如果问你，用超稳法布里•珀罗腔(FP腔)做激光器稳频，是该用介质腔呢，还是真空腔？如果接着问，假如要窄线宽，是该用长腔呢，还是短腔？就是这样简单的概念，也往往会被一些新名词扰乱或颠覆，比如“微腔”稳频。最近十几年，“微腔”（这里主要指的是“微环腔”）风靡一时，好像不谈微腔，你就不好意思说你是做稳频的；不谈“微腔光梳”，你就不会做光梳似的。然而，并非所有人都愿意跟风。最近来访的康奈尔大学的Frank Wise教授谈起微腔和微腔光梳时说，他没发现自己对这件事有什么兴趣。他还告诉我，最早做微腔的原康奈尔大学教授Alexander Gaeta最近也说，“微腔的理论工作已经完结，剩下的只是工程问题了”。更扎心的是，微腔大佬们最近预备发表的一篇论文[1]，竟然要抛弃“微腔”了！这可非同小可，生生往“微腔稳频”头上泼上一瓢拔凉拔凉的冷水！文中断言，“However, on-chip resonators comprised of dielectrics cannot match the frequency stability and noise characteristics of Fabry-Perot cavities, whose electromagnetic modes live almost entirely in vacuum.” （然而，由介质构成的片上谐振腔真的比不上真空FP腔的频率稳定性和噪声特性，因为FP腔的电磁场模式几乎完全在真空中）。![]()
图1 3种谐振腔在10 kHz偏频下的极限热噪声功率谱密度作为Q值的函数。其中3种谐振腔是：On-chip ring：片上微环；WGM：回音壁式微腔；FP：真空法布里珀罗腔（根据参考文献[1]改编）
这张图再明确不过地告诉我们，无论是Q值，还是极限热噪声功率谱密度，片上SiN微环和“回音壁”都比真空FP腔差好几个数量级。这是因为FP腔能显著降低光腔的热吸收、非线性效应及对环境温度的敏感性，在制作难度和成本方面的优势也非常明显。为了提高微环腔的稳定性，有人另外曾经再加一个FP腔做参考。这更增加了系统的复杂度和体积，从而丧失了微腔的优势。因此，我们看到，这些大佬们似乎已经抛弃了“微腔”，而直接用FP腔了。当然，这不是简单的轮回，而是继续保持片上优势的基础上的进步。具体来说有以下几个新的特点：1、把FP腔做成“空气中的真空腔”[2]，即：只将FP腔的中间部分做成真空，这样就不用放在大的真空腔内，FP腔就可以做小（厘米量级），易于片上集成。实验显示，这种真空腔可保持真空度一年以上；2、还可用光刻方法制成FP腔凹面镜，进一步减小体积；3、为了分开入射光和反射光，针对没有片上法拉第环形器的问题，还发明了一种“反射光转移光路（reflection transformation circuit: RTC）”作为环形器，这样就可以用“自注入”法稳定半导体激光器；4、为了将FP腔与片上兼容，可用集成光学的方法，将片上波导中的光与FP腔垂直耦合。作者用真空隙的微型FP腔作参考和自注入锁定，在没有对环境做控制的情况下，凭借其高品质因数、低热噪声的优势，测得分布反馈半导体激光器的噪声功率谱密度对应的傅里叶频率1 kHz、10 kHz和100 kHz，比自由运转时分别降低了8、7、6个数量级。从这个噪声功率谱线，可以分析出线宽被压窄至35 mHz；而1/π积分线宽只有150 Hz，证明了微型真空隙FP腔的优势。即使用空气隙FP腔，也已有人用其将半导体激光器的线宽压缩到亚赫兹 [3]。这是否意味微腔稳频被抛弃了呢？回音壁微腔热稳定性差，尤其是耦合困难，良率低，难以形成产品。而片上SiN微腔，随着工艺的成熟和量的增加，有可能因规模化制作而显示出成本优势。在热稳定性和线宽要求不高而对小型化和集成化要求高的场合，也许仍然有其价值。总结一下：虽然片上微腔在规模化生产上可能存在一定价值，微型真空隙FP腔凭借其高品质因数、低热噪声的优势，有重新返回稳频和窄线宽激光器C位的趋势。通过进一步小型化和与片上器件集成，微型真空隙FP腔可能成为下一代集成化的激光器、振荡器和传感器必须的决定性器件。
参考文献：
[1]H. Cheng, C. Xiang, N. Jin, et al. “Harnessing micro-Fabry-Perot reference cavities in photonic integrated circuits,” arXiv:2410.01095v1 [physics. optics] 1 Oct 2024 [2]Y. Liu, N. Jin, D. Lee, et al, "Ultrastable vacuum-gap Fabry–Perot cavities operated in air," Optica 11, 1205-1211 (2024)[3]W. Liang and Y. Liu, "Compact sub-hertz linewidth laser enabled by self-injection lock to a sub-milliliter FP cavity," Opt. Lett. 48, 1323-1326 (2023)
