谐振器增强分布式布拉格反射器激光器

为日常技术带来更纯净的光

激光是高速互联网、类似 GPS 的导航、汽车中的 3D 传感以及定义我们时间的超精密时钟的核心。但要同时实现色散极其纯净、易于调谐、体积小且成本低的激光器一直是一个顽固的挑战。这项研究提出了一种新型芯片化激光器，有望将“实验室级”性能带入实际设备，可能改进从长距离数据链路到紧凑型测距传感器的多种应用。

为什么激光的精确颜色很重要

许多先进技术依赖于颜色（或频率）几乎不抖动的激光。具有非常“窄线宽”的激光具有高度确定的颜色，随时间几乎不漂移。这种稳定性对相干光通信、高分辨率化学指纹识别、超纯微波信号生成以及基于光的雷达（LiDAR）都至关重要。大型台式激光器可以达到这样的纯度，但它们体积大且价格昂贵。芯片上的小型半导体激光器成本更低、制造更容易，但通常存在权衡：如果让它们更安静（线宽更窄），常常会牺牲可调范围或鲁棒性；如果使其可广泛调谐，噪声往往会上升。

将两种激光理念结合起来

现有的集成激光器主要依赖两种思路。一种称为分布式布拉格反射器（DBR）激光器，使用精细图案化的镜面来选出单一颜色。这类激光器可以稳定且相对简单，但受制于内在的权衡：缩小线宽通常意味着需要更长的图案化镜面，从而使器件体积变大并且难以高效调谐。另一种称为自注入锁定激光器，将微小的激光二极管锁定到超高品质因数的环形谐振腔上，从而显著净化其颜色。尽管这可以产生极其纯净的光，但该结构相当敏感——电流或温度的微小变化可能将激光器从最佳工作点扰出，影响可靠性。

芯片上的环形增强镜

作者提出并演示了一种称为谐振器增强分布式布拉格反射器（RE-DBR）激光器的新架构。他们没有使用一段长而直的图案化镜面，而是将该光栅绕在氮化硅芯片上的环形路径上。光在环中多次循环，使得光栅的作用等同于比其物理尺寸大得多的镜面。这种“谐振器增强”使反馈既更强又在颜色上更窄，而无需占用较大面积。增益由单独的半导体芯片提供，并以贴合耦合（butt-coupled）的方式与环形芯片连接。在仅有适度环腔品质（加载 Q 为 0.56 百万）的情况下，该混合器件输出功率超过 22 毫瓦，旁模抑制比达 60 分贝（非常纯的单色运行）、异常窄的 24 赫兹本征线宽，以及 34 吉赫兹的连续无模式跳跃调谐范围——所有这些都能在仅几平方毫米的尺寸内实现。

无跳跃的稳定调谐

平滑改变激光颜色对于扫描频率 LiDAR 和光谱学等应用至关重要。在许多激光器中，调谐会导致突发的“模式跃迁”，器件会突然从一种允许的颜色跳到另一种。这里，作者在芯片上使用了两个微小加热器：一个放在环上以移动反射峰，另一个放在附近的波导上以将激光的内部优选颜色锁定到该峰。通过精心协调这两个加热器，他们平滑地将激光颜色扫描了 34 吉赫兹，功率仅约有 2% 的波动且没有跳跃。重要的是，他们还表明，与自注入锁定激光器不同，这种 RE-DBR 设计在宽范围的驱动电流和反复的开关循环中都能保持窄线宽，展现了真正的“即插即用”特性——通电即可工作。

这在实际中可能意味着什么

对非专业读者来说，关键结论是：这项工作将两种优势合而为一：精密实验室激光的低噪声与半导体芯片的鲁棒性和低成本。RE-DBR 方法打破了长期存在的颜色纯度与易调谐性之间的权衡，而无需依赖极端的制造公差或复杂的控制电子学。随着设计被改进并适配其他支持更快或更宽调谐的材料，它可能成为更快通信网络、更精确的车辆与无人机测距，以及更精确定时与传感系统的紧凑可集成光源——这些激光器的体积还小于一粒米粒。}

引用: 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

关键词: 集成激光器, 窄线宽, 氮化硅光子学, 可调光源, 光学通信