窄線寬激光器技術及進展（特邀）

朱濤，黨來楊，李嘉麗，蘭天意，黃禮剛，史磊磊

（重慶大學 光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶400044）

0 引言

自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來［1-2］，激光波長、功率以及線寬等參數性能不斷提升，推動了制造業、生命科學、信息技術、科學研究和國防等領域的快速發展［3-7］。其中，激光線寬是決定激光相干性的關鍵因素，一直是科學家們研究激光技術的重點。激光線寬存在的本質在于激光運轉過程中會受到增益介質中自發輻射引起的相位和強度擾動影響，使得激光輸出信號的頻率存在高斯白噪聲，從而引起激光譜線呈現洛倫茲線型的本征展寬［8-10］。此外，激光器也容易受到外部環境中溫度變化和振動帶來的經典噪聲的影響，進一步拓寬了激光線寬。以上因素使得激光相干性大幅降低，在很大程度上限制了基于高相干激光的科學研究和工業應用領域發展。因此，激光線寬壓縮技術已經成為獲得高相干光源的關鍵科學問題。隨著激光及應用研究的深入開展，對激光器的綜合參數性能提出了越來越高的要求，窄線寬激光器正沿著線寬超窄、時頻超穩、波長可調和波長可掃等方向發展。

為了有效抑制腔內自發輻射對受激輻射的時空擾動，并在此基礎上進行時頻參數的任意調控，激光自發明以來，逐漸發展了主腔激光、固定外腔反饋激光和自適應分布反饋激光等構型的激光器。在第一階段，人們主要研究具有單縱模輸出特性的主腔激光，通過在激光腔內插入濾波元件并盡量縮小激光腔長，確保激光有效增益帶寬范圍內僅有單個縱模獲得激射。采用的激光主腔結構主要包括分布布拉格反射結構（Distributed Bragg Reflector，DBR）、分布反饋結構（Distributed Feedback，DFB）、非平面環形腔結構（Nonplanar Ring Oscillator，NPRO）、布里淵增益腔結構以及復合腔結構［11-15］。以稀土摻雜光纖激光和半導體激光為例，它們因為具有壽命長、尺寸小、成本低、可靠性高以及易于產業化等優點，被作為單縱模窄線寬激光主腔的主要增益介質體系［16-17］。對于光纖激光器，由于光纖較強的光局域作用易于實現模場匹配，因此利用光纖光學元件可實現低損耗、可集成以及易控制的功能器件，易于探索主腔激光的自發輻射耦合與參數的調控機制。但是光纖主腔激光器通常具有較大的腔長和較小的縱模間隔，易形成多縱模輸出［18-19］，一般強度噪聲比較高。而半導體激光器具有較平坦和大范圍的增益譜特性，同時可實現片上集成，基于此研制的單縱模窄線寬主腔激光器具有小型化、易于調控和規?；圃斓膬瀯?。然而，在主腔激光器中，由于腔內光子壽命有限，其線寬通常維持在幾十kHz 甚至MHz 量級，一般相位噪聲比較高，難以適應激光應用技術對線寬參數越來越高的要求［20-23］。在第二階段，人們通過在主腔激光外引入平面反射鏡、反射光柵等固定外腔的方式，延緩自發輻射與受激輻射的耦合速率，這種反饋方式為了有效提高激光腔內的光子壽命，不得不采用較大的反饋腔長和反饋強度，導致反饋信號對激光主腔能量形成強烈的修正，容易造成激光腔內相位和頻率發生突變，最終導致多縱模激光輸出［24-25］。采用窄帶濾波元件對固定外腔光反饋的多縱模進行抑制，工藝上需要精確控制主腔激光波長與反饋腔諧振波長進行匹配，即便如此也容易在溫度變化和機械振動等應用環境中失鎖，且難以再次自動調節鎖定，不利于惡劣環境或便攜要求的工業應用。因為科學研究的需要，人們引入了腔外伺服電學反饋的激光穩頻技術，利用這種光電反饋方式可以將主腔激光的頻率穩定性提高到與參考頻率相同的水平，然而相應的光學頻率基準通常采用放置于高真空、極限控溫和隔振的單晶硅諧振腔、光纖干涉儀、冷原子吸收體等窄帶濾波元件［26-28］，制作技術難度大、控制精度高、成本高昂且在惡劣工業環境使用受限。近10年來，課題組獨立提出基于自適應分布反饋的激光諧振腔架構，在減弱自發輻射和受激輻射耦合強度的同時，可以避免反饋能量對受激輻射能量的破壞，從而實現激光線寬的深度壓縮和波長自適應［29-30］。在這種新型激光架構中，基于分布反饋提供的時空固定微擾，可以對激光腔內自發輻射的時空隨機微擾進行深度抑制，由于分布反饋結構在任意激光波長處均能工作，且該結構的時空分布特征具有對受激輻射的頻率和相位進行連續微弱修正的作用，并不破壞激光的頻譜能量分布，因此可以對激光線寬進行波長自適應壓縮［31］。在這種激光架構基礎上，國內外窄線寬激光的最新研究不斷提出了各種具有分布反饋特征的元器件對激光線寬進行深度壓縮［32-37］，取得了很好的實驗結果，并且這類窄線寬激光器的產業化也在快速推進。各類窄線寬激光器的不斷發展將會進一步推動光學時鐘、光學頻率梳、相干光通信、超精密測量和微波光子信號處理等領域的發展。

本文從激光構型的角度綜述了窄線寬激光器技術的起源和發展歷程，并對不同架構下窄線寬激光器的優缺點進行了總結和分析。重點介紹了基于自適應分布反饋的激光器線寬壓縮機制、核心器件以及激光系統最新的研究進展。在此基礎上，介紹了窄線寬激光器對分布式光纖傳感、激光相干通信以及片上光信息處理等典型應用領域的性能進行提升的案例。最后對窄線寬激光器技術的發展做出了總結和展望。

1 主腔窄線寬激光器

要使激光器實現單縱模窄線寬，首先要抑制激光多縱模輸出，獲得穩定的單縱模激光，即在激光器的增益帶寬內有且僅有一個縱模運轉。到目前為止，實現單縱模運轉的方法主要有兩大類：1）在確定增益帶寬內增大縱模間隔；2）在確定縱模間隔下減小增益帶寬。按照激光器腔體結構的不同，窄線寬激光器的主腔構型有線形腔和環形腔。對于線形腔激光器來說基本采用縮短諧振腔長度以增大縱模間隔，這類結構適合半導體激光器和光纖激光器。線形腔具有結構簡單、工作穩定的優點，但由于腔內激光為駐波，存在空間燒孔效應，因此不能簡單通過增加腔長實現線寬壓縮。同短線形腔相比，環形腔結構通過利用較長的腔體結構增加了光子在激光腔中的壽命，有助于獲得更小的激光線寬，同時有利于消除空間燒孔效應，以直接獲得較高功率和能量的輸出。但環形腔激光器在增大腔長的同時也會減小縱模間隔，導致選模結構復雜且容易跳模［38］。本節介紹線形與環形主腔結構的窄線寬激光器。

1.1 線形主腔激光器

以分布反饋（DFB）結構、分布布拉格反射（DBR）結構等為主的線型腔窄線寬激光器由于諧振腔較短，約為厘米量級以下，增大了縱模間隔，是實現單縱模運轉的方式之一。其中，半導體激光器受激發射的物理過程與增益材料有源區內的電子-空穴對的運動密切相關，對于窄線寬半導體激光器，利用半導體激光器較寬的增益譜結合光柵的選頻特性，可以較為理想地實現半導體激光器的模式選擇，因此，按照布拉格光柵分布位置的不同，可分為DFB 半導體激光器和DBR 半導體激光器。DFB 半導體激光器的布拉格光柵分布于整個諧振腔，如圖1（a）所示，具有較高的頻率穩定性；DBR 半導體激光器的諧振腔通常由反射光柵結構和增益區構成，如圖1（b）所示，輸出功率高，輸入電流大，但易功率抖動［39］。20 世紀70年代，美國貝爾實驗室KOGELNIK H 和SHANK C V 首次提出了DFB 主腔激光器的結構，研究了由后向布拉格散射提供反饋的周期結構中激光振蕩過程，其反饋結構分布在整個增益介質中并與增益介質集成，因而此類激光構型非常緊湊和穩定［40］；1973年，美國加州理工大學的NAKAMURA M 等利用光泵方式在Ga As 材料上制作了第一只受激譜寬為0.83 μm 的DFB 半導體激光器［41］，此后，通過采用先進的光柵制備技術和芯片外延技術，國內外研究機構致力于研發可滿足不同需求的窄線寬、高效率、高功率激光器。2013年，美國加州大學圣芭芭拉分校BELT M 等在一個超低損耗的氮化硅上設計了一組摻鉺波導分布反饋激光器，通過在氮化硅層中刻蝕提供激光反饋的側壁光柵，實現了在12 nm（1 531～1 543 nm）波長范圍內5 個單獨的激光器陣列輸出，其輸出激光線寬為501 kHz［42］；2018年，法國巴黎薩克萊大學DUAN J 等提出了一種基于InAs/InP 量子點分布反饋激光器，所提出的激光器利用化學束外延（Chemical Beam Epitaxy，CBE）的方法在n 型InP 基板上生長，激光器的未摻雜活性區由5 層堆疊的InAs 量子點組成，通過制備條紋寬度為3 μm、空腔長度為1 mm 的脊形波導激光器，在端面涂層以改變激光腔的反射率，利用這種設計，激光器輸出線寬為160 kHz［43］；2019年，美國加州大學圣芭芭拉分校HUANG D 等設計了一種III-V 增益材料與15 nm 長的硅波導布拉格反射結構集成的E-DBR 激光器，該激光器由一個2.5 mm 長的增益部分、一個0.3 mm 長的相位控制部分和一個15 mm 長的布拉格光柵組成，通過在結構中引入半徑為0.7 mm 的環形諧振器，實現了500 Hz 的窄線寬輸出［44］。

圖1 線形主腔激光器結構示意圖［39］Fig.1 Schematic diagram of linear main cavity laser［39］

窄線寬光纖激光器依賴于各種激射波段的傳輸光纖和增益摻雜光纖，主要利用高摻雜增益光纖結合光柵刻蝕或其他反射結構來實現，激光腔體結構以DFB、DBR 和法珀結構為主，線寬可以達到kHz 量級。2004年，SPIEGELBERG C 等利用由鉺鐿共摻的磷酸鹽光纖和一對具有高低反射率的布拉格光柵所組成的DBR 短腔結構，獲得了輸出線寬小于2 kHz 的激光輸出［45］。華南理工大學于2017年設計并制作了一種基于Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽光纖（Er3+/Yb3+co-doped Phosphate glass Fiber，EYPF）的DBR 激光器，激光器通過16 mm 長的EYPF 結合高反射光纖布拉格光柵（Highly Reflective Fiber Bragg Gratings，HR-FBG）和部分保偏FBG（Polarization Maintaining FBG，PM-FBG）構建，實現了功率為20 mW、線寬為1.9 kHz、波長為1 603 nm 的激光輸出，其實驗結構如圖2 所示［46］。2021年，美國Cybell 公司WALASIK W 等通過在摻銩光纖內刻寫高反射率和低反射率的光柵，設計了一種工作波長在2 051 nm 和2 039 nm 處的DFB-FBG 摻銩光纖激光器，激光輸出線寬為5 kHz［47］?；诠饫w的DFB 激光器基本原理跟半導體DFB 激光器類似，只不過光纖DFB 激光器是在增益光纖上寫性能良好的Ⅱ相移布拉格光柵來實現線寬壓縮。

圖2 1 603 nm DBR 光纖激光器［46］Fig.2 1 603 nm DBR fiber laser［46］

1.2 環形主腔激光器

環形腔結構是實現激光器單縱模輸出的另一種架構，旨在通過增加腔長和光子在激光腔內的循環時間來減小線寬。環形腔窄線寬激光器結構多變，線寬可達到kHz 量級，與線性腔結構相比，可以消除空間燒孔效應，但由于環形腔激光器為全光纖結構，易受環境影響，強度噪聲相對較高。2007年，SUZUKI A 等通過將保偏的相移光柵和光纖環形激光腔結合的方式實現了輸出線寬為6 kHz的單縱模激光輸出［48］；2014年，德國馬克斯-普朗克研究所COLLODO C 等將高品質因子（108）的CaF2回音壁（Whispering Gallery Mode，WGM）微腔應用于摻鉺環形腔光纖激光器中，實現了波長為1 530 nm、瞬時線寬為650 Hz 的激光輸出，其結構如圖3（a）所示［49］；2021年，天津大學利用3 m 長的熒光摻雜光纖（NufernSM-TSF-9/125）的飽和吸收效應結合高反射FBG，提出了一種輸出功率為2.56 W、激光線寬為3.3 kHz 的光纖環形腔激光器［50］；同年，河北大學提出了一種復合環形腔光纖激光器，利用2.9 m 長的摻鉺光纖，結合四通道偏振控制濾波器，實現了線寬小于600 Hz、相對強度噪聲小于-154.58 dB/Hz 的激光輸出［51］。除全光纖結構之外，非平面環形腔（NPRO）激光器也可以實現窄線寬輸出，20 世紀80年代，NPRO 激光器的概念被首次提出，KANE T J 等闡述了一種固態非平面內反射環形激光器，包括具有兩個鏡面的單片固態激光器，這兩個鏡面用于定向改變光線的傳播路徑，當鏡面位于足夠強度的磁場中時，激光將以單一模式發射［52］；1989年，ALAN C N 等指出，在外加磁場中，二極管激光泵浦的單片非平面環振蕩器可以作為單向行波激光器工作，二極管激光泵浦、單片結構和單向振蕩導致了較窄的線寬輻射，他們原理上分析了NPRO 激光器的偏振特性，并為進一步降低NPRO 激光器的線寬提供了理論支撐［53］。此后，科學家致力于研究泵浦效率和斜率效率更高的NPRO 激光器。NPRO 激光器具有腔內損耗低、強度噪聲低和輸出穩定等優勢［54］，圖3（b）是一種典型的NPRO 激光器構型。2018年，中國計量科學研究院通過二極管激光器直接將增益介質Nd3+：YAG 泵浦到亞穩態能級，當在1 064 nm 波長條件下輸入7.6 W 的泵浦功率時，激光輸出功率可以達到4.54 W，且其斜率效率可以達到76.9%，其結構如圖3（b）所示［55］。

圖3 環形主腔激光器結構示意圖［49，55］Fig.3 Schematic diagram of ring main cavity laser［49，55］

2 固定外腔反饋窄線寬激光器

固定外腔光反饋技術是一種基于主腔激光外部光學元件的激光調控方法，其主要通過單面或少面的具有時空固定反饋特性的光學元件對主腔激光的頻率進行選擇和反饋。由于增加外部反饋腔長有利于提高腔內光子壽命，因此基于此方法是獲得窄線寬激光器的一種常用手段［39］。由于固定外腔反饋會引起主腔激光的相位突變，因此該類激光器的實際輸出激光頻率通常會較大幅度地偏離原主腔激光頻率，且容易引起激光多縱模振蕩。為了提高激光頻率的穩定性及頻譜邊模抑制比，通常需要引入窄帶濾波元件，包括布拉格光柵和法珀腔濾波器等，這要求主腔激光的頻率與濾波元件的諧振頻率進行嚴格匹配，限制了對激光線寬進行深壓縮的能力，并極大地提高了固定外腔反饋激光對溫度和振動等環境參數的控制要求，不利于工業化應用。以下從半導體激光和光纖激光兩方面介紹固定外腔反饋窄線寬激光器的主要結構。

2.1 外腔反饋半導體激光器

外腔反饋半導體激光器利用外部光學元件對半導體激光芯片的出射光進行頻率選擇和反饋，根據外部光學反饋元件的不同，外腔反饋半導體激光器可以分為光柵反饋型和波導反饋型半導體激光器［39］。其中，常見的光柵反饋型激光器包括Littrow［56］或Littman［57］結構以及采用體光柵［58］反饋等激光構型，其輸出線寬可以達到kHz 量級。近年來，國內外研究人員致力于制作低損耗的硅波導結構，以降低半導體激光器的頻率噪聲和強度噪聲。2009年，澳大利亞昆士蘭大學MCRAE T G 等利用微環諧振腔對半導體激光器的熱光鎖定效應，將線寬從1.4 MHz 壓縮到到300 kHz，同時實現了超過12 h 的穩定鎖定，其實驗結構如圖4 所示［59］。2017年，美國哥倫比亞大學STERN B 等設計并制作了一種基于低損耗氮化硅波導耦合到III-V 增益芯片的片上集成窄線寬激光器，利用高Q 的諧振環作為外腔反饋器件，實現了13 kHz 線寬的激光輸出［60］。2019年，美國加州大學圣芭芭拉分校XIANG C 等利用超低損耗氮化硅波導制作了布拉格光柵，將半導體增益芯片耦合到光柵芯片上，實現了320 Hz 線寬的激光輸出，同時輸出功率達到24 mW［61］。2016年，中科院上海光機所將DFB 激光器自注入鎖定到FBG-法布里珀羅（Fabry Perot，FP）腔透射譜的不同共振透射峰上，實現了頻率噪聲為40 Hz2/Hz、線寬約為1 kHz 的窄線寬輸出，其實驗結構如圖5 所示［62］。

圖4 基于微環諧振腔熱光鎖定的窄線寬激光系統［59］Fig.4 Narrow linewidth laser system based on microring resonator thermo-optic locking［59］

圖5 基于FBG-FP 自注入鎖定的DFB 窄線寬激光器系統［62］Fig.5 DFB narrow linewidth laser system based on FBG-FP self-injection locking［62］

外腔光反饋半導體激光器雖然結構簡單，但由于半導體激光增益介質的等離子色散效應，激光器的強度抖動會在半導體增益區轉化為折射率的變化，從而引起激光器頻率和相位抖動的加劇。因此，利用固定外腔反饋對半導體激光器線寬進行壓縮時，反饋強度過強，會引起線寬劣化，甚至出現混沌輸出，失去單頻特性，相干性反而會大幅度下降［63-67］。

2.2 外腔反饋光纖激光器

外腔反饋光纖激光器通常采用外腔中的光功率回饋注入光纖激光主腔，從而對激光的輸出頻率進行鎖定。在自注入鎖定結構中，反饋腔的長度和回饋光功率的比例是實現線寬壓縮的重要因素。2007年，中科院半導體所結合光注入反饋技術獲得了可調諧的單縱模窄線寬激光輸出，通過將復合腔與光纖F-P 可調諧濾波器相結合來構造激光器，在1 527～1 562 nm 的波長范圍內實現了1.4 kHz 的單縱模窄線寬激光輸出［68］；2016年，華南理工大學以鉺鐿共摻磷酸鹽光纖作增益的短腔激光器為主腔，結合自注入反饋方法，在1 527 nm 到1 563 nm 的波長范圍內實現了對應線寬小于700 Hz 單縱模激光輸出［69］；2018年，他們利用如圖6 所示的自注入反饋技術，有效抑制了模式跳變及頻率漂移，輸出的激光線寬窄于600 Hz［70］。2021年，南京大學將兩個1/99 的光纖耦合器制成一個長度為1.61 m，Q 值為1.42×108的光纖環形諧振器，通過將光纖激光器自注入鎖定到該環形諧振器上，實現了單縱模的選擇和線寬的窄化，該結構實現了40 dB 的高偏振消光比、頻率噪聲為0.3 Hz2/Hz、對應線寬為0.92 Hz 的單縱模激光輸出，其實驗結構如圖7 所示［71］。2022年，江蘇師范大學沈德元團隊提出了一種基于晶體諧振器的自注入鎖定窄線寬光纖激光器，實現了頻率噪聲為0.4 Hz2/Hz，對應的瞬時線寬為1.26 Hz 的窄線寬激光輸出，其中，晶體諧振器由兩根平行的拉錐光纖（直徑為2～5 μm）和一個氟化鎂晶體組成Q 值為3.2×108的Add-Drop 結構，光纖激光器由一根50 cm 長的摻鉺光纖（Er-Doped Fiber，EDF）和兩個FBG 組成，FBG 的反射率分別為99.3% 和11.7%，其實驗結構如圖8 所示［72］。

圖6 基于自注入反饋的窄線寬激光系統［70］Fig.6 Narrow linewidth laser system based on self-injection feedback［70］

圖7 基于光纖環形諧振器窄線寬光纖激光器系統［71］Fig.7 Narrow linewidth fiber laser system based on fiber ring resonator［71］

圖8 基于Add-Drop 結構的窄線寬光纖激光器系統［72］Fig.8 Narrow linewidth fiber laser system based on Add-Drop structure［72］

3 自適應分布弱反饋窄線寬激光器

基于自適應分布弱反饋的窄線寬激光器，主要通過外部微弱的分布擾動信號來有效抑制激光腔的自發輻射，從而在常態條件下實現激光線寬深度壓縮。

3.1 激光線寬深壓縮思想

針對已經發展的主腔激光器和固定外腔激光器的優點和缺陷，我們提出了一種基于自適應分布弱反饋的激光器模型。與傳統的固定外腔光反饋相比，該激光結構提供了一種新穎的激光配置，以實現激光線寬的極致壓縮，如圖9（a）所示。其中，具有增益介質的主激光腔利用泵浦技術產生了初始寬帶增益。隨后，經過初始增益振蕩和縱模競爭后，初始激光信號從主腔的一側輸出到自適應分布反饋腔中。激光線寬展寬的原因是激光能量循環往復地與自發輻射進行能量耦合，導致腔內激光頻率受到周期性的隨機干擾，形成譜線展寬。為了減弱自發輻射的耦合強度，引入了自適應分布反饋結構。分布弱反饋深度壓縮激光線寬的關鍵作用，首先是利用分布反饋增加了激光在腔內的循環時間，降低自發輻射的噪聲耦合速率，從而大幅度減小激光的本征線寬；其次是分布式弱反饋可以認為是在時域上對激光相位的連續修飾，因為單個散射點的反饋強度甚至比自發輻射還要弱（如圖9（a）的插圖所示），它可以避免傳統的固定腔反饋所引起的時域相位突變，而傳統的固定腔反饋通常會形成較強的多縱模競爭。分布式弱反饋不僅可以通過抑制自發輻射對主腔激光產生的時空微擾從而降低自發輻射的耦合速率，而且能夠保持激光器的單縱模工作狀態，并實現激光線寬的極致壓縮。因此，基于弱分布反饋，主腔內每個運轉周期自發輻射引起的相位波動（Δφ）和噪聲耦合強度大幅降低，如圖9（b）所示。因此，在相位噪聲抑制過程中，激光線寬可得到極大的壓縮，如圖9（c）所示。

圖9 基于分布弱反饋的激光線寬壓縮原理Fig.9 Principle of laser linewidth compression based on distributed weak feedback

3.2 分布弱反饋結構中的光譜演化

目前，自適應分布反饋窄線寬激光的研究主要集中于對反饋元件的開發和制造，這是因為不同性質的反饋元件使激光器表現出不同的輸出特性。我們研究了一維波導分布弱反饋結構中的光譜演化規律，從本質上揭示了光譜演化的動態過程。根據Jaynes-Cummings 理論模型［73-75］，并考慮反饋結構的耗散［76］，建立了一個基于瑞利散射的分布弱反饋光譜演化模型，如圖10（a）所示［77］。理論計算在連續散射過程中光譜線寬的演化過程，結果表明分布反饋結構相當于一個連續純化光譜的動態凈化器。由于在泵浦光傳輸過程中對每個散射源都可進行連續的散射，散射場的譜線寬度隨著第k階散射點運轉次數的增加而減小，如10（b）所示。如圖10（c）所示，黑色方形曲線顯示了在分布弱反饋結構中連續散射過程中，第k階反饋點譜線寬度與傳輸距離L的關系?？梢钥闯?，隨著反饋點距離L的增加，每個反饋點的譜線寬度都會減??；藍色的五角星曲線反映了連續散射過程中反饋結構中散射粒子的摻雜濃度對反饋點光譜演化的影響。意味著每個反饋點的譜線寬度會隨著摻雜濃度的增加而減小。在理論假設的基礎上，提出了一個近似的理論預測，描述了散射場譜線寬與傳輸長度L的關系。最終理論揭示了在連續散射過程中能夠分離和收集散射場的條件下，構建一種分布式弱反饋結構能夠實現線寬壓縮的可行性。

圖10 分布弱反饋結構光譜演化理論分析［77］Fig.10 Principle of spectral evolution of distributed weak feedback structure［77］

為了進一步研究分布弱反饋結構中光譜演化規律，我們開展了對分布反饋結構頻譜的實驗探究，其測量裝置如圖11（a）所示［78］。實驗中，泵浦光是線寬為6 MHz 的DFB 激光器，由30 dB 的高增益摻鉺放大器放大，并用隔離器將弱反射信號與環行器隔離。將泵浦光注入到分布反饋結構后，使用濾波器對受激布里淵散射進行過濾，最終得到分布反饋信號光。通過調節摻鉺光纖放大器的增益來改變發射到分布反饋結構中的泵浦功率。采用一種自外差測量方法對輸出信號進行測量。圖11（b）表示隨功率增加泵浦光的頻譜演化，可以看出在200 MHz 的頻率跨度其頻譜寬度相對較寬。與此同時，隨著泵浦功率的增加，分布弱反饋信號的頻譜寬度被大幅度壓縮，如圖11（c）所示。同時，其對應的3 dB 線寬隨泵浦功率的變化如圖11（d）所示，泵浦光經過反饋結構反饋信號的線寬從初始的6 MHz 被大幅度壓縮至4 kHz。另外，產生窄線寬信號的輸出功率和效率如圖11（e）所示，可以看出，泵浦功率為13 dBm 時，最大反射功率效率為0.02%。盡管在分布反饋結構中一次往返使反饋信號的反射功率效率很低，如圖11（e）所示，然而，由于摻鉺光纖的毫秒弛豫時間，后向散射的瑞利信號可以在多次往返中被相干放大，從而很大程度減小激光器的線寬［79］。最終實驗測量的分布反饋結構中光譜演化與理論計算結果符合較好，進一步證明了這種分布反饋信號能實現對激光線寬極致壓縮的可行性。

圖11 分布反饋結構中光譜演化的實驗探究［78-79］Fig.11 Experimental investigation of spectral evolution in distributed feedback structures［78-79］

為了進一步提高分布式反饋結構對激光波長變化的適應能力，加拿大渥太華大學BAO X 研究組于2022年通過飛秒激光處理提出并實現了具有分布式反饋特性的光纖光柵陣列［80］。具體是采用刻面劃痕法沿保偏光纖（PM）制備了光柵陣列。該方法通過飛秒紅外脈沖激光曝光，對PM 光纖的折射率進行散斑處理。光柵陣列原理和隨泵浦量增加的光傳輸原理如圖12（a）所示。使用分辨率為5 MHz 的光學頻譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer，OSA）測量了分布式反饋光柵陣列的反射和透射光譜，如圖12（b）所示。結果表明，在1 550 nm 波長處的平均透過率為-20 dB，對應的透過率為0.01，并且在反射譜顯示出大量的譜峰，且譜線寬度較窄。這種分布反饋特性體現在強散射無序介質中，多個散射路徑的波干涉導致了光子的局域化。此外，俄羅斯科學院自動化與電力研究所的SERGEY A B 研究組報告了一種極短（10 cm）的低損耗人工瑞利分布反射器的研制［81-82］。為了制作致密的人造瑞利散射光纖，他們采用飛秒激光直寫技術實現了對透明材料內部折射率分布的校正。這種方法可以在幾乎任何類型的纖維中誘導任意幾何形狀的散射結構，因此可以很好地替代納米粒子摻雜的纖維，而不會破壞保護涂層的完整性。折射率調制波導記錄的實驗原理如圖12（c）所示。這里采用光頻域反射法（Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR）測量反饋結構在空間中的光場分布，其平均分布反饋電平比普通單模光纖高+41.3 dB/mm，如圖12（d）所示。結果表明，在一維波導結構上制作的人工分布式反饋結構具有較強的反饋能力和波長適應性。

圖12 人造分布反饋短波導結構的原理及輸出特性［80-82］Fig.12 Principle and output characteristics of artificial distributed feedback short waveguide structures［80-82］

在一維波導提供波長自適應分布反饋的啟示下，研究者提出了另一種減小激光線寬的有效方法，即利用高品質因子（Q）諧振腔提供可積累的離散分布光反饋，其噪聲抑制程度與Q 因子的平方成正比。其中，高Q 微諧振器是實現大幅度線寬窄化的優秀候選器件，但是波長選擇性也給控制帶來困難。2012年，美國加州理工學院VAHALA K J 團隊通過化學刻蝕在硅基上實現了具有超高Q 因子楔形微諧振器［83］。圖13（a）展示了光學顯微俯視圖以說明所述諧振器幾何結構和基模強度分布。最終測得了諧振器的掃描光譜，其具有0.3 MHz的超窄濾波帶寬，如圖13（b）所示。另外，諧振器的自由光譜區對其性能也至關重要，通過對5 種不同直徑微腔的測量可知，自由光譜區隨直徑增大而減小，如圖13（c）所示。在2022年的最新研究報道中，中科院上海光學精密機械研究所提出并制備了一種Q 因子達到鈮酸鋰材料本征吸收極限的微環諧振器［84］。從圖14（a）的光學顯微圖可得知這種微環直徑為200 μm，且具有超光滑的表面特性。圖14（b）顯示了微環在1 566～1 570 nm 波長范圍內的透射光譜，表現出兩組高階橫電（TE）和橫磁（TM）模式。并且兩種模態對應的Q 因子都達到了107量級，這是目前所報道的鈮酸鋰晶體微環Q 因子最高值。值得提及的是南京大學劉曉平團隊提出了一種利用光頻域反射法（OFDR）提取光學微環諧振腔損耗特性的新方法［85］。與傳統的光傳輸測量方法相比，OFDR 獲得的空間分辨后向散射光信號可以清楚地顯示諧振模由于腔內循環而增加的光路長度。另外，這種后向散射光與前向透射光一樣都具有波長分離的分布反饋特性。因此，這種高Q 值微腔可作為典型弱分布反饋元件應用于激光器的線寬壓縮，從其掃描光譜也可得知這種高Q 值微腔具有很強的波長選擇性。

圖13 超高Q 楔形諧振器及輸出特性［83］Fig.13 Ultra-high Q wedge resonator and output characteristics［83］

圖14 超高Q 鈮酸鋰微環及光學特性［84］Fig.14 Lithium niobate microring with ultra-high Q factor and optical properties［84］

3.3 自適應窄線寬光纖和半導體激光器

主腔結合固定外腔光反饋的激光構型屬于單點強功率反饋，會造成主腔信號相位突變，為激光主腔引入新的縱模，不能保證線寬壓縮過程中激光的單縱模運轉。為了實現激光線寬極致壓縮且波長自適應的激光源，2010年開始，團隊提出了一系列能在寬波長范圍內產生分布反饋信號的結構，如光纖、摻稀土離子波導、微環等微納結構。2010～2013年，我們提出了主腔效果不太明顯的基于瑞利散射回饋的窄線寬激光器［79，86-87］，達到了1～2 kHz 的線寬，但穩定度不佳。2014年，將分布反饋結構和穩定的激光主諧振腔結合，實現了對光纖激光器線寬的大幅度壓縮，達到了200 Hz 線寬壓縮［88］，如圖15（a）所示。另外，也將這種分布反饋機制應用于雙波長和可調諧激光器中，實現了對不同波長激光線寬的同時壓縮［89-90］，如圖15（b）所示。然而，這種激光配置較長的激光腔使其容易受到外部環境中溫度波動和振動引起的熱動力學噪聲的影響，同時較長的激光諧振腔不利于激光器朝著小型化方向發展。在2022年，為了實驗探究分布反饋結構可保持激光單縱模運轉且寬范圍波長調諧能力，搭建了多縱模主腔結合分布反饋結構的光纖激光系統，實現了邊模抑制比為70 dB 高信噪比單頻激光輸出［91］，如圖15（c）所示。另外，通過對主腔輸出的激光波長的調節實現了波長范圍為40 nm 的超窄線寬激光輸出，其調諧范圍主要受到濾波器調諧能力的限制，如圖15（d）。該實驗結果表明在不同波長通道下激光都可保持單縱模運行，提出的分布反饋結構具有波長自適應的邊縱模抑制能力。

圖15 基于分布弱反饋的自適應光纖激光器［88，90-91，31］Fig.15 Self-adaptive fiber laser based on distributed weak feedback［88，90-91，31］

在保證引入分布反饋不會引入新的共振模式造成多縱模振蕩的基礎上，為了進一步實現對激光線寬的極致壓縮，我們基于分布反饋線寬極致壓縮的思想搭建了一種單縱模DFB 激光主腔結合分布反饋結構的混合集成式片上激光系統［29］，如圖16（a）所示?；谠搶嶒炏到y在常態條件下獲得了積分線寬為10 Hz 的激光輸出，如圖16（b）所示。另外，如圖16（c），在切換主腔DFB 激光波長時通過對頻譜的動態測量可知激光器可以自動實現不同波長條件下的線寬壓縮，這是目前其它外腔反饋機制無法滿足的。進一步論證了這種分布式反饋機制可以實現激光線寬的極致壓縮，并且可實時跟蹤匹配主腔波長的變化。另外，為了滿足千赫茲以下激光線寬測量的需求，我們提出了基于短光纖延遲自外差并利用相干包絡譜的譜峰差值來對超窄激光線寬進行精確探測的思想［92-93］。該方法可以有效消除延遲自外差干涉測量中心頻率處高斯線型對線寬測量的影響，從而實現對百Hz 甚至Hz 級別激光器線寬的精確探測。

圖16 基于分布反饋混合集成片上激光器［29］Fig.16 An on-chip laser system based on distributed feedback［29］

另外，基于回音壁微腔等有效積累波長離散分布反饋能量的緊湊型光學元件可在保證激光良好的單縱模運轉情況下實現激光線寬的極致壓縮，這也是分布反饋思想的良好應用案例［77］。2015年，美國OEwaves公司MATSKO A B 等設計了一種品質因子高達6×108的氟化鈣（CaF2）回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）微腔，當光注入到微腔內其表面產生后向共振瑞利散射形成分布式弱反饋信號，并將其與DFB激光器結合通過棱鏡耦合形成分離式外腔半導體激光器，結構如圖17（a）所示［94］，最終實現了30 Hz 積分線寬和Hz 以下瞬時線寬的激光輸出。2021年，美國加州理工學院VAHALA K J 團隊報道了在大容量互補金屬氧化物半導體（CMOS）鑄造中制備氮化硅波導的重要進展，實現了超過2.6×108品質因子的高集成諧振器。通過分布反饋信號自注入鎖定傳統半導體分布反饋（DFB）激光器到超高Q 微諧振器上，形成混合集成激光器，裝置如圖17（b）所示［95］。最終將激光頻率噪聲抑制了5 個數量級，在高偏置頻率下產生0.2 Hz2/Hz 的頻率噪聲，其對應的瞬時線寬為1.2 Hz，這是以前集成激光器無法達到的水平。然而，回音壁微腔具有特定的諧振波長，因此其具有的波長選擇性會限制對主激光腔的波長適應性，無法在常態條件下實現連續大范圍激光波長調諧。清華大學陳明華團隊也采用類似分布回饋的思想在混合集成的半導體激光器中實現了線寬壓縮［96］，但是如果要實現自適應和高穩定，通過微環諧振腔構成的離散分布反饋或通過特殊波導構成的連續分布反饋就是重要的技術手段，其核心思想都是團隊提出的自適應分布反饋激光器新架構。

圖17 基于超高Q 值微諧振腔窄線寬激光器［94-95］Fig.17 Narrow linewidth laser based on ultra-high Q micro resonator［94-95］

4 窄線寬激光器的典型應用

窄線寬激光器具有相干長度超長、相位噪聲極低的優點，在光學傳感、相干光通信和微波光子學系統等領域具有非常重要的研究價值和應用前景，本節將重點介紹窄線寬激光器在分布式光纖傳感、激光相干通信以及片上光信息處理中的應用。

4.1 分布式光纖傳感

隨著對距離、精度的測量要求不斷提高，分布式光纖傳感系統中激光光源的性能提升至關重要。如在布里淵光時域反射（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR）技術中，光源的線寬決定了溫度和應力的測量分辨率；在相干光頻域反射（Optical Frequency Domain Reflectiometry，OFDR）技術中，可調諧的激光光源是影響OFDR 性能的關鍵因素，激光光源的相干性越好，系統的傳感距離和測量精度越好；在相位干涉光時域反射（Phase Optical Time Domain Reflectometry，φ-OTDR）技術中，超窄的激光光源線寬可以增強反射信號的干涉強度，進而大大提高測量靈敏度。2016年，意大利那不勒斯大學MINARDO A等利用輸出線寬為100 kHz 的外腔激光器，結合布里淵光頻域反射（Brillouin Optical Frequency Domain Reflectometry，BOFDR）技術，在5 km 的光纖長度上對1 m 空間分辨率的布里淵頻移進行了分布式測量［97］；2017年，南京大學張旭蘋團隊提出了一種基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）技術和互補編碼相結合的BOTDR 技術，該技術以線寬為10 kHz 的DFB 激光器為光源，達到2 m 的空間分辨率，頻率不確定度為0.37 MHz，對應于0.37°C 溫度分辨率或7.4 με 應變分辨率［98］；2020年，法國諾基亞貝爾實驗室AWWAD E 等提出了一種分布式聲傳感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）技術，利用OEwaves 公司生產的在10 μs 窗口處洛倫茲線寬低于1 Hz 的超窄線寬激光器結合差分相位光學時域反射法（Δφ-OTDR）技術，對50 km 以上單模光纖的多個振動事件進行了檢測和識別，其實驗系統如圖18 所示［99］。

圖18 基于窄線寬激光器的分布式傳感系統［99］Fig.18 Distributed sensing system based on narrow linewidth laser［99］

4.2 激光相干通信

信號的傳輸容限和距離是相干光通信系統中重要的限制因素，高階光調制和相干檢測等方式為信號的長距離和大容限傳輸提供了優秀的解決方案，在相干光通信系統中，窄線寬激光器為其提供了穩定的光源。高階相位調制對激光線寬有很高的要求。以能夠對信號的幅度信息和相位信息同時進行調制的m進制正交幅度調制（m-Quadrature Amplitude Modulation，m-QAM）為例，當系統采用Square 16QAM 調制格式時，其激光線寬的容限在120 kHz 左右，而采用Square 64QAM 調制格式時，則要求激光線寬低于1.2 kHz［100］。2016年，武漢郵電科學研究院提出了一種基于硅基微環諧振器外腔的可調諧激光器，輸出的激光線寬約為150 kHz，其結構如圖19 所示，測試了偏振多路復用的16 位正交幅度調制（16-QAM）格式下的信號傳輸速率，與穩定的商用窄線寬激光光源進行比較，商用窄線寬激光光源僅優于該系統0.2 dB［101］。2018年，美國哥倫比亞大學GUAN H 等提出了一種硅基混合外腔可調諧激光器，該結構將一個III-V 半導體增益芯片嵌入到硅芯片中，由環形諧振器構成反饋外腔，激光線寬達到37 kHz，在16QAM 格式下，傳輸速率達到272 Gb/s，首次實現了完整的硅光子相干通信傳輸鏈［102］。

圖19 基于硅基微環諧振器的可調諧激光結構［101］Fig.19 Structure diagram of tunable laser based on silicon microring resonator［101］

4.3 片上光信息處理

隨著硅基光子學的發展，窄線寬激光器的片上集成成為國內外研究的熱點之一，硅基光集成器件具有尺寸小、功耗低、易于與CMOS 工藝兼容等優點，是實現微波光子、光頻梳等系統小型化、集成化、低成本的途徑之一。近年來，隨著工藝的不斷成熟，窄線寬激光器在微波光子、光頻梳等應用領域的作用日益突出。2020年，美國加州理工學院VAHALA K J 團隊設計了一種集成孤子微光梳芯片，通過將DFB 激光器鎖定到四個高Q 的氮化硅微諧振器上，實現了重復頻率低至15 GHz 的微梳［103］。近期，北京大學使用鋁砷化鎵（AlGaAs）上的微諧振器結合DFB 激光器產生微光頻梳，如圖20 所示，構建了高度集成的高可重組微波光子信號，實現了集成的光子鏈路傳輸［104］。利用光外差法是產生純微波信號的重要方法，其核心是利用兩束相關的光波在光電探測器（Photoelectric Detector，PD）中拍頻，調節兩束激光的工作波長，可方便地調節拍頻信號的頻率至微波波段。為了獲得高質量微波源，對窄線寬激光器的線寬特性、頻率穩定性和精密調諧性具有非常高的要求，這是因為微波光子信號的時頻穩定性主要取決于激光器的線寬特性，低噪聲微波光子信號的處理通常要求激光線寬達到Hz 乃至Hz 以下量級，同時微波信號的可調諧特性取決于窄線寬激光器的精密調諧能力。

圖20 基于片上光頻梳的光電子系統結構示意圖［104］Fig.20 Schematic diagram of photoelectronic system based on on-chip optical frequency comb［104］

4 結論

回顧過去幾十年窄線寬激光器的整體發展歷程，其研究已從具有簡單固定外腔激光結構的實現、參數性能的提升，發展至更深層面自適應分布反饋新型激光構型的探索。例如，從最初具有固定外腔為主的激光構型到具有連續反饋特性的新型激光機制的開發應用，其激光線寬也從最初的幾十kHz 量級窄化至Hz 量級，線寬特性發生了質的飛越?；谧赃m應分布反饋窄線寬激光架構的發展，這種從“無序產生有序”的調控思想會進一步促進激光參數調控的深入研究。隨著多種具有分布反饋特征光學元器件的提出與實現，工業應用級的激光器正在快速跨越千赫茲和赫茲量級，亞赫茲量級的超窄線寬激光器也會快速出現。根據現有理論可知，利用自適應分布弱反饋可實現激光線寬Hz 以下量級的壓縮，但激光腔在受到外界溫度波動和振動影響的情況下，仍然會造成線寬拓寬，因此需要更精細的技術實現對反饋結構的制作，實現結構緊湊、反饋功率適當或相位可控的人工可控反饋元件；另外，也需要對整個激光系統進行更高精度的恒溫隔振控制?；诜植挤答伒募児鈱W反饋特點，窄線寬激光器還將基于片上集成式反饋元器件，實現與激光增益芯片的混合集成，為微納光子學、片上光場調控、光量子調控和光電混合集成提供片上窄線寬光源方案。另一方面，分布反饋架構具有波長自適應特點，因此在線寬深壓縮的基礎上具有對波長進行精密和大范圍調諧的巨大潛力。窄線寬激光的發展趨勢不再局限于線寬參數性能的提升，更需要在窄線寬基礎上實現具有大范圍連續波長調諧的能力，以應對各種科學技術進步和工業應用發展的需求。