耶鲁团队研发低噪声集成激光器，创造超低相位噪声性能新纪录

随着精密计量、量子计算、通信以及先进传感等领域技术的发展，对光子系统的要求也越来越高：系统不仅要实现微型化集成，还需要具备优异的频率定性和抗干扰能力。

然而，当前主流的片上集成激光器普遍存在噪声过高的问题，这主要源于传统介质谐振器的固有局限。与具有显著优势的法布里-珀罗（FP，Fabry - Perot）腔相比，这些介质谐振器在频率稳定性方面存在数量级差距——FP 腔的电磁模式几乎完全约束在真空环境中，这一独特结构使其具有本质性的低噪声特性。

针对这一技术瓶颈，美国耶鲁大学与加州大学圣芭芭拉分校联合团队创新性地提出了 FP 微腔与光子集成电路的集成方案，成功研制出兼具紧凑尺寸与卓越性能的集成系统。

该设计的核心优势在于：FP 腔的真空环境使其理论噪声下限显著低于氮化硅等介质材料的物理极限，从而突破了传统集成光学器件的材料制约，实现了超低噪声光学参考腔的片上集成。

基于这一突破性架构，研究团队开发了两种互为补充的技术方案。第一种方案采用“自注入锁定”技术路线，通过精确调控 FP 腔的光学反射实现激光频率锁定。该方案的创新性在于，通过特制接口光路将腔体反射信号中镜面反射干涉相消，保留谐振反射光。激光器的非线性特征与谐振反射光尖锐的相位突变使得激光器与真空隙 FP 微腔锁定，获得其优异噪声特性。

实验数据显示，该系统的各项指标均显著超越传统集成方案：相位噪声在 10kHz 偏移频率下达到-97dBc/Hz，10ms 积分时间的分数频率稳定性优于 5×10-13，同时实现了 150Hz 的 1/π 积分线宽和 35mHz 的基本线宽。

第二种方案作为系统功能的拓展，通过微腔封装技术和光学路径重设计，将反射信号定向传输至专用探测端口，并抑制背反射信号。其实现了首个完全共集成模块，该模块有效地重新定向反射信号，并以 10dB 的抑制比隔离背反射，为芯片上 PDH（Pound-Drever-Hall）锁定提供了关键硬件基础。

两种方案的技术互补性不仅完善了集成光学系统的功能矩阵，更为不同应用场景提供了灵活的技术选择。

从应用前景来看，该技术最直接的价值在于为光纤传感和量子光学光源等领域提供了稳定的片上激光解决方案。更具吸引力的是，通过将两套这样的系统进行组合配置，可以进一步实现低噪声微波信号生成，这将显著提升通信系统、毫米波雷达以及精密探测设备的性能指标。

在设计这些方案时，研究人员充分借鉴了物理现象和已有技术基础，并针对集成光学系统的特殊需求进行了创新性改造。在自激锁定方案中，他们发现 FP 腔的反射信号具有类似镜面反射的特性，直接用于激光锁定会引入不稳定因素。

为此，他们创造性地引入额外的片上反射镜结构，通过精确调控光场分布，有效抵消了强反射信号的干扰，同时保留了关键的谐振反馈光成分，从而成功实现了稳定的自激锁定机制。

而在解决反射隔绝和信号引导这一关键问题时，研究团队巧妙移植了自由空间光学实验平台的成熟方案：利用圆偏振光在反射后旋向反转的特性，将传统自由空间光学隔离器的工作原理转化为片上集成形式，实现了对反射信号的高效控制。

这项研究最具突破性之处在于，利用真空 FP 微腔实现了超低相位噪声性能，为集成光学领域提供了一种革命性的片上参考腔解决方案。

该论文第一作者兼共同通讯作者、耶鲁大学程浩天博士（现苹果公司硅光工程师）向 DeepTech 解释说道：“这种基于真空 FP 微腔的系统在相位噪声性能上显著优于传统氮化硅微环谐振器，能够为低噪声微波生成、量子计算和量子通信等前沿领域提供前所未有的稳定片上光源。”

此外，研究中提出的互补集成策略，包括自激锁定和 PDH 锁定方法，也具有重要意义。自注入锁定方法利用 FP 腔的反射信号实现激光锁定，实现了高效的激光噪声抑制；而 PDH 锁定方法则通过抑制反射信号，并将反射信号引导至另一端口用于探测和电反馈，提供了更为稳定的电反馈锁定方案，尤其在外界环境变化时表现出色。

日前，相关论文以《在光子集成电路中利用微型法布里-珀罗参考谐振腔》（Harnessing micro-Fabry–Pérot reference cavities in photonic integrated circuits）为题发表在Nature Photonics[1]。耶鲁大学程浩天博士是第一作者兼共同通讯作者，彼得·T·拉基奇（Peter T. Rakich）教授担任共同通讯作者。

面向未来，研究团队规划了两个重点发展方向：一方面继续深化基础研究，重点探索基于 FP 微腔的激光稳频技术及多激光器微波生成系统；另一方面，由拉基奇教授联合创立的衍生企业 Resonance Micro Technologies 正致力于推动这项技术在激光稳频和通信传感等领域的产业化应用。

近期，该团队还在另一项研究中开发了 CMOS 兼容的非磁光隔离器 [2]，解决了光子集成中的反射干扰问题。

这种创新设计特别适用于多波长光源系统（如光频梳），其核心优势体现在：传统窄带隔离器在激光频率因温度等因素发生漂移时需要复杂的反馈锁定机制，而该宽带隔离器凭借其超宽工作带宽可从根本上避免这一技术难题。

尤为突出的是，该隔离器实现了太赫兹量级的超宽光学带宽。程浩天解释道：“传统最优非磁光隔离器的带宽通常局限在几十吉赫兹（对应亚纳米量级），而他们的设计实现了 16 纳米的带宽覆盖，几乎横跨整个光通信 C 波段。”

更值得关注的是，研究团队还提出了进一步拓展带宽的理论方案，通过优化设计有望将工作带宽提升至百纳米量级，这将大幅扩展其应用范围。

这项研究不仅在理论设计上取得突破，更通过系统的实验验证确立了技术可行性。研究人员首先构建了完整的理论模型，随后通过精密实验证实了该方案的实用价值。

这种新型隔离器的主要功能在于保护片上集成的激光器和放大器，与团队其他研究工作形成技术互补——正如稳定的激光器需要防护机制一样，该隔离器通过抑制反射干扰来确保整个光芯片系统（特别是包含增益元件的激光器和放大器部分）的稳定运行。这种协同设计理念使得光芯片系统在面对复杂反射环境时仍能保持优异性能。

展望未来，该光学隔离器的性能仍具有显著的提升空间。当前设计中，基于干涉仪相消干涉原理实现的超高隔离度受到被动光器件串扰的限制，通过优化波导设计和降低寄生耦合，理论上可将中心隔离度提升至 60dB 以上。

此外，研究团队还提出了三个关键优化方向：一是通过优化声学微腔设计来进一步提升工作带宽；二是改进电驱动方案以降低功耗；三是完善系统架构设计以提高整体效率。这些改进措施将推动该技术向更广泛的应用领域拓展，为下一代集成光子系统的开发奠定坚实基础。

参考资料：

1.Cheng, H., Xiang, C., Jin, N. et al. Harnessing micro-Fabry–Pérot reference cavities in photonic integrated circuits.Nature Photonics(2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01701-5

2.Cheng, H., Zhou, Y., Ruesink, F. et al. A terahertz-bandwidth non-magnetic isolator.Nature Photonics19, 533–539 (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01663-8

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