近日，斯坦福大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种统一的片上激光稳定与隔离器件。这种新型器件能够在硅芯片上同时实现激光的噪声抑制和隔离，为片上集成光学系统的发展铺平了道路。该工作以“Unified laser stabilization and isolation on a silicon chip”为题，发表在《Nature Photonics》上。
这项研究通过利用高质量因子硅氮化物环形谐振器的长光子寿命和非互易性Kerr非线性，实现了半导体激光器的自注入锁定，并同时提供了隔离功能。这种新方法成功消除了过去需要结合多种不兼容技术的局限，标志着高性能激光器在小型化和集成方面取得了重大进展。
创新设计：解决激光系统集成难题
在过去的激光系统设计中，噪声减少和隔离通常依赖于多个独立的元件，导致激光源的体积远大于实际电路。这不仅增加了系统的复杂性，也限制了集成化设备的发展。为了解决这一问题，研究团队提出了一种新的解决方案，即通过单一的CMOS兼容纳米光子器件，统一实现激光的反馈稳定和隔离。
这一装置的核心是一个高质量因子的硅氮化物环形谐振器，其长光子寿命帮助实现了自注入锁定，显著减少了激光器的线宽。而通过非线性Kerr效应提供的非互易性，则确保了光学隔离的实现。这种设计不仅减少了系统的复杂性，还使激光器可以在任何功率下可靠运行，极大地提升了系统的性能。
图1：物理概念示意图。
实验验证：大幅提升激光系统性能
在实验中，研究人员展示了这种“统一激光稳定器”（ULS）如何在不依赖外部隔离器的情况下，大幅提升半导体激光器的频率稳定性和隔离效果。通过集成的硅氮化物高Q值环形谐振器，激光器的频率噪声降低了25到35分贝，隔离度达到了14分贝，远超当前技术水平。
团队还通过对现有的激光自注入锁定架构进行比较，指出这些传统方法在高功率和高Q值条件下的缺陷。而ULS设备能够在高功率下依然提供强大的反馈，避免了传统技术中反馈强度下降的问题。这使得ULS不仅能够提供出色的隔离功能，还大幅提升了激光的频率稳定性。
前景展望：推动下一代光学技术
这一成果为光学通信、传感和量子技术等领域的进一步发展奠定了基础。过去，光源的集成和小型化一直是制约光子技术广泛应用的瓶颈。而随着这项研究展示的突破，未来在光子芯片上的全集成光学系统将变得更加现实。
斯坦福大学的研究人员指出，通过进一步提升器件的质量因数和降低功耗，这种技术可以实现更高的隔离度和更低的噪声。同时，该技术完全兼容现有的CMOS工艺，具备大规模商业化生产的潜力。未来，这一“统一激光稳定器”有望在光学通信、精密测量和量子计算等领域得到广泛应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01539-3
