近日，中科院上海微系统所太赫兹固态技术院重点实验室基于微波双调制方案实现了宽谱太赫兹量子级联激光器（Terahertz Quantum Cascade Laser, THz QCL）片上双光梳。采用微波注入技术，双光梳频谱覆盖范围显著增加，接近THz QCL的太赫兹光谱极限。研究结果以“On-chip Dual-Comb Sources Based on Terahertz Quantum Cascade Lasers Under Microwave Double Injection”为题发表在国际权威学术期刊Physical Review Applied (DOI: doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.044068)。 

　　光频梳是由一系列等间距且高度稳定的频率线组成的宽带相干光源。双光梳光源在高速、高分辨光谱检测、高速成像、通信等领域具有重要应用。利用两个光梳在重复频率上的微小差别，光谱可以直接下转换到微波段，从而实现高分辨光谱检测。双光梳光谱可以完全摒弃传统光谱仪所必需的移动扫描部件，从而实现实时光谱测量。在THz波段，基于THz QCL的双光梳光源具有电泵浦、全固态、功率高等特点，在THz光谱检测、成像等领域具有重要应用。 

　　在本工作中，研究团队采用单面等离子体波导结构的THz QCL制作太赫兹片上双光梳，并在THz QCL往返频率上进行微弱RF信号注入调制。利用三维有限元仿真工具，模拟计算不同间距下双光梳之间的耦合效率，防止耦合率过低无法实现光频梳拍频或耦合率过高造成光学注入锁定。实验表面，在无调制状态下，双光梳光谱范围86 GHz，双光梳线宽1.14 MHz，在此状态下仅有部分太赫兹模式参与双光梳形成。在微小射频信号调制下，双光梳光频展宽至166 GHz，接近THz QCL的太赫兹光谱覆盖极限。此外，在射频注入条件下，双光梳线宽减小到490 kHz。这表明射频信号注入后，THz QCL被完全锁定，以光频梳的形式辐射太赫兹波，且大部分太赫兹参与双光梳的形成。该微波双调制技术可以完全稳定THz QCL光频梳的重复频率，从而消除重复频率噪声。因此此项技术亦可直接测试光频梳中载波包络偏移频率噪声。 

　　论文的第一作者为博士生李子平，通讯作者为黎华研究员。该项工作得到了国家自然科学基金、中科院“从0到1”原始创新项目、科技部重大仪器项目、上海市科委的经费支持。 

　　另外，2019年9月，李子平同学在美国洛杉矶召开的太赫兹量子级联激光器领域顶级会议“Infrared Terahertz Quantum Workshop”上报道了此项工作，得到领域专家学者的广泛关注和热烈讨论，并获得最佳学生论文奖二等奖（共3名同学分别获一、二、三等奖，详见会议网址http://www.itqw2019.com/best-paper-awards）。这是该会议创办近30年来首次授予中国学生奖项。