大模体积集成布里渊激光器实现31毫赫兹超窄线宽与41毫瓦高功率输出

研究人员针对集成激光器在输出功率与线宽性能难以兼顾的挑战，创新性地开发了基于4米长硅氮化物(Si3N4)线圈谐振腔的布里渊(SBS)激光器。该器件通过大模体积设计将瞬时线宽压缩至31 mHz，同时实现41 mW输出功率和73 dB边模抑制比(SMSR)，其可调谐范围达22.5 nm。这项发表于《Nature Communications》的研究为量子传感、毫米波生成等精密应用提供了CMOS兼容的集成解决方案。

　　

在追求更高精度与便携性的科学探索中，激光器性能始终面临着一个"鱼与熊掌"的困境——超窄线宽与高输出功率如同站在跷跷板的两端，传统技术难以同时实现。现有集成激光解决方案要么受限于毫瓦级功率，要么在赫兹级线宽前止步，这严重制约了原子钟、引力波探测等尖端应用的发展。更棘手的是，小型化需求与性能提升形成天然矛盾，实验室规模的台式激光器虽能达到指标，却与芯片化集成背道而驰。

美国加州大学圣巴巴拉分校的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，他们巧妙利用布里渊散射(SBS)的非线性动力学，在邮票大小的芯片上创造出等效4米长的光学谐振腔。这种创新设计使光子与声子在大模体积中充分相互作用，最终实现31毫赫兹(0.031 Hz)的惊人线宽——相当于激光频率波动小于每秒三千万分之一，同时输出功率高达41毫瓦。更令人称奇的是，该激光器在保持73 dB超纯单模特性（相当于千万分之一的光谱纯度）的同时，还能通过Vernier效应实现22.5纳米波长调谐。

研究团队采用三项核心技术：首先开发了低损耗（0.2 dB/m）的6×0.08 μm硅氮化物(Si₃N₄)波导，通过特殊线圈结构将4米光程压缩至平方厘米芯片；其次利用非束缚声子产生的250 MHz宽布里渊增益谱，实现多纵模竞争下的单模选择；最后采用1.037 MHz光纤马赫-曾德尔干涉仪作为光学频率鉴别器(OFD)，精确测量亚赫兹线宽。实验系统通过Pound-Drever-Hall(PDH)技术将泵浦激光锁定至谐振腔，并用平衡探测消除强度噪声干扰。

【大模体积线圈谐振腔设计】

研究人员设计的80纳米薄芯波导支持1毫米弯曲半径，通过螺旋结构实现160 million品质因子(Q值)的4米等效腔长。这种结构使热折射噪声(TRN)降低至10 mHz²/Hz水平，为线宽压缩奠定基础。

【非线性模式选择机制】

尽管谐振腔支持48.1 MHz自由光谱范围(FSR)下的多纵模振荡，布里渊过程展现出"赢家通吃"特性——最强增益模式会吸收90%以上泵浦能量，自然抑制其他模式，实现73 dB边模抑制比(SMSR)。

【功率与线宽性能】

在242 mW泵浦下，激光器达到16.5%转换效率，输出功率41 mW。频率噪声谱显示其突破传统STLW(肖洛-汤斯线宽)极限，实测31 mHz线宽比理论预测的13 mHz更保守，主要受限于测量系统噪声。

【Vernier调谐特性】

通过利用布里渊频移(Ω_B∝1/λ)与谐振腔FSR的周期性匹配，实现每6 nm相位匹配点的离散调谐，覆盖C波段与L波段共22.5 nm范围。

这项研究颠覆了集成激光器的性能极限，其创新性体现在三个方面：物理层面首次证明大模体积谐振腔中布里渊非线性可同时解决多模振荡与功率限制；技术上实现CMOS兼容的米级光程集成；应用上为原子干涉仪、毫米波生成等场景提供芯片级解决方案。理论预测显示，若将线圈延长至120米，线宽可进一步降至1 mHz以下，功率突破瓦特级。该成果不仅为量子精密测量提供新工具，更开创了通过"非线性物理赋能集成器件"的新范式，其设计理念可延伸至可见光波段，推动便携式原子钟等设备的发展。