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团队在太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）光注入锁定领域取得重要进展。该研究提出了一种THz单模QCL与光频梳QCL之间的光学互注入（MOI）锁定方案，在无需外部锁定硬件（如锁相环、微波注入装置）的条件下，仅通过光学耦合即可实现频率同步。实验结果表明，当调节两个QCL之间的频率失谐时，可以清晰观察到MOI锁定现象，且在不同的主从激光配置上表现出明显的不对称性：当单模QCL作为主激光器时，光频梳受到扰动，如重复频率偏移、线宽展宽及锁定，最大锁定带宽约为30 MHz；而当光频梳QCL作为主激光器时，不稳定区域被抑制，锁定带宽显著扩展至94 MHz。在锁定范围内，重复频率的相位噪声和阿伦方差显著改善，表明光频梳的稳定性提高。这一紧凑的MOI锁定方案为芯片级THz光频梳的稳定、光频分应用奠定了基础。该成果于2026年3月10日以“Mutual optical injection locking dynamics between a terahertz single-mode laser and a frequency comb laser”为题在线发表在《APL Photonics》期刊，并被遴选为Featured Article。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0310636

研究团队率先在实验上实现了THz波段单模QCL与光频梳QCL的光学互注入锁定。两个QCL 来自同一晶圆，通过面对面安装在 Y 型冷指上实现双向光学耦合（图1a）。实验中，单模 QCL 与光频梳 QCL 的状态通过调节电流偏置得到，可以控制两台激光器的频率差，实现从未锁定状态（图1b）至锁定（图1c）状态的改变。未锁定状态下，两个QCL之间弱耦合，单模 QCL与光频梳的梳齿发生拍频，产生一系列射频信号（f_bn）。MOI 锁定状态表示单模 QCL 与最靠近光频梳的梳齿对齐，f_bn信号消失，仅保留稳定的模间拍频信号（f_rep及其谐波），锁定带宽由Δf_lock表示。

图1. （a）THz 单模QCL（QCL1）与光频梳QCL（QCL2）之间的光学互注入锁定实验装置示意图图。（b）未锁定状态与（c）锁定状态的频谱示意图（左：THz波段，右：射频波段）。

图 2 展示了当单模 QCL作为主激光器时，MOI的动态演化过程。系统经历四个不同状态：远失谐状态下（I区域），两个QCL发生耦合，单模与光频梳的梳齿拍频得到下转换的拍频信号f_bn（见图2a-c），此时光频梳为自由运行状态，表现为在一定范围内波动（见图2d）；频率牵引状态（II区域），光耦合导致频率偏移并产生许多边带；MOI 锁定状态（III区域），单模激光与光频梳最近的梳齿同步，拍频信号f_bn消失，仅剩重复频率及其谐波，锁定带宽约 30 MHz，并伴随重复频率线宽显著收窄；重频展宽状态（IV区域），锁定消失，重复频率发生展宽（20 MHz），呈现剧烈抖动。图2(e) 清楚展示了对应于图2(b)中五角星位置的四个典型状态下的频谱特征。

图2. 单模THz QCL与光频梳THz QCL之间的光学互注入实验测量结果（以单模QCL为主激光器）。(a)–(c) 调节主激光器 QCL1 的电流，拍频信号  f_b1、重复频率 f_rep及二次谐波 2f_rep附近频谱的演化，具体显示了自由运行、频率牵引、锁定和重频展宽四个状态。 (d) 高分辨率 f_rep频谱随主激光器 QCL1 电流的变化。(e) 对应于图(b)中五角星位置的四个典型状态下的射频频谱。

论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所吴澍民博士，通讯作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员。该研究工作得到了科技创新2030重大项目（2023ZD031000）、国家自然科学基金项目（62235019, 62035005, 62105351, 62275258, 和62305364）、中国科学院“从0到1”原始创新项目（ZDBS-LY-JSC009）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-069）等支持。