近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所曹俊誠(chéng)、黎華研究員領(lǐng)銜的太赫茲（THz）光子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)曾和平教授團(tuán)隊(duì)合作，在高穩(wěn)定自參考太赫茲雙光梳方面取得重要研究進(jìn)展。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出自參考方法，完全消除了THz雙光梳共有載波噪聲，同時(shí)抑制了重復(fù)頻率噪聲，將THz雙光梳梳齒線寬由未穩(wěn)頻的2-3 MHz量級(jí)壓縮至14.8 kHz，大幅提升了THz雙光梳光源的穩(wěn)定度。相關(guān)成果于2023年2月3日以“Terahertz Semiconductor Dual-comb Source with Relative Offset Frequency Cancellation”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊，并被遴選為封面論文。
雙光梳由兩個(gè)重復(fù)頻率略有不同的光頻梳組成，通過(guò)多外差采樣將光譜信息直接映射在微波波段，這種不依賴機(jī)械掃描的時(shí)間延遲結(jié)構(gòu)令雙光梳天然地具有高速、高分辨等優(yōu)勢(shì)，在高精度光譜、成像、測(cè)距以及大容量高速通信方面具有重要應(yīng)用。在THz波段，基于電泵浦的半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascade laser, QCL）是現(xiàn)實(shí)THz光頻梳與雙光梳的理想載體。當(dāng)前，THz QCL雙光梳通常工作于自由運(yùn)行模式，具有較高的相位噪聲，限制其高精度應(yīng)用。提高雙光梳頻率穩(wěn)定性的主要思路是分別控制兩個(gè)光頻梳基礎(chǔ)頻率分量，載波包絡(luò)偏移頻率和重復(fù)頻率。因此，要完全鎖定THz QCL雙光梳需要同時(shí)鎖定四個(gè)不同頻率，即兩個(gè)載波包絡(luò)偏移頻率和兩個(gè)重復(fù)頻率。四個(gè)不同頻率的復(fù)雜系統(tǒng)。盡管項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在前期工作中將THz雙光梳一根梳齒通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了鎖定，并提升了雙光梳的穩(wěn)定性，但是還未實(shí)現(xiàn)THz雙光梳的完全硬件鎖定。而要在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)四個(gè)頻率的完全鎖定，將涉及非常復(fù)雜的硬件系統(tǒng)。
在本工作中，研究人員提出了自參考“軟鎖定”方法，不采用任何硬件鎖模模塊，對(duì)雙光梳整體信號(hào)進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定自參考THz QCL雙光梳光源。雙光梳梳齒噪聲來(lái)源于兩個(gè)未鎖定的光頻梳的載波包絡(luò)偏移頻率和重復(fù)頻率噪聲，通過(guò)多外差拍頻過(guò)程，雙光梳的每根梳齒都共享相同的載波包絡(luò)頻率及噪聲。通過(guò)消除共有的載波包絡(luò)頻率噪聲，則可以顯著提高每根雙光梳梳齒的穩(wěn)定性。如圖1（a）所示，通過(guò)窄帶濾波器將雙光梳的一根梳齒濾出并將其與整個(gè)雙光梳信號(hào)進(jìn)行混頻，從而徹底消除雙光梳梳齒的共有載波噪聲，同時(shí)還可以抑制重復(fù)頻率噪聲，構(gòu)造出無(wú)載波包絡(luò)偏移頻率的零偏雙光梳，顯著提高雙光梳信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。圖1（b）為未穩(wěn)頻THz雙光梳光譜，在15 s的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，測(cè)得的梳齒“最大保持”線寬為2 MHz。圖1（c）為施加自參考穩(wěn)頻之后測(cè)得的THz雙光梳光譜。在60 s內(nèi)，測(cè)得的“最大保持”線寬為14.8 kHz，比未穩(wěn)頻的THz雙光梳梳齒線寬提升了130倍以上。本工作提出的自參考穩(wěn)頻方法，不依賴任何鎖定元件，同時(shí)可方便移植于其它激光系統(tǒng)中，為提高光譜、成像等各種應(yīng)用的穩(wěn)定性提供一種簡(jiǎn)單有效的穩(wěn)頻方法。
圖1（a）自參考穩(wěn)頻原理。其中frep1和frep2分別是兩個(gè)光頻梳的重復(fù)頻率，其中frep2通過(guò)微波注入鎖定到fRF。“彩虹”頻譜表示MHz范圍內(nèi)的下轉(zhuǎn)換雙光梳信號(hào)，通過(guò)帶通濾波器將其中一根梳齒濾出（虛線框），從而采用混頻實(shí)現(xiàn)零偏自參考雙光梳。（b）未穩(wěn)頻THz雙光梳“最大保持”頻譜，測(cè)量時(shí)間為15 s。（c）自參考雙光梳“最大保持”頻譜，測(cè)量時(shí)間為60 s。
本論文共同第一作者為中科院上海微系統(tǒng)所副研究員李子平、博士生馬旭紅，黎華研究員、曹俊誠(chéng)研究員、曾和平教授為論文共同通訊作者。同時(shí)，上海理工大學(xué)李敏副教授和華東師范大學(xué)閆明研究員為該工作也做出了重要貢獻(xiàn)。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（62235019）、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（62022084）、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（YSBR-069）、中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目（YJKYYQ20200032）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃（20xD1424700）等支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202200418
（來(lái)源：MEMS）
