导读
凭借体积小 、噪声低 ，可批量生产和集成化等优势 ，芯片级低噪声激光和光频梳在光计算 、高精度传感、自动驾驶 、5G/6G通信等领域具有极大的应用前景。将有源的半导体激光器自注入锁定到无源片上高Q值微腔，能够有效降低激光器频率噪声 ，并激发丰富的非线性光学效应 ，对推动光子集成电路的发展具有重要意义 。氮化硅 、铌酸锂、钽酸锂 、铝镓砷和氮化铝等材料平台都展现了该领域巨大的应用潜力 。其中，氮化铝材料具有宽透光窗口 、灵活色散调控和窄带拉曼增益等优势 ，将其与自注入锁定技术相结合 ，有望实现低噪声拉曼激光与光频梳生成，为光子集成电路的功能拓展提供新的技术路径。
近日， 清华大学精密仪器系杨昌喜和鲍成英团队 与 中国科学院半导体研究所王军喜和闫建昌团队 合作 ，首次在氮化铝光子芯片中实现了自注入锁定 ，产生了输出功率超过10 mW、本征线宽低于70 Hz的受激拉曼激光，并通过调节激光器与芯片间的相位 ，首次在正常色散的氮化铝微腔实现了平顶光梳与斯托克斯平顶光梳（泵浦与拉曼谱线共存） 。
相关研究成果以“ Self-Injection Locking Dynamics with Raman Actions in Aluminum Nitride Microresonators ”为题 ，发表于 Physical Review Letters ，并被选为编辑推荐文章（Editors’ Suggestion）在PRL官网首页作为亮点展示 。该研究工作的第一完成单位为清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室。 清华大学精密仪器系2021级博士研究生丁雨磊、2023级博士研究生王艺霏为论文的共同第一作者 ，通讯作者为清华大学精密仪器系鲍成英副教授 ，其他作者还包括清华大学精密仪器系2021届毕业生姚顺雨博士，杨昌喜教授 、中国科学院半导体研究所郭亚楠副研究员 、闫建昌研究员和王军喜研究员 。
自注入锁定低噪声拉曼激光
研究团队通过将DFB激光器与微腔直接对接耦合（ 图1 ） ，首次实现了自注入锁定 ，成功产生了1753 nm波段，输出功率超过10 mW的拉曼激光 ，线宽测试结果表明其基础线宽低于70 Hz 。自注入锁定后 ，激光器线宽较自由运转下降低了20 dB左右。
图1：激光器与氮化铝芯片自注入锁定实现拉曼激光
进一步，通过克尔非线性效应，成功激发了二级斯托克斯与反斯托克斯激光（ 图2 ） ，将工作波段扩展至2000 nm和1425 nm附近 ，并通过实验验证了其产生源于四波混频非线性过程。
图2：二阶斯托克斯与反斯托克斯激光特性
研究团队还发现，通过给激光器施加一个周期性的方波电流信号 ，拉曼激光可以实现确定性的产生 。自注入锁定后 ，通过微腔的热效应，泵浦激光与拉曼激光可以实现数GHz的频率扫描（ 图3 ） 。
图3：热效应诱导的泵浦和拉曼激光数GHz频率扫描
自注入锁定斯托克斯平顶光梳
研究团队还首次在正常色散的氮化铝微腔中 ，调节激光与芯片间的相位 ，观察到了泵浦与拉曼谱线共存的斯托克斯平顶光梳（ 图4 ）。改变激光器与芯片间的相位，还实现了无拉曼谱线的纯平顶光梳状态 ，验证了自注入锁定对微梳状态的有效调控 。
图4： 斯托克斯平顶光梳光谱与时域波形特征
总结与展望
本研究成功将自注入锁定技术拓展至氮化铝集成光子平台 ，实现了高性能拉曼激光输出，其功率超过10 mW ，本征线宽低于70 Hz ，性能与商用连续光激光器泵浦方案相当；这为1750 nm波段集成低噪声激光的产生提供了新方案 。泵浦和拉曼激光数GHz的频率扫描，在双色激光雷达等应用中具有重要价值。此外，实验中首次观察到斯托克斯平顶光梳状态 ，为在正常色散区扩展微腔光频梳的工作带宽提供了新途径 。该研究为发展可见光至中红外波段的低噪声激光器、宽带光频梳及非线性光子互联电路奠定了重要基础 。
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希望本篇文章《鲍成英团队PRL|氮化铝微腔中自注入锁定拉曼激光与微梳产生》能对你有所帮助！
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