圖1. (a) 集成Pound-Drever-Hall(PDH)激光頻率穩定系統的框圖。(b) Si?N? 片上MZI結構圖。(c) Si?N?片上MZI的透射光譜，自由光譜范圍(FSR)為16.3 GHz，最大消光比為19.5dB。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部王俊研究員團隊與上海大學合作在片上穩頻激光器研究方面取得進展。相關研究成果以“On-chip Mach-Zehnder interferometer for 1550 nm laser frequency stabilization”為題發表于Optics Letters。

激光頻率穩定在計量、光譜學、通信和量子物理等領域具有重要應用。傳統的激光頻率穩定技術依賴于大體積腔體(如法布里-珀羅腔)或氣體吸收池，雖然能實現極高的頻率穩定性，但系統復雜、易受環境干擾，且難以集成到光子芯片中。

因此，研究人員提出了以Si?N? 的馬赫-曾德爾干涉儀(MZI) 作為頻率參考，選擇 Si?N? 作為光學參考介質，主要基于其低熱光學系數(2.45 × 10?? /°C)、低傳輸損耗和寬透明窗口的優勢。圖1(c)表明，Si?N? MZI 具有16.3 GHz 的自由光譜范圍(FSR)和 19.5 dB 的高消光比，為高精度頻率鎖定提供了理想的參考。結合Pound-Drever-Hall(PDH)鎖定技術，實現了基于芯片級頻率參考的激光穩頻方案。

圖2. (a) 激光器的頻率噪聲譜。對比自由運轉激光器(黑色)與鎖定至片上 MZI 后的激光器(紅色)。(b) 激光器線寬與積分時間的關系。自由運轉激光器(黑色)與 MZI 鎖定激光器(紅色)在不同積分時間下的線寬變化，表明鎖定至 MZI 能有效抑制頻率噪聲，并顯著縮窄激光線寬。

圖3表明在 1 ms 門控時間內達到3×10?1? 的相對穩定度，相比自由運行狀態提升了一個數量級。此外，自由運轉激光器與參考激光器拍頻線寬(黑色)為 1.13 MHz，而 MZI 鎖定激光器與參考激光器拍頻線寬(紅色)線寬降至 231 kHz，穩頻后拍頻的頻譜線寬相比于自由運轉狀態下壓窄超過5倍。

圖3.(a) DFB 激光器與參考激光器在 193.41 THz 處的拍頻 Allan 偏差。對比自由運行激光器(黑色)和 MZI 鎖定激光器(紅色)。(b) DFB 激光器與參考激光器的拍頻頻譜。

該研究為片上激光頻率基準的集成化發展提供了新思路，并在光通信、精密測量、量子光學和微波光子學等領域具有廣泛的應用前景。

審核編輯 黃宇