中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
窄線(xiàn)寬激光具備極高的頻譜密度、極低的相對強度噪聲和相位噪聲以及超長(cháng)的相干長(cháng)度，在冷原子干涉測量、光學(xué)原子鐘、相干激光通信、相干激光雷達、高精度光纖傳感和精密光譜等諸多前沿科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)十分重要的作用。根據頻率選擇結構分布在有源腔內外的不同，一般將窄線(xiàn)寬半導體激光器分為內腔反饋型和外腔反饋型激光器。當前，外腔窄線(xiàn)寬半導體激光器商業(yè)化應用具備舉足輕重的地位。
近期，華中光電技術(shù)研究所—武漢光電國家研究中心的研究團隊以“外腔窄線(xiàn)寬半導體激光器研究進(jìn)展”為主題進(jìn)行了綜述研究，重點(diǎn)介紹了當前具備代表性的四類(lèi)外腔型窄線(xiàn)寬半導體激光器的基本結構、關(guān)鍵技術(shù)、性能特點(diǎn)以及國際發(fā)展現狀。相關(guān)研究?jì)热莅l(fā)表在《光學(xué)與光電技術(shù)》期刊。
閃耀光柵型
采用閃耀光柵（Blazed Grating）作為選頻光學(xué)反饋器件，很早就已被應用在基于Littrow和Littman結構的外腔激光器中，目前已經(jīng)成為經(jīng)典外腔半導體激光器之一。其諧振腔通常由半導體激光增益芯片（Gain Chip）、光學(xué)準直透鏡或反射鏡和閃耀光柵等光學(xué)元件組成。2020年，澳大利亞引力波天體物理中心D. P. Kapasi等人報道了一種基于增益芯片與衍射光柵組成的Littrow型結構的閃耀光柵外腔窄線(xiàn)寬激光器。中心波長(cháng)為2 μm，最大輸出功率9.3 mW，激光線(xiàn)寬20 kHz@10 ms，通過(guò)壓電換能器進(jìn)行調諧，最終實(shí)現了120 nm的調諧范圍。該類(lèi)外腔激光器的結構和性能特點(diǎn)比較適合實(shí)驗室應用場(chǎng)景，能夠勝任工作環(huán)境友好但對波長(cháng)調諧范圍和光譜分辨率要求較高的領(lǐng)域，如光譜檢測、非線(xiàn)性光學(xué)測試系統、光學(xué)原子鐘、里德堡原子測量系統等領(lǐng)域。
澳大利亞引力波天體物理中心外腔半導體激光器
體全息光柵型
體全息光柵（Volume Holographic Gratings，VHG）是一種在熔融硅酸鹽玻璃中利用紫外全息曝光制作的衍射光柵器件，分為反射式和透射式兩種，也可用來(lái)實(shí)現Littrow和Littman結構的外腔型窄線(xiàn)寬半導體激光器。相對來(lái)說(shuō)，體光柵比閃耀光柵尺寸更小，工作波段可擴展至350~2500 nm，具有高光學(xué)損傷閾值以及機械和熱穩定性，高溫下表現出優(yōu)異的穩定性，選頻溫漂系數小，可用來(lái)制作微型化高可靠的激光器。2020年，費迪南布勞恩研究所為JOKARUS任務(wù)研制了一款微集成窄線(xiàn)寬激光器，該器件采用主振蕩光放大（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）技術(shù)體制，以ECDL作為種子源級聯(lián)錐形光放大，在保持較窄激光線(xiàn)寬的同時(shí)大幅提升了輸出功率。該激光系統中心波長(cháng)為1064.490 nm，光功率為570 mW，線(xiàn)寬為13 kHz（1 ms），總功耗3.75 W，用于太空探測火箭上工作的碘頻基準。
JOKARUS微集成ECDL-MOPA激光器件
在該領(lǐng)域，華中光電技術(shù)研究所也研制了14 pin蝶形金屬封裝體光柵擴展外腔微集成窄線(xiàn)寬半導體激光器。測試激光線(xiàn)寬小于70 kHz，無(wú)跳模調諧范圍10 GHz，功率大于180 mW，邊模抑制比大于60 dB，器件體積30 mm × 12.7 mm × 7.6 mm，該器件具有優(yōu)異的波長(cháng)和功率穩定性，且體積小、功耗低、環(huán)境適應性?xún)?yōu)良，其多項指標優(yōu)于德國Sacher公司窄線(xiàn)寬半導體激光器產(chǎn)品。
華中光電技術(shù)研究所微集成窄線(xiàn)寬激光器
光學(xué)腔型
晶體光學(xué)腔具有較高的品質(zhì)因子、較小的模式體積和性能穩定等優(yōu)勢，可用作光濾波器，能夠實(shí)現激光器的鎖定和激光線(xiàn)寬的壓窄。光學(xué)微腔通常分為法布里-珀羅腔、回音壁模式（Whispering-Gallery Mode，WGM）微腔和光子晶體腔。2018年俄羅斯量子研發(fā)中心M.L.Gorodetsky等人報道了一種基于MgF2微腔和大功率F-P腔激光器的注入鎖定窄線(xiàn)寬激光器以及孤子克爾光梳的產(chǎn)生。將功率為200 mW的F-P腔激光器的出射光注入到水平直5.5 mm，垂直直徑500 μm的微腔中，在注入鎖定狀態(tài)得到了370 Hz的窄線(xiàn)寬輸出，當進(jìn)一步調諧激光器的電流進(jìn)入紅失諧狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生了重復頻率為12.5 GHz的孤子光頻梳。
基于MgF2微腔和大功率F-P腔激光器的注入鎖定窄線(xiàn)寬激光器以及孤子克爾光梳的產(chǎn)生系統
平面波導型
平面波導（Planar Light Waveguide Chip，PLC）是光子集成技術(shù)的重要應用，為外腔反饋半導體激光器中窄帶濾波和光學(xué)反饋器件提供了更加多樣化和靈活的選擇。2021年，加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的W.Jin等人報道了超窄線(xiàn)寬混合集成窄線(xiàn)寬激光器，有源部分為DFB激光器，無(wú)源濾波部分為品質(zhì)因子為2.6×10?的Si3N4微環(huán)，采用低限制氮化硅波導結構光傳輸損耗降至0.1 dB/m，最終實(shí)現了3 Hz線(xiàn)寬輸出。
外腔結構示意圖以及其注入鎖定原理
目前，半導體激光器正朝向高功率、窄線(xiàn)寬的方向快速發(fā)展，尤其是基于體光柵的外腔半導體激光器可實(shí)現100 kHz以下線(xiàn)寬，以及較高的光功率，具備優(yōu)異的環(huán)境適應性，該體制的性能及可靠性也已經(jīng)在太空探測任務(wù)中得到驗證；同時(shí)腔型結構簡(jiǎn)單，通過(guò)全自動(dòng)耦合系統可以實(shí)現商業(yè)化的應用，成本較低，但是線(xiàn)寬難以進(jìn)一步下降?；诨匾舯诠鈱W(xué)腔窄線(xiàn)寬激光器可實(shí)現低于100 Hz的超窄線(xiàn)寬激光，但是需要DFB芯片與透鏡、棱鏡和回音壁光腔進(jìn)行光耦合，耦合集成難度極高，批量生產(chǎn)困難，且高品質(zhì)因子回音壁腔研磨加工工藝要求高，短期內難以攤薄成本?；诨旌霞煞桨傅牟▽Ч鈻牌骷闹苽渑c傳統的微納工藝兼容，適合以低成本進(jìn)行大規模商業(yè)化制備，這種方案可以與增益芯片耦合集成即可實(shí)現高穩定性的單縱模注入鎖定效果，線(xiàn)寬與噪聲性能也十分優(yōu)異并且有著(zhù)很高的集成度，是現階段商業(yè)化制備窄線(xiàn)寬激光器的最佳方案之一。
隨著(zhù)光子集成技術(shù)的發(fā)展，異質(zhì)集成對沖擊與振動(dòng)具有較高魯棒性，對實(shí)現低噪聲、窄線(xiàn)寬、高緊湊度的半導體激光器有著(zhù)巨大的吸引力，未來(lái)基于晶圓鍵合的硅基異質(zhì)集成Ⅲ-Ⅴ族窄線(xiàn)寬半導體激光器必將成為最具發(fā)展潛力的方案。
