上海微系统所在太赫兹半导体双光梳杂化锁定方面取得进展
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员领衔的太赫兹光子学研究团队与华东师范大学曾和平教授、日本东京农工大学张亚副教授合作，在太赫兹（THz）双光梳杂化锁定方面取得研究进展。相关成果于2024年1月5发表在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），并被遴选为封面论文。
高稳定THz半导体双光梳在精密测量、传感、通信等领域具有重要应用。上海微系统所太赫兹光子学研究团队在前期的工作中，基于半导体量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL），实现了自探测THz QCL双光梳（ACS Photonics 2020, 7, 49）与片上双光梳（Advanced Science 2019, 6, 1900460）；并进一步采用微波双注入（Physical Review Applied 2019, 12, 044068）、锁相环（Laser & Photonics Reviews 2021, 15, 2000498; Advanced Photonics Nexus 2023, 2, 026006）、自参考（Laser & Photonics Reviews 2023, 17, 2200418）等方法，不断提升了THz QCL双光梳光源的长时稳定性。
在本工作中，针对THz QCL双光梳稳定度主要由双光梳载波和双光梳重频决定的本质特征，研究团队提出了杂化锁定新方法，分别采用微波双注入和锁相环来锁定双光梳载波和重频。图1（a）为本工作提出的杂化锁定工作原理示意图。图中三把锁表示对两个光频梳重频和一个双光梳载波的锁定。图1（a）同时也完整示意出从THz到微波频率的双光梳频率合成过程。图1（b）为实验测量的在自由运行、仅锁相和杂化锁定条件下的30秒“最大保持”双光梳频谱。由此可见，杂化锁定可以实现对所有双光梳梳齿的锁定。仅肉眼就可以看出，杂化锁定下双光梳光谱是最稳定的。图1（c）进一步给出杂化锁定条件下2分钟“最大保持”双光梳频谱，其与图1（b）中在杂化锁定条件下的30秒“最大保持”双光梳频谱几乎一致，充分说明杂化锁定可以实现THz双光梳的长时锁定。图1（d）、（e）、（f）分别给出了不同条件下测量得到的双光梳频率艾伦方差、幅度艾伦方差、相位噪声的对比情况。实验结果进一步证明杂化锁定可以得到最优化的频率和幅度稳定性以及相位噪声。需要指出的是，在THz半导体双光梳线宽指标方面，通过多年的努力，研究团队将该指标由自由运行条件下的2-3 MHz（ACS Photonics 2020, 7, 49; Laser & Photonics Reviews 2021, 15, 2000498），压缩到自参考稳频条件下的14.8 kHz（Laser & Photonics Reviews 2023, 17, 2200418），进一步压缩至本工作提出的杂化锁定条件下的5.7 kHz。该杂化锁定新方法有效提升了THz半导体双光梳的长时稳定性，为其在THz光谱检测、传感、通信等领域的广泛应用奠定了重要基础。
图1（a）太赫兹半导体双光梳杂化锁定原理示意图。其中fb1和fb2分别是两个光频梳的重复频率，并分别被RF-1和RF-2微波注入锁定。△f=fb2-fb1和为双光梳重频。（b）自由运行、仅锁相和杂化锁定条件下实验测量得到的30秒“最大保持”双光梳频谱。（c）杂化锁定条件下2分钟“最大保持”双光梳频谱。（d）、（e）、（f）分别为不同条件下测量得到的双光梳频率艾伦方差、幅度艾伦方差、相位噪声的对比。
图2 论文封面
上海微系统所已毕业博士生赵逸然为论文第一作者，黎华研究员、曹俊诚研究员、曾和平教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目（62325509, 62235019, 62022084, 61927813, 61991430）、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-069）、中科院“从0到1”原始创新项目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院科研仪器设备研制项目（YJKYYQ20200032）等支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.3c01379
封面链接：https://pubs.acs.org/toc/apchd5/11/2
