隨著精密計量、量子計算、通信以及先進傳感等領域技術的發(fā)展，對光子系統(tǒng)的要求也越來越高：系統(tǒng)不僅要實現微型化集成，還需要具備優(yōu)異的頻率定性和抗干擾能力。

然而，當前主流的片上集成激光器普遍存在噪聲過高的問題，這主要源于傳統(tǒng)介質諧振器的固有局限。與具有顯著優(yōu)勢的法布里-珀羅（FP，Fabry - Perot）腔相比，這些介質諧振器在頻率穩(wěn)定性方面存在數量級差距——FP 腔的電磁模式幾乎完全約束在真空環(huán)境中，這一獨特結構使其具有本質性的低噪聲特性。

針對這一技術瓶頸，美國耶魯大學與加州大學圣芭芭拉分校聯合團隊創(chuàng)新性地提出了 FP 微腔與光子集成電路的集成方案，成功研制出兼具緊湊尺寸與卓越性能的集成系統(tǒng)。

該設計的核心優(yōu)勢在于：FP 腔的真空環(huán)境使其理論噪聲下限顯著低于氮化硅等介質材料的物理極限，從而突破了傳統(tǒng)集成光學器件的材料制約，實現了超低噪聲光學參考腔的片上集成。

圖丨激光自注入鎖定至 FP 微腔實驗照片（來源：程浩天）

基于這一突破性架構，研究團隊開發(fā)了兩種互為補充的技術方案。第一種方案采用“自注入鎖定”技術路線，通過精確調控 FP 腔的光學反射實現激光頻率鎖定。該方案的創(chuàng)新性在于，通過特制接口光路將腔體反射信號中鏡面反射干涉相消，保留諧振反射光。激光器的非線性特征與諧振反射光尖銳的相位突變使得激光器與真空隙 FP 微腔鎖定，獲得其優(yōu)異噪聲特性。

實驗數據顯示，該系統(tǒng)的各項指標均顯著超越傳統(tǒng)集成方案：相位噪聲在 10kHz 偏移頻率下達到-97dBc/Hz，10ms 積分時間的分數頻率穩(wěn)定性優(yōu)于 5×10-13，同時實現了 150Hz 的 1/π 積分線寬和 35mHz 的基本線寬。

第二種方案作為系統(tǒng)功能的拓展，通過微腔封裝技術和光學路徑重設計，將反射信號定向傳輸至專用探測端口，并抑制背反射信號。其實現了首個完全共集成模塊，該模塊有效地重新定向反射信號，并以 10dB 的抑制比隔離背反射，為芯片上 PDH（Pound-Drever-Hall）鎖定提供了關鍵硬件基礎。

兩種方案的技術互補性不僅完善了集成光學系統(tǒng)的功能矩陣，更為不同應用場景提供了靈活的技術選擇。

從應用前景來看，該技術最直接的價值在于為光纖傳感和量子光學光源等領域提供了穩(wěn)定的片上激光解決方案。更具吸引力的是，通過將兩套這樣的系統(tǒng)進行組合配置，可以進一步實現低噪聲微波信號生成，這將顯著提升通信系統(tǒng)、毫米波雷達以及精密探測設備的性能指標。

圖丨 FP 微腔與光子集成電路的集成（來源：Nature Photonics）

在設計這些方案時，研究人員充分借鑒了物理現象和已有技術基礎，并針對集成光學系統(tǒng)的特殊需求進行了創(chuàng)新性改造。在自激鎖定方案中，他們發(fā)現 FP 腔的反射信號具有類似鏡面反射的特性，直接用于激光鎖定會引入不穩(wěn)定因素。

為此，他們創(chuàng)造性地引入額外的片上反射鏡結構，通過精確調控光場分布，有效抵消了強反射信號的干擾，同時保留了關鍵的諧振反饋光成分，從而成功實現了穩(wěn)定的自激鎖定機制。

而在解決反射隔絕和信號引導這一關鍵問題時，研究團隊巧妙移植了自由空間光學實驗平臺的成熟方案：利用圓偏振光在反射后旋向反轉的特性，將傳統(tǒng)自由空間光學隔離器的工作原理轉化為片上集成形式，實現了對反射信號的高效控制。

這項研究最具突破性之處在于，利用真空 FP 微腔實現了超低相位噪聲性能，為集成光學領域提供了一種革命性的片上參考腔解決方案。

該論文第一作者兼共同通訊作者、耶魯大學程浩天博士（現蘋果公司硅光工程師）向 DeepTech 解釋說道：“這種基于真空 FP 微腔的系統(tǒng)在相位噪聲性能上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)氮化硅微環(huán)諧振器，能夠為低噪聲微波生成、量子計算和量子通信等前沿領域提供前所未有的穩(wěn)定片上光源?！?/p>

圖丨程浩天（來源：程浩天）

此外，研究中提出的互補集成策略，包括自激鎖定和 PDH 鎖定方法，也具有重要意義。自注入鎖定方法利用 FP 腔的反射信號實現激光鎖定，實現了高效的激光噪聲抑制；而 PDH 鎖定方法則通過抑制反射信號，并將反射信號引導至另一端口用于探測和電反饋，提供了更為穩(wěn)定的電反饋鎖定方案，尤其在外界環(huán)境變化時表現出色。

日前，相關論文以《在光子集成電路中利用微型法布里-珀羅參考諧振腔》（Harnessing micro-Fabry–Pérot reference cavities in photonic integrated circuits）為題發(fā)表在Nature Photonics[1]。耶魯大學程浩天博士是第一作者兼共同通訊作者，彼得·T·拉基奇（Peter T. Rakich）教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Photonics）

面向未來，研究團隊規(guī)劃了兩個重點發(fā)展方向：一方面繼續(xù)深化基礎研究，重點探索基于 FP 微腔的激光穩(wěn)頻技術及多激光器微波生成系統(tǒng)；另一方面，由拉基奇教授聯合創(chuàng)立的衍生企業(yè) Resonance Micro Technologies 正致力于推動這項技術在激光穩(wěn)頻和通信傳感等領域的產業(yè)化應用。

圖丨集成式微流控平臺實現電氣控制（來源：Nature Photonics）

近期，該團隊還在另一項研究中開發(fā)了 CMOS 兼容的非磁光隔離器 [2]，解決了光子集成中的反射干擾問題。

這種創(chuàng)新設計特別適用于多波長光源系統(tǒng)（如光頻梳），其核心優(yōu)勢體現在：傳統(tǒng)窄帶隔離器在激光頻率因溫度等因素發(fā)生漂移時需要復雜的反饋鎖定機制，而該寬帶隔離器憑借其超寬工作帶寬可從根本上避免這一技術難題。

尤為突出的是，該隔離器實現了太赫茲量級的超寬光學帶寬。程浩天解釋道：“傳統(tǒng)最優(yōu)非磁光隔離器的帶寬通常局限在幾十吉赫茲（對應亞納米量級），而他們的設計實現了 16 納米的帶寬覆蓋，幾乎橫跨整個光通信 C 波段?！?/p>

更值得關注的是，研究團隊還提出了進一步拓展帶寬的理論方案，通過優(yōu)化設計有望將工作帶寬提升至百納米量級，這將大幅擴展其應用范圍。

（來源：程浩天）

這項研究不僅在理論設計上取得突破，更通過系統(tǒng)的實驗驗證確立了技術可行性。研究人員首先構建了完整的理論模型，隨后通過精密實驗證實了該方案的實用價值。

這種新型隔離器的主要功能在于保護片上集成的激光器和放大器，與團隊其他研究工作形成技術互補——正如穩(wěn)定的激光器需要防護機制一樣，該隔離器通過抑制反射干擾來確保整個光芯片系統(tǒng)（特別是包含增益元件的激光器和放大器部分）的穩(wěn)定運行。這種協(xié)同設計理念使得光芯片系統(tǒng)在面對復雜反射環(huán)境時仍能保持優(yōu)異性能。

（來源：Nature Photonics）

展望未來，該光學隔離器的性能仍具有顯著的提升空間。當前設計中，基于干涉儀相消干涉原理實現的超高隔離度受到被動光器件串擾的限制，通過優(yōu)化波導設計和降低寄生耦合，理論上可將中心隔離度提升至 60dB 以上。

此外，研究團隊還提出了三個關鍵優(yōu)化方向：一是通過優(yōu)化聲學微腔設計來進一步提升工作帶寬；二是改進電驅動方案以降低功耗；三是完善系統(tǒng)架構設計以提高整體效率。這些改進措施將推動該技術向更廣泛的應用領域拓展，為下一代集成光子系統(tǒng)的開發(fā)奠定堅實基礎。

參考資料：

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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