)结构等为主的线型腔窄线宽激光器由于谐振腔较短,约为厘米量级以下,增大了纵模间隔,是实现单纵模运转的方式之一。其中,半导体激光器受激发射的物理 过程与增益材料有源区内的电子-空穴对的运动密切相关,对于窄线宽半导体激光器,利用半导体激光器较 宽的增益谱结合光栅的选频特性,可以较为理想地实现半导体激光器的模式选择,因此,按照布拉格光栅分 布位置的不同,可分为 DFB半导体激光器和 DBR半导体激光器。DFB 半导体激光器的布拉格光栅分布于 整个谐振腔,如图 1(a)所示,具有较高的频率稳定性;DBR 半导体激光器的谐振腔通常由反射光栅结构和增 益区构成,如图 1(b)所示,输出功率高,输入电流大,但易功率抖动[39]。20 世纪 70 年代,美国贝尔实验室 KOGELNIK H 和 SHANK C V 首次提出了 DFB 主腔激光器的结构,研究了由后向布拉格散射提供反馈的 周期结构中激光振荡过程,其反馈结构分布在整个增益介质中并与增益介质集成,因而此类激光构型非常 紧凑和稳定[40];1973 年,美国加州理工大学的 NAKAMURA M 等利用光泵方式在 Ga As 材料上制作了第一 只受激谱宽为 0.83 μm 的 DFB 半导体激光器[41],此后,通过采用先进的光栅制备技术和芯片外延技术,国内 外研究机构致力于研发可满足不同需求的窄线宽、高效率、高功率激光器。2013 年,美国加州大学圣芭芭拉 分校 BELT M 等在一个超低损耗的氮化硅上设计了一组掺铒波导分布反馈激光器,通过在氮化硅层中刻蚀 提供激光反馈的侧壁光栅,实现了在 12 nm(1 531~1 543 nm)波长范围内 5 个单独的激光器阵列输出,其输 出激光线宽为 501 kHz[42];2018 年,法国巴黎萨克莱大学 DUAN J 等提出了一种基于 InAs/InP 量子点分布反馈激光器,所提出的激光器利用化学束外延(Chemical Beam Epitaxy,CBE)的方法在 n 型 InP 基板上生长,激光器的未掺杂活性区由 5 层堆叠的 InAs 量子点组成,通过制备条纹宽度为 3 μm、空腔长度为 1 mm 的脊形波 导激光器,在端面涂层以改变激光腔的反射率,利用这种设计,激光器输出线宽为 160 kHz[43];2019 年,美国 加州大学圣芭芭拉分校 HUANG D 等设计了一种 III-V 增益材料与 15 nm 长的硅波导布拉格反射结构集成 的 E-DBR 激光器,该激光器由一个 2.5 mm 长的增益部分、一个 0.3 mm 长的相位控制部分和一个 15 mm 长 的布拉格光栅组成,通过在结构中引入半径为 0.7 mm 的环形谐振器,实现了 500 Hz 的窄线宽输出[44]。

线形主腔激光器结构示意图

图 1 线形主腔激光器结构示意图[39]

窄线宽光纤激光器依赖于各种激射波段的传输光纤和增益掺杂光纤,主要利用高掺杂增益光纤结合光栅 刻蚀或其他反射结构来实现,激光腔体结构以 DFB、DBR 和法珀结构为主,线宽可以达到 kHz 量级。2004 年,SPIEGELBERG C 等利用由铒镱共掺的磷酸盐光纤和一对具有高低反射率的布拉格光栅所组成的 DBR 短腔 结构,获得了输出线宽小于 2 kHz 的激光输出[45]。华南理工大学于 2017 年设计并制作了一种基于 Er3+ /Yb3+ 共掺磷酸盐光纤(Er3+ /Yb3+ co-doped Phosphate glass Fiber,EYPF)的 DBR 激光器,激光器通过 16 mm 长的 EYPF 结 合 高 反 射 光 纤 布 拉 格 光 栅(Highly Reflective Fiber Bragg Gratings,HR-FBG)和 部 分 保 偏 FBG(Polarization Maintaining FBG,PM-FBG)构建,实现了功率为 20 mW、线宽为 1.9 kHz、波长为 1 603 nm 的激 光输出,其实验结构如图 2 所示[46]。2021 年,美国 Cybell 公司 WALASIK W 等通过在掺铥光纤内刻写高反射 率和低反射率的光栅,设计了一种工作波长在 2 051 nm 和 2 039 nm 处的 DFB-FBG 掺铥光纤激光器,激光输 出线宽为 5 kHz[47]。基于光纤的DFB激光器基本原理跟半导体 DFB 激光器类似,只不过光纤DFB激光器是在增益光纤上写性能良好的Ⅱ相移布拉格光栅来实现线宽压缩。

1603 nm DBR 光纤激光器

图2 1603nmDBR光纤激光器[46]

1.2环形主腔激光器 

环形腔结构是实现激光器单纵模输出的另一种架构,旨在通过增加腔长和光子在激光腔内的循环时间来减小线宽。环形腔窄线宽激光器结构多变,线宽可达到 kHz 量级,与线性腔结构相比,可以消除空间烧孔效 应,但由于环形腔激光器为全光纤结构,易受环境影响,强度噪声相对较高。2007 年,SUZUKI A 等通过将保 偏的相移光栅和光纤环形激光腔结合的方式实现了输出线宽为 6 kHz 的单纵模激光输出[48];2014 年,德国马克 斯-普朗克研究所 COLLODO C 等将高品质因子(108)的 CaF2 回音壁(Whispering Gallery Mode,WGM)微腔 应用于掺铒环形腔光纤激光器中,实现了波长为 1 530 nm、瞬时线宽为 650 Hz 的激光输出,其结构如图 3(a)所 示[49];2021 年,天津大学利用 3 m 长的荧光掺杂光纤(NufernSM-TSF-9/125)的饱和吸收效应结合高反射 FBG,提出了一种输出功率为 2.56 W、激光线宽为 3.3 kHz 的光纤环形腔激光器[50];同年,河北大学提出了一种 复合环形腔光纤激光器,利用 2.9 m 长的掺铒光纤,结合四通道偏振控制滤波器,实现了线宽小于 600 Hz、相对 强度噪声小于−154.58 dB/Hz 的激光输出[51]。除全光纤结构之外,非平面环形腔(NPRO)激光器也可以实现 窄线宽输出,20 世纪 80 年代,NPRO 激光器的概念被首次提出,KANE T J 等阐述了一种固态非平面内反射环 形激光器,包括具有两个镜面的单片固态激光器,这两个镜面用于定向改变光线的传播路径,当镜面位于足够 强度的磁场中时,激光将以单一模式发射[52];1989 年,ALAN C N 等指出,在外加磁场中,二极管激光泵浦的单 片非平面环振荡器可以作为单向行波激光器工作,二极管激光泵浦、单片结构和单向振荡导致了较窄的线宽 辐射,他们原理上分析了 NPRO 激光器的偏振特性,并为进一步降低 NPRO 激光器的线宽提供了理论支撑[53]。


此后,科学家致力于研究泵浦效率和斜率效率更高的 NPRO 激光器。NPRO 激光器具有腔内损耗低、强度噪声低和输出稳定等优势[54],图 3(b)是一种典型的 NPRO 激光器构型。2018 年,中国计量科学研究院通过二极管激光器直接将增益介质 Nd3+ :YAG 泵浦到亚稳态能级,当在 1 064 nm 波长条件下输入 7.6 W 的泵浦功率 时,激光输出功率可以达到 4.54 W,且其斜率效率可以达到 76.9%,其结构如图 3(b)所示[55]。

环形主腔激光器结构示意图

图 3 环形主腔激光器结构示意图[49,55]

固定外腔反馈窄线宽激光器

固定外腔光反馈技术是一种基于主腔激光外部光学元件的激光调控方法,其主要通过单面或少面的 具有时空固定反馈特性的光学元件对主腔激光的频率进行选择和反馈。由于增加外部反馈腔长有利于提 高腔内光子寿命,因此基于此方法是获得窄线宽激光器的一种常用手段[39]。由于固定外腔反馈会引起主 腔激光的相位突变,因此该类激光器的实际输出激光频率通常会较大幅度地偏离原主腔激光频率,且容 易引起激光多纵模振荡。为了提高激光频率的稳定性及频谱边模抑制比,通常需要引入窄带滤波元件,包括布拉格光栅和法珀腔滤波器等,这要求主腔激光的频率与滤波元件的谐振频率进行严格匹配,限制 了对激光线宽进行深压缩的能力,并极大地提高了固定外腔反馈激光对温度和振动等环境参数的控制要 求 ,不 利 于 工 业 化 应 用 。以 下 从 半 导 体 激 光 和 光 纤 激 光 两 方 面 介 绍 固 定 外 腔 反 馈 窄 线 宽 激 光 器 的 主 要 结构。


2.1外腔反馈半导体激光器 

外腔反馈半导体激光器利用外部光学元件对半导体激光芯片的出射光进行频率选择和反馈,根据外部光学反馈元件的不同,外腔反馈半导体激光器可以分为光栅反馈型和波导反馈型半导体激光器[39]。其中, 常见的光栅反馈型激光器包括 Littrow[56]或 Littman[57]结构以及采用体光栅[58]反馈等激光构型,其输出线宽 可以达到 kHz 量级。近年来,国内外研究人员致力于制作低损耗的硅波导结构,以降低半导体激光器的频 率噪声和强度噪声。2009 年,澳大利亚昆士兰大学 MCRAE T G 等利用微环谐振腔对半导体激光器的热光 锁 定 效 应 ,将 线 宽 从 1.4 MHz 压 缩 到 到 300 kHz,同 时 实 现 了 超 过 12 h 的 稳 定 锁 定 ,其 实 验 结 构 如 图 4 所 示[59]。2017 年,美国哥伦比亚大学 STERN B 等设计并制作了一种基于低损耗氮化硅波导耦合到 III-V 增益 芯片的片上集成窄线宽激光器,利用高 Q 的谐振环作为外腔反馈器件,实现了 13 kHz 线宽的激光输出[60]。2019 年,美国加州大学圣芭芭拉分校 XIANG C 等利用超低损耗氮化硅波导制作了布拉格光栅,将半导体增 益芯片耦合到光栅芯片上,实现了 320 Hz 线宽的激光输出,同时输出功率达到 24 mW[61]。2016 年,中科院 上海光机所将 DFB 激光器自注入锁定到 FBG-法布里珀罗(Fabry Perot,FP)腔透射谱的不同共振透射峰 上,实现了频率噪声为 40 Hz2/Hz、线宽约为 1 kHz 的窄线宽输出,其实验结构如图 5 所示[62]。

外腔光反馈半导体激光器虽然结构简单,但由于半导体激光增益介质的等离子色散效应,激光器的强度抖动会在半导体增益区转化为折射率的变化,从而引起激光器频率和相位抖动的加剧。因此,利用固定 外腔反馈对半导体激光器线宽进行压缩时,反馈强度过强,会引起线宽劣化,甚至出现混沌输出,失去单频 特性,相干性反而会大幅度下降[63-67]。

基于微环谐振腔热光锁定的窄线宽激光系统

图4 基于微环谐振腔热光锁定的窄线宽激光系统[59]


基于FBG-FP自注入锁定的DFB窄线宽激光器系统图

图 5 基于 FBG-FP 自注入锁定的 DFB 窄线宽激光器系统[62]

2.2外腔反馈光纤激光器 

外腔反馈光纤激光器通常采用外腔中的光功率回馈注入光纤激光主腔,从而对激光的输出频率进行锁定。在自注入锁定结构中,反馈腔的长度和回馈光功率的比例是实现线宽压缩的重要因素。2007 年,中科 院半导体所结合光注入反馈技术获得了可调谐的单纵模窄线宽激光输出,通过将复合腔与光纤 F-P 可调谐 滤波器相结合来构造激光器,在 1 527~1 562 nm 的波长范围内实现了 1.4 kHz 的单纵模窄线宽激光输出[68];2016 年 ,华 南 理 工 大 学 以 铒 镱 共 掺 磷 酸 盐 光 纤 作 增 益 的 短 腔 激 光 器 为 主 腔 ,结 合 自 注 入 反 馈 方 法 ,在 1 527 nm 到 1 563 nm 的波长范围内实现了对应线宽小于 700 Hz 单纵模激光输出[69];2018 年,他们利用如 图 6 所示的自注入反馈技术,有效抑制了模式跳变及频率漂移,输出的激光线宽窄于 600 Hz[70]。2021 年,南 京大学将两个 1/99 的光纤耦合器制成一个长度为 1.61 m,Q 值为 1.42×108 的光纤环形谐振器,通过将光纤 激光器自注入锁定到该环形谐振器上,实现了单纵模的选择和线宽的窄化,该结构实现了 40 dB 的高偏振消 光比、频率噪声为 0.3 Hz2/Hz、对应线宽为 0.92 Hz 的单纵模激光输出,其实验结构如图 7 所示[71]。2022 年,江苏师范大学沈德元团队提出了一种基于晶体谐振器的自注入锁定窄线宽光纤激光器,实现了频率噪声为 0.4 Hz2/Hz,对应的瞬时线宽为 1.26 Hz 的窄线宽激光输出,其中,晶体谐振器由两根平行的拉锥光纤(直径 为 2~5 µm)和一个氟化镁晶体组成 Q 值为 3.2×108 的 Add-Drop 结构,光纤激光器由一根 50 cm 长的掺铒 光 纤(Er-Doped Fiber,EDF)和 两 个 FBG 组 成 ,FBG 的 反 射 率 分 别 为 99.3% 和 11.7%,其 实 验 结 构 如 图 8 所示[72]。

基于自注入反馈的窄线宽激光系统图

图 6 基于自注入反馈的窄线宽激光系统[70]


基于光纤环形谐振器窄线宽光纤激光器系统图

图 7 基于光纤环形谐振器窄线宽光纤激光器系统[71]

基于Add-Drop 结构的窄线宽光纤激光器系统图

图8 基于Add-Drop 结构的窄线宽光纤激光器系统[72]

自适应分布弱反馈窄线宽激光器

基于自适应分布弱反馈的窄线宽激光器,主要通过外部微弱的分布扰动信号来有效抑制激光腔的自发 辐射,从而在常态条件下实现激光线宽深度压缩。

3.1激光线宽深压缩思想 

针对已经发展的主腔激光器和固定外腔激光器的优点和缺陷,我们提出了一种基于自适应分布弱反馈 的激光器模型。与传统的固定外腔光反馈相比,该激光结构提供了一种新颖的激光配置,以实现激光线宽的 极致压缩,如图 9(a)所示。其中,具有增益介质的主激光腔利用泵浦技术产生了初始宽带增益。随后,经过 初始增益振荡和纵模竞争后,初始激光信号从主腔的一侧输出到自适应分布反馈腔中。激光线宽展宽的原 因是激光能量循环往复地与自发辐射进行能量耦合,导致腔内激光频率受到周期性的随机干扰,形成谱线展 宽。为了减弱自发辐射的耦合强度,引入了自适应分布反馈结构。分布弱反馈深度压缩激光线宽的关键作 用,首先是利用分布反馈增加了激光在腔内的循环时间,降低自发辐射的噪声耦合速率,从而大幅度减小激 光的本征线宽;其次是分布式弱反馈可以认为是在时域上对激光相位的连续修饰,因为单个散射点的反馈强 度甚至比自发辐射还要弱(如图 9(a)的插图所示),它可以避免传统的固定腔反馈所引起的时域相位突变,而 传统的固定腔反馈通常会形成较强的多纵模竞争。分布式弱反馈不仅可以通过抑制自发辐射对主腔激光产 生的时空微扰从而降低自发辐射的耦合速率,而且能够保持激光器的单纵模工作状态,并实现激光线宽的极 致压缩。因此,基于弱分布反馈,主腔内每个运转周期自发辐射引起的相位波动(∆φ)和噪声耦合强度大幅 降低,如图 9(b)所示。因此,在相位噪声抑制过程中,激光线宽可得到极大的压缩,如图 9(c)所示。

基于分布弱反馈的激光线宽压缩原理图

图 9 基于分布弱反馈的激光线宽压缩原理

3.2分布弱反馈结构中的光谱演化  

目前,自适应分布反馈窄线宽激光的研究主要集中于对反馈元件的开发和制造,这是因为不同性质的反馈元件使激光器表现出不同的输出特性。我们研究了一维波导分布弱反馈结构中的光谱演化规律,从本 质上揭示了光谱演化的动态过程。根据 Jaynes-Cummings 理论模型[73-75],并考虑反馈结构的耗散[76],建立了 一个基于瑞利散射的分布弱反馈光谱演化模型,如图 10(a)所示[77]。理论计算在连续散射过程中光谱线宽 的演化过程,结果表明分布反馈结构相当于一个连续纯化光谱的动态净化器。由于在泵浦光传输过程中对 每个散射源都可进行连续的散射,散射场的谱线宽度随着第 k 阶散射点运转次数的增加而减小,如 10(b)所 示。如图 10(c)所示,黑色方形曲线显示了在分布弱反馈结构中连续散射过程中,第 k 阶反馈点谱线宽度与 传输距离 L 的关系。可以看出,随着反馈点距离 L 的增加,每个反馈点的谱线宽度都会减小;蓝色的五角星 曲线反映了连续散射过程中反馈结构中散射粒子的掺杂浓度对反馈点光谱演化的影响。意味着每个反馈 点的谱线宽度会随着掺杂浓度的增加而减小。在理论假设的基础上,提出了一个近似的理论预测,描述了 散射场谱线宽与传输长度 L 的关系。最终理论揭示了在连续散射过程中能够分离和收集散射场的条件下,构建一种分布式弱反馈结构能够实现线宽压缩的可行性。 为了进一步研究分布弱反馈结构中光谱演化规律,我们开展了对分布反馈结构频谱的实验探究,其测量

分布弱反馈结构光谱演化理论分析

图 10 分布弱反馈结构光谱演化理论分析[77]


装置如图 11(a)所示[78]。实验中,泵浦光是线宽为 6 MHz 的 DFB 激光器,由 30 dB 的高增益掺铒放大器放大, 并用隔离器将弱反射信号与环行器隔离。将泵浦光注入到分布反馈结构后,使用滤波器对受激布里渊散射进行过滤,最终得到分布反馈信号光。通过调节掺铒光纤放大器的增益来改变发射到分布反馈结构中的泵浦功 率。采用一种自外差测量方法对输出信号进行测量。图 11(b)表示随功率增加泵浦光的频谱演化,可以看出 在 200 MHz 的频率跨度其频谱宽度相对较宽。与此同时,随着泵浦功率的增加,分布弱反馈信号的频谱宽度 被大幅度压缩,如图 11(c)所示。同时,其对应的 3 dB 线宽随泵浦功率的变化如图 11(d)所示,泵浦光经过反馈 结构反馈信号的线宽从初始的 6 MHz 被大幅度压缩至 4 kHz。另外,产生窄线宽信号的输出功率和效率如 图 11(e)所示,可以看出,泵浦功率为 13 dBm 时,最大反射功率效率为 0.02%。尽管在分布反馈结构中一次往 返使反馈信号的反射功率效率很低,如图 11(e)所示,然而,由于掺铒光纤的毫秒弛豫时间,后向散射的瑞利信 号可以在多次往返中被相干放大,从而很大程度减小激光器的线宽[79]。最终实验测量的分布反馈结构中光谱 演化与理论计算结果符合较好,进一步证明了这种分布反馈信号能实现对激光线宽极致压缩的可行性。


为了进一步提高分布式反馈结构对激光波长变化的适应能力 ,加拿大渥太华大学 BAO X 研究组于 2022 年通过飞秒激光处理提出并实现了具有分布式反馈特性的光纤光栅阵列[80]。具体是采用刻面划痕法 沿保偏光纤(PM)制备了光栅阵列。该方法通过飞秒红外脉冲激光曝光,对 PM 光纤的折射率进行散斑处 理。光栅阵列原理和随泵浦量增加的光传输原理如图 12(a)所示。使用分辨率为 5 MHz 的光学频谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer,OSA)测量了分布式反馈光栅阵列的反射和透射光谱,如图 12(b)所示。结果表 明,在 1 550 nm 波长处的平均透过率为-20 dB,对应的透过率为 0.01,并且在反射谱显示出大量的谱峰,且 谱线宽度较窄。这种分布反馈特性体现在强散射无序介质中,多个散射路径的波干涉导致了光子的局域 化。此外,俄罗斯科学院自动化与电力研究所的 SERGEY A B 研究组报告了一种极短(10 cm)的低损耗人 工瑞利分布反射器的研制[81-82]。为了制作致密的人造瑞利散射光纤,他们采用飞秒激光直写技术实现了对 透明材料内部折射率分布的校正。这种方法可以在几乎任何类型的纤维中诱导任意几何形状的散射结构,因此可以很好地替代纳米粒子掺杂的纤维,而不会破坏保护涂层的完整性。折射率调制波导记录的实验原 理如图 12(c)所示。这里采用光频域反射法(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)测量反馈结 构在空间中的光场分布,其平均分布反馈电平比普通单模光纤高+41.3 dB/mm,如图 12(d)所示。结果表 明,在一维波导结构上制作的人工分布式反馈结构具有较强的反馈能力和波长适应性。


分布反馈结构中光谱演化的实验探究图

图 11 分布反馈结构中光谱演化的实验探究[78-79]


在一维波导提供波长自适应分布反馈的启示下,研究者提出了另一种减小激光线宽的有效方法,即利用 高品质因子(Q)谐振腔提供可积累的离散分布光反馈,其噪声抑制程度与 Q 因子的平方成正比。其中,高 Q 微 谐振器是实现大幅度线宽窄化的优秀候选器件,但是波长选择性也给控制带来困难。2012 年,美国加州理工 学院 VAHALA K J 团队通过化学刻蚀在硅基上实现了具有超高 Q 因子楔形微谐振器[83]。图 13(a)展示了光 学显微俯视图以说明所述谐振器几何结构和基模强度分布。最终测得了谐振器的扫描光谱,其具有 0.3 MHz 的超窄滤波带宽,如图 13(b)所示。另外,谐振器的自由光谱区对其性能也至关重要,通过对 5 种不同直径微腔 的测量可知,自由光谱区随直径增大而减小,如图 13(c)所示。在 2022 年的最新研究报道中,中科院上海光学 精密机械研究所提出并制备了一种 Q 因子达到铌酸锂材料本征吸收极限的微环谐振器[84]。从图 14(a)的光学 显微图可得知这种微环直径为 200 μm,且具有超光滑的表面特性。图 14(b)显示了微环在 1 566~1 570 nm 波 长范围内的透射光谱,表现出两组高阶横电(TE)和横磁(TM)模式。并且两种模态对应的 Q 因子都达到了 107 量级,这是目前所报道的铌酸锂晶体微环 Q 因子最高值。值得提及的是南京大学刘晓平团队提出了一种 利用光频域反射法(OFDR)提取光学微环谐振腔损耗特性的新方法[85]。与传统的光传输测量方法相比,OFDR 获得的空间分辨后向散射光信号可以清楚地显示谐振模由于腔内循环而增加的光路长度。另外,这种 后向散射光与前向透射光一样都具有波长分离的分布反馈特性。因此,这种高 Q 值微腔可作为典型弱分布反 馈元件应用于激光器的线宽压缩,从其扫描光谱也可得知这种高 Q 值微腔具有很强的波长选择性。


人造分布反馈短波导结构的原理及输出特性图

图 12 人造分布反馈短波导结构的原理及输出特性[80-82]


超高 Q 楔形谐振器及输出特性图

图13 超高Q楔形谐振器及输出特性[83]


超高Q铌酸锂微环及光学特性图

图 14 超高 Q 铌酸锂微环及光学特性[84]

3.3自适应窄线宽光纤和半导体激光器   

主腔结合固定外腔光反馈的激光构型属于单点强功率反馈,会造成主腔信号相位突变,为激光主腔引入新的纵模,不能保证线宽压缩过程中激光的单纵模运转。为了实现激光线宽极致压缩且波长自适应的激光 源,2010 年开始,团队提出了一系列能在宽波长范围内产生分布反馈信号的结构,如光纤、掺稀土离子波导、 微 环 等 微 纳 结 构 。2010~2013 年 ,我 们 提 出 了 主 腔 效 果 不 太 明 显 的 基 于 瑞 利 散 射 回 馈 的 窄 线 宽 激 光 器[79,86-87],达到了 1~2 kHz 的线宽,但稳定度不佳。2014 年,将分布反馈结构和稳定的激光主谐振腔结合,实 现了对光纤激光器线宽的大幅度压缩,达到了 200 Hz 线宽压缩[88],如图 15(a)所示。另外,也将这种分布反馈 机制应用于双波长和可调谐激光器中,实现了对不同波长激光线宽的同时压缩[89-90],如图 15(b)所示。然而, 这种激光配置较长的激光腔使其容易受到外部环境中温度波动和振动引起的热动力学噪声的影响,同时较 长的激光谐振腔不利于激光器朝着小型化方向发展。在 2022 年,为了实验探究分布反馈结构可保持激光单 纵模运转且宽范围波长调谐能力,搭建了多纵模主腔结合分布反馈结构的光纤激光系统,实现了边模抑制比 为 70 dB 高信噪比单频激光输出[91],如图 15(c)所示。另外,通过对主腔输出的激光波长的调节实现了波长范 围为 40 nm 的超窄线宽激光输出,其调谐范围主要受到滤波器调谐能力的限制,如图 15(d)。该实验结果表 明在不同波长通道下激光都可保持单纵模运行,提出的分布反馈结构具有波长自适应的边纵模抑制能力。在保证引入分布反馈不会引入新的共振模式造成多纵模振荡的基础上,为了进一步实现对激光线宽的 极致压缩,我们基于分布反馈线宽极致压缩的思想搭建了一种单纵模 DFB 激光主腔结合分布反馈结构的混 合集成式片上激光系统[29],如图 16(a)所示。基于该实验系统在常态条件下获得了积分线宽为 10 Hz 的激光


基于分布弱反馈的自适应光纤激光器图

图 15 基于分布弱反馈的自适应光纤激光器[88,90-91,31]


输出,如图 16(b)所示。另外,如图 16(c),在切换主腔 DFB 激光波长时通过对频谱的动态测量可知激光器 可以自动实现不同波长条件下的线宽压缩,这是目前其它外腔反馈机制无法满足的。进一步论证了这种分 布式反馈机制可以实现激光线宽的极致压缩,并且可实时跟踪匹配主腔波长的变化。另外,为了满足千赫 兹以下激光线宽测量的需求,我们提出了基于短光纤延迟自外差并利用相干包络谱的谱峰差值来对超窄激 光线宽进行精确探测的思想[92-93]。该方法可以有效消除延迟自外差干涉测量中心频率处高斯线型对线宽测 量的影响,从而实现对百 Hz 甚至 Hz 级别激光器线宽的精确探测。

基于分布反馈混合集成片上激光器图

图 16 基于分布反馈混合集成片上激光器[29]


另外,基于回音壁微腔等有效积累波长离散分布反馈能量的紧凑型光学元件可在保证激光良好的单纵 模运转情况下实现激光线宽的极致压缩,这也是分布反馈思想的良好应用案例[77]。2015 年,美国 OEwaves 公 司 MATSKO A B 等 设 计 了 一 种 品 质 因 子 高 达 6×108 的 氟 化 钙(CaF2)回 音 壁 模 式(Whispering Gallery Mode,WGM)微腔,当光注入到微腔内其表面产生后向共振瑞利散射形成分布式弱反馈信号,并将其与 DFB 激光器结合通过棱镜耦合形成分离式外腔半导体激光器,结构如图 17(a)所示[94],最终实现了 30 Hz 积分线宽 和 Hz 以下瞬时线宽的激光输出。2021 年,美国加州理工学院 VAHALA K J 团队报道了在大容量互补金属 氧化物半导体(CMOS)铸造中制备氮化硅波导的重要进展,实现了超过 2.6×108 品质因子的高集成谐振器。


通过分布反馈信号自注入锁定传统半导体分布反馈(DFB)激光器到超高 Q 微谐振器上,形成混合集成激光 器,装置如图 17(b)所示[95]。最终将激光频率噪声抑制了 5 个数量级,在高偏置频率下产生 0.2 Hz2/Hz 的频率 噪声,其对应的瞬时线宽为 1.2 Hz,这是以前集成激光器无法达到的水平。然而,回音壁微腔具有特定的谐 振波长,因此其具有的波长选择性会限制对主激光腔的波长适应性,无法在常态条件下实现连续大范围激光 波长调谐。清华大学陈明华团队也采用类似分布回馈的思想在混合集成的半导体激光器中实现了线宽压 缩[96],但是如果要实现自适应和高稳定,通过微环谐振腔构成的离散分布反馈或通过特殊波导构成的连续分 布反馈就是重要的技术手段,其核心思想都是团队提出的自适应分布反馈激光器新架构。


基于超高 Q 值微谐振腔窄线宽激光器图

图17 基于超高Q值微谐振腔窄线宽激光器[94-95]

4窄线宽激光器的典型应用

窄线宽激光器具有相干长度超长、相位噪声极低的优点,在光学传感、相干光通信和微波光子学系统等 领域具有非常重要的研究价值和应用前景,本节将重点介绍窄线宽激光器在分布式光纤传感、激光相干通 信以及片上光信息处理中的应用。

4.1分布式光纤传感    

随着对距离、精度的测量要求不断提高,分布式光纤传感系统中激光光源的性能提升至关重要。如在布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry,BOTDR)技术中,光源的线宽决定了温度 和应力的测量分辨率;在相干光频域反射(Optical Frequency Domain Reflectiometry,OFDR)技术中,可调谐的激光光源是影响 OFDR 性能的关键因素,激光光源的相干性越好,系统的传感距离和测量精度越好;在 相位干涉光时域反射(Phase Optical Time Domain Reflectometry,φ-OTDR)技术中,超窄的激光光源线宽 可以增强反射信号的干涉强度,进而大大提高测量灵敏度。2016 年,意大利那不勒斯大学 MINARDO A 等 利 用 输 出 线 宽 为 100 kHz 的 外 腔 激 光 器 ,结 合 布 里 渊 光 频 域 反 射(Brillouin Optical Frequency Domain Reflectometry,BOFDR)技术,在 5 km 的光纤长度上对 1 m 空间分辨率的布里渊频移进行了分布式测量[97];2017 年,南京大学张旭苹团队提出了一种基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)技术和互补 编码相结合的 BOTDR 技术,该技术以线宽为 10 kHz 的 DFB激光器为光源,达到 2 m 的空间分辨率,频率不 确 定 度 为 0.37 MHz,对 应 于 0.37°C 温 度 分 辨 率 或 7.4 με 应 变 分 辨 率[98];2020 年 ,法 国 诺 基 亚 贝 尔 实 验 室 AWWAD E 等提出了一种分布式声传感(Distributed Acoustic Sensing,DAS)技术,利用 OEwaves 公司生产 的在 10 μs 窗口处洛伦兹线宽低于 1 Hz 的超窄线宽激光器结合差分相位光学时域反射法(Δφ-OTDR)技术,对 50 km 以上单模光纤的多个振动事件进行了检测和识别,其实验系统如图 18 所示[99]。

基于窄线宽激光器的分布式传感系统图

图 18 基于窄线宽激光器的分布式传感系统[99]

4.2激光相干通信     

信号的传输容限和距离是相干光通信系统中重要的限制因素,高阶光调制和相干检测等方式为信号的长距离和大容限传输提供了优秀的解决方案,在相干光通信系统中,窄线宽激光器为其提供了稳定的光源。高阶相位调制对激光线宽有很高的要求。以能够对信号的幅度信息和相位信息同时进行调制的 m 进制正交 幅度调制(m-Quadrature Amplitude Modulation,m-QAM)为例,当系统采用 Square 16QAM 调制格式时,其 激 光 线 宽 的 容 限 在 120 kHz 左 右 ,而 采 用 Square 64QAM 调 制 格 式 时 ,则 要 求 激 光 线 宽 低 于 1.2 kHz[100]。2016 年,武汉邮电科学研究院提出了一种基于硅基微环谐振器外腔的可调谐激光器,输出的激光线宽约为 150 kHz,其结构如图 19 所示,测试了偏振多路复用的 16 位正交幅度调制(16-QAM)格式下的信号传输速 率,与稳定的商用窄线宽激光光源进行比较,商用窄线宽激光光源仅优于该系统 0.2 dB[101]。2018 年,美国哥 伦比亚大学 GUAN H 等提出了一种硅基混合外腔可调谐激光器,该结构将一个 III-V 半导体增益芯片嵌入 到硅芯片中,由环形谐振器构成反馈外腔,激光线宽达到 37 kHz,在 16QAM 格式下,传输速率达到 272 Gb/s, 首次实现了完整的硅光子相干通信传输链[102]。

基于硅基微环谐振器的可调谐激光结构图

图19 基于硅基微环谐振器的可调谐激光结构[101]

4.3片上光信息处理     

随着硅基光子学的发展,窄线宽激光器的片上集成成为国内外研究的热点之一,硅基光集成器件具有尺寸小、功耗低、易于与 CMOS 工艺兼容等优点,是实现微波光子、光频梳等系统小型化、集成化、低成本的 途径之一。近年来,随着工艺的不断成熟,窄线宽激光器在微波光子、光频梳等应用领域的作用日益突出。2020 年,美国加州理工学院 VAHALA K J 团队设计了一种集成孤子微光梳芯片,通过将 DFB激光器锁定到 四 个 高 Q 的 氮 化 硅 微 谐 振 器 上 ,实 现 了 重 复 频 率 低 至 15 GHz 的 微 梳[103]。近 期 ,北 京 大 学 使 用 铝 砷 化 镓(AlGaAs)上的微谐振器结合 DFB 激光器产生微光频梳,如图 20 所示,构建了高度集成的高可重组微波光子信号,实现了集成的光子链路传输[104]。利用光外差法是产生纯微波信号的重要方法,其核心是利用两束 相关的光波在光电探测器(Photoelectric Detector,PD)中拍频,调节两束激光的工作波长,可方便地调节拍 频信号的频率至微波波段。为了获得高质量微波源,对窄线宽激光器的线宽特性、频率稳定性和精密调谐 性具有非常高的要求,这是因为微波光子信号的时频稳定性主要取决于激光器的线宽特性,低噪声微波光子信号的处理通常要求激光线宽达到 Hz 乃至 Hz 以下量级,同时微波信号的可调谐特性取决于窄线宽激光器的精密调谐能力。

基于片上光频梳的光电子系统结构示意图

图 20 基于片上光频梳的光电子系统结构示意图[104]

结论

回顾过去几十年窄线宽激光器的整体发展历程,其研究已从具有简单固定外腔激光结构的实现、参数 性能的提升,发展至更深层面自适应分布反馈新型激光构型的探索。例如,从最初具有固定外腔为主的激 光构型到具有连续反馈特性的新型激光机制的开发应用,其激光线宽也从最初的几十 kHz 量级窄化至 Hz 量 级,线宽特性发生了质的飞越。基于自适应分布反馈窄线宽激光架构的发展,这种从“无序产生有序”的调 控思想会进一步促进激光参数调控的深入研究。随着多种具有分布反馈特征光学元器件的提出与实现,工 业应用级的激光器正在快速跨越千赫兹和赫兹量级,亚赫兹量级的超窄线宽激光器也会快速出现。根据现 有理论可知,利用自适应分布弱反馈可实现激光线宽 Hz 以下量级的压缩,但激光腔在受到外界温度波动和 振动影响的情况下,仍然会造成线宽拓宽,因此需要更精细的技术实现对反馈结构的制作,实现结构紧凑、反馈功率适当或相位可控的人工可控反馈元件;另外,也需要对整个激光系统进行更高精度的恒温隔振控 制。基于分布反馈的纯光学反馈特点,窄线宽激光器还将基于片上集成式反馈元器件,实现与激光增益芯 片的混合集成,为微纳光子学、片上光场调控、光量子调控和光电混合集成提供片上窄线宽光源方案。另一 方面,分布反馈架构具有波长自适应特点,因此在线宽深压缩的基础上具有对波长进行精密和大范围调谐 的巨大潜力。窄线宽激光的发展趋势不再局限于线宽参数性能的提升,更需要在窄线宽基础上实现具有大 范围连续波长调谐的能力,以应对各种科学技术进步和工业应用发展的需求。


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本文作者:朱涛,党来杨,李嘉丽,兰天意,黄礼刚,史磊磊

来源:《光子学报》第51卷28期




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