近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所曹俊誠、黎華研究員領(lǐng)銜的太赫茲（THz）光子學(xué)研究團隊與華東師范大學(xué)曾和平教授團隊合作，在高穩(wěn)定自參考太赫茲雙光梳方面取得重要研究進展。項目團隊提出自參考方法，完全消除了THz雙光梳共有載波噪聲，同時抑制了重復(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，這種不依賴機械掃描的時間延遲結(jié)構(gòu)令雙光梳天然地具有高速、高分辨等優(yōu)勢，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）是現(xiàn)實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雙光梳需要同時鎖定四個不同頻率，即兩個載波包絡(luò)偏移頻率和兩個重復(fù)頻率。四個不同頻率的復(fù)雜系統(tǒng)。盡管項目團隊在前期工作中將THz雙光梳一根梳齒通過鎖相環(huán)實現(xiàn)了鎖定，并提升了雙光梳的穩(wěn)定性，但是還未實現(xiàn)THz雙光梳的完全硬件鎖定。而要在實驗室實現(xiàn)四個頻率的完全鎖定，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，對雙光梳整體信號進行操控，實現(xiàn)了高穩(wěn)定自參考THz QCL雙光梳光源。雙光梳梳齒噪聲來源于兩個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，通過多外差拍頻過程，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，通過窄帶濾波器將雙光梳的一根梳齒濾出并將其與整個雙光梳信號進行混頻，從而徹底消除雙光梳梳齒的共有載波噪聲，同時還可以抑制重復(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（b）為未穩(wěn)頻THz雙光梳光譜，在15 s的測試時間內(nèi)，測得的梳齒“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。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分別是兩個光頻梳的重復(fù)頻率，其中frep2通過微波注入鎖定到fRF。“彩虹”頻譜表示MHz范圍內(nèi)的下轉(zhuǎn)換雙光梳信號，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，測量時間為15 s。（c）自參考雙光梳“最大保持”頻譜，測量時間為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、曹俊誠研究員、曾和平教授為論文共同通訊作者。同時，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。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目（62235019）、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目（62022084）、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃（YSBR-069）、中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院科研儀器設(shè)備研制項目（YJKYYQ20200032）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計劃（20xD1424700）等支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202200418
（來源：MEMS）
