超强激光科学卓越创新简报
(第六百零九期)
2025年3月7日
上海光机所在片上稳频激光器研究方面取得重要进展
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部王俊研究员团队与上海大学合作在片上稳频激光器研究方面取得进展。相关研究成果以“On-chip Mach-Zehnder interferometer for 1550 nm laser frequency stabilization”为题发表于Optics Letters。
激光频率稳定在计量、光谱学、通信和量子物理等领域具有重要应用。传统的激光频率稳定技术依赖于大体积腔体（如法布里-珀罗腔）或气体吸收池，虽然能实现极高的频率稳定性，但系统复杂、易受环境干扰，且难以集成到光子芯片中。
因此，研究人员提出了以Si₃N₄ 的马赫-曾德尔干涉仪(MZI) 作为频率参考，选择 Si₃N₄ 作为光学参考介质，主要基于其低热光学系数（2.45 × 10⁻⁵ /°C）、低传输损耗和宽透明窗口的优势。图1（c）表明，Si₃N₄ MZI 具有16.3 GHz 的自由光谱范围（FSR）和 19.5 dB 的高消光比，为高精度频率锁定提供了理想的参考。结合Pound-Drever-Hall（PDH）锁定技术，实现了基于芯片级频率参考的激光稳频方案。
图1. (a) 集成Pound-Drever-Hall（PDH）激光频率稳定系统的框图。(b) Si₃N₄ 片上MZI结构图。(c) Si₃N₄片上MZI的透射光谱，自由光谱范围（FSR）为16.3 GHz，最大消光比为19.5dB。
图2. (a) 激光器的频率噪声谱。对比自由运转激光器（黑色）与锁定至片上 MZI 后的激光器（红色）。(b) 激光器线宽与积分时间的关系。自由运转激光器（黑色）与 MZI 锁定激光器（红色）在不同积分时间下的线宽变化，表明锁定至 MZI 能有效抑制频率噪声，并显著缩窄激光线宽。
图3表明在 1 ms 门控时间内达到3×10⁻¹⁰ 的相对稳定度，相比自由运行状态提升了一个数量级。此外，自由运转激光器与参考激光器拍频线宽（黑色）为 1.13 MHz，而 MZI 锁定激光器与参考激光器拍频线宽（红色）线宽降至 231 kHz，稳频后拍频的频谱线宽相比于自由运转状态下压窄超过5倍。
图3.(a) DFB 激光器与参考激光器在 193.41 THz 处的拍频 Allan 偏差。对比自由运行激光器（黑色）和 MZI 锁定激光器（红色）。(b) DFB 激光器与参考激光器的拍频频谱。
该研究为片上激光频率基准的集成化发展提供了新思路，并在光通信、精密测量、量子光学和微波光子学等领域具有广泛的应用前景。
