許多應用需要具有合適的可調諧連續波（CW）激光器的共振光學激發。通過以正確的波長光學泵浦微腔，甚至可以產(chan) 生微觀的相幹頻率梳和短的光脈衝(chong) ——這是一項非常有前景的應用，有望對光電子學產(chan) 生重大影響。

微腔

由於(yu) 環境的去相幹，在宏觀物體(ti) 中通常觀察不到量子特性，除非使用特定的樣品幾何形狀和冷卻。例如使用微腔，是在相對較大的微米級結構中觀察量子效應的一種可能性。圖 1展示了一種隔離的、直徑約 30μm的環形玻璃微腔，結合了宏觀機械振蕩器和環形高 Q 光學腔。光經由倏逝場耦合到空腔中，通過全內(nei) 反射從(cong) 環形壁反射，通過輻射壓力在結構上傳(chuan) 遞小的力。

通過這種方式，耦合的光可以影響結構的振動特性，反之亦然。該特性使得微腔成為(wei) 量子研究中激動人心的研究對象。例如，研究人員觀察到光和機械振蕩之間的參數耦合，並且還使用基於(yu) 光學機械耦合的傳(chuan) 感器，對這種微腔進行主動反饋冷卻。

由於(yu) 其小尺寸，微腔的自由光譜範圍相對較大，微小的尺寸偏差將導致腔諧振出現大的光譜偏移。因此，寬範圍的無跳模可調諧激光器是發現和研究微腔共振頻率，或掃描腔的一個(ge) 以上自由光譜範圍的重要工具。此外，激光器必須在功率和頻率上具有低噪聲，以避免有害的雜亂(luan) 無章的機械振蕩。

微腔諧振頻率對尺寸和其他環境參數的依賴性，有望開發用於(yu) 有前景的應用 ：溶液中單個(ge) 生物分子的無標記檢測。使用微型光學諧振器結合寬範圍的無跳模激光器（例如 Toptica公司的 DLC CTL），使得上述應用成為(wei) 可能。研究人員已經描述了這樣的激光器如何被頻率穩定到微型光學諧振器，並且觀察到由結合到諧振器的分子引起的光共振頻率如何移動。通過這種方式，檢測並區別出半徑在2~100nm 之間的粒子。

該結果進一步拓展到用於(yu) 非侵入性腫瘤活檢測定，以及為(wei) 溶液中的光學質譜儀(yi) 提供依據。對於(yu) 這種應用，不僅(jin) 需要寬範圍的無跳模調諧，而且能夠方便地將激光器穩定到微腔。例如，CTL 激光器具有內(nei) 置的全數字穩定電子器件，並且可選擇使用高帶寬模擬或快速數字鎖定電子器件。

基於(yu) 微諧振器的頻率梳

微諧振器也越來越多地被用於(yu) 產(chan) 生光學頻率梳。由於(yu) 導引光場的小模式體(ti) 積和高達 1010 的高 Q 因子，這些諧振器的強度變得非常高，使得非線性效應變得非常強烈。微諧振器可以通過非線性四波混頻將 CW 激發光轉換成其他頻率分量，從(cong) 而產(chan) 生頻率梳（見圖 2）。

所得到的頻率梳的性質，在很大程度上取決(jue) 於(yu) 泵浦激光波長，因為(wei) CW 激光器可以激發非相幹高噪聲狀態以及孤子態。孤子態是有利的，因為(wei) 所得到的頻率梳是相幹的並且具有極低噪聲、窄線寬和短脈衝(chong) 。如果從(cong) 較高頻率到較低頻率掃描泵浦激光器，將發生不同孤子態間的急變階段。每個(ge) 階段對應於(yu) 在微諧振器中循環的孤子數量的連續減少。通過反饋至激光器，可以在其中一個(ge) 階段穩定微型梳，從(cong) 而允許穩定的孤子操作。圖 3所示為(wei) 由可調諧二極管激光器泵浦氮化矽（SiN ；見圖 4）製成的這種微腔的光學單孤子光譜。

基於(yu) 晶體(ti) 的微諧振器特別有前途，因為(wei) 它們(men) 具有最高的 Q 因子。迄今為(wei) 止，它們(men) 隻是用低噪聲光纖激光器泵浦。這種光纖激光器不是寬調諧的，而傳(chuan) 統的可調諧二極管激光器由於(yu) 噪聲較高而不合適。然而，新一代連續可調諧二極管激光器現在具有超低噪聲電流驅動器和激光諧振器，允許低於(yu) 10kHz 的窄線寬和低漂移。使用這些可調諧二極管激光器，甚至可以泵浦基於(yu) 晶體(ti) 的微型頻率梳。通過高帶寬主動頻率穩定，激光器的線寬可以降低到 1Hz 的水平，以研究泵浦激光器的噪聲對微型頻率梳的影響。

表征微諧振器中的色散，對於(yu) 設計具有理想特性的器件是極其重要的。在這裏，最終的工具是鎖定到以非常受控的方式移動的穩定梳無跳模可調激光器。

量子點

半導體(ti) 量子點在三維尺寸上具有納米尺寸，使得它們(men) 的電子狀態由於(yu) 緊約束而被量化。這些量子點也顯示出其他的類單原子特性，如較強的光子反聚束和近壽命極限的線寬，通常被稱為(wei) 人造原子。它們(men) 是有趣的係統，可用於(yu) 實現量子位，並且由於(yu) 半導體(ti) 加工已被很好地理解，半導體(ti) 量子點是可擴展量子計算機尤為(wei) 有希望的候選者。與(yu) 實際原子不同，半導體(ti) 量子點可以以固態的方式生長，像光子晶體(ti) 腔和波導等其他結構可以在其周圍構建（見圖 5）。

量子點狀態的共振光學激發，對於(yu) 相幹狀態的操縱和檢測而言尤為(wei) 重要。然而，由於(yu) 本征隨機生長過程，所有量子點的尺寸略有不同，因此具有不同的光學共振頻率。為(wei) 了發現和共振激發單個(ge) 量子點的光學躍遷，寬範圍、無跳模的可調諧窄帶激光器是理想的工具。

對於(yu) 耦合的量子點尤其如此。在通往可擴展量子位陣列的路途中，耦合量子點最近引起了相當大的興(xing) 趣。耦合量子點上的電子傳(chuan) 輸測量已經展示了電子和核自旋的自旋敏感耦合和操縱，並且已經在自組裝耦合量子點中測量和計算了耦合激子的光譜。

一種方法是在彼此之上生長自組裝的耦合量子點。這種量子點分子中的量子點相互耦合，可以通過電子 -空穴交換相互作用和電子 - 電子交換耦合來支配。通過其柵極電壓改變量子點電荷狀態，然後在這兩(liang) 個(ge) 機製之間切換並改變 / 控製耦合強度。

這樣的可變耦合強度使得這種雙量子點對於(yu) 量子比特和量子計算應用是有趣的。然而，它們(men) 的光學諧振可以相差幾十納米（約 10THz），以再次共振激發兩(liang) 個(ge) 量子點，需要寬範圍可調諧的無跳模激光器，來容易地從(cong) 一個(ge) 量子點改變到另一個(ge) 量子點。

光子納米結構中的量子點

單光子級量子光學實驗的一個(ge) 重要方麵，是有力地增強和控製光與(yu) 物質間的相互作用，使得發射的單光子優(you) 先耦合到明確定義(yi) 的光學模式中。通過將量子點集成到諸如波導或光子晶體(ti) 結構（例如空腔）的其他半導體(ti) 結構中，甚至腔 QED 實驗也是可能的，而不需要捕獲原子。

光子納米結構提供了一種調節光與(yu) 物質間相互作用的手段。它們(men) 使得一係列實驗成為(wei) 可能，例如自發發射控製、改進的蘭(lan) 姆位移和增強的偶極 -偶極相互作用，以及高效的單光子源和非常大的非線性。

例如，通過將量子點集成到光子晶體(ti) 波導中，丹麥哥本哈根 Niels BohrInstitute 的研究人員能夠證實單光子水平的非線性光學元件——單個(ge) 光子被量子點反射，而多光子將通過（見圖6）。光子間的這種非線性相互作用，使得經典和量子信息技術的邏輯運算成為(wei) 可能，為(wei) 可擴展的基於(yu) 波導的光子學量子計算架構鋪平了道路。

這裏討論的微納和量子應用和實驗有一個(ge) 共同點——它們(men) 需要寬範圍無跳模的可調諧激光器。新一代外腔二極管激光器（ECDL）可以提供非常高分辨率、非常寬範圍的調諧，同時表現出窄線寬、低噪聲和低漂移。這些改進的性能部分源於(yu) 全數字控製器，確保主動反饋回路中的單模運行，以及在必要時自動優(you) 化激光腔的能力。

可調諧二極管激光器的最新進展，使得探索微納和量子世界變得更加方便。本文所討論的一些主題，可能會(hui) 對未來的技術發展產(chan) 生相當大的影響，例如當微頻率梳置於(yu) 手機或汽車中時，它們(men) 的衛星通信由量子加密保護，通過光子晶體(ti) 中的量子點來實現。（文/ Rudolf Neuhaus；Toptica Photonics公司）