中國科學院上海微系統與信息技術研究所在太赫茲半導體雙光梳雜化鎖定方面取得進展
文章來源：上海微系統與信息技術研究所 | 發布時間：2024-02-26 | 【打印】 【關閉】
近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所黎華研究員領銜的太赫茲光子學研究團隊與華東師范大學曾和平教授、日本東京農工大學張亞副教授合作，在太赫茲（THz）雙光梳雜化鎖定方面取得研究進展。相關成果于2024年1月5發表在ACS Photonics期刊（Yiran Zhao, Ziping Li, Xuhong Ma, Kang Zhou, Wen Guan, Chenjie Wang, Shumin Wu, Han Liu, Wenjian Wan, J. C. Cao, Ya Zhang, Heping Zeng, and Hua Li, Stabilized Terahertz Quantum Cascade Laser Dual-comb Sources with a Hybrid Locking, ACS Photonics 2024, 11, 520），并被遴選為封面論文。
高穩定THz半導體雙光梳在精密測量、傳感、通信等領域具有重要應用。上海微系統所太赫茲光子學研究團隊在前期的工作中，基于半導體量子級聯激光器（quantum cascade laser, QCL），實現了自探測THz QCL雙光梳（ACS Photonics 2020, 7, 49）與片上雙光梳（Advanced Science 2019, 6, 1900460）；并進一步采用微波雙注入（Physical Review Applied 2019, 12, 044068）、鎖相環（Laser & Photonics Reviews 2021, 15, 2000498; Advanced Photonics Nexus 2023, 2, 026006）、自參考（Laser & Photonics Reviews 2023, 17, 2200418）等方法，不斷提升了THz QCL雙光梳光源的長時穩定性。
在本工作中，針對THz QCL雙光梳穩定度主要由雙光梳載波和雙光梳重頻決定的本質特征，研究團隊提出了雜化鎖定新方法，分別采用微波雙注入和鎖相環來鎖定雙光梳載波和重頻。圖1（a）為本工作提出的雜化鎖定工作原理示意圖。圖中三把鎖表示對兩個光頻梳重頻和一個雙光梳載波的鎖定。圖1（a）同時也完整示意出從THz到微波頻率的雙光梳頻率合成過程。圖1（b）為實驗測量的在自由運行、僅鎖相和雜化鎖定條件下的30秒“最大保持”雙光梳頻譜。由此可見，雜化鎖定可以實現對所有雙光梳梳齒的鎖定。僅肉眼就可以看出，雜化鎖定下雙光梳光譜是最穩定的。圖1（c）進一步給出雜化鎖定條件下2分鐘“最大保持”雙光梳頻譜，其與圖1（b）中在雜化鎖定條件下的30秒“最大保持”雙光梳頻譜幾乎一致，充分說明雜化鎖定可以實現THz雙光梳的長時鎖定。圖1（d）、（e）、（f）分別給出了不同條件下測量得到的雙光梳頻率艾倫方差、幅度艾倫方差、相位噪聲的對比情況。實驗結果進一步證明雜化鎖定可以得到最優化的頻率和幅度穩定性以及相位噪聲。需要指出的是，在THz半導體雙光梳線寬指標方面，通過多年的努力，研究團隊將該指標由自由運行條件下的2-3 MHz（ACS Photonics 2020, 7, 49; Laser & Photonics Reviews 2021, 15, 2000498），壓縮到自參考穩頻條件下的14.8 kHz（Laser & Photonics Reviews 2023, 17, 2200418），進一步壓縮至本工作提出的雜化鎖定條件下的5.7 kHz。該雜化鎖定新方法有效提升了THz半導體雙光梳的長時穩定性，為其在THz光譜檢測、傳感、通信等領域的廣泛應用奠定了重要基礎。
圖1（a）太赫茲半導體雙光梳雜化鎖定原理示意圖。其中fb1和fb2分別是兩個光頻梳的重復頻率，并分別被RF-1和RF-2微波注入鎖定?！鱢=fb2-fb1和為雙光梳重頻。（b）自由運行、僅鎖相和雜化鎖定條件下實驗測量得到的30秒“最大保持”雙光梳頻譜。（c）雜化鎖定條件下2分鐘“最大保持”雙光梳頻譜。（d）、（e）、（f）分別為不同條件下測量得到的雙光梳頻率艾倫方差、幅度艾倫方差、相位噪聲的對比。
圖2 論文封面
上海微系統所已畢業博士生趙逸然為論文第一作者，黎華研究員、曹俊誠研究員、曾和平教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金項目（62325509, 62235019, 62022084, 61927813, 61991430）、中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃（YSBR-069）、中科院“從0到1”原始創新項目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院科研儀器設備研制項目（YJKYYQ20200032）等支持。
