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摘要

图1 | 精密腔体稳定激光系统的光子集成

在桌面稳定激光器中使用的大规模光学组件和超稳定参考腔被替换为在200毫米CMOS光子平台上制造的芯片级实现，从而减少了尺寸、重量、成本和复杂性。右侧为已制造晶圆的照片，以及其中一款稳定化扩展腔可调激光器（ECTL）设备的照片，包括混合集成的增益芯片。

超低噪声稳定激光器是精密量子技术、光钟、低噪声微波和毫米波生成、以及光纤传感的基础工具。然而，现有系统依赖于桌面式大规模光学组件，包括离散激光器、参考腔、隔离器、调制器和频率移位器，这限制了其便携性、可扩展性、成本降低和制造能力。尽管这些系统在激光设计上提供了灵活性，以便根据特定应用定制线宽、频率噪声和波长，但将稳定激光器完全集成到芯片上而不牺牲性能和灵活性仍然是一个难题。在此，我们报告了精密稳定激光器的集成，这种激光器由灵活的无隔离器核心激光设计和无调制稳定腔组成，集成在低损耗硅氮化物光子集成平台上。我们首先演示了稳定的广泛可调自隔离扩展腔可调激光器（ECTL），它与芯片上无调制的线圈加载马赫-曾德干涉仪（CL-MZI）单体集成。该稳定激光器与半导体光放大器、外部光电二极管和庞-德里弗-霍尔（PDH）电子学进行了混合集成。该设计在60 nm调谐范围内获得了1.7 – 10.5 Hz的基本线宽，在30 nm调谐范围内获得了299 – 505 Hz的积分线宽，频率噪声减少了5个数量级以上，并且在0.08毫秒时达到了6.5×10^-13的艾伦偏差（ADEV）。接下来，我们通过演示单体自隔离刺激布里渊散射（SBS）激光器，突出这一方法的灵活性。该激光器通过多个数量级的非线性噪声抑制高频噪声，并与芯片上的CL-MZI稳定，外部泵浦激光器、光电二极管和PDH电子学配合使用。稳定的SBS激光器实现了4 Hz的基本线宽，积分线宽减少了一个数量级至74 Hz，且在5毫秒时达到了2.8×10^-13的ADEV。电路的稳定部分采用了4米长的CL-MZI参考腔，直接生成PDH误差信号，以反馈控制激光器，消除了对主动调制器的需求。这些结果首次将桌面稳定激光器系统的性能和灵活性带到芯片上。硅氮化物的超低损耗和波长透明性使得这种方法能够轻松地从可见光到短波红外的操作中推广，并通过增加线圈长度和谐振腔品质因子（Q）进一步减少噪声和积分线宽，改善稳定性。这些单体激光系统可以轻松与半导体光放大器、泵浦激光器、光电二极管和现场可编程门阵列（FPGA）电子芯片集成，提供混合和异质、兼容CMOS铸造厂的稳定激光解决方案，为可扩展、低成本、可制造的精密激光器在便携量子、传感和通信应用中的应用铺平道路。

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引言

稳定的窄线宽激光器在量子传感和计算、光学原子钟、超低噪声微波生成、引力传感、新粒子发现、精密光纤同步、相干通信和光纤传感等广泛应用中起着基础性作用。实验室规模的稳定激光器通常通过庞-德里弗-霍尔（PDH）锁定技术，将低噪声的桌面激光器通过反馈电子学和其他大规模光学组件（包括隔离器、调制器、频率移位器等，如声光调制器AOM）锁定到超稳定的光学腔中。这些系统通过选择与特定实验相匹配的光学参数来提供很大的灵活性，使得稳定激光器成为精密和量子科学中的广泛工具。通过缩小大规模光学参考腔的尺寸，已经在减小这些系统体积方面取得了进展。将超低噪声激光器、光学参考腔、隔离器和其他稳定组件集成到单个平台上，不仅可以减少体积、重量和功耗，还可以提高便携性、降低成本并增强可制造性。尽管精密稳定激光器的单独元件已经集成，但将PDH稳定激光器完全集成到单芯片上，特别是保持桌面系统设计灵活性的方式，仍然是一个难题。

超低损耗的硅氮化物CMOS铸造厂兼容（Si3N4）平台是可见光（VIS）到短波红外（SWIR）集成光子学和量子芯片系统的领先候选平台。超低基本线宽（FLW）和低噪声激光器包括自注入锁定（SIL）、扩展腔可调（ECTL）和刺激布里渊散射（SBS）激光设计。基于线圈和螺旋谐振腔几何结构的集成高品质因子（Q）波导参考腔提供了大的消光比（ER）和光学模式体积，使得热折射噪声（TRN）底噪声得到抑制，积分线宽（ILW）收窄，分数频率稳定性得到改善。硅氮化物中已经展示了多种芯片级调制方法，如铅锆钛酸盐（PZT）和铝氮化物（AlN）中的集成应力光学驱动器，以及锂铌酸盐中的电光调制器。集成的AOM频率移位器也已得到展示，但仍然需要较高功率且集成具有挑战性。无调制稳定化提供了一种更简单的替代方案，并已在大规模光学和集成腔体中进行了探索。然而，尽管使用分离的集成光子芯片，如与线圈谐振腔芯片PDH锁定的布里渊和ECTL激光器取得了进展，这些系统仍然依赖外部调制器、频率移位器、光学隔离器和其他光学及光子学元件，阻碍了单芯片解决方案的实现。

在此，我们报告了首个单芯片上稳定精密激光器的演示，取代了通常需要一桌子各种激光和光子学组件的传统方案。芯片采用200毫米硅氮化物CMOS铸造厂兼容的光子集成工艺制造。单体集成的芯片包含一个自隔离精密激光器，一个无调制的线圈加载干涉仪参考腔，以及稳定和自隔离所需的其他被动光子电路。使用这些单体芯片和混合集成的半导体增益、光纤连接激光泵浦、光电二极管和PDH锁定电路，我们实现了两类PDH稳定激光器。首先，我们演示了一种激光设计，采用自隔离扩展腔可调激光器（ECTL），并将其稳定在芯片上的无调制线圈加载马赫-曾德干涉仪（CL-MZI）上。稳定的ECTL激光器具有近60 nm的调谐范围，基本线宽（FLW）为1.65 – 10.48 Hz，稳定的积分线宽（ILW）为299 – 505 Hz，在30 nm范围内测得，并且在0.08毫秒时达到了6.5×10^-13的艾伦偏差（ADEV）。接下来，我们展示了第二个核心激光设计，该设计通过自隔离刺激布里渊散射（SBS）激光器提供高频噪声的非线性抑制，并稳定在芯片上的CL-MZI上。稳定的SBS激光器芯片提供了9 mW的输出功率，低4 Hz的基本线宽，将积分线宽减少了20倍至74.2 Hz，并在5毫秒时达到了2.8×10^-13的ADEV。两种芯片的光子稳定电路部分包括一个4米长的CL-MZI，提供无调制频率判别，直接生成PDH锁定误差信号，并结合外部光电二极管和PDH电子电路，实现了六个数量级的激光频率噪声降低。这些结果首次展示了PDH锁定频率稳定激光器在单个光子集成芯片上的应用，建立了一个可扩展、紧凑和稳健的解决方案，适用于可部署的精密测量和量子技术。

结果

稳定激光架构

我们的集成方法基于超低损耗的硅氮化物（Si3N4）平台，支持高性能精密激光器和稳定化光子学，使用一组功能性构建模块，包括超低损耗波导、高Q谐振腔，能够实现长光子寿命并增强非线性效应、用于窄带滤波的双总线环形谐振腔、可调宽带反射的Sagnac环形镜、用于路由的可调马赫-曾德干涉仪（MZI）、被动分离器和合并器，以及热光相位驱动器。多功能单体设计如图2a所示。

图2 | 集成稳定激光架构

a. 由硅氮化物（Si3N4）组件构建的集成窄线宽激光器通过探测集成在同一光子芯片上的4米线圈加载马赫-曾德干涉仪（MZI）进行稳定。大模式体积谐振腔作为低热折射噪声（TRN）参考腔。平衡检测两个输出产生高分辨率、非对称的误差信号，用于通过直接反馈激光频率进行激光锁定。MZI延迟线臂上的微加热器调节相位延迟（f），以优化误差信号斜率。显示了具有48 MHz自由光谱范围（FSR）的4米线圈谐振腔的传输光谱，为在宽调谐范围内锁定扩展腔可调激光器（ECTL）创建精细的波长网格。稳定化ECTL芯片具有直流偏置电流加上稳定化反馈信号的电输入，并输出三个光学信号：来自MZI的两个信号，通过平衡检测生成无调制的误差信号，以及稳定的激光输出。

b. 实验布局、设备设计和单体稳定ECTL芯片的照片，左上角为混合集成的反射型半导体光放大器（RSOA）。

c. 实验布局、设备设计和单体稳定布里渊激光器芯片的照片，泵浦激光通过光纤连接。

激光器使用窄线宽硅氮化物激光工具包（图2a中部）实现，并通过芯片上的线圈加载MZI进行稳定。基于硅氮化物激光器的设计，单体芯片与外部混合集成的反射半导体光放大器（RSOA）连接，用于ECTL，或者与光纤耦合的半导体激光泵浦连接，用于SBS激光器。两种芯片设计都在输出端生成光学PDH误差信号，并连接到外部的平衡差分光电探测器（图2a右侧），信号经过外部锁定电子学处理。半导体增益、激光器和光电二极管可以通过混合或芯片间异质集成，利用成熟的翻转芯片粘接、点胶和微转移打印（MTP）技术轻松集成。

线圈加载的MZI由一个米尺度的线圈谐振腔组成，其大的模式体积减少了热折射噪声（TRN）底噪声，并缩小了ILW，而长的路径长度则产生了紧密间隔的自由光谱范围（FSR），使得激光器能够在宽调谐范围内精确锁定在细频率网格上。延迟线波导的相位是热光可调的，以最大化误差信号的斜率。通过光纤耦合探测器平衡检测线圈加载的MZI，能够产生高分辨率的Fano共振误差信号（由谐振腔与MZI路径差的干涉产生），从而实现无调制稳定化，并通过直接的频率反馈对激光器进行锁定。

单体稳定化ECTL

通过这种架构，我们集成了两种不同的稳定激光设计。第一个芯片是一个自隔离的广泛可调扩展腔可调激光器（ECTL），它与一个4米的线圈加载马赫-曾德干涉仪（MZI）单体集成，采用80 nm厚的硅氮化物CMOS工艺（参见单体硅氮化物光子电路制造方法）。ECTL采用双Vernier式腔内环形谐振腔，并结合热调谐相位控制和可调Sagnac环形镜。腔内的环形谐振腔在1550 nm处具有1.65百万的加载Q因子，增加了有效腔长和光子寿命，从而降低了基本线宽，并提供了超过-30 dB的自隔离，相对于商用III-V DFB激光器，能够实现激光器和稳定电路的集成而无需光学隔离器。环形谐振腔的热光调谐实现了近60 nm范围的广泛调谐（图3a），

图3 | 稳定激光频率噪声测量

a. 稳定化ECTL和SBS激光器通过测量各自芯片上4米线圈加载MZI的光学输出，并使用平衡光电探测器（BPD）进行庞-德里弗-霍尔（PDH）锁定。SBS激光输出（S1）通过光谱分析仪（OSA）测量，显示了29 dB的侧模抑制比（SMSR），这是由于使用芯片上的可调滤波器环抑制了残余泵浦功率。ECTL输出通过OSA进行测量，测量不同环加热电流下的近60 nm调谐范围。激光的频率噪声（FN）使用两种独立技术进行表征：高频噪声使用1.026 MHz非平衡光纤MZI作为光学频率判别器（OFD）进行测量，低频噪声测量至1 Hz，使用与稳定参考激光器（SRL）锁定的光学频率梳进行外差拍频信号测量。

b. 自由运行和稳定激光的频率噪声（FN），显示稳定化ECTL在1540 nm时的基本线宽（FLW）为5.15 Hz，积分线宽（ILW）为299.0 Hz，稳定化SBS激光器的FLW为3.99 Hz，ILW为74.2 Hz。它们在100 Hz频率偏移附近都显示了约6个数量级的频率噪声抑制，并在1 – 100 kHz频率偏移范围内接近4米线圈谐振腔的热折射噪声（TRN）底噪声。

c. 自由运行（ECTL：蓝色，SBS：绿色）和稳定激光（ECTL：橙色，SBS：红色）的艾伦偏差（ADEV），显示出每个激光器约24 dB的分数频率稳定性减少，并且稳定化ECTL和稳定化SBS分别在0.08毫秒和5.12毫秒时达到了最小值6.5×10^-13和2.8×10^-13。

d. 稳定激光器的基本和积分线宽的总结，测量结果覆盖其调谐范围。

并且我们测得了最高达到65 dB的侧模抑制比（SMSR）。该ECTL激光器的激光阈值为70 mA，在220 mA的RSOA电流下提供1 mW的光纤耦合输出功率，测量波长为1540 nm。更多细节请参见补充信息第3节。集成的可调MZI在ECTL输出端选择性地将部分激光输出路由到线圈加载的MZI稳定化电路。然后，芯片与边缘耦合的反射半导体光放大器（RSOA）、光纤耦合的差分光电探测器、以及非集成的电子电流驱动器和PDH伺服控制器（Vescent D2-125）进行混合封装。稳定化ECTL实验布局、混合集成的RSOA、外部光电探测器和外部PDH稳定电子学、电路设计和已制造芯片的照片如图2b所示，从左到右依次展示。

单体稳定化SBS

第二个芯片是一个窄线宽刺激布里渊散射（SBS）激光器，它与一个4米的线圈加载MZI单体集成，采用相同的80 nm厚的平面硅氮化物CMOS工艺制造。SBS激光器具有独特的基本线宽收窄特性，利用光子-声子相互作用，并能够产生具有子赫兹级基本线宽的受激辐射，并且在高频偏移处具有低频噪声。该设计通过将布里渊散射的非互易性与集成的可调一阶斯托克斯（S1）加/减环形滤波器相结合，提供了25 dB的自隔离，消除了使用光纤环形器提取输出斯托克斯信号的需求。SBS谐振腔在1550 nm处具有加载的16.2百万Q和固有的39.0百万Q，线宽为12 MHz，对应的波导传播损失为0.8 dB/m。SBS激光器由一个外部腔二极管激光器（ECDL）光泵浦，光泵浦与SBS共振进行频率锁定。激光的阈值为6 mW，激光输出功率为9 mW，泵浦功率为25 mW。SBS输出通过光谱分析仪（OSA）进行测量，如图3a所示。芯片上的滤波器环形通过热光调谐对齐到S1谐波，并且由于残留的泵浦功率，实现了29 dB的侧模抑制（SMSR）。更多细节请参见补充信息第2节。集成的80/20渐逝分波器将激光输出的20%选择性地路由到线圈加载的MZI稳定化电路。泵浦激光器、差分光电探测器和稳定化激光输出都通过光纤连接，且使用非集成的电子电流驱动器和PDH伺服控制器来控制泵浦激光器并执行激光锁定。稳定化SBS激光器实验布局、设备设计和已制造芯片的照片如图2c所示，从左到右依次展示。

频率噪声和无调制激光稳定化

测量频率噪声（FN）的实验设置如图3a所示。我们通过使用自延迟同调配置的光学频率判别器（OFD）和用于外差拍频检测的稳定参考激光器（SRL），表征稳定激光器的频率噪声、线宽和艾伦偏差（ADEV）。在不需要隔离或调制的情况下，线圈加载MZI的两个输出通过平衡探测生成PDH锁定误差信号，反馈至激光器以稳定激光频率。4米的线圈谐振腔具有28百万的加载Q和48 MHz的自由光谱范围（FSR），作为低噪声频率判别器，我们测得了在操作波长范围内误差信号斜率为0.14至0.53 MHz/V（参见补充信息第4节）。当锁定时，激光器继承了各自4米线圈加载MZI频率判别器的频率噪声特性，对于PDH锁定带宽内的偏移频率。这里使用的两种频率噪声测量技术在方法和参考文献中有详细描述。SBS激光器稳定化采用泵浦激光功率调制进行快速频率调制，并通过芯片上的微加热器进行慢频率调制反馈，锁定环带宽为0.8 MHz。ECTL激光器稳定化则反馈至RSOA电流进行高速频率调制，锁定环带宽为0.1 MHz。更多PDH锁定电子学的细节请参见方法部分。稳定化ECTL和SBS激光器的频率噪声谱如图3b所示。自由运行（蓝色）和腔体稳定化的ECTL（橙色），以及自由运行（绿色）和腔体稳定化的SBS（红色）分别显示出约6个数量级的频率噪声减少，在100 Hz频率偏移附近，并在1至500 kHz的偏移范围内接近4米线圈谐振腔的热折射噪声（TRN）极限，然后由于伺服波动在0.1和0.8 MHz时上升，分别对应PDH锁定带宽。SBS的基本线宽（FLW）测量为3.99 Hz（绿色阴影区域），比自由运行时减少了>20倍。ECTL的FLW在1515至1570 nm的波长范围内为1.65至10.48 Hz。我们测得稳定化SBS的1/π积分线宽（ILW）为74.2 Hz，稳定化ECTL的ILW为299.0 Hz，如蓝色阴影区域所示，减少了>3倍。我们还测得稳定化ECTL在调谐范围的三个点的ILW为299至505 Hz，测量波长为1540至1570 nm。4米线圈参考腔的48 MHz FSR使得在ECTL 60 nm调谐范围内的任何点都能够轻松锁定。稳定化ECTL和稳定化SBS激光器的ADEV和漂移如图3c所示，测量到1 Hz，ADEV提高了约24 dB。稳定化ECTL的ADEV为6.5×10^-13，在0.08 ms时具有225 kHz/s的漂移，稳定化SBS的ADEV为2.8×10^-13，在5.12 ms时具有5 kHz/s的漂移。稳定化激光器的基本和积分线宽的总结如图3d所示。

讨论

这项工作首次展示了一个参考腔PDH稳定激光器，其中激光器、参考腔和稳定光子学都单体集成在同一个光子芯片上，展示了用芯片级集成光子学取代桌面稳定激光器的能力。在200 mm CMOS平台上，采用自隔离激光器和无调制光学稳定化电路的共同集成，实现了完全集成精密激光系统的高性能和稳健方法。此外，我们通过展示稳定化ECTL和稳定化布里渊激光器设计，展示了设计的模块化和多样性，突出了每种激光器的独特特性，即广泛的调谐性和非线性噪声抑制。我们利用相同的无调制4米线圈加载MZI锁定方案，分别应用于这两种本质上不同的集成激光类型，达到了赫兹级的基本线宽和亚千赫的积分线宽。两种激光类型都可以使用相同的芯片上的参考腔进行稳定化，突显了这一技术的通用性，并表明一个共同的稳定化架构可以支持广泛的集成激光设计，而不是针对单一的增益或反馈机制进行定制。

图4 | ECTL泵浦的稳定化SBS激光器

未来的设计可以将ECTL作为集成泵浦激光器，SBS激光器作为第二阶段噪声过滤器以减少高频噪声，然后使用相同的无调制线圈加载MZI锁定来降低低频噪声。光电探测器、CMOS电子学和增益介质都可以与低损耗硅氮化物平台集成。

除了线宽和稳定性外，这种架构与部署系统所需的额外功能兼容。激光器和集成参考腔可以轻松与压电或电光驱动器结合，实现快速和宽范围的腔体调谐，低串扰，从而实现灵活的频率控制和环境漂移补偿。还可以集成更多芯片上或混合集成的增益级，以增加输出功率，同时保持稳定的光谱特性。光电二极管也可以集成到芯片上，用于PDH锁定的平衡检测，以及CMOS电子学用于锁定伺服控制，从而实现完全的异质集成和CMOS兼容解决方案。

更广泛地说，单个光子芯片上的低噪声激光器和参考腔为芯片级精密激光器开辟了道路，适用于现场可部署的应用。通过消除大规模腔体、自由空间光学和外部调制硬件，这项工作填补了实验室级超稳定激光器与集成光子源之间的空白。这些系统有望影响精密传感、相干通信、光纤传感和量子技术，其中紧凑性、稳健性和可扩展性至关重要。

硅氮化物平台的低传播损耗（在1550 nm处测量为< 1 dB/m）使得高Q谐振腔能够实现长光子寿命、高效的非线性散射、锐利的频率判别、高光功率处理、降低TRN噪声底和无隔离器操作。结果是一个单体稳定激光芯片，在稳定化SBS和稳定化ECTL芯片上分别提供74 Hz和299 Hz的积分线宽，并且稳定性分别为2.8×10^-13（5.12 ms）和6.5×10^-13（0.08 ms）。在此实例中，稳定化SBS设备的性能更好，可能是由于所使用的封装提供了比稳定化ECTL更好的振动和声学隔离，而稳定化ECTL的性能会随着边缘耦合的RSOA封装（如光子线连接）而改善。

尽管这些芯片设计工作在短波红外（SWIR）范围内，硅氮化物平台已被证明具有低损耗，并且能够在可见光到SWIR（410 nm – 2350 nm）范围内实现这些元件，因此这项工作很容易扩展到可见光和近红外（NIR）谱段，配合适当的半导体增益介质和光电探测器。

此外，鉴于该平台和架构的灵活性，还可以实现其他配置，这是未来工作的重点。例如，ECTL可以作为SBS激光器的泵浦，通过布里渊过程强烈抑制高频噪声，而芯片上的线圈谐振腔则通过参考腔锁定降低低频噪声。这种分层噪声抑制——将非线性线宽收窄与腔体稳定化结合——展示了集成光子学如何使得复合、相位稳定的激光架构成为可能，这在大规模或光纤平台中是难以实现的。稳定化激光器的性能与集成参考腔的特性密切相关。采用超低损耗Si3N4制造的线圈谐振腔提供了大的光学模式体积， correspondingly低的TRN底噪声，具有高达17米的芯片上腔长，250百万Q的性能已被展示。将当前方法扩展到更长的线圈提供了一条直接途径，进一步减少低频噪声和积分线宽，并提高稳定性，而无需更改激光器或稳定电路。

除了线宽和稳定性，架构与部署系统所需的额外功能兼容。激光器和集成参考腔可以与压电或电光驱动器结合，实现快速和宽范围的腔体调谐，低串扰，从而实现灵活的频率控制和环境漂移补偿。还可以集成更多芯片上或混合集成的增益级，增加输出功率，同时保持稳定的光谱特性。光电二极管还可以集成到芯片上，用于PDH锁定平衡检测，以及CMOS电子学用于锁定伺服控制，提供完整的异质集成和CMOS兼容解决方案。更广泛地说，单个光子芯片上的低噪声激光器和参考腔为芯片级精密激光器铺平了道路，适用于现场可部署的应用。通过消除大规模腔体、自由空间光学和外部调制硬件，这项工作填补了实验室级超稳定激光器与集成光子源之间的空白。这些系统有望影响精密传感、相干通信、光纤传感和量子技术，其中紧凑性、稳健性和可扩展性至关重要。

方法

单体硅氮化物光子电路制造： 硅氮化物（Si3N4）光子芯片在CMOS铸造厂中制造。首先，在200毫米直径的硅基片上生长15微米厚的热氧化物下包层层。接着，使用低压化学气相沉积（LPCVD）方法在热氧化物上沉积75纳米厚的Si3N4薄膜，然后进行标准的深紫外（DUV）光刻、DUV步进光刻图案化和在电感耦合等离子体刻蚀机中使用CHF3/CF4/O2化学反应进行干法刻蚀。刻蚀后，使用标准的（RCA）清洗工艺进行清洗。然后再沉积一层额外的Si3N4薄层，并在氧气气氛中进行30分钟、1100°C的退火处理。最后，使用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积6微米厚的硅二氧化物上包层层，前驱体为四乙氧基硅烷（TEOS），并进行两步退火，分别在1050°C下退火7小时，在1150°C下退火2小时。

无环形器和隔离器的稳定SBS激光器： 6微米宽和80纳米厚的硅氮化物波导设计，在传播损耗和波导束缚之间取得了良好的平衡，使得弯曲半径小于1毫米，并使得大模式体积的4米线圈谐振腔、SBS谐振腔、加/减滤波器谐振腔和80/20分波器能够放置在同一芯片上，芯片的占地面积为21毫米×26毫米。下包层热氧化物厚度为15微米，上包层氧化物厚度为6微米。

为了去除需要光纤环形器从反射端口提取SBS激光输出的需求，使用与SBS谐振腔相同总线波导的加/减滤波器谐振腔，能够选择性地将S1信号导入到掉落端口波导，并过滤掉任何反射的泵浦光（参见补充信息第2节）。SBS环形谐振腔的半径为2.770毫米，总线与环形的耦合间隙为2.0微米，使其在1550纳米时稍微过耦合，以提高泵浦到斯托克斯转换效率；而滤波器环谐振腔的半径为2.0毫米，总线与环形的耦合间隙为0.5微米，使得加/减滤波器谐振腔过度耦合，具有非常小的加/减插入损耗。滤波器和SBS环谐振腔上方均有微加热器，用于热调谐光学共振。

为了使SBS激光器通过芯片上的加/减滤波器工作，首先将滤波器环谐振腔热调谐至与SBS共振对齐，在此S1发射位置。然后，SBS激光器通过外部腔二极管激光器光泵浦，该光泵浦与SBS共振频率锁定。测量SBS阈值为6 mW，SBS激光器在泵浦功率为25 mW时输出9 mW，位于S1钳制点。我们将芯片上的加/减滤波器与光纤环形器进行性能比较，并直接测量SBS激光器对光学反馈的抗干扰性，结果请参见补充信息第2节。

稳定化ECTL激光器： ECTL激光器设计也在80纳米厚的硅氮化物中，腔内环的半径分别为1998.36微米和2002.58微米，波导宽度为2.8微米，总线与环形的耦合间隙为2.75微米。波导在光纤端面处逐渐扩展至18微米宽，用于与RSOA（Thorlabs SAF 1128C）进行边缘耦合，并利用基础的TE模式。调节腔内环上的微加热器调谐激光输出，测得平均调谐效率为65 nm/W（参见补充信息第3节）。ECTL之后，波导宽度增加到6微米，使得可调MZI和4米线圈加载的MZI具有与稳定化SBS芯片相同的波导尺寸，所有组件都适配在同一21×26毫米的占地面积内。

频率噪声测量： 我们使用两种独立方法测量自由运行和稳定化激光输出。200米延迟线光纤MZI，具有1.03 MHz的自由光谱范围（FSR），作为光学频率判别器（OFD），并且我们测量了高速度平衡光电探测器上的自延迟同调频率噪声（FN）信号。MZI OFD中的光纤噪声，特别是在1 kHz频率偏移以下，需要引入第二种频率噪声测量方法。对于低偏移频率噪声，激光输出与稳定参考激光器（SRL）混合并测量，SRL被锁定在超低膨胀和高精度法布里-佩罗腔中，具有1赫兹级的积分线宽和约0.1 Hz/s的频率漂移（参考文献52）。外差拍频信号通过高精度频率计进行测量。为了测量广泛可调的ECTL，我们将Vescent自参考光纤频率梳（frep为100 MHz）锁定到SRL，以将SRL系统的稳定性扩展到多个波长，并使ECTL光谱上的频率噪声测量更加准确。

锁定电子学： 激光稳定化通过Thorlabs固定增益平衡光电探测器（BPD）实现，其射频输出直接连接到Vescent D2-125激光伺服控制器。误差信号来自线圈加载MZI的Fano共振，使得实现无调制锁定，无需摆动或解调。D2-125伺服控制器输出驱动Vescent D2-105电流源进行频率激励。在任何锁定环路中都没有使用额外的射频调节元件。对于SBS激光器，快速频率反馈通过泵浦功率调制提供，泵浦功率调节SBS激光器的光频率。SBS环谐振腔上的热光微加热器用作缓慢且辅助的反馈机制，使得泵浦功率保持在其工作点附近，并减少SBS激光器的强度波动。稳定带宽的上限由泵浦调制SBS频率响应的180°相位滞后频率设置，测量为0.8 MHz。我们使用光纤OFD和矢量网络分析仪（VNA）直接测量SBS激光器的频率响应；该表征的详细信息请参见补充信息第6节。对于ECTL，频率反馈直接应用于RSOA注入电流，实现了0.1 MHz的环路带宽。

补充信息

1. 引言

2. 本补充信息提供了有关稳定化刺激布里渊散射（SBS）激光器和稳定化外腔可调激光器（ECTL）设备的设计、性能和操作的附加细节。无环形器和隔离器的SBS激光器的演示在补充图2、3和4中进行了表征，ECTL的宽调谐范围，同时保持窄线宽，则显示在补充图5和6中。有关激光器无调制稳定化到4米线圈加载马赫-曾德干涉仪（MZI）电路的附加信息，请参见补充信息第4、5和6节。

补充图1. 设备图像

稳定化外腔可调激光器（ECTL，左）和稳定化刺激布里渊散射激光器（SBS，右）均在80纳米厚的硅氮化物（Si3N4）CMOS兼容平台上制造。该平台使得低损耗波导、高品质因子（Q）谐振腔、大模式体积参考腔和窄线宽混合集成激光器的设计成为可能。

1. 无环形器和隔离器的SBS激光器设计

2. SBS谐振腔的质量因子（Q）是一个关键参数，它与模式体积共同决定了设备的激光阈值。补充图2a中绘制了SBS谐振腔，加载Q为1620万，固有Q为3900万，在1550 nm处的总线宽为12.0 MHz，对应的波导传播损失为0.8 dB/m。这使得激光阈值为6 mW，并且在泵浦功率为25 mW时，SBS激光器在第一阶斯托克斯（S1）钳制点输出9 mW，结果显示在补充图2b中。与此同时，加/减滤波器环谐振腔的总线宽为0.7 GHz，如图3a所示。滤波器和SBS环谐振腔上方都有微加热器，用于热光调谐光学共振。为了使激光器工作，滤波器环被调谐至与SBS共振对齐，此时S1发射位置。补充图3b比较了通过芯片上的滤波器提取的SBS激光输出与通过光纤环形器提取的输出，展示了23 dB的抑制效果，去除了不必要的回反泵浦光。

补充图2. 无环形器SBS激光器

a. 在滤波器谐振腔调谐时，对SBS谐振腔和加透滤波器谐振腔进行光谱扫描。

补充图3. 无环形器SBS激光器

a. 在滤波器谐振腔进行热调谐时，对SBS谐振腔和加透滤波器谐振腔进行光谱扫描。

b. 比较了通过芯片上的滤波器提取的SBS激光输出与未使用芯片滤波器、通过光纤环形器提取的输出，显示出对回反泵浦功率的23 dB抑制。

补充图4. SBS激光器对外部反馈的抗干扰性

a. 在不同光学反馈条件下，SBS激光器的频率噪声，显示出反馈对激光器的基本线宽几乎没有影响。

b. 光学反馈实验，其中90%的SBS激光输出通过光纤环形器（CIR）和可调光学衰减器（VOA）以及偏振控制（PC）返回到SBS激光器，用于调整反馈功率水平。剩余的10%光功率用于监测频率噪声，通过光学频率判别器（OFD）进行测量。

为了测试SBS激光器对外部反馈的抗干扰性，我们实验性地将激光光束反馈回激光器的输出端口，并在不同光学反馈强度下测量频率噪声。在补充图4中所描述的实验中，SBS激光器的90%输出被提取并通过光纤环形器送回SBS激光器，使用可变光学衰减器（VOA）调节反馈强度，反馈强度定义为反馈功率与SBS输出功率的比值。SBS激光器输出的剩余10%用于监测激光频率噪声（FN），该频率噪声通过光学频率判别器（OFD）测量，OFD是一个自由光谱范围（FSR）为1.027 MHz的光纤MZI。随着反馈强度从-43 dB增加到-7 dB，1 MHz以上的频率噪声几乎不受影响，基本线宽保持为4.0 Hz，但1 MHz以下的频率噪声稍有增加。最大反馈强度为-7 dB，取决于实验设置中的插入损耗。这种对光学反馈的抗干扰性使得激光器能够实现无隔离器操作，并与附加的下游集成组件如线圈加载MZI参考腔结合使用。

1. ECTL操作和频率噪声

2. ECTL由一个InP反射型半导体光放大器（RSOA）与硅氮化物扩展腔光子集成电路（PIC）边缘耦合而成。增益芯片的另一侧涂有90%的反射材料，而靠近PIC的一侧涂有反射率为0.005%的抗反射材料。然后将增益芯片安装在一个温控的铜块上进行散热。增益芯片通过线焊接与PCB连接，PCB固定在铜块上，以便对增益芯片进行外部电气控制。RSOA的侧面具有5.6°的角度，这要求Si3N4波导必须倾斜13.1°以最好地匹配光束传播方向。Si3N4 PIC放置在其自己的温控支架上，RSOA与ECTL输入波导边缘耦合，输入波导在端面宽18微米，随后逐渐缩小至2.8微米，进入外部腔电路。热光金属加热器被沉积在两个腔内Vernier环上，用于粗调激光器调谐，在Sagnac环形镜MZI上用于调整背面镜的反射率，并在相位部分进行精细激光调谐。ECTL的操作波长与施加在Vernier环上的电流之间的关系绘制在补充图5a中。Vernier调谐的平均调谐效率为65 nm/W。我们测得的侧模抑制比（SMSR）高达65 dB（补充图5b），光纤耦合的芯片外输出功率为1 mW，测量波长为1540 nm。

补充图5. ECTL单模操作与调谐

a. ECTL的操作波长与施加在两个腔内Vernier环之一上的微加热器电流之间的关系。激光器在约60 nm的范围内调谐，平均调谐效率为65 nm/W。

b. 近1540 nm处操作的ECTL光谱，通过光学谱分析仪（OSA）测量，显示出OSA噪声底限的侧模抑制比（SMSR）约为65 dB。

补充图6. 自由运行ECTL的频率噪声

a. 使用1.027 MHz非平衡光纤MZI作为光学频率判别器测量的自由运行ECTL的频率噪声。虚线黑色曲线是对腔内环的热折射噪声（TRN）底噪声的计算估算。

b. 在调谐范围内测量的自由运行ECTL的基本线宽和1/π积分线宽。

我们使用1.027 MHz的非平衡光纤MZI作为OFD，测量自由运行ECTL的频率噪声。补充图6a中绘制了频率噪声谱，测得的基本线宽在1515至1570 nm的波长范围内为1.65至10.48 Hz，而自由运行的1/π积分线宽在935至2540 Hz之间。腔内环的较弱环总线耦合可能导致更长的有效腔长，从而在较短的波长下减少基本线宽。

4. 无调制激光稳定化

我们采用了一种基于谐振腔加载马赫-曾德干涉仪（MZI）的无调制激光稳定化技术，其中一个4米的线圈谐振腔耦合到MZI的一个臂上，如补充图7a所示。谐振腔加载的MZI可以通过以下矩阵形式进行建模【3】。

4. 无调制激光稳定化

补充图7. 无调制最后稳定化电路

a. 4米线圈加载马赫-曾德干涉仪（MZI）的示意图，具有可调相位部分，通过平衡检测两个输出生成庞-德里弗-霍尔（PDH）锁定误差信号。

b. 不同相位值（∆��）下的仿真结果。

c. 通过外腔可调激光器（ECTL）在1540 nm附近探测的4米线圈加载MZI的两个输出（PD1和PD2）及相应的平衡光电探测器（BPD）信号的测量数据，展示了0.45 MHz/V的频率判别和零直流四分量点。

我们采用了一种基于谐振腔加载马赫-曾德干涉仪（MZI）的无调制激光稳定化技术，其中一个4米的线圈谐振腔耦合到MZI的一个臂上，如补充图7a所示。谐振腔加载的MZI可以通过以下矩阵形式进行建模【3】：

T(Aw) 是加透总线耦合波导谐振腔的传输函数，Yex 是耦合损耗率，Yin 是固有损耗率，eiao 表示不平衡MZI的相位延迟。该公式假设MZI中的两个方向耦合器每个都有两个输入和两个输出，并且具有相同的耦合系数 K2。对两个输出进行平衡检测可以表示为 Ay = |b21|^2 - |b11|^2，其中相位延迟 Ap = T/2 时，输出 Ay 产生类似于PDH误差信号的非对称曲线，具有零直流四分量点和最大频率判别斜率（补充图7b）。我们测得在1540 nm处通过ECTL测得的误差信号斜率为 0.45 MHz/V（补充图7c），并在1520 – 1570 nm波长范围内测得斜率为 0.13 – 0.5 MHz/V。

5. ECTL激光器稳定化

ECTL利用RSOA的电流调制作为高速频率调谐机制来校正激光频率，并且我们实现了0.1 – 0.3 MHz的调制带宽。我们在接近60 nm的调谐范围内的三个点上测量了稳定激光，并使用两种独立方法测量了频率噪声。锁定激光的频率噪声和相应的艾伦偏差（ADEV）显示在补充图8a、b中。

补充图8. 稳定化ECTL的频率噪声

a. 在调谐范围内三个点测量的稳定化ECTL的频率噪声。结果显示，使用逆积分方法计算的1/π积分线宽（ILW）分别为299 Hz、388 Hz和505 Hz，测量波长分别为1540 nm、1555 nm和1570 nm。

b. 在调谐范围内三个点测量的稳定化ECTL的艾伦偏差（ADEV）。

6. SBS激光器稳定化

补充图9. SBS激光器泵浦功率频率调制

泵浦激光的强度调制作为一种快速反馈机制，用于调节SBS激光器的光频率。

a. 为了测试泵浦调制SBS激光频率响应的速度，矢量网络分析仪（VNA）向SBS泵浦功率上的强度调制器输出调制信号，然后将SBS输出（S1）输入到一个1.03 MHz FSR的光纤MZI中，用作光学频率判别器（OFD），以测量SBS激光频率调制响应。

b. 对SBS泵浦强度调制的频率调制响应。

c. 泵浦强度调制SBS的相位滞后，表现出约0.8 MHz时的180°相位滞后。

为了演示SBS激光器对无调制4米线圈谐振腔的激光稳定化，我们使用SBS激光泵浦功率调制作为快速反馈机制来调节SBS激光器的光频率，并在SBS环谐振腔上方使用芯片上的微加热器作为慢速和辅助反馈机制，以便泵浦功率保持相对稳定并减少SBS激光强度波动。为了测试泵浦调制SBS激光频率响应的速度，我们使用光学频率判别器（OFD），这是一个200米延迟线光纤MZI，具有1.03 MHz的自由光谱范围（FSR），来测量SBS激光的频率调制响应，并且通过矢量网络分析仪（VNA）输出调制信号到泵浦功率上的强度调制器，并输入来自SBS激光频率调制的OFD信号（补充图9）。通过VNA测得的SBS激光频率调制响应显示出约0.8 MHz的180°相位滞后频率，这设置了激光稳定化带宽的上限。

文章名：Versatile CMOS modulation-free self-isolating stabilized precision lasers on a chip作者：David A. S. Heim1 , Kaikai Liu1 , Rahul Chawlani1 , Karl. D. Nelson2 , Daniel J. Blumenthal1,单位：UCSB