【儀表網 研發(fā)快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統(tǒng)部王俊研究員團隊與上海大學合作在片上穩(wěn)頻激光器研究方面取得進展。相關研究成果以“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、通信和量子物理等領域具有重要應用。傳統(tǒng)的激光頻率穩(wěn)定技術依賴于大體積腔體(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? 作為光學參考介質，主要基于其低熱光學系數(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。結合Pound-Drever-Hall(PDH)鎖定技術，實現(xiàn)了基于芯片級頻率參考的激光穩(wěn)頻方案。
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結構圖。(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。
圖2. (a) 激光器的頻率噪聲譜。對比自由運轉激光器(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系。自由運轉激光器(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 門控時間內達到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、量子光學和微波光子學等領域具有廣泛的應用前景。
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