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[转载]FOP | 综述:激光自注入锁定

已有 2972 次阅读 2023-4-18 16:02 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

TOPICAL REVIEW


Nikita M. Kondratiev*, Valery E. Lobanov, Artem E. Shitikov, Ramzil R. Galiev, Dmitry A. Chermoshentsev, Nikita Yu. Dmitriev, Andrey N. Danilin, Evgeny A. Lonshakov, Kirill N. Min’kov, Daria M. Sokol, Steevy J. Cordette, Yi-Han Luo, Wei Liang, Junqiu Liu*, and Igor A. Bilenko, Recent advances in laser self-injection locking to high-microresonatorsFrontiers of Physics 18(2), 21305 (2023)

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https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-022-‍1245‍-3 

https://journal.hep.com.cn/fop/EN/10.1007/s11467-022-12‍45-3

Open Access: https://doi.org/10.1007/s11467-022-12‍45-3



激光自1960年首次在实验室中被发现,其极佳的相干性和亮度,吸引了各国研究人员的关注和深入研究。历经60余年的发展,商用激光器已经广泛应用于包括光通讯、精密测量、芯片加工等诸多领域。激光器一定程度上改写了人类文明的发展轨迹。


相干性是激光光源的核心特性之一,提升激光光源的相干性一直以来都是该领域技术发展的重中之重,其中两个典型的代表便是窄线宽激光器和光学频率梳。窄线宽激光器具有单一纵模、小于1 MHz量级的光谱宽度,对于高精度激光雷达、原子激光冷却、高速相干光通信等前沿领域具有重要意义。光学频率梳基于锁模激光器,将其重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准,便得到绝对频率确定,且严格等间隔的频率标尺,可用于光学原子钟、激光测距以及精密光谱测量等领域。


尽管如此,当今窄线宽激光器以及光学频率梳,都需结合较复杂的主动反馈机制,系统体积较大,大多安装于光学实验室中,在上天等对载荷体积及重量具有限制的特殊应用场景无法胜任。因此,装置的小型化是激光领域另一个重点发展的方向。近年来,随着光芯片加工工艺的逐渐成熟,基于磷化铟和硅异质集成的电泵浦分布式反馈(DFB)激光芯片走入人们的视野。此类激光芯片已完成商业转化,广泛应用于光纤通信网络以及数据中心的构建。但由于工艺的不完美等原因,激光芯片自身的腔精细度往往不高,这意味着此类激光器其出射光,其频率不可避免地存在涨落,即,仅靠激光芯片自身不可能实现集成窄线宽激光器的构建。


一个较为自然的方法是为激光芯片引入主动反馈机制,但这无疑会增加系统的复杂度,使其鲁棒性降低,体积增大,与通过集成达成系统芯片化的目的相悖。因此为实现片上窄线宽激光器,寻找一种被动锁定机制势在必行。激光与谐振腔的自注入锁定为片上窄线宽激光器的实现提供了思路。


激光自注入锁定的原理如图所示,左侧激光器出射激光耦合进入外腔,由于外腔加工的不完美等原因,其顺/逆时针传输模式间产生耦合,导致部分激光经由外腔的背散射,重新回到激光器谐振腔内。外腔的存在,相当于为激光器在外部增加了一块带有外腔信息的额外腔镜。这样的等效三腔镜系统,其传输特性与传统激光谐振腔有着较大区别:当外腔品质因子足够高时,即便激光谐振腔自身的共振频率存在涨落,在一定涨落范围内,三腔镜系统的共振频率依然被锁死在外腔的共振频率附近,从而起到对激光器的线宽压窄作用。在特定的参数组合下,这样的三腔镜系统甚至可以达到比外腔更窄的共振线宽。自注入锁定是一种完全被动的激光频率锁定方法,十分适合构建片上窄线宽激光器。


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事实上,激光自注入锁定带给我们的不仅如此。当外腔中存在克尔效应后,这样的三腔镜系统,其整体共振频率会向外腔红失谐方向偏移。对于反常色散的外腔,这样的红失谐泵浦会直接导致克尔孤子的产生。也就是说,只要系统参数合适,基于自注入锁定,激光器-外腔系统可以直接产生克尔光频梳,而无需复杂的稳定、扫频机制。


近年来,随着片上光波导工艺水平的逐步提升,片上波导的损耗逐步降低。例如,基于氮化硅平台,强束缚光波导损耗已经低至1 dB/m,由其构成的微环谐振腔的品质因子高达107量级。这使得片上窄线宽激光器和自注入锁定克尔光频梳的构建成为可能。2020年,瑞士和美国科学家联合团队基于三五族激光芯片和氮化硅超低损耗光芯片混合集成,实现了全封装芯片级半导体窄线宽激光器和混合封装克尔光梳;2021年,美国科学家展示了基于三五族激光芯片和氮化硅超低损耗光芯片的混合集成,本征线宽低至赫兹量级的集成超窄线宽激光器;同年,瑞士和美国科学家联合团队,通过三五族激光器工艺和超低损耗氮化硅工艺的异质集成,实现了全封装芯片级半导体窄线宽激光器和混合封装的光梳。


回顾历史,自上世纪八十年代,人们发现可以通过为Fabry–Pérot激光器输出端增加一块半反镜,从而实现谱线压窄开始,在过去40年中,来自各国的研究者不断在理论和实验上对其完善和扩充,直至当下其在片上窄线宽激光器和光学频率梳中的成功应用。自注入锁定机制不仅在理论上不断刷新人们对激光和谐振腔的认知,也为集成光学在激光领域的发展打开了全新的道路。然而,迄今关于激光自注入锁定这一日趋成熟的方向,尚未有综述文章对其进展进行系统整理。


近日,由深圳国际量子研究院刘骏秋研究员牵头,与俄罗斯量子中心Igor A. Bilenko研究组、阿联酋技术创新研究所Nikita Kondratiev以及苏州纳米所梁伟研究员合作,于Frontiers of Physics发表综述文章Recent advances in laser self-injection locking to high-Q microresonators” [Front. Phys. 18(2), 21305 (2023)]。文章回顾了激光自注入锁定的发展历史,梳理了在过去40年中该领域在理论和实验上的发展,特别是近10年基于集成光学的激光自注入锁定的相关实验进展,并对该领域尚未解决的问题及未来发展方向进行了展望。文章对激光自注入锁定的诸多细节,包括光谱塌缩、多激光器/多频率锁定、热效应对自注入锁定的影响都进行了较为系统的讨论。在集成光学工艺趋于成熟的今天,该综述对片上窄线宽激光器和克尔光频梳的进一步发展和成熟具有重要意义。


如审稿专家所说,这一综述论文内容非常丰富,水平非常高。正如作者所说,最近片上的激光是非常热门的领域,自注入锁定会是一个非常重要的研究方向,而这样重要的方向却至今没有一篇相关的综述,该论文填补了这一空白。


通过耦合高品质因子谐振腔实现窄线宽激光已经是一个老话题,但激光自注入近年来引起了广泛的关注,并在激光雷达或量子传感的窄线宽激光源、光频梳等方面得到了广泛的应用。作者对自注入锁定激光器的基本理论和最新研究进展进行了梳理,对激光自注入锁定的理论背景和技术发展作了全面的介绍,对未来发展给出了高层次的展望,并指出了这一领域的真正挑战。由于窄线宽激光器/光频梳在许多场景中有用途,我相信本手稿对于本领域研究人员有极大的参考价值,将引起科学界和工业界的极大兴趣。”

(撰稿 & 整理:罗弋涵 & FOP编辑部)



机构简介


俄罗斯量子中心(Russian Quantum Center, RQC)是俄罗斯量子信息科学的牵头机构之一,在前沿探索、人才培养、产业孵化以及促进各国合作等方面做出了重大贡献。RQC研究员Igor A. Bilenko教授长期致力于光学谐振腔动力学性质研究,包括介质微腔中光场的非线性演化及其与机械振子间的耦合。

深圳国际量子研究院坐落于深圳市深港科技创新合作区,是一所为落实国家粤港澳大湾区、中国特色社会主义先行示范区双区战略任务、加强与港澳地区的深度合作与融合的研究机构。研究院刘骏秋研究员团队成立于2022年,主要研究集成光学和MEMS技术在量子信息科学、光计算、激光雷达和空间科学上的应用。

中国科学院苏州纳米所纳米器件与应用重点实验室,围绕第三代半导体,重点布局新型显示关键材料器件、新型光场调控和感知技术等方向。梁伟研究员团队主要开展基于法布里波罗微腔的窄线宽激光研究,推动其在传感、量子等领域的应用。


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