近日，中科院上海微系統(tǒng)所曹俊誠、黎華領銜的太赫茲（THz）光子學團隊基于電泵浦THz量子級聯(lián)激光器（QCL）雙光梳，突破激光自探測，利用鎖相環(huán)技術(shù)，國際上率先實現(xiàn)THz QCL雙光梳鎖相。研究結(jié)果以“Active Stabilization of Terahertz Semiconductor Dual‐Comb Laser Sources Employing a Phase Locking Technique”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊，并被遴選為封面論文。

光頻梳與雙光梳在高精度光譜檢測、成像、通信等領域具有重要應用。在近紅外波段，光頻梳與雙光梳技術(shù)相對較成熟。而在遠紅外尤其是THz波段，由于缺乏高效輻射源，光頻梳與雙光梳還處于實驗室研究階段。THz QCL具有電泵浦、大功率輸出、高遠場光束質(zhì)量、寬頻譜覆蓋等特點，是實現(xiàn)THz光頻梳和雙光梳的理想載體。另外，THz QCL光頻梳具有小的SWAP（尺寸、重量和功率消耗），在未來工業(yè)應用中具有優(yōu)勢。在前期工作中，中科院上海微系統(tǒng)所THz光子學團隊在THz QCL光頻梳與雙光梳方面具有一定的積累，如實現(xiàn)了主/被動穩(wěn)頻THz QCL光頻梳、THz片上雙光梳、雙光梳THz實時光譜檢測等。而在THz QCL雙光梳方面，目前國際上均采用的是自由運行THz QCL光頻梳，其頻率穩(wěn)定性和相位噪聲相對較差。到目前為止，提高THz QCL雙光梳的頻率穩(wěn)定性是一個尚未解決的關(guān)鍵難題。

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圖1：THz QCL雙光梳鎖相工作原理及實驗結(jié)果。上圖：雙光梳鎖相工作原理。將THz QCL雙光梳中的一根梳齒（藍色圓圈）下轉(zhuǎn)換到90 MHz附近，然后利用帶通濾波器將其選出進行鎖相。通過動態(tài)調(diào)控THz QCL的驅(qū)動電流對雙光梳信號進行穩(wěn)頻鎖相。左下圖：鎖相之后的測量得到的THz QCL雙光梳頻譜，其雙光梳光學帶寬為165 GHz。右下圖：鎖相之后的實驗測量得到的THz QCL雙光梳時域脈沖信號

一個光頻梳中的每根梳齒頻率可以由兩個頻率完全定義，其一為載波漂移頻率（fCEO），其二為重復頻率（fREP）。對一個光頻梳的鎖定需要同時鎖定fCEO和fREP。而對于雙光梳的完全鎖定，需要同時鎖定四個不同的頻率（兩個fCEO和兩個fREP），難度巨大。在本工作中，研究團隊并非分別對兩個THz QCL光頻梳的fCEO和fREP進行控制，而是利用激光自探測，將THz QCL雙光梳中的一根頻率線進行下轉(zhuǎn)換，然后利用鎖相環(huán)進行鎖定，最終提高整個THz QCL雙光梳的頻率穩(wěn)定性并大幅降低其相位噪聲。進一步，研究團隊在鎖相的條件下，對THz QCL雙光梳成功進行了時域脈沖信號測量。由于該鎖相技術(shù)并沒有直接對單個光頻梳的fCEO和fREP進行鎖定，所以測量得到的雙光梳時域脈沖信號可以證明單個THz QCL光頻梳在沒有鎖相的條件可以產(chǎn)生時域脈沖。本工作為THz雙光梳穩(wěn)頻提供了一項簡單有效的方案，為THz光譜高分辨、成像和寬帶THz通信等奠定重要基礎。

該論文的共同第一作者為中科院上海微系統(tǒng)所博士生趙逸然、博士后李子平、和博士生周康，通訊作者為黎華研究員。新微半導體許東研究員、法國微電子與納米技術(shù)研究所（IEMN）Stefano Barbieri教授也為該工作做出了重要貢獻。該項工作得到了中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院儀器研制項目（YJKYYQ20200032）、國家優(yōu)秀青年科學基金（62022084）、上海市優(yōu)秀學術(shù)帶頭人計劃（20XD1424700）、上海市青年拔尖人才開發(fā)計劃等經(jīng)費支持。

關(guān)于黎華

黎華，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員，博士生導師，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者。2009年畢業(yè)于中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，獲工學博士學位；2009至2015年，先后在德國慕尼黑工業(yè)大學肖特基研究所（洪堡學者）、日本東京大學生產(chǎn)技術(shù)研究所（日本學術(shù)振興會JSPS特別研究員）、法國巴黎七大材料與量子現(xiàn)象實驗室（博士后）開展合作研究；于2014年底加入中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，任研究員。

黎華博士從事太赫茲（THz）量子級聯(lián)激光器（QCL）與光頻梳研究，在Advanced Science、Nature Communications、Optica、ACS Photonics、Advanced Optical Materials、Physical Review Applied等期刊發(fā)表SCI論文60余篇，在國際會議做邀請報告20余次，獲授權(quán)中國發(fā)明專利15件。曾獲得國家優(yōu)青、入選上海市優(yōu)秀學術(shù)帶頭人、上海市青年拔尖人才開發(fā)計劃、中國科學院高層次人才計劃、德國洪堡學者等。獲得上海市自然科學獎二等獎（排名第三）、中國電子學會“優(yōu)秀科技工作者”、國家人社部留學人員擇優(yōu)資助、中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項目、中國科學院院長優(yōu)秀獎等。