斯坦福大学：高Q值外腔实现激光器光隔离及窄线宽

斯坦福大学Jelena Vuckovic在Nature Photonics上发表了基于单个高Q值氮化硅外腔同时实现隔离器+线宽压缩的成果，主要通过微腔非线性实现光隔离，自注入锁定实现窄线宽的原理，通过自反馈微环结构设计及微腔耦合系数的优化，解决了原来外腔无法兼顾窄线宽和抗反射的问题。

J. Vuckovic去年也发了一篇NP，当时是演示了一个基于氮化硅微腔非线性的片上隔离器，可以先回顾下原理。外腔集成隔离器的工作原理基于Kerr效应，即材料的折射率随光强度的变化而变化。在微环中，由于加工过程存在不可避免的背向散射（Q值越高越明显)，进入微腔的光会对顺时针模式的正向光产生自相位调制（SPM），对逆时针模式的背向散射光产生交叉相位调制（XPM），体现为谐振波长的红移。由于XPM效应的强度是SPM的两倍，所以微腔正反向两个模式的谐振波长发生了不同程度的频移。这种分裂就使得实现正向光导通，而反向光不满足谐振条件无法返回，从而实现非互易传输，抑制了反射实现隔离。以下图为例，激光器的波长和正向谐振的波长都对准在红色的线上，但反向谐振的波长飘到了蓝色去上，所以反向的光会被过滤掉。

由于Kerr非线性效应是跟光强相关的，所以输入功率越高，隔离度越高；微环内谐振的光越多，隔离度也越高，但就带来了插损代价（出来的光少了）。这个文章当时报道的结果，单环可以在1.8dB的插损下获得15dB隔离度@80mW，在5.5dB插损下获得＞20dB隔离度@80mW；双环的情况下，5dB的插损可以换来35dB的隔离度。

高Q值外腔的另外一个好处，就是可以利用相同来源的散射光，返回到激光器作为反馈，实现自注入锁定，大幅降低激光器的线宽。自注入锁定就需要微环工作在线性条件了，高功率非线性下背向散射的光就被自己给block掉了，无法形成反馈。因此就有了这个新工作。

在原来工作的基础上，他们进一步对结构做了改进，增加了一路反馈结构，将正向传输的光从输出的波导分一部分出来回到激光器，这一路光不走微环路径，所以可以全部回到激光器作为反馈光，通过调节相位实现自注入锁定压缩线宽；而隔离的原理就跟原来一样了。核心就是多了一路反馈光来锁定，且利用了非线性频移的效应，形成了一个类似于环形器的结构，最终获得了既隔离又自注入锁定。

这张图就讲了新结构跟原来结构的对比。原来的结构，反馈光的强度随着激光功率先上升后下降，高功率下反馈强度很弱，就没有压线宽的效果了；而新结构的反馈光则几乎是线性增长的，反馈光的强度比例基本不变，可以一直保持降临30dB的线宽压缩特性（NRF）。

实验上测得在33mW的时候，大概能够得到14dB的隔离度；自注入锁定以后，线宽也有了明显的压窄，从51kHz降低到89Hz。

补充材料里边，作者还展望了一下，假如能用上J Bowers最高的微环，匹配他们的结构设计，那么隔离度和线宽性能都可以做得更好。Q值提高50倍的情况下，预计20mW就可以有30dB的隔离度了，线宽还能有60dB的压缩。这篇新发的NP没有提供插损数据，但应该是比较大的，反馈光的比例就达到了3dB，微环的工作点也需要满足κ＝0.5γ，Drop端的插损也有1.5dB＋了，不知道这么算对不对，有兴趣的朋友可以自己再算一下。

总结：通过增加一路微环路径之外的光反馈，实现了自发光隔离和窄线宽的同步获得。对于通信领域其实参考价值不大，通信上暂时也不需要那么窄的线宽。非线性隔离器与输入功率相关的特性不是很友好，可以考虑跟大功率激光器能否怎么配合，比如波锁和光隔离度同步实现？另外假如不需要特别窄的线宽，是不是可以选择非线性更高的低损耗材料，热光拖尾大点就大点，反而能锁的区间还更宽点？