理论上窄线宽激光是以单一频率即单横模、单纵模的状态工作，对应在频域上只有相干受激辐射产生的单一谱线激光输出，腔内载流子涨落、光相位以及光子密度都处在稳定的状态，具有低相对强度噪声和低频率噪声等优点，同时激射波长具备非常高的边模抑制比。

但是，在实际工作中，由于有源区无法消除的自发辐射，在受激辐射模式内引入相位和强度扰动影响，使得激光输出信号的频率始终存在高斯白噪声，从而导致单一激光频率谱线出现洛伦兹线型的本征展宽，在频谱上呈现一定宽度的包络线，这种量子噪声的波动决定了激光器线宽下限。这种微小的波动很容易被外部环境中机械/声音变化或者热变化引起的更大的波动所掩盖，导致激光线宽继续展宽，这些经典噪声影响决定了激光线宽的上限。线宽从频域的角度描述频率噪声或相位噪声，线宽越窄意味着激光频率噪声或相位噪声越低。

线宽与激光器的自发辐射系数以及线宽展宽因子成正相关；与激光器的谐振腔长度和输出功率成负相关。激光器腔长越长，腔内损耗越小，端面反射率越高，光子寿命越长；输出功率越大，自发辐射所占比例越低。因此，增加腔长、提高功率是压缩单纵模激光线宽的有效方法。

窄线宽激光输出的基本前提是实现单纵模输出，窄线宽半导体激光器通常在谐振腔内集成频率选择结构或者在腔外部与选模器件进行耦合，提供对特定频率的光反馈，当频率选择器件的通带宽度小于 2 倍纵模间隔时，可以有效控制不同纵模的增益损耗，确保激光有效增益带宽范围内仅有单个纵模获得激射。

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。

内腔反馈型窄线宽半导体激光器通常在有源腔内集成布拉格光栅或者特殊波导结构，比如分布反馈（Distributed Feedback，DFB）半导体激 光器、分布布拉格反射（Distributed Bragg Re fl ector，DBR）半导体激光器以及耦合腔半导体激光器。长腔长有源腔内波导层掺杂会导致光损耗剧增，从而限制激光功率，制约了有源腔长度增加，导致激光线宽压缩受限。一般的 DFB 和 DBR 激光器通常采用均匀的或带有相移的分布反馈布拉格光栅结构作为谐振腔，芯片尺寸限制在百微米量级，谐振腔的品质因子较小，输出功率较低，激光线宽一般在几 MHz 到几十 MHz 的水平。

外腔半导体激光器（External Cavity Diode Laser， ECDL）分为两个部分，即提供增益的有源内腔和提供反馈的无源外腔，从有源增益介质发出的光经过低损耗无源外部介质后反馈回增益介质，而低损耗无源外腔的引入增加了系统的光子寿命，从而压窄线宽。需要注意的是，外腔型窄线宽半导体激光器是个广义的概念，从严格意义上来讲，仅当有源内腔为非谐振腔时，被称为外腔结构，如反射半导体光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplimer，RSOA）前端面制作反射膜，后端面制作高增透膜（端面反射率一般 10-3 ~10-5 ）。

由于后端面光反馈太小，腔内无法形成光振荡，因此只有在腔外提供足够高的光反馈，使得腔内激光光路往返过程中的光增益高于光损耗，才能形成激射；另外一种情况是有源内腔为独立激射的激光器，被称为自注入结构，选择特定波长纵模注入激光器，导致该纵模 在模式竞争中优先起振，优先达到饱和状态，使有源区的增益曲线下降。但是，二者都是通过加长激光腔长，通过窄带反馈元件将选择的激光频率注入谐振腔从而“锁定”谐振腔的输出频率，二者获取更窄线宽的核心思想一致。

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。通过在光学损耗较低的硅基材料，如绝缘体上硅（Silicon on Insulator，SOI）、二 氧 化 硅（SiO2 ）或氮化硅 （Si3N4 ）上制作波导、光栅或微环等结构，再通过模斑变换器或微透镜与 III-V 半导体增益芯片、RSOA 或者 DFB 进行耦合集成，能够在兼顾腔内光子密度的同时提升光子寿命以压缩激光线宽。另外，通过键合工艺将两者固定在同一个热沉上形成准单片集成的结构，有助于减小器件体积和制作成本。

北京大学常林老师课题组实现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  Hz 量级线宽输出。

参考文献

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[3]朱涛,党来杨,李嘉丽等.窄线宽激光器技术及进展（特邀）[J].光子学报,2022,51(08):61-81.

转自：新赛道投资调研

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