Лазеры с распределённым Брегговским отражателем, усиленные резонатором

Более чистый свет для повседневных технологий

Лазеры лежат в основе высокоскоростного интернета, навигации типа GPS, 3D-сканирования в автомобилях и ультраточных часов, которые определяют наше время. Но создание лазеров, одновременно обладающих чрезвычайно чистым цветом, лёгкостью настройки, компактностью и низкой стоимостью, остаётся упорной задачей. В этом исследовании представлен новый вид чипового лазера, который обещает перенести «лабораторное» качество в практические устройства, потенциально улучшая всё — от магистральных каналов передачи данных до компактных дальномеров.

Почему точный цвет лазера важен

Многие передовые технологии зависят от лазеров, цвет (или частота) которых практически не дрейфует. Лазер с очень «узкой шириной линии» обладает строго определённым цветом, который слабо изменяется со временем. Такая стабильность критична для когерентной оптической связи, высокоразрешающего химического распознавания, генерации сверхчистых микроволновых сигналов и оптического радара (LiDAR). Большие стационарные лабораторные лазеры могут достигать такой чистоты, но они громоздки и дороги. Компактные полупроводниковые лазеры на чипах дешевле и проще в производстве, но обычно сталкиваются с компромиссами: если их сделать тише (с уже шириной линии), часто теряется диапазон настройки или надёжность; если сделать их широко настраиваемыми, шум, как правило, увеличивается.

Объединение двух лазерных идей

Существующие интегрированные лазеры в основном опираются на две идеи. Первая, называемая лазером с распределённым Брегговским отражателем (DBR), использует тонко структурированное зеркало для выбора одной длины волны. Такие лазеры могут быть стабильными и относительно простыми, но ограничены внутренним компромиссом: уменьшение ширины линии обычно требует увеличения длины структурированного зеркала, что делает устройство больше и сложнее для эффективной настройки. Вторая идея — лазер с самофокусировкой (self-injection-locked), когда крошечный лазерный диод синхронизируется с ультравысококачественным кольцевым резонатором, что резко очищает его цвет. Хотя это может давать исключительно чистый свет, такая схема чувствительна — мелкие изменения тока или температуры могут вывести лазер из оптимального режима, ухудшая надёжность.

Кольцо, усиливающее зеркало на чипе

Авторы предлагают и демонстрируют новую архитектуру, названную лазером с распределённым Брегговским отражателем, усиленным резонатором (RE-DBR). Вместо длинного прямого структурированного зеркала они оборачивают такую решётку по кольцевому пути на чипе из нитрида кремния. Свет многократно циркулирует по кольцу, поэтому решётка действует как намного более длинное зеркало, чем её физический размер. Это «усиление резонатором» делает обратную связь одновременно сильнее и гораздо уже по спектру, без необходимости большого занимаемого пространства. Отдельный полупроводниковый чип обеспечивает оптическое усиление и подсоединяется методом торцевого сопряжения с кольцевым чипом. При умеренном качестве кольца (загруженное Q ≈ 0,56 миллиона) гибридное устройство выдаёт более 22 милливатт выходной мощности, отношение подавления боковых мод 60 децибел (очень чистая одноцветная работа), исключительно узкую внутреннюю ширину линии 24 герца и непрерывный диапазон настройки 34 гигагерца без скачков моды — и всё это помещается в несколько квадратных миллиметров.

Стабильная настройка без прыжков

Плавное изменение цвета лазера важно для приложений вроде LiDAR с подстройкой частоты и спектроскопии. Во многих лазерах настройка приводит к внезапным «прыжкам моды», когда устройство резко перескакивает с одной разрешённой частоты на другую. Здесь авторы используют два крошечных нагревателя на чипе: один на кольце, который сдвигает пиковое отражение, и один на соседнем волноводе, который удерживает предпочитаемую внутреннюю частоту лазера привязанной к этому пику. Тщательно координируя работу нагревателей, они плавно прокручивают цвет лазера на 34 гигагерца с колебаниями мощности примерно 2% и без скачков. Важно, что в отличие от самофокусированных лазеров, конструкция RE-DBR сохраняет узкую ширину линии при широком диапазоне токов управления и повторных циклах включения–выключения, демонстрируя реальное «включил и работает» поведение.

Что это может означать на практике

Для неспециалиста ключевая мысль в том, что эта работа объединяет лучшее из двух миров: низкий уровень шума деликатных лабораторных лазеров и надёжность с низкой стоимостью полупроводниковых чипов. Подход RE-DBR разрывает долгостоящий компромисс между чистотой цвета и простотой настройки, не полагаясь на чрезвычайно точное производство или сложную электронику управления. По мере совершенствования дизайна и адаптации к другим материалам, поддерживающим более быструю или более широкую настройку, он может стать компактным интегрируемым источником света для более быстрых сетей связи, более точных измерений расстояний в автомобилях и беспилотниках, а также для более точных систем синхронизации и датчиков — всё это при использовании лазеров меньше рисового зерна.

Цитирование: Yu, D., Geng, Z., Huang, Y. et al. Resonator-enhanced distributed Bragg reflector lasers. Light Sci Appl 15, 142 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02249-x

Ключевые слова: интегрированные лазеры, узкая ширина линии, фотоника на нитриде кремния, настраиваемый источник света, оптические коммуникации