上海微系統(tǒng)所在自參考太赫茲雙光梳研究方面取得進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員曹俊誠、黎華團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)教授曾和平團(tuán)隊(duì)合作，在高穩(wěn)定自參考太赫茲雙光梳方面取得研究進(jìn)展。研究團(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)成果以Terahertz Semiconductor Dual-comb Source with Relative Offset Frequency Cancellation為題發(fā)表在《激光與光子學(xué)評論》（Laser & Photonics Reviews）上，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)令雙光梳天然具有高速、高分辨等優(yōu)勢，在高精度光譜、成像、測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)體量子級聯(lián)激光器（quantum cascade laser，QCL）是實(shí)現(xiàn)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，即載波包絡(luò)偏移頻率和重復(fù)頻率。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。盡管研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中將THz雙光梳一根梳齒通過鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了鎖定，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，將涉及復(fù)雜的硬件系統(tǒng)。

來源于兩個(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，通過多外差拍頻產(chǎn)生的雙光梳的每根梳齒都享有相同的載波包絡(luò)頻率及噪聲。通過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。研究通過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)造出無載波包絡(luò)偏移頻率的零偏雙光梳，顯著提高雙光梳信號的長期穩(wěn)定性【圖1（a）】。未穩(wěn)頻THz雙光梳光譜在15 s的測試時(shí)間內(nèi)，測得的梳齒“最大保持”線寬為2 MHz【圖1（b）】。施加自參考穩(wěn)頻之后測得的THz雙光梳光譜，在60 s內(nèi)，測得的“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【圖1（c）】。研究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)可方便移植于其他激光系統(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通過微波注入鎖定到fRF?！安屎纭鳖l譜表示MHz范圍內(nèi)的下轉(zhuǎn)換雙光梳信號，通過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，測量時(shí)間為15 s。（c）自參考雙光梳“最大保持”頻譜，測量時(shí)間為60 s。 相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、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、中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目、中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃等的支持。 論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202200418

審核編輯 ：李倩