我院博士生提出实现量子级联激光器低噪声、窄线宽输出的新技术

我院后摩尔器件与集成系统中心王成教授课题组学生提出一种实现量子级联激光器低噪声、窄线宽输出的新技术。该技术仅需要使用一面反射镜即可将量子级联激光器相位噪声减小4个数量级，同时将其光谱线宽压缩70余倍。近日，该成果以 “Strong Optical Feedback Stabilized Quantum Cascade Laser”为题在国际著名光学期刊《ACS Photonics》上发表。

量子级联激光器的辐射波长覆盖了中红外和太赫兹波段，其为气体光谱检测、自由空间光通信和太赫兹成像等领域提供了重要的激光光源。由于相位噪声的存在，量子级联激光器的光谱线宽一般在MHz量级，严重限制其在以上应用领域的性能。虽然基于光学频率梳稳频的量子级联激光器能够实现窄线宽输出，但是其装置太过复杂和笨重，很难走向市场和实际应用。

由于光学元件的残留反射，半导体激光器在传输光路中不可避免地会产生光反馈，即部分输出激光重新反馈到激光器中。传统的半导体激光器对光反馈非常敏感，极其微弱的光反馈即可使激光器失稳并导致相位噪声急剧增加。因此，一般商用的半导体激光器需要与光隔离器配合使用。然而，课题组成员通过对量子级联激光器动力学的研究发现：量子级联激光器对光反馈极不敏感，同时使用强光反馈能够非常有效地减小量子级联激光器的相位噪声和光谱线宽。

利用强光反馈技术压缩量子级联激光器光谱线宽的实验装置图（左图）和效果图（右图）

使用强光反馈技术压缩量子级联激光器的光谱线宽通过左图中的实验装置成功得到验证。图中的镀金反射镜（gold mirror）为量子级联激光器（QCL）提供了约40%的光反馈。在不需要任何反馈相位控制的条件下将右图中激光器的光谱线宽从约8 MHz压缩到了约100 kHz，同时激光器的相位噪声减小了约4个数量级。该技术同时具有简单可靠和低成本的优势，对于其在市场中的实际应用具有重要价值，已经申请专利保护。

上海科技大学为该研究成果的唯一完成单位，信息学院2019级博士生赵彬彬和王星光为论文的共同第一作者，王成教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金和上海科技大学启动资金的支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c00189