科技进展

上海微系统所在太赫兹双光梳锁相方面取得进展

  

  近日,中科院上海微系统所曹俊诚、黎华领衔的太赫兹(THz)光子学团队基于电泵浦THz量子级联激光器(QCL)双光梳,突破激光自探测,利用锁相环技术,国际上率先实现THz QCL双光梳锁相。研究结果以“Active Stabilization of Terahertz Semiconductor Dual‐Comb Laser Sources Employing a Phase Locking Technique”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊,并被遴选为封面论文。

  光频梳与双光梳在高精度光谱检测、成像、通信等领域具有重要应用。在近红外波段,光频梳与双光梳技术相对较成熟。而在远红外尤其是THz波段,由于缺乏高效辐射源,光频梳与双光梳还处于实验室研究阶段。THz QCL具有电泵浦、大功率输出、高远场光束质量、宽频谱覆盖等特点,是实现THz光频梳和双光梳的理想载体。另外,THz QCL光频梳具有小的SWAP(尺寸、重量和功率消耗),在未来工业应用中具有优势。在前期工作中,中科院上海微系统所THz光子学团队在THz QCL光频梳与双光梳方面具有一定的积累,如实现了主/被动稳频THz QCL光频梳、THz片上双光梳、双光梳THz实时光谱检测等。而在THz QCL双光梳方面,目前国际上均采用的是自由运行THz QCL光频梳,其频率稳定性和相位噪声相对较差。到目前为止,提高THz QCL双光梳的频率稳定性是一个尚未解决的关键难题。

  一个光频梳中的每根梳齿频率可以由两个频率完全定义,其一为载波漂移频率(fCEO),其二为重复频率(fREP)。对一个光频梳的锁定需要同时锁定fCEO和fREP。而对于双光梳的完全锁定,需要同时锁定四个不同的频率(两个fCEO和两个fREP),难度巨大。在本工作中,研究团队并非分别对两个THz QCL光频梳的fCEO和fREP进行控制,而是利用激光自探测,将THz QCL双光梳中的一根频率线进行下转换,然后利用锁相环进行锁定,最终提高整个THz QCL双光梳的频率稳定性并大幅降低其相位噪声。进一步,研究团队在锁相的条件下,对THz QCL双光梳成功进行了时域脉冲信号测量。由于该锁相技术并没有直接对单个光频梳的fCEO和fREP进行锁定,所以测量得到的双光梳时域脉冲信号可以证明单个THz QCL光频梳在没有锁相的条件可以产生时域脉冲。本工作为THz双光梳稳频提供了一项简单有效的方案,为THz光谱高分辨、成像和宽带THz通信等奠定重要基础。

  该论文的共同第一作者为中科院上海微系统所博士生赵逸然、博士后李子平、和博士生周康,通讯作者为黎华研究员。新微半导体许东研究员、法国微电子与纳米技术研究所(IEMN)Stefano Barbieri教授也为该工作做出了重要贡献。该项工作得到了中科院“从0到1”原始创新项目(ZDBS-LY-JSC009)、中科院仪器研制项目(YJKYYQ20200032)、国家优秀青年科学基金(62022084)、上海市优秀学术带头人计划(20XD1424700)、上海市青年拔尖人才开发计划等经费支持。

  论文链接:https://doi.org/10.1002/lpor.202000498

  封面链接:https://doi.org/10.1002/lpor.202170026

 

  图1:THz QCL双光梳锁相工作原理及实验结果。上图:双光梳锁相工作原理。将THz QCL双光梳中的一根梳齿(蓝色圆圈)下转换到90 MHz附近,然后利用带通滤波器将其选出进行锁相。通过动态调控THz QCL的驱动电流对双光梳信号进行稳频锁相。

左下图:锁相之后的测量得到的THz QCL双光梳频谱,其双光梳光学带宽为165 GHz。右下图:锁相之后的实验测量得到的THz QCL双光梳时域脉冲信号

 

图2:论文封面