窄线宽激光具备极高的频谱密度、极低的相对强度噪声和相位噪声以及超长的相干长度，在冷原子干涉测量、光学原子钟、相干激光通信、相干激光雷达、高精度光纤传感和精密光谱等诸多前沿科学研究领域发挥着十分重要的作用。根据频率选择结构分布在有源腔内外的不同，一般将窄线宽半导体激光器分为内腔反馈型和外腔反馈型激光器。当前，外腔窄线宽半导体激光器商业化应用具备举足轻重的地位。
据麦姆斯咨询报道，近期，华中光电技术研究所—武汉光电国家研究中心的研究团队以“外腔窄线宽半导体激光器研究进展”为主题进行了综述研究，重点介绍了当前具备代表性的四类外腔型窄线宽半导体激光器的基本结构、关键技术、性能特点以及国际发展现状。相关研究内容发表在《光学与光电技术》期刊。
闪耀光栅型
【资料图】
采用闪耀光栅（Blazed Grating）作为选频光学反馈器件，很早就已被应用在基于Littrow和Littman结构的外腔激光器中，目前已经成为经典外腔半导体激光器之一。其谐振腔通常由半导体激光增益芯片（Gain Chip）、光学准直透镜或反射镜和闪耀光栅等光学元件组成。2020年，澳大利亚引力波天体物理中心D. P. Kapasi等人报道了一种基于增益芯片与衍射光栅组成的Littrow型结构的闪耀光栅外腔窄线宽激光器。中心波长为2 μm，最大输出功率9.3 mW，激光线宽20 kHz@10 ms，通过压电换能器进行调谐，最终实现了120 nm的调谐范围。该类外腔激光器的结构和性能特点比较适合实验室应用场景，能够胜任工作环境友好但对波长调谐范围和光谱分辨率要求较高的领域，如光谱检测、非线性光学测试系统、光学原子钟、里德堡原子测量系统等领域。
澳大利亚引力波天体物理中心外腔半导体激光器
体全息光栅型
体全息光栅（Volume Holographic Gratings，VHG）是一种在熔融硅酸盐玻璃中利用紫外全息曝光制作的衍射光栅器件，分为反射式和透射式两种，也可用来实现Littrow和Littman结构的外腔型窄线宽半导体激光器。相对来说，体光栅比闪耀光栅尺寸更小，工作波段可扩展至350~2500 nm，具有高光学损伤阈值以及机械和热稳定性，高温下表现出优异的稳定性，选频温漂系数小，可用来制作微型化高可靠的激光器。2020年，费迪南布劳恩研究所为JOKARUS任务研制了一款微集成窄线宽激光器，该器件采用主振荡光放大（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）技术体制，以ECDL作为种子源级联锥形光放大，在保持较窄激光线宽的同时大幅提升了输出功率。该激光系统中心波长为1064.490 nm，光功率为570 mW，线宽为13 kHz（1 ms），总功耗3.75 W，用于太空探测火箭上工作的碘频基准。
JOKARUS微集成ECDL-MOPA激光器件
在该领域，华中光电技术研究所也研制了14 pin蝶形金属封装体光栅扩展外腔微集成窄线宽半导体激光器。测试激光线宽小于70 kHz，无跳模调谐范围10 GHz，功率大于180 mW，边模抑制比大于60 dB，器件体积30 mm × 12.7 mm × 7.6 mm，该器件具有优异的波长和功率稳定性，且体积小、功耗低、环境适应性优良，其多项指标优于德国Sacher公司窄线宽半导体激光器产品。
华中光电技术研究所微集成窄线宽激光器
光学腔型
晶体光学腔具有较高的品质因子、较小的模式体积和性能稳定等优势，可用作光滤波器，能够实现激光器的锁定和激光线宽的压窄。光学微腔通常分为法布里-珀罗腔、回音壁模式（Whispering-Gallery Mode，WGM）微腔和光子晶体腔。2018年俄罗斯量子研发中心M.L.Gorodetsky等人报道了一种基于MgF2微腔和大功率F-P腔激光器的注入锁定窄线宽激光器以及孤子克尔光梳的产生。将功率为200 mW的F-P腔激光器的出射光注入到水平直5.5 mm，垂直直径500 μm的微腔中，在注入锁定状态得到了370 Hz的窄线宽输出，当进一步调谐激光器的电流进入红失谐状态时，产生了重复频率为12.5 GHz的孤子光频梳。
基于MgF2微腔和大功率F-P腔激光器的注入锁定窄线宽激光器以及孤子克尔光梳的产生系统
平面波导型
平面波导（Planar Light Waveguide Chip，PLC）是光子集成技术的重要应用，为外腔反馈半导体激光器中窄带滤波和光学反馈器件提供了更加多样化和灵活的选择。2021年，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的W.Jin等人报道了超窄线宽混合集成窄线宽激光器，有源部分为DFB激光器，无源滤波部分为品质因子为2.6×10⁸的Si3N4微环，采用低限制氮化硅波导结构光传输损耗降至0.1 dB/m，最终实现了3 Hz线宽输出。
外腔结构示意图以及其注入锁定原理
目前，半导体激光器正朝向高功率、窄线宽的方向快速发展，尤其是基于体光栅的外腔半导体激光器可实现100 kHz以下线宽，以及较高的光功率，具备优异的环境适应性，该体制的性能及可靠性也已经在太空探测任务中得到验证；同时腔型结构简单，通过全自动耦合系统可以实现商业化的应用，成本较低，但是线宽难以进一步下降。基于回音壁光学腔窄线宽激光器可实现低于100 Hz的超窄线宽激光，但是需要DFB芯片与透镜、棱镜和回音壁光腔进行光耦合，耦合集成难度极高，批量生产困难，且高品质因子回音壁腔研磨加工工艺要求高，短期内难以摊薄成本。基于混合集成方案的波导光栅器件的制备与传统的微纳工艺兼容，适合以低成本进行大规模商业化制备，这种方案可以与增益芯片耦合集成即可实现高稳定性的单纵模注入锁定效果，线宽与噪声性能也十分优异并且有着很高的集成度，是现阶段商业化制备窄线宽激光器的最佳方案之一。
随着光子集成技术的发展，异质集成对冲击与振动具有较高鲁棒性，对实现低噪声、窄线宽、高紧凑度的半导体激光器有着巨大的吸引力，未来基于晶圆键合的硅基异质集成Ⅲ-Ⅴ族窄线宽半导体激光器必将成为最具发展潜力的方案。
