半導體激光器因其緊湊的尺寸、靈活的操作性以及極寬的光譜覆蓋范圍，一直被視為潛力的光頻梳光源。特別是具有皮秒級超快增益恢復時間的量子級聯激光器，能夠在純直流偏置下實現自鎖模，從而產生頻率調制光梳。

       與傳統法布里-珀羅腔不同，環形腔結構支持光波的單向傳輸，這種特性能夠有效避免因空間燒孔效應引發的增益競爭和單模失穩問題。然而，為了保證單向激射的穩定性，以往多數環形QCL極度依賴波導彎曲損耗來進行光輸出耦合。這種設計盡管其腔內循環的功率可能高達數百毫瓦，但實際可用的端面輸出功率往往被嚴格限制在亞毫瓦級別。如何在高功率運行下保持單向性以及對發射方向進行靈活控制成為了研究人員面臨的重大挑戰。

圖1 跑道型激光器的性能表征

       為了打破這一局限，研究團隊創新性地引入了帶有定向波導耦合器的跑道型諧振腔結構。通過長達1.5 mm的長直耦合區，腔內激光得以被高效地引導并提取出來。實驗結果顯示，該器件在室溫環境下，單側波導端面的連續波輸出功率飆升至105.6 mW。

圖2 量子行走型跑道激光器的實驗與仿真

       在大幅提升功率的同時，系統的高頻射頻調制性能也得到了顯著優化。由于單步干法刻蝕工藝通常難以兼容外延再生長，以往器件的側壁絕緣層較薄，導致射頻截止頻率極低。為此，研究人員在器件的調制區域專門沉積了厚達1500 nm的Si3N4鈍化層，大幅降低了電極接觸的寄生電容，成功將調制帶寬跨越式提升至10 GHz以上。

圖3 射頻性能優化與頻率梳功率縮放特性

       基于此優化，當向器件注入與環形腔往返頻率共振的射頻信號時，在強大的克爾非線性效應主導下，激光光譜會迅速展寬，形成跨度超過30 cm?1且包絡呈現厄米-高斯分布的量子行頻梳。實驗通過SWIFTS波形重建技術明確證實，這些光梳呈現出典型的頻率調制特征。

       作為一種走向實用化的光譜學光源，高輸出功率僅僅是準入門檻，對發光狀態的精準調控以及對復雜環境干擾的抵抗力同樣至關重要。該團隊在總線波導結構上巧妙地設計了左、中、右三個獨立的偏置電極。通過非對稱地對這些電極施加偏置電壓，研究人員可以獨立控制波導各點反饋入腔內的自發輻射水平。這種機制使得操作者能夠像操控數字開關一樣，輕松實現激光在順時針和逆時針激射方向之間的隨意切換，且不會犧牲光梳的帶寬、功率和重復頻率等核心性能指標。

圖4 跑道型激光器的全維度調控性能

       由于該系統始終運行于單向激射模式，任何耦合回跑道腔的反射光，其傳播方向均與原本的激光激射方向逆向而行，因此不會與發光場發生任何破壞性的物理互作用。為了驗證這一特性，研究人員在距離波導端面10 cm處放置了一面反射鏡，將高達95%的輸出光強行反射回波導中，進行了極其苛刻的光反饋測試。結果表明，無論反饋相位的條件如何改變，光梳的光譜形態均保持毫發無損，展現出了對延遲光反饋的絕對免疫能力。

       本項研究不僅通過干法刻蝕工藝和跑道型結構大幅降低了此類器件的制造成本，更在單一光子芯片上融合了高功率、寬光譜、方向可控及抗干擾等多種特性。未來，這種高度優化的制造平臺為將多個環形激光器、總線波導以及微波傳輸線單片集成創造了充分條件。隨著高頻微波電子學與光子學工程的進一步深度交融，這些魯棒性的光梳器件將為全集成片上雙梳光譜儀的發展奠定堅實基礎，并有望在多變環境下的精密光譜檢測任務中大放異彩。

參考文獻： 中國光學期刊網

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