圖1. (a)THz 單模QCL(QCL1)與光頻梳QCL(QCL2)之間的光學(xué)互注入鎖定實驗裝置示意圖圖。(b)未鎖定狀態(tài)與(c)鎖定狀態(tài)的頻譜示意圖(左：THz波段，右：射頻波段)。

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所黎華研究員團隊在太赫茲(THz)量子級聯(lián)激光器(QCL)光注入鎖定領(lǐng)域取得重要進展。該研究提出了一種THz單模QCL與光頻梳QCL之間的光學(xué)互注入(MOI)鎖定方案，在無需外部鎖定硬件(如鎖相環(huán)、微波注入裝置)的條件下，僅通過光學(xué)耦合即可實現(xiàn)頻率同步。實驗結(jié)果表明，當調(diào)節(jié)兩個QCL之間的頻率失諧時，可以清晰觀察到MOI鎖定現(xiàn)象，且在不同的主從激光配置上表現(xiàn)出明顯的不對稱性：當單模QCL作為主激光器時，光頻梳受到擾動，如重復(fù)頻率偏移、線寬展寬及鎖定，最大鎖定帶寬約為30 MHz;而當光頻梳QCL作為主激光器時，不穩(wěn)定區(qū)域被抑制，鎖定帶寬顯著擴展至94 MHz。在鎖定范圍內(nèi)，重復(fù)頻率的相位噪聲和阿倫方差顯著改善，表明光頻梳的穩(wěn)定性提高。這一緊湊的MOI鎖定方案為芯片級THz光頻梳的穩(wěn)定、光頻分應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該成果于2026年3月10日以“Mutual optical injection locking dynamics between a terahertz single-mode laser and a frequency comb laser”為題在線發(fā)表在《APL Photonics》期刊，并被遴選為Featured Article。

研究團隊率先在實驗上實現(xiàn)了THz波段單模QCL與光頻梳QCL的光學(xué)互注入鎖定。兩個QCL 來自同一晶圓，通過面對面安裝在 Y 型冷指上實現(xiàn)雙向光學(xué)耦合(圖1a)。實驗中，單模 QCL 與光頻梳 QCL 的狀態(tài)通過調(diào)節(jié)電流偏置得到，可以控制兩臺激光器的頻率差，實現(xiàn)從未鎖定狀態(tài)(圖1b)至鎖定(圖1c)狀態(tài)的改變。未鎖定狀態(tài)下，兩個QCL之間弱耦合，單模 QCL與光頻梳的梳齒發(fā)生拍頻，產(chǎn)生一系列射頻信號(fbn)。MOI 鎖定狀態(tài)表示單模 QCL 與最靠近光頻梳的梳齒對齊，fbn信號消失，僅保留穩(wěn)定的模間拍頻信號(frep及其諧波)，鎖定帶寬由Δflock表示。

圖 2 展示了當單模 QCL作為主激光器時，MOI的動態(tài)演化過程。系統(tǒng)經(jīng)歷四個不同狀態(tài)：遠失諧狀態(tài)下(I區(qū)域)，兩個QCL發(fā)生耦合，單模與光頻梳的梳齒拍頻得到下轉(zhuǎn)換的拍頻信號fbn(見圖2a-c)，此時光頻梳為自由運行狀態(tài)，表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)波動(見圖2d);頻率牽引狀態(tài)(II區(qū)域)，光耦合導(dǎo)致頻率偏移并產(chǎn)生許多邊帶;MOI 鎖定狀態(tài)(III區(qū)域)，單模激光與光頻梳最近的梳齒同步，拍頻信號fbn消失，僅剩重復(fù)頻率及其諧波，鎖定帶寬約 30 MHz，并伴隨重復(fù)頻率線寬顯著收窄;重頻展寬狀態(tài)(IV區(qū)域)，鎖定消失，重復(fù)頻率發(fā)生展寬(20 MHz)，呈現(xiàn)劇烈抖動。圖2(e) 清楚展示了對應(yīng)于圖2(b)中五角星位置的四個典型狀態(tài)下的頻譜特征。

圖2. 單模THz QCL與光頻梳THz QCL之間的光學(xué)互注入實驗測量結(jié)果(以單模QCL為主激光器)。(a)–(c) 調(diào)節(jié)主激光器 QCL1 的電流，拍頻信號 ?fb1、重復(fù)頻率 frep及二次諧波 2frep附近頻譜的演化，具體顯示了自由運行、頻率牽引、鎖定和重頻展寬四個狀態(tài)。 (d) 高分辨率 frep頻譜隨主激光器 QCL1 電流的變化。(e) 對應(yīng)于圖(b)中五角星位置的四個典型狀態(tài)下的射頻頻譜。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報-光子學(xué)》(APL Photonics)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院的支持。

審核編輯 黃宇