location：瑞士洛桑，2026年10月6日——光学测量、量子传感和原子钟等精密应用需要具有极高稳定性的激光光源。通常，这种稳定性依赖于安置在受控实验室环境中的大型激光器来实现。
尽管大型笨重的激光器不适用于紧凑型或便携式精密应用，但半导体激光器可能提供一种替代方案。半导体激光器可大规模制造，并能集成到复杂的光子系统中。然而，这些激光器的线宽范围通常在数千赫兹到兆赫兹之间，远大于通常用于精密应用的台式光纤激光器。对于需要精确频率控制的应用而言，窄线宽至关重要。
半导体激光器可通过自注入锁相实现窄线宽，但窄线宽工作仅在特定工作点下发生。此外，维持锁相状态需要持续的主动控制。
采用光纤耦合标准蝴蝶封装的光子集成无限自注入锁模激光器。
图片由洛桑联邦理工学院（EPFL）/西蒙娜·比安科尼提供。
洛桑联邦理工学院（EPFL）由托比亚斯·J·基彭贝格教授领导的团队开发出一种光子集成激光器，可在任意驱动电流下实现对窄线宽态的自注入锁相。该激光器架构被研究人员称为“无限自注入锁相”，无需主动电子控制即可实现稳定的自注入锁相。
为了设计一种可无限自锁的光子集成激光器，研究人员将标准半导体激光器与一个光学芯片结合，该芯片将部分光返回到器件中。他们精心设计了反馈机制，确保激光在温度变化或制造差异等外界条件变化下仍能保持稳定。同时，他们使激光器的稳定工作区域相互重叠，这样当驱动电流发生变化时，激光器便能在不同稳定状态之间平稳切换，而不会丢失锁定状态。
反馈相位色散由谐振器耦合器的空间排列决定，并控制着连续腔模之间锁相模式的演化。由于在光子集成微谐振器中对反馈相位色散和重叠的锁相区间进行了设计，研究人员能够在调谐过程中将激光限制在窄线宽支路，从而避免进入自由运行状态。
由此产生的自锁激光在整个激光驱动电流范围内保持锁定状态（即线宽减小因子超过1000或稳定系数大于30），激光在整个驱动电流范围内均无自由运行区域，也就是说，其频率不受与集成微谐振器的锁定控制。
研究人员在驱动电流从154 mA变化至300 mA的范围内测试了激光器。在每种测量电流下，自注入锁相效应使频率噪声相比自由运行的激光器降低了超过5000倍。该光子集成激光器在所有驱动电流下均表现出持续的锁相特性，其固有线宽低于10 Hz。
团队还将压电执行器集成到光子芯片上。当施加电压时，这些执行器通过应力-光学效应调节谐振器。该器件在保持锁定的同时，产生了超过1.5 GHz的无模式跳跃频率啁啾。
这种无限自注入锁定设计使研究人员能够在几乎任何注入电流下启动并维持窄线宽的自注入锁定，而无需主动控制驱动电流或反馈相位，从而实现了真正的一站式自注入锁定。
该设计可在紧凑且易于制造的平台上实现超低噪声激光性能，无需额外支撑系统。它有望将低损耗光子集成电路中灵敏的自注入锁相技术提升为一种稳健、可扩展的超低噪声激光方案，广泛应用于光学传感、激光雷达、光纤监测、相干通信、原子钟和量子传感等领域。
目前的研究在实验室设备中验证了无限自注入锁相的原理。在这一技术能够脱离实验室实际应用之前，仍需进一步的工程优化和封装。
该项研究发表于《自然光子学》
分布于：2026年10月