基于增益开关半导体环形激光器的单片集成双光梳发生器及其在高分辨率光谱学中的应用

研究人员针对传统光学频率梳(OFC)系统重复频率固定、集成度低的问题，开发了基于磷化铟(InP)单片集成的双光梳发生器。该系统采用增益开关半导体环形激光器(SRL)作为从激光器(SL)，通过光学注入(OI)锁定实现2 GHz至500 MHz可调重复频率的OFC生成，并展示了20至50,000的压缩因子(CF)。该研究为高分辨率光谱学、光学计量和测距提供了紧凑型解决方案，推动了集成光子学在精密测量领域的应用。

　　

在过去的20年里，光学频率梳(OFC)技术彻底改变了光子学领域，为分子光谱学、原子钟、光通信等应用提供了革命性工具。然而，传统OFC系统如锁模激光器(MLL)和微环谐振腔(MRR)存在重复频率固定、体积庞大等问题，而电光调制器和增益开关半导体激光器虽具有频率可调优势，却面临带宽有限和集成度不足的挑战。特别是在双光梳光谱学(DCS)应用中，需要两个高度相干且频率差精确可控的OFC，这对系统的集成化提出了更高要求。

针对这一技术瓶颈，来自中国的研究团队在《Optics》发表了一项突破性研究。他们设计了一种基于磷化铟(InP)光子集成电路(PIC)的单片集成双光梳发生器，创新性地采用半导体环形激光器(SRL)作为增益开关从激光器，通过光学注入锁定实现高相干性双光梳输出。该系统不仅实现了2 GHz至500 MHz的宽范围重复频率调谐，还展示了高达50,000的压缩因子(CF)，为构建紧凑型高精度光谱分析系统提供了新思路。

研究团队主要采用了三项关键技术：1) 基于标准构建块(BB)的InP通用集成平台，定制开发了SRL和采样光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)激光器；2) 主从(Master-Slave)光学注入锁定架构，利用SRL的双向发射特性实现单向耦合；3) 脉冲和正弦两种增益开关调制模式，分别用于产生高CF和宽带OFC。实验系统包含高分辨率光学频谱分析仪(HR-OSA)和实时示波器，用于表征光梳特性和双光梳干涉信号。

研究结果部分，首先在"CW characterization of the SRLs"中，研究人员发现SRL在顺时针(C-W)方向的发射强度是逆时针(CC-W)的4-5倍，这种不对称性有利于光学注入锁定。当两个SRL同时工作时，光谱呈现独立叠加特征，证实了系统的低串扰特性。

在"CW characterization of the SG-DBR laser"部分，集成的SG-DBR激光器表现出540 MHz的较宽线宽，研究人员将其归因于光栅反射镜未对准导致的腔损耗增加。尽管如此，该激光器仍能作为主激光器(ML)驱动整个系统。

"OFC generation under internal optical injection"展示了使用内部SG-DBR作为ML时，SRL1成功产生了30条梳线的OFC，重复频率为1 GHz。值得注意的是，西侧端面的信号比东侧弱20 dB，验证了SRL的单向发射特性。

"OFC generation under external optical injection"部分则采用外腔窄线宽激光器作为ML，实现了500 MHz重复频率的OFC生成。研究发现SOA1电流从0增至10 mA可提升梳线功率，但继续增加至50 mA并无进一步改善，表明存在最佳工作点。

在"Dual-comb generation"核心章节中，研究团队演示了两种工作模式：当f_R1=2 GHz、f_R2=2.1 GHz(CF=20)时，产生了30 GHz带宽的双光梳，时域干涉图显示清晰的100 MHz拍频信号；采用脉冲增益开关时，更实现了f_R=500 MHz、Δf_R=10 kHz(CF=50,000)的高压缩比测量能力。

研究结论指出，这种基于SRL的单片集成双光梳发生器成功解决了传统系统体积大、调谐复杂的问题。通过光学注入锁定实现的单向耦合机制有效避免了主从激光器间的相互干扰，而增益开关技术则提供了前所未有的重复频率灵活性。尽管当前SG-DBR激光器的性能有待优化，但该系统已展现出在便携式光谱分析、光学相干断层扫描等领域的应用潜力，为下一代集成光子测量系统的发展奠定了基础。

这项工作的创新性主要体现在三个方面：首次在InP平台上实现SRL基双光梳系统；验证了环形激光器在抑制光学反馈方面的独特优势；展示了从MHz到GHz范围的宽调谐能力。未来通过优化激光器设计和封装工艺，有望进一步提升系统性能，推动集成双光梳技术走向实际应用。