入围风采 | 独辟蹊径，国际领先：中科院苏州纳米所亚赫兹线宽外腔超窄线宽半导体激光

光电汇OESHOW

2024-04-19

导读：器件和模块国产化率100%

入围展示

【成果技术】

亚赫兹线宽外腔超窄线宽半导体激光

【参评单位】

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

2024年3月，光电汇主办的“2023年度中国十大光学产业技术”入围名单公布。此次评选历时3个月，申报技术达101项，47项经过初筛后进入专家评审和网络投票环节，经过层层筛选，中科院苏州纳米所的“亚赫兹线宽外腔超窄线宽半导体激光”成功入围。

图1 蝶形器件和模块外观图

图2 50 km光纤延时测试激光线宽图

背景

窄线宽激光器是相干激光通讯、原子物理研究、激光传感应用如光纤传感水听器、引力探测等所需的核心器件。传统的固体或光纤窄线宽激光线宽可以实现亚Hz级本征线宽, 但是其成本高体积大，覆盖波长有限。外腔窄线宽半导体激光在成本、体积、波长范围和功耗上更有优势，在学术界和工业界拥有更广泛的应用。外腔激光线宽主要取决于所使用的光腔的品质因子和噪声。已报道的采用高品质因子回音壁腔和片上SiN微环等外腔激光已实现媲美光纤窄线宽激光的亚Hz量级本征线宽。

然而，此类固体微腔在Q值提高的同时，由于模场体积小能量密度大，会产生拉曼、克尔等非线性效应，叠加材料热吸收效应，损害了激光单频特性和低频偏的噪声。中国在外腔半导体窄线宽激光领域近年来也涌现了较多的产品，主要以etalon、半导体表面光栅、体光栅、SiN微环等作为外腔，这些光腔品质因子与国外的回音壁光腔和SiN微环腔有数量级的差距，制作的外腔激光洛伦兹线宽和积分线宽分别达到百Hz和kHz水平，与国外最好的外腔激光产品尚有差距。

优势

1）采用mm级尺寸的中空法布里波罗微腔，显著降低光腔的热吸收和非线性效应，以及对环境温度的敏感性，可实现比回音壁和SiN微环腔更低的噪声，线宽以及频率漂移；

2）光腔模场尺度达到百微米以上，进一步降低了光腔内模场能量密度，可以承受的光功率显著高于回音壁和SiN微腔，可同时使用100 mW以上的激光芯片和10^8以上品质因子的微腔，无需担心非线性频率产生；

3）采用自注入锁定技术压窄激光线宽，光路和器件相比传统超稳腔PDH锁定方法大为简化；

4）相比固体材料光腔有限的低损耗透光波段，可应用于从紫外至远红外的超宽波段范围；

5）器件和模块国产化率100%。

图3 激光频率噪声对比

图4 1556 nm激光倍频锁定铷原子双光子吸收谱后的频率漂移艾伦方差

应用

目前国家重大项目和前沿科技项目，如光纤传感，光钟，时频传递，卫星激光通信等主要采用进口的超窄线宽激光，其开发的超窄线宽半导体激光技术性能已超越RIO、NKT等产品，可实现进口替代，保障国家重大前沿工程和技术的发展应用。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

中科院苏州纳米所是由中国科学院与江苏省人民政府、苏州市人民政府和苏州工业园区于2006年共同创建的国家级科研机构，位于江苏省苏州市。目前，研究所建设了纳米真空互联实验站、纳米加工平台、测试分析平台、生化平台4个集科研攻关与公共服务于一体的公共技术平台，加强支撑国家重大科研任务的能力，服务科学研究和产品开发，形成共性技术，着力原创设备研发，促进区域产业集聚与发展，加强科技创新资源的优势转化，为纳米科技发展和相关领域产业发展提供强有力的支撑。

2023年度中国十大光学产业技术

“2023年度中国十大光学产业技术”评选活动由上海意桐光电科技有限公司旗下媒体平台光电汇发起组织，联合武汉光博会举办。本届活动共收到101个申报项目，经过专家评审和网络投票，最终30个项目入围。最终获奖名单将在5月18日的“2023年度中国十大光学产业技术”颁奖典礼暨产业创新大会上公布。