谐振器增强型分布式布拉格反射激光。 导读
集成可调谐激光器是光通信、相干传感、精密测量中的核心器件。分布式布拉格反射（DBR）激光器利用周期性布拉格光栅作为波长选择性反射镜，为实现单频激光输出提供了成熟路径。然而，传统DBR激光器仍面临难以兼顾窄线宽和宽范围不跳模调谐能力的挑战，限制了其在实际高性能光子系统中的进一步应用。近日，香港大学向超教授团队提出了一种谐振器增强型分布式布拉格反射（RE-DBR）激光器架构，将周期性布拉格光栅引入环形谐振器中，使光在多次循环传播过程中等效增强光栅作用长度，从而在紧凑尺寸下提升波长选择性反馈和滤波性能。基于这一谐振器增强布拉格反馈机制，该激光器实现了高相干单频输出、宽范围连续波长调谐以及无需复杂控制的低噪声即开即用运行，为片上稳定可调谐光源提供了一种可扩展、易集成的新方案。相关研究成果以Resonator-enhanced distributed Bragg reflector lasers 为题发表在国际顶尖学术期刊 Light: Science Applications。
研究背景
集成激光器凭借其紧凑性、可扩展性和与片上光子系统的兼容性，已成为光通信、相干传感、精密测量和新一代光子集成技术中的关键器件。特别地，分布式布拉格反射（DBR）激光器利用周期性布拉格光栅提供波长选择性反馈，可实现单频激光输出，是构建片上稳定光源的重要技术路径。在实际应用中，激光器不仅需要具备低噪声和窄线宽，还需要支持宽范围、不跳模的连续波长调谐，并能够以简单可靠的方式运行。然而，传统DBR激光器通常受限于外腔有效长度、调谐效率和器件尺寸之间的权衡，难以同时实现窄线宽、高效调谐和结构紧凑性。与此同时，自注入锁定等方案虽然能够以较紧凑的器件来降低激光噪声，但往往依赖精细的电流控制，增加了控制复杂度并限制了其应用场景。因此，如何在紧凑片上平台中同时实现低噪声、宽范围连续调谐和简单可靠运行，仍然是集成可调谐激光器发展中亟待解决的关键问题。
研究亮点
研究团队提出了一种谐振器增强型分布式布拉格反射（RE-DBR）激光器架构，其核心是在环形谐振器中引入周期性布拉格光栅，形成兼具波长选择性反射与谐振增强效应的片上外腔结构（图1a）。该架构利用光在环形谐振器中的多次循环传播，等效延长布拉格光栅的作用长度，从而在紧凑尺寸下实现超窄带单频反馈的滤波能力。理论分析表明，RE-DBR激光器能够突破传统DBR激光器在线宽和调谐效率之间的固有权衡，在实现更窄线宽的同时保持更高的调谐效率（图1b）。此外，该架构可在较宽的增益电流范围内维持窄线宽输出，无需精细偏置控制即可实现低噪声即开即用运行（图1c）。为验证该设计，研究团队将宽带增益芯片与覆盖布拉格光栅的氮化硅环形谐振器混合集成，并通过微型加热器实现热光调谐（图1d）。实验结果证实，该RE-DBR激光器具有明确的主反射峰，展现出良好的单波长滤波特性，与理论预期一致（图2c-d），并实现了稳定的单频激光输出、高边模抑制比和低频率噪声（图2f-g）。更重要的是，研究团队进一步展示了该激光器的宽带不跳模调谐能力。通过同步调控环形谐振器和总线波导上的微加热器，激光输出波长能够在保持单模工作的同时连续平滑移动（图3b c-d 左）；作为对比，仅调控单个加热器会导致光谱不连续和多模输出（图3c-d 右）。这一结果说明RE-DBR激光器不仅具有低噪声和紧凑集成优势，还能实现稳定、连续的宽带波长调谐，为相干通信、精密测量等可调谐光源应用提供了关键支撑。
图1：传统的集成激光器结构，RE-DBR激光器结构，和性能权衡示意图
图2：RE-DBR激光器的实验实现和性能表征
图3：RE-DBR激光器的连续波长调谐能力
总结与展望
本研究提出并展示了一种谐振器增强型分布式布拉格反射（RE-DBR）激光器架构，用于实现低噪声、宽范围连续可调谐的片上单频激光输出。该架构将周期性布拉格光栅引入环形谐振器中，通过光在谐振器内的多次循环传播等效增强光栅反馈长度，在保持器件紧凑的同时提升波长选择性反馈和光谱滤波能力。相比传统DBR激光器，RE-DBR激光器突破了线宽与调谐效率之间的固有权衡，实现了窄线宽、高调谐效率和功率高效的波长调控；相比自注入锁定激光器，该方案无需精细偏置控制即可保持低噪声运行，展现出良好的即开即用特性。此外，通过同步调控环形谐振器与总线波导上的微加热器，该激光器实现了宽带、连续且无跳模的波长调谐，克服了传统片上窄线宽光源难以实现连续波长调谐的局限性。这些进展为高性能集成可调谐激光器提供了一条紧凑、可扩展且易于使用的新路径，并有望推动其在相干光通信、精密测量、光学传感、微波光子学等系统中的广泛应用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02249-x
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作者：向超等 来源：《光：科学与应用》
