圖1. (a) 集成Pound-Drever-Hall(PDH)激光頻率穩(wěn)定系統(tǒng)的框圖。(b) Si?N? 片上MZI結(jié)構(gòu)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(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部王俊研究員團隊與上海大學(xué)合作在片上穩(wěn)頻激光器研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“On-chip Mach-Zehnder interferometer for 1550 nm laser frequency stabilization”為題發(fā)表于Optics Letters。

激光頻率穩(wěn)定在計量、光譜學(xué)、通信和量子物理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的激光頻率穩(wěn)定技術(shù)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(xiàn)極高的頻率穩(wěn)定性，但系統(tǒng)復(fù)雜、易受環(huán)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(xué)參考介質(zhì)，主要基于其低熱光學(xué)系數(shù)(2.45 × 10?? /°C)、低傳輸損耗和寬透明窗口的優(yōu)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(jié)合Pound-Drever-Hall(PDH)鎖定技術(shù)，實現(xiàn)了基于芯片級頻率參考的激光穩(wěn)頻方案。

圖2. (a) 激光器的頻率噪聲譜。對比自由運轉(zhuǎn)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(guān)系。自由運轉(zhuǎn)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(nèi)達(dá)到3×10?1? 的相對穩(wěn)定度，相比自由運行狀態(tài)提升了一個數(shù)量級。此外，自由運轉(zhuǎn)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(wěn)頻后拍頻的頻譜線寬相比于自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)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(zhǔn)的集成化發(fā)展提供了新思路，并在光通信、精密測量、量子光學(xué)和微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

審核編輯 黃宇