窄線寬激光器技術(shù)及進(jìn)展（特邀）

朱濤，黨來(lái)?xiàng)?，李嘉麗，蘭天意，黃禮剛，史磊磊

（重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

0 引言

自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問世以來(lái)［1-2］，激光波長(zhǎng)、功率以及線寬等參數(shù)性能不斷提升，推動(dòng)了制造業(yè)、生命科學(xué)、信息技術(shù)、科學(xué)研究和國(guó)防等領(lǐng)域的快速發(fā)展［3-7］。其中，激光線寬是決定激光相干性的關(guān)鍵因素，一直是科學(xué)家們研究激光技術(shù)的重點(diǎn)。激光線寬存在的本質(zhì)在于激光運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)受到增益介質(zhì)中自發(fā)輻射引起的相位和強(qiáng)度擾動(dòng)影響，使得激光輸出信號(hào)的頻率存在高斯白噪聲，從而引起激光譜線呈現(xiàn)洛倫茲線型的本征展寬［8-10］。此外，激光器也容易受到外部環(huán)境中溫度變化和振動(dòng)帶來(lái)的經(jīng)典噪聲的影響，進(jìn)一步拓寬了激光線寬。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學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。因此，激光線寬壓縮技術(shù)已經(jīng)成為獲得高相干光源的關(guān)鍵科學(xué)問題。隨著激光及應(yīng)用研究的深入開展，對(duì)激光器的綜合參數(shù)性能提出了越來(lái)越高的要求，窄線寬激光器正沿著線寬超窄、時(shí)頻超穩(wěn)、波長(zhǎng)可調(diào)和波長(zhǎng)可掃等方向發(fā)展。

為了有效抑制腔內(nèi)自發(fā)輻射對(duì)受激輻射的時(shí)空擾動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)頻參數(shù)的任意調(diào)控，激光自發(fā)明以來(lái)，逐漸發(fā)展了主腔激光、固定外腔反饋激光和自適應(yīng)分布反饋激光等構(gòu)型的激光器。在第一階段，人們主要研究具有單縱模輸出特性的主腔激光，通過在激光腔內(nèi)插入濾波元件并盡量縮小激光腔長(zhǎng)，確保激光有效增益帶寬范圍內(nèi)僅有單個(gè)縱模獲得激射。采用的激光主腔結(jié)構(gòu)主要包括分布布拉格反射結(jié)構(gòu)（Distributed Bragg Reflector，DBR）、分布反饋結(jié)構(gòu)（Distributed Feedback，DFB）、非平面環(huán)形腔結(jié)構(gòu)（Nonplanar Ring Oscillator，NPRO）、布里淵增益腔結(jié)構(gòu)以及復(fù)合腔結(jié)構(gòu)［11-15］。以稀土摻雜光纖激光和半導(dǎo)體激光為例，它們因?yàn)榫哂袎勖L(zhǎng)、尺寸小、成本低、可靠性高以及易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，被作為單縱模窄線寬激光主腔的主要增益介質(zhì)體系［16-17］。對(duì)于光纖激光器，由于光纖較強(qiáng)的光局域作用易于實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)匹配，因此利用光纖光學(xué)元件可實(shí)現(xiàn)低損耗、可集成以及易控制的功能器件，易于探索主腔激光的自發(fā)輻射耦合與參數(shù)的調(diào)控機(jī)制。但是光纖主腔激光器通常具有較大的腔長(zhǎng)和較小的縱模間隔，易形成多縱模輸出［18-19］，一般強(qiáng)度噪聲比較高。而半導(dǎo)體激光器具有較平坦和大范圍的增益譜特性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)片上集成，基于此研制的單縱模窄線寬主腔激光器具有小型化、易于調(diào)控和規(guī)?；圃斓膬?yōu)勢(shì)。然而，在主腔激光器中，由于腔內(nèi)光子壽命有限，其線寬通常維持在幾十kHz 甚至MHz 量級(jí)，一般相位噪聲比較高，難以適應(yīng)激光應(yīng)用技術(shù)對(duì)線寬參數(shù)越來(lái)越高的要求［20-23］。在第二階段，人們通過在主腔激光外引入平面反射鏡、反射光柵等固定外腔的方式，延緩自發(fā)輻射與受激輻射的耦合速率，這種反饋方式為了有效提高激光腔內(nèi)的光子壽命，不得不采用較大的反饋腔長(zhǎng)和反饋強(qiáng)度，導(dǎo)致反饋信號(hào)對(duì)激光主腔能量形成強(qiáng)烈的修正，容易造成激光腔內(nèi)相位和頻率發(fā)生突變，最終導(dǎo)致多縱模激光輸出［24-25］。采用窄帶濾波元件對(duì)固定外腔光反饋的多縱模進(jìn)行抑制，工藝上需要精確控制主腔激光波長(zhǎng)與反饋腔諧振波長(zhǎng)進(jìn)行匹配，即便如此也容易在溫度變化和機(jī)械振動(dòng)等應(yīng)用環(huán)境中失鎖，且難以再次自動(dòng)調(diào)節(jié)鎖定，不利于惡劣環(huán)境或便攜要求的工業(yè)應(yīng)用。因?yàn)榭茖W(xué)研究的需要，人們引入了腔外伺服電學(xué)反饋的激光穩(wěn)頻技術(shù)，利用這種光電反饋方式可以將主腔激光的頻率穩(wěn)定性提高到與參考頻率相同的水平，然而相應(yīng)的光學(xué)頻率基準(zhǔn)通常采用放置于高真空、極限控溫和隔振的單晶硅諧振腔、光纖干涉儀、冷原子吸收體等窄帶濾波元件［26-28］，制作技術(shù)難度大、控制精度高、成本高昂且在惡劣工業(yè)環(huán)境使用受限。近10年來(lái)，課題組獨(dú)立提出基于自適應(yīng)分布反饋的激光諧振腔架構(gòu)，在減弱自發(fā)輻射和受激輻射耦合強(qiáng)度的同時(shí)，可以避免反饋能量對(duì)受激輻射能量的破壞，從而實(shí)現(xiàn)激光線寬的深度壓縮和波長(zhǎng)自適應(yīng)［29-30］。在這種新型激光架構(gòu)中，基于分布反饋提供的時(shí)空固定微擾，可以對(duì)激光腔內(nèi)自發(fā)輻射的時(shí)空隨機(jī)微擾進(jìn)行深度抑制，由于分布反饋結(jié)構(gòu)在任意激光波長(zhǎng)處均能工作，且該結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布特征具有對(duì)受激輻射的頻率和相位進(jìn)行連續(xù)微弱修正的作用，并不破壞激光的頻譜能量分布，因此可以對(duì)激光線寬進(jìn)行波長(zhǎng)自適應(yīng)壓縮［31］。在這種激光架構(gòu)基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外窄線寬激光的最新研究不斷提出了各種具有分布反饋特征的元器件對(duì)激光線寬進(jìn)行深度壓縮［32-37］，取得了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且這類窄線寬激光器的產(chǎn)業(yè)化也在快速推進(jìn)。各類窄線寬激光器的不斷發(fā)展將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)光學(xué)時(shí)鐘、光學(xué)頻率梳、相干光通信、超精密測(cè)量和微波光子信號(hào)處理等領(lǐng)域的發(fā)展。

本文從激光構(gòu)型的角度綜述了窄線寬激光器技術(shù)的起源和發(fā)展歷程，并對(duì)不同架構(gòu)下窄線寬激光器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和分析。重點(diǎn)介紹了基于自適應(yīng)分布反饋的激光器線寬壓縮機(jī)制、核心器件以及激光系統(tǒng)最新的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，介紹了窄線寬激光器對(duì)分布式光纖傳感、激光相干通信以及片上光信息處理等典型應(yīng)用領(lǐng)域的性能進(jìn)行提升的案例。最后對(duì)窄線寬激光器技術(shù)的發(fā)展做出了總結(jié)和展望。

1 主腔窄線寬激光器

要使激光器實(shí)現(xiàn)單縱模窄線寬，首先要抑制激光多縱模輸出，獲得穩(wěn)定的單縱模激光，即在激光器的增益帶寬內(nèi)有且僅有一個(gè)縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。到目前為止，實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的方法主要有兩大類：1）在確定增益帶寬內(nèi)增大縱模間隔；2）在確定縱模間隔下減小增益帶寬。按照激光器腔體結(jié)構(gòu)的不同，窄線寬激光器的主腔構(gòu)型有線形腔和環(huán)形腔。對(duì)于線形腔激光器來(lái)說(shuō)基本采用縮短諧振腔長(zhǎng)度以增大縱模間隔，這類結(jié)構(gòu)適合半導(dǎo)體激光器和光纖激光器。線形腔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但由于腔內(nèi)激光為駐波，存在空間燒孔效應(yīng)，因此不能簡(jiǎn)單通過增加腔長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)線寬壓縮。同短線形腔相比，環(huán)形腔結(jié)構(gòu)通過利用較長(zhǎng)的腔體結(jié)構(gòu)增加了光子在激光腔中的壽命，有助于獲得更小的激光線寬，同時(shí)有利于消除空間燒孔效應(yīng)，以直接獲得較高功率和能量的輸出。但環(huán)形腔激光器在增大腔長(zhǎng)的同時(shí)也會(huì)減小縱模間隔，導(dǎo)致選模結(jié)構(gòu)復(fù)雜且容易跳模［38］。本節(jié)介紹線形與環(huán)形主腔結(jié)構(gòu)的窄線寬激光器。

1.1 線形主腔激光器

以分布反饋（DFB）結(jié)構(gòu)、分布布拉格反射（DBR）結(jié)構(gòu)等為主的線型腔窄線寬激光器由于諧振腔較短，約為厘米量級(jí)以下，增大了縱模間隔，是實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的方式之一。其中，半導(dǎo)體激光器受激發(fā)射的物理過程與增益材料有源區(qū)內(nèi)的電子-空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，對(duì)于窄線寬半導(dǎo)體激光器，利用半導(dǎo)體激光器較寬的增益譜結(jié)合光柵的選頻特性，可以較為理想地實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的模式選擇，因此，按照布拉格光柵分布位置的不同，可分為DFB 半導(dǎo)體激光器和DBR 半導(dǎo)體激光器。DFB 半導(dǎo)體激光器的布拉格光柵分布于整個(gè)諧振腔，如圖1（a）所示，具有較高的頻率穩(wěn)定性；DBR 半導(dǎo)體激光器的諧振腔通常由反射光柵結(jié)構(gòu)和增益區(qū)構(gòu)成，如圖1（b）所示，輸出功率高，輸入電流大，但易功率抖動(dòng)［39］。20 世紀(jì)70年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室KOGELNIK H 和SHANK C V 首次提出了DFB 主腔激光器的結(jié)構(gòu)，研究了由后向布拉格散射提供反饋的周期結(jié)構(gòu)中激光振蕩過程，其反饋結(jié)構(gòu)分布在整個(gè)增益介質(zhì)中并與增益介質(zhì)集成，因而此類激光構(gòu)型非常緊湊和穩(wěn)定［40］；1973年，美國(guó)加州理工大學(xué)的NAKAMURA M 等利用光泵方式在Ga As 材料上制作了第一只受激譜寬為0.83 μm 的DFB 半導(dǎo)體激光器［41］，此后，通過采用先進(jìn)的光柵制備技術(shù)和芯片外延技術(shù)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)致力于研發(fā)可滿足不同需求的窄線寬、高效率、高功率激光器。2013年，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校BELT M 等在一個(gè)超低損耗的氮化硅上設(shè)計(jì)了一組摻鉺波導(dǎo)分布反饋激光器，通過在氮化硅層中刻蝕提供激光反饋的側(cè)壁光柵，實(shí)現(xiàn)了在12 nm（1 531～1 543 nm）波長(zhǎng)范圍內(nèi)5 個(gè)單獨(dú)的激光器陣列輸出，其輸出激光線寬為501 kHz［42］；2018年，法國(guó)巴黎薩克萊大學(xué)DUAN J 等提出了一種基于InAs/InP 量子點(diǎn)分布反饋激光器，所提出的激光器利用化學(xué)束外延（Chemical Beam Epitaxy，CBE）的方法在n 型InP 基板上生長(zhǎng)，激光器的未摻雜活性區(qū)由5 層堆疊的InAs 量子點(diǎn)組成，通過制備條紋寬度為3 μm、空腔長(zhǎng)度為1 mm 的脊形波導(dǎo)激光器，在端面涂層以改變激光腔的反射率，利用這種設(shè)計(jì)，激光器輸出線寬為160 kHz［43］；2019年，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校HUANG D 等設(shè)計(jì)了一種III-V 增益材料與15 nm 長(zhǎng)的硅波導(dǎo)布拉格反射結(jié)構(gòu)集成的E-DBR 激光器，該激光器由一個(gè)2.5 mm 長(zhǎng)的增益部分、一個(gè)0.3 mm 長(zhǎng)的相位控制部分和一個(gè)15 mm 長(zhǎng)的布拉格光柵組成，通過在結(jié)構(gòu)中引入半徑為0.7 mm 的環(huán)形諧振器，實(shí)現(xiàn)了500 Hz 的窄線寬輸出［44］。

圖1 線形主腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖［39］Fig.1 Schematic diagram of linear main cavity laser［39］

窄線寬光纖激光器依賴于各種激射波段的傳輸光纖和增益摻雜光纖，主要利用高摻雜增益光纖結(jié)合光柵刻蝕或其他反射結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，激光腔體結(jié)構(gòu)以DFB、DBR 和法珀結(jié)構(gòu)為主，線寬可以達(dá)到kHz 量級(jí)。2004年，SPIEGELBERG C 等利用由鉺鐿共摻的磷酸鹽光纖和一對(duì)具有高低反射率的布拉格光柵所組成的DBR 短腔結(jié)構(gòu)，獲得了輸出線寬小于2 kHz 的激光輸出［45］。華南理工大學(xué)于2017年設(shè)計(jì)并制作了一種基于Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽光纖（Er3+/Yb3+co-doped Phosphate glass Fiber，EYPF）的DBR 激光器，激光器通過16 mm 長(zhǎng)的EYPF 結(jié)合高反射光纖布拉格光柵（Highly Reflective Fiber Bragg Gratings，HR-FBG）和部分保偏FBG（Polarization Maintaining FBG，PM-FBG）構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了功率為20 mW、線寬為1.9 kHz、波長(zhǎng)為1 603 nm 的激光輸出，其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示［46］。2021年，美國(guó)Cybell 公司W(wǎng)ALASIK W 等通過在摻銩光纖內(nèi)刻寫高反射率和低反射率的光柵，設(shè)計(jì)了一種工作波長(zhǎng)在2 051 nm 和2 039 nm 處的DFB-FBG 摻銩光纖激光器，激光輸出線寬為5 kHz［47］?；诠饫w的DFB 激光器基本原理跟半導(dǎo)體DFB 激光器類似，只不過光纖DFB 激光器是在增益光纖上寫性能良好的Ⅱ相移布拉格光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)線寬壓縮。

圖2 1 603 nm DBR 光纖激光器［46］Fig.2 1 603 nm DBR fiber laser［46］

1.2 環(huán)形主腔激光器

環(huán)形腔結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)激光器單縱模輸出的另一種架構(gòu)，旨在通過增加腔長(zhǎng)和光子在激光腔內(nèi)的循環(huán)時(shí)間來(lái)減小線寬。環(huán)形腔窄線寬激光器結(jié)構(gòu)多變，線寬可達(dá)到kHz 量級(jí)，與線性腔結(jié)構(gòu)相比，可以消除空間燒孔效應(yīng)，但由于環(huán)形腔激光器為全光纖結(jié)構(gòu)，易受環(huán)境影響，強(qiáng)度噪聲相對(duì)較高。2007年，SUZUKI A 等通過將保偏的相移光柵和光纖環(huán)形激光腔結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了輸出線寬為6 kHz的單縱模激光輸出［48］；2014年，德國(guó)馬克斯-普朗克研究所COLLODO C 等將高品質(zhì)因子（108）的CaF2回音壁（Whispering Gallery Mode，WGM）微腔應(yīng)用于摻鉺環(huán)形腔光纖激光器中，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為1 530 nm、瞬時(shí)線寬為650 Hz 的激光輸出，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示［49］；2021年，天津大學(xué)利用3 m 長(zhǎng)的熒光摻雜光纖（NufernSM-TSF-9/125）的飽和吸收效應(yīng)結(jié)合高反射FBG，提出了一種輸出功率為2.56 W、激光線寬為3.3 kHz 的光纖環(huán)形腔激光器［50］；同年，河北大學(xué)提出了一種復(fù)合環(huán)形腔光纖激光器，利用2.9 m 長(zhǎng)的摻鉺光纖，結(jié)合四通道偏振控制濾波器，實(shí)現(xiàn)了線寬小于600 Hz、相對(duì)強(qiáng)度噪聲小于-154.58 dB/Hz 的激光輸出［51］。除全光纖結(jié)構(gòu)之外，非平面環(huán)形腔（NPRO）激光器也可以實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出，20 世紀(jì)80年代，NPRO 激光器的概念被首次提出，KANE T J 等闡述了一種固態(tài)非平面內(nèi)反射環(huán)形激光器，包括具有兩個(gè)鏡面的單片固態(tài)激光器，這兩個(gè)鏡面用于定向改變光線的傳播路徑，當(dāng)鏡面位于足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)中時(shí)，激光將以單一模式發(fā)射［52］；1989年，ALAN C N 等指出，在外加磁場(chǎng)中，二極管激光泵浦的單片非平面環(huán)振蕩器可以作為單向行波激光器工作，二極管激光泵浦、單片結(jié)構(gòu)和單向振蕩導(dǎo)致了較窄的線寬輻射，他們?cè)砩戏治隽薔PRO 激光器的偏振特性，并為進(jìn)一步降低NPRO 激光器的線寬提供了理論支撐［53］。此后，科學(xué)家致力于研究泵浦效率和斜率效率更高的NPRO 激光器。NPRO 激光器具有腔內(nèi)損耗低、強(qiáng)度噪聲低和輸出穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)［54］，圖3（b）是一種典型的NPRO 激光器構(gòu)型。2018年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院通過二極管激光器直接將增益介質(zhì)Nd3+：YAG 泵浦到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，當(dāng)在1 064 nm 波長(zhǎng)條件下輸入7.6 W 的泵浦功率時(shí)，激光輸出功率可以達(dá)到4.54 W，且其斜率效率可以達(dá)到76.9%，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示［55］。

圖3 環(huán)形主腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖［49，55］Fig.3 Schematic diagram of ring main cavity laser［49，55］

2 固定外腔反饋窄線寬激光器

固定外腔光反饋技術(shù)是一種基于主腔激光外部光學(xué)元件的激光調(diào)控方法，其主要通過單面或少面的具有時(shí)空固定反饋特性的光學(xué)元件對(duì)主腔激光的頻率進(jìn)行選擇和反饋。由于增加外部反饋腔長(zhǎng)有利于提高腔內(nèi)光子壽命，因此基于此方法是獲得窄線寬激光器的一種常用手段［39］。由于固定外腔反饋會(huì)引起主腔激光的相位突變，因此該類激光器的實(shí)際輸出激光頻率通常會(huì)較大幅度地偏離原主腔激光頻率，且容易引起激光多縱模振蕩。為了提高激光頻率的穩(wěn)定性及頻譜邊模抑制比，通常需要引入窄帶濾波元件，包括布拉格光柵和法珀腔濾波器等，這要求主腔激光的頻率與濾波元件的諧振頻率進(jìn)行嚴(yán)格匹配，限制了對(duì)激光線寬進(jìn)行深壓縮的能力，并極大地提高了固定外腔反饋激光對(duì)溫度和振動(dòng)等環(huán)境參數(shù)的控制要求，不利于工業(yè)化應(yīng)用。以下從半導(dǎo)體激光和光纖激光兩方面介紹固定外腔反饋窄線寬激光器的主要結(jié)構(gòu)。

2.1 外腔反饋半導(dǎo)體激光器

外腔反饋半導(dǎo)體激光器利用外部光學(xué)元件對(duì)半導(dǎo)體激光芯片的出射光進(jìn)行頻率選擇和反饋，根據(jù)外部光學(xué)反饋元件的不同，外腔反饋半導(dǎo)體激光器可以分為光柵反饋型和波導(dǎo)反饋型半導(dǎo)體激光器［39］。其中，常見的光柵反饋型激光器包括Littrow［56］或Littman［57］結(jié)構(gòu)以及采用體光柵［58］反饋等激光構(gòu)型，其輸出線寬可以達(dá)到kHz 量級(jí)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員致力于制作低損耗的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以降低半導(dǎo)體激光器的頻率噪聲和強(qiáng)度噪聲。2009年，澳大利亞昆士蘭大學(xué)MCRAE T G 等利用微環(huán)諧振腔對(duì)半導(dǎo)體激光器的熱光鎖定效應(yīng)，將線寬從1.4 MHz 壓縮到到300 kHz，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過12 h 的穩(wěn)定鎖定，其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖4 所示［59］。2017年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)STERN B 等設(shè)計(jì)并制作了一種基于低損耗氮化硅波導(dǎo)耦合到III-V 增益芯片的片上集成窄線寬激光器，利用高Q 的諧振環(huán)作為外腔反饋器件，實(shí)現(xiàn)了13 kHz 線寬的激光輸出［60］。2019年，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校XIANG C 等利用超低損耗氮化硅波導(dǎo)制作了布拉格光柵，將半導(dǎo)體增益芯片耦合到光柵芯片上，實(shí)現(xiàn)了320 Hz 線寬的激光輸出，同時(shí)輸出功率達(dá)到24 mW［61］。2016年，中科院上海光機(jī)所將DFB 激光器自注入鎖定到FBG-法布里珀羅（Fabry Perot，F(xiàn)P）腔透射譜的不同共振透射峰上，實(shí)現(xiàn)了頻率噪聲為40 Hz2/Hz、線寬約為1 kHz 的窄線寬輸出，其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖5 所示［62］。

圖4 基于微環(huán)諧振腔熱光鎖定的窄線寬激光系統(tǒng)［59］Fig.4 Narrow linewidth laser system based on microring resonator thermo-optic locking［59］

圖5 基于FBG-FP 自注入鎖定的DFB 窄線寬激光器系統(tǒng)［62］Fig.5 DFB narrow linewidth laser system based on FBG-FP self-injection locking［62］

外腔光反饋半導(dǎo)體激光器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于半導(dǎo)體激光增益介質(zhì)的等離子色散效應(yīng)，激光器的強(qiáng)度抖動(dòng)會(huì)在半導(dǎo)體增益區(qū)轉(zhuǎn)化為折射率的變化，從而引起激光器頻率和相位抖動(dòng)的加劇。因此，利用固定外腔反饋對(duì)半導(dǎo)體激光器線寬進(jìn)行壓縮時(shí)，反饋強(qiáng)度過強(qiáng)，會(huì)引起線寬劣化，甚至出現(xiàn)混沌輸出，失去單頻特性，相干性反而會(huì)大幅度下降［63-67］。

2.2 外腔反饋光纖激光器

外腔反饋光纖激光器通常采用外腔中的光功率回饋?zhàn)⑷牍饫w激光主腔，從而對(duì)激光的輸出頻率進(jìn)行鎖定。在自注入鎖定結(jié)構(gòu)中，反饋腔的長(zhǎng)度和回饋光功率的比例是實(shí)現(xiàn)線寬壓縮的重要因素。2007年，中科院半導(dǎo)體所結(jié)合光注入反饋技術(shù)獲得了可調(diào)諧的單縱模窄線寬激光輸出，通過將復(fù)合腔與光纖F-P 可調(diào)諧濾波器相結(jié)合來(lái)構(gòu)造激光器，在1 527～1 562 nm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.4 kHz 的單縱模窄線寬激光輸出［68］；2016年，華南理工大學(xué)以鉺鐿共摻磷酸鹽光纖作增益的短腔激光器為主腔，結(jié)合自注入反饋方法，在1 527 nm 到1 563 nm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)線寬小于700 Hz 單縱模激光輸出［69］；2018年，他們利用如圖6 所示的自注入反饋技術(shù)，有效抑制了模式跳變及頻率漂移，輸出的激光線寬窄于600 Hz［70］。2021年，南京大學(xué)將兩個(gè)1/99 的光纖耦合器制成一個(gè)長(zhǎng)度為1.61 m，Q 值為1.42×108的光纖環(huán)形諧振器，通過將光纖激光器自注入鎖定到該環(huán)形諧振器上，實(shí)現(xiàn)了單縱模的選擇和線寬的窄化，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了40 dB 的高偏振消光比、頻率噪聲為0.3 Hz2/Hz、對(duì)應(yīng)線寬為0.92 Hz 的單縱模激光輸出，其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖7 所示［71］。2022年，江蘇師范大學(xué)沈德元團(tuán)隊(duì)提出了一種基于晶體諧振器的自注入鎖定窄線寬光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了頻率噪聲為0.4 Hz2/Hz，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)線寬為1.26 Hz 的窄線寬激光輸出，其中，晶體諧振器由兩根平行的拉錐光纖（直徑為2～5 μm）和一個(gè)氟化鎂晶體組成Q 值為3.2×108的Add-Drop 結(jié)構(gòu)，光纖激光器由一根50 cm 長(zhǎng)的摻鉺光纖（Er-Doped Fiber，EDF）和兩個(gè)FBG 組成，F(xiàn)BG 的反射率分別為99.3% 和11.7%，其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖8 所示［72］。

圖6 基于自注入反饋的窄線寬激光系統(tǒng)［70］Fig.6 Narrow linewidth laser system based on self-injection feedback［70］

圖7 基于光纖環(huán)形諧振器窄線寬光纖激光器系統(tǒng)［71］Fig.7 Narrow linewidth fiber laser system based on fiber ring resonator［71］

圖8 基于Add-Drop 結(jié)構(gòu)的窄線寬光纖激光器系統(tǒng)［72］Fig.8 Narrow linewidth fiber laser system based on Add-Drop structure［72］

3 自適應(yīng)分布弱反饋窄線寬激光器

基于自適應(yīng)分布弱反饋的窄線寬激光器，主要通過外部微弱的分布擾動(dòng)信號(hào)來(lái)有效抑制激光腔的自發(fā)輻射，從而在常態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)激光線寬深度壓縮。

3.1 激光線寬深壓縮思想

針對(duì)已經(jīng)發(fā)展的主腔激光器和固定外腔激光器的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，我們提出了一種基于自適應(yīng)分布弱反饋的激光器模型。與傳統(tǒng)的固定外腔光反饋相比，該激光結(jié)構(gòu)提供了一種新穎的激光配置，以實(shí)現(xiàn)激光線寬的極致壓縮，如圖9（a）所示。其中，具有增益介質(zhì)的主激光腔利用泵浦技術(shù)產(chǎn)生了初始寬帶增益。隨后，經(jīng)過初始增益振蕩和縱模競(jìng)爭(zhēng)后，初始激光信號(hào)從主腔的一側(cè)輸出到自適應(yīng)分布反饋腔中。激光線寬展寬的原因是激光能量循環(huán)往復(fù)地與自發(fā)輻射進(jìn)行能量耦合，導(dǎo)致腔內(nèi)激光頻率受到周期性的隨機(jī)干擾，形成譜線展寬。為了減弱自發(fā)輻射的耦合強(qiáng)度，引入了自適應(yīng)分布反饋結(jié)構(gòu)。分布弱反饋深度壓縮激光線寬的關(guān)鍵作用，首先是利用分布反饋增加了激光在腔內(nèi)的循環(huán)時(shí)間，降低自發(fā)輻射的噪聲耦合速率，從而大幅度減小激光的本征線寬；其次是分布式弱反饋可以認(rèn)為是在時(shí)域上對(duì)激光相位的連續(xù)修飾，因?yàn)閱蝹€(gè)散射點(diǎn)的反饋強(qiáng)度甚至比自發(fā)輻射還要弱（如圖9（a）的插圖所示），它可以避免傳統(tǒng)的固定腔反饋所引起的時(shí)域相位突變，而傳統(tǒng)的固定腔反饋通常會(huì)形成較強(qiáng)的多縱模競(jìng)爭(zhēng)。分布式弱反饋不僅可以通過抑制自發(fā)輻射對(duì)主腔激光產(chǎn)生的時(shí)空微擾從而降低自發(fā)輻射的耦合速率，而且能夠保持激光器的單縱模工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)激光線寬的極致壓縮。因此，基于弱分布反饋，主腔內(nèi)每個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期自發(fā)輻射引起的相位波動(dòng)（Δφ）和噪聲耦合強(qiáng)度大幅降低，如圖9（b）所示。因此，在相位噪聲抑制過程中，激光線寬可得到極大的壓縮，如圖9（c）所示。

圖9 基于分布弱反饋的激光線寬壓縮原理Fig.9 Principle of laser linewidth compression based on distributed weak feedback

3.2 分布弱反饋結(jié)構(gòu)中的光譜演化

目前，自適應(yīng)分布反饋窄線寬激光的研究主要集中于對(duì)反饋元件的開發(fā)和制造，這是因?yàn)椴煌再|(zhì)的反饋元件使激光器表現(xiàn)出不同的輸出特性。我們研究了一維波導(dǎo)分布弱反饋結(jié)構(gòu)中的光譜演化規(guī)律，從本質(zhì)上揭示了光譜演化的動(dòng)態(tài)過程。根據(jù)Jaynes-Cummings 理論模型［73-75］，并考慮反饋結(jié)構(gòu)的耗散［76］，建立了一個(gè)基于瑞利散射的分布弱反饋光譜演化模型，如圖10（a）所示［77］。理論計(jì)算在連續(xù)散射過程中光譜線寬的演化過程，結(jié)果表明分布反饋結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)連續(xù)純化光譜的動(dòng)態(tài)凈化器。由于在泵浦光傳輸過程中對(duì)每個(gè)散射源都可進(jìn)行連續(xù)的散射，散射場(chǎng)的譜線寬度隨著第k階散射點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)的增加而減小，如10（b）所示。如圖10（c）所示，黑色方形曲線顯示了在分布弱反饋結(jié)構(gòu)中連續(xù)散射過程中，第k階反饋點(diǎn)譜線寬度與傳輸距離L的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著反饋點(diǎn)距離L的增加，每個(gè)反饋點(diǎn)的譜線寬度都會(huì)減??；藍(lán)色的五角星曲線反映了連續(xù)散射過程中反饋結(jié)構(gòu)中散射粒子的摻雜濃度對(duì)反饋點(diǎn)光譜演化的影響。意味著每個(gè)反饋點(diǎn)的譜線寬度會(huì)隨著摻雜濃度的增加而減小。在理論假設(shè)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)近似的理論預(yù)測(cè)，描述了散射場(chǎng)譜線寬與傳輸長(zhǎng)度L的關(guān)系。最終理論揭示了在連續(xù)散射過程中能夠分離和收集散射場(chǎng)的條件下，構(gòu)建一種分布式弱反饋結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)線寬壓縮的可行性。

圖10 分布弱反饋結(jié)構(gòu)光譜演化理論分析［77］Fig.10 Principle of spectral evolution of distributed weak feedback structure［77］

為了進(jìn)一步研究分布弱反饋結(jié)構(gòu)中光譜演化規(guī)律，我們開展了對(duì)分布反饋結(jié)構(gòu)頻譜的實(shí)驗(yàn)探究，其測(cè)量裝置如圖11（a）所示［78］。實(shí)驗(yàn)中，泵浦光是線寬為6 MHz 的DFB 激光器，由30 dB 的高增益摻鉺放大器放大，并用隔離器將弱反射信號(hào)與環(huán)行器隔離。將泵浦光注入到分布反饋結(jié)構(gòu)后，使用濾波器對(duì)受激布里淵散射進(jìn)行過濾，最終得到分布反饋信號(hào)光。通過調(diào)節(jié)摻鉺光纖放大器的增益來(lái)改變發(fā)射到分布反饋結(jié)構(gòu)中的泵浦功率。采用一種自外差測(cè)量方法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。圖11（b）表示隨功率增加泵浦光的頻譜演化，可以看出在200 MHz 的頻率跨度其頻譜寬度相對(duì)較寬。與此同時(shí)，隨著泵浦功率的增加，分布弱反饋信號(hào)的頻譜寬度被大幅度壓縮，如圖11（c）所示。同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的3 dB 線寬隨泵浦功率的變化如圖11（d）所示，泵浦光經(jīng)過反饋結(jié)構(gòu)反饋信號(hào)的線寬從初始的6 MHz 被大幅度壓縮至4 kHz。另外，產(chǎn)生窄線寬信號(hào)的輸出功率和效率如圖11（e）所示，可以看出，泵浦功率為13 dBm 時(shí)，最大反射功率效率為0.02%。盡管在分布反饋結(jié)構(gòu)中一次往返使反饋信號(hào)的反射功率效率很低，如圖11（e）所示，然而，由于摻鉺光纖的毫秒弛豫時(shí)間，后向散射的瑞利信號(hào)可以在多次往返中被相干放大，從而很大程度減小激光器的線寬［79］。最終實(shí)驗(yàn)測(cè)量的分布反饋結(jié)構(gòu)中光譜演化與理論計(jì)算結(jié)果符合較好，進(jìn)一步證明了這種分布反饋信號(hào)能實(shí)現(xiàn)對(duì)激光線寬極致壓縮的可行性。

圖11 分布反饋結(jié)構(gòu)中光譜演化的實(shí)驗(yàn)探究［78-79］Fig.11 Experimental investigation of spectral evolution in distributed feedback structures［78-79］

為了進(jìn)一步提高分布式反饋結(jié)構(gòu)對(duì)激光波長(zhǎng)變化的適應(yīng)能力，加拿大渥太華大學(xué)BAO X 研究組于2022年通過飛秒激光處理提出并實(shí)現(xiàn)了具有分布式反饋特性的光纖光柵陣列［80］。具體是采用刻面劃痕法沿保偏光纖（PM）制備了光柵陣列。該方法通過飛秒紅外脈沖激光曝光，對(duì)PM 光纖的折射率進(jìn)行散斑處理。光柵陣列原理和隨泵浦量增加的光傳輸原理如圖12（a）所示。使用分辨率為5 MHz 的光學(xué)頻譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer，OSA）測(cè)量了分布式反饋光柵陣列的反射和透射光譜，如圖12（b）所示。結(jié)果表明，在1 550 nm 波長(zhǎng)處的平均透過率為-20 dB，對(duì)應(yīng)的透過率為0.01，并且在反射譜顯示出大量的譜峰，且譜線寬度較窄。這種分布反饋特性體現(xiàn)在強(qiáng)散射無(wú)序介質(zhì)中，多個(gè)散射路徑的波干涉導(dǎo)致了光子的局域化。此外，俄羅斯科學(xué)院自動(dòng)化與電力研究所的SERGEY A B 研究組報(bào)告了一種極短（10 cm）的低損耗人工瑞利分布反射器的研制［81-82］。為了制作致密的人造瑞利散射光纖，他們采用飛秒激光直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)透明材料內(nèi)部折射率分布的校正。這種方法可以在幾乎任何類型的纖維中誘導(dǎo)任意幾何形狀的散射結(jié)構(gòu)，因此可以很好地替代納米粒子摻雜的纖維，而不會(huì)破壞保護(hù)涂層的完整性。折射率調(diào)制波導(dǎo)記錄的實(shí)驗(yàn)原理如圖12（c）所示。這里采用光頻域反射法（Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR）測(cè)量反饋結(jié)構(gòu)在空間中的光場(chǎng)分布，其平均分布反饋電平比普通單模光纖高+41.3 dB/mm，如圖12（d）所示。結(jié)果表明，在一維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上制作的人工分布式反饋結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的反饋能力和波長(zhǎng)適應(yīng)性。

圖12 人造分布反饋短波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的原理及輸出特性［80-82］Fig.12 Principle and output characteristics of artificial distributed feedback short waveguide structures［80-82］

在一維波導(dǎo)提供波長(zhǎng)自適應(yīng)分布反饋的啟示下，研究者提出了另一種減小激光線寬的有效方法，即利用高品質(zhì)因子（Q）諧振腔提供可積累的離散分布光反饋，其噪聲抑制程度與Q 因子的平方成正比。其中，高Q 微諧振器是實(shí)現(xiàn)大幅度線寬窄化的優(yōu)秀候選器件，但是波長(zhǎng)選擇性也給控制帶來(lái)困難。2012年，美國(guó)加州理工學(xué)院VAHALA K J 團(tuán)隊(duì)通過化學(xué)刻蝕在硅基上實(shí)現(xiàn)了具有超高Q 因子楔形微諧振器［83］。圖13（a）展示了光學(xué)顯微俯視圖以說(shuō)明所述諧振器幾何結(jié)構(gòu)和基模強(qiáng)度分布。最終測(cè)得了諧振器的掃描光譜，其具有0.3 MHz的超窄濾波帶寬，如圖13（b）所示。另外，諧振器的自由光譜區(qū)對(duì)其性能也至關(guān)重要，通過對(duì)5 種不同直徑微腔的測(cè)量可知，自由光譜區(qū)隨直徑增大而減小，如圖13（c）所示。在2022年的最新研究報(bào)道中，中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出并制備了一種Q 因子達(dá)到鈮酸鋰材料本征吸收極限的微環(huán)諧振器［84］。從圖14（a）的光學(xué)顯微圖可得知這種微環(huán)直徑為200 μm，且具有超光滑的表面特性。圖14（b）顯示了微環(huán)在1 566～1 570 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射光譜，表現(xiàn)出兩組高階橫電（TE）和橫磁（TM）模式。并且兩種模態(tài)對(duì)應(yīng)的Q 因子都達(dá)到了107量級(jí)，這是目前所報(bào)道的鈮酸鋰晶體微環(huán)Q 因子最高值。值得提及的是南京大學(xué)劉曉平團(tuán)隊(duì)提出了一種利用光頻域反射法（OFDR）提取光學(xué)微環(huán)諧振腔損耗特性的新方法［85］。與傳統(tǒng)的光傳輸測(cè)量方法相比，OFDR 獲得的空間分辨后向散射光信號(hào)可以清楚地顯示諧振模由于腔內(nèi)循環(huán)而增加的光路長(zhǎng)度。另外，這種后向散射光與前向透射光一樣都具有波長(zhǎng)分離的分布反饋特性。因此，這種高Q 值微腔可作為典型弱分布反饋元件應(yīng)用于激光器的線寬壓縮，從其掃描光譜也可得知這種高Q 值微腔具有很強(qiáng)的波長(zhǎng)選擇性。

圖13 超高Q 楔形諧振器及輸出特性［83］Fig.13 Ultra-high Q wedge resonator and output characteristics［83］

圖14 超高Q 鈮酸鋰微環(huán)及光學(xué)特性［84］Fig.14 Lithium niobate microring with ultra-high Q factor and optical properties［84］

3.3 自適應(yīng)窄線寬光纖和半導(dǎo)體激光器

主腔結(jié)合固定外腔光反饋的激光構(gòu)型屬于單點(diǎn)強(qiáng)功率反饋，會(huì)造成主腔信號(hào)相位突變，為激光主腔引入新的縱模，不能保證線寬壓縮過程中激光的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)激光線寬極致壓縮且波長(zhǎng)自適應(yīng)的激光源，2010年開始，團(tuán)隊(duì)提出了一系列能在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生分布反饋信號(hào)的結(jié)構(gòu)，如光纖、摻稀土離子波導(dǎo)、微環(huán)等微納結(jié)構(gòu)。2010～2013年，我們提出了主腔效果不太明顯的基于瑞利散射回饋的窄線寬激光器［79，86-87］，達(dá)到了1～2 kHz 的線寬，但穩(wěn)定度不佳。2014年，將分布反饋結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的激光主諧振腔結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖激光器線寬的大幅度壓縮，達(dá)到了200 Hz 線寬壓縮［88］，如圖15（a）所示。另外，也將這種分布反饋機(jī)制應(yīng)用于雙波長(zhǎng)和可調(diào)諧激光器中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同波長(zhǎng)激光線寬的同時(shí)壓縮［89-90］，如圖15（b）所示。然而，這種激光配置較長(zhǎng)的激光腔使其容易受到外部環(huán)境中溫度波動(dòng)和振動(dòng)引起的熱動(dòng)力學(xué)噪聲的影響，同時(shí)較長(zhǎng)的激光諧振腔不利于激光器朝著小型化方向發(fā)展。在2022年，為了實(shí)驗(yàn)探究分布反饋結(jié)構(gòu)可保持激光單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)且寬范圍波長(zhǎng)調(diào)諧能力，搭建了多縱模主腔結(jié)合分布反饋結(jié)構(gòu)的光纖激光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了邊模抑制比為70 dB 高信噪比單頻激光輸出［91］，如圖15（c）所示。另外，通過對(duì)主腔輸出的激光波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)范圍為40 nm 的超窄線寬激光輸出，其調(diào)諧范圍主要受到濾波器調(diào)諧能力的限制，如圖15（d）。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同波長(zhǎng)通道下激光都可保持單縱模運(yùn)行，提出的分布反饋結(jié)構(gòu)具有波長(zhǎng)自適應(yīng)的邊縱模抑制能力。

圖15 基于分布弱反饋的自適應(yīng)光纖激光器［88，90-91，31］Fig.15 Self-adaptive fiber laser based on distributed weak feedback［88，90-91，31］

在保證引入分布反饋不會(huì)引入新的共振模式造成多縱模振蕩的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)激光線寬的極致壓縮，我們基于分布反饋線寬極致壓縮的思想搭建了一種單縱模DFB 激光主腔結(jié)合分布反饋結(jié)構(gòu)的混合集成式片上激光系統(tǒng)［29］，如圖16（a）所示?；谠搶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)在常態(tài)條件下獲得了積分線寬為10 Hz 的激光輸出，如圖16（b）所示。另外，如圖16（c），在切換主腔DFB 激光波長(zhǎng)時(shí)通過對(duì)頻譜的動(dòng)態(tài)測(cè)量可知激光器可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)條件下的線寬壓縮，這是目前其它外腔反饋機(jī)制無(wú)法滿足的。進(jìn)一步論證了這種分布式反饋機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)激光線寬的極致壓縮，并且可實(shí)時(shí)跟蹤匹配主腔波長(zhǎng)的變化。另外，為了滿足千赫茲以下激光線寬測(cè)量的需求，我們提出了基于短光纖延遲自外差并利用相干包絡(luò)譜的譜峰差值來(lái)對(duì)超窄激光線寬進(jìn)行精確探測(cè)的思想［92-93］。該方法可以有效消除延遲自外差干涉測(cè)量中心頻率處高斯線型對(duì)線寬測(cè)量的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)百Hz 甚至Hz 級(jí)別激光器線寬的精確探測(cè)。

圖16 基于分布反饋混合集成片上激光器［29］Fig.16 An on-chip laser system based on distributed feedback［29］

另外，基于回音壁微腔等有效積累波長(zhǎng)離散分布反饋能量的緊湊型光學(xué)元件可在保證激光良好的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)情況下實(shí)現(xiàn)激光線寬的極致壓縮，這也是分布反饋思想的良好應(yīng)用案例［77］。2015年，美國(guó)OEwaves公司MATSKO A B 等設(shè)計(jì)了一種品質(zhì)因子高達(dá)6×108的氟化鈣（CaF2）回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）微腔，當(dāng)光注入到微腔內(nèi)其表面產(chǎn)生后向共振瑞利散射形成分布式弱反饋信號(hào)，并將其與DFB激光器結(jié)合通過棱鏡耦合形成分離式外腔半導(dǎo)體激光器，結(jié)構(gòu)如圖17（a）所示［94］，最終實(shí)現(xiàn)了30 Hz 積分線寬和Hz 以下瞬時(shí)線寬的激光輸出。2021年，美國(guó)加州理工學(xué)院VAHALA K J 團(tuán)隊(duì)報(bào)道了在大容量互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）鑄造中制備氮化硅波導(dǎo)的重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了超過2.6×108品質(zhì)因子的高集成諧振器。通過分布反饋信號(hào)自注入鎖定傳統(tǒng)半導(dǎo)體分布反饋（DFB）激光器到超高Q 微諧振器上，形成混合集成激光器，裝置如圖17（b）所示［95］。最終將激光頻率噪聲抑制了5 個(gè)數(shù)量級(jí)，在高偏置頻率下產(chǎn)生0.2 Hz2/Hz 的頻率噪聲，其對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)線寬為1.2 Hz，這是以前集成激光器無(wú)法達(dá)到的水平。然而，回音壁微腔具有特定的諧振波長(zhǎng)，因此其具有的波長(zhǎng)選擇性會(huì)限制對(duì)主激光腔的波長(zhǎng)適應(yīng)性，無(wú)法在常態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)大范圍激光波長(zhǎng)調(diào)諧。清華大學(xué)陳明華團(tuán)隊(duì)也采用類似分布回饋的思想在混合集成的半導(dǎo)體激光器中實(shí)現(xiàn)了線寬壓縮［96］，但是如果要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)和高穩(wěn)定，通過微環(huán)諧振腔構(gòu)成的離散分布反饋或通過特殊波導(dǎo)構(gòu)成的連續(xù)分布反饋就是重要的技術(shù)手段，其核心思想都是團(tuán)隊(duì)提出的自適應(yīng)分布反饋激光器新架構(gòu)。

圖17 基于超高Q 值微諧振腔窄線寬激光器［94-95］Fig.17 Narrow linewidth laser based on ultra-high Q micro resonator［94-95］

4 窄線寬激光器的典型應(yīng)用

窄線寬激光器具有相干長(zhǎng)度超長(zhǎng)、相位噪聲極低的優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)傳感、相干光通信和微波光子學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有非常重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景，本節(jié)將重點(diǎn)介紹窄線寬激光器在分布式光纖傳感、激光相干通信以及片上光信息處理中的應(yīng)用。

4.1 分布式光纖傳感

隨著對(duì)距離、精度的測(cè)量要求不斷提高，分布式光纖傳感系統(tǒng)中激光光源的性能提升至關(guān)重要。如在布里淵光時(shí)域反射（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR）技術(shù)中，光源的線寬決定了溫度和應(yīng)力的測(cè)量分辨率；在相干光頻域反射（Optical Frequency Domain Reflectiometry，OFDR）技術(shù)中，可調(diào)諧的激光光源是影響OFDR 性能的關(guān)鍵因素，激光光源的相干性越好，系統(tǒng)的傳感距離和測(cè)量精度越好；在相位干涉光時(shí)域反射（Phase Optical Time Domain Reflectometry，φ-OTDR）技術(shù)中，超窄的激光光源線寬可以增強(qiáng)反射信號(hào)的干涉強(qiáng)度，進(jìn)而大大提高測(cè)量靈敏度。2016年，意大利那不勒斯大學(xué)MINARDO A等利用輸出線寬為100 kHz 的外腔激光器，結(jié)合布里淵光頻域反射（Brillouin Optical Frequency Domain Reflectometry，BOFDR）技術(shù)，在5 km 的光纖長(zhǎng)度上對(duì)1 m 空間分辨率的布里淵頻移進(jìn)行了分布式測(cè)量［97］；2017年，南京大學(xué)張旭蘋團(tuán)隊(duì)提出了一種基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）技術(shù)和互補(bǔ)編碼相結(jié)合的BOTDR 技術(shù)，該技術(shù)以線寬為10 kHz 的DFB 激光器為光源，達(dá)到2 m 的空間分辨率，頻率不確定度為0.37 MHz，對(duì)應(yīng)于0.37°C 溫度分辨率或7.4 με 應(yīng)變分辨率［98］；2020年，法國(guó)諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室AWWAD E 等提出了一種分布式聲傳感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）技術(shù)，利用OEwaves 公司生產(chǎn)的在10 μs 窗口處洛倫茲線寬低于1 Hz 的超窄線寬激光器結(jié)合差分相位光學(xué)時(shí)域反射法（Δφ-OTDR）技術(shù)，對(duì)50 km 以上單模光纖的多個(gè)振動(dòng)事件進(jìn)行了檢測(cè)和識(shí)別，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖18 所示［99］。

圖18 基于窄線寬激光器的分布式傳感系統(tǒng)［99］Fig.18 Distributed sensing system based on narrow linewidth laser［99］

4.2 激光相干通信

信號(hào)的傳輸容限和距離是相干光通信系統(tǒng)中重要的限制因素，高階光調(diào)制和相干檢測(cè)等方式為信號(hào)的長(zhǎng)距離和大容限傳輸提供了優(yōu)秀的解決方案，在相干光通信系統(tǒng)中，窄線寬激光器為其提供了穩(wěn)定的光源。高階相位調(diào)制對(duì)激光線寬有很高的要求。以能夠?qū)π盘?hào)的幅度信息和相位信息同時(shí)進(jìn)行調(diào)制的m進(jìn)制正交幅度調(diào)制（m-Quadrature Amplitude Modulation，m-QAM）為例，當(dāng)系統(tǒng)采用Square 16QAM 調(diào)制格式時(shí)，其激光線寬的容限在120 kHz 左右，而采用Square 64QAM 調(diào)制格式時(shí)，則要求激光線寬低于1.2 kHz［100］。2016年，武漢郵電科學(xué)研究院提出了一種基于硅基微環(huán)諧振器外腔的可調(diào)諧激光器，輸出的激光線寬約為150 kHz，其結(jié)構(gòu)如圖19 所示，測(cè)試了偏振多路復(fù)用的16 位正交幅度調(diào)制（16-QAM）格式下的信號(hào)傳輸速率，與穩(wěn)定的商用窄線寬激光光源進(jìn)行比較，商用窄線寬激光光源僅優(yōu)于該系統(tǒng)0.2 dB［101］。2018年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)GUAN H 等提出了一種硅基混合外腔可調(diào)諧激光器，該結(jié)構(gòu)將一個(gè)III-V 半導(dǎo)體增益芯片嵌入到硅芯片中，由環(huán)形諧振器構(gòu)成反饋外腔，激光線寬達(dá)到37 kHz，在16QAM 格式下，傳輸速率達(dá)到272 Gb/s，首次實(shí)現(xiàn)了完整的硅光子相干通信傳輸鏈［102］。

圖19 基于硅基微環(huán)諧振器的可調(diào)諧激光結(jié)構(gòu)［101］Fig.19 Structure diagram of tunable laser based on silicon microring resonator［101］

4.3 片上光信息處理

隨著硅基光子學(xué)的發(fā)展，窄線寬激光器的片上集成成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一，硅基光集成器件具有尺寸小、功耗低、易于與CMOS 工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)微波光子、光頻梳等系統(tǒng)小型化、集成化、低成本的途徑之一。近年來(lái)，隨著工藝的不斷成熟，窄線寬激光器在微波光子、光頻梳等應(yīng)用領(lǐng)域的作用日益突出。2020年，美國(guó)加州理工學(xué)院VAHALA K J 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種集成孤子微光梳芯片，通過將DFB 激光器鎖定到四個(gè)高Q 的氮化硅微諧振器上，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率低至15 GHz 的微梳［103］。近期，北京大學(xué)使用鋁砷化鎵（AlGaAs）上的微諧振器結(jié)合DFB 激光器產(chǎn)生微光頻梳，如圖20 所示，構(gòu)建了高度集成的高可重組微波光子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了集成的光子鏈路傳輸［104］。利用光外差法是產(chǎn)生純微波信號(hào)的重要方法，其核心是利用兩束相關(guān)的光波在光電探測(cè)器（Photoelectric Detector，PD）中拍頻，調(diào)節(jié)兩束激光的工作波長(zhǎng)，可方便地調(diào)節(jié)拍頻信號(hào)的頻率至微波波段。為了獲得高質(zhì)量微波源，對(duì)窄線寬激光器的線寬特性、頻率穩(wěn)定性和精密調(diào)諧性具有非常高的要求，這是因?yàn)槲⒉ü庾有盘?hào)的時(shí)頻穩(wěn)定性主要取決于激光器的線寬特性，低噪聲微波光子信號(hào)的處理通常要求激光線寬達(dá)到Hz 乃至Hz 以下量級(jí)，同時(shí)微波信號(hào)的可調(diào)諧特性取決于窄線寬激光器的精密調(diào)諧能力。

圖20 基于片上光頻梳的光電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖［104］Fig.20 Schematic diagram of photoelectronic system based on on-chip optical frequency comb［104］

4 結(jié)論

回顧過去幾十年窄線寬激光器的整體發(fā)展歷程，其研究已從具有簡(jiǎn)單固定外腔激光結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)性能的提升，發(fā)展至更深層面自適應(yīng)分布反饋新型激光構(gòu)型的探索。例如，從最初具有固定外腔為主的激光構(gòu)型到具有連續(xù)反饋特性的新型激光機(jī)制的開發(fā)應(yīng)用，其激光線寬也從最初的幾十kHz 量級(jí)窄化至Hz 量級(jí)，線寬特性發(fā)生了質(zhì)的飛越?；谧赃m應(yīng)分布反饋窄線寬激光架構(gòu)的發(fā)展，這種從“無(wú)序產(chǎn)生有序”的調(diào)控思想會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)激光參數(shù)調(diào)控的深入研究。隨著多種具有分布反饋特征光學(xué)元器件的提出與實(shí)現(xiàn)，工業(yè)應(yīng)用級(jí)的激光器正在快速跨越千赫茲和赫茲量級(jí)，亞赫茲量級(jí)的超窄線寬激光器也會(huì)快速出現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有理論可知，利用自適應(yīng)分布弱反饋可實(shí)現(xiàn)激光線寬Hz 以下量級(jí)的壓縮，但激光腔在受到外界溫度波動(dòng)和振動(dòng)影響的情況下，仍然會(huì)造成線寬拓寬，因此需要更精細(xì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋結(jié)構(gòu)的制作，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、反饋功率適當(dāng)或相位可控的人工可控反饋元件；另外，也需要對(duì)整個(gè)激光系統(tǒng)進(jìn)行更高精度的恒溫隔振控制?；诜植挤答伒募児鈱W(xué)反饋特點(diǎn)，窄線寬激光器還將基于片上集成式反饋元器件，實(shí)現(xiàn)與激光增益芯片的混合集成，為微納光子學(xué)、片上光場(chǎng)調(diào)控、光量子調(diào)控和光電混合集成提供片上窄線寬光源方案。另一方面，分布反饋架構(gòu)具有波長(zhǎng)自適應(yīng)特點(diǎn)，因此在線寬深壓縮的基礎(chǔ)上具有對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行精密和大范圍調(diào)諧的巨大潛力。窄線寬激光的發(fā)展趨勢(shì)不再局限于線寬參數(shù)性能的提升，更需要在窄線寬基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)具有大范圍連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧的能力，以應(yīng)對(duì)各種科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的需求。