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| 覆盖可见光至短红外波段的跨倍频程集成线圈稳频布里渊激光系统 |
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导读
随着光学原子钟、量子计算和量子精密测量等前沿技术的发展，对超窄线宽、高频稳定的激光源需求日益迫切。来自加州大学圣塔芭芭拉分校的研究团队提出并实现了一种跨可见光至短波红外（VIS–SWIR）超过一个倍频程工作的片上集成稳频布里渊激光体系。该体系基于CMOS兼容的超低损耗氮化硅平台，结合布里渊非线性噪声压缩与片上米级线圈谐振腔稳频的双级降噪机制，在674 nm、698 nm及1550 nm等多个关键波长实现了Hz量级本征线宽与亚kHz积分线宽。（见Abstract）。
该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Octave Spanning Operation of Visible to SWIR Integrated Coil-Stabilized Brillouin Lasers”。 加州大学圣塔芭芭拉分校的Meiting Song为论文第一作者，Daniel J. Blumentha为通讯作者。
研究背景
窄线宽稳频激光是光学原子钟、量子信息处理和光学频率分频等系统的核心部件，其频率噪声和稳定性直接决定系统的极限性能。目前，最成熟的方案通常采用外腔半导体激光器或光纤激光器，通过Pound–Drever–Hall（PDH）技术锁定到体式超低膨胀（bulk-optic ultra-low expansion，ULE）光学腔中，从而获得窄线宽和优异稳定性。然而，这类系统普遍存在体积大、对环境敏感、难以集成等问题，不利于便携化和大规模部署（见Introduction）。
近年来，集成光子学为激光稳频提供了新的可能性。基于自注入锁定、外腔可调激光器或布里渊激光的片上方案在近红外波段已取得重要进展，但在可见光波段实现同时具备超低线宽、高稳定性和宽波长适配能力的集成方案仍面临挑战。一方面，可见光下波导散射与吸收损耗显著增加；另一方面，单一稳频机制难以在从Hz到MHz的宽频段内同时抑制激光噪声（见Introduction）。
因此，发展一种可在宽波长范围内工作、同时覆盖高频与低频噪声抑制、并具备片上集成潜力的新型稳频架构，成为集成精密激光领域亟需解决的关键科学与工程问题。（见Introduction）。
创新研究
针对上述挑战，研究团队创新性地提出并实现了一种双级线宽压缩的集成布里渊稳频激光架构。研究人员利用受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）激光实现对泵浦激光高频相位噪声的本征压缩，通过精确设计谐振腔自由光谱范围以匹配不同波长下的布里渊频移，成功在674 nm、698 nm及1550 nm实现低阈值、稳定的SBS激光输出，将激光的本征线宽压缩至1–10 Hz量级（见图1及原文Results）。
接着，引入米级长度的片上线圈谐振腔作为频率参考，通过PDH锁定技术进一步抑制低频至中频噪声。该线圈谐振腔基于超低损耗氮化硅波导，实现了超大光学模体积，从而显著降低热折射噪声极限，使激光积分线宽进一步降至百Hz量级（见图2及原文Results）。
更重要的是，该工作首次在统一的CMOS兼容氮化硅平台上，实现了跨可见光与短波红外的稳频布里渊激光设计。通过仅在掩膜层面调整波导宽度与谐振腔尺寸，即可适配不同目标波长，充分体现了该方案的高度可扩展性与工艺通用性。实验结果表明，该系统在多个关键波长下均实现了当前同类集成方案中最低的本征线宽与最高的频率稳定性水平（见图3及原文Results）。
图1(见原文中的Fig. 2)：线圈稳频SBS激光器及其双级线宽压缩原理示意图。(a)线圈稳频SBS激光实验示意图。蓝色表示泵浦激光，橙色表示一级斯托克斯（S1）输出，绿色表示经线圈稳频后的SBS激光。(b)利用SBS实现对泵浦激光高频噪声的抑制，以及通过线圈稳频实现对低至中频噪声的进一步降低的示意图。图中给出了热折射噪声（TRN）极限（黑色虚线）、本征线宽（FLW，绿色虚线）以及积分线宽（ILW，绿色阴影区域）。(c)泵浦激光、S1输出以及线圈稳频SBS激光在线宽压缩过程中的对比示意图。
图2(见原文中的Fig. 3)：集成线圈稳频布里渊激光器及其测量系统。(a)锁定至线圈谐振腔的SBS激光器及频率噪声测量示意图。(b)放大系统示意图：在674 nm和698 nm波长处采用高功率激光二极管的注入锁定放大方案；在1550 nm波长处采用商用掺铒光纤放大器（EDFA）。(c)采用非平衡光纤马赫–曾德尔干涉仪（MZI）作为光学频率鉴别器，对高于1 kHz频偏范围内的频率噪声进行测量。LUT 表示被测光源（light under test）。(d)利用1 Hz 可见光光学频率梳并通过外差拍频方式，对1 Hz 至 1 kHz 频偏范围内的频率噪声进行测量。SLS 表示稳频激光系统（stabilized laser system），SCG 表示超连续谱产生（supercontinuum generation），SHG 表示二次谐波产生（second-harmonic generation），FC 表示频率计数器（frequency counter）。
图3(见原文中的Fig. 4)：集成线圈稳频布里渊激光器的频率噪声特性。(a-c)在 674 nm(a)、698 nm(b)和 1550 nm(c)波长下，分别对泵浦激光、SBS的S1输出以及线圈稳频后的激光的频率噪声进行对比。泵浦激光与 S1输出的频率噪声采用光学频率鉴别（optical frequency discrimination，OFD）方法测量；线圈稳频激光的频率噪声则通过将 OFD 测量结果与相对于超稳参考激光的外差拍频测量结果进行拼接获得。图中竖直虚线标示了不同测量方法之间的数据拼接位置。绿色水平虚线表示决定激光本征线宽的白噪声底。阴影区域表示频率噪声的积分面积，对应激光的积分线宽。(d)线圈稳频布里渊激光器在 674 nm、698 nm 和 1550 nm 波长下的 Allan 偏差（ADEV）。虚线标出了 ADEV 的最小值。
总结与展望
本研究展示了一种跨倍频程工作的片上稳频布里渊激光新技术，通过将布里渊非线性降噪与线圈谐振腔稳频相结合，在可见光至短波红外范围内实现了前所未有的低线宽与高稳定性。这一成果不仅在性能指标上刷新了集成布里渊激光的纪录，也为片上精密光源的系统级集成奠定了坚实基础。这一工作为构建高性能、可制造、可扩展的片上精密光学系统提供了关键技术支撑，助力量子精密测量等前沿研究向工程化、实用化迈出了重要一步（见Discussion）。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02133-0
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