半導體激光器因其緊湊的尺寸、靈活的操作性以及極寬的光譜覆蓋范圍，一直被視為潛力的光頻梳光源。特別是具有皮秒級超快增益恢復時間的量子級聯激光器，能夠在純直流偏置下實現自鎖模，從而產生頻率調制光梳。

       與傳統(tǒng)法布里-珀羅腔不同，環(huán)形腔結構支持光波的單向傳輸，這種特性能夠有效避免因空間燒孔效應引發(fā)的增益競爭和單模失穩(wěn)問題。然而，為了保證單向激射的穩(wěn)定性，以往多數環(huán)形QCL極度依賴波導彎曲損耗來進行光輸出耦合。這種設計盡管其腔內循環(huán)的功率可能高達數百毫瓦，但實際可用的端面輸出功率往往被嚴格限制在亞毫瓦級別。如何在高功率運行下保持單向性以及對發(fā)射方向進行靈活控制成為了研究人員面臨的重大挑戰(zhàn)。

圖1 跑道型激光器的性能表征

       為了打破這一局限，研究團隊創(chuàng)新性地引入了帶有定向波導耦合器的跑道型諧振腔結構。通過長達1.5 mm的長直耦合區(qū)，腔內激光得以被高效地引導并提取出來。實驗結果顯示，該器件在室溫環(huán)境下，單側波導端面的連續(xù)波輸出功率飆升至105.6 mW。

圖2 量子行走型跑道激光器的實驗與仿真

       在大幅提升功率的同時，系統(tǒng)的高頻射頻調制性能也得到了顯著優(yōu)化。由于單步干法刻蝕工藝通常難以兼容外延再生長，以往器件的側壁絕緣層較薄，導致射頻截止頻率極低。為此，研究人員在器件的調制區(qū)域專門沉積了厚達1500 nm的Si3N4鈍化層，大幅降低了電極接觸的寄生電容，成功將調制帶寬跨越式提升至10 GHz以上。

圖3 射頻性能優(yōu)化與頻率梳功率縮放特性

       基于此優(yōu)化，當向器件注入與環(huán)形腔往返頻率共振的射頻信號時，在強大的克爾非線性效應主導下，激光光譜會迅速展寬，形成跨度超過30 cm?1且包絡呈現厄米-高斯分布的量子行頻梳。實驗通過SWIFTS波形重建技術明確證實，這些光梳呈現出典型的頻率調制特征。

       作為一種走向實用化的光譜學光源，高輸出功率僅僅是準入門檻，對發(fā)光狀態(tài)的精準調控以及對復雜環(huán)境干擾的抵抗力同樣至關重要。該團隊在總線波導結構上巧妙地設計了左、中、右三個獨立的偏置電極。通過非對稱地對這些電極施加偏置電壓，研究人員可以獨立控制波導各點反饋入腔內的自發(fā)輻射水平。這種機制使得操作者能夠像操控數字開關一樣，輕松實現激光在順時針和逆時針激射方向之間的隨意切換，且不會犧牲光梳的帶寬、功率和重復頻率等核心性能指標。

圖4 跑道型激光器的全維度調控性能

       由于該系統(tǒng)始終運行于單向激射模式，任何耦合回跑道腔的反射光，其傳播方向均與原本的激光激射方向逆向而行，因此不會與發(fā)光場發(fā)生任何破壞性的物理互作用。為了驗證這一特性，研究人員在距離波導端面10 cm處放置了一面反射鏡，將高達95%的輸出光強行反射回波導中，進行了極其苛刻的光反饋測試。結果表明，無論反饋相位的條件如何改變，光梳的光譜形態(tài)均保持毫發(fā)無損，展現出了對延遲光反饋的絕對免疫能力。

       本項研究不僅通過干法刻蝕工藝和跑道型結構大幅降低了此類器件的制造成本，更在單一光子芯片上融合了高功率、寬光譜、方向可控及抗干擾等多種特性。未來，這種高度優(yōu)化的制造平臺為將多個環(huán)形激光器、總線波導以及微波傳輸線單片集成創(chuàng)造了充分條件。隨著高頻微波電子學與光子學工程的進一步深度交融，這些魯棒性的光梳器件將為全集成片上雙梳光譜儀的發(fā)展奠定堅實基礎，并有望在多變環(huán)境下的精密光譜檢測任務中大放異彩。

參考文獻： 中國光學期刊網

您好，可以免費咨詢技術客服[Daisy]

 筱曉(上海)光子技術有限公司

歡迎大家給我們留言，私信我們會詳細解答，分享產品鏈接給您。

免責聲明：

資訊內容來源于互聯網，不代表本網站及新媒體平臺贊同其觀點和對其真實性負責。如對文、圖等版權問題存在異議的，請聯系我們將協調給予刪除處理。行業(yè)資訊僅供參考，不存在競爭的經濟利益。